عنوان پایان‌نامه
مدلسازی فرآیند پوشش دهی ذرات دارویی با استفاده از روش ذره گسسته
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1723.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73744;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1723.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73744
- تاریخ دفاع
- ۰۷ بهمن ۱۳۹۴
- دانشجو
- حمیدرضا نوروزی
- استاد راهنما
- رضا ضرغامی
- چکیده
- پوشش ایجاد شده بر روی قرص‌ها و پلت‌ها معمولاً برای پنهان کردن بوی مواد دارویی، تغییر سرعت حل شدن دارو در بدن و به تعویق انداختن باز شدن قرص به کار می‌رود. عملیات پوشش‌دهی این ذره‌ها در پوشش‌دهنده‌های دیگی و بسترسیال صورت می‌گیرد. در این رساله مدل تلفیقی ذره‌گسسته-دینامیک سیالات محاسباتی-قطره‌گسسته برای توصیف فرآیند پوشش در این دستگاه‌ها بکار گرفته شد. بار محاسباتی زیاد این مدل یک مانع بزرگ برای به‌کارگیری موفق آن در فرآیند پوشش‌دهی است. بر این اساس، آنچه برای این رساله هدف‌گذاری شد، توسعه برنامه‌ای بود که بتوان شبیه‌سازی‌های بزرگ‌تر و با سرعت بیش‌تر را بر روی کامپیوتر‌های شخصی انجام داد. برای حل معادلات حاکم، برنامه‌ای موازی و جدید به زبان C++ و CUDAC++ توسعه داده شد تا بتوان با به‌کارگیری هم‌زمان منابع محاسباتی پردازند? مرکزی و پردازند? گرافیکی سرعت محاسبات را تا حد ممکن بالا برد. معادلات مدل ذره‌گسسته و قطره‌گسسته به‌صورت موازی بر روی پردازند? گرافیکی و معادلات فاز گاز و اتصال دو فاز به‌صورت موازی و بر روی پردازنده مرکزی حل شدند. در مرحله اول شبیه‌سازی‌ها، دینامیک حرکت ذره‌های کروی و غیرکروی در پوششدهنده دیگی مورد مطالعه قرار گرفت و روابطی برای توصیف این دینامیک (شامل سرعت روی سطح و عمق بستر، میانگین و انحراف معیار زمان چرخش و زمان ماند) برای دو رژیم جریانی غلتان و آبشاری ارائه شد. در مرحله دوم شبیه‌سازی‌ها، دینامیک حرکت ذره‌ها در پوششدهنده ورستر و عملیات پوشش در این پوششدهنده با افشانه از پایین و پوششدهنده بستر سیال با افشانه از بالا مورد بررسی قرار گرفت. زمان اجرای برنامه جدید نوشته شده در مقایسه با برنامه ابتدایی 17 برابر سریع¬تر است و انعطاف پذیری برنامه جدید برای شبیه‌سازی سامانه¬های با هندسه پیچیده نیز بسیار بالاتر از برنامه پیشین است. نتایج حاصل از مدل ذره¬گسسته با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد و نشان داده شد که این مدل دینامیک حرکت ذره‌ها را در پوششدهنده دیگی بخوبی پیش‌بینی می‌کند. نتایج نشان داد که برای به دست آوردن توزیع باریک¬تر جرم پوشش نشسته شده بر روی ذره‌ها در پوششدهنده دیگی، باید عدد فرود، نسبت پر‌شدگی دیگ و قطر دیگ افزایش یابند. از طرفی ذره‌های کوچک و یا غیرکروی توزیع باریکتری نسبت به نوع کروی خود ایجاد می‌کنند. اثر شکل در روابط بدست آمده با استفاده از زاویه آسایش دینامیک لحاظ شد و مقایسه این روابط با نتایج شبیه‌سازی و آزمایشگاهی نشان‌دهنده دقت خوب روابط جدید بود. هم¬چنین با مقایسه نتایج این مدل با نتایج آزمایشگاهی، نشان داده شد که این مدل توانایی پیش‌بینی خوب دینامیک ذره‌ها در بستر‌های فورانی با لوله مکش را دارد. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که الگوی سرعت ورودی به پوششدهنده ورستر و سرعت جت مرکزی بیش‌ترین اثر را بر روی توزیع زمان ماند و گردش ذره‌ها دارند. با کاهش سرعت گاز در ناحیه حلقوی و افزایش سرعت در ناحیه لوله مکش، انحراف معیار و میانگین زمان ماند و زمان گردش ذره‌ها کاهش پیدا کرد. با کاهش فاصله لوله مکش با پخش‌کننده گاز میانگین و انحراف معیار زمان گردش ذره‌ها افزایش پیدا کرد، درحالی‌که میانگین زمان ماند ذره‌ها تغییر چندانی نکرد. هم چنین علاوه بر دینامیک ذره‌ها، دینامیک افشانه و برهم کنش آن با ذره‌ها نیز اثر زیادی بر روی توزیع جرم پوشش نشسته شده داشت. به‌طورکلی با افزایش سطح جاروب افشانه (از طریق افزایش زاویه پاشش یا بزرگ‌تر کردن قطر قطره‌ها)، توزیع جرم نشسته شده بر روی ذره‌ها باریک‌تر شد. افزایش سرعت جت مرکزی گاز از 14 به m/s 17 باعث پهن شدن این توزیع شد. جرم کل ماده پوشش نشسته شده بر روی ذره‌ها با زمان به‌صورت خطی افزایش یافت. درصد ماده‌ای که بر روی سطح ذره‌ها نشست در بیش‌تر شبیه‌سازی‌ها بالای 85% بود. ولی این مقدار با افزایش قطر قطره‌ها از 30 به ?m 100 و سرعت جت مرکزی از 14 به m/s 17 به مقادیر70 تا 60% کاهش پیدا کرد. بررسی توزیع دما و رطوبت در پوششدهنده ورستر نشان داد که پراکندگی دمای ذره‌ها و رطوبت روی سطح آن‌ها بیش‌تر تابع توزیع جرم مایع نشسته شده بر روی سطح ذره‌ها بود تا همگن بودن شرایط انتقال حرارت و انتقال جرم در پوششدهنده. در مقایسه با پوشش دهنده ورستر، توزیع جرم نشسته شده در پوششدهنده بستر سیال با افشانه از بالا بسیار پهن‌تر بود. هم چنین کاهش قطر قطره از 100 به ?m 60، باعث پهن‌تر شدن توزیع پوشش در این نوع پوششدهنده شد. افزایش دما از 40 به ?C 80 در این پوششدهنده باعث افزایش 1/7 برابری پراکندگی جرم پوشش روی ذره‌ها شد. درحالی‌که همین افزایش دما در پوششدهنده ورستر، باعث افزایش 1/3 برابری این پراکندگی شد.
- Abstract
- Coating is applied to tablets and pellets to hide unpleasant smell or taste, sustained release or controlled release of active pharmaceutical ingredients. Coating is mainly performed in pans and fluid beds. In this thesis, the combined discrete element method (DEM), computational fluid dynamics (CFD) and discrete droplet method (DDM) was utilized to characterize different aspects of coating process. The computational demand of this modeling approach is a serious obstacle in successfully applying it to this process. Therefore, we aimed to develop a new program and apply it to larger systems for a longer time using personal computers. Using CUDAC++ and C++ platforms, a new parallel program was developed to use the computational resources of both the central processing unit (CPU) and the graphical processing unit (GPU) for calculations. All calculation steps related to DEM and DDM were implemented on GPU and all calculation steps related to inter-phase coupling and CFD were implemented on CPU, both in parallel. Two sets of simulations were performed using this new program. In the first set, the dynamics of spherical and non-spherical tablets were studied in pan coaters in rolling and cascading regimes and new scaling relations were developed. In the second set, the dynamics of spherical pellets and evolution of coating process in a Wurster coater with bottom spray and in a fluid bed coater with top spray were studied. The newly developed program is 17 times faster than the similar in-house program which developed before. In addition, flexibility of the new program for simulating systems with complex geometries is much more than the previous code. The new program can predict the dynamics of particles in pan coaters in terms of average circulation time, average surface time and average cascading velocity, when comparing with experimental data. The simulation results in pan coaters show that a narrow distribution of coating mass on particles can be obtained by increasing the Froude number, the fill ratio and the pan diameter. Moreover, small particles or non-spherical particles receive a narrower distribution of the coating mass in the pan coater. In the new scaling relations (peak velocity, circulation time and surface time of particles), the dynamic angle of repose is used to include shape effects. These new relations are in good agreement with experimental data. Results of the program are also compared with experimental data of a spouted bed with draft tube and good agreement between these two is also obtained. The profile of inlet velocity and the central jet velocity have the most pronounced effect on the dynamics of particles in the Wurster coater in terms of circulation and spray times. A decrease in air velocity in the annular region and an increase in it in the draft tube region decrease the mean and standard deviation of the circulation time and spray time of pellets. Reducing the partition gap between draft tube and gas distributor also reduces the mean and standard deviation of the circulation time. In addition to particle dynamics, the spray dynamics in the Wurster coater also affects the coating mass distribution on pellets. This distribution becomes narrower by increasing the sweeping area of spray (by increasing the spray angle or drop diameter). Moreover, this distribution becomes wider by increasing the central jet velocity from 14 to 17 m/s. The total mass deposited on particles linearly increases during the operation of the coater and the fraction of coating mass deposited on particles is more than 0.85 in most simulations. However, this fraction is reduced to 0.7 and 0.6 when the drop diameter is increased from 30 to 100 ?m and the central jet velocity from 14 to 17 m/s. Distribution of the surface humidity and temperature of particles depend on the distribution of mass deposited on particles rather than the homogeneity of heat and mass transfer condition in the Wurster coater. Compared to the Wurster coater, the fluid bed coater with top spray produces a wider distribution of coating mass on particles. This distribution becomes wider when the drop size is reduced from 100 to 60 ?m or the temperature of the inlet air is increased from 40 to 80 ?C. This increase in the air temperature widened the distribution of the coating mass 1.7 times in the fluid bed coater, while the same increase in the air temperature widened this distribution 1.3 times in the Wurster coater. Keywords: Discrete element method, Wurster coater, pan coater, computational fluid dynamics, discrete droplet method
