Sprühtrocknung inhalierbarer Partikel

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1 Sprühtrocknung inhalierbarer Partikel Stefan Blättler Horw 26. Mai 2010 Master-Thesis / Präsentation SGVC

2 CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Prof. Dr. Beat Wellig, 18 Mitarbeiter af&e- und DL-Projekte im Auftrag von BFE, BAFU, KTI, EU und privaten Unternehmen - Engineering-Tool PinCH - Optimierung WRG Batch-Polymerisation - Prozessoptimierung Gasaufbereitung durch Absorption/Desorption BÜCHI Labortechnik AG - Laborgerätehersteller für Sprühtrocknung, Kjeldahl, Extraktion, Verdampfung Folie 2, 26. Mai 2010

3 Inhalt - Definition inhalierbarer Partikel - Sprühtrocknungsprozess im Überblick - Optimierung der Teilprozesse - Schlussfolgerung Folie 3, 26. Mai 2010

4 Motivation - Grosse Verbreitung der Sprühtrocknung in der Chemie-, Pharma- & Lebensmittelindustrie - Schnelle Methode mit einfachem Scale-Up für Temperaturempfindliche Stoffe - Anwendungstrend: Herstellung direkt inhalierbarer Wirkstoffe - Verbesserte Bioverfügbarkeit, geringere und weniger häufige Wirkstoffdosierung Ziele - Bestehendes Sprühtrocknungssystem für Herstellung inhalierbarer Produkte optimieren - Ziel 1: ausreichend feine Partikel erzeugen - Ziel 2: Partikel mit möglichst hoher Effizienz abscheiden Folie 4, 26. Mai 2010

5 Definition inhalierbarer Partikel - Abgesetzte Fraktion im alveolären Bereich IF ( d ) = 0.5( 1+ exp( 0.06 d ))( 1 F ( d )) I - Partikelspektrum (logarithmischer Normalverteilung) H ( d ) - Total in Lunge platzierte Fraktion Folie 5, 26. Mai π σ d exp 2 ( ln d μ) = 2 ( d ) IF( d ) ξ = H dd 0 d = 1μm 10,3 d 3μm mit» = 90,3 2σ ξ = 88% Eindringende Partikelfraktion in % / Häufigkeit Eindringende Partikelfraktion [%] Häufigkeitskurve der Partikel (H) Inhalierbare Fraktion (IF) Partikelgrösse in μm Partikelgrösse [μm] Häufigkeit [%]

6 Der Sprühtrocknungsprozess im Überblick - Büchi Mini-Sprühtrockner B290 V & SG T in V & F Δp Cy T out V & G Folie 6, 26. Mai 2010

7 Der Sprühtrocknungsprozess im Überblick - Untersuchung der drei Teilprozesse experimentell und mittels mathematischen Modellen Folie 7, 26. Mai 2010

8 Zerstäubung der Feed-Lösung - Experimentelle Untersuchung mit PDA-Lasermesstechnik - Feeddurchsatz und Sprühgasdurchsatz bestimmen Tropfengrösse - Messgitter zur Untersuchung der Zerstäubung Messebene YZ1 Position Z [mm] Position X [mm] Folie 8, 26. Mai 2010 Messebene XY1 Messebene XY2 Position Y [mm] 1: Traversiersystem 2: Sendeoptik 3: Empfangsoptik 4: Messvolumen 5: Zweistoffdüse

9 Zerstäubung der Feed-Lösung - Kleinste Tropfen bei tiefer Feedrate und hohem Sprühgasdurchsatz d m& ~ m& Feed Sprühgas Sprühgaspegel (mm) Charakteristische Tropfengrösse (d 50,0 ) Feedrate (%) Folie 9, 26. Mai 2010

10 Abscheidung der Partikel: Entwicklung eines optimierten Zyklons Schritt 1: Geometrieevaluierung mittels mathematischen Modellen - Massnahmen für bessere Abscheidleistung: - Reduktion des Einlaufquerschnitts (A E ) - Vergrösserung des Aussenradius (R A ) - Vergrösserung des Tauchrohrradius (R T ) - Spiralförmiger Einlauf 2 R A 2 R T A E Folie 10, 26. Mai 2010

11 Abscheidung der Partikel: Entwicklung eines optimierten Zyklons Schritt 2: Beurteilung der Strömungsqualität durch CFD- Simulationen - Stabilerer Wirbel aufgrund spiralförmigem Einlauf - Wirbelbrechung am unteren Austritt durch Einsatz eines Apex Folie 11, 26. Mai 2010 optimiert standard

12 Abscheidung der Partikel: Entwicklung eines optimierten Zyklons Schritt 3: Konstruktion Schritt 4: Prototypenfertigung Folie 12, 26. Mai 2010

13 Abscheidung der Partikel - Leistungsuntersuchung mit Maltodextrin als Modellsubstanz - Trenngradbestimmung durch Billanzierung der Feststoffmassen und Partikelgrössenanalysen T ( d ) = g q q e ( d ) g ( d ) - Leistungssteigerung für Partikel < 3μm Folie 13, 26. Mai 2010

14 Abscheidung der Partikel +43% +13% ( 50 mm Sprühgaspegel 20 % Feedrate 1% Feststoff ) - Erhebliche Leistungssteigerung gegenüber bestehender Zyklone - Standard-Zyklon eignet sich nicht für den Einsatz bei Herstellung inhalierbarer Partikel Folie 14, 26. Mai 2010

15 Schlussfolgerung - Sprühtrocknung inhalierbarer Partikel ist mit dem B290 möglich - Mit d 90,3 <4μm des abgeschiedenen Partikelspektrums beträgt die inhalierbare Fraktion rund 80% - Mit dem optimierten Zyklon ist im Bereich <3μm eine erhebliche Leistungssteigerung möglich - Beim Einsatz des optimierten Zyklons ist auf die Wahl der Temperaturbedingung besonders zu achten - Der Einsatzbereich des optimierten Zyklons ist bei sehr feinen Partikelspektren Folie 15, 26. Mai 2010

16 Besten Dank an: - Prof. Dr. Beat Wellig - Dr. Cordin Arpagaus - BÜCHI Labortechnik AG, Flawil Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 16, 26. Mai 2010