Ventajas del secador de filtro Nutsche agitado en forma de cono (equipo "tres en uno") de Wuxi Zhanghua Pharmaceutical Equip

Resumen: Partiendo de la estructura básica y el principio de funcionamiento del secador de filtro agitado tipo Nutsche en forma de cono de Wuxi Zhanghua Pharmaceutical Equipment (equipo “tres en uno”) y tomando como ejemplo el producto de grado limpio, se discuten las ventajas del equipo en la producción de API desde cuatro aspectos: pureza del producto, adaptabilidad del proceso, automatización y monitoreo en tiempo real, y CIP multidireccional.

Palabras clave: secador de filtro Nutsche agitado cónico (equipo “tres en uno”); producción de API; ventajas; nuevas GMP

0 Introducción

En el proceso de producción de API, para reducir la pérdida de material y evitar la contaminación ambiental causada por la transferencia de material tras la cristalización, los procesos de filtración, lavado y secado se realizan generalmente en un solo equipo, denominado "tres en uno". El "tres en uno" más común en la producción de fármacos es el de fondo plano, y sin duda ofrece ventajas en la producción de API estériles. Sin embargo, también presenta ciertas deficiencias, como la pequeña área de filtración en el fondo plano circular, la descarga lateral (que siempre deja material), un rendimiento de secado deficiente, un pequeño movimiento de material durante el proceso, una transferencia de calor poco eficiente y mayores limitaciones en el secado, entre otras.

El desarrollo del prototipo del secador de filtro cónico con agitación Nutsche (en adelante, "Tres en Uno cónico") comenzó alrededor de 1993. Tras un análisis exhaustivo de las ventajas y desventajas de los equipos domésticos "Tres en Uno", tras cinco generaciones, se ha convertido en el modelo actual de grado limpio, que ya se utiliza con éxito en la producción de API durante más de 10 años.

Con la creciente conciencia ambiental y los estándares de calidad de producción más altos para los API en China, el sistema cónico "Tres en Uno" ofrece importantes ventajas. Tomando como ejemplo el sistema cónico "Tres en Uno" de grado limpio de Wuxi Zhanghua Pharmaceutical Equipment, presentamos brevemente su estructura básica y principio de funcionamiento, y nos centramos en sus ventajas en la producción de API.

1. Estructura básica y principio de funcionamiento del equipo farmacéutico "tres en uno" cónico de Wuxi Zhanghua.

El “Tres en Uno” en forma de cono puede completar una serie de procesos en un solo equipo, incluidos procesos de separación y filtración sólido-líquido, lavado de torta de filtración y secado de material.

1.1 Estructura básica

Tomando como ejemplo el "Tres en Uno" en forma de cono de grado limpio para la producción de API, su estructura principal se muestra en la Figura

Figura 1. Estructura del cono "tres en uno" de grado limpio.

a - Mecanismo a prueba de polvo b - Mecanismo de transmisión a prueba de explosiones

c - Mecanismo de cremallera d - Mecanismo de pulverización

e - Eje principal para agitación y sistema de intercambio de calor incorporado

f - Cuerpo principal g - Mecanismo auxiliar de mantenimiento

h - Mecanismo de filtrado i – Válvula de descarga automática de expansión descendente

Más detalles:

a es el mecanismo a prueba de polvo, que cumple con los requisitos del área limpia y ayuda a evitar la contaminación por polvo causada por las piezas de transmisión.

b es el mecanismo de transmisión a prueba de explosiones, que incluye un motor principal a prueba de explosiones y un reductor. Su reductor de engranajes reforzado mejora la capacidad de transmisión y garantiza un funcionamiento estable del equipo.

c es el mecanismo de cremallera, con sello mecánico de grado limpio del eje principal y diseño de múltiples soportes.

d es el mecanismo de pulverización, incluidos los componentes para el lavado del material y CIP.

e es el eje principal para agitar y sistema de intercambio de calor incorporado, utilizando un mecanismo de agitación suspendido tipo cinta (sin punto de apoyo en la parte inferior).

f es el cuerpo principal del equipo, incluida la camisa de intercambio de calor y los componentes de aislamiento exterior.

g es el mecanismo de mantenimiento auxiliar, que se utiliza para ayudar a que las partes del cono suban y bajen, lo que facilita el desmontaje y el mantenimiento.

h es el mecanismo de filtrado, que incluye componentes para el medio de filtrado y CIP inverso (RCIP).

i es una válvula de descarga automática de expansión descendente con funcionamiento totalmente automático. Incorpora una tapa de válvula de fondo plano, sin ángulo muerto para la acumulación de material y se limpia completamente en su lugar.

1.2 Principio de funcionamiento

Se aplica un flujo de proceso intermitente al equipo farmacéutico "Tres en Uno" en forma de cono de Wuxi Zhanghua, cuyo proceso de operación típico es "alimentación-filtrado-lavado-secado-descarga-CIP", como se muestra en la Figura 2.

1.2.1 Filtrado

El equipo generalmente adopta filtración a presión o filtración al vacío, y existe una gran diferencia entre estos dos métodos según las características de los materiales y las tortas de filtración, lo que debe confirmarse mediante pequeñas pruebas.

1.2.2 Secado

Durante el proceso de secado al vacío, el equipo incorpora un sistema de circulación del medio térmico. Al añadir el medio térmico, y simultáneamente con el bombeo de vacío, el mecanismo de agitación de cinta gira hacia adelante para levantar el material y voltearlo en todas direcciones, logrando así un intercambio de calor completo. El estado de secado de los materiales se puede monitorear mediante un muestreador en línea de vacío.

1.2.3 Descarga

Una vez completado el proceso de secado y el ambiente interno del equipo vuelve a la presión normal, se abre la válvula de descarga y el mecanismo de agitación gira hacia adelante para descargar la mayoría de los materiales, y el resto de la pequeña cantidad de residuos son expulsados ​​por el mecanismo de agitación en sentido inverso.

1.2.4 Limpieza

Una vez completada la descarga, el equipo se limpia en múltiples direcciones: el sistema de lavado limpiará la parte interior y el mecanismo de agitación tipo cinta; el sistema RCIP limpiará la capa residual, el medio filtrante y la válvula; el sistema CIP limpiará la tapa de la válvula y la boquilla de conexión.

Figura 2 Flujo de operación del cono "Tres en Uno"

2 ventajas del sistema cónico "tres en uno" de Wuxi Zhanghua Pharmaceutical Equipment en la producción de API

La nueva versión de las BPM impone requisitos más exigentes para la producción de API y los equipos relacionados. Es evidente que el equipo es clave para garantizar la calidad de los API y la estabilidad de su producción. A continuación, se explicarán las ventajas del sistema cónico "Tres en Uno" en la producción de API, en combinación con los requisitos pertinentes de las nuevas BPM.

2.1 Alta pureza del producto

2.1.1 No se permite mezclar impurezas en el material

Tras la entrada del material, las piezas del equipo que entran en contacto directo con él incluyen la boquilla funcional, la pared interna, el mecanismo de agitación, el mecanismo de filtrado, el canal de filtrado, el componente de filtrado y la válvula de descarga. Excepto el mecanismo de agitación, todas las demás son estáticas. Equipadas con los materiales adecuados y un proceso de fabricación adecuado, estas piezas no introducen materias extrañas en el proceso. Sin embargo, el mecanismo de agitación es móvil. En primer lugar, se requiere un sello mecánico de grado limpio en el eje principal para lograr un buen rendimiento de sellado. El sello mecánico cuenta con una cavidad de aislamiento para evitar que las impurezas generadas por el entorno o por el propio sello mecánico entren en el equipo. Además, al no existir un punto de apoyo giratorio en la parte inferior del mecanismo de agitación cónico "Tres en Uno", diseñado con un concepto de suspensión, se elimina fundamentalmente la posibilidad de contaminación por impurezas.

2.1.2 Garantizar un entorno seguro y limpio

El equipo está completamente sellado, lo que no solo garantiza la limpieza del producto durante el proceso, sino que también protege el entorno de producción. Especialmente en casos con soluciones volátiles o peligrosas durante el proceso, el equipo garantiza la seguridad del entorno y de los operadores.

El mecanismo de agitación tipo cinta utiliza una estructura fija axialmente que no se mueve hacia arriba ni hacia abajo y mantiene una distancia segura establecida y estable del equipo, lo que garantiza la seguridad de la producción sin mantenimiento de rutina.

2.2 Ventajas de la adaptabilidad

2.2.1 Alta eficiencia de filtrado

(1) Gran área de filtrado: El medio filtrante de "Tres en Uno" tiene forma de cono y está instalado en la pared del tanque, como se muestra en la Figura 3. Si tomamos como ejemplo el tamaño del dispositivo con un diámetro interior de aproximadamente 1 m, el área de filtrado cónico estándar es de aproximadamente 1,6 m², y el área de filtrado efectiva es aproximadamente tres veces mayor que la del "Tres en Uno" con el mismo diámetro, pero fondo plano.

Figura 3. Estructura del medio filtrante cónico "tres en uno".

(2) Espesor nominal pequeño de la torta de filtración: Existen numerosos estudios sobre la teoría de la filtración. Debido a la gran diferencia en las propiedades de las partículas del material, numerosos factores afectan la tasa de filtración. Un modelo semiempírico basado en la Ley de Darcy y la Ecuación de Poiseuille concluye que el espesor de la torta de filtración es uno de los factores inversamente proporcionales a la tasa de filtración [1]: con la selección correcta del medio filtrante, la capa de torta de filtración debería formarse y desempeñar un papel de puente estable en un tiempo razonable para mejorar el rendimiento de la filtración. Cuanto más delgada sea la capa de torta de filtración, mayor será la velocidad de filtración.

(3) En el sistema cónico "Tres en Uno", la distancia entre el medio filtrante y el mecanismo de agitación es igual al espesor nominal de la torta de filtración. El mecanismo de agitación de cinta renueva continuamente la torta interna, y la fina capa de torta retenida en la superficie del medio filtrante forma una capa de refuerzo estable. Al mismo tiempo, el proceso de reemplazo también suaviza las grietas en la torta de filtración, creando una diferencia de presión estable, obteniendo así una torta de filtración con menor contenido de humedad.

2.2.2 Lavado eficiente

El mecanismo interno de agitación de cinta cónica "Tres en Uno" permite repulpar rápidamente el material tras añadir la cantidad adecuada de detergente. El contacto perfecto entre la torta de filtración y el detergente mejora considerablemente la eficiencia de lavado y reposición. En comparación con los mecanismos de agitación convencionales de cuchillas y ancla, el de cinta ofrece un mejor rendimiento de repulpado.

2.2.3 Gran área de transferencia de calor y secado eficiente

El sistema "Tres en Uno" de forma cónica cuenta con una amplia área de transferencia de calor, que incluye el área de transferencia de calor del cuerpo principal (equipado con una camisa de transferencia de calor de alta eficiencia) y el área interna de transferencia de calor de agitación. Esta amplia área de intercambio de calor no solo garantiza el rendimiento del secado, sino que, aún más importante, permite un uso eficiente del área de intercambio de calor. El contacto entre el material y las piezas de intercambio de calor es el factor más crítico.

El mecanismo de agitación de cinta del cono "Tres en Uno" ofrece un mejor rendimiento al mezclar materiales: gira de abajo a arriba para elevar el material y luego vuelve a caer al fondo, con un largo recorrido. La Figura 4 muestra la simulación del rendimiento de la mezcla de materiales en el cono "Tres en Uno". El software simula el estado real de movimiento del material, y las partículas de color claro se seleccionan como muestras de seguimiento.

Tomando como ejemplo el diseño del mecanismo de mezcla MX-F-II en un cono "Tres en Uno" de 5 m³, el coeficiente de alimentación es del 40%, la velocidad de rotación es de 35 r/min y las muestras se rastrean en poco tiempo. Se observa que se mueven uniformemente y entran en contacto con la superficie de intercambio de calor. Para diferentes materiales, en función del rendimiento de mezcla y la forma del cristal, existe una variedad de tipos en la base de datos de diseño, y también se pueden personalizar equipos. En circunstancias especiales, el mecanismo de agitación puede equiparse con los mecanismos correspondientes para satisfacer las necesidades, por ejemplo, para materiales con alta aglomeración, se puede equipar con un dispositivo de trituración forzada.

Figura 4 Simulación del rendimiento de mezcla de materiales de un mezclador cónico "tres en uno"

2.3 Automatización y monitorización en tiempo real

En la producción farmacéutica a gran escala, si el funcionamiento de un solo dispositivo se controla manualmente, inevitablemente se producirán errores. Para garantizar la consistencia de los productos entre lotes en términos de flujo de proceso, el sistema cónico "Tres en Uno" se controla automáticamente, es fácil de operar e integra en el sistema de control central (PLC o DCS, etc.). Esto reduce considerablemente la mano de obra, mejora la eficiencia de la producción y garantiza eficazmente la alta calidad y estabilidad de los productos.

Además, es fundamental supervisar el estado del producto dentro del equipo para controlar el flujo del proceso. El muestreador integrado puede operar en línea al vacío durante el proceso de secado para garantizar la continuidad de la producción y supervisar eficazmente el rendimiento del secado.

2.4 CIP multidireccional

Para la producción de APIs en el equipo "Tres en Uno" de forma cónica, la parte interna en contacto directo con el material se pule con una rugosidad de Ra ≤ 0,4 μm. Tras la finalización de un lote de productos, se realiza la descarga. Dado que la parte inferior del equipo es cónica, el puerto de descarga se encuentra en la posición más baja, evitando así la acumulación de material. Tras abrir la válvula de descarga, la mayoría de los materiales en el mecanismo de mezcla de rotación directa se descargan suavemente (para evitar la descarga masiva incontrolada de materiales al abrir la válvula, el mecanismo de agitación actúa como puente y, una vez rotado, el material se descarga automáticamente por gravedad). En la etapa posterior de la descarga, la rotación inversa del mecanismo de agitación impulsa el material, lo que prácticamente descarga el material restante en el equipo.

Para solucionar el problema de una pequeña cantidad de residuos, existe un programa de limpieza auxiliar:

(1) El sistema CIP interno del equipo cuenta con un anillo de pulverización personalizado con orificios en todas las direcciones, lo que permite limpiar la pared interior del equipo y la boquilla del cabezal en su lugar. El mecanismo de agitación de cinta ofrece diferentes ángulos de goteo opcionales según las características de los materiales. Al finalizar el proceso, se puede descargar la mayoría de los materiales y limpiar una pequeña cantidad de residuos con la boquilla de pulverización.

(2) Programa de Limpieza Inversa In Situ (RCIP) para el medio filtrante: Para el problema de los residuos, la mayoría de los procesos de producción de API utilizan placas metálicas sinterizadas multicapa como medio filtrante. El espacio de seguridad entre el borde exterior de la cinta y el medio filtrante es donde se encuentran los residuos finales, cuya cantidad varía según las características del material. El mecanismo RCIP se ubica entre el medio filtrante y el canal de filtrado, como se muestra en la Figura 5. El RCIP se realiza a una distancia corta (generalmente de 2 a 3 cm) y la presión de lavado puede alcanzar los 0,6 MPa. La capa residual generalmente se adhiere por completo y puede ser aplastada por la fricción del mecanismo de agitación después de un lavado parcial. Al mismo tiempo, la CIP puede lavar eficazmente el medio filtrante y mantener la tasa de filtración de cada lote para materiales extremadamente finos o viscosos. Para la sustitución y el mantenimiento del medio filtrante, el cono "Tres en Uno" está equipado con un mecanismo auxiliar de mantenimiento, que incluye un sistema de elevación, componentes de elevación cónica, etc., de fácil operación y mantenimiento.

Figura 5: Medio de filtro de cono "tres en uno"

Diagrama esquemático de la limpieza inversa in situ (RCIP)

3 Conclusión

El sistema cónico "Tres en Uno" surgió para satisfacer la demanda del mercado y ha obtenido varias patentes nacionales. Se ha desarrollado y aplicado durante más de 20 años, y la versión cónica de grado limpio, diseñada para la producción de API, ya es de quinta generación. Cumple rigurosamente con los requisitos regulatorios de la industria farmacéutica, desde el diseño estructural hasta la aplicación, y se ha utilizado en compañías farmacéuticas durante más de 10 años. Ante la creciente conciencia ambiental y la expansión del mercado de API, es fundamental modernizar los equipos farmacéuticos. El sistema cónico "Tres en Uno" mejorará significativamente la calidad del producto, protegerá el entorno de producción y aportará considerables beneficios a las empresas.