Modelling Pharmaceutical Capsule Filling Processes

Abstract

Η αξιολόγηση των παραγόντων που συνεισφέρουν στην ομοιομορφία του βάρους πλήρωσης φαρμακευτικών καψακίων, που λαμβάνονται από αυτόματες μηχανές πλήρωσης καψακίων, έχει υπάρξει πρόκληση ανά τα έτη. Ένας από αυτούς τους παράγοντες είναι η ομοιομορφία του στρώματος κόνεως, από το οποίο λαμβάνεται η δόση που μεταφέρεται στα καψάκια. Οι ενεργειακές διακυμάνσεις που σημειώνονται κατά τη διαδικασία της αυτόματης πλήρωσης καψακίων στο στρώμα κόνεως, οδηγούν σε διακυμάνσεις στην φαινόμενη πυκνότητα της κόνεως, στις περιοχές δοσοληψίας, επηρεάζοντας την ομοιομορφία του συνολικού στρώματος κόνεως, ματά από συνεχείς δοσοληψίες. Η προσομοίωση της ακριβής διαδικασίας πλήρωσης καψακίων, όπως εκτελείται από μία αυτόματη μηχανή πλήρωσης καψακίων MG2, πραγματοποιήθηκε στο ερευνητικό κέντρο Research Center Pharmaceutical Engineering (RCPE), στο Graz της Αυστριάς. Ο πρώτος στόχος ήταν η διερεύνηση ορισμένων από τις λειτουργικές παραμέτρους που επηρεάζουν τις ενεργειακές διακυμάνσεις, σε έναν αντιπροσωπευτικό όγκο δοσοληψίας, καθώς επίσης και την σωματιδιακή πυκνότητα της λαμβανόμενης κόνεως, εντός δοσιμετρικού θαλάμου προκαθορισμένου μεγέθους. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν ήταν δύο παράμετροι εξοπλισμού: η ταχύτητα δοσοληψίας και το μέγεθος του δοσιμετρικού θαλάμου. Δόθηκαν τρία αποτελέσματα: 1. Αύξηση στην ταχύτητα του δοσομετρητή, καταλήγει σε αυξημένη σωματιδιακή πυκνότητα δόσης. 2. Η συνολική κινητική ενέργεια των σωματιδίων σε έναν όγκο δοσοληψίας, αυξάνεται ανάλογα με την ταχύτητα του δοσομετρητή. 3. Μειώνοντας το μέγεθος του δοσιμετρικού θαλάμου, η συνολική κινητική ενέργεια στον όγκο δοσοληψίας, αυξάνεται. Τα αποτελέσματα αυτά επιτρέπουν συστάσεις σχετικά με τα αποδεκτά όρια ταχυτήτων δοσοληψίας και πως τα διαφορετικά μεγέθη δοσιμετρικού θαλάμου, επηρεάζουν την κινητική ενέργεια στο στρώμα κόνεως. Ο δεύτερος στόχος της παρούσας εργασίας, ήταν να επιτευχθεί η προσομοίωση του ακριβή αριθμού σωματιδίων, εντός ενός όγκου δοσοληψίας επί του περιστροφικού δοχείου. Αυτό επετεύχθη με τη χρήση ενός κώδικα που ονομάζεται Graz Rutgers Particle Dynamics (GRPD). To GRPD είναι ένας κώδικας βασισμένος στην μέθοδο των διακριτών στοιχείων (DEM), γραμμένος στην γλώσσα προγραμματισμού C και στην Compute Unified Device Architecture (CUDA), η οποία είναι μία πλατφόρμα παράλληλου προγραμματισμού, που εκτελείται σε Graphics Processing Units (GPUs). Σε σύγκριση με υπάρχοντα εμπορικά υπολογιστικά πακέτα ικανά να προσομοιώσουν κοκκώδη συστήματα, το GRPD είναι ικανό να προσομοιώσει μέχρι και εκατομμύρια περισσότερα σωματίδια, αναλόγως την εφαρμογή. Σε αυτήν την εργασία, έγινε προσομοίωση 4 εκατομμυρίων σφαιρικών σωματιδίωνσε έναν μικρότερο τομέα (όγκος δοσοληψίας), του δοχείου κόνεως. Η κατανομή διαμέτρων των σωματιδίων που προσομοιώθηκαν, ήταν σύμφωνη με την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων του προιόντος Lactohale LH100, οπότε και επετεύχθη η ρεαλιστική προσομοίωση του κοκκώδους αυτού συστήματος.

Evaluation of the factors contributing to the uniformity of the fill weight of pharmaceutical capsules, obtained by automatic capsule filling machines, has been a challenge over the years. One of these factors is the uniformity of the powder bed, from which the dose to be transferred in the capsule body, is obtained. The kinetic energy fluctuations occurring during the process of capsule filling on the powder bed, lead to fluctuations in the bulk density of the powder at the sampling areas, affecting the uniformity of the whole powder bed after consecutive sampling. A simulation of the accurate capsule filling process, performed by an MG2 capsule filling machine, was carried out at the Research Center Pharmaceutical Engineering (RCPE), in Graz, Austria. The first objective was the study of some of the operational parameters affecting the energy fluctuations on one representative sampling volume, as well as the volume number density of the sampled powder, in a dosing chamber of set size. The factors examined were two equipment parameters: the sampling velocity of the dosator and the size of the dosing chamber. Three results were obtained: 1. An increase in the dosator speed, results in an increased volume number density of the dosage. 2. The total kinetic energy of the particles on one sampling volume, increases with the dosator speed. 3. While decreasing the size of the dosing chamber, the total kinetic energy on the sampling volume increases. These results allow recommendations on the acceptable limits of the sampling velocities and how different dosing chamber sizes, affect the kinetic energy within the powder bed. The second objective of this thesis was to achieve the simulation of the accurate amount of particles contained in one sampling volume of the rotary container. This was achieved by using an in-house code called Graz Rutgers Particle Dynamics (GRPD). GRPD is a code based on the Discrete Element Method (DEM), written in the programming language C and the Compute Unified Device Architecture (CUDA), which is a parallel computing platform running on Graphics Processing Units (GPUs). Compared to existing commercial software that are able to simulate granular systems, GRPD is capable of simulating up to millions more particles depending on the application. In the scope of this work, 4 million spherical particles were simulated in a smaller section (one sampling volume), of the powder container. The diameter distribution of the particles simulated, matched the actual particle size distribution of the product Lactohale 100, thus achieving the realistic simulation of this granular system.