Specjalistyczne zastosowanie mieszalników w branży farmaceutycznej

Wytwarzanie produktu farmaceutycznego lub biotechnologicznego może przebiegać w jednym urządzeniu lub w większej linii technologicznej. Każda instalacja powinna zostać właściwie zaprojektowana i przetestowana, dzięki czemu minimalizujemy ryzyko przestojów produkcyjnych związanych z przezbrojeniem, czyszczeniem czy naprawami.

Sercem wielu instalacji jest mieszalnik. To tutaj znajdują się główne komponenty, tu dodaje się substraty, tu zachodzi główny proces produkcyjny. Rolą mieszalnika nie musi być tylko mieszanie składników. W zbiorniku może dodatkowo przebiegać reakcja chemiczna lub ekstrakcja. Mieszalniki można podzielić na dwa typy – stanowiące odrębne jednostki lub wchodzące w skład większej instalacji. W zależności od ich umiejscowienia, służą do przeprowadzenia procesu głównego lub przygotowania surowców. W obu przypadkach pełnią rolę głównej przestrzeni procesowej. Jednak zazwyczaj wytworzenie produktu wymaga połączenia kilku procesów. Czy można je przeprowadzić w jednym urządzeniu? Czy mieszalnik może pełnić różne role? Tak! W wielu przypadkach w jednym zbiorniku łączy się proces mieszania z innymi funkcjonalnościami, które pozwalają na osiągnięcie celu, jakim jest wymarzony produkt. Dobrym przykładem może być bioreaktor lub ekstraktor, gdzie mieszanie pełni rolę wspomagającą, a dopiero dodanie dodatkowych funkcji zapewnia możliwość przeprowadzenia efektywnego bioprocesu lub ekstrakcji.

Aby otrzymać mieszalnik, wystarczy wyposażyć zbiornik w mieszadło i niezbędną aparaturę kontrolno-pomiarową. Wydaje się proste, prawda? Niemniej jednak decyzja o wyborze typu mieszadła często nie jest oczywista. W zależności od specyfiki produktów, proces mieszania prowadzimy dynamicznie lub statycznie. Odpowiedni rodzaj mieszadła gwarantuje sukces procesu. Na co zwrócić uwagę przy jego doborze? Jakie typy mieszadeł są dostępne?

Typy mieszadeł

Wyróżniamy dwie główne grupy mieszadeł: wolno – i szybkoobrotowe. Typowe mieszadła szybkoobrotowe, które odpowiadają za dynamiczne mieszanie to np. turbina Rushtona lub dissolver. Mieszadła szybkoobrotowe stosuje się do łączenia kilku cieczy, cieczy i gazu lub cieczy z proszkami. Służą głównie do ujednolicenia masy, szybkiego połączenia składników, np. aby uniknąć tworzenia się grudek w produkcie. Charakteryzują się stosunkowo niewielkimi rozmiarami.

Mieszadło typu dissolver składa się z dysku zakończonego ząbkami ukierunkowanymi na zmianę w górę i dół. Dzięki swojej budowie wytwarza bardzo wysokie siły ścinające i wymusza promieniowy przepływ cieczy. Z tego względu świetnie sprawdza się w aplikacjach, w których ciecze łączą się z proszkami. Przykładowym procesem może być przygotowywanie past lub pożywki.

Natomiast turbina Rushtona składa się z poziomego dysku i kilku, najczęściej czterech lub sześciu, pionowo zamontowanych łopatek. Mieszadło turbinowe, tak jak dissolver, zapewnia promieniowy przepływ cieczy. Stosuje się je do mieszania cieczy lub cieczy i gazu. Ten rodzaj mieszadła najczęściej występuje w bioreaktorach. Tu wymaga się zarówno ujednolicenia stężeń składników ciekłych, jak i wzbogacenia cieczy w gaz. Proces absorpcji gazu w roztworze intensyfikowany jest za pomocą dynamicznego mieszania.

Drugi zbiór stanowią mieszadła wolnoobrotowe. To niejako przeciwieństwo omawianych mieszadeł szybkoobrotowych. Do tej grupy zalicza się mieszadła, takie jak ramowe lub wstęgowe. Wykorzystuje się je do aplikacji z ciałami stałymi lub cieczami o wysokich lepkościach. Służą one do wzruszania całej objętości cieczy, przy czym ruch ten jest laminarny, powolny. Wymuszają pionowy ruch masy lub przesypywanie ciał stałych. Ponadto, przy procesach wymiany ciepła pozwalają na efektywne przekazywanie energii w całej objętości płynu. Cecha charakterystyczna tych mieszadeł to rozmiar wypełniający niemal całą objętość zbiornika.

Mieszadło wstęgowe składa się z kilku wstęg przytwierdzonych do wspólnego wału. Stosuje się je do mieszania mas półpłynnych lub granulatów. Mieszadło ramowe składa się z prostokątnej ramy o wymiarze zbliżonym do średnicy zbiornika. Najczęściej wyposaża się je w skrobaki teflonowe i łamacze fal z blachami kierunkowymi, dzięki czemu zapewniają odpowiedni kierunek ruchu cieczy, a tym samym wspomagają ruch całej objętości masy. Z kolei skrobaki teflonowe stosuje się w przypadku, gdy zbiornik posiada płaszcz grzewczy lub chłodzący. Taki zabieg pozwala na bardziej korzystną dystrybucję ciepła od płaszcza do produktu, dzięki czemu produkt nie deponuje się i nie przywiera na ściankach. Umożliwia to także uniknięcie nieprawidłowej receptury produktu.

Dwa mieszadła w jednym zbiorniku?

Niektóre receptury wymagają specjalnych warunków, które trudno zapewnić za pomocą jednego mieszadła. Może być wymagane szybkie przejście między kolejnymi etapami procesu. A więc, czy można zamontować dwa mieszadła w jednym urządzeniu? Tak! Czasem taki układ jest niezbędny, aby uzyskać odpowiedni produkt. Połączenie różnych rodzajów mieszadeł pozwala na dwuetapowe mieszanie substancji. Działają one niezależnie, a ich połączenie sprawia, że można osiągnąć nowe, lepsze rezultaty, które pozwolą wypracować oszczędność zarówno czasu, jak i pieniędzy. Dzięki zastosowaniu dwóch mieszadeł wykorzystuje się zarówno zalety mieszadeł wolnoobrotowych, jak i szybkoobrotowych. W takim układzie mieszadła szybkoobrotowe najczęściej pełnią rolę mieszadła głównego.

Mieszalnik do pożywek

W przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym mieszalnik w formie niezależnego urządzenia wykorzystuje się np. do przygotowania różnego rodzaju pożywek lub innych surowców. Pożywka to podłoże wykorzystywane do hodowli komórkowych. Składa się z odpowiednio dobranej mieszaniny składników odżywczych, dzięki której możliwy jest wzrost mikroorganizmów. W zależności od wybranych bakterii do prowadzenia hodowli, mogą się zmieniać wymagania dotyczące pożywek, a tym samym receptury, wedle których są przygotowywane. Czym powinien charakteryzować się mieszalnik do przygotowania pożywek?

Cechy dobrego mieszalnika do pożywek

Głównym elementem takiego urządzenia jest zbiornik wyposażony w mieszadło szybkoobrotowe. W zależności od receptury i charakteru produktu, mogą być wymagane różne warunki procesowe. Obroty mieszadła, temperatura, ciśnienie – jakie wartości parametrów wybrać? Czy istnieją uniwersalne warunki prowadzenia procesu?

Aby sprostać wymaganiom jak najszerszej gamy produktów, można zastosować kilka trików:

1. Wymienne mieszadła: typu dissolver i turbina Rushtona. Dissolver dzięki swoim właściwościom dyspergującym zapewni możliwość połączenia cieczy z proszkami. Do delikatniejszych aplikacji można zastosować turbinę Rushtona, która nie generuje tak wysokich sił ścinających, a skutecznie połączy ciecze wykorzystywane do wytworzenia finalnego produktu.

2. Zbiornik z płaszczem i instalacja grzewczo-chłodząca, które zapewnią płynną kontrolę temperatury procesu.

3. Integracja mieszalnika z dozownikiem automatycznym, który pozwala na dokładne odmierzanie porcji wody lub innych doprowadzanych składników.

4. Dostosowanie urządzenia do mycia w systemie CIP, co znacznie skraca przestoje produkcyjne i zmniejsza zapotrzebowanie na siłę roboczą, a tym samym przekłada się na bardziej ekonomiczną produkcję.

Automatyzacja procesu

Połączenie części procesowej z systemem sterowania gwarantuje szeroką funkcjonalność tego typu urządzeń. Zapewnia także przyjemną pracę i obsługę maszyny. Czym powinien charakteryzować się system sterowania? Przede wszystkim powinien umożliwiać regulację obrotów mieszadła oraz kontrolę temperatury procesu. Te dwa parametry pozwolą na efektywne przeprowadzenie procesu, w zależności od użytych składników. Atutem jest też precyzyjne odmierzanie dodawanych składników, które zapewni powtarzalność receptur. Ponadto, w trosce o użytkownika należy zadbać o algorytm zabezpieczeń. Krańcówka zabezpieczająca na pokrywie, inteligentny system podnoszenia pokrywy, przycisk bezpieczeństwa czy system alarmów to elementy gwarantujące wysoki poziom ochrony użytkownika.

Mieszalnik złoża chromatograficznego

W przemyśle farmaceutycznym rolę mieszadła głównego może pełnić także mieszadło wolnoobrotowe. Dobrym przykładem jest mieszalnik wstęgowy wykorzystywany do przygotowania złoża chromatograficznego. Tego typu złoża stosowane są w kolumnach chromatograficznych do procesu separacji składników. Ważnym aspektem takiego mieszalnika jest kontrola nad całością procesu – od załadunku mieszalnika, przez proces, do mycia i ponownego użycia. Jak ją zapewnić?

Elementy ułatwiające kontrolę procesu

Zasadniczym elementem takiego mieszalnika jest zbiornik z dnem stożkowym. Aby mieć możliwość weryfikacji porcji dodawanych składników, warto wyposażyć układ w system wagowy. Zbiornik powinien posiadać także odpowiedni system do poboru próbek. Najczęściej jest to zawór probierczy, można także zastosować lancę ssącą montowaną w pokrywie. Taki układ pozwala na wybór miejsca pobrania próbki. Dodatkowo, zbiornik wyposaża się w wzierniki, przez co operator na każdym etapie obserwuje, co dzieje się wewnątrz urządzenia. Zbiornik zakończony jest zaworem dennicowym, który w połączeniu z dnem stożkowym gwarantuje pełną drenowalność zbiornika oraz ułatwia opróżnianie z ciał stałych czy cieczy. Dodatkowo, w dolnej części często montowane są króćce doprowadzające sprężone powietrze, które pozwala na wzruszanie pneumatyczne złoża znajdującego się wewnątrz zbiornika. Dzięki temu unika się osiadania granulatu, a tym samym zapobiega martwym strefom mieszania. Warto, aby konstrukcja mieszalnika była dostosowana do mycia w systemie CIP. Domywalność urządzenia jest warunkiem koniecznym w farmacji.

Uwzględnienie powyższych cech ułatwi kontrolę procesu. Integracja części mechaniczno-procesowej z automatyką daje gwarancję niezawodności oraz poczucie bezpieczeństwa podczas użytkowania.

Coś więcej niż mieszanie

Mieszanie to jeden z najczęstszych procesów, jakie prowadzą do uzyskania pożądanego produktu. Jeśli receptury opierają się głównie na mieszaniu, wówczas mieszalnik stanowi odrębną maszynę. Jednak zastanówmy się, czy jego rola ogranicza się tylko do mieszania? Nieraz pewnie na tym poprzestaniemy, jednak jest gros procesów, które wymagają dodatkowych funkcjonalności. W takiej sytuacji mieszalnik wchodzi w skład większej instalacji, która wymaga odpowiedniej integracji działań.

Bioreaktory

Mieszanie często łączy się z innymi procesami, np. w celu ich intensyfikacji lub przeprowadzenia reakcji chemicznej. Tak dzieje się w bioreaktorach. Bioreaktor to urządzenie służące do realizowania bioprocesów, namnażania komórek. Mieszalnik łączy się z zaawansowaną instalacją przygotowania mediów w celu osiągnięcia nowych, pożądanych funkcji całego urządzenia. Jednak w tym przypadku mieszanie nie pełni roli głównej. Dopiero połączenie procesów mieszania, napowietrzania, dozowania pozwala osiągnąć zamierzone rezultaty. Jakie procesy łączy w sobie bioreaktor?

Z czego się składa?

Sercem bioreaktora jest mieszalnik o odpowiedniej geometrii i konstrukcji, która zapewni utrzymanie sterylności prowadzonych procesów. Jest to kluczowy parametr zapobiegający wystąpieniu zakażeń i niepowodzeń. To tutaj odbywa się główny bioproces i mieszanie, tutaj doprowadzane są media, tu mierzone są parametry. Bioreaktor musi spełniać kilka istotnych funkcji. Przede wszystkim należy zadbać o odpowiednie wymieszanie zawartości. W biotechnologii najczęściej używa się kilku turbin Rushtona, zamontowanych na jednym wale. Aby zintensyfikować mieszanie, stosuje się także przegrody wewnątrz zbiornika. Zasadniczą kwestią jest przemyślane zaprojektowanie linii doprowadzania mediów i systemu kontroli parametrów procesowych, bez których skuteczne prowadzenie namnażania komórek byłoby niemożliwe. Wymaga to integracji procesów w zbiorniku głównym z odpowiednio przystosowaną automatyką.

Instalacja przygotowania mediów

Instalacja przygotowania mediów składa się z układów:

1. Doprowadzania i odprowadzania sterylnego gazu – doprowadzane gazy to np. powietrze, wykorzystywane do napowietrzania zawartości zbiornika, lub azot, wykorzystywany do prowadzenia hodowli beztlenowych. Ważnym aspektem tego układu jest zachowanie sterylności doprowadzanych gazów. W tym celu stosuje się filtry mikrobiologiczne. Linia gazów powinna umożliwiać regulację przepływu powietrza, aby móc dostosować go do wymagań prowadzonej hodowli.

2. Termostatowania – układ ten pozwala na płynną regulację i utrzymanie pożądanej temperatury, która będzie optymalna dla prowadzonej hodowli komórkowej. Należy przewidzieć możliwość zarówno grzania, jak i chłodzenia mediów.

3. Dozowania mediów – ta linia zapewnia precyzyjne doprowadzanie porcji substancji odpowiadających za prowadzony bioproces, tj. pożywka, inokulum, inne dodatki ciekłe. Ważne jest utrzymanie sterylności linii oraz mediów, aby hodowla na każdym etapie przebiegała sterylnie.

4. Kontroli pH i poziomu piany – hodowla biotechnologiczna wymaga ściśle określonych warunków procesowych, w tym odpowiedniego pH roztworu. W trakcie prowadzenia hodowli może tworzyć się piana. Układ ten dokonuje pomiaru i dodaje odmierzone porcje kwasu, zasady i antyspieniacza, aby zachować stabilne warunki w bioreaktorze.

5. Poboru próbek – układ zazwyczaj składa się z zaworu probierczego oraz aseptycznej butelki do poboru próbek. Cały układ można sterylizować. Takie połączenie pozwala na bezpieczne pobranie cieczy, dzięki czemu można kontrolować hodowlę na każdym jej etapie.

6. Sterylizacji parą i mycia w systemie CIP – są to kluczowe układy, zintegrowane z całością instalacji. Dzięki nim możliwa jest sterylizacja i mycie maszyny, co pozwala zachować wysoką czystość, a tym samym zapobiega zakażeniom hodowli.

Integracja procesów w bioreaktorze

A więc czy proces biotechnologiczny jest skomplikowany? Tak, wymaga połączenia wielu procesów, przeprowadzania ich równolegle i szalenie precyzyjnie. Mieszanie odgrywa tu rolę pomocniczą. Integracja procesów zachodzi w zbiorniku, jednak bez instalacji przygotowania mediów oraz zaawansowanego systemu sterowania przeprowadzenie go byłoby niemożliwe. Bioreaktor jest przykładem urządzenia, w którym integracja odpowiednio dobranych procesów prowadzi do uzyskania określonego celu. Pominięcie któregoś etapu może przeszkodzić w jego osiągnięciu. Jednak czy można zaprojektować urządzenie, które pozwoli na wykorzystanie pojedynczych procesów lub na ich integrację?

Wielofunkcyjny reaktor

Przemyślany projekt urządzenia może sprawić, że nie będziesz potrzebował wielu maszyn, aby wytworzyć pożądany produkt. Idea reaktorów wielofunkcyjnych polega na integracji różnych procesów w obrębie jednego urządzenia. Mieszanie, filtracja, destylacja, ekstrakcja – to propozycja procesów, które można połączyć. Każdy z nich można wykonać po kolei lub korzystać tylko z wybranych, aby otrzymać zupełnie nowe możliwości. Głównym elementem reaktora jest zbiornik. Aby zrealizować pożądane procesy, trzeba wyposażyć go w niezbędne komponenty.

Po pierwsze – mieszanie

Zadaniem mieszania jest połączenie składników biorących udział w procesie i intensyfikacja procesów. Coraz częściej spotyka się maszyny z możliwością zmiany położenia mieszadła na wale. Pozwala to na wybór objętości roboczej reaktora, szczególnie ważnej przy urządzeniach pilotażowych lub produkowaniu różnych produktów w jednym urządzeniu. Klasyczne mieszadło wspomagane jest układem wzruszania pneumatycznego, które sprawdza się, gdy składnikiem reakcji są ciała stałe.

Procesy separacji

Na system separacji składa się filtracja, destylacja i ekstrakcja. Są to metody powszechnie stosowane do rozdziału składników. Takie połączenie procesów pozwala na rozdział lotnych związków poprzez destylację, rozdział cieczy poprzez ekstrakcję, a także rozdział cząstek stałych poprzez separację mechaniczną na przegrodzie. Ale w jaki sposób zaimplementować je w reaktorze?

Po drugie – filtracja

Filtrację można zrealizować za pomocą różnego rodzaju membran, np. w formie dysków ceramicznych. Dobór odpowiedniej przepuszczalności membrany pozwala na separację ciał stałych od cieczy. Częstym zjawiskiem filtrów membranowych jest ich zapychanie, tzw. fouling. Aby przeciwdziałać temu zjawisku, stosuje się przepływ krzyżowy (ang. cross flow). W praktyce można to zrealizować poprzez montowanie membran w postaci dysków na wspólnym wale razem z mieszadłem. Wirowanie membran wymusza przepływ krzyżowy oraz sprzyja samoczynnemu ich oczyszczaniu.

Po trzecie – destylacja

W celu przeprowadzenia destylacji, zbiornik wyposaża się w instalację grzewczo-chłodzącą, chłodnicę oraz niezbędną aparaturę kontrolno-pomiarową, aby móc regulować parametry procesu. Mieszanina znajdująca się w zbiorniku jest podgrzewana do osiągnięcia temperatury wrzenia jednego ze składników, a opary są skraplane na chłodnicy. Tym samym zachodzi separacja składników ciekłych.

Po czwarte – ekstrakcja

Ekstrakcja zachodzi poprzez dodanie odpowiednich składników bezpośrednio do zbiornika. Proces ten jest wspomagany mieszaniem. Ekstrakcję można przeprowadzić z użyciem cieczy lub cieczy i ciała stałego. Wyekstrahowane składniki można oddzielić na membranach lub od razu zdrenować. Ze względu na szerokie funkcjonalności urządzenia, warto przemyśleć, jakie składniki będą używane do procesów. Może okazać się, że warunkiem koniecznym jest przystosowanie takiego reaktora do pracy w strefie wybuchowej.

Cechy wspólne mieszalników farmaceutycznych

Mieszalniki farmaceutyczne przede wszystkim spełniają wymogi stawiane urządzeniom dostosowanym do pracy w przemyśle farmaceutycznym. Projektowane i produkowane są zgodnie z zasadami GMP, GAMP, CFR. Przystosowane są do mycia w systemie CIP, posiadają dysze myjące, odpowiednio gładkie powierzchnie (Ra < 0,4), brak newralgicznych, trudno domywalnych zakamarków, poprawnie spawane spoiny. Najczęściej używanym materiałem jest stal kwasoodporna AISI 316. Ponadto należy pamiętać o doborze właściwych komponentów i armatury, które będą współgrać z całością projektu. Przede wszystkim mają wspierać i ułatwiać obsługę, zachowując przy tym odpowiednią konstrukcję i funkcje. To wszystko ułatwia proces mycia i zapewnia higieniczność całego rozwiązania. Często spotykanym rozwiązaniem jest zamykanie instalacji przygotowania mediów w szczelnej szafie, co także wpływa na zachowanie czystości maszyny. Równie ważna jest odpowiednia automatyka wspomagająca proces. Należy zadbać o odpowiedni system zabezpieczeń i automatyzację procedur, aby cały proces przebiegał bezpiecznie i komfortowo dla użytkownika.

Artykuł został opublikowany w czerwcowym wydaniu kwartalnika "Świat Przemysłu Farmaceutycznego".

Udostępnij materiał w

Aktualne wydanie

Nowości produktowe dla farmacji

Czytaj inne

SZKOLENIA BRANŻOWE 2022

POMÓŻCIE!!!

Partner serwisu

Partner serwisu
Partner
serwisu

Współpracujemy z

  • ŚPK http://swiat-przemyslu-kosmetycznego.pl/
  • pio.jpg http://www.pio.org.pl/
  • logo instytutu magazynowania.jpg http://www.ilim.poznan.pl/
  • urpl.jpg http://www.urpl.gov.pl/
  • romaco-logo.jpg http://www.infarma.pl/
  • GIF - LOGO.jpg http://www.gif.gov.pl/
  • image002.jpg http://www.ispe.org.pl
  • pasmi.jpg http://www.pasmi.pl
  • Inst_Farmaceutyczny_logo.jpg http://www.ifarm.waw.pl
  • jci1.jpg http://www.jagiellonskiecentruminnowacji.pl/
  • ptfarm-małe.jpg http://www.ptfarm.pl
  • pzppf.jpg http://www.producencilekow.pl
  • logo NIL.jpg http://www.nil.gov.pl
  • IG GARMACJA POLSKA.jpg http://www.farmacja-polska.org.pl