Tabletki, kapsułki i proszki w praktyce R&D – jak przygotować formulację do skali produkcyjnej

Wprowadzenie

Rozwój stałych form – od pierwszych założeń do pełnoprawnie wdrożonego produkcyjnie produktu – jest niewątpliwie procesem złożonym i wymagającym. Nawet najbardziej stabilne formulacje mogą napotkać problemy na drodze do wdrożenia. Bez kontroli zagrożeń i optymalizacji receptury nie osiągniemy sukcesu, może dojść do problemów technologicznych, strat surowcowych oraz opóźnień we wdrożeniu produktu do produkcji seryjnej, dlatego tak ważne jest, by dostosować skalę laboratoryjną do skali produkcyjnej. Pierwszym i kluczowym etapem jest właśnie formulacja, a odpowiednio dobranym składem jakościowym i ilościowym substancji pomocniczych, możemy zapobiec późniejszym problemom skali przemysłowej.

W niniejszym artykule zostaną przybliżone typowe prace formulacyjne w przypadku tabletek, kapsułek i proszków z perspektywy rozwoju suplementów diety, to jest: ustalanie składu „na papierze”, weryfikacja na podstawie badań laboratoryjnych i optymalizację pod produkcję.

Charakterystyka form stałych Tabletki

Nadal stanowią najpopularniejszą postać produktu ze względu na wygodę stosowania, trwałość i stosunkowo niskie koszty produkcji.

Rozwój stałych form – od pierwszych założeń do pełnoprawnie wdrożonego produkcyjnie produktu – jest niewątpliwie procesem złożonym i wymagającym. Nawet najbardziej stabilne formulacje mogą napotkać problemy na drodze do wdrożenia. Bez kontroli zagrożeń i optymalizacji receptury nie osiągniemy sukcesu, może dojść do problemów technologicznych, strat surowcowych oraz opóźnień we wdrożeniu produktu do produkcji seryjnej, dlatego tak ważne jest, by dostosować skalę laboratoryjną do skali produkcyjnej. Pierwszym i kluczowym etapem jest właśnie formulacja, a odpowiednio dobranym składem jakościowym i ilościowym substancji pomocniczych, możemy zapobiec późniejszym problemom skali przemysłowej.

W niniejszym artykule zostaną przybliżone typowe prace formulacyjne w przypadku tabletek, kapsułek i proszków z perspektywy rozwoju suplementów diety, to jest: ustalanie składu „na papierze”, weryfikacja na podstawie badań laboratoryjnych i optymalizację pod produkcję.

Z perspektywy technologicznej i marketingowej, tabletki oferują wiele korzyści, między innymi:

• możliwość wyboru konkretnego kształtu i rozmiaru,
• szeroka gama kolorów otoczek do powlekania dostępnych na rynku,
• wysoka wydajność produkcji przemysłowej.

W przypadku suplementów diety najczęściej stosuje się bezpośrednie tabletkowanie, ze względu na niższe koszty w porównaniu do pośredniej granulacji surowców.

Kapsułki Stanowią alternatywę dla tabletek, szczególnie w przypadku substancji o nieprzyjemnym smaku lub trudnych do sprasowania. Wyróżniamy kapsułki twarde (najczęściej wypełniane proszkiem lub granulatem) oraz miękkie (stosowane głównie dla form płynnych lub półstałych).

W kontekście rozwoju produktu kluczowe znaczenie ma niewątpliwie wybór materiału kapsułki. Najczęściej stosowane są nadal kapsułki wykonane z żelatyny, ale powszechne stały się również kapsułki z hydroksypropylometylocelulozy (HPMC) czy pullulanowe. Szczególnie w przypadku produktów wegańskich, konieczne jest zastosowanie roślinnej alternatywy dla tradycyjnych kapsułek żelatynowych.

Proszki

Forma szczególnie popularna w suplementach diety, zwłaszcza w produktach rozpuszczalnych. Ich zaletą jest elastyczność formulacyjna oraz możliwość podawania większych dawek substancji w formie proszków niedzielonych. Charakterystyczne produkty sprzedawane w dużych opakowaniach to przede wszystkim artykuły z segmentu żywienia sportowego, takie jak odżywka białkowa, kreatyna, elektrolity.

Proszki są bardziej podatne na problemy takie jak niejednorodność mieszanek wieloskładnikowych, higroskopijność czy słaba płynność. Aby zapewnić stabilny proces, kluczowy będzie dobór substancji pomocniczych w odpowiednich ilościach i optymalizacja procesu mieszania.

Preformulacja Obejmuje teoretyczny dobór ilościowy oraz jakościowy substancji pomocniczych do interesujących nas surowców aktywnych, analizując je pod kątem fizykochemicznym. Ważne będą w tym przypadku wielkości cząstek, gęstość nasypowa i sypkość surowca. W zależności od formy produktu, dobór substancji pomocniczych będzie się różnić.

A) Tabletki

Jednym z najważniejszych parametrów w ich przypadku jest twardość, którą uzyskać możemy stosując odpowiednią ilość substancji wypełniającej. Najpopularniejszym wyborem jest celuloza mikrokrystaliczna, której na rynku dostępne są różne rodzaje (na przykład MCC 101 i 102 różniące się wielkością cząstek czy celuloza silikonowana). W przypadku trudniejszych formulacji, aby uzyskać interesującą nas twardość zastosować można również połączenie celulozy i fosforanu wapnia, które w odpowiednim stosunku istotnie zwiększają ten parametr. Odpowiednio twarda tabletka pozwala na stabilny proces, pozwala ograniczyć straty podczas powlekania i pakowania na liniach liczących i blistrujących.

Proszek do tabletkowania powinien mieć odpowiedni poślizg, aby zapewnić równomierne dozowanie mieszanki do matrycy oraz ograniczyć ryzyko przywierania masy do elementów tabletkarki.

W przypadku problemów z tym parametrem najczęściej stosuje się stearynian magnezu jako substancję smarującą i poślizgową.

Kolejnym kluczowym dla stabilności procesu aspektem, szczególnie w skali przemysłowej, jest sypkość mieszanki do tabletkowania. Aby ją uzyskać, najczęstszym wyborem będzie dwutlenek krzemu, który już po zastosowaniu niewielkiej ilości (do 1% składu), istotnie poprawi ten parametr.

Odpowiednio krótki czas rozpadu tabletki jest również pożądaną cechą dobrego produktu. Najpopularniejszym dodatkiem w tym wypadku będzie kroskarmeloza sodowa, która cechuje się skłonnością do akumulacji wody. Innymi stosowanymi dezintegrantami są takie substancje jak krospowidon i glikolan sodowy skrobii, wykorzystywane szczególnie w przypadku mieszanek o ograniczonej podatności na rozpad lub trudniejszej rozpuszczalności.

B) Kapsułki

W formulacji przeznaczonej do kapsułkowania istotnie maleje ilość niezbędnych substancji dodatkowych, w porównaniu do tabletek. Przy wielu składnikach aktywnych, na przykład małych ilościach kilkunastu witamin, konieczne jest zastosowanie wypełniacza, aby zapewnić odpowiednią jednorodność i masę kapsułki. W produktach na rynku znaleźć można takie wypełniacze jak celuloza, maltodekstryna czy mąka ryżowa.

Mieszance należy zapewnić odpowiednią sypkość, tak jak w przypadku tabletek. Zbyt mała płynność proszku może powodować problemy, takie jak wahania dozy lub całkowitą blokadę zasobnika proszku i w konsekwencji przestój.

Kolejnym aspektem wartym do kontrolowania już od etapu preformulacji jest skłonność do pylenia poszczególnych surowców. Najczęściej problem ten występuje przy kapsułkach zawierających ekstrakty roślinne, a pomocnymi substancjami będą na przykład stearynian magnezu czy dwutlenek krzemu. Ich użycie ma na celu związanie najmniejszych frakcji surowca i modyfikację właściwości powierzchniowych.

C) Proszki

W formulacjach suplementów diety w postaci proszków przeznaczonych do bezpośredniego dozowania w saszetki lub pojemniki kluczowe jest przede wszystkim zapewnienie stabilności fizycznej mieszanki oraz jej powtarzalności podczas pakowania i stosowania. W odróżnieniu od tabletek czy kapsułek, nie występuje tu etap zagęszczania masy, dlatego szczególną uwagę zwraca się na właściwości sypkie proszku – jego płynność, brak tendencji do zbrylania oraz jednorodność w całej objętości produktu. Istotne jest odpowiednie dobranie nośnika dla substancji aktywnych, który ułatwia ich równomierne rozproszenie i zapobiega rozwarstwianiu się mieszaniny w trakcie transportu i przechowywania.

Duże znaczenie ma kontrola wielkości cząstek oraz ich gęstości nasypowej, ponieważ różnice w tych parametrach mogą prowadzić do segregacji składników i nierównomiernego dozowania porcji.

Równie ważne jest ograniczenie wpływu wilgoci, która w przypadku proszków może szybko powodować zbrylanie i pogorszenie sypkości, dlatego często stosuje się substancje przeciwzbrylające. W formulacji uwzględnia się także skłonność surowców do pylenia, co ma znaczenie zarówno dla bezpieczeństwa procesu technologicznego, jak i jakości końcowego produktu – nadmierne pylenie może prowadzić do strat materiału oraz niejednorodności mieszanki.

Wymienione wyżej przykłady można wziąć pod uwagę już na eta-pie sporządzania wstępnej receptury, jednakże zazwyczaj problemy te ujawniają się dopiero podczas prób laboratoryjnych. Działając metodycznie, to jest na zasadzie: konkretny problem – rozwiązująca go substancja pomocnicza, możemy stopniowo udoskonalać naszą formulację.

Formulacja na etapie prac laboratoryjnych

Posiadając wstępną formulację, wytypowaną na podstawie wy-mienionych wyżej aspektów, możemy przystąpić do pierwszych prób laboratoryjnych. Niekiedy bywa tak, że proponowana przez nas receptura spełnia wszystkie wymogi jakościowe za pierwszym razem, ale wymaga to dużej wiedzy i doświadczenia. Najczęściej modyfikacje są złożone, formulacja zmienia się kilku – lub nawet kilkunastokrotnie – w przypadku trudniejszych technologicznie surowców czy produktów wieloskładnikowych.

Warto wspomnieć o typowym problemie związanym z formulacjami przeznaczonymi do tabletkowania wykrywanym na etapie prac laboratoryjnych, czyli wieczkowaniu. Termin „capping” odnosi się do sytuacji, gdy w czasie wyrzutu tabletki lub podczas przerobu tabletek gotowych, dochodzi do oddzielenia się górnej lub dolnej części tabletki od głównego korpusu, a odspojony fragment przypomina wieczko. Taki stan rzeczy spowodowany jest zatrzymaniem się powietrza wewnątrz tabletki podczas kompresji. Uwięzione powie-trze następnie rozszerza tabletkę od środka, powodując odpadanie wierzchu. Metod na zniwelowanie tego problemu jest wiele, często modyfikacja formulacji o konkretną substancję dodatkową będzie najprostszym i skutecznym rozwiązaniem. Dodatek substancji wiążącej, na przykład sproszkowanego sorbitolu, poliwinylopirolidonu czy gumy arabskiej, to z pewnością dobry kierunek, lecz stosowanie związków uplastyczniających nie jest zawsze rozwiązaniem pierwszego wyboru. Kwestią pozostaje eksperymentalne ustalenie odpowiedniej, minimalnej dawki tych środków, jeśli występuje takowa konieczność. Ustalanie konkretnego procenta dodatkowej substancji będzie generować czas w pracach laboratoryjnych, jednakże dotarcie do finalnej, stabilnej formulacji jest niewątpliwie jednym z najbardziej satysfakcjonujących momentów pracy w obszarze badań i rozwoju.

Przejście ze skali laboratoryjnej na produkcję przemysłową

Skalowanie procesu jest jednym z największych wyzwań w R&D. Procesy, które działają w skali gramów lub kilogramów, nie zawsze zachowują się tak samo w skali przemysłowej. Testowe mieszanki są najczęściej nieporównywalnie mniejsze niż pełnoprawna produkcja przemysłowa, a efekt skali niestety często powoduje problem we wdrożeniu. Podczas skalowania należy uwzględnić różnice w sprzęcie, na przykład w geometrii mieszalników, parametrów tabletkarek i kapsułkarek produkcyjnych, co jest ciężkie w oszacowaniu bez prób eksperymentalnych wykonanych stricte na maszynach przemysłowych. Kluczowym elementem jest identyfikacja krytycznych różnic pomiędzy parkiem maszynowym a laboratorium. Formulację możemy dostosować tak, aby była odpowiednio bezpieczna i stabilna, czasem niestety to nie wystarcza. Zadaniem technologa jest ustalenie możliwych zagrożeń we wdrożeniu oraz gruntowne przetestowanie mieszanki.

Podsumowanie

Rozwój stałych form suplementów diety wymaga dużej wiedzy z zakresu formulacyjnego, doświadczenia technologicznego oraz praktycznego podejścia do pojawiających się problemów na kolejnych etapach prac badawczo-rozwojowych. Niezależnie od tego, czy mówimy o proszkach, tabletkach czy kapsułkach, kluczowe znaczenie będzie mieć świadomy dobór substancji pomocniczych na podstawie analizy właściwości surowców i ciągła optymalizacja receptury w oparciu o wyniki prób technologicznych. To właśnie metodyczne podejście do formulacji i skalowania procesu na produkcję decyduje o sukcesie wdrożenia produktu na rynek.