Estudio del Secado de un Ingrediente Farmacéutica Activo por Medio de Modelado Matemático y Simulación

Abstract

Los ingredientes farmacéuticos activos (API's) se formulan y administran con mayor frecuencia en formas de estado sólido. Entre los diversos medicamentos orales disponibles en el mercado, las tabletas son la forma de dosificación más populares y ampliamente fabricadas. El producto consiste en una mezcla de polvo del API, aglutinantes, excipientes y rellenos. La producción industrial de un ingrediente farmacéutico activo es sintetizada y purificada por lo general y se emplean varias operaciones unitarias como: reacción, cristalización, filtración, mezclado, granulación, secado y compactación. El proceso de secado se lleva a cabo en un sistema heterogéneo que involucra s olidos, líquidos y vapor, e implica la eliminación del solvente del interior de los s olidos humedecidos que se conservaron después del proceso de filtración. La humedad que contiene el s olido húmedo oscila entre 5-50 %. La operación de secado consiste en dos procesos fundamentales y simultáneos: la transferencia de calor para evaporar el líquido; y la transferencia de masa, que se transfiere como un líquido o vapor dentro del s olido y como vapor en las superficies expuestas. La operación de secado es un paso crítico de la síntesis de un API en comparación con otras operaciones unitarias. Su importancia en la industria farmoquímica radica en que en ella se controlan dos atributos críticos de calidad (CQA's) importantes. El contenido de solvente residual, que se considera una especificación regulatoria y los niveles aceptables se pueden establecer de acuerdo con los requisitos de seguridad (toxicidad del solvente), regulatorios o de estabilidad; y la producción de la forma cristalina correcta del fármaco. En la actualidad, el paso de secado consume mucho tiempo y se convierte en el cuello de botella en el tiempo total del ciclo de producción en una planta farmoquímica ya que puede requerir desde horas hasta días para completarse. Esta problemática motiva a la investigación para cuantificar los efectos de los parámetros del secado. La mayor parte del secado al vacío utilizado en la industria farmoquímica se lleva a cabo en recipientes cónicos o cilíndricos, aunque ha existido un cuerpo de investigación dedicado al análisis de la operación de secado al vacío durante las últimas décadas. Por lo que los conocimientos del modelado para este tipo de secador pueden reducir los esfuerzos experimentales, ahorrando costos de material requerido para comprender el proceso de secado tanto a escala piloto como industrial. A través del estudio de simulación del secado por contacto al vacío se tendrá un aporte para la comprensión de la influencia de las condiciones de operación en la calidad del API; además de permitir ser utilizado como una herramienta en el dise~no y la optimización de los procesos de secado en empresas farmoquímicas. El propósito de esta tesis es establecer las condiciones de operación de secado m as favorables de un ingrediente farmacéutico activo por medio del modelado matemático y simulación empleando un software comercial, COMSOL Multiphysics. Para lograr este objetivo se evaluaron los parámetros de transporte de masa (difusividad de humedad efectiva) y calor (conductividad térmica efectiva) para un API. La simulación se realizó para diferentes geometrías cónicas del secador por contacto al vacío. Por medio del modelado matemático y la simulación fue posible reproducir el proceso de secado al vacío, estático e intermitente, para un secador de doble cono con ángulo de diferente configuración. Para un secador estático de doble cono con ángulo de 45 y de 60 grados, se alcanzó en un tiempo total de 165 horas, que corresponde al mismo tiempo que tarda un proceso experimental; lo cual valida al modelo propuesto. La simulación se realizó para diferentes cargas de API húmedo; es decir, desde una carga con capacidad del 100% hasta un 25% del secador. Se encontró que tiene un efecto significativo en cuanto a la disminución del tiempo de secado; y con base en esta observación se determinó que al ocupar el secador al 57% de su capacidad total de trabajo permitirá obtener mejores tiempos de secado de la torta. Por otro lado, se realizó un estudio de secado con intermitencia de 20 horas, tanto para el secador de doble cono con 45 como para el de 60 grados respectivamente. En ambas configuraciones se alcanzó la especificación establecida (0.054 gr de solvente/gr de producto húmedo) en un tiempo menor. Además, se demuestra que el secador con una configuración de 60o logra una disminución significativa en el secado. Finalmente, se diseñó un secador tipo diamante y se concluyó que el tiempo de secado se reduce en un 50% respecto al de 45 y 60 grados respectivamente en un secador estático.