EDEMによる錠剤コーティングプロセスの解析と最適化
Altair Employee本記事は下記のリンクを翻訳したものです。
https://www.youtube.com/watch?v=w_C4D441EhA
製薬、食品加工、農業業界では、錠剤などのスプレーコーティングが一般的です。
コーティングは通常、目的の材料が回転ドラムに配置されるバッチプロセスです。 次に、スプレーが含まれ、材料がスプレーゾーンを通過すると、表面で一定量のスプレー材料を受け取ります。このコーティングは、保護層、異なる材料タイプを区別するための異なる色、またはフレーバーまたは医薬成分を含む活性コーティングです。バッチプロセスでは、すべての材料の均一なコーティングを維持することが重要です。 EDEMを使用したシミュレーション解析を使用して、ノズルの位置と形状を最適化し、均一なコーティングを得ることができます。
コーティングの均一性、ドラムの充填レベル、回転速度、スプレー速度、スプレー面積に影響を与える多くのパラメーターがあり、これらはすべてEDEMで調査できる重要な要素です。 HyperstudyでEDEMシミュレーション結果を最適化する場合、以下のブログでプロセスの概要を説明します。
・Combining Machine Learning and Simulation for Bulk Solids Mixing Optimisation
コーティング分析を実行する最初のステップは、キャリブレーションされたEDEMシミュレーションをセットアップすることです。 EDEMの使用を開始するには、以下を参照してください。
・4 steps to accelerate your EDEM learning curve!
・Discrete Element Method Calibration with EDEM
プロセス製造におけるEDEMの産業用途のさらなる例については、Novo Nordisk, Firmenich, Inc., Merck Healthcare KGaA, Edinburgh University and Leeds Universityからウェビナーを含むリンクの例を見ることができます。
・https://web.altair.com/atcx-dem-2022
・How to Optimize a Continuous Powder Mixer with Altair tools – Part 1 Overview
・Seed Coating Process using EDEM Simulation (Courtesy of University of Leeds, Mehrdad Pasha)
EDEMの錠剤コーティングにはさまざまな方法があります。これらには次のものが含まれます。
１. レイトレーシング法(粒子内および粒子間スプレーコーティング)
２. スプレーコーティングモデル(粒子間スプレーコーティング)
３. 滞留時間解析
各メソッドは貴重なコーティング解析を提供し、それらすべてを1つのシミュレーションに含めることや、選択した1つのメソッドに含めることもできます。
レイトレーシング法には、ポスト処理でのみ実行できるという利点があります。さまざまなスプレーノズルの位置を調査するためにシミュレーションを再実行する必要はありません。 スプレーコーティングモデル(インター)法は、重力の影響を含むスプレー粒子の軌道を考慮し、実行時に計算されるため、シミュレーション時間ステップごとにスプレー粒子の軌道を計算します。コーティングによる凝集力の変化などの追加の影響を考慮する必要がある場合は、スプレーコーティングモデル法をAPIでさらに変更することもできます。滞留時間法も実行時に計算され、さまざまな形状の影響領域をカバーできます。 この滞留時間法は、高温ゾーンで費やされた時間や、連続プロセスによる特定領域での材料の滞留時間の調査など、他の領域ベースの解析にも使用できます。
１. レイトレーシング法(粒子内および粒子間スプレーコーティング)
・粒子内スプレーコーティングを実行するために必要なファイルは右記にあります - レイトレーシング方法-シミュレーションファイル
粒子内コーティングとは、1つの錠剤にコーティングが分布することを指します。 タブレットの解析をさまざまな面とエッジで実行して、タブレットのいずれかの領域が均一にカバーされていないかどうかを判断できるようにします。
レイトレーシングは光線を表すために使用される計算方法であり、この場合の光線はタブレットの表面と相互作用してコーティングを分配します。
このコーティングのレイトレーシング法は、粒子間分析にも使用できます。粒子間分析では、材料のバッチを分析して、コーティングの時間的および特別な分布を決定できます。
この方法は、シミュレーションのポスト処理中にのみ実行されます。つまり、光線の位置、密度、および特性をシミュレーション後に変更して、さまざまなコーティング設定の影響を調査できます。 これはポスト処理方法であるため、解析は保存されたデータポイントでのみ実行できるため、正確な結果を得るためにユーザーは適切な保存率が設定されていることを確認する必要があります。 一般的なセーブレートは10Hzから100Hzの間で変化します。 動きの遅いケースや半静的なケースは、システム内の速度と動きが低いため、周波数保存率が低い可能性があります。高速の動的システムでは、レイトレーシング解析の材料の動きをキャプチャするために、より高い保存周波数が必要です。
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開始点は、角度と密度係数とともに決定されます。 次に、光線が生成され、それらが当たった粒子は、密度係数に応じて、関連する量のコーティングを獲得します。
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解析結果には、錠剤の大量のコーティング分布が含まれます。 これにはメッシュが必要なため、EDEMのPolyhedral Particlesにのみ適しています。
・Which EDEM particle shape to use?
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スプレーコーティングの結果は、錠剤全体を良好にカバーするか完全なシミュレーションを確保するため粒子ごとに解析されます。以下に示すように、シミュレーションは50秒まで実行され、全体的なスプレーカバレッジは、この間にスプレーゾーンに入らない多数のタブレットと一致していません。
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粒子内スプレーコーティングのさらなる解析は下記リンクにて見ることができます。
・New Spray Coating Analysis for Process Manufacturing using Altair EDEM 2022.3
２. スプレーコーティングモデル：粒子間のスプレーコーティング
・粒子間スプレーコーティングを実行するために必要なファイルは右記にあります - Spray Coating Model - Simulation Files
EDEMの粒子間スプレーコーティング法は、個々のスプレー粒子を追跡する粒子接触モデルであり、これらは球体として表されます。錠剤と接触すると、スプレーコーティングモデルはスプレー粒子を削除し、体積を錠剤に転送します。 ボリュームの100%は、最初の接触時に転送されます。
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ユーザーは、EDEMのファクトリーオプションを使用してスプレーの場所と方向を決定します。「スプレー」ファクトリーオプションは、材料の分配のようなファンを作成しますが、指定された領域から線速度を適用するなど他のオプションも使用できます。
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この解析により、錠剤ごとに1つのコーティング値が可能になり、物理モデルとして、スプレーノズルの位置を変更する場合はシミュレーションを再実行する必要があります。シミュレーションを実行する必要があり、データ保存率はシミュレーション結果に影響を与えないため、この方法を使用して任意のパーティクルタイプがサポートされます。
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その後、さらなる解析を行って、設計の全体的なコーティング効率を調査できます。
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３. タブレットコーティング–滞留時間法(EDEM 2023)
・滞留時間スプレーコーティング法を実行するために必要なファイルは右記にあります - Residence Time Method - Simulation Files
EDEMの滞留時間法は、ユーザーがボックス、円柱、または球を関心領域として定義できるようにする物理モデルです。 この方法では、ユーザーがゾーンの位置、寸法、および方向を指定するだけで済みます。実行時にこの領域に入るパーティクルには、カスタムレジデンスの時間値が割り当てられます。
関心のある領域が既知のスプレーゾーンを表すシミュレーションに配置されている場合、スプレーゾーンで費やされた時間はコーティングの尺度と見なすことができます。粒子がスプレーゾーンに存在する場合、最も長い方がコーティングの量が多くなります。
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EDEMスプレーコーティングモデルと滞留時間法の詳細な解析オプションについては、こちらをご覧ください。
・EDEM Simulation of Tablet Coating & Mixing
EDEMについて質問がある場合は、AltairEDEMコミュニティにアクセスしてください。