Modellierung der Matrizenbefüllung an Rundlauftablettenpressen

Tabletten sind die am häufigsten genutzte feste Darreichungsform für Arzneimittel. Für die industrielle Herstellung werden Rundlauftablettenpressen genutzt, die bis zu 1,6 Millionen Tabletten pro Stunde produzieren können. Um eine gleichbleibende und vollständige Matrizenfüllung und somit Tablettenmasse zu gewährleisten, muss der Pulverfluss zeitlich konstant und ausreichend hoch sein. Füllschuhe, die ein oder mehrere rotierende Flügelräder mit einstellbarer Drehzahl besitzen, ermöglichen dabei den Pulvertransport. Zudem werden zwei Füllmechanismen unterschieden, die gravimetrische und unterdruckgetriebene Befüllung. Letztere tritt beim Niederzug des Unterstempels während des Füllvorgangs auf und resultiert im Allgemeinen in höheren Füllgraden. Neben dem Füllmechanismus bestimmt das Zusammenspiel aus Pulvereigenschaften und genutzten Prozess- und Maschinenparametern die gefüllte Pulvermasse. Bis heute ist auf Grund dieser komplexen Zusammenhänge eine prädiktive Auslegung des Füllprozesses nicht oder nur unzureichend möglich, sodass eine unvollständige oder inkonsistente Matrizenfüllung eine der häufigsten Ursachen für eine verminderte Tablettenqualität darstellt.

In dieser Arbeit wird die Matrizenbefüllung an Rundlauftablettenpressen vom Pilot- bis zum Produktionsmaßstab mit einem einflügligen und einem zweiflügligen Füllschuh für die beiden beschriebenen Füllmechanismen tiefgreifend untersucht. Für die gravimetrische Befüllung in einer Pilotpresse wird ein Prozessmodell entwickelt, das basierend auf Pulvereigenschaften, Prozess- und Maschinenparametern die minimal benötigte Flügeldrehzahl für die vollständige Matrizenfüllung vorhersagt. Eine Weiterentwicklung des Modells ermöglicht die Skalierbarkeit zwischen Pilot- und Produktionstablettenpressen für die gravimetrische Füllung mit einem einflügligen und einem zweiflügligen Füllschuh. Es wird gezeigt, dass der dynamische Luftdruck in der Matrize, der von der Bahngeschwindigkeit der Matrizen abhängt, für die Vorhersage der Pulvervolumenströme berücksichtigt werden muss. Um die Mechanismen der gravimetrischen Befüllung tiefer zu verstehen, werden Füllversuche mit elf Materialien durchgeführt, die sich in ihrer Partikelgrößenverteilung, der Feststoff-, Schütt- und Stampfdichte sowie ihrer Morphologie unterscheiden. Dabei wird nachgewiesen, dass das Füllergebnis mit der Archimedeszahl, die zur Berechnung der Sinkgeschwindigkeit von Einzelpartikeln genutzt wird, in Verbindung gebracht werden kann. Untersuchungen unterschiedlicher Stempeldurchmesser (5 – 20 mm) zeigen außerdem, dass die minimale Flügeldrehzahl näherungsweise unabhängig von dem Matrizendurchmesser ist und die Stempelfläche zur Normierung des Pulverflusses genutzt werden kann. Schließlich kann der Modellansatz unter Berücksichtigung strömungsmechanischer Zusammenhänge für die unterdruckgetriebene Befüllung weiterentwickelt werden. Hier stellt insbesondere die Niederzugsgeschwindigkeit des Unterstempels einen wesentlichen Einflussfaktor dar.

Die vorliegende Arbeit trägt maßgeblich zum Prozessverständnis der gravimetrischen und unterdruckgetriebenen Matrizenbefüllung an Rundlauftablettenpressen bei. Die entwickelten Modelle können zukünftig die Prozessentwicklung beschleunigen sowie für Prozessoptimierungen genutzt werden und ermöglichen so eine robuste und materialsparende Methode zur Prozessentwicklung.