Impianti dell'industria farmaceutica

Impianti delle industrie farmaceutiche 30/09/2020

Definizioni generali e termini di bilancio

Definizione di sistema

Un sistema è l’apparecchiatura o l’impianto a cui si fa riferimento. Ad esempio, lo scambiatore di calore ossia un’apparecchiatura che sono utilizzate per trasferire calore da un fluido ad un altro o da un solido all’altro quindi si ha la necessita di focalizzare per capire come trasferire il calore di un sistema cioè un’apparecchiatura che è dotata di una superficie di scambio e di un volume per cui il sistema è l’oggetto rispetto al quale io mi pongo in osservazione.

Il sistema può essere in base a come scambia con l’ambiente esterno:

• Aperto se scambia sia calore che materia con l’ambiente esterno
• Chiuso se scambia solo calore ma non materia con l’ambiente esterno
• Isolato se non scambia né calore né materia con l’ambiente esterno. Inoltre, un sistema isolato è di difficile realizzazione in quanto solo il sistema solare, per esempio, è un sistema isolato.

Definizione di processo

I processi possono essere classificati in:

• Processo continuo quando la trasformazione una volta avviato appunto il processo continua senza interruzioni. Un processo continuo permette di ottenere produttività molto elevate e permette di ottenere dei prodotti con una certa continuità nel tempo.
• Processo discontinuo quando una volta avviato il processo e la trasformazione per completare quest’ultima c’è bisogno di avviare nuovamente la trasformazione. Un processo discontinuo mi dà altri tipi di produttività e prodotti trasformati che hanno certe caratteristiche. A livello farmaceutico e nelle industrie appunto farmaceutiche un processo discontinuo è molto diffuso in quanto si ha la necessità di piccole produzioni e necessità di adattare l’apparecchiatura di trasformazione ad un altro tipo di trasformazioni, quindi, bisogna avviare il processo far avvenire la trasformazione e ottenere il prodotto con determinate caratteristiche. Poi si può utilizzare la stessa apparecchiatura per un’altra trasformazione non necessariamente identica alla precedente e quindi reimpostare l’impianto per poter attuare la trasformazione seguente che si vuole ottenere. In genere siccome i processi di trasformazione in ambito farmaceutico danno luogo a prodotti con alto valore aggiunto la trasformazione batch è quella più adoperata.

Definizione di regime

Il regime può essere:

• Transitorio
• Stazionario

Prendendo in considerazione un recipiente con un liquido al suo interno, ad esempio, l’acqua che dev’essere riscaldata per cui l’acqua è definita variabile che stiamo monitorando quindi la temperatura è la grandezza fisica che stiamo valutando nel processo di riscaldamento. Se si misura la temperatura man mano che si misura il recipiente si osserva che la grandezza di riferimento cioè la temperatura sta cambiando nel tempo in questo caso ci troviamo in un regime transitorio cioè la mia grandezza cambia man mano che passa il tempo. Se invece la grandezza di riferimento con il passare del tempo si mantiene costante ci troviamo in un regime stazionario.

Il periodo transitorio è il periodo nel quale le grandezze di riferimento quali la temperatura, il livello, la pressione sono grandezze che variano con il tempo. Quando invece raggiungono lo stato stazionario si ha che queste grandezze se raggiungono un valore costante che non varia al passar del tempo. Le fasi di avvio e di arresto sono a regime transitori mentre le fasi di conduzione sono a regime stazionarie.

Definizioni di termini di bilancio

Se si fa riferimento ad un recipiente nel quale è possibile far entrare la materia e anche farla uscire che cosa bisogna osservare? In un recipiente si può avere una corrente d’ingresso, ad esempio, dell’acqua e nello stesso recipiente si può realizzare un dispositivo per la fuoriuscita del materiale che è entrato. Se nel recipiente c’è differenza di portata d’ingresso di una certa quantità di materia e in uscita si può avere un accumulo.

Immaginiamo di avere un recipiente all’interno del quale tramite un recipiente scorre dell’acqua, il rubinetto è capace di erogare una certa quantità d’acqua, al recipiente è inoltre collegato un tubo d’uscita che consente di regolare la portata d’uscita dell’acqua. Se la portata d’ingresso è maggiore della portata in uscita nel recipiente si realizza un accumulo in quanto la quantità che entra è maggiore di quella che esce. Per cui l’accumulo (ACC) è la quantità di acqua in questo caso che si è accumulata nel recipiente nel corso del tempo. L’ingresso (IN) è invece la porta d’ingresso ossia la quantità di acqua che entra nel recipiente. L’uscita (OUT) è invece la quantità di acqua in uscita. Mentre con la sigla più o meno GEN si intende la quantità che nel tempo si può generare o può scomparire dal recipiente. Nell’esempio del recipiente con l’acqua quest’ultimo non è sottoposto a trasformazione chimiche che potrebbe comportare sia alla scomparsa ma anche alla generazione di un’altra specie chimiche all’interno del recipiente.

In generale quando si considera un sistema di riferimento rispetto a quest’ultimo si può applicare l’equazione di bilancio che mi dà informazioni sull’accumulo di un’entità che può essere la materia, l’energia e la quantità di moto.

ACC = IN – OUT + - GEN

Definizione di apparecchiature e schemi di processo

L’apparecchiatura è il sistema nel quale avviene la trasformazione che io voglio realizzare. Se bisogna realizzare ad esempio lo scambio termico di un fluido o di un solido che bisogna riscaldare oppure raffreddare e per fare questo c’è bisogno di una sede all’interno della quale far avvenire la trasformazione voluta che in questo caso è lo scambio di calore. Se bisogna concentrare una soluzione o una soluzione diluita è possibile farlo allontanando il solvente in modo tale che se si riduce il solvente aumenta il titolo della soluzione e questo è tipico delle industrie farmaceutiche in quanto si ha una formulazione che si fa per esempio in soluzione idroalcolica e si vuole aumentare il titolo rispetto ad un ingrediente o rispetto a più ingredienti si allontana il solvente o l’insieme di solventi per evaporazione l’apparecchiatura che mi contente ciò è un concentratore ossia un’apparecchiatura che mi consente di allontanare il solvente.

Le trasformazioni possono essere di tipo:

• Chimico. Una trasformazione di tipo chimico può essere una sintesi la cui apparecchiatura utilizzata per far avvenire una sintesi che può essere un reattore chimico è un’apparecchiatura deputata a questo tipo di processo.
• Fisico. In questo caso non si cambiano le proprietà del materiale. Per esempio, la concentrazione è una trasformazione come il riscaldamento di tipo fisico cioè i materiali presenti inizialmente nell’apparecchiatura alla fine avrò gli stessi materiali e non si ha una s di tipo chimico che trasforma ad esempio, un materiale A in un composto B.

Lo schema di processo è una rappresentazione di apparecchiature e delle connessioni alle varie apparecchiature che viene fatto sviluppare per far capire come avviene una certa trasformazione. Gli schemi di processo ad esempio (figura sulla slide) di una concentrazione che avviene in 3 step successivi e con tre apparecchiature di cui la prima collegata in serie con la seconda collegata a sua volta in serie con la terza. Sono 3 apparecchiature uguali (vedere slide 5) in particolare sono dei concentratori posti in serie tra di loro. La simbologia che si visualizza ad esempio i due triangoli rovesciati oppure le frecce in uscita sono delle rappresentazioni di particolari strumenti di regolazione come ad esempio valvole, pompe, tubazioni. Le linee che si utilizzano per descrivere il piping ossia le tubazioni sono rappresentate in questo schema con un tratto più marcato. L’alimentazione invece è il prodotto che arriva nell'apparecchiatura.

Quando si ha la necessità di rappresentare uno schema di un impianto bisogna rispettare alcune regole in particolare bisogna rappresentare con opportuni simboli le apparecchiature e le strumentazioni (misuratore di pressione, temperatura, valvola, sfiato) e la linea di processo quella che inseriamo nello schema che è più marcata rappresenta il percorso che fa il materiale che si sta sottoponendo a trasformazione. Le linee invece di servizio si riferiscono a tutti quei fluidi che si usano per far avvenire la trasformazione, ad esempio, se bisogna pastorizzare il latte si avrà un’apparecchiatura di scambio termico (scambiatore di calore) all’interno del quale si fa passare il latte che appunto passerà all’interno di una tubazione che per me rappresenta la linea di processo. Per far avvenire il riscaldamento del latte si deve avere a disposizione un fluido caldo, ad esempio, dell’acqua calda che mi consente il passaggio di calore al latte per cui io utilizzo nella schematizzazione una linea più sottile per dire che in quella tubazione arriva il fluido di servizio ossia l’acqua calda in questo caso che serve per riscaldare il latte.

In definitiva le linee che sono presenti in uno schema di un impianto sono fondamentalmente:

• Linee di processo
• Linee fluidi di servizio
• Apparecchiature
• Strumentazioni

Esistono delle simbologie che si possono utilizzare per indicare linee di processo, strumentazioni. Apparecchiature e linee di servizio che permettono di indentificare con delle sigle e delle icone o disegni determinate apparecchiature cioè dei modi semplici per rappresentare ad esempio una pompa o una valvola (due triangolini capovolti uniti all’apice).

In questa slide (8) è rappresento un’apparecchiatura per produrre particelle sottili a partire da una soluzione liquida ed è rappresentato uno schema di impianto di essiccamento a spruzzo oppure detto anche spray dryer. I numeri posti come didascalia fanno capire cosa è rappresentato infatti:

• Il numero 1 indica la camera di essiccamento che ha il compito di essiccare le piccole goccioline che sono state formate con l’utilizzo di aria calda che funge da parte fluido di servizio.
• Il numero 2 è l’atomizzatore che è praticamente un dispositivo che permette di rompere un liquido in tante piccole goccioline
• Il numero 3 air dispenser. Alcuni tipi di atomizzatori nella camera di essiccamento si utilizza aria per far avvenire l’essiccamento delle goccioline.
• Il numero 4 è uno scambiatore di calore che riscalda l’aria filtrata proveniente da un ventilatore esterno
• Il numero 5 è la pompa di alimentazione al cui interno è inserito inizialmente il liquido. Il liquido pertanto dev’essere ridotto a tante piccole goccioline in quanto quest’ultimo prende la forma del recipiente per cui nel momento in cui si ha il processo di essiccamento si avrà una certa superficie mentre se lo divido in tante goccioline si avrà un’enorme superficie attraverso la quale far passare il calore e far far avvenire lo scambio termico.
• Il numero 6 è un ciclone che permette il recupero di eventuali trascinamenti da parte dello scaricatore che potrebbe far disperdere quelle che sono le polveri prodotte
• Il numero 7 è lo scaricatore di aria ormai fredda utilizzata per essiccare le goccioline o nell’ambiente esterno o in un circuito di riciclo.
• Ciò che ottengo alla base di questa apparecchiatura che ha una forma tronco conica sono delle polveri che vengono trasportate trasporti pneumatici (numero 8) che poi vengono stoccati e raccolti in dei serbatoi posti alla fine dell’apparecchiature.

Operazioni unitarie

Le operazioni unitarie si dividono in:

• 1. Operazioni di velocità dove sono presenti relazioni di trasporti quali ad esempio, il calcolo dei coefficienti di scambio e sono:

• Scambio termici
• Concentrazioni
• Essiccamento

• 2. Operazioni di equilibrio basate sull’equilibrio tra le due basi che sono:

• Distillazione
• Estrazione

Le altre operazioni unitarie sono i solidi nell’industria farmaceutiche e i recipienti delle trasformazioni quali reattori chimici.

Sistema internazionale

La materia presenta delle proprietà che sono espresse attraverso delle grandezze che sono di natura chimica o fisica, ad esempio, il volume è una grandezza fisica e rappresenta lo spazio che occupa una determinata quantità di materia. Le grandezze come il pH e la valenza sono grandezze chimiche. Ad ogni grandezza che sia chimica o fisica bisogna associare un’unità di misura. Nel S.I. le proprietà della materia sono espresse attraverso grandezze fondamentali con grandezze derivate e grandezze supplementari.

Le grandezze fondamentali ossia grandezze di base dalla cui combinazione attraverso leggi fisiche si ottengono le grandezze derivate. Esse sono 7:

• 1. Il tempo t misurato in secondi (s)
• 2. La lunghezza L misurata in metri (m)
• 3. La massa M misurata in chilogrammi (kg)
• 4. L’intensità di corrente elettrica i misurata in ampere (A)
• 5. La temperatura termodinamica T misurata in gradi Kelvin (k)
• 6. L’intensità luminosa l misurata in candele (cd)
• 7. La quantità di materia misurata in moli (mol)

Ad ogni grandezza viene dato un nome e un simbolo. I nomi derivano da nomi di studiosi che hanno dedicato i loro studi a un determinato problema della fisica. Il simbolo si deve usare solo se l’unità è accompagnata dal valore numerico, esso deve essere scritto in carattere non corsivo e non deve essere seguito da un punto.

Vi sono grandezze come la temperatura che possono essere espresse con altre scale, infatti, anche se nel sistema internazionale la temperatura si misura in Kelvin si utilizzano altre scale come i gradi Celsius o anche Fahrenheit (USA). Anche la pressione che è una misura derivata si misura in Pascal ma molto spesso viene adoperato l’unità di misura dell’atmosfera. Questo per dire che ci sono misure al quale noi dobbiamo fare riferimento nel S.I. però nelle trattazioni tecniche molto spesso sono utilizzate anche scale diverse da quelle previste dal S.I.

Le due grandezze supplementari sono definite in termini di angoli e sono:

• 1. Angolo piano che è misurato in radianti che sottende su una circonferenza un arco di lunghezza pari al raggio
• 2. Angolo solido che si misura in steradiante (si riferisce allo spazio) con il vertice al centro di una sfera che sottende una calotta sferica di area equivalente a quella di un quadrato avente lati uguali al raggio

Le grandezze derivate invece si ricavano dalla combinazione delle grandezze fondamentali con relazioni fisiche. Esse sono:

• 1. Area A = L² misurata in metri al quadrato
• 2. Volume V = L³ misurata in metri al cubo
• 3. Velocità v = L*t^-1 misurata in metri al secondo
• 4. Accelerazione è la variazione della velocità nel tempo, quindi, è il rapporto tra la variazione di una velocità rispetto al tempo a = v*t^-1 misurata in metri al quadrato
• 5. Densità (massa volumica) p è una proprietà della materia definita dal rapporto tra massa e volume, p = M*L^-3 misurata in chilogrammi al metro cubo. Il suo inverso è il volume specifico L^-3*M^-1.

Ci sono grandezze come la pressione, il lavoro, la potenza, la forza che derivano da leggi fisiche ben note come:

• La forza che è definita il prodotto della massa per l’accelerazione in particolare è la seconda legge della dinamica in cui la massa è una grandezza fondamentale mentre l’accelerazione una grandezza derivata il tutto si misura in newton (N = Kg*m*s^-2
• La pressione è definita come una forza che agisce su una superficie nel S.I. viene misurata in Pascal altre unità di misure definite tecniche sono i mmHg che hanno origine dall’esperimento di Torricelli oppure le atmosfere o ancora in bar.
• Il lavoro è definito come il rapporto tra una forza e uno spostamento misurato in joule W = L*F. L’unità di misura introdotta per il lavoro è usata anche per tutte le altre forme di energia E compreso il calore Q. Sono ancora molto diffuse le unità caloriche definite come la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di un grammo di acqua pura dalla temperatura di 14.5 C alla temperatura di 15.5 C.
• La potenza è definita come un lavoro svolto in un tempo P = W*T^-1 e viene misurato in Watt
• Energie specifiche sono invece misurate per unità specifiche.

Le grandezze derivate invece della portata sono:

• 1. Portata volumetrica (Q). È definita come il volume di un liquido o di un gas che fluisce attraverso una sezione assegnata in un certo intervallo di tempo e nel S.I. si misura in metri cubi al secondo.
• 2. Portata massica (F). È definita come la quantità in massa che fluisce attraverso una sezione assegnata in un certo intervallo di tempo e si misura in chilogrammi al secondo.
• 3. Portata molare (F). È definita come la quantità in moli che fluisce attraverso una sezione assegnata in un certo intervallo di tempo e si misura in moli al secondo.

Le proprietà di trasporto in quanto appunto viene trasportata energia e sono:

• La viscosità e viscosità cinematica
• Conducibilità termica
• Diffusività termica
• Coefficiente di trasporto del calore per convenzione

Le altre grandezze di interesse sono:

• Frazioni massiche
• Frazioni molari utilizzate per esempio, nel processo di distillazione
• Percentuali in volume

Se l’unità riportata nel S.I sono troppo grandi o troppo piccole per ce