Impianti dell'industria farmaceutica

IMIANTI DELLE INDUSTRIE FARMACEUTICHE 30/09/2020

DEFINIZIONI GENERALI E TERMINI DI BILANCIO

DEFINIZIONE DI SISTEMA

Un sistema è la 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 traferire 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 bach 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 industri 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 slides) 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 slides 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 paiping 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 slides (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 traportate 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= L^2 misurata in metri al quadrato

2. Volume V=L^3 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:

- a 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). E’ 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 traportata 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