Theoretical Foundations of Chemical EngineeringTheoretical Foundations of Chemical EngineeringТеоретические основы химической технологии0040-35713034-6053The Russian Academy of Sciences68128310.31857/S0040357124060058VITIGUArticlesСтатьиResearch ArticleЭкспериментальное исследование и моделирование диспергирования в распылительной сушке для получения порошковых фармацевтических композицийЭкспериментальное исследование и моделирование диспергирования в распылительной сушке для получения порошковых фармацевтических композицийЛебедевЕ. А.
Russian Federation
menshutina.n.v@muctr.ruМеньшутинаН. В.
Russian Federation
menshutina.n.v@muctr.ruРХТУ им. Д.И. Менделеева1512202458672873929052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0040-3571/article/view/681283

В работе представлены теоретические и экспериментальные исследования технологии распылительной сушки для производства сухих порошкообразных фармацевтических препаратов для ингаляционного применения. Представлено численное моделирование потоков распыляющего воздуха в сопле пневматической форсунки и в непосредственной близости от него, которое затем используется для определения ключевых параметров процесса распыла, а именно скорости распыляющего воздуха относительно скорости подачи жидкости. Были определены диапазон допустимых скоростей распыляющего воздуха и влияние данного параметра на размер образующихся частиц. На основании полученных результатов моделирования предложен метод производства микрочастиц со средним размером 2.6 мкм и распределением от 1 до 4 мкм.

В работе представлены теоретические и экспериментальные исследования технологии распылительной сушки для производства сухих порошкообразных фармацевтических препаратов для ингаляционного применения. Представлено численное моделирование потоков распыляющего воздуха в сопле пневматической форсунки и в непосредственной близости от него, которое затем используется для определения ключевых параметров процесса распыла, а именно скорости распыляющего воздуха относительно скорости подачи жидкости. Были определены диапазон допустимых скоростей распыляющего воздуха и влияние данного параметра на размер образующихся частиц. На основании полученных результатов моделирования предложен метод производства микрочастиц со средним размером 2.6 мкм и распределением от 1 до 4 мкм.

распылительная сушкавычислительная гидродинамика (CFD)размер частицпараметры сушкипорошковый ингаляторThe work was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of scientific topic FSSM-2022-0004.Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках научной тематики FSSM-2022-0004.Hickey. A.J., Durham P.G., Dharmadhikari A., Nardell E.A. Inhaled Drug Treatment for Tuberculosis: Past Progress and Future Prospects // Journal of Controlled Release. 2015, 240. P. 127. DOI: 10.1016/j.jconrel.2015.11.018.Pilcer G., Wauthoz N., Amighi K. Lactose. Characteristics and the Generation of the Aerosol // Advanced Drug Delivery Reviews. 2012. N 64 (3). P. 233. DOI: 10.1016/j.addr.2011.05.003.Heyder J., Gebhart J., Rudolf G., Schiller C. F., Stahlhofen W. Deposition of Particles in the Human Respiratory Tract in the Size Range 0.005–15 μm // Journal of Aerosol Science. 1986. № 17 (5). P. 811. DOI: 10.1016/0021-8502(86)90035-2.AboulFotouh K., Zhang Y., Maniruzzaman M., Williams R. O., Cui Z. Amorphous Solid Dispersion Dry Powder for Pulmonary Drug Delivery: Advantages and Challenges // Int. J. Pharm. 2020. № 587. Р. 119711. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2020.119711.Vehring R. Pharmaceutical Particle Engineering via Spray Drying // Pharmaceutical Research. 2008. № 25. Р. 999. DOI:10.1007/s11095-007-9475-1.Miller D.A., Ellenberger D., Gil M. Spray-Drying Technology // Formulating Poorly Water Soluble Drugs. 2016. Р. 437. DOI: 10.1007/978-3-319-42609-9_10.Pardeshi S., More M., Patil P., Pardeshi C., Deshmukh P., Mujumdar A., Naik J. A Meticulous Overview on Drying-Based (Spray-, Freeze-, and Spray-Freeze) Particle Engineering Approaches for Pharmaceutical Technologies // Dry. Technol. 2021. № 39 (11). Р. 1447. DOI: 10.1080/07373937.2021.1893330.Joshi M., Prabhakar B. Development of Respirable Rifampicin Loaded Bovine Serum Albumin Formulation for the Treatment of Pulmonary Tuberculosis // J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2020. № 61. Р. 102197. DOI: 10.1016/j.jddst.2020.102197.Gomez M., McCollum J., Wang H., Ordoubadi M., Jar C., Carrigy N. B., Barona D., Tetreau I., Archer M., Gerhardt A., Press C. Development of a Formulation Platform for a Spray-Dried, Inhalable Tuberculosis Vaccine Candidate // Int. J. Pharm. 2020. № 593. Р. 120121. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2020.120121.Handscomb C.S., Kraft M., Bayly A.E. A New Model for the Drying of Droplets Containing Suspended Solids after Shell Formation // Chemical Engineering Science. 2009. № 64 (2). Р. 228. DOI: 10.1016/j.ces.2008.10.019.Vehring R., Snyder H., Lechuga-Ballesteros D. Spray Drying. Ch 7. pp. 179-216. In: DryingTechnologies for Biotechnology and Pharmaceutical Applications. Ohtake, S.; Izutsu, K.; Lechuga-Ballesteros, D. (Eds). Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2020. DOI: 10.1002/9783527802104.ch7.Alhajj N., O’Reilly N.J., Cathcart H. Designing Enhanced Spray Dried Particles for Inhalation: A Review of the Impact of Excipients and Processing Parameters on Particle Properties // Powder Technology. 2021. № 384. Р. 313. DOI: 10.1016/j.powtec.2021.02.031.Vicente J., Pinto J., Menezes J., Gaspar F. Fundamental Aalysis of Particle Formation in Spray Drying // Powder Technology. 2013. № 247. Р. 1. DOI: 10.1016/j.powtec.2013.06.038.Ploeger K.J., Adack P., Sundararajan P., Valente, P.C., Henriques J.G., Rosenberg K.J. Spray Drying and Amorphous Dispersions // Chemical Engineering in the Pharmaceutical Industry. 2019. Р. 267. DOI: 10.1002/9781119600800.ch62.Kemp I.C., Wadley R., Hartwig T., Cocchini U., See-Toh Y., Gorringe L., Fordham K., Ricard F. Experimental Study of Spray Drying and Atomization with a Two-Fluid Nozzle to Produce Inhalable Particles // Dry. Technol. 2013. № 31. Р. 930. DOI: 10.1080/07373937.2012.710693.Paudel A., Worku Z.A., Meeus J., Guns S., Van den Mooter G. Manufacturing of Solid Dispersions of Poorly Water Soluble Drugs by Spray Drying: Formulation and Process Considerations // Int J Pharm. 2013. № 453 (1). Р. 253. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2012.07.015.Gallo L., Ramírez-Rigo M.V., Bucala V. Development of Porous Spray-Dried Inhalable Particles Using an Organic Solvent-Free Technique // Powder Technology. 2019. № 342. Р. 642. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.10.041.Longest P.W., Farkas D., Hassan A., Hindle M. Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulations of Spray Drying: Linking Drying Parameters with Experimental Aerosolization Performance // Pharm Res. 2020. № 37. Р. 101. DOI: 10.1007/s11095-020-028006-y.Poozesh S., Lu K., Marsac P.J. On the Particle Formation in Spray Drying Process for Bio-Pharmaceutical Applications: Interrogating a New Model via Computational Fluid Dynamics // Int. J. Heat Mass Transf. 2018. № 122. Р. 863. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.043.Menshutina N., Lebedev E., Gordienko M. CFD Analysis of the Dispersed Phase Behavior for Micropowders Production via Spray Drying and Ultrasonic Atomization // Dry. Technol. 2019. № 37 (15). Р. 1891. DOI: 10.1080/07373937.2018.1541903.Seydel P., Blömer J., Bertling J. Modeling Particle Formation at Spray Drying Using Population Balances // Dry. Technol. 2006. № 24 (2). Р. 137. DOI: 10.1080/07373930600558912.Fletcher D. Computational Fluid Dynamics Simulation of Spray Dryers. An Engineer´s Guide. Book Review // Dry. Technol. 2017. № 35 (7). Р. 903. DOI: 10.1080/07373937.2017.1282261.Jaskulski M., Wawrzyniak P., Zbicinski I. CFD Model of Particle Agglomeration in Spray Drying // Dry. Technol. 2015. № 33 (15–16). Р. 1971. DOI: 10.1080/07373937.2015.1081605.Hernandez B., Fraser B., Martin de Juan L., Martin M. Computational Fluid Dynamics (CFD) Modeling of Swirling Flows in Industrial Counter-Current Spray-Drying Towers under Fouling Conditions // Ind. Eng. Chem. Res. 2018. № 57. Р. 11988. DOI: 10.1021/acs.iecr.8b02202.Razmi R., Jubaer H., Krempski-Smejda M., Jaskulski M., Xiao J., Dong Chen X., Wai Woo M. Recent Initiatives in Effective Modeling of Spray Drying // Dry. Technol. 2021. № 39 (11). Р. 1614. DOI: 10.1080/07373937.2021.1902344.Wang B., Liu F., Xiang J., He Y., Zhang Z., Cheng Z., Liu W., Tan S. A Critical Review of Spray-Dried Amorphous Pharmaceuticals: Synthesis, Analysis and Application // International Journal of Pharmaceutics. 2021. № 594. Р. 120165. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2020.120165.Kemp I. C., Hartwig T., Hamilton P., Wadley R., Bisten A. Production of Fine Lactose Particles from Organic Solvent in Laboratory and Commercial-Scale Spray Dryers // Dry. Technol. 2016. № 34 (7). Р. 830. DOI: 10.1080/07373937.2015.1084314.Kemp C., Hartwig T., Herdman R., Hamilton P., Bisten A., Bermingham S. Spray Drying with a Two-Fluid Nozzle to Produce Fine Particles: Atomisation, Scale-Up and Modelling // Dry. Technol. 2015. № 34 (10). Р. 1243. DOI: 10.1080/07373937.2015.1103748.Al-Zaitone B., Al-Zahrani A., Al-Shahrani S., Lamprecht A. Drying of a single droplet of dextrin: Drying kinetics modeling and particle formation // Int. J. Pharm. 2020, № 574. Р. 118888. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2019.118888.Saha D., Nanda S.K., Yadav D.N. Optimization of Spray Drying Process Parameters for Production of Groundnut Milk Powder // Powder Technology. 2019. № 355. Р. 417. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.07.066.Cotabarren I.M., Bertin D., Razuc M., Ramirez-Rigo M.V., Piña J. Modelling of the Spray Drying Process for Particle Design // Chemical Engineering Research and Design. 2018. № 132. Р. 1091. DOI: 10.1016/j.cherd.2018.01.012.Elversson J., Millqvist-Fureby A. Particle Size and Density in Spray Drying – Effects of Carbohydrate Properties // Journal of Pharmaceutical Sciences. 2005. № 94. Р. 2049. DOI: 10.1002/jps.20418.Гаврилова Н.Н., Назаров В.В., Яровая О.В. Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов; РХТУ им. Д.И. Менделеева Изд.: Москва, 2012 [Gavrilova N.N.; Nazarov V.V.; Yarovaya O.V. Microscopic Methods for Determining the Size of Particles of Dispersed Materials; Mendeleev University of Chemical Technology of Russia Publ.: Moscow, Russia, 2012].Lechanteur A., Evrard B. Influence of Composition and Spray-Drying Process Parameters on Carrier-Free DPI Properties and Behaviors in the Lung: A review // Pharmaceutics. 2020. № 12. Р. 55. DOI: 10.3390/pharmaceutics12010055.Zhang L., Zeng X., Fu N., Tang X., Sun Y., Lin L. Maltodextrin: A Consummate Carrier for Spray-Drying of Xylooligosaccharides // Food Res. Int. 2018. № 106. Р. 383. DOI: 10.1016/j.foodres.2018.01.004.Ke W.-R., Chang R. Y. K., Kwok P. C. L., Chen D., Chan H.-K. Spray Drying Lactose from Organic Solvent Suspensions for Aerosol Delivery to the Lungs // International Journal of Pharmaceutics. 2020. № 591. Р. 119984. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2020.119984.Priemel P. A., WangY., Bohr A., Water J. J., Yang M., Morck Nielsen H. Poly (Ethylene Carbonate)-Containing Polylactic Acid Microparticles with Rifampicin Improve Drug Delivery to Macrophages // Journal of Pharmacy and Pharmacology. 2018. № 70 (8). Р. 1009. DOI: 10.1111/jphp.12937.Scherließ R., Janke J. Preparation of Poly-Lactic-Co-Glycolic Acid Nanoparticles in a Dry Powder Formulation for Pulmonary Antigen Delivery // Pharmaceutics. 2021. № 13. Р. 1196. DOI: 10.3390/pharmaceutics13081196.Mönckedieck M., Kamplade J., Fakner P., Urbanetz N. A., Walzel P., Steckel H., Scherließ R. Spray Drying of Mannitol Carrier Particles with Defined Morphology and Flow Characteristics for Dry Powder Inhalation // Dry. Technol. 2017. № 35 (15). Р. 1843. DOI: 10.1080/07373937.2017.1281291.Tse J. Y., Kadota K., Imakubo T., Uchiyama H., Tozuka Y. Enhancement of the Extra-Fine Particle Fraction of Levofloxacin Embedded in Excipient Matrix Formulations for Dry Powder Inhaler Using Response Surface Methodology // Eur. J. Pharm. Sci. 2020. № 156. Р. 105600. DOI: 10.1016/j.ejps.2020.105600.