UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE ......de los equipos auxiliares del sistema, principalmente para el funcionamiento de válvulas y el acondicionamiento del aire de proceso,

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

IMPLEMENTACIÓN DE UN LECHO FLUIDIZADO DE CARACTERÍSTICAS

FARMACÉUTICAS EN QUÍMICA ARISTON

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO

QUÍMICO

AUTOR: DAN ALEXIS ARMAS GÓMEZ

QUITO

2016

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA


FARMACÉUTICAS EN QUÍMICA ARISTON

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO

QUÍMICO

AUTOR: DAN ALEXIS ARMAS GÓMEZ

TUTOR: ING. SERGIO HOMERO MEDINA ROMO

QUITO

2016

iii

APROBACIÓN DEL TUTOR

En calidad de Tutor del Trabajo de Grado: “IMPLEMENTACIÓN DE UN LECHO

FLUIDIZADO DE CARACTERÍSTICAS FARMACÉUTICAS EN QUÍMICA ARISTON”

presentado y desarrollado por el señor: ARMAS GÓMEZ DAN ALEXIS, previo a la obtención

del Título de Ingeniero Químico, considero que el Trabajo de Grado reúne los requisitos

necesarios.

En la ciudad de Quito a los 08 días del mes de diciembre del 2015

Ing. Sergio Homero Medina Romo

PROFESOR TUTOR

iv

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, DAN ALEXIS ARMAS GÓMEZ en calidad de autor del Trabajo de Grado realizada sobre

“IMPLEMENTACIÓN DE UN LECHO FLUIDIZADO DE CARACTERÍSTICAS

FARMACÉUTICAS EN QUÍMICA ARISTON”, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD

CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte

de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los

derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán

vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás

pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

Quito 08 de diciembre de 2015

Dan Alexis Armas Gómez

C.C. 172193430-3

[email protected]

v

CONTENIDO

pág.

LISTA DE TABLAS ------------------------------------------------------------------------------------------- vii

LISTA DE GRÁFICOS ----------------------------------------------------------------------------------------- ix

LISTA DE FIGURAS ------------------------------------------------------------------------------------------- x

LISTADO DE ANEXOS --------------------------------------------------------------------------------------- xi

RESUMEN ------------------------------------------------------------------------------------------------------- xii

ABSTRACT ----------------------------------------------------------------------------------------------------- xiii

INTRODUCCIÓN ----------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1. TEORÍA -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.1. La Fluidización. --------------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.1.1. Sistemas de lecho fluido ---------------------------------------------------------------------------- 3

1.1.2. Componentes del sistema de lecho fluido. ------------------------------------------------------- 3

1.1.3. Servicios para el sistema de lecho fluido. -------------------------------------------------------- 5

1.2. Industria Farmacéutica. ------------------------------------------------------------------------------------ 7

1.2.1. Definición. ------------------------------------------------------------------------------------------- 7

1.2.2. Comprimidos. --------------------------------------------------------------------------------------- 7

1.3. Fluidización en la industria farmacéutica. ------------------------------------------------------------- 9

1.3.1. Proceso de elaboración de comprimidos. ------------------------------------------------------- 10

1.3.2. Propiedades físico-químicas de los comprimidos. --------------------------------------------- 11

2. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE LECHO FLUIDO ------------------------------------ 13

2.1. Definición. -------------------------------------------------------------------------------------------------- 13

2.2. Diseño de planos para la implementación.------------------------------------------------------------ 13

2.3. Montaje del Sistema --------------------------------------------------------------------------------------- 14

2.4. Selección de tuberías -------------------------------------------------------------------------------------- 15

2.5. Accesorios. -------------------------------------------------------------------------------------------------- 15

3. PARTE EXPERIMENTAL -------------------------------------------------------------------------------- 20

3.1. Implementación del lecho fluido. ----------------------------------------------------------------------- 20

vi

3.1.1. Procedimiento -------------------------------------------------------------------------------------- 20

3.1.2. Diagrama de flujo del proceso de implementación del sistema de lecho fluido. ----------- 24

3.2. Ensayos experimentales de funcionamiento del equipo -------------------------------------------- 25

3.2.1. Definición de variables---------------------------------------------------------------------------- 25

3.2.2. Modelo del diseño experimental para el proceso de fluidización ---------------------------- 28

3.2.3. Materiales ------------------------------------------------------------------------------------------ 29

3.2.4. Sustancias y reactivos ----------------------------------------------------------------------------- 29

3.2.5. Procedimiento -------------------------------------------------------------------------------------- 29

3.3. Diagrama de flujo del proceso -------------------------------------------------------------------------- 31

4. DATOS EXPERIMENTALES ---------------------------------------------------------------------------- 32

4.1. Determinar el tiempo de secado acondiciones estándar de Temperatura y Caudal

de aire. --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32

4.2. Determinar la temperatura de secado a Caudal estándar y tiempo conocido. ------------------ 32

4.3. Determinar Caudal de aire a temperatura y tiempo de secado conocidos.---------------------- 33

5. CÁLCULOS -------------------------------------------------------------------------------------------------- 34

5.1. Selección de equipos. ------------------------------------------------------------------------------------ 34

5.1.1. Cálculo para el diseño del compresor ---------------------------------------------------------- 34

5.1.2. Cálculo para el diseño del chiller --------------------------------------------------------------- 41

5.1.3. Selección de materiales de tuberías ------------------------------------------------------------- 44

6. RESULTADOS ---------------------------------------------------------------------------------------------- 48

6.1. Resultados del Diseño del sistema --------------------------------------------------------------------- 48

6.2. Resultados de la experimentación ---------------------------------------------------------------------- 50

7. DISCUSIÓN -------------------------------------------------------------------------------------------------- 54

8. CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------------------------------- 55

9. RECOMENDACIONES ----------------------------------------------------------------------------------- 57

CITAS BIBLIOGRÁFICAS ---------------------------------------------------------------------------------- 58

BIBLIOGRAFÍA ------------------------------------------------------------------------------------------------ 60

ANEXOS --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 62

vii

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Tolerancia de la variación del peso de los comprimidos para controles en

proceso. ....................................................................................................................................... 11

Tabla 2. Cuadro descriptivo de la variación de las condiciones .................................................. 26

Tabla 3. Condiciones estándar de trabajo. ................................................................................... 26

Tabla 4. Variación de las condiciones del proceso. .................................................................... 27

Tabla 5. Variación del tiempo en el secado a temperatura del aire 308,15 K y caudal

de aire de 2000 m3/h, para determinar el porcentaje de humedad ............................................... 32

Tabla 6. Variación de la temperatura de secado, a caudal estándar para determinar el

porcentaje de humedad ................................................................................................................ 33

Tabla 7. Variación del caudal de aire a temperatura y tiempo conocido, para determinar

el porcentaje de humedad ............................................................................................................ 33

Tabla 8. Tabla de accesorios de uso de aire comprimido ............................................................ 34

Tabla 9. Tabla de consumo de aire de válvulas neumáticas. ....................................................... 34

Tabla 10. Condiciones necesarias para la operación del sistema ................................................ 35

Tabla 11. Datos adicionales ........................................................................................................ 35

Tabla 12. Parámetros condicionales para la selección del compresor ......................................... 35

Tabla 13. Condiciones de k a 1000 kPa ...................................................................................... 37

Tabla 14. Condiciones de k a 500 kPa. ....................................................................................... 37

Tabla 15. Resultado del cálculo de la constante k a las condiciones requeridas. ........................ 38

Tabla 16. Datos adicionales para la selección del chiller ............................................................ 41

Tabla 17. Datos adicionales para el cálculo de la masa de refrigeración en el chiller. ............... 41

Tabla 18. Datos adicionales para el vapor del caldero ................................................................ 43

Tabla 19. Datos adicionales para el cálculo de la masa de vapor del caldero ............................. 43

Tabla 20. Características de la tubería para el sistema de lecho fluido ....................................... 45

Tabla 21. Características de la tubería para el compresor ........................................................... 45

Tabla 22. Características de la tubería para el chiller .................................................................. 46

Tabla 23. Características de la tubería para el Caldero ............................................................... 47

Tabla 24. Tabla de resultados para la especificación del compresor. ......................................... 48

Tabla 25. Tabla de resultados para la especificación del chiller. ................................................ 48

Tabla 26. Tabla de resultados para la especificación del caldero ................................................ 48

viii

Tabla 27. Listado de accesorios para el lecho fluido .................................................................. 49

Tabla 28. Listado de accesorios para el bypass del lecho fluido ................................................. 49

Tabla 29. Listado de longitud de tubería para los servicios. ....................................................... 49

Tabla 30. Listado de accesorios complementarios ...................................................................... 49

Tabla 31. Resultado de la variación del tiempo de secado en el lecho fluido. ............................ 50

Tabla 32. Resultado de la variación de temperatura de secado ................................................... 51

Tabla 33. Variación de Caudal de aire. ....................................................................................... 52

Tabla 34. Curva de secado .......................................................................................................... 53

Tabla 35. Humedad y Temperatura reales en el lugar de trabajo (primeras 8 horas) .................. 63

Tabla 36. Humedad y Temperatura reales en el lugar de trabajo (segundas 8 horas) ................. 64

Tabla 37. Tabla de comparación de los procesos de producción de comprimidos. .................... 74

ix

LISTA DE GRÁFICOS

pág.

Gráfico 1. Resultado de la variación del tiempo de secado para obtener la humedad

de gránulo óptima ........................................................................................................................ 50

Gráfico 2. Resultado de la variación de temperatura de secado para obtener la humedad

de gránulo óptima. ....................................................................................................................... 51

Gráfico 3. Resultado de la variación del caudal de aire para obtener la humedad de

gránulo óptima. ........................................................................................................................... 52

Gráfico 4. Curva de secado del proceso experimental. ............................................................... 53

x

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Componentes del sistema de lecho fluido ...................................................................... 4

Figura 2. Compresor de pistón ...................................................................................................... 5

Figura 3. Compresor de tornillo rotativo ....................................................................................... 5

Figura 4. Compresor de Paletas rotativas ...................................................................................... 6

Figura 5. Sistema enfriador de agua "Chiller" .............................................................................. 6

Figura 6. Diagrama de desintegración de los comprimidos .......................................................... 8

Figura 7. Proceso de elaboración de comprimidos...................................................................... 10

Figura 8. Codo de 45° ................................................................................................................. 16

Figura 9. Codo de 90° ................................................................................................................. 16

Figura 10. Unión Roscada ........................................................................................................... 16

Figura 11. Unión de Cádiz .......................................................................................................... 17

Figura 12. Unión de Brida ........................................................................................................... 17

Figura 13. Unión por soldadura................................................................................................... 17

Figura 14. Válvula de Diafragma ................................................................................................ 18

Figura 15. Válvula de mariposa industrial .................................................................................. 18

Figura 16. Válvula de Implosión ................................................................................................. 18

Figura 17. Válvula Check............................................................................................................ 19

Figura 18. Trampa de vapor ........................................................................................................ 19

Figura 19. Válvula de purga ........................................................................................................ 19

Figura 20. Diagrama de flujo de la implementación del sistema de lecho fluido. ...................... 24

Figura 21. Modelo del Diseño experimental para el proceso de fluidización ............................. 28

Figura 22. Diagrama de flujo del ensayo experimental del sistema. ........................................... 31

Figura 23. Cuadro de dimensiones de tuberías comerciales........................................................ 44

xi

LISTADO DE ANEXOS

pág.

ANEXO A. Datos experimentales de temperatura y humedad en el lugar de

funcionamiento del equipo ………………………………………………………………..…. 64

ANEXO B. Fichas de especificaciones Físico – Químicas de las materias primas ……..……. 66

ANEXO C. Fotografías del proceso de construcción ……………………………………...…. 69

Anexo D. Cuadro de comparación del tiempo de proceso con el uso del sistema de

lecho fluido …………………………………………………………………………….…….....75

Anexo E. Diagramas del sistema de lecho fluidizado …………………………………..……...77

xii


FARMACÉUTICAS EN QUÍMICA ARISTON.

RESUMEN

Para mejorar los procesos de producción de medicamentos sólidos en una industria

farmacéutica, se realizó la implementación de un sistema de lecho fluidizado, disponible en la

empresa y que no se encontraba en operación.

Para lo cual, se diseñó e instaló una red de tuberías y se especificaron las características técnicas

de los equipos auxiliares del sistema, principalmente para el funcionamiento de válvulas y el

acondicionamiento del aire de proceso, tomando en cuenta que éste debe cumplir con los

estándares de la industria farmacéutica. Se elaboraron los planos Lay-out para la adecuada

ubicación de los equipos y planos P&ID del proceso. Una vez implementado el sistema se

realizaron ensayos experimentales de secado para obtener una humedad del 2% al 4% del

producto en proceso, valores que cumplen con especificaciones farmacéuticas.

Se concluye que el equipo alcanza su mejor funcionamiento en el caso del proceso de secado de

un lote piloto de 20kg con un flujo de aire de 2000 Nm3/h, temperatura de operación de 303,15

K en un tiempo de residencia de 40 minutos.

PALABRAS CLAVES: /INDUSTRIA FARMACÉUTICA / FLUIDIZACIÓN / SECADO /

FORMAS FARMACÉUTICAS SÓLIDAS/

xiii

IMPLEMENTATION OF A FLUIDIZED BED SYSTEM WITH PHARMACEUTICAL

CHARACTERISTICS AT ARISTON CHEMICALS

ABSTRACT

In order to improve the manufacturing processes of solid medication in a pharmaceutical

company, a fluidized bed system was implemented, which was available at the company but

was not being used.

This research work designed and installed a piping network and specified the technical

characteristics of the system’s auxiliary equipment, mainly, for the functioning of valves and the

conditioning of the air involved in the process, considering that it must meet the standards of the

pharmaceutical industry. A layout plan was created to determine the correct location of the

equipment, and also P&ID drawings of the process were developed. Once the system was

implemented, experimental drying tests were conducted in order to obtain a 2 to 4% humidity

value of the product being processed, which complies with pharmaceutical specifications.

It is concluded that the equipment reaches its top performance in the drying process of a pilot

batch of 20 Kg, with an air flow of 2000 Nm3/h, an operating temperature of 303.15 K, and a

40-minute residency period.

KEYWORDS: /PHARMACEUTICAL INDUSTRY / FLUIDIZATION / DRYING / SOLID

MEDICATIONS/

1

INTRODUCCIÓN

El proceso de fluidización nació de la necesidad de mejorar el tiempo de los procesos que se

basan en un lecho fijo en las diferentes industrias. Puntualmente es un proceso en el cual un

conjunto de partículas es suspendido en el interior de una columna por medio de un fluido. El

proceso de fluidización se plantea como una buena solución con respecto a otros métodos físico-

químicos afines.

Actualmente la industria farmacéutica ha incursionado con gran interés en la utilización de

lechos fluidos para mejorar la productividad de los procesos en la rama de productos sólidos,

siendo éste un tema de gran interés en la participación tanto de un Ingeniero Químico como de

una empresa dispuesta a mejorar sus procesos.

A nivel nacional e internacional se han desarrollado varios proyectos en industrias

farmacéuticas utilizando sistemas de lechos fluidizados, mismos que después de varios estudios

arrojaron como resultado que la mejor forma de utilizarlos es mediante el sistema de vacío, ya

que aporta las condiciones idóneas para la fabricación de medicamentos para consumo humano.

Básicamente estos sistemas se emplean en la fabricación de medicamentos sólidos, reduciendo

toda la línea de producción a un solo equipo de mayor eficiencia productiva y económica.

Siguiendo con la tendencia del mercado nacional y con el afán de mejorar en la competencia en

el mercado farmacéutico, la empresa Química Ariston se propone la implementación de un

sistema de Lecho Fluido, mismo sistema que existe en diferentes empresas de la competencia a

nivel nacional y ha generado mayores ingresos y efectividad productiva. El presente proyecto se

enfoca en la mejora de la competitividad a nivel nacional en el campo laboral de dicha industria.

En el área productiva de la empresa, específicamente la sección de medicamentos sólidos se

maneja con operaciones unitarias por separado en un sistema continuo, lo que aumenta el

tiempo de producción y los costos totales para la empresa. Al implementar el sistema de

fluidización en dicha área se mejorarán considerablemente la calidad, cantidad de producción y

eficiencia.

Se llevó a cabo la implementación de este sistema con una evaluación previa de las

instalaciones de la industria, para determinar la distribución más adecuada para el desarrollo del

lecho, además de elaborar diagramas de proceso.

2

Teniendo en mente que las características del producto final tienen que ser completamente

asépticas, se determinó un sistema de tuberías y servicios necesarios para el funcionamiento del

equipo, y se procedió con la instalación de los mismos. Luego de implementado el sistema se

realizó ensayos experimentales que ayudan a conocer las condiciones adecuadas de operación

del sistema para obtener un producto que permita continuar con el proceso productivo y además

cuente con características farmacéuticas acorde a los lineamientos de la industria.

El sistema de fluidización que se implementó en la empresa Química Ariston ayuda a disminuir

los tiempos de producción considerablemente pasando de un total de 21 horas de producción

promedio de un lote estándar de 20 kg a un proceso de 8 horas sin alteración de calidad ya que

los resultados brindan un producto que cumple con características farmacéuticas y es apto para

continuar con el proceso productivo y su posterior comercialización.

3

1. TEORÍA

1.1. La Fluidización

Concepto general. La fluidificación es el estado que se produce en un sólido disgregado

cuando, atravesado por una corriente de aire en flujo cruzado, éste se expansiona, burbujea y las

partículas quedan en suspensión, sin llegar al transporte neumático. La fuerza de empuje del aire

equilibra el peso de las partículas atravesadas por la corriente; el sólido pasa comportarse como

si fuera un líquido. [1]

1.1.1. Sistemas de lecho fluido. Si se hace circular un fluido a través de un lecho de sólidos,

con dirección hacia abajo, no tiene ningún movimiento relativo entre partículas a menos que la

orientación inicial de las mismas sea inestable. Si el fluido circula a través del lecho en

dirección ascendente la caída de presión será directamente proporcional a la velocidad del flujo

y al aumentar el flujo disminuirá la resistencia por rozamiento de las partículas y estas

empezaran a expansionarse. Este proceso continúa al ir aumentando la velocidad,

permaneciendo la fuerza debida a la fricción igual al peso de las partículas, hasta que el lecho ha

adquirido la forma estable más suelta del relleno. Si entonces se aumenta aún más la velocidad,

las partículas individuales se separan unas de otras pasando a ser libremente sostenidas por el

fluido, diciéndose que el lecho es fluidizado. [2]

1.1.2. Componentes del sistema de lecho fluido. El sistema de lecho fluido consta para su

correcto funcionamiento de varios componentes, que se describen con detalle a continuación.

a) Equipo de acondicionamiento de aire. En este equipo ingresa aire desde el ambiente para el

proceso de fluidización. Cuenta en su interior con intercambiadores de calor que adecuan el

aire a las condiciones óptimas de humedad y temperatura para el proceso.

b) Equipo de alimentación de producto. Recipiente conectado al equipo de lecho fluido en el

cual se coloca la sustancia a fluidizar e ingresa a la base del lecho.

4

c) Equipo de Lecho fluido. Equipo en el que se realiza la operación unitaria de fluidización, es

la base del sistema fluidizado y debe cumplir con estándares de limpieza, debido a las

condiciones del producto con el que se trabaja.

d) Equipo de descarga de producto fluidizado. Recipiente metálico conectado al equipo de

lecho fluido en el cual se descarga el producto ya fluidizado, puede ser de forma manual o

de forma automática, debe ser un contenedor completamente aséptico.

e) Equipo de filtración. Equipo de retención de partículas sólidas que hayan escapado del

interior del equipo de lecho fluido. Se encuentra ubicado después del lecho fluido en el

sistema de flujo.

f) Motor de succión de aire. Equipo similar a una bomba centrifuga que se encarga de generar

gran succión de aire desde el exterior de la habitación y hacerlo pasar por todo el sistema de

fluidización para que se produzca la operación. La capacidad de este equipo determina el

caudal de aire de operación.

Figura 1. Componentes del sistema de lecho fluido

5

1.1.3. Servicios para el sistema de lecho fluido. Además de los componentes naturales con

los que cuenta el sistema de lecho fluido, son necesarios algunos servicios para el

funcionamiento de sus componentes.

1.1.3.1. Compresor de aire. Equipo mecánico que eleva la presión del aire atmosférico hasta el

nivel de servicio necesario, siendo el componente principal de un sistema neumático. [3]

1.1.3.1.1 Tipos de compresores. [4] Según su funcionamiento los compresores se clasifican en

compresores volumétricos y compresores dinámicos. A continuación, se detallan los principales

tipos.

a) Compresor de pistón. Este tipo de compresor mueve el pistón en un cilindro. Si solo se

utiliza un lado del pistón se conoce como acción única, si se utiliza los dos lados es doble

acción. Es el único capaz de comprimir aire y gas a presiones elevadas.

Figura 2. Compresor de pistón

b) Compresor de tornillo rotativo. Es un compresor de deslazamiento con pistones en un

formato de tornillo. Puede trabajar a altas velocidades y combinar gran caudal con

dimensiones exteriores reducidas

Figura 3. Compresor de tornillo rotativo

c) Compresor de paletas rotativas. Se mueve a una velocidad muy baja que le otorga una

fiabilidad sin precedentes. El rotor dispone de una serie de paletas con ranuras que se

desplazan sobre una capa de aceite. La rotación reduce el volumen y aumenta la presión de

aire. El calor que genera la compresión se controla mediante la inyección de aceite a

presión. el aire se separa a la salida por el separador de aceite final.

6

Figura 4. Compresor de Paletas rotativas

1.1.3.2 Chiller. Es un equipo para enfriar agua que actúa de forma cíclica por el sistema, la

unidad de enfriamiento completa entrega agua enfriada en un rango de 5 a 7°C. El fluido

refrigerante es enfriado por el agua de un circuito que cede su calor al ambiente hasta bajar la

temperatura del agua a la requerida por el sistema mediante un punto de configuración inicial.

Figura 5. Sistema enfriador de agua "Chiller"

1.1.3.3 Generador de Vapor. Es un recipiente en el cual tiene lugar una vaporización continua

del agua mediante aporte de energía calorífica obtenida de un combustible fósil o nuclear.

Debido al cambio de estado del agua a vapor. [5]

7

1.2 Industria Farmacéutica.

1.2.1. Definición. La industria farmacéutica se fundamenta en la investigación y desarrollo

(I+D) de productos químicos medicinales para prevenir o tratar las diversas enfermedades y

alteraciones. Dentro de la industria farmacéutica existen varios modos de presentación de sus

medicamentos, una de las más producidas y el enfoque de este proyecto son los productos

sólidos o también llamados comprimidos. [6]

1.2.2 Comprimidos. Los comprimidos se definen como Formas Farmacéuticas Solidas,

conteniendo principios activos adicionados o no de adecuados excipientes, preparados por

compresión y destinados a ser administrados fundamentalmente por vía oral.

1.2.2.1 Componentes principales de un comprimido. [7] Para la obtención de un comprimido

de cualidades farmacéuticas, es necesario unir varios componentes en el proceso, los mismos

que le van dando las características farmacológicas; los componentes son:

a) Substancia Activa. Es aquella que produce el efecto farmacológico para el que está

destinado el producto, su dosificación se encuentra establecida en las Farmacopeas oficiales

y tratados farmacológicos.

b) Excipientes. Substancias auxiliares en la formulación. Suelen clasificarse en dos grandes

grupos, que se relacionan con el papel que cumplen estas substancias en la formulación. El

primero grupo se forma por materiales que ayudan a los procesos de granulación, el

segundo grupo es de los materiales que ayudan a generar las características físicas y

farmacéuticas deseadas en el producto final.

c) Aglutinantes. Estos materiales se utilizan en la formulación de un comprimido para impartir

propiedades cohesivas a los polvos que integran el granulado, lo cual asegura que el

comprimido permanezca intacto después de la compresión; además permiten que los

gránulos puedan adquirir el tamaño y dureza indispensables para su uso. Los aglutinantes

pueden ser empleados tanto en estado seco o en forma de solución y/o suspensión.

d) Lubricantes. La inclusión de lubricantes en la formulación del comprimido perfectamente

balanceados puede evitar y corregir los siguientes problemas:

8

El correcto y continuo flujo de la caída del granulado desde la tolva alimentadora hacia la

matriz de la maquina tableteadora.

La fricción entre partículas de los materiales del granulado y la fricción entre las partículas

y la matriz y los punzones de la maquina tableteadora.

La adherencia de los materiales del granulado a las superficies de punzones y matrices.

e) Desintegradores. Los desintegradores, en una formulación de comprimidos constituyen una

substancia o una mezcla de substancias incorporadas estos para facilitar su desintegración

cuando luego de su administración se ponen en contacto con los fluidos orgánicos.

Figura 6. Diagrama de desintegración de los comprimidos

El proceso de desintegración se describe a continuación:

Hinchamiento. Aquí las partículas se expanden y rompen la matriz desde adentro; este

hinchamiento genera partículas localizadas que se esparcen a través de la matriz y salen al

exterior.

Deformación. Las partículas se dilatan al tamaño de gránulos pre comprimidos y rompen la

matriz provocando la salida de los componentes.

Formación de material Fibroso. Por las fuerzas capilares el agua ingresa por los poros del

comprimido, el agente desintegrador reduce las fuerzas físicas entre las partículas,

permitiendo la salida del material.

Repulsión. El agua es atraída hacia los poros y las partículas se repulsan entre si debido a las

fuerzas eléctricas resultantes.

9

f) Diluyentes. Son los materiales que se incluyen en la formulación para dar al comprimido un

tamaño practico para el proceso de compresión; con este objeto se pueden emplear una serie

de substancias las cuales deben tener ciertas características como ser inertes, compatibles

con los demás integrantes de la formula, atoxico, de sabor agradable, que ayude al proceso

de compresión por sus buenas cualidades cohesivas.

1.3 Fluidización en la industria farmacéutica. [8]

Los sistemas de lecho fluido son ampliamente utilizados en la industria farmacéutica en

diferentes operaciones unitarias.

a) Secado en lecho fluido. Con la tecnología del lecho fluidizado, el tratamiento térmico de

productos a granel es particularmente eficaz. El intenso intercambio de calor y material en

el lecho fluidizado proporciona unas condiciones óptimas para el secado y enfriamiento

rápido y económico.

b) Aglomeración. En la aglomeración una materia prima pulverulenta se fluidiza en la línea de

lecho fluidizado, es decir se mezcla con aire. A través de las toberas en la máquina, se

pulveriza un líquido. Debido a la humedad de la superficie y posiblemente un aglutinante,

las partículas se aglutinan entre sí formando aglomerados.

c) Granulación por pulverización en lecho fluido. Se pueden producir gránulos compactos,

casi redondos, con excelentes propiedades físicas. Los líquidos que contienen sólidos se

pulverizan y caen en forma de gotas sobre las semillas de granulación. El líquido se evapora

y el sólido recubre la semilla de granulación. En la granulación por pulverización, los

parámetros pueden ajustarse con precisión.

d) Recubrimiento. Al recubrir se produce una capa fina y uniforme protegiendo los gránulos

contra las influencias externas como por ejemplo luz, oxígeno (oxidación) o humedad. Se

pueden también recubrir las partículas sólidas para una mejor diferenciación por colores o

un enmascaramiento del sabor.

e) Micro encapsulado. Con el micro-encapsulado se pueden integrar sustancias activas sólidas

o líquidas en una sustancia portadora. Así, por ejemplo, sustancias activas farmacéuticas o

aromas se liberan de forma continua y su efecto es más duradero.

10

1.3.1. Proceso de elaboración de comprimidos. [9]

1.3.1.1. Descripción del proceso. Para la fabricación de comprimidos se han establecido tres

métodos básicos, GRANULACIÓN HÚMEDA, GRANULACIÓN SECA O COMPRESIÓN

DIRECTA. Para estos métodos puede establecerse la siguiente secuela de operaciones

farmacéuticas.

Figura 7. Proceso de elaboración de comprimidos

11

a) Granulación Húmeda. Es el empleo de soluciones de sustancias aglutinantes en el alcohol o

agua para humectar la mezcla de polvos y obtener una masa granulable.

b) Granulación Seca. Se deben formar lingotes, los cuales permitirán a los polvos mejorar las

cualidades cohesivas y formar gránulos que trabajarán en forma óptima durante el proceso

de tableteado.

c) Compresión Directa. En este proceso es requisito básico que tanto el principio activo como

los diluyentes tengan excelentes cualidades cohesivas y de fluabilidad. El producto obtenido

de la mezcla inicial pasara directamente a la tolva de la maquina tableteadora, para ser

transformada en comprimidos.

1.3.2. Propiedades físico-químicas de los comprimidos.

1.3.2.1. Peso del Comprimido. Mientras dura el proceso de compresión, se debe efectuar el

control de variación de peso (20 comprimidos). Para el efecto en nuestro país se toma como

norma las especificaciones señaladas en la Farmacopea de los Estados Unidos, cuyas tolerancias

son las siguientes:

Tabla 1. Tolerancia de la variación del peso de los comprimidos para controles en proceso.

Peso del comprimido Tolerancia (USP)

130 mg o menos 10%

De 130 mg a 324 mg 7,5%

Más de 324 mg 5%

El peso del comprimido se determina por formulación, en la suma del principio activo con la

cantidad necesaria de excipientes hasta que logre cumplir con el efecto farmacológico.

1.3.2.2. Dureza del comprimido. Este ensayo permite conocer la resistencia que tendrá el

comprimido durante los procesos posteriores. La resistencia a la presión se puede medir en kp

(kilopounds) o N (Newton). Para este ensayo se utiliza generalmente un equipo de medición de

presión o durómetro y los valores varían de 4 N a 20 N dependiendo del peso del comprimido.

12

1.3.2.3. Friabilidad. Ensayo realizado para controlar la resistencia de los comprimidos al

desgaste de rodadura, fricción y caída, Servirá para conocer cómo funciona el comprimido al

resistir los esfuerzos mecánicos de recubrimiento y envasado. La pérdida de peso no debe

sobrepasar el 0.8%.

% 𝐹𝑟𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙−𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙∗ 100 (1)

1.3.2.4. Desintegración. Este ensayo permite conocer la capacidad de un comprimido de

desintegración en formas de partículas más o menos finas cuando es colocado en un fluido de

inmersión. Se utiliza para simular la forma de desintegración y absorción que tendría un

comprimido en el estómago humano. El ensayo se realiza según la Farmacopea de los Estados

Unidos y generalmente el comprimido no debe sobrepasar los 15 minutos.

1.3.2.5. Humedad del gránulo de los comprimidos. Ensayo que permite conocer la humedad

que tiene el gránulo del que está formado el comprimido, se lo realiza determinando la cantidad

de agua que posee una muestra estándar de 3g, este ensayo se realiza mediante método Karl

Fischer o mediante pérdida de peso por secado en una estufa. Dependiendo del valor de esta

propiedad se modifican las propiedades descritas anteriormente, el rango de aceptación para

comprimidos sólidos es del 2 al 4% de agua.

13

2. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE LECHO FLUIDO

2.1. Definición.

La implementación de un sistema de lecho fluido se basa en el diseño y puesta en marcha de una

serie de tuberías y servicios necesarios para el funcionamiento de un equipo de fluidización,

tomando en cuenta las características que debe tener el producto resultante en cada parte del

proceso.

2.2. Diseño de planos para la implementación.

Para el proceso de implementación es necesario realizar planos de ubicación y dirección de

flujos como se detalla a continuación.

Layout del sistema. Se refiere al diseño de espacio que va a ocupar un sistema, planta,

proyecto o equipo. El Layout considera el espacio necesario y la optimización de los

procesos para un correcto funcionamiento de todos los equipos.

P&ID. Es lo que se define como un diagrama de tuberías e instrumentación y es un diagrama

que muestra el flujo del proceso en las tuberías, así como los equipos instalados y el

instrumental. Estos diagramas están compuestos por una serie de símbolos que permitirán

identificar todos los componentes que conforman un proceso.

Símbolos de un P&ID. Son representaciones de cada uno de los accesorios y equipos

utilizados en el plano. Los símbolos utilizados en el diagrama se basan en las normas ISA.

Código de colores en el plano para los diferentes flujos. Representación en el plano de los

distintos flujos del sistema con colores representativos.

14

2.3. Montaje del Sistema

Para el montaje del sistema es necesario utilizar instrumentos, tuberías y accesorios para crear la

estructura de conexión entre los equipos y servicios.

2.3.1. Tuberías

a) Tubería. Productos tubulares, que se especifican por su diámetro nominal y espesor de

pared. Son de pared gruesa y rugosa, diámetro relativamente grande, longitud moderada,

Sus tramos pueden unirse por bridas, soldaduras y conexiones roscadas. Se fabrican por

soldadura moldeo o taladro.

b) Tubería sanitaria. Comprenden tuberías con materiales que dificulten la proliferación de

bacterias al paso del fluido o con el paso del tiempo. El material más utilizado en la

industria es el acero inoxidable por su facilidad de limpieza y bajo nivel de corrosión y

suciedad.

c) Diámetro nominal. En tuberías grandes de más de 12 pulgadas el diámetro nominal es igual

al diámetro externo real. En tuberías pequeñas el diámetro nominal no corresponde a

ninguna dimensión real, para tuberías de 3 a 12 pulgadas el valor nominal es próximo al

diámetro interno real.

d) Diámetro externo de tubería. El diámetro externo de la tubería comprende el diámetro

interno más el espesor de pared o cédula de la tubería, existe diferenciación en ocasiones

por el tipo de material.

e) Cédula de tubería. La cédula (sh), es el nombre que se le da a un espesor de tubo, el cual

generalmente varía a medida que varía el diámetro del tubo.

f) Tamaño óptimo de tubería. El tamaño óptimo de tubería para un caso determinado, depende

de los costos relativos de instalación, potencia, mantenimiento y tuberías y accesorios de

repuesto.

15

2.4. Selección de tuberías

2.4.1. Criterio moderno de la selección de tuberías [10]. Este criterio se basa en la

comparación de costos, previo diseño y cálculo de las prestaciones de diferentes materiales que

se pueden utilizar debido a la prestación equivalente.

a) Prestación equivalente. Las prestaciones equivalentes se refieren a todos los costos que

implica instalar la tubería y los servicios después de instalada.

b) Costo de transporte de tuberías. Se refiere a los valores de transporte de la tubería desde el

proveedor al lugar de instalación, en este punto se debe tomar en cuenta la ubicación de la

empresa proveedora y los beneficios adquiridos.

c) Costo de instalación de tuberías. Costos por dificultad de instalación, acoples necesarios,

tipo de acoplamiento, mano de obra y tiempo de trabajo

d) Costo de las protecciones contra la corrosión. Si se trabaja con fluidos, estos pueden

corroer se debe planificar posibles costos de revestimiento interno y/o externo, protección

catódica.

e) Costo de los dispositivos anti ariete. Distintos gastos para la protección de la tubería de

golpe de ariete por variaciones de dirección en el trayecto o variaciones de flujo, así como

diferenciales de presión.

f) Costo de mantenimiento. Gastos post instalación a largo y mediano plazo para conservar las

características y efectividad de la tubería.

2.5. Accesorios.

Son un conjunto de piezas que unidas a las tuberías forman las líneas de tubería por donde pasa

un fluido. Generalmente se especifican según el material y diámetro de la tubería. Los

principales accesorios:

16

2.5.1. Codo. Accesorio de cambio de dirección para una tubería, generalmente se instalan del

mismo material y se acoplan mediante roscas o juntas. Los tipos de codos utilizados son:

a) Codo 45°. Accesorio de cambio gradual de la dirección del fluido en 45°

Figura 8. Codo de 45°

b) Codo 90°. Accesorio de cambio gradual de la dirección del fluido en 90°

Figura 9. Codo de 90°

2.5.2. Uniones. Como los tubos se fabrican en tramos que van de 4 a 6 metros de longitud, es

necesario unir los diferentes tramos para dar las longitudes de tubería que requiere la

instalación, estas uniones pueden ser removibles o permanentes. Las uniones removibles son de

cáliz o de brida, también pueden ser roscadas. Las uniones permanentes son soldadas.

a) Uniones roscadas. Presenta gran facilidad de trabajo debido a que tiene rosca en alguna

parte de su cuerpo, ya sea interno o externo, su bajo costo de producción hace que sea uno

de los sistemas más utilizados

Figura 10. Unión Roscada

b) Unión de Cádiz. Se emplean en tubería de diámetro pequeño y presiones bajas y medianas

como instalaciones de agua, vapor de agua, gas o aire.

17

Figura 11. Unión de Cádiz

c) Uniones de Brida. Se utilizan extensamente en la tubería industrial, para presiones bajas,

medias y altas, lo mismo que para cualquier temperatura entre algunos grados centígrados

bajo cero hasta unos 550 grados centígrados sobre cero. Estas uniones pueden ir adheridas

al tubo al ras o con empaques a los extremos para asegurar su hermeticidad.

Figura 12. Unión de Brida

d) Unión Soldada. Es un tipo de unión fija que se basa en la unión de dos materiales por

fundición y homogenización de los mismos utilizando altas temperaturas. Existen dos tipos

principales de soldadura:

Figura 13. Unión por soldadura

2.5.3. Válvulas. Son accesorios que permiten o impiden el paso del fluido de forma total o

parcial, los principales tipos son:

18

a) Válvula de Diafragma. Se utilizan en servicios para corte y estrangulación. Desempeñan

una serie de servicios importantes para el control de líquidos. Las aplicaciones principales

son para presiones bajas y fluidos que pueden obstruir otro tipo de válvulas.

Figura 14. Válvula de Diafragma

b) Válvula de mariposa. Su uso principal es de cierre y de estrangulación de grandes

volúmenes de gases y líquidos a baja presión. Su diseño de disco abierto, rectilíneo, evita

cualquier acumulación de solidos; la caída de presión es muy pequeña. Apertura total, cierre

total o estrangulación, operación frecuente, cierre positivo para gases o líquidos.

Figura 15. Válvula de mariposa industrial

c) Válvula de Implosión. Es una válvula Check modificada utilizada para transporte de gases,

vapores o aire a alta presión que puedan generar peligro de explosión en el interior de la

tubería. Su mecanismo permite cerrar el anillo de seguridad para proteger el equipo y no

permitir que el fuego avance, además cuentan con una válvula de alivio para desahogar la

presión acumulada.

Figura 16. Válvula de Implosión

19

d) Válvula Check. Son integrales y se designan para impedir la inversión del flujo en la

tubería. La presión del fluido circulante abre la válvula; el peso del mecanismo de retención

y cualquier inversión en el flujo la cierran. Hay diferentes tipos de válvulas de retención y

su selección depende de la temperatura, caída de presión que produce y las características

del fluido.

Figura 17. Válvula Check

e) Trampa de Vapor. Es un dispositivo que se instala en la salida de todas las unidades de

calentamiento como re hervidores, intercambiadores etc.; que permite eliminar condensado,

aire y otros gases no condensables, además de prevenir perdidas de vapor.

Figura 18. Trampa de vapor

f) Válvula de purga. Son válvulas de globo modificadas y su uso principal es en servicio de

vapor a alta presión para purgar la caldera cada cierto tiempo a fin de mantener una

satisfactoria calidad de vapor.

Figura 19. Válvula de purga

20

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. Implementación del lecho fluido.

El proceso de implementación del sistema de lecho fluido se realiza utilizando un lecho fluido

existente en la empresa, pero que no estaba en funcionamiento. Se va a dimensionar el sistema

de tuberías para el funcionamiento del equipo, el servicio de aire comprimido y el de

acondicionamiento del aire de proceso. Los pasos a seguir son:

Conocimiento del proceso

Selección del compresor

Selección del chiller

Selección de materiales

Diseño Layout

Diseño de diagrama P&ID

Implementación del equipo

3.1.1. Procedimiento

3.1.1.1. Conocimiento del proceso

a) Análisis de operación. Proceso de investigación de las características que tiene el proceso en

el ámbito farmacéutico y las especificaciones que debe llegar a tener el producto final y el

tipo de equipo a diseñar.

b) Condiciones necesarias para el proyecto. Análisis e investigación de los requerimientos del

equipo tanto en servicios como en materiales, tomando en cuenta los costos de los

materiales y la selección de los mismos según especificaciones.

c) Evaluación del estado inicial. Verificar cual va a ser el punto de partida del proyecto, los

accesorios y materiales con los que se cuenta y lo que puede servir a lo largo del proyecto,

además de los implementos que pueden ser utilizados y adaptado dependiendo de las

condiciones del medio.

21

d) Selección de servicios, accesorios y materiales. Analizando las especificaciones del equipo

determinar por cada etapa del proceso cuales son los servicios que se va a utilizar. Por

ejemplo, compresores, enfriadores de agua (chiller), transformadores de mayor potencia,

sistema de agua purificada, válvulas específicas (implosión), tipo de materiales (grado

alimenticio), mangas y filtros para el sistema. Escoger los más adecuados de acuerdo al

rendimiento y costos.

3.1.1.2. Selección del compresor

a) Capacidad de aire a suministrar. Determinar mediante las necesidades de operación del

equipo la cantidad de aire que debe suministrarse para la operación neumática de todos los

accesorios, ajustando las condiciones al ambiente actual de trabajo y manteniendo un

margen de seguridad por cualquier fuga en el proceso.

b) Condiciones del proceso. En este punto se selecciona la calidad del aire a salir del

compresor, sabiendo que como es para operación de válvulas neumáticas la calidad no

conlleva mucha exigencia, más sin descuidar la importancia de la calidad del aire.

c) Tipo de compresor. Verificar entre cada tipo de compresor existente en el mercado cual es

el óptimo para el tipo de proceso, tomando en cuenta pro y contra de cada uno y adaptando

a la operación farmacéutica.

d) Tiempo de operación del equipo. Determinar los tiempos mínimo y máximo de operación

del equipo de servicio para hacer una programación de mantenimiento y tener claro el

esfuerzo que este debe realizar.

3.1.1.3. Selección del chiller

a) Condiciones del proceso. Determinar las condiciones de uso del agua, lugar de trabajo,

frecuencia de uso y flujos del equipo.

b) Toma de datos de humedad en el lugar. Con ayuda de equipos de medida tanto de

humedad como de temperatura realizar lecturas periódicas de las condiciones existentes en

el lugar de trabajo, y así buscar el lugar más adecuado de ubicación del equipo.

22

c) Capacidad del equipo. Determinar el flujo necesario para la operación del equipo, y

adicionar un margen de seguridad por cualquier imprevisto.

d) Temperatura de trabajo. Realizar los cálculos respectivos para la calibración del equipo en

la temperatura de salida de agua, teniendo en cuenta la temperatura existente a lo largo del

sistema.

3.1.1.4. Diseño de planos

a) Determinación de condiciones físicas del equipo. Determinar las condiciones en las que se

encuentra el equipo y las secciones con funcionalidad y extensiones del mismo; es decir, si

existen partes que ocupen más espacio ya en la operación.

b) Medidas del equipo. Toma de medidas físicas del equipo y de los demás equipos que

forman el sistema, así como también un estimado de la longitud del sistema de ductos para

planificar espacios a utilizar.

c) Ubicar un lugar disponible en la planta. Con el uso de los planos de la empresa y el

conocimiento físico de la misma, encontrar el lugar óptimo de ubicación del equipo, tanto

para evitar modificar la infraestructura de la empresa como también realizar un proceso en

línea en el área en la que va a operar.

d) Análisis del material a utilizar. Escoger entre los diferentes materiales que se pueden

utilizar para la industria farmacéutica el más adecuado y económico posible para este tipo

de operación, teniendo en consideración las variables que va a tener que soportar dicho

material a lo largo de la actividad regular del equipo.

e) Dimensiones del sistema total. Con la información recopilada realizar un diagrama de

dimensiones totales del sistema tratando de acomodar a la mayor eficiencia posible.

3.1.1.4.1. Layout

a) Localización. Realizar un primer plano Layout para tener referencia de los espacios en la

planta y verificar que exista la suficiente capacidad de infraestructura, de no ser así, adecuar

el plano a las necesidades sin afectar al sistema. Una vez corregidos los errores, modificar y

obtener un Layout definitivo. (Ver Anexo E)

23

3.1.1.4.2. Diagrama P&ID

a) Detalle de cada equipo. Realizar un detalle del equipo con condiciones de entrada y salida

de flujos, accesorios y servicios para poder conectar posteriormente todo el sistema.

b) Dirección de flujos de cada equipo. Determinar las direcciones correctas de cada uno de los

flujos de los equipos.

c) Diseño del plano. Con la información recopilada realizar el primer diseño de plano, el

mismo que puede ir cambiando en la puesta en marcha del proyecto, dependiendo de las

necesidades que se presenten y de las mejoras futuras. Realizar un plano del proyecto en su

fase final. (Ver Anexo E).

3.1.1.5. Implementación del equipo

a) Proveedores. Selección final de proveedores en cada una de las líneas de compra basados en

costos, calidad de material, beneficios de mantenimiento y garantía y cercanía del

proveedor.

b) Recepción de materiales. Recepción y verificación de la calidad y especificaciones de los

materiales.

c) Montaje del Sistema. Montaje del sistema basado en los planos realizados, si es necesario

diseñar implementos para el sistema, realizar el diseño con el criterio de afectar lo menos

posible el plan inicial.

d) Evaluación de condiciones en línea. Ir verificando paso a paso si el proceso se está

realizando de la manera correcta, si no es así cambiar lo que fuere necesario y adjuntar al

plan general del proyecto.

e) Ajuste de planos. Realizar una verificación de los planos y comparar con el diseño final del

sistema, cambiar lo que fuere necesario y dejar constancia y justificación de los cambios.

f) Pruebas de calibración. Realizar pruebas básicas de calibración si fuese requerido

24

3.1.2. Diagrama de flujo del proceso de implementación del sistema de lecho fluido.

Figura 20. Diagrama de flujo de la implementación del sistema de lecho fluido.

25

3.2. Ensayos experimentales de funcionamiento del equipo

Para el proceso de selección de las mejores condiciones para conseguir una humedad de trabajo

se realizaron los siguientes pasos:

Selección del tiempo de secado a condiciones estándar de trabajo.

Determinación de Temperatura de secado, utilizando el tiempo resultante del proceso

anterior.

Selección del flujo de aire necesario, utilizando las condiciones resultantes en los procesos

anteriores.

El proceso experimental se realizó en las instalaciones de la empresa, en el equipo instalado

para realizar pruebas de funcionalidad.

3.2.1. Definición de variables

3.2.1.1. Variables independientes

a) Tiempo de Secado. Se refiere al tiempo en el que el lecho va a estar en fluidización con aire

caliente para llegar a la humedad requerida y poder continuar con el proceso.

b) Temperatura de Secado. Se refiere a la temperatura en la que se encuentra el lecho fluido

en el momento de la operación para obtener el parámetro de humedad requerido.

c) Caudal de Aire de Secado. Se refiere al flujo de aire que va a pasar por el interior del lecho

fluido necesario para secar la masa húmeda con condiciones de temperatura y tiempo

determinadas.

3.2.1.2. Variables dependientes

a) Humedad de Granulo después del proceso. Es la consecuencia del proceso de secado por

fluidización de una masa húmeda que está determinada por características del producto. En

este caso se encuentra de 2% a 3% de humedad, ya que en este rango el producto es apto

para pasar al proceso de compresión sin dar problemas, si el valor es menor a este rango el

comprimido puede presentar decape, si el valor es mayor al rango el comprimido se adhiere

al equipo.

26

3.2.1.3. Cuadro de definición de variables

Tabla 2. Cuadro descriptivo de la variación de las condiciones

n

TIEMPO

(minutos)

TEMPERATURA

(K)

CAUDAL DE

AIRE (m3/h)

1 t1 T1 Q1

2 t2 T2 Q2

3 t3 T3 Q3

Dónde:

T1: Temperatura experimental 1



t1: Tiempo experimental 1



Q1: Caudal experimental 1



Tabla 3. Condiciones estándar de trabajo.

TIEMPO ESTÁNDAR ts

(minutos)

TEMPERATURA

ESTÁNDAR Ts (K)

CAUDAL DE

AIRE

ESTÁNDAR Qs

(m3/h)

40 313,15 2000

NOTA: Las condiciones estándar vienen como recomendación del

fabricante del equipo.

Dónde:

ts: Tiempo estándar de secado

Ts: Temperatura estándar de secado

Qs: Caudal estándar de secado

27

Tabla 4. Variación de las condiciones del proceso.

n TIEMPO

(minutos)

TEMPERATURA

(K)

CAUDAL DE

AIRE (m3/h)

1 10 303,15 1500

2 25 308,15 2000

3 40 313,15 2500

NOTA: Las variaciones de cada condición en el proceso se realizaron

mediante criterios de comportamiento de la materia prima a secar y del

funcionamiento del equipo.

28

3.2.2. Modelo del diseño experimental para el proceso de fluidización

Figura 21. Modelo del Diseño experimental para el proceso de fluidización

29

3.2.3. Materiales

Equipo de Lecho Fluido Marca Hüttlin, HDGC R = 4 – 50 kg

Tanque metálico de carga y descarga del producto Capacidad = 45 L

Balanza de precisión A = ± 0.001 g R = 0 – 20000 g

Equipo de secado por halógeno A = ± 0.01% R = 0.01 – 25% g

3.2.4. Sustancias y reactivos

Kollidon K30 C6H9NO

Agua H2O

Avicel C6H10O5

Lactosa Anhidra C12H22O11

3.2.5. Procedimiento

3.2.5.1. Procedimiento para preparar una muestra de Placebo para la experimentación.

a) Colocar en el equipo de lecho fluido 20 kg de Avicel y 15 Kg de Lactosa anhidra para

iniciar con el proceso de mezcla inicial.

b) Preparar 20 Litros de solución de Kollidon – Agua al 30 % y colocarlo en el tanque de

carga.

c) Cerrar la base del lecho Fluido, para iniciar el proceso.

d) Encender el equipo e introducir en la receta las condiciones estándar de Caudal de aire 2000

m3/h.

e) Iniciar la fluidización de la mezcla utilizando aire a 285,15 K, solamente para que las

materias primas cumplan con la mezcla inicial.

f) Realizar el proceso de mezclado por 5 minutos.

g) Apagar el flujo de aire.

h) Una vez realizada la mezcla inicial, proceder con el amasado, pulverizando la solución

aglutinante preparada mediante las pistolas de aspersión.

i) Encender el flujo de aire para iniciar la pulverización, colocando una temperatura de 308.15

K y caudal de 2000 m3/h.

j) Iniciar el proceso de amasado hasta que la mezcla llegue a punto de escarcha.

30

3.2.5.2. Procedimiento experimental para determinar el tiempo de secado de una muestra.

a) Colocar la tercera parte de la mezcla realizada en el paso 3.2.5.1 en el equipo de lecho

Fluido para iniciar con el secado de la misma.

b) Determinar la humedad inicial del amasado con el equipo de secado por halógeno.

c) Anotar la humedad inicial de la mezcla

d) El porcentaje óptimo de humedad de la mezcla se encuentra en el rango de 2% – 3% de

humedad.

e) Proceder al secado del amasado, trabajar con condiciones de temperatura de 308,15 K y

caudal de 2000 m3/h.

f) Tomar datos de humedad a los 10, 25 y 40 minutos.

g) Realizar gráficos y observar los resultados

3.2.5.3. Procedimiento experimental para determinar la temperatura de secado.






humedad.

e) Proceder al secado del amasado, trabajar con condiciones de caudal de 2000 m3/h y con el

tiempo obtenido del procedimiento 3.2.5.2.

f) Variar la temperatura del aire de secado en el rango de tiempo de manera uniforme a 303,15

K, 308,15 K y 313,15 K.

g) Tomar datos de humedad de la mezcla en estas variaciones.

h) Realizar gráficos y observar los resultados.

3.2.5.4. Procedimiento experimental para determinar el caudal de aire de secado.






humedad.

31

e) Proceder al secado del amasado, trabajar con condiciones de tiempo obtenidas en el paso

3.2.5.2 y temperatura en el paso 3.2.5.3

f) Variar el flujo de aire durante el proceso en 1500 m3/h, 2000 m3/h y 2500 m3/h

g) Tomar datos de humedad de la mezcla en estas variaciones.

h) Realizar gráficos y observar los resultados

3.3. Diagrama de flujo del proceso

Figura 22. Diagrama de flujo del ensayo experimental del sistema.

32

4. DATOS EXPERIMENTALES

4.1. Determinar el tiempo de secado a condiciones estándar de Temperatura y Caudal de

aire.

4.1.1. Temperatura del aire. Se determinó la temperatura del aire a 308,15 K como parámetro

estándar, mediante criterios de comportamiento de la masa aglutinada y en base a datos de

validación retrospectiva de la empresa.

4.1.2. Caudal del aire. El caudal del aire se fijó mediante recomendación del proveedor como

flujo normal para mantener la fluidización de la masa.

Tabla 5. Variación del tiempo en el secado a temperatura del aire 308,15 K y caudal de

aire de 2000 m3/h, para determinar el porcentaje de humedad

H

(%) 35 32,30 30,0 27,5 25,0 21.7 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 8.2 5,00 2,50

1,60

t

(min) 0,0 2,5 5,0 6,0 8,5 10,0 11,0 12,5 15,0 17,0 21,0 25,0 34,0 40,0 47,0

Dónde:

H (%): Porcentaje de humedad del amasado

t (min): Tiempo de secado en minutos

4.2. Determinar la temperatura de secado a Caudal estándar y tiempo conocido.

4.2.1. Tiempo de Secado. El tiempo de secado se determina de los datos de la Tabla 5.

Tomando el tiempo que mejor cumple con los datos de humedad requeridos en el proceso.

4.2.2. Caudal del aire. El caudal del aire se fijó mediante recomendación del proveedor como

flujo normal para mantener la fluidización de la masa.

33

Tabla 6. Variación de la temperatura de secado, a caudal estándar para determinar el

porcentaje de humedad

TEMPERATURA DE

SECADO (K) 30 32 34 35 37 38,5 40 48

HUMEDAD (%) 29,6 26 21,3 6,8 4,9 3,6 2,5 1,7

Dónde:


T (K): Temperatura de secado en K

4.3. Determinar Caudal de aire a temperatura y tiempo de secado conocidos.

4.3.1. Temperatura del secado. La temperatura de aire se toma de la Tabla 5. Utilizando el

valor que más se ajusta a los valores de porcentaje de humedad requeridos.

4.3.2. Tiempo de Secado. El tiempo de secado es el valor de la Tabla 1 que más se ajusta a los

resultados de humedad que necesita el proceso.

Tabla 7. Variación del caudal de aire a temperatura y tiempo conocido, para determinar

el porcentaje de humedad

CAUDAL DE AIRE (m3/h) 1000 1200 1500 1800 2000 2300 2500

HUMEDAD (%) 21,4 17,6 12,8 5,6 2,4 1,9 1,2

Dónde:


Q (m3/h): Caudal de aire en (m3/h)

34

5. CÁLCULOS

5.1. Selección de equipos

5.1.1. Cálculo para el diseño del compresor

a) Cálculo del caudal de aire necesario de salida del compresor.

Es importante determinar el número y tipo de accesorios que van a utilizar el servicio de aire

comprimido.

Tabla 8. Tabla de accesorios de uso de aire comprimido

TIPO DE ACCESORIO CANTIDAD (u)

Válvula de Control 11

Válvula abierta/cerrado 10

Accesorios del Lecho

Fluido

7

Se debe determinar por bibliografía cual es el consumo de cada tipo de accesorio para

determinar el consumo total.

Tabla 9. Tabla de consumo de aire de válvulas neumáticas.

TIPO DE ACCESORIO CONSUMO

Válvula de Control 1.4 Nm3/h

Válvula abierta/cerrado 2 Nm3/h

Accesorios del Lecho Fluido 32 Nm3/h

Fuente: COMPAIR. Guía para la elaboración de un sistema de aire comprimido

[En línea] [Fecha de consulta: 30 de agosto del 2015]. Disponible en <

http://bibing.us.es/proyectos >.

Por lo tanto, para el funcionamiento de los accesorios neumáticos del sistema es necesario un

caudal de 259.4 Nm3/h, se adiciona un 5% del flujo necesario por fugas.

35

b) Condiciones de operación del compresor

Tabla 10. Condiciones necesarias para la operación del sistema

VARIABLE VALOR

Caudal de aire 270 m3/h

Presión de descarga 600 a

c) Datos adicionales

Tabla 11. Datos adicionales

VARIABLE VALOR

Presión de succión 72 kPa

Temperatura de succión 290,77 K

Peso molecular aire 28,95 g/mol

Presión estándar de trabajo 72 kPa (Quito)

Temperatura estándar de trabajo 298,15 K

d) Selección del tipo de compresor.

Tabla 12. Parámetros condicionales para la selección del compresor

PARÁMETROS JUSTIFICATIVOS

Tipo de Industria Industria de productos farmacéuticos

Tipo de producto Aire para válvulas de un equipo de lecho

fluido

Condiciones del aire Aire seco y limpio sin residuos

Tamaño del compresor Compresor apto para un área de máximo 2

metros cuadrados

Costo del compresor El compresor no debe superar los USD 10000

Basados en las condiciones que impone el sistema a implementar y la empresa en la que se va a

colocar dicho compresor, se elige un compresor rotativo de paletas por su bajo costo y alta

eficiencia, así como también por su tamaño y calidad de aire, la cual es apta para la industria

farmacéutica. Cabe destacar que los compresores son de velocidad regulable, lo que facilita el

consumo de su capacidad y el consumo de energía del compresor.

36

5.1.1.1. Cálculo de la potencia del compresor.

a) Densidad del aire

𝑃 ∗ 𝑉 = 𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇 (2)

𝑃 ∗ 𝑉 = (𝑚/𝑀) ∗ 𝑅 ∗ 𝑇 (3)

𝜌 =𝑃 ∗ 𝑀

𝑅 ∗ 𝑇

Dónde:

ρ: Densidad del aire en g/l

P: Presión del aire de entrada en kPa

M: Peso molecular del aire en g/gmol

R: Constante de los gases en atm*l/gmol*K

T: Temperatura de entrada del aire en K

𝜌 =(71/100) ∗ 28,95

0,08205 ∗ 290,77

𝜌 = 0,861𝑔

𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒

b) Constante de relación de calores específicos k

𝑘 =𝐶𝑝

𝐶𝑣 (4)

Dónde:

k: Relación de los calores específicos del aire

Cp: Calor específico a presión constante en kJ/kg* K

Cv: Calor específico a volumen constante en kJ/kg* K

𝑘 = (7/2𝑅)/(5/2𝑅) (5)

𝑘 = 1,4

c) Factor de compresión z

Se utiliza el método de interpolación para obtener los valores a las condiciones de 600 kPa y

290,77K

37

Tabla 13. Condiciones de k a 1000 kPa

Presión (kPa)

1000

Temperatura (K) Factor de compresibilidad

(z)

250 0,9957

300 0,9987

Tabla 14. Condiciones de k a 500 kPa.

Presión (kPa)

500

Temperatura (K) Factor de compresibilidad

(z)

250 0,9911

300 0,9974

𝑍𝑥 = 𝑍𝑜 +𝑇−𝑇𝑜

𝑇1−𝑇𝑜∗ (𝑍1 − 𝑍𝑜) (6)

Dónde:

Zx: Factor de compresión a encontrar a las condiciones deseadas

Zo: Factor de compresión en el límite superior del rango de interpolación

Z1: Factor de compresión en el límite inferior del rango de interpolación

T: Temperatura a la que se desea encontrar el factor de compresión en K

To: Temperatura en el límite superior del rango de interpolación en K

T1: Temperatura en el límite inferior del rango de interpolación

d) Cálculo para los valores de presión de 500 kPa

𝑍𝑥 = 0,9957 +290,77 − 250

300 − 250∗ (0,9957 − 0,9987)

𝑍𝑥 = 0,9982

e) Cálculo para los valores de presión de 1000 kPa

𝑍𝑥 = 0,9911 +290,77 − 250

300 − 250∗ (0,9911 − 0,9974)

𝑍𝑥 = 0,9962

38

Por lo tanto

Tabla 15. Resultado del cálculo de la constante k a las condiciones requeridas.

T: 290,77 K

500 kPa Z: 0,9982

1000 kPa Z: 0,9962

f) Cálculo para los valores de presión de 600 kPa y 290,77 K

𝑍𝑥 = 0,9982 +600 − 500

1000 − 500∗ (0,9982 − 0,9962)

𝑍𝑥 = 0,9978

g) Factor de compresión

𝑅𝑐 =𝑃𝑑

𝑃𝑠 (7)

Dónde:

Rc: Relación de compresión del gas

Pd: Presión de descarga del gas en kPa

Ps: Presión de succión del gas en kPa

𝑅𝑐 =600

72

𝑅𝑐 = 8.33

h) Número de etapas de compresión

Inicialmente asumimos una compresión por dos etapas, si el resultado de la raíz es mayor a 4, se

aumenta el número de etapas hasta que el resultado sea menor

𝒓 = √𝑹𝒄𝒏

(8)

Dónde:

r: relación de compresión por etapa

Rc: relación de compresión

n: número de etapas

39

𝑟 = √8.332

𝑟 ≅ 2 𝑒𝑡𝑎𝑝𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛

i) Primera etapa de compresión

Presión de descarga de la primera etapa

𝑃𝑑𝑖 = 𝑟 ∗ 𝑃𝑠𝑖 (9)

Dónde:

Pdi: presión de descarga de la primera etapa en kPa

Psi: presión de succión de la primera etapa en kPa

r: relación de compresión por etapa

𝑃𝑑𝑖 = 2,88 ∗ 72

𝑃𝑑𝑖 = 207,36 𝑘𝑃𝑎

Potencia requerida para la primera etapa

𝐵𝑃𝐻𝑒𝑡𝑎𝑝𝑎 = 3.03 ∗ 𝑧𝑥 ∗ (𝑄𝑔∗𝑇𝑠

𝐸) (

𝑘

𝑘−1) (

𝑃𝑙

𝑇𝑙) (

𝑃𝑑

𝑃𝑠

𝑘−1

𝑘 − 1) (10)

Dónde:

BPH: Caballos de potencia por etapa en HP

Zx: Factor de compresión promedio de succión y descarga

Qg: Caudal del aire en millones de pies cúbicos estándar por día (mmscfd)

Ts: Temperatura de succión en R

E: Constante de eficiencia del compresor

k: Relación de calores específicos

Pl: Presión estándar en psi

Tl: Temperatura estándar en R

Eficiencia recomendada por bibliografía del proveedor de compresores.

𝐸 = 0.82 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

𝐸 = 0.85 𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

40

Por lo tanto

𝐵𝑃𝐻1 = 3,03 ∗ 0,9978 ∗ (0,229 ∗ 523,39

0,82) (

1,4

1,4 − 1) (

10,43

536,67) (

30,04

10,43

1,4−11,4

− 1)

𝐵𝑃𝐻1 = 10,61 𝐻𝑃

j) Segunda etapa de compresión

Presión de descarga de la segunda etapa

Por bibliografía del proveedor se asume una pérdida de presión por etapa de 5 psi

Temperatura de descarga de la segunda etapa

𝑇𝑑 = 𝑇𝑠 ∗ 𝑟𝑘−1

𝑘 (11)

𝑇𝑑 = 523.39 ∗ 2.880.2857

𝑇𝑑 = 708,07 𝑅

Potencia requerida para la segunda etapa

𝐵𝑃𝐻2 = 3,03 ∗ 𝑧𝑥 ∗ (𝑄𝑔 ∗ 𝑇𝑠

𝐸) (

𝑘

𝑘 − 1) (

𝑃𝑙

𝑇𝑙) (

𝑃𝑑

𝑃𝑠

𝑘−1𝑘

− 1)

𝐵𝑃𝐻2 = 3,03 ∗ 0,9978 ∗ (0,229 ∗ 708,07

0,82) (

1,4

1,4 − 1) (

10,43

536,67) (

88,05

30,04 − 5

1,4−11,4

− 1)

𝐵𝑃𝐻2 = 17.57 ℎ𝑝

k) Potencia Total en kW

𝐵𝑃𝐻 = 𝐵𝑃𝐻1 + 𝐵𝑃𝐻2 (12)

𝐵𝑃𝐻 = 28,18 ℎ𝑝

𝑃 (𝑘𝑊) = 𝐵𝑃𝐻 ∗ 0.7457 (13)

𝑃 (𝑘𝑊) = 28.18 ∗ 0.7457

𝑃 (𝑘𝑊) = 21.013 𝑘𝑊

Se asume un 30% de adición del valor por margen de seguridad basado en recomendaciones

bibliográficas.

41

𝑃(𝑘𝑊) = 21.013 ∗ 1,30 = 27.32 𝑘𝑊

5.1.2. Cálculo para el dimensionamiento del chiller

5.1.2.1. Datos adicionales para el Chiller

Tabla 16. Datos adicionales para la selección del chiller

VARIABLES VALOR

Temperatura de entrada del agua 283,15 K

Temperatura de salida del agua 280,15 K

NOTA: Temperatura obtenida por datos experimentales mediante el uso de un

termómetro en los puntos de entrada y salida de agua.

5.1.2.2. Masa de agua necesaria para refrigeración

a) Datos adicionales para el agua de refrigeración

Tabla 17. Datos adicionales para el cálculo de la masa de refrigeración en el chiller.

VARIABLE VALOR

Cp agua a 283,15 K 4,1826 kJ/kg*K

Cp agua a 280,15 K 4,1837 kJ/kg*K

Densidad del agua a 283,15 K 998,04 kg/m3

Densidad del agua a 280,15 K 997,40 kg/m3

b) Cálculo de la masa de aire

2000 m3

h∗

0.86 kg

1 m3 = 1722 kg aire/h (14)

c) Cálculo del poder calorífico del aire a 280,15 K

𝐶𝑝 = 0,9956 + 0,000009299 ∗ 𝑇 (15)

42

𝐶𝑝 = 0,9956 + 0,000009299 ∗ 280,15

𝐶𝑝 = 0,9982𝑘𝑗

𝑘𝑔 ∗ 𝐾 𝑎𝑖𝑟𝑒

d) Cálculo del poder calorífico del aire a 283,15 K

𝐶𝑝 = 0,9956 + 0,000009299 ∗ 𝑇

𝐶𝑝 = 0,9956 + 0,000009299 ∗ 283,15

𝐶𝑝 = 0,9982𝑘𝑗

𝑘𝑔 ∗ 𝐾 𝑎𝑖𝑟𝑒

e) Balance de Masa para el agua de enfriamiento

𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 (16)

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ ∆𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ ∆𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 (17)

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 4,1831 ∗ (283,15 − 280,15) = 1722 ∗ 0,9982 ∗ (291,15 − 284,15)

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 958,66𝐾𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎

ℎ

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,96𝑚3 𝑎𝑔𝑢𝑎

ℎ

f) Capacidad de refrigeración de agua

𝑻𝑹 = 𝑸∗(𝑻𝒔−𝑻𝒆)

𝟐𝟒 (18)

Dónde:

TR: Capacidad de refrigeración

Q: Caudal en galones por minuto (gpm)

Te: Temperatura de entrada °F

Ts: Temperatura de salida °F

𝑄 =0,96 𝑚3

ℎ∗

1000 𝑙

1𝑚3∗

1 𝑔𝑎𝑙ó𝑛

3,78𝑙∗

1 ℎ

60 𝑚𝑖𝑛

𝑄 = 4,23 𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛/𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜

𝑇𝑅 = 4,23 ∗ (50 − 44.6)

24

𝑇𝑅 = 0,95 𝑡𝑜𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎

ℎ

43

𝑇𝑅 = 0,95 𝑚3 𝑎𝑔𝑢𝑎

ℎ

5.1.2.3. Masa de agua necesaria para el vapor de caldero

a) Datos adicionales para el vapor de calentamiento

Tabla 18. Datos adicionales para el vapor del caldero

VARIABLES VALOR

Temperatura de entrada 416,15 K

Temperatura de salida 371,15 K

Tabla 19. Datos adicionales para el cálculo de la masa de vapor del caldero

VARIABLE VALOR

Cp vapor a 416,15 K 2,2441 kJ/kg*K

Densidad del vapor de agua a 416,15 K 2,165 kg/m3

b) Balance de masa para el vapor de calentamiento del aire de proceso

𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜

𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ ∆𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∗ 𝐶𝑝𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∗ ∆𝑇𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

1722 ∗ 0,9982 ∗ (318,15 − 284,15) = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∗ 2,2441 ∗ (416,15 − 371,15)

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 578,73𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

ℎ

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 267,31𝑚3 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

ℎ

44

5.1.3. Selección de materiales de tuberías [11]. Además de los parámetros descritos en el

marco teórico es importante considerar los equipos en los que se van a utilizar estas tuberías y el

tipo de fluido que van a transportar, con estos parámetros se selecciona:

5.1.3.1. Cálculo del número de cédula de la tubería para el aire al lecho fluido.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐é𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 1000 ∗𝑃𝑠

𝑆𝑠 (19)

Dónde:

Ps = Presión de trabajo interna en kg/cm2

Ss = Esfuerzo permisible en kg/cm2

Por el tipo de fluido a transportar y el tipo de proceso en la industria farmacéutica se decide

trabajar con acero 316L, teniendo un valor de Ss = 1170.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐é𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 1000 ∗5.1

1170

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐é𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 4

Fuente: WHEATLAND S.A. Tubería de acero para rociadores contra incendios [En línea]

[Fecha de consulta: 27 de agosto del 2015]. Disponible en < http://www.wheatland.com>.

Figura 23. Cuadro de dimensiones de tuberías comerciales.

45

Tabla 20. Características de la tubería para el sistema de lecho fluido

PARÁMETRO VALOR

EXPERIMENTAL

DIÁMETRO

EXTERNO

COMERCIAL

MATERIAL DE

LA TUBERÍA

Diámetro de entrada del

lecho fluido

0,1998 m

0.20 m

Acero inoxidable 316

L sh 10

Tipo de fluido a transportar Aire limpio y seco

Temperatura de trasporte 283,15 a 383,15 K

Caudal de operación 2000 Nm3/h

Presión de operación 500 kPa

Velocidad del fluido 17,69 m/s

5.1.3.2. Cálculo del número de cédula de la tubería para el aire comprimido


𝑆𝑠



𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐é𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 1000 ∗6

569

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐é𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 10,5

Tabla 21. Características de la tubería para el compresor

PARÁMETRO VALOR

EXPERIMENTAL

DIÁMETRO

EXTERNO

COMERCIAL

MATERIAL DE LA

TUBERÍA


compresor

0,038 m

0,038 m

Cobre sh 10

Tipo de fluido a

transportar

Aire limpio y seco

Caudal de operación 270 Nm3/h

Temperatura de trasporte 291,15 K

Presión de operación 600 kPa


46

5.1.3.3. Cálculo del número de cédula de la tubería para el agua


𝑆𝑠



𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 1000 ∗0.74

569

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 1,3

Tabla 22. Características de la tubería para el chiller

PARÁMETRO VALOR

EXPERIMENTAL

DIÁMETRO

EXTERNO

COMERCIAL

MATERIAL

DE LA

TUBERÍA


chiller

0,0508 m

0,0508 m

Cobre sh 10 Tipo de fluido a transportar Agua

Temperatura de trasporte 278,15 a 288,15 K

Caudal de operación 0,96 m3/h


5.1.3.4. Cálculo del número de cédula de la tubería para el vapor


𝑆𝑠


trabajar con acero 316L, teniendo un valor de Ss = 4200

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐é𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 1000 ∗7,03

4200

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐é𝑑𝑢𝑙𝑎 (𝑆ℎ) = 1,67

47

Tabla 23. Características de la tubería para el Caldero

PARÁMETRO VALOR

EXPERIMENTAL

DIÁMETRO

EXTERNO

COMERCIAL

MATERIAL DE LA

TUBERÍA


chiller

0,0508 m

0,0508 m

Acero Negro sh 10

Tipo de fluido a

transportar

Vapor de agua

Temperatura de trasporte 373,15 K en

adelante

Caudal de operación 267,31 m3/h


48

6. RESULTADOS

6.1. Resultados del Diseño del sistema

Tabla 24. Tabla de resultados para la especificación del compresor.

ESPECIFICACIÓN VALORES

Potencia del compresor 27,32 kW

Caudal de aire necesario 270 Nm3/h

Presión de salida del aire 600 kPa

Tabla 25. Tabla de resultados para la especificación del chiller.


Capacidad de refrigeración del chiller 0,95 m3/h

Flujo de aire 2000 m3/h

Flujo de agua 0,96 m3/h

Temperatura de entrada de aire * 291,15 K

Temperatura de salida de aire 284,15 K

Temperatura de entrada de agua 280,15 K

Temperatura de salida de agua 283,15 K

NOTA: Datos experimentales tomados mediante el uso de un termo higrómetro.

(Ver anexo A)

Tabla 26. Tabla de resultados para la especificación del caldero


Flujo de Vapor 267,31 m3/h

Temperatura de entrada de vapor 416,15 K

Temperatura de salida de vapor 371,15 K

49

6.1.1. Listado de material a utilizar

Tabla 27. Listado de accesorios para el lecho fluido

ACCESORIO Diámetro de tubería 0,2032 m

TUBERÍA ACERO 316L 15 metros

CODOS 14 codos 90° graduales

BRIDA 58 unidades

TE 4 reducción de 0,2032 a 0,127 metros de diámetro

ANILLOS 58 unidades

Tabla 28. Listado de accesorios para el bypass del lecho fluido

ACCESORIO DIÁMETRO DE TUBERÍA 0,127 m

TUBERÍA ACERO 316L 13 metros

CODOS 18 codos 90° graduales

BRIDA 56 unidades

ANILLOS 56 unidades

Tabla 29. Listado de longitud de tubería para los servicios.

ACCESORIO CANTIDAD (m)

Tubería de cobre de 0,0381 m de diámetro. 18 metros

Tubería de cobre de 0,0508 m de diámetro. 12 metros

Tubería de acero de 0,0508 m de diámetro. 18 metros

Tabla 30. Listado de accesorios complementarios

NÚMERO DESCRIPCIÓN

- Empaques para ductos

1 Trampa de vapor

2 Válvulas solenoides para vapor

2 Termómetros para agua de chiller

35 Metros de Cañuelas para recubrimiento de ductos

50

6.2. Resultados de la experimentación

6.2.1. Resultados de la Variación de Tiempo de secado. Se obtiene gráficamente los

siguientes resultados.

Gráfico 1. Resultado de la variación del tiempo de secado para obtener la humedad de

granulo óptima

Tabla 31. Resultado de la variación del tiempo de secado en el lecho fluido.

H (%) 2,5

t (min) 40

y = 40,748e-0,067x

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

25

27,5

30

32,5

35

37,5

40

42,5

45

0 10 20 30 40 50

hu

me

dad

(%

)

Tiempo de secado (min)

HUMEDAD DE GRÁNULO (%) VS TIEMPO DE SECADO (min)

HUMEDAD DEGRANULO (%)VS TIEMPO DESECADO (min)

51

6.2.2. Resultados de la Variación de la Temperatura de secado. Se obtiene gráficamente el

siguiente resultado.

Gráfico 2. Resultado de la variación de temperatura de secado para obtener la humedad

de granulo óptima.

Tabla 32. Resultado de la variación de temperatura de secado

TEMPERATURA DE SECADO (K) 313,15

HUMEDAD (%) 2,5

y = 0,0007x5 - 1,0433x4 + 652,47x3 - 204008x2 + 3E+07x - 2E+09

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

300 305 310 315 320 325

HU

MED

AD

(%

)

TEMPERATURA DE SECADO (K)

HUMEDAD DE GRÁNULO (%) VS TEMPERATURA DE SECADO (K)

HUMEDAD DEGRANULO (%)VSTEMPERATURADE SECADO (K)

52

6.2.3. Resultados de la Variación de Caudal de aire. Se obtiene gráficamente los siguientes

resultados.

Gráfico 3. Resultado de la variación del caudal de aire para obtener la humedad de

granulo óptima.

Tabla 33. Variación de Caudal de aire de secado.

CAUDAL DE AIRE (m3/h) 2000

HUMEDAD (%) 2,4

y = 9E-09x3 - 4E-05x2 + 0,0393x + 13,673

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

HU

MED

AD

(%

)

CAUDAL DE AIRE (m3/h)

HUMEDAD DE GRÁNULO (%) VS CAUDAL DE AIRE (m3/h)

HUMEDAD DEGRÁNULO (%)VS CAUDAL DEAIRE (m3/h)

53

6.2.4. Curva de Secado del Proceso

Tabla 34. Curva de secado

Gráfico 4. Curva de secado del proceso experimental.

295

300

305

310

315

320

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

TEM

PER

ATU

RA

(K

)

TIEMPO (min)

CURVA DE SECADO DEL GRÁNULO

PRECALENTAMIENTO SECADO SOBRECALENTAMIENTO

54

7. DISCUSIÓN

Los resultados de la Figura 26, indican que a medida que se aumenta el caudal de aire desde

los 1000Nm3/h hasta los 2000Nm3/h, la humedad del producto disminuye de manera

exponencial, cuando el flujo llega a los 2000Nm3/h la humedad llega al 2% - 4%, un

intervalo de valores de operación con características farmacéuticas, tal como se evidencia en

las figuras del Anexo B.

La humedad del granulo en una mezcla para compresión es un parámetro fundamental para

determinar las condiciones de dureza y friabilidad que va a tener un comprimido, como se

puede observar en la Figura 25. Cuando la temperatura de secado es mayor a 303,15 K, la

humedad del producto se encuentra debajo del 1%, humedad factible para productos de

granulados

Con los resultados del proceso experimental se evidencia que el tiempo de secado para una

muestra de producto estándar se produce en máximo 40 minutos. Comparando este valor

con el método tradicional de secado por bandejas que se estaba realizando en la industria, se

obtiene una mejora de 8 horas promedio, valor que se ve reflejado en un aumento de

productividad de la empresa.

Con el flujo de aire recomendado no se observan los problemas típicos de fluidización como

la formación de burbujas, el lecho se mantiene en movimiento constante. Es por eso que, si

se desea realizar un proceso en el equipo sin el caudal de aire suficiente, así se aumente la

temperatura de secado o el tiempo de residencia, los resultados obtenidos no serán del todo

satisfactorios.

Los resultados de los cálculos de dimensionamiento del Chiller indican que, si se

proporciona menos de 0,96 m3/h de agua, el caudal no será suficiente para acondicionar el

aire de proceso, esto se debe a que el agua absorbe fácilmente calor del ambiente y aumenta

rápidamente su temperatura. Es posible que utilizando otro líquido como refrigerante el

caudal de agua necesario baje considerablemente.

55

8. CONCLUSIONES

Parte importante del trabajo de implementación del sistema de lecho fluido es la elaboración

de planos tanto de ubicación del sistema de lecho fluido como el diagrama de proceso, los

mismos que permiten obtener un producto de calidad farmacéutica.

Se concluye que, si se implementó un sistema de lecho fluido con características

farmacéuticas, ya que el producto resultante tiene una humedad del 2.4%, valor apto para

producir comprimidos con características de comercialización.

En base al proceso experimental realizado en el proyecto se concluye, que las condiciones

para obtener la humedad optima del granulo son: flujo de aire 2000 Nm3/h, temperatura del

lecho 303,15 K, tiempo de proceso 40 minutos, puesto que a esas condiciones se llega a

obtener una humedad de salida del producto en el rango de 2% a 4%.

La fluidización como método de secado en la elaboración de comprimidos en la industria

farmacéutica tiene una mayor productividad. Por lo tanto, se concluye que la

implementación del sistema es idónea en este tipo de industrias, ya que eleva los niveles

productivos y mejora la utilización de tiempo y recursos a la empresa disminuyendo el

proceso de 8 horas a 1 hora.

Se concluye que la variable más importante para obtener el porcentaje requerido de

humedad de operación es el caudal de aire en el lecho fluido, puesto que ayuda a un mejor

contacto interfacial aire – producto.

Se implementó un compresor de aire de 27,32 kW que asegura una presión de salida de 600

kPa y 270 Nm3/h para uso de los instrumentos neumáticos, se concluye que el compresor

diseñado proporciona caudal adecuado de aire para el funcionamiento de los instrumentos

del lecho fluidizado.

56

Para acondicionar un caudal de 2000 Nm3/h de aire de ambiente para la fluidización, es

necesario un caudal de agua del Chiller de 0,96 m3/h, ya que permite obtener las

condiciones de salida necesarias para la operación del equipo.

57

9. RECOMENDACIONES

Utilizar una columna de enfriamiento de rellenos en lugar de un chiller para realizar una

comparación de eficiencias de refrigeración con respecto al flujo de aire debido al contacto

interfacial.

Evaluar la posibilidad de utilizar otro fluido para el intercambio de calor con el aire en

remplazo del agua, para así disminuir el tamaño del equipo de enfriamiento.

Proponer un estudio de análisis funcional de operatividad del equipo, para proveer de

seguridad tanto a la planta como al personal.

Si se utilizan temperaturas mayores a las recomendadas en este proyecto, revisar el estado

del producto en el interior del lecho fluido de manera periódica para prevenir

inconvenientes con la materia prima.

Las pruebas se realizaron para un producto placebo de características regularmente

utilizadas, se recomienda usar el mismo funcionamiento con productos termolábiles en un

rango de temperatura mayor al aplicado y comparar los resultados obtenidos.

58

CITAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] URBAR, Ingenieros, S.A. Secadores y enfriadores de lecho fluido. Publicación anual 2005.

p. 2.

[2] COULSON, J. y RICHARDSON, J. Ingeniería Química Operaciones Básicas. Tomo II.

Editorial Reverte, S. A., Barcelona, 1981, p. 291.

[3] JIMENEZ, Salvador de las Hieras. Instalaciones Neumaticas. Editorial OUC, Barcelona

2003, p. 28.

[4] ACE INTEGRALES, S.A. Compresores [en línea]: Documento electronico encontrado en

Internet. [fecha de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en:

<http://www.aceintegrales.com/.>

[5] LAPEÑA, Miguel. Tratamiento de aguas industriales. Editorial MARCOMBO S. A. .

Barcelona, 1990, p. 93.

[6] UNIVERSIA. Industria Farmaceutica [En línea]: documento electronico encontrado en

Internet. [fecha de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en:

<http://www.emplea.universia.es/informacion/sectores_profesionales/industria_farmaceutic

a/.>

[7] MONTALVO, Edmundo. Introduccion a la Tecnologia farmaceutica. Editorial

Universitaria. Quito 1989. Vol. Tomo I. pp. 71-84.

[8] NEOTEC, NEUHAUS. Tecnologia de lecho fluidizado. Editorial NEOTEC, NEUHAUS.

Berlín. 2001. p. 18.

59

[9] MONTALVO, Edmundo. Op. Cit., pp. 85-87.

[10] FARRAS, Luis. Criterios de Diseño, Cálculo y Selección de Tuberías en Base al Criterio

de las Prestaciones Equivalentes. [En línea]. documento electronico encontrado en Internet.

[fecha de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en: <

http://www.fi.uba.ar/archivos/institutos_criterio_seleccion_tuberias.pdf.>

[11] PERRY, Robert. Manual del Ingeniero Químico. Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill,

México, 2001. pp. 2612 – 2613.

60

BIBLIOGRAFÍA

ALBIZ. Productos de acero. [En línea]: Documento electronico encontrado en Internet. [Fecha

de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en: < http://santa-cruz-de-la-sierra.all.biz >.

BEARINGBOYS. Accesorios industriales. [En línea]: Documento electronico encontrado en

Internet. [Fecha de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en: <

http://www.bearingboys.co.uk>.

DIRECT INDUSTRY. Industria del acero. [En línea]: Documento electronico encontrado en

Internet. [Fecha de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en: <

http://www.directindustry.es>.

DISTRIVALVULAS. Válvulas. [En línea]: Documento electronico encontrado en Internet.

[Fecha de consulta: 28 de agosto del 2015]. Disponible en: < http://distrivalvulas.com/portal/>.

MONTALVO, Edmundo. Introduccion a la Tecnologia farmaceutica. Editorial Universitaria.

Quito 1989. Vol. Tomo I.

OCON, Joaquín y TOJO, Gabriel. Problemas de Ingeniería Química, Operaciones Básicas.

Tomo I. Ediciones Aguilar, México 1982.

PERRY, Robert. Manual del Ingeniero Químico. Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill,

México, 2001.

SHANGHAI VAST LINK INDUSTRIAL. Accesorios. [En línea]: Documento electronico

encontrado en Internet. [Fecha de consulta: 25 de agosto del 2015]. Disponible en: <

http://es.made-in-china.com/ >.

SPIRAX SARCO. Válvulas. [En línea]: Documento electronico encontrado en Internet. [Fecha

de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en: < http://www.spiraxsarco.com>.

SOLDADURA.ORG. Soldadura. [En línea]: Documento electronico encontrado en Internet.

[Fecha de consulta: 20 de agosto del 2015]. Disponible en: < http://soldadura.org/metales>.

61

TODO DE INOXIDABLE, Aceros. [En línea]: Documento electronico encontrado en Internet.

[Fecha de consulta: 28 de agosto del 2015]. Disponible en:

<http://www.tododeinoxidable.com/Productos/ >.

62

ANEXOS

63

ANEXO A. Datos experimentales de temperatura y humedad en el lugar de

funcionamiento del equipo

Tabla 35. Humedad y Temperatura reales en el lugar de trabajo (primeras 8 horas)

N.º Fecha Tiempo Temp, °C (Temperatura)

HR, % (Humedad

relativa)

1 07/03/2014 12:00 18.331 43.31

2 07/03/2014 12:30 18.236 43.52

3 07/03/2014 13:00 18.236 46.07

4 07/03/2014 13:30 18.331 51.49

5 07/03/2014 14:00 18.426 54.83

6 07/03/2014 14:30 18.521 55.47

7 07/03/2014 15:00 18.521 57.25

8 07/03/2014 15:30 18.616 58.50

9 07/03/2014 16:00 18.616 57.95

10 07/03/2014 16:30 18.711 57.82

11 07/03/2014 17:00 18.711 57.10

12 07/03/2014 17:30 18.711 56.55

13 07/03/2014 18:00 18.616 57.48

14 07/03/2014 18:30 18.616 57.79

15 07/03/2014 19:00 18.616 58.33

16 07/03/2014 19:30 18.711 57.20

17 07/03/2014 20:00 18.711 56.55

NOTA: Datos experimentales tomados con un termo higrómetro en la empresa.

64

ANEXO A. (CONTINUACIÓN)

Tabla 36. Humedad y Temperatura reales en el lugar de trabajo (segundas 8 horas)

N.º Fecha Tiempo Temp, °C (Temperatura) HR, % (Humedad relativa)

1 07/07/2014 0:00 17.570 55.50

2 07/07/2014 0:30 17.379 57.69

3 07/07/2014 1:00 17.570 57.75

4 07/07/2014 1:30 17.475 57.37

5 07/07/2014 2:00 17.475 57.47

6 07/07/2014 2:30 17.475 57.87

7 07/07/2014 3:00 17.475 57.82

8 07/07/2014 3:30 17.475 56.97

9 07/07/2014 4:00 17.379 57.04

10 07/07/2014 4:30 17.475 57.87

11 07/07/2014 5:00 17.379 57.19

12 07/07/2014 5:30 17.379 56.47

13 07/07/2014 6:00 17.379 56.85

14 07/07/2014 6:30 17.284 57.52

15 07/07/2014 7:00 17.284 58.18

16 07/07/2014 7:30 17.189 57.05

17 07/07/2014 8:00 17.189 54.57

NOTA: Datos experimentales tomados con un termo higrómetro en la empresa.

65

ANEXO B. Fichas de especificaciones Físico – Químicas de las materias primas.

Fuente: GUINAMA LABORATORIOS [En línea]. Documento consultado en internet. [Fecha

de consulta: 05 de octubre del 2015]. Disponible en: <

http://www.guinama.com/media/tecnico>.

Figura B. 1 Especificaciones Físico – Químicas del Avicel PH 101.

66

Fuente: CIMPA S.A. [En línea]: Documento consultado en internet. [Fecha de consulta: 05 de

octubre del 2015]. Disponible en: < http://www.cimpaltda.com/modulo/quimicos/lactosa.pdf>.

Figura B. 2 Especificaciones Físico – Químicas de la Lactosa Anhidra.

67

Fuente: BASF The Chemical Company [En línea]: Documento consultado en internet. [Fecha

de consulta: 05 de octubre del 2015]. Disponible en:

http://www.kollidon.com/Documents/ENP/Brochure/EN/G-

EMPMD256_Kollidon_Polyvinylpyrrolidone_excipients_for_the_pharmaceutical_industry.pdf

>.

Figura B. 3 Especificaciones Físico – Químicas del Kollidon K30.

68

ANEXO C. Fotografías del proceso de construcción

Figura C 1. Parte inferior del Equipo de Lecho Fluido

Figura C 2. Parte superior del Equipo de Lecho Fluido

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Figura C 3. Equipo de Acondicionamiento de aire de entrada al lecho.

Figura C 4. Filtro de partículas a la salida del lecho fluido.

70

Figura C 5. Ventilador de Succión de aire.

Figura C 6. Disposición de los equipos principales del sistema.

71

Figura C 7. Ductos y accesorios para el sistema.

Figura C 8. Unión de Brida y codo.

Figura C 9. Accesorios para las líneas de servicios.

72

Figura C 10. Equipos de servicios.

Figura C 11. Procedimiento de soldado de ductos con accesorios

Figura C 12. Conexión de equipos y ductos.

73

Figura C 13. Ensamblaje del sistema 1.

Figura C 14. Ensamblaje del sistema 2.

Figura C 15. Estructura del Chiller.

74

ANEXO D. Cuadro de comparación del tiempo de proceso con el uso del sistema de lecho fluido.

Tabla 37. Tabla de comparación de los procesos de producción de comprimidos.

ETAPAS DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE COMPRIMIDOS

PROCESO: GRANULACIÓN HÚMEDA

EQUIPO A UTILIZAR

PROCESO SIN LECHO

EQUIPO A UTILIZAR

PROCESO CON LECHO

MEZCLA INICIAL Proceso de mezcla algunos excipientes con el activo (polvo)

Mezclador o amasador

(60 minutos)

Lecho Fluido

(20 minutos)

AMASADO

Etapa de dar volumen a la mezcla inicial para formar pequeñas

partículas

Amasador

(60 minutos)

Lecho Fluido

(35 minutos)

GRANULADO

Dar al amasado un tamaño de partícula aceptable para el proceso

(partícula húmeda)

Granulador (molino + Tamiz)

(45 minutos)

Lecho Fluido

(40 minutos)

SECADO

Eliminar del exceso de agua o aglutinante proveniente de la etapa

anterior

Secador de Bandeja

(10 horas)

Lecho Fluido

(40 minutos)

75

ANEXO D. (CONTINUACIÓN)

RE GRANULADO Acondicionamiento del tamaño de granula ya seco

Granulador (molino + Tamiz)

(45 minutos)

Lecho Fluido

(40 minutos)

MEZCLA FINAL

Adición del excipiente restante (si es prudente se adicionan

también en esta etapa algunos activos)

Mezclador farmacéutico (V) (10

minutos)

Lecho Fluido

(5 minutos)

TABLETEADO Dar forma a la mezcla final haciendo comprimidos

Tableteadora Rotatoria

(2 horas)

Tableteadora Rotatoria

(2 horas)

RECUBRIMIENTO

Proceso de lacado o recubrir al comprimido para dar presentación

y resistencia en el proceso de digestión

Bombo de Recubrimiento

(4 horas)

Lecho Fluido

(1 hora)

BLISTERADO Envase Primario de los comprimidos

Blistera

(2 horas)

Blistera

(2 horas)

TIEMPO UTILIZADO 21 h 40 min 8 h

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ANEXO E. Diagramas del sistema de lecho fluidizado

Figura E 1. Diagrama de distribución del sistema vista superior.

Figura E 2. Diagrama de distribución del sistema vista frontal.

Figura E 3. Orientación de flujo de aire en el sistema

Figura E 4 Diagrama P&ID del sistema.

Figura E 5. Diagrama de especificación del compresor.

Figura E 6. Diagrama de especificación del chiller.

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