Software & Systems

Производство новых высокоэффективных материалов, способных изменять свойства в зависимости от условий окружающей среды благодаря специальным функциональным покрытиям, активно развивается. Технологии нанесения покрытия и инкапсуляции нашли широкое применение в фармацевтике, медицине и здравоохранении, в сельском хозяйстве, пищевой, агрохимической, лакокрасочной отраслях промышленности, при производстве предметов бытовой химии и взрывчатых веществ. Для проектных задач или оптимизации процесса нанесения покрытий в псевдоожиженном слое был разработан программный комплекс, использование которого позволит сократить количество экспериментальных исследований и оптимизировать время и параметры процесса нанесения покрытия при производстве различных продуктов. Возможности комплекса:

·     анализ рабочих условий проведения процесса нанесения покрытия для получения продукта с требуемыми свойствами;

·     предварительный расчет параметров процесса и качества продукта;

·     определение продолжительности процесса для достижения заданной толщины покрытия;

·     расчет и минимизация потерь наносимого материала;

·     минимизация энергозатрат при проведении процесса;

·     анализ и подбор оптимального состава полимерного покрытия.

Представленный в статье программный комплекс дает возможность сократить время подбора условий проведения процесса, а следовательно, потери дорогостоящего материала при экспериментальных исследованиях, а также предсказать качество продукта, получаемого методом нанесения покрытий в аппаратах псевдоожиженного слоя, что имеет большую ценность как для разработки новых технологий, так и для модернизации работающих производств.

Нанесение покрытия в псевдоожиженном слое

Процесс инкапсуляции в псевдоожиженном слое заключается в нанесении оболочки с заданными свойствами на частицы, содержащие активное вещество, и представляет собой сложную процедуру, включающую множество микропроцессов, протекающих взаимосвязанно [1]. В аппарат псевдоожиженного слоя подаются воздух и полимерный раствор, который диспергируется при помощи пневматической форсунки. Образующиеся капли раствора сталкиваются с частицами, находящимися в слое. При успешном столкновении и адгезии происходит растекание капли по поверхности частицы, что обеспечивает формирование вокруг нее однородной оболочки. В результате циркуляции частиц в слое и столкновения со все новыми каплями покрытие утолщается до заданного значения.

Математическое моделирование процесса

Разработанная математическая модель процесса нанесения покрытия в псевдоожиженном слое описывает тепло- и массообмен между тремя фазами (воздух, частицы и капли диспергируемого раствора для покрытия). Модель состоит из уравнений изменения влагосодержания для частиц, капель и воздуха, уравнений, описывающих изменение температуры каждой из трех фаз, уравнения для изменения количества полимерного покрытия на частице и уравнения изменения количества капель по высоте слоя. При разработке математического описания процесса были сделаны следующие допущения:

·     капли, получаемые при помощи пневматической форсунки, монодисперсны и имеют сферическую форму; отсутствуют соударения между каплями и их деформация;

·     слой характеризуется одинаковой порозностью по всему объему;

·     движение фаз по высоте слоя одномерное;

·     рабочий объем камеры разделен по высоте слоя на n слоев, каждый из которых имеет постоянный объем Vапп/n (Vапп – объем аппарата) и постоянное число частиц Ni; интенсивность перемешивания между слоями описывается эмпирическим коэффициентом r, зависящим от скорости движения газовой фазы, а также от свойств частиц слоя;

·     частицы не слипаются друг с другом и не налипают на стенки аппарата.

Разбиение аппарата на слои, а также схема движения трех фаз в псевдоожиженном слое представлены на рисунке 1.

Выбор компьютерного средства для создания программного комплекса

Программный комплекс написан на объектно-ориентиро­ван­ном языке C# на платформе .NET. Преимуществами данной платформы являются модульность и возможность совмещения программного кода. Это позволяет подключать службы и библиотеки, написанные на других языках, например, на Delphi и Visual Basic .NET.

Программа включает в себя несколько расчетных модулей: модуль аппроксимации физических свойств полимерных составов и сушильного агента в зависимости от температуры, модуль расчета параметров процесса и модуль визуализации рассчитанных параметров, алгоритм взаимодействия которых показан на рисунке 2 [2]. Кроме того, в программе есть БД, где хранятся шаблоны параметров процесса и конфигурации аппарата. Данные хранятся в зашифрованном виде в файле с расширением *.props. Взаимодействие пользователя и системы происходит через интуитивно понятный интерфейс, который отправляет запросы блокам системы и возвращает пользователю конечный результат. Далее для выбранного полимерного состава и при заданных параметрах проведения процесса рассчитывается тепло- и массообмен в аппарате в ходе процесса нанесения покрытия в псевдоожиженном слое. Возможности системы позволяют оптимизировать процесс нанесения покрытия для достижения наилучших показателей качества продукта.

Алгоритм работы программного комплекса

После запуска программы из БД выбираются конфигурация аппарата с требуемыми параметрами и необходимый полимерный состав с учетом задач инкапсуляции. Можно изменять и дополнять данные шаблоны, загружать новые в зависимости от конструкции аппарата и свойств веществ, участвующих в процессе. Класс-обработчик считывает все файлы с расширением *.props в папке с данными и предоставляет пользователю возможность выбрать один из них. Выбранный шаблон расшифровывается, при этом создается объект класса констант с заданными свойствами. Для выбранного шаблона рассчитываются величины, не меняющиеся с течением времени, а также начальные и граничные условия. Для этого создается объект класса величин, не меняющихся во время процесса, и записывается в область оперативной памяти. На следующем этапе решается система дифференциальных уравнений для трех взаимодействующих фаз – воздух, капли раствора полимерного покрытия, частицы с активным веществом. С учетом гидродинамики псевдоожиженного слоя и конструкционных особенностей аппарата производится расчет параметров процесса в ра- бочем объеме камеры. Следует отметить, что в программе имеется возможность рассчитывать параметры до заданного времени процесса, до заданной толщины полимерного покрытия и до заданного конечного влагосодержания частицы. Расчет параметров ведется в двух циклах. Первый цикл бесконечен по времени, условием выхода из него является достижение параметра, заданного пользователем (остаточное влагосодержание, конечная толщина полимерной пленки или время процесса). Второй цикл вложен в первый, в нем рассчитываются параметры процесса по высоте рабочего объема камеры аппарата. Для записи промежуточных результатов создается объект класса результатов, куда по мере расчета итеративно вносятся рассчитанные параметры и который активно использует блок визуализации.

Разработанный программный комплекс позволяет визуализировать результаты расчета параметров процесса. В зависимости от установленных пользователем параметров визуализации на экран выводятся изменения температуры или массы различных фаз по высоте аппарата или по времени процесса.

Исходные и рассчитанные значения всех переменных сохраняются в формате электронной таблицы MS Excel (*.xls), что упрощает ввод начальных данных, позволяет анализировать данные вне программного комплекса, а также передавать их для обработки в другие программные пакеты. В параметрах визуализации можно выбирать график, который следует выводить пользователю (теплообмен или массообмен), а также точки для добавления в график. Например, для ускорения работы программы можно добавлять в него не все рассчитанные точки, а лишь часть из них. Предусмотрена возможность усечения оси диаграммы для наглядности отображения графика. Изображения графиков можно сохранять в файлы как в формате изображения *.jpeg, так и в формате электронных документов *.pdf.

Проверка адекватности программного комплекса

Адекватность программного комплекса подтверждается экспериментами на лабораторной установке для проведения инкапсуляции методом нанесения покрытий в псевдоожиженном слое Hüttlin Mycrolab (Hüttlin GmbH). Процесс заключался в нанесении модельного вещества на частицы плацебо из микрокристаллической целлюлозы, не оказывающей какого-либо негативного воздействия на организм и применяющейся в фармацевтической и пищевой отраслях.

Была проведена серия исследований, включающая 33 эксперимента по нанесению полимерного кишечно-растворимого покрытия на частицы с модельным лекарственным веществом при различных условиях [3]. Для каждого эксперимента при помощи программного комплекса рассчитаны следующие показатели: конечное влагосодержание продукта, толщина полимерного покрытия на частицах, время проведения процесса, доля потерь наносимого полимерного состава (эффективность процесса). Кроме того, рассчитан коэффициент среднеквадратичного отклонения по показателю «эффективность процесса», который изменяется в диапазоне 0,02÷0,10 для всех экспериментов, что подтверждает адекватность математической модели.

Программный комплекс позволяет визуализировать параметры проведения процесса и их изменение во времени или по высоте аппарата. На рисунке 3 представлен пример расчета температуры частиц, капель и воздуха по высоте аппарата на момент τ=τкон/2.

Разработка новых проектных решений в процессах нанесения покрытий в настоящее время невозможна без всесторонних испытаний методом проб и ошибок, которые в большинстве случаев требуют серьезных материальных затрат. Созданный программный комплекс станет весомым инструментом для специалистов-исследователей и технологов. Представленный комплекс позволяет значительно сократить этапы разработки и исследования, оценить параметры проведения процесса и качество получаемого продукта, подобрать полимерный состав для достижения требуемых целей.

Литература

1.  Ronsse F., Pieters J.G., Dewettinck K. Numerical Spray Model of the Fluidized Bed Coating Process // Drying Technology. 2007. Vol. 25, pp. 1491–1514.

2.  Голомидов Е.С., Маковская Ю.В. Информационный портал по технологии сушки // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. Т. XXIV. № 1 (106). С. 55–58.

3.  Гордиенко М.Г. [и др.]. Исследование и оптимизация процесса инкапсуляции лекарственного вещества в полимерную оболочку в аппарате псевдоожиженного слоя // Вестн. МИТХТ. 2010. Т. 5. № 1. С. 93–97.