Geum.ru
   Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Расширение растворов сверхкритический СО2-метилпарабен и сверхкритический СО2-ибупрофен через микронные каналы

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

КУЗНЕЦОВА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА

 

 

Расширение растворов сверхкритический СО2 Цметилпарабен и сверхкритический СО2 - ибупрофен через микронные каналы.

 

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

Казань 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технологический университет на кафедре Теоретические основы теплотехники.

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Сабирзянов Айдар Назимович.

Официальные оппоненты:

Гильфанов Камиль Хабибович доктор технических наук, апрофессор, ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет зав. кафедрой Автоматизация технологических процессов и производств.

Тонконог Владимир Григорьевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО КНИТУ-КАИ доцент кафедры Теоретические основы теплотехники.

Ведущая организация:

Федеральное казённое предприятие Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов, г. Казань.

Защита состоится л11а апреляа 2012 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10 (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КНИТУ им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан ал21аа февраля 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцента а аА.Г. Каримова

 



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Сверхкритические (СК) растворители позволили в последние годы осуществить работы поа получению микро- и ананочастиц, акак носителей лекарственных форм. Перспективная и ресурсосберегающая технология получения лекарственных микро- и наноформ основана на применении метода быстрого расширения растворов сверхкритический флюид - фармацевтическая субстанцияа (RESS технология). Растворимость фармацевтических субстанций в сверхкритических флюидах в настоящее время изучена недостаточно, поскольку ааежегодно синтезируется большое количество фармацевтических препаратов. Процесс расширения растворов сверхкритический флюид - фармацевтическая субстанция через микронные каналы позволяет получать частицы с узким распределением по размерам.а Процесс расширения для подобных систем является также малоизученным, что сдерживает проектирование технологий и промышленного оборудования для производства перспективных форм лекарственных препаратов. Важной научно-технологической задачей является полное математическое описание подобных термодинамических система и процессов, для обеспечения энерготехнологической оптимизации проектируемых технологий и оборудования.

Актуальность темы диссертации определяется отсутствием надежных данных по растворимости, микронизации частица метилпарабена аи ибупрофена, имеющих важное промышленное применение, а также полного математического описания RESS процесса в системе сверхкритический растворитель - фармацевтическая субстанция. Объекты исследования выбраны в рамкаха целевой программы лРазвитие фармацевтическойпромышленностиРеспублики Татарстанна 2011-2020 гг. и дальнейшую перспективу.

Работа выполнена в рамках: государственных контрактова № 02.552.11.7027 аот 18.06.2008 г. с Федеральным агентством по науке и инновацияма по теме Диспергирование материалов с использованием метода RESS (быстрое расширение сверхкритических растворов);а №а 02.552.11.7070а от 02.10.2009 г. по темеа Модификация полимеров приа помощи сверхкритических флюидных сред; № 16.552.11.7012 от 2011 г. по теме: Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области создания композиционных полимерных иа керамическиха материалов на основе наночастиц, полученных электрофизическими, электрохимическими, сверхкритическими флюидными методами. Работа на тему Разработка технологии получения фармацевтических препаратов путем быстрого расширения сверхкритических растворов победила в V республиканском конкурсеа "Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан" в номинации Наноимпульс за 2009 г. Работа на темуа Разработка технологии получения фармацевтических, композиционных препаратов сверхкритическими методами победила в VI республиканском конкурсе "Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан" в номинации: Наноимпульс, "Молодёжный инновационный проект"а за 2010 г.

Цель и задачи исследований. Установление зависимости растворимости метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом СО2 от термодинамических параметров состояния, а также влияния на зародышеобразование и рост частиц совместного переноса массы, энергии, импульса в расширяющемся в канале и свободной струе потоке сверхкритический СО2 - фармацевтическая субстанция.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1) создание экспериментальной установкиа и разработка экспериментальной методики для исследования растворимости твёрдых веществ в сверхкритических флюидах проточным методом, позволяющим проводить исследования в широком интервале термодинамических параметров состояния;

2) модернизация экспериментальной установки и разработка экспериментальной методики для исследования процесса расширения сверхкритических растворов через микронные каналы в широком интервале термодинамических параметров состояния;

3) экспериментальное исследование и описание растворимости метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом СО2;

4) экспериментальное исследование влияния термодинамических параметров состояния и геометрииа устройства расширения на средний размер,а дисперсностьа получаемых методом RESS микронных, субмикронныха и наночастиц метилпарабена и ибупрофена;

5) математическое моделирование процесса расширения двухмерного, осесимметричного, вязкого, стационарного, сжимаемого потока сверхкритический СО2 - фармацевтическая субстанция в канале и свободной струе.

Методики исследований и достоверность результатов.

Для исследования растворимости фармацевтических субстанций создана установка,а реализующая проточный метод насыщения раствора. Проведены пробные эксперименты по исследованию растворимости антрацена.а Полученные результаты хорошо согласуются с литературными данными, что позволяет сделать вывод о надежностиа методаа изучения растворимости на установке, созданной в настоящей работе. Для исследования процесса расширения сверхкритических растворов фармацевтических субстанций ас образованием микронных и наночастиц в настоящей работе использована модернизированная установка RESS-100 фирмы Thar Technologies Inc. На экспериментальной установкеа RESS-100 проведен пробный эксперимент апо расширению сверхкритических растворов ацетилсалициловой кислоты. Полученные результаты ахорошо согласуются с литературными данными, максимальное отклонение составляет 3,2 %.

В данной работе изучение микронных частиц проведено микроскопическим методом на оптическом микроскопе МИНИМЕД-501. Обработка графического изображения осуществляется с помощью программы AxioVision фирмыа Carl Zeiss. Полученные субмикронные и наночастицы проанализированы по аттестованной методике просвечивающей электронной и сканирующей зондовой микроскопии. Для метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) использовался микроскоп-микроанализатор ЭММА-4. Для исследования частиц методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) использовался зондовый микроскоп MultiMode V фирмы Veeco (свидетельство об аттестации №18306-09). На методику получения субмикронных и наночастиц разработаны и аттестованыа технические условия ТУ 2294-048-020696339-2009. Гидродинамические расчёты проводились в программе Fluent Ansys.

Научная новизна работы. Новизна основных положений диссертации заключается в следующем:

- разработана методика по исследованию растворимости твёрдых веществ в сверхкритических флюидах иа процесса расширения сверхкритических растворов фармацевтическиха веществ с образованием частиц до наноразмеров методом RESS;

- на созданной автором установке, позволяющей исследовать растворимость твёрдых веществ в сверхкритических флюидах в диапазоне давлений 6-40 МПа и в диапазоне температур 293-573 К, получены новые данные по растворимости метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом СО2 на изотермах 313, 323, 333 К и давлении 10-35 МПа;

-а получены параметры бинарного межмолекулярного взаимодействия для систем сверхкритический СО2 - метилпарабен, сверхкритический СО2 - ибупрофен с использованием уравнения состояния Пенга-Робинсона во всём интервале параметров состояния,а охваченных экспериментом;

- наа модернизированной экспериментальной установке Thar RESS-100, позволяющей исследовать процесс расширения сверхкритических растворов фармацевтическиха веществ методом RESS в диапазоне температур 293-393 К при давлениях 6-60 МПа и для различной геометрииа устройства расширения, аполучены микронные частицы метилпарабена и ибупрофена, наночастицы метилпарабена;

- выявлены закономерности влияния на средний размер и дисперсность частицаа метилпарабена и ибупрофена термодинамических параметров состояния, совместного переноса массы, энергии иа импульса ва вязком, стационарном, сжимаемом потоке, расширяющемся в процессе RESS через микронные каналы;

- разработана математическая модель гидродинамики, зародышеобразования и роста частиц в процессе расширения двухмерного, стационарного, осесимметричного, вязкого и сжимаемого потока сверхкритический СО2 - фармацевтическая субстанция в канале и свободной струе.

Практическая значимость и реализация результатов.

Экспериментальные результаты работы позволяют расширить фундаментальные знания оа растворимости твёрдых веществ в сверхкритических флюидах, процессе расширения сверхкритических растворов фармацевтических субстанций через микронные каналы. Разработанная математическая модель гидродинамики, зародышеобразования и роста частиц в процессе расширения двухмерного, стационарного, осесимметричного, вязкого и сжимаемого потока сверхкритического раствора в микронном канале постоянного сечения и свободной струе позволяет проводить энерготехнологическую оптимизацию и аавтоматизацию процесса быстрого расширения сверхкритических растворов фармацевтических субстанций; использовать результаты в проектировании промышленных атехнологий и аоборудования для получения микронных, субмикронных и наночастиц фармацевтических субстанций.

Рекомендации по использованию.

1. Новые результаты растворимости метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом диоксиде углерода в диапазоне температур 313-333 К и давлений 10-35 МПа включены в базу данных ОАО Татхимфармпрепараты для проектирования технологий и промышленного оборудования, что подтверждается актом внедрения.

2. Полученыа микрочастицы метилпарабена и ибупрофена, наночастицы метилпарабена, которые могут быть использованы для разработки новых лекарственных форм. Результаты диспергирования также включены в базу данных ОАО Татхимфармпрепараты для проектирования технологий и промышленного оборудования, что подтверждается актом внедрения.

3. Результаты исследования используются в учебном процессе при преподавании курса Основы сверхкритических технологий.

ичный вклад автора в работу. Автором создана проточнаяа экспериментальная установкаа для аисследования растворимости динамическим методом с рабочима давлением 6-40 МПа и рабочей температурой от 293 К до 573 К; модернизирована экспериментальная установка Thar RESS-100 для проведения диспергированияа и модификацииа фармацевтическиха частиц микронных и субмикронных размерова в диапазоне температур 293-393 К при давлениях 6-60 МПа и геометрии устройства расширения; получены экспериментальные данные по растворимости метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом СО2 на изотермах 313, 323, 333 К и давлении 10-35 МПа; полученыа микрочастицы метилпарабена и ибупрофена методом RESS, наночастицы метилпарабена; теоретически описаны результаты эксперимента.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на аV Всероссийской научно-технической студенческой конференции Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии (Казань, 2007), на XVII Международной конференции по химической термодинамике в России (Казань, 2009)а на V Международной научно-практической конференции Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации (Суздаль, 2009), на II Международной конференции Информация о лекарственных средствах - качественному использованию лекарства (Казань, 2010), на VI Научно-практическойа конференции Сверхкритические флюиды (СКФ): фундаментальные основы, технологии, инновацииа (Байкал, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованных источников, насчитывающего 160 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 140 страниц машинописного текста.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносится:

  1. Результаты экспериментальных исследований и описания растворимости метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом диоксиде углерода в диапазоне температур 313-333 К и давлений 10-35 МПа.
  2. Результаты экспериментальных исследования процесса арасширенияа растворов сверхкритический СО2 - метилпарабен, алсверхкритический СО2 - ибупрофен через канал микронных размерова в атмосферные условия.а Влияние термодинамических параметров на средний размер частиц метилпарабена и ибупрофена в диапазоне температура 313-383 К,а диапазоне давления 15-35 МПа с отношением длины канала на диаметр отверстия канала (L/D): 200/150;а 300/50; 300/80; 800/80 мкм.
  3. Результаты численных расчётов по построенной математической модели, описывающей афазовое равновесие, гидродинамику, зародышеобразование и рост частиц в процессе расширения двухмерного, стационарного, осесимметричного, вязкого и сжимаемого потока сверхкритический раствор - метилпарабен, сверхкритический раствор - ибупрофен в канале постоянного сечения и свободной струе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе проведен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических методов исследования растворимости с учётом уравненийа состояния. В настоящей работе отдано предпочтение проточному методу исследования растворимостиаа с весовым методом анализа состава. Для описания растворимости фармацевтических субстанций принято решениеаа использовать уравнение состояния Пенга-Робинсона. Дан анализ использования сверхкритических сред к задаче измельчения фармацевтических субстанций. Обоснован выбор методаа быстрого расширения сверхкритического раствора (RESS метод),а как наиболее применимый к фармацевтическим субстанциям. Проведён сравнительный анализ гидродинамических моделей, теорий зародышеобразования и аконденсации. Вышеотмеченное указывает на актуальность проблемы и обосновывает целесообразностьаа диспергирования фармацевтических субстанцийа с использованием сверхкритических флюидных технологий.

Во второй главе описаны экспериментальные установки, методика проведения опытов, приведена оценка погрешности измерений, планирование экспериментов. Обоснованы выбор объектов исследования.

В настоящей работе в качестве исследуемых вещества использовались метилпарабен [с8H8O3] с молярной массой 152,15 г/моль аи ибупрофен [с13H18O2] с молярной массой 206,29 г/моль, синтезированный в ОАО Татхимфармпрепараты, чистота субстанций 99%.аа

Для исследования растворимости фармацевтических субстанций создана установка, ареализующая проточный метод, которая позволяет в динамическом режиме проводитьа насыщение раствора во флюидной фазе и получать необходимое количество веществаа для прецизионного взвешивания (рис. 1.).

Рис. 1 - Принципиальная схема установки: 1 - баллон с CO2, 2 - фильтр-осушитель, 3 Цтеплообменник охлаждения, 4 - расходомер, 5 - насос высокого давления, 6 - термостат, 7 - электронагреватель, 8 - вентиль, 9 - воздушный термостат, 10 - экстракционная ячейка,а 11 - блок управленияа температурой и давлением, 12 - нагреватель, 13 - манометр,а 14 - дроссельный вентиль

Установка обладает следующими техническими характеристиками: рабочее давление 6-40 МПа, номинальный массовый расход сверхкритического растворителя 0,83 г/с, рабочая температура от 293 К до 573 К.

Для проведения опытов диспергирования фармацевтических субстанций в настоящей работе использована модернизированная установка Thar RESS-100 (рис. 2). Установка Thar RESS-100 включает в себя: насос высокого давления, теплообменник охлаждения СО2, электронагреватель, насытитель со смотровым окном и мешалкой, устройство расширения, сборник частиц, систему контроля и защиты. Установка обладает следующими техническими характеристиками: рабочее давление 6-60 МПа (с мешалкой до 40 МПа); номинальный массовый расход сверхкритического растворителяа 0,8 г/с; рабочая температура от 293- 393 К.

Рис. 2. Экспериментальная установка Thar RESS-100.

1-насытитель; 2-мешалка; 3-термостат; 4,7,8-вентиль; 5-расходомер; 6-насос высокого давления; 9-устройство расширения; 10-теплообменник на нагрев (электронагреватель); 11-камера расширения; 12-теплообменник охладитель; 13 Цбаллон СО2.

Для изучения влияния отношения L/D на размер частиц сконструировано устройство расширения со съёмными каналами с диаметром от 50 до 150 мкм и длиной 300, 800 мкм.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований поа растворимостиа и диспергированию метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом СО2.

На рис 3-4 представлены результаты измерения растворимости метилпарабена иа ибупрофена в зависимости от давления и температуры.

Рис. 3 Растворимость метилпарабена в СК СО2 как функция T, P

Рис. 4а Растворимость ибупрофена в СК СО2 как функция T, P

Растворимость ибупрофена на порядок превышает растворимость метилпарабена. Диоксид углерода является неполярным растворителем, метилпарабен и ибупрофен являются слабо полярными веществами с дипольными моментами 2,9D и 1,91D асоответственно. Меньший дипольный момент приводит к лучшей растворимости ибупрофена, кроме того кроме сил притяжения физической природы в сверхкритических флюидных растворителях могут возникать силы притяжения, обусловленные химическим взаимодействием.

Результаты на рис. 3-4 показывают увеличение растворимости метилпарабена и ибупрофена с ростом давления и, соответственно, плотности сверхкритического растворителя. Эта тенденция согласуется с эффектом Пойнтинга, заключающимся в увеличении давления насыщенных парова конденсированной фазы в условиях наложенного внешнего давления. Для определения параметров бинарного взаимодействия былоа проведено описание растворимости в сверхкритическом диоксиде углерода с использованием уравнения состояния Пенга-Робинсона. Полученные параметры бинарного взаимодействия используются в разработанной аматематической модели гидродинамики, зародышеобразования и роста частиц в процессе RESS.

Для изученияа влиянияа давления в насытителе до начала расширения, температуры насытителя, температуры и геометрии устройства расширения на размер получаемых частиц были проведены эксперименты по диспергированию метилпарабена, ибупрофенаа в атмосферные условия. До измельчения частицы метилпарабена представляли собой нерегулярную формуа со средним размером частица от 30 до 70 мкм. После измельчения частицы сферической формы, средний размер частиц уменьшается до 2 мкм. Расширение в водную среду позволяет получить субмикронные и наноразмерные частицы. Частицы ибупрофена до измельчения имеют игольчатую, сферическую, нерегулярную формуа от 3 до 60 мкм. После измельчения частицы ибупрофена имеюта более узкую дисперсию со средним размером до 3 мкм (рис.5).

(а) аа(б)

(в)аа а(г)

Рис. 5 Частицы,а полученные в процессе RESS а) необработанный метилпарабен,

б) метилпарабен после измельчения методом RESS, средний размер частиц 1,83мкм,

в) необработанный ибупрофен, г) ибупрофен после измельчения методом RESS средний размера 2,28 мкм.

Средний размер частиц ибупрофена во всех экспериментах был крупнее, чем для метилпарабена, полученных при одинаковых условиях.

Опыты са метилпарабеном и ибупрофеном проведены с устройством расширения различной геометрии,а с отношением длины канала на диаметр отверстия канала (L/D): 200/150; 300/50; 300/80; 800/80 мкм. Для каждой геометрии устройства расширения опыты проведены наа всём исследованном интервале температур и давлений: температура насытителя от 40 до 90 0С, температураа устройства расширения от 60 до 110 0С, давление от 15 до 35 МПа.а Проведён сравнительный анализ влияние термодинамических параметров процесса на размер получаемых частиц ибупрофена и метилпарабена.

Увеличение температуры насытителя и устройства расширения в обоих случаях привело к уменьшениюа размера частиц.а Увеличение температуры приводит к увеличению величины равновесной концентрации и пересыщения и, как следствие увеличивается количество критических зародышей, а величина показателя конденсации не столь значительна. Этим объясняетсяа уменьшение размера частиц с увеличением температуры. На рис. 6 представлены сравнительныеа графикиаа изучения влияния давления на процесс диспергирования метилпарабена и ибупрофена са соплами различной геометрии (L/D): 200/150; 300/50; 300/80; 800/80 мкм.а Результаты измельчение метилпарабена и ибупрофена показали противоположные зависимости.

(а)аа (б)

(в)а (г)

Рис. 6аа Зависимость среднего размера частица ота давления при Tн=50 оС, Tур=70 оС; - метилпарабен, а- ибупрофен при отношении а)а L/D= 200/150, б) L/D= 800/80,

в) L/D= 300/80,а г) L/D= 300/50.

Как видно из результатов, увеличение давления в системе приводит к уменьшению размера частиц метилпарабена, вследствие увеличенияа растворимости и роста количества критических зародышей.а Дальнейшее расширение приводит к конденсации растворенного вещества на поверхности частиц.а Увеличение количества критических зародышей позволяет получать большее количествоа меньших по размеру частиц метилпарабена. аРезультаты измельчения ибупрофена показали противоположные зависимости. С увеличением давления в системе размер частиц увеличиваетсяа (рис. 6). Растворимость ибупрофена в сверхкритическом диоксиде углерода значительно выше растворимости метилпарабена, что также подтверждается результатами исследования растворимости (рис. 3, рис. 4). аПри увеличении давления растёт плотность раствора по всей длине устройства расширения.а Раствор становится насыщенным уже при невысоких параметрах процесса, образованиеа частиц начинается в пределах сопла и в дальнейшем основными процессами в области расширения при диспергировании ибупрофена является конденсация и коагуляция, этим объясняется увеличения размеров частиц с увеличением давления. К тому же у ибупрофена низкая температура точки плавления. Образование частиц ибупрофена при повышении давления происходит из жидкой фазы, где показатели конденсации и коагуляции являются существенными. Этим объясняется увеличение размера частиц с увеличением давления.

Опыты са метилпарабеном и ибупрофеном были проведены с каналами различной геометрии,а с отношением длины канала на диаметр отверстия канала (L/D): 200/150;а 300/50; 300/80; 800/80 мкм. С увеличением диаметра канала размер частиц увеличивается. Изменение диаметра канала влияет на скорость потока, что в свою очередь влияет наа поля температур, плотностейа в камере расширения. Величина ядрообразования и конденсации зависит от этих величин. Влияние диаметра капиллярного канала более значительно, чем изменение длины канала. Наиболее оптимальной геометрией из изучаемых для получения маленьких частиц является канал с соотношением L/D= 300/80 мкм.

Проведены эксперименты по диспергированию метилпарабена в водную среду (рис. 7). Увеличение температуры насытителя, температурыа устройства расширения, давления в системе приводитаа к уменьшению размера частиц метилпарабена, что аналогично данным полученным в микронном диапазоне размеров. Все размеры находятся в нанообласти.

(а)а (б)

(в)

Рис.а 7.аа Зависимость среднего размера частиц метилпарабена (а)а от температуры насытителя при Tур=70 оС, P=25 МПа; (б) от температуры устройства расширения при Tн=50 оС, P=25 МПа; (в) от давленияа при Tн=50 оС, Tур=70 оС.

Использование воды в качестве среды для расширения позволяет получать частицы наноразмеров.

В четвёртой главе приведена математическая модель процессов гидродинамики, зародышеобразования и роста частиц для двухмерного, стационарного, осесимметричного, вязкого и сжимаемого потокаа сверхкритический CO2 - метилпарабен, сверхкритический СО2-ибупрофен в канале и асвободной струе.

Поток сверхкритического раствора в расширительном устройстве постоянного сечения рассматривается в настоящей работе двухмерным, стационарным, осесимметричным, вязким и сжимаемым.а Расчёт ведется в области капиллярного канала (1-2) и свободной струи (2-3) (рис. 8).

Рис. 8. Упрощенная схема расширительного устройства: 1-2 - капиллярный канал, 2-3 - свободная струя.

Гидродинамика процесса расширения из резервуара бесконечного объёма через микроканал с постоянным сечением с учетом трения описывается в виде системы дифференциальных уравнений сохранения: массы, импульса, энергииа и уравнения состояния. аВ гидродинамических расчётах использовалось уравнение состояния для чистого CO2, так как раствор сверхкритический СО2-ибупрофен,а сверхкритический СО2-метилпарабен является разбавленным.

Для двухмерной (2D) осесимметричной геометрии потока уравнение сохранения массы в цилиндрических системах координат имеет вид:

(1)

где а- плотность, х - осевая координата, r - радиальная координата, - осевая скорость и - радиальная скорость.

Для 2D осесимметричной геометрии потока, осевые и радиальные уравнения сохранения импульса определяются в виде:

,а а(2)

где а(3)

- осевая скорость, - радиальная скорость, а - молекулярная вязкость.

Закон сохранения энергии в цилиндрических системах координат описывается в виде: ,а аа(4)

где

где k, аЦмолекулярные коэффициенты теплопроводности, вязкости, E - полная энергия, T - температура. Слагаемые в правой части уравнения (4)а выражают передачу энергии теплопроводностью и диссипацией энергии за счёт трения внутри потока. Течение в канале L/D<10 в настоящей работе рассматривается как ламинарное, поэтому в уравнениях (2)-(4) используются молекулярные коэффициенты переноса.а Ввиду пренебрежительно малого значения теплового потока на границе стенка-среда по сравнению с энтальпией арасширяющегося сверхкритического раствора процесс истечения сверхзвукового потока принимается адиабатным. а

Для описания термодинамических свойств чистого диоксида углерода выбрано уравнение состояния Алтунина, которое является единым для жидкой и газовой фазы, составлено на основе совместной статистической обработки наиболее надёжных экспериментальных данныха и имеет вид:

, (5)а

где , R - универсальная газовая постоянная,аа ?с и Tc - критическая плотность и температура диоксида углерода, соответственно; cij - эмпирические коэффициенты, ?0=0.498 г/см3.

Начальная температура на входе в канал (Tx=0)а приравнивается к температуре предрасширения, начальное давление на входе в канал (Px=0) равняется давлению в системе до начала процесса расширения. аНа стенке канала принимается ?x=0, . Геометрические условия определяются соотношениями L/D.

Образование и рост частиц в пределах устройства расширенияа и в свободной струе в результате перенасыщения сверхкритического раствора происходит за счет двух явлений: образования критических зародышей, способных к дальнейшему росту и конденсации одиночных молекул на поверхности критических зародышей и на поверхности растущих частиц. Предполагается, что зародышеобразование и конденсация частиц сферической формы протекает равномерно в каждой точке расширяющегося потока сверхкритический CO2Ц ибупрофен, сверхкритический СО2 - метилпарабен.

Для определения скорости образования критических зародышей используем уравнение:

, а(6)

где m2 - молекулярная масса субстанции; n2S - молекулярный объем субстанции в твердой фазе (n2S=m2/r?3L; L - число Авогадро; r?3 - плотность субстанции в конденсированном состоянии); N2 - концентрация растворенногоа во флюидной фазе метилпарабена и ибупрофена y2 - фактическая мольная доля растворенного метилпарабена и аибупрофена во флюидной фазе; y2eq - равновесная мольная доля растворенного метилпарабена, ибупрофена во флюидной фазе; S - величина перенасыщения ( ); K - коэффициент кристаллизации; s - поверхностное натяжение на границе флюид - фармацевтическая субстанция; k - константа Больцмана.

Для математического моделирования процесса зародышеобразования и роста частиц в расширяющемсяа потоке сверхкритический СО2 - ибупрофен, сверхкритический СО2-метилпарабен в канале постоянного сечения и в свободной струе необходимо значение растворимости ибупрофена и метилпарабена в сверхкритическом СО2.а В работе для расчёта растворимости использовалось уравнение состояния Пенга- Робинсона. Уравнение состояния Пенга-Робинсона имеет вид:

, (7)

где T - температура, R - универсальная газовая постоянная, ? - молярный объем, am и bm константы, которые находятся по правилу смешения Ван-дер-Ваальса:

, (8)аа аа

,а (9)а

, (10)

где, yi - мольная доляi-го компонента,

kij - коэффициент бинарного взаимодействия

Мольная доля растворенного твердого вещества в сверхкритическом CO2 находится по уравнению:

,аа аа аа(11)

где PiS - давление насыщенного пара растворенного вещества при данной температуре,

ViS - молярный объем растворенного вещества, ?i - летучесть.

Давление насыщенного пара рассчитывается по уравнению Антуана:

, аа(12)

гдеа D,K,C - постоянные Антуана.

Используя уравнение состояния Пенга - Робинсона, коэффициент летучести растворенного вещества может быть написан в виде:

(13)

.

Если ввести следующие обозначения:

, , ,

то уравнение Пенга-Робинсона можно переписать в виде кубического уравнения относительно Z:

Z3-(1-B)Z2+(A-2B-3B2)Z-(AB-B2-B3)=0. (14)

Подгоночный эмпирический параметр бинарного межмолекулярного взаимодействия kij в уравнении состояния Пенга-Робинсона определяется при фиксированной температуре путёма минимизация функции ошибок по растворимости:

, а а(15)

где Nэкс - количество экспериментальных точек, yрасч-а расчётная растворимость по описанной выше методике, yэкс - собственные экспериментальные данные растворимости ибупрофена, метилпарабена.

Совместное решение уравнений (7)-(15) позволяет описывать растворимость в широком интервале давлений и температур, включая окрестность критической точки чистого растворителя. Это делает возможным использованиеа параметров kij в математическом моделировании процесса зародышеобразования и роста частиц.

Конденсация одиночной молекулы на gЦ мерной сферической частице определяется уравнением:

,аа а аа(16)

где g - количество молекул в частице, N2eq(g) Ца равновесная концентрация на поверхности сферической g размерной частицы.

Коэффициент диффузии D растворенного вещества в сверхкритическом растворителе находится по уравнению:

,а а а(17)

где D измеряется в м2сек-1, M (гмоль-1) молекулярный вес растворителя; m (кгм-1сек-1) - вязкость чистого растворителя; n (см-3моль-1) - молярный объем твердого растворенного вещества.

Число Кнудсена находится по уравнению:

,аа аа аа(18)

где dp Цпиковое значение размера частиц, а- средний путь свободного пробега молекул, который определяется по уравнению:а

, а(19)

где r - плотность растворителя; m1 - молекулярная масса растворителя.

Размер критических ядер g* рассчитывается по уравнению:

. а аа(20)

Радиус критических ядер находится по уравнению:

.а а аа(21)

При расчете динамики роста частиц поток сверхкритического раствора разбивается на элементарные объемы, в пределах которых фиксируются постоянными температура, давление, плотность и скорость. В каждом элементарном объеме ва связи с перенасыщением одновременно происходит образование новых частиц и рост существующих частиц за счет конденсации. Переход к следующему элементарному объему приводит к образованию новой фракции частиц одинаковых размеров. Если, i - порядковый номер фракции частиц, j - порядковый номер элементарных объемов, то уравнение динамики образования новых частиц запишется следующим образом:

,аа а а(22)

,аа а аа(23)

где, Nij - количество частиц, Tj - температура ва объёме j, Pj - давление в объёме j, аЦ время прохождения элементарного объёма j, аЦ j-й объем.

Рост частиц в пределах элементарного объёма определяется количеством молекул, осаждаемыха за счет конденсации:

.аа а аа(24)

Из уравнений (20) и (21) можно получить зависимость диаметра частицы от количества молекул:

.а а аа(25)

Из последнего элементарного объёма, когда j принимает максимальное значение, рассчитывается итоговое распределение по размерам частиц:

и . а аа(26)

Средний размер частиц рассчитывается следующим образом:

. аа аа а(27)

Уравнения сохранения импульса, массы и энергии решены численноа методом конечныха объемов.

аа На рис. 9. приведены результаты гидродинамического моделирования для следующих условий: температура предрасширения аTx=0=343 К,а давлениеа Px=0=15 МПа, L/D=300/80; параметры окружающей среды в камере расширения: Pокр=0,1 МПа, Tокр=293 К.а В результате получаем поля температур, давлений и плотности СО2,а которые используются дляа моделировании процессова зародышеобразования и роста частиц. аВ расширительной камере из-за резкого падения давления, температуры и плотности, происходит разделение раствора.

а
(а)а а(б) а(в)

Рис.9.а Результаты гидродинамического расчёт

Профили температуры, давления, плотности потока расширяющегося сверхкритического флюида в канале и свободной струе позволяют оценивать значение равновесной концентрации растворенного вещества в сверхкритическом флюидеа по уравнениям (7)-(15). Так как уравнения (13)-(27) являются функциями от температуры, давления, мольной доли растворённого компонентаа и перенасыщения, то можно рассчитать зародышеобразованиеа и рост частиц вдоль канала и свободной струи в соответствии с профилями термодинамических параметров состояния. В расчётах для метилпарабена и ибупрофена геометрия канала и профили термодинамических параметров одинаковы, отличаются температуры плавления, объем и масса молекул, а также параметрыа бинарного межмолекулярного взаимодействия

На рис. 10. Проведено сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования зародышеобразования и роста частиц адля начальныха условий: Tx=0=343 К,а Px=0=15 МПа,а L/D=300/80.

(а) (б)аа аа

Рис.10. Сравнение экспериментального и расчётного распределения частица по размерам (а) метилпарабена б) ибупрофен.

Отклонение экспериментальных и расчётных результатов составляет 6,82 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

  1. Создана проточнаяа экспериментальная установка и разработана методика аисследования растворимости твёрдых веществ в сверхкритических флюидах в интервале температур от 293 К до 573 Ка и давлений от 6 до 40 МПа.
  2. Получены новые экспериментальные результаты по растворимости метилпарабена и ибупрофена в сверхкритическом СО2, которые устанавливают влияние термодинамических параметров состояния и физико - химических свойств растворённого вещества на поведение растворимости твёрдых веществ в сверхкритическом СО2.
  3. Получены параметры бинарного межмолекулярного взаимодействия систем - сверхкритический СО2-метилпарабен, сверхкритический СО2-ибупрофена с использованием уравнения состояния Пенга-Робинсона на изотермах 313, 323, 333 К и давлении 10-35 МПа.
  4. Модернизирована экспериментальная установка Thar RESS-100, аттестованаа методика (ТУ 2294-048-020696339-2009) исследования процессаа диспергированияа методом RESS фармацевтическиха субстанцийа до микронных, субмикронныха и наноразмерова в диапазоне температур 293-393 К при давлениях 6-60 МПа и для различной геометрии устройства расширения.
  5. аПолученыа микро-, субмикро- и наночастицы метилпарабена и ибупрофена методом RESS и установлены закономерности влияния термодинамических параметров состояния и геометрии устройства расширенияа на средний размер и дисперсность частиц метилпарабена и ибупрофена.
  6. Разработано математическое описание RESS процесса для двухмерного, стационарного, осесимметричного, вязкого и сжимаемого потока сверхкритического раствора сверхкритический СО2Цметилпарабен, сверхкритический СО2Цибупрофен в канале постоянного сечения и свободной струе. Установлены закономерности влияния термодинамических параметров состояния, совместного переноса массы, энергии, импульсаа на средний размер и дисперсность частиц.а

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах рекомендуемых ВАК, патенты:

  1. Кузнецова И.В. Гидродинамика и зародышеобразование в канале и свободной струе в процессе быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А.Мухамадеев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань. аЦ 2012. - №1. - С.111-118.
  2. Кузнецова И.В. Растворимостьа метилпарабенаа ва сверхкритическома диоксиде углерода / И.И. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.А.Мухамадеев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань. - 2012. - №1. - С.108-111.
  3. Кузнецова И.В. Диспергирование метилпарабена методом быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. - Казань. - 2011.нЦ №2.Ц С. 104-108.
  4. Кузнецова И.В. Диспергирование ибупрофена методом быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова,а Р.Р.а Илалов,а И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев,а А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань.Ц 2011. - №3. - С. 38-43.
  5. Кузнецова И.В. Описание растворимости ибупрофена с использованиема уравнения состояния Пенга-Робинсона / И.В.Кузнецова, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н.Сабирзянов// Вестник Казанского технологического университета. - Казань. - 2011.Ц №19.Ц С.7-11.
  6. Кузнецова И.В. Управление размером и дисперсностью субмикронных и наночастиц полиизобутилена в процессе быстрого расширения сверхкритических растворов / И.М. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, А.А. Мухамадиев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского государственного технического ауниверситета им. А. Н. Туполева. - Казань. - 2010. Ца №2. - С.91-95.
  7. Кузнецова И.В. Диспергирование фармацевтических, полимерных материалов с использованием сверхкритических флюидных сред / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, В.Ф. Хайрутдинов, А.А. Мухамадиев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань. - 2010.Ц №2. - С.321-328.
  8. Кузнецова И.В. Получение субмикронных и нанокомпозитов полимеров с использованием сверхкритических флюидных сред / И.М. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, А.А. Мухамадиев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань. - 2010. - №2. - С.329-333.
  9. Кузнецова И.В. Диспергирование доксазин мезилата до наноразмеров методом RESS / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань. - а2010. - №6. - С. 280-284.
  10. Кузнецова И.В.а Исследование растворимости антраценаа в сверхкритическом диоксиде углерода динамическим методом / И.И. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань. - 2011. - №14. - С. 84-90.
  11. Кузнецова И.В. Диспергирование полимерных материалов с использованием сверхкритических флюидных сред / И.М. Гильмутдинов, В.Ф. Хайрутдинов, И.В. Кузнецова, А.А. Мухамадиев, Ф.Р. Габитов, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Сверхкритические флюиды: теория и практика. - М. - 2009. - № 3. - С. 25-38.
  12. Кузнецова И.В. Нанодиспергирование полистирола и полиизобутилена с использованием сверхкритических флюидных сред / В.Ф. Хайрутдинов, И.М. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, А.Н. Сабирзянов, Ф.М. Гумеров // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. - Казань. - 2009. - №4 - С. 72-77.
  13. Кузнецова И.В. Нанодиспергирование полимерных материалов с помощью сверхкритических флюидных сред / И.М. Гильмутдинов, В.Ф. Хайрутдинов, И.В. Кузнецова, В.А. Гревцев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов, Ф.Р. Габитов, А.А. Мухамадиев// Вестник Казанского технологического университета. - Казань. Ц2008. - № 6. - С. 172-178.
  14. Патент №82556 РФ, Установка для получения микронных и субмикронных частиц / Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов, А.А. Мухамадиев, И. М. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, Г.Р. Рахматуллина.

Работы, опубликованные в других изданиях и материалах конференций:

  1. Кузнецова И.В. Диспергирование фармацевтический субстанций сверхкритическими методами / И.В. Кузнецова,а И.М. Гильмутдинов, И.И. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н.Сабирзянов // Тезисы докладов VI Научно-практической конференции Сверхкритический флюиды (СКФ) фундаментальные основы, технологии, инновации - Байкал. - 2011. - С. 187-189.
  2. Кузнецова И.В. Установка по получению композиционных материалов на основе сверхкритических технологий / И.В. Кузнецова, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Тезисы докладов наа всероссийской рабочей химической конференцииа Бутлеровское наследие-2011 - Казань. - 2011.Ц С. 122-123.
  3. Кузнецова И.В. Диспергирование фармпрепаратов до микро- иа наноразмеров методом быстрого расширения сверхкритических растворов / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Тезисы докладов II Международной конференции Информация о лекарственных средствах - качественному использованию лекарств - 2010. - №6. - С. 262-263.
  4. Кузнецова И.В. Математическое моделирование процессаа диспергирования фармацевтических субстанций методом быстрого расширения сверхкритических растворов / И.М. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Тезисы докладов II Международной конференции Информация о лекарственных средствах - качественному использованию лекарств - Казань. Ц2010. - №6. - С. 258-261.
  5. Кузнецова И.В. Влияние геометрии соплового устройства на размер частиц метилпарабена, полученного методом RESS а/ аИ.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, И.И. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Тезисы докладов VI Всероссийской научно-технической студенческой конференции Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии - Казань. - 2010. - C. 130-132.
  6. Кузнецова И.В. Диспергирование каучукоподобных полимеров методом быстрого расширения сверхкритических растворов / И.М. Гильмутдинов, И.В. Кузнецова, А.А. Мухамадиев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Тезисы докладов XVII Международной конференции по химической термодинамике в России. - Казань. - 2009. - С. 270-273.
  7. Кузнецова И.В. Получение микрочастиц антрацена методом быстрого расширения сверхкритических растворов / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.Н. Сабирзянов, Ф.М. Гумеров // Тезисы докладов V Всероссийской научно-технической студенческой конференции Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии - Казань. - 2007. - С. 132-133.
  8. Кузнецова И.В. Моделирование процесса быстрого расширения сверхкритического раствора в микронных каналах / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.Н. Сабирзянов // Тезисы докладов V Всероссийской научно-технической студенческой конференции Интенсификация тепло - и массообменных процессов в химической технологии - Казань. - 2007. - С. 130-131.

 

 

 

 

 

Соискательаа /И.В.Кузнецова /

 

Заказ 9аа аТираж 150 экз.

Издательство Казанского национального исследовательского

технологического университета, 420015. Казань, К. Маркса, 68

     Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]