Comportement thermomécanique des poudres pharmaceutiques lors des processus de compactage

Thermo-mechanical behavior of pharmaceutical powders during compaction processes

• Auteur / Autrice : Sagar Laxmiprasad Uniyal
• Direction : Abderrahim Michrafy, Driss Oulahna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Espitalier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahim Michrafy, Driss Oulahna, Hervé Muhr, Olivier Bonnefoy, Chalak Omar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Muhr, Olivier Bonnefoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Comprimés

Compactage

Caméras infrarouges

Poudres (pharmacie)

Granulation

Mots clés libres

Procédé granulation sèche

Poudres pharmaceutiques

Caractérisations mécaniques

Caractérisations thermiques

Mesures en ligne

Caméra thermqiue

Dry granulation process

Pharmaceutical powders

Mechanical characterizations

Thermal characterizations

Online measurements

Thermal camera

Résumé

Le procédé d’homogénéisation par granulation sèche/compactage à rouleaux, consiste principalement à agrandir la taille des particules par agglomération des poudres primaires. Cette opération permet d’homogénéiser les propriétés de formulations pharmaceutiques et d’améliorer les propriétés d’écoulement nécessaires pour la fabrication de comprimés par des presses rotatives. Dans ce procédé, les variations de températures dans le produit sont rarement considérées. Cependant, des études récentes ont montré que pour des poudres pharmaceutiques, de telles variations peuvent entrainer des changements de propriétés mécaniques et physico-chimiques. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de mesure en ligne des températures de poudres compactées par une presse à rouleaux est développée en utilisant une caméra infrarouge. Les distributions de températures à la surface du compact ont été déterminées à l’aide du rayonnement infrarouge émis par le compact après avoir quitté l'espace entre les rouleaux. Ces distributions ont montré une corrélation avec les propriétés microstructurales du compact, ce qui confirme le potentiel de cette procédure dans la surveillance de la qualité du produit. Pour comprendre les sources potentielles de l’échauffement des produits pharmaceutiques en granulation sèche, un modèle de bilan thermique a été établi en prévision de la simulation numérique du couplage thermomécanique du procédé par méthode des éléments finis. Comme les propriétés thermiques du compact dépendent de la densité relative, la conductivité thermique et la chaleur spécifique ont été caractérisées pour deux excipients pharmaceutique modèles. Par ailleurs, l’impact de la granulation sèche sur le réarrangement et la densification des granulés en compression en matrice, est étudié à l’aide d'un modèle mathématique (Cooper-Eaton) et permet de mieux comprendre l’apport de la granulation sèche à la compression des comprimés.

Dry granulation / roller compaction is an enlargement process by agglomeration of the primary powders without adding any solvent. This operation makes it possible to homogenize the properties of pharmaceutical formulations and improve the flow properties necessary for the manufacture of tablets using rotary presses. In this process, temperature variations in the product are rarely considered. However, recent studies have shown that for pharmaceutical powders, such variations can lead to changes in mechanical and physico-chemical properties. In this thesis, a new method based on in-line measurements of powders temperature compacted by a roller press is developed using an infrared camera. Temperature distributions on the surface of the compact were determined using infrared radiation emitted by the compact after leaving the gap. These distributions showed a correlation with the microstructural properties of the compact, confirming the potential of this procedure in monitoring product quality. To understand the potential sources of the heating of pharmaceutical products in dry granulation, a heat balance model was established in anticipation of the numerical simulation of the thermomechanical coupling of the process by finite element method. As the thermal properties of the compact depend on the relative density, the thermal conductivity and the specific heat were characterized for two model pharmaceutical excipients. In addition, the impact of dry granulation on the rearrangement and densification of granules in die compression is studied using a mathematical model (Cooper-Eaton) which allowed to a better understanding of the contribution of dry granulation to tableting process.