Un diseño de experimentos para la compresión de tabletas

Después del proceso de mezclado, la mezcla de polvos se vertió en una tolva arriba de la tableteadora Fette (Rockaway, NJ) 102i. La 102i es una tableteadora rotatoria a escala de investigación con 24 estaciones, capaz de producir 172,800 tabletas/h a su máxima velocidad de rotación. Para esta serie de experimentos, se prepararon 12 estaciones de la tableteadora, y el herramental seleccionado para el tableteado produjo una tableta estándar, redonda, convexa, con un diámetro de 7.5 mm y una profundidad de la copa de 0.79 mm. Se llevó a cabo un análisis previo al estudio para establecer los límites superior e inferior para las variables que se determinaron como cruciales para producir una tableta robusta. Todo el análisis se realizó durante el transcurso de tres días en un ambiente controlado de 70°F (21°C) y 45% de humedad relativa.

Se seleccionaron cinco parámetros como variables principales para el proceso de tableteado. La primera fue la velocidad de la torreta, para la cual se estableció un límite de 20,000 – 70,000 tabletas/h. La velocidad de la torreta, normalmente convertida de tabletas/h a rpm, es simplemente la velocidad de rotación de la mesa circular en la cual se asienta la matriz de la tableta. El incremento de la velocidad aumenta la tasa de producción.

La segunda variable fue la velocidad de la paleta del alimentador, para la cual se establecieron límites de 10 – 70 rpm. Las tableteadoras utilizan ya sea un alimentador por gravedad o un alimentador de paleta. La tableteadora utilizada en este estudio incorporó un alimentador de paletas, el cual rota varias ruedas de paleta dentro de una carcasa donde se dispensa la mezcla de polvo. Las paletas hacen un barrido sobre las matrices de las tabletas y las llena conforme rotan las paletas. Las altas velocidades típicamente empujan más polvo dentro de la cavidad de la matriz de lo que lo hacen las velocidades bajas.

La tercera variable fue la altura del cilindro de la tableta durante la pre-compresión, para lo cual se establecieron límites de 2 – 4 mm. Esta variable representa qué tan bajo se ajusta el rodillo de compresión para forzar los punzones de la tableta a través de la zona de pre-compresión para apisonar el polvo y compactar la mezcla ligeramente antes de que ocurra la compresión principal. Los números grandes indican que se aplicó menos fuerza al polvo. La altura del cilindro de la tableta se convierte con frecuencia en una fuerza medida en kilo-newtons. Los valores pequeños típicamente resultan en tabletas delgadas, duras, asumiendo que la cantidad de polvo llenado sea constante. El propósito de la pre-compresión es remover el aire atrapado de la cavidad de la matriz de la tableta llenada. Esta tarea ayuda al paso de compresión principal en la producción de una tableta robusta.

La cuarta variable fue la altura del cilindro de la tableta durante la compresión principal, para la cual se establecieron límites de 2 – 3 mm. Al igual que la altura del cilindro de pre-compresión, la altura de la compresión principal también se ajustó en una distancia que directamente afectara la fuerza de compresión principal aplicada para formar la tableta. Los números grandes resultan en tabletas suaves. Los valores pequeños típicamente resultan en tabletas delgadas, duras, asumiendo que la cantidad de polvo llenado fuera constante.

La variable final fue la altura de la leva de llenado. Para este estudio se seleccionó una leva de llenado fija de 12 mm. La rampa de ajuste de peso determina que tan bajo se asienta el punzón inferior de la tableta dentro de la matriz en el momento en que el marco de alimentación raspa para quitar lo último del exceso de material, de manera que el material en la cavidad de la matriz está nivelado con la mesa de matrices. Este ajuste afecta  en qué tanto pesará la tableta final. Los números grandes resultan en tabletas pesadas. Una altura grande para el ajuste de peso en la leva de llenado significa que se insertará más polvo en la matriz, lo cual resulta típicamente en una tableta pesada. El término “altura de la leva de llenado” es útil para los propósitos de este estudio simplemente porque es una descripción más breve del paso del proceso para el ajuste de peso.

Se espera que una tableta cumpla los numerosos requerimientos, tales como la velocidad de disolución, la uniformidad de contenido, la friabilidad y el espesor. Sólo se seleccionaron las siguientes dos respuestas para los presentes experimentos:

• Dureza de la tableta (kP): Para este estudio, se seleccionó un durómetro Dr. Schleuniger (Manchester, NH) modelo 8M. La tableta se coloca dentro de la zona de prueba sobre su superficie plana mientras que un brazo accionado oprime la tableta hasta que ésta se fractura. Se mide y se registra la cantidad de fuerza en kilogramos necesarios para fracturar la tableta. Se probaron cuatro tabletas de cada experimento y se promedió el valor promedio.
• Peso de la tableta (g): Durante cada experimento, se pesaron 10 tabletas en una balanza de laboratorio Mettler Toledo XS603-S y se registró el valor promedio.

Como cada factor listado anteriormente tenía un rango amplio, el análisis pre-estudio se concentró en producir una tableta con un valor de dureza analizable. El límite inferior para el durómetro Dr. Schleuniger modelo 8M es de 0.8 kp. Una dureza de tableta de menos de 0.8 kP es demasiado suave para mantener su forma y se separa con un manejo suave. El límite superior para la dureza de la tableta se seleccionó con base en la fuerza de compresión máxima permisible del herramental de la tableta seleccionado de 7.5 mm. Una vez que la tableteadora Fette alcanzó la máxima fuerza permisible, se seleccionaron los límites superiores de pre-compresión y de compresión principal como un valor justo por debajo del de la fuerza máxima.

Asumiendo propiedades de flujo excelentes de la mezcla de polvo, el peso de la tableta es principalmente una función del tamaño de la leva de llenado y del ajuste de la rampa para el ajuste de peso. Las levas de llenado son producidas por el fabricante de la tableteadora y vienen en un rango de tamaños. El tamaño de la leva se seleccionó de acuerdo al rango deseado de espesor o peso de las tabletas. La selección de la leva de llenado también puede depender de la forma y tamaño de la tableta que se está produciendo. Para la tableta redonda de 7.5 mm, usada en este estudio, se seleccionó una leva de llenado fija de 12 mm. Esta selección permitió a los experimentos probar los límites superior e inferior del tamaño de la leva requerido para producir una tableta que mantuviera su forma cuando se manipulara. Se determinó que la rampa para el ajuste del peso se ajustara a los límites inferior y superior de 8 y 10 mm, respectivamente.

Proceso experimental y resultados del estudio de selección
Una vez que terminaron los experimentos preestudio, se estableció una cubierta amplia de diseño utilizando los cinco factores previamente definidos. Se diseñó un estudio de selección utilizando un esquema factorial fraccional de nivel 2^5-1, el cual produjo 16 experimentos, a diferencia de un diseño experimental factorial completo, el cual hubiera requerido 32 experimentos. Aunque sólo se llevaron a cabo 16 experimentos en el estudio de selección, el diseño factorial fraccionado produce la misma resolución que el diseño factorial completo. Además de reducir el tiempo y el material, este diseño factorial fraccionado 2^5-1 prueba las interacciones entre cada uno de los cinco factores. Para el estudio de selección, se agregaron tres experimentos en el punto central al diseño para probar la no linealidad (es decir, la curvatura en los datos) y para ayudar a determinar si existe una falta de ajuste significativa para la ecuación resultante del modelo. Los experimentos del punto central ajustaron al total de los cinco factores en su punto medio entre los límites bajo y alto.

Los datos del estudio de selección se muestran en varias tablas. La Tabla I muestra el resumen del diseño, la Tabla II muestra el análisis de varianza (ANOVA) para la dureza de tableta, y la Tabla III muestra el ANOVA para el peso de la tableta. Todos los datos de las corridas experimentales se ingresaron en el programa Design-Ease (Stat-Ease) para el análisis.

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