Scaleup of wet granulation processes: science not art

Significant advances have been made in the last decade to quantify the process of wet granulation. The attributes of product granules from the granulation process are controlled by a combination of three groups of processes occurring in the granulator: (1) wetting and nucleation, (2) growth and consolidation and (3) breakage and attrition. For the first two of these processes, the key controlling dimensionless groups are defined and regime maps are presented and validated with data from tumbling and mixer granulators. Granulation is an example of particle design. For quantitative analysis, both careful characterisation of the feed formulation and knowledge of operating parameters are required. A key thesis of this paper is that the design, scaleup and operation of granulation processes can now be considered as quantitative engineering rather than a black art. Résumé

Discrete element modelling of a rotating drum and drum granulation

This thesis reports the results of DEM (Discrete Element Method) simulations of rotating drums operated in a number of different flow regimes. DEM simulations of drum granulation have also been conducted. The aim was to demonstrate that a realistic simulation is possible, and further understanding of the particle motion and granulation processes in a rotating drum. The simulation model has shown good qualitative and quantitative agreement with other published experimental results. A two-dimensional bed of 5000 disc particles, with properties similar to glass has been simulated in the rolling mode (Froude number 0.0076) with a fractional drum fill of approximately 30%. Particle velocity fields in the cascading layer, bed cross-section, and at the drum wall have shown good agreement with experimental PEPT data. Particle avalanches in the cascading layer have been shown to be consistent with single layers of particles cascading down the free surface towards the drum wall. Particle slip at the drum wall has been shown to depend on angular position, and ranged from 20% at the toe and shoulder, to less than 1% at the mid-point. Three-dimensional DEM simulations of a moderately cascading bed of 50,000 spherical elastic particles (Froude number 0.83) with a fractional fill of approximately 30% have also been performed. The drum axis was inclined by 50 to the horizontal with periodic boundaries at the ends of the drum. The mean period of bed circulation was found to be 0.28s. A liquid binder was added to the system using a spray model based on the concept of a wet surface energy. Granule formation and breakage processes have been demonstrated in the system.

Time scale analysis for fluidized bed melt granulation I: granule-granule and granule-droplet collision rates

Fluidized bed spray granulators (FBMG) are widely used in the process industry for particle size growth; a desirable feature in many products, such as granulated food and medical tablets. In this paper, the first in a series of four discussing the rate of various microscopic events occurring in FBMG, theoretical analysis coupled with CFD simulations have been used to predict granule–granule and droplet–granule collision time scales. The granule–granule collision time scale was derived from principles of kinetic theory of granular flow (KTGF). For the droplet–granule collisions, two limiting models were derived; one is for the case of fast droplet velocity, where the granule velocity is considerable lower than that of the droplet (ballistic model) and another for the case where the droplet is traveling with a velocity similar to the velocity of the granules. The hydrodynamic parameters used in the solution of the above models were obtained from the CFD predictions for a typical spray fluidized bed system. The granule–granule collision rate within an identified spray zone was found to fall approximately within the range of 10-2–10-3 s, while the droplet–granule collision was found to be much faster, however, slowing rapidly (exponentially) when moving away from the spray nozzle tip. Such information, together with the time scale analysis of droplet solidification and spreading, discussed in part II and III of this study, are useful for probability analysis of the various event occurring during a granulation process, which then lead to be better qualitative and, in part IV, quantitative prediction of the aggregation rate.

A priori prediction of aggregation efficiency and rate constant for fluidized bed melt granulation

This paper presents a predictive aggregation rate model for spray fluidized bed melt granulation. The aggregation rate constant was derived from probability analysis of particle–droplet contact combined with time scale analysis of droplet solidification and granule–granule collision rates. The latter was obtained using the principles of kinetic theory of granular flow (KTGF). The predicted aggregation rate constants were validated by comparison with reported experimental data for a range of binder spray rate, binder droplet size and operating granulator temperature. The developed model is particularly useful for predicting particle size distributions and growth using population balance equations (PBEs).

Multialgebraic Systems in Information Granulation

In different fields a conception of granules is applied both as a group of elements defined by internal properties and as something inseparable whole reflecting external properties. Granular computing may be interpreted in terms of abstraction, generalization, clustering, levels of abstraction, levels of detail, and so on. We have proposed to use multialgebraic systems as a mathematical tool for synthesis and analysis of granules and granule structures. The theorem of necessary and sufficient conditions for multialgebraic systems existence has been proved.

A compartmental CFD-PBM model of high shear wet granulation

The conventional, geometrically lumped description of the physical processes inside a high shear granulator is not reliable for process design and scale-up. In this study, a compartmental Population Balance Model (PBM) with spatial dependence is developed and validated in two lab-scale high shear granulation processes using a 1.9L MiPro granulator and 4L DIOSNA granulator. The compartmental structure is built using a heuristic approach based on computational fluid dynamics (CFD) analysis, which includes the overall flow pattern, velocity and solids concentration. The constant volume Monte Carlo approach is implemented to solve the multi-compartment population balance equations. Different spatial dependent mechanisms are included in the compartmental PBM to describe granule growth. It is concluded that for both cases (low and high liquid content), the adjustment of parameters (e.g. layering, coalescence and breakage rate) can provide a quantitative prediction of the granulation process.

Mobilisation des dépôts ectopiques de tissu adipeux : ses implications dans la résolution des comorbidités associées à l'obésité sévère suivant une chirurgie bariatrique

La prévalence de l’obésité sévère ne cesse d’augmenter. La problématique associée à l’obésité sévère est la présence possible de nombreuses comorbidités qui peuvent coexister et altérer le système cardiovasculaire, pulmonaire, endocrinien, articulaire et même favoriser le développement de certains cancers. L’excès de poids, plus particulièrement l’excès de tissu adipeux, sont tous deux liés au développement de ces comorbidités. Aucune donnée n’est disponible quant au rôle de la déposition ectopique du tissu adipeux. Considérant le caractère morbide de l’obésité sévère, la mortalité de toute cause augmentée et l’espérance de vie réduite, à ce jour le seul traitement dit efficace à long terme pour le traitement de l’obésité sévère est la chirurgie bariatrique. L’efficacité est définie par la perte de poids, le maintien à long terme de cette perte de poids ainsi que par l’amélioration ou la résolution des comorbidités. L’intérêt clinique et scientifique pour la chirurgie bariatrique est grandissant. Un nombre important d’études s’intéresse aux mécanismes sous-jacents de la résolution des comorbidités. Le diabète de type 2 est la comorbidité la plus étudiée et peu d’études se sont intéressées aux déterm meil.inants de la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du som Comme premier objectif, cette thèse visait à caractériser les différences de la composition corporelle et de la distribution du tissu adipeux de patients obèses sévères avec ou sans diagnostic de diabète de type 2, d’hypertension artérielle et d’apnée obstructive du sommeil. Le deuxième objectif de cette thèse visait à comparer l’évolution postopératoire suite à une chirurgie bariatrique sur les changements de la composition corporelle et de la distribution du tissu adipeux selon le statut de résolution du diabète de type 2, de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil. De plus, considérant le peu d’évidences dans la littérature au sujet des déterminants de la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil, l’évaluation du profil inflammatoire, des adipokines et de l’activité du système nerveux autonome ont aussi été caractérisés. Premièrement, nous avons documenté qu’en présence d’obésité sévère, la déposition ectopique du tissu adipeux était plus importante chez les patients avec un diabète de type 2, une hypertension artérielle et une apnée obstructive du sommeil comparativement à ceux n’ayant pas ces comorbidités. Nous avons par la suite montré que la résolution du diabète de type 2 et de l’hypertension artérielle était caractérisée par une réduction plus importante du tissu adipeux viscéral. Au contraire, la résolution de l’apnée obstructive du sommeil était plutôt caractérisée par une réduction plus importante du tissu adipeux sous-cutané à la mi-cuisse et par une tendance à une perte de poids plus élevée. De plus, nous avons observé que chez les patients qui n’avaient pas résolu leur diabète de type 2, leur hypertension artérielle et leur apnée obstructive du sommeil, la quantité de tissu adipeux viscéral, à 12 mois suivant la chirurgie bariatrique, était plus importante comparativement à celle mesurée chez les patients n’ayant pas résolu ces comorbidités. Spécifiquement à l’évaluation du profil inflammatoire et des adipokines, nous avons observé que chez les patients obèses sévères, la présence de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil n’était pas caractérisée par un profil altéré au niveau des marqueurs inflammatoires et des adipokines. Également, nous n’avons pas observé de changements majeurs qui pouvaient expliquer, en partie, la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil. Quant à l’activité du système nerveux autonome, nous avons observé une faible activité du système nerveux parasympathique chez les patients obèses sévères avec hypertension artérielle et apnée obstructive du sommeil. Nous avons également documenté que la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil était associée à une tendance à une augmentation plus importante de l’activité parasympathique du système nerveux autonome. Les résultats obtenus au cours de ce doctorat supportent l’importance de la déposition ectopique du tissu adipeux en situation d’obésité sévère, particulièrement le rôle du tissu adipeux viscéral, dans le développement du diabète de type 2, de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil ainsi que dans la résolution de ces comorbidités suivant une chirurgie bariatrique. D’autres recherches devront davantage s’intéresser à la mobilisation des dépôts ectopiques de tissu adipeux comme un déterminant important dans la résolution à plus long terme de ces comorbidités.