Etude expérimentale et modélisation du procédé de granulation humide - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2022

Experimental study and modeling of the wet granulation process

Etude expérimentale et modélisation du procédé de granulation humide

Résumé

Wet granulation, which is a process commonly used in different industrial sectors (pharmaceutical, chemical, cosmetic, ...), has been discussed in this thesis. This process consists of producing solid aggregates (granules) and represents an intermediate step in the manufacturing of different pharmaceutical forms (tablets, capsules...). The pharmaceutical industry requires highly controlled properties and a good reproducibility of the intermediate (granules) and final (tablets) products, so it is necessary to understand and control the process. Experimental and numerical studies were carried out in this thesis to gain a better understanding of the high shear wet granulation process. The numerical model is based on the discrete element method (DEM) that takes into account the intrinsic properties of the powder, the geometry of the process, and the operating conditions. It has the advantage of taking into account the dynamics of the particles and integrating complex phenomena between the particles such as cohesion. First, preliminary work was carried out to calibrate the input parameters of the model. This required the adjustment of the static friction coefficient and the surface energy based on experimental measurements of the angles of repose. This calibration was validated using experimental tests (volumetry, drum mixing) and for different types of powder. Second, the model was deployed to simulate the behaviour of the particles during the granulation process. A stepwise approach was developed to test the robustness of the model and a post-processing tool was programmed to calculate the size of the granules formed. Two scales of granulators were modelled (0.5L and 4L) and compared with experimental results. Although it was not possible to model particle sizes as fine as those found in the experiments, we concluded that the model was able to follow the growth kinetics of the granules and that the observed trends were similar. Finally, a parametric study was carried out. It allowed to highlight the influence of the agitation speeds, the presence of the chopper and the binder addition method, both numerically and experimentally. A scaling study was also developed, concluding that the developed tool can secure the scaling-up to high shear granulators.
La granulation humide, procédé couramment utilisé dans différents secteurs industriels (pharmaceutiques, chimiques, cosmétiques, …) a été abordée dans cette thèse. Ce procédé consiste à fabriquer des agrégats solides (granulés) et constitue une étape intermédiaire à la fabrication de différentes formes pharmaceutiques (comprimés, gélules…). L'industrie pharmaceutique exige des propriétés contrôlées et une très bonne reproductibilité des produits intermédiaires (granulés) et finis (comprimés), il est donc nécessaire de comprendre et de maîtriser le procédé. Des études expérimentales et numériques ont été menées dans cette thèse afin de mieux appréhender le processus de granulation humide à fort taux de cisaillement. Le modèle numérique est basé sur la méthode des éléments discrets (DEM) : ce modèle tient compte des propriétés intrinsèques de la poudre, de la géométrie du procédé ainsi que des conditions opératoires. Il présente l’avantage de prendre en compte la dynamique des particules et d’intégrer des phénomènes complexes entre les particules telles que la cohésion. Dans un premier temps, un travail préliminaire a été mené pour calibrer les paramètres d'entrée du modèle : il a nécessité l’ajustement du coefficient de frottement statique et de l’énergie de surface à partir de mesures expérimentales d’angles de repos. Cette calibration a été validée par des essais expérimentaux (volumétrie, mélange en tambour) et pour différents types de poudre. Dans un second temps, le modèle a été déployé pour simuler le comportement des particules au cours du procédé de granulation. Une démarche progressive a été développée afin de tester la robustesse du modèle et un outil de post-traitement a été programmé pour calculer la taille des granulés formés. Deux échelles de granulateurs ont pu être modélisées (0,5L et 4L) et comparées aux résultats expérimentaux. Bien qu’il n’a pas été possible de modéliser des tailles de particules aussi fines que celles expérimentales, nous avons pu conclure que le modèle permet de suivre les cinétiques de croissance des granulés et que les tendances observées sont similaires. Enfin une étude paramétrique a été menée. Elle a permis de mettre en évidence l’influence des vitesses d’agitation, de la présence de l’émotteur et de la méthode d’ajout du liant, à la fois d’un point de vue numérique et expérimental. Une étude de changement d’échelle a également été développée, permettant de conclure que l’outil élaboré permet de sécuriser les problématiques de changement d’échelle des granulateurs à fort taux de cisaillement.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04719165 , version 1 (03-10-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04719165 , version 1

Citer

Maroua Rouabah. Etude expérimentale et modélisation du procédé de granulation humide. Génie des procédés. Université de Lyon, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LYSE1061⟩. ⟨tel-04719165⟩
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