Investigation and Optimisation of the Presster

Abstract

Tablets are currently the most frequently used pharmaceutical dosage form. Development of new tablet formulations is performed on both eccentric and lab scale rotary tablet presses.<br /> Differences in the working principle of both eccentric and rotary tablet presses, varying process parameters between lab scale and production size rotary tablet presses as well as missing or imprecise instrumentations of those presses frequently impede accurate and reliable characterisation of both materials and formulations during development.<br /> Compression simulators, as e.g. the linear compaction simulator Presster (Metropolitan Computing Corporation, New Jersey, USA), promise reliable characterisations of materials and formulations, such as compressibility and compactibility studies, already in early stages of development by using only small amounts of powder.<br /> Goals of this thesis were the investigation and, if necessary and realisable, the optimisation of the Presster (model 2002, serial number 107), in detail its data acquisition system, force and displacement measurement systems as well as general aspects, potentially affecting tablet properties, as well as the verification of improvements, carried out by precise, accurate and reliable force and displacement measurements, simulating a Fette P1200 (Fette, Schwarzenbek, Germany) rotary tablet press.<br /> The original data acquisition system of the Presster has been found to be totally insufficient to monitor any compaction cycle related signal except of rather slow compaction force signals, e.g. due to its too small sample rate. Therefore, the independent data acquisition system DAQ4 (Hucke Software, Solingen, Germany), providing a sample rate up to 1.25 MHz, has been installed, enabling reliable monitoring of even high frequency signals.<br /> Wrong calibrated compression force measurement systems of the Presster have been revealed by dynamic recalibration of those systems. After that the compactibility data of both the Presster and the Fette P1200 rotary tablet press matched closely.<br /> The original ejection force and take-off force measurement systems of the Presster have not been suitable for precise measurements, e.g. due to their too small Eigen-frequency.<br /> The predominant quality of the newly constructed ejection force and take-off force measurement systems, each equipped by optimised instrumentations, has been proved.<br /> Due to insufficient guidance of cores of displacement sensors, missing consideration of both punch deformation and punch tilting as well as the interference of machine vibrations with the punch displacement signal, the quality and precision of vertical punch displacement measurements, monitored by the original punch displacement measurement system of the Presster, has been insufficient with respect to material characterisation purposes, e.g. in terms of Heckel-plots.<br /> By the development and implementation of an optimised, vibration-resistant punch displacement measurement system, consistent of 2 displacement sensors per punch, vertical punch displacements have been determinable with considerably improved precision.<br /> Therefore, distinctions between different material deformation characteristics have been feasible within the investigated range of tableting speed.<br /> The investigation of punch tilting, which has been found to be smaller than 4.4µm for the two tilting axes investigated, has been feasible using the revised punch displacement measurement system. Beside the mentioned measurement systems of the Presster, general aspects of the tableting process have been investigated with respect to a most precise simulation of rotary tablet presses. In comparison to the tableting process of rotary tablet presses, partly unchangeable differences in the tableting process of the Presster, limiting the accuracy of the simulation of rotary tablet presses, have been observed.<br /> The modifications of the Presster carried out within the scope of this thesis verifiably improved the quality and reliability of force and displacement measurements while simulating a rotary tablet press.<br /> Therefore, this modified Presster can be used for precise and accurate investigations in the scope of material and formulation characterisation and is therefore a valuable tool for research and development as well as trouble shooting purposes.

<strong>Untersuchung und Optimierung des Presster - Ein Linearer Kompressionssimulator für Rundlauftablettenpressen</strong><br /> Tabletten stellen die derzeit am h äufigsten eingesetzte Arzneiform dar. Die Entwicklung neuer Tablettenformulierungen findet sowohl auf Exzenter- als auch auf Laborrundlauf-Tablettenpressen statt.<br /> Unterschiedliche Funktionsprinzipien zwischen Exzenter- und Rundlauf-Tablettenpresse, unterschiedliche Prozessbedingungen auf Laborrundlauf- und Produktionsrundlauf-Tablettenpressen sowie fehlende bzw. nicht ausreichend präzise Maschineninstrumentierungen verhindern häufig eine präzise und zuverlässige Material- bzw. Formulierungscharakterisierung während der Entwicklungsphase.<br /> Kompressionssimulatoren, z.B. der lineare Kompressionssimulator Presster (Metropolitan Computing Corporation, New Jersey, USA), versprechen eine zuverlässige Material- und Formulierungscharakterisierung, z.B. in Form von Kompressibilitäts- und Kompaktibilitätsstudien, bereits in frühen Entwicklungsphasen unter Verwendung kleinster Pulvermengen. <br /> Ziele dieser Arbeit waren die Untersuchung und, sofern nötig und realisierbar, die Optimierung des Presster (Modell 2002, Seriennummer 107), insbesondere dessen Datenerfassungssystem, Kraft- und Wegmesssysteme sowie genereller Aspekte mit potentiellem Einfluss auf die Tabletteneigenschaften, sowie der Nachweis der Optimierungen durch präzise, akkurate und zuverlässige Kraft- und Wegmessungen unter Simulation einer Rundlauf-Tablettenpresse Fette P1200 (Fette, Schwarzenbek, Deutschland).<br /> Das originale Datenerfassungssystem des Presster erwies sich u.a. infolge seiner zu geringen Datenerfassungsrate als ungeeignet zur Aufzeichnung jeglicher Signale eines Tablettierzyklus mit Ausnahme langsamer Presskraftsignale. Folgedessen wurde das unabhängige Datenerfassungssystem DAQ4 (Hucke Software, Solingen, Deutschland) mit einer Datenerfassungsrate bis zu 1,25 MHz installiert, womit selbst hochfrequente Signale zuverlässig aufgezeichnet werden konnten. <br /> Fehlkalibrierte Presskraftmesssysteme des Presster konnten durch dynamische Rekalibrierung aufgezeigt werden. Im Anschluss stimmten die Kompaktibilitätsdaten des Presster und der Fette P1200 Rundlauf-Tablettenpresse weitestgehend überein. <br /> Die originalen Ausstoß- bzw. Abstreifkraftmesssysteme des Presster waren u.a. infolge ihrer jeweils zu niedrigen Eigenfrequenz nicht für präzise Messungen geeignet. Die gegenüber den originalen Messsystemen überlegene Qualität der neu konstruierten und jeweils mit optimierten Instrumentierungen ausgestatteten Ausstoß- bzw. Abstreifkraftmesssysteme konnte belegt werden. <br /> Infolge unzureichend geführter Sensorkerne, fehlender Berücksichtigung von Stempeldeformation und Stempelkippen sowie der Beeinträchtigung der Stempelwegsignale durch Maschinenvibrationen war die Qualität und Präzision vertikaler Stempelwege, aufgezeichnet mit Hilfe der originalen Wegmessinstrumentierung des Presster, für eine Materialcharakterisierung, z.B. in Form von Heckel-Plots, nicht ausreichend. <br /> Durch die Entwicklung und Implementierung eines optimierten, vibrationsunempfindlichen Wegmesssystems, bestehend aus 2 Wegmesssensoren pro Stempel, konnten vertikale Stempelwege mit beträchtlich verbesserter Präzision ermittelt werden.<br /> Somit waren Unterscheidungen diverser Materialverformungscharakteristika innerhalb des untersuchten Tablettiergeschwindigkeitsbereichs möglich.<br /> Der Einsatz des verbesserten Stempelwegmesssystems ermöglichte Untersuchungen zum Stempelkippen, welches sich in den beiden untersuchten Kippachsen auf Werte kleiner 4,4 µm belief.<br /> Neben den genannten Messsystemen des Presster wurden generelle Aspekte des Tablettierprozesses im Hinblick auf eine möglichst präzise Simulation von Rundlauf-Tablettenpressen untersucht. <br /> Im Vergleich zum Tablettierprozess einer Rundlauf-Tablettenpresse konnten teilweise nicht beseitigbare und somit die akkurate Simulation einer Rundlauf-Tablettenpresse limitierende Unterschiede im Tablettierprozess des Presster aufgezeigt werden. <br /> Die im Rahmen dieser Arbeit vorgenommenen Modifikationen des Presster verbesserten nachweislich die Qualität und Zuverlässigkeit von Kraft- und Wegmessungen während der Simulation einer Rundlauf-Tablettenpresse. <br /> Der modifizierte Presster kann somit für präzise und akkurate Untersuchungen im Rahmen der Material- und Formulierungscharakterisierung eingesetzt werden und stellt dadurch ein wertvolles Entwicklungs- und Trouble-Shooting-Tool dar.