O que é Granulação por alto cisalhamento (HSWG)?

A granulação por alto cisalhamento, conhecida pela sigla HSWG, do inglês high-shear wet granulation, é uma técnica de granulação úmida utilizada para transformar partículas de pó em grânulos por meio da combinação entre líquido de granulação e mistura mecânica intensa. O processo permite modificar propriedades do material particulado importantes para etapas posteriores de fabricação, como distribuição de tamanho dos grânulos, densidade, fluidez e comportamento de compactação.

A HSWG é amplamente utilizada na fabricação farmacêutica de formas sólidas, especialmente em processos que antecedem a compressão de comprimidos. Entretanto, o resultado da granulação depende da interação entre as propriedades da formulação, a quantidade e distribuição do líquido e os parâmetros mecânicos e operacionais do processo.

O que é granulação por alto cisalhamento?

Granulação é uma operação de aumento do tamanho de partículas na qual partículas menores são reunidas para formar estruturas maiores denominadas grânulos. Na granulação úmida, um líquido participa desse processo promovendo a formação de ligações entre as partículas.

Na granulação por alto cisalhamento, a mistura de pós é submetida a elevada ação mecânica enquanto o líquido de granulação é incorporado. As forças produzidas durante a mistura aumentam a frequência e a intensidade das interações entre partículas, favorecendo a distribuição do líquido, a formação dos núcleos dos grânulos e sua evolução ao longo do processo.

Como funciona a granulação por alto cisalhamento?

O processo ocorre pela combinação entre molhamento das partículas, formação de pontes líquidas e aplicação de energia mecânica. Após a adição do líquido, regiões úmidas promovem a associação inicial das partículas. A movimentação intensa da massa gera colisões entre partículas, grânulos e superfícies do equipamento, fazendo com que essas estruturas sejam continuamente formadas, deformadas, consolidadas, quebradas e novamente aglomeradas.

Por isso, a HSWG não deve ser entendida apenas como a mistura de um pó com um líquido. A estrutura final dos grânulos resulta de uma competição dinâmica entre mecanismos de nucleação, crescimento, consolidação e quebra.

Quais são as etapas da granulação por alto cisalhamento?

Embora a configuração exata dependa do equipamento, da formulação e da estratégia de processo, a HSWG normalmente envolve uma sequência formada por mistura dos componentes secos, adição do líquido de granulação e massificação úmida.

Mistura dos pós

Os componentes da formulação são inicialmente distribuídos na mistura. As propriedades desses materiais, incluindo tamanho e distribuição de partículas, molhabilidade, densidade e capacidade de absorver ou distribuir o líquido, podem afetar diretamente as etapas posteriores.

Adição do líquido de granulação

Um líquido é incorporado à mistura. Ele pode conter um agente ligante dissolvido ou disperso, dependendo da formulação. Sua quantidade, propriedades e forma de distribuição influenciam o molhamento do pó e a nucleação dos grânulos.

Massificação úmida

Após ou durante a incorporação do líquido, a ação mecânica continua promovendo o crescimento, a consolidação e também a quebra dos grânulos. O tempo durante o qual a massa permanece submetida a essas condições pode alterar significativamente sua estrutura e as propriedades finais do granulado.

Como os grânulos se formam durante a HSWG?

Nucleação

A nucleação corresponde ao surgimento das primeiras estruturas aglomeradas. O líquido de granulação molha regiões da superfície das partículas e favorece a criação de ligações capazes de mantê-las associadas.

Crescimento

Os núcleos podem aumentar de tamanho por incorporação de novas partículas ou pela interação entre grânulos. A disponibilidade e distribuição do líquido, assim como as propriedades mecânicas dos aglomerados, influenciam a extensão desse crescimento.

Consolidação

As forças aplicadas durante a mistura podem deformar e compactar os grânulos úmidos. Essa consolidação pode reduzir sua porosidade e modificar densidade, resistência mecânica e comportamento em operações posteriores.

Quebra

As mesmas forças responsáveis pela mistura e consolidação também podem causar fragmentação. Os fragmentos gerados podem participar novamente do processo de aglomeração. O tamanho final dos grânulos é, portanto, resultado do equilíbrio entre formação, crescimento, consolidação e quebra.

Quais parâmetros influenciam a granulação por alto cisalhamento?

A HSWG é um processo multivariável. Alterar isoladamente um parâmetro não necessariamente produz o mesmo efeito em diferentes formulações ou escalas de processo.

Quantidade de líquido de granulação

A quantidade de líquido exerce forte influência sobre a nucleação, o crescimento e a densificação dos grânulos. Quantidades insuficientes podem limitar a aglomeração, enquanto condições excessivas podem favorecer crescimento intenso e overgranulation.

Velocidade do impelidor

O impelidor movimenta a massa de pó e transfere energia mecânica ao material. Sua velocidade influencia o padrão de circulação, as colisões, a distribuição do líquido e a deformação dos grânulos. Seu efeito, entretanto, depende das características mecânicas do material e da formulação.

Velocidade do chopper

Em equipamentos que utilizam chopper, esse elemento auxilia na interação mecânica com a massa e pode contribuir para a dispersão de regiões aglomeradas e para o controle da estrutura formada. Seu impacto não deve ser analisado isoladamente da ação do impelidor e das demais condições do processo.

Taxa e forma de adição do líquido

A maneira como o líquido é introduzido afeta sua distribuição espacial na mistura e, consequentemente, as condições de nucleação. O efeito da taxa de adição pode variar consideravelmente conforme formulação, escala, método de aplicação e capacidade de mistura.

Tempo de massificação

O tempo de exposição da massa úmida à ação mecânica influencia a evolução estrutural dos grânulos. Massificação prolongada pode aumentar consolidação e densificação e, dependendo do sistema, contribuir para crescimento excessivo.

Propriedades dos materiais

Tamanho das partículas primárias, distribuição granulométrica, solubilidade, molhabilidade, propriedades do ligante, quantidade inicial de umidade e características mecânicas dos componentes também interferem na resposta da formulação ao processo.

Quais propriedades dos grânulos podem ser afetadas?

A granulação por alto cisalhamento pode modificar simultaneamente diferentes atributos do material. Entre os mais relevantes estão tamanho e distribuição de tamanho dos grânulos, densidade, porosidade, morfologia, resistência mecânica, fluidez e propriedades de compactação.

Esses atributos estão interligados. Alterações na estrutura primária do grânulo podem modificar o comportamento do material a granel e, posteriormente, características do produto obtido após etapas como secagem, moagem e compressão.

Para que serve a granulação por alto cisalhamento?

Um dos principais objetivos da HSWG é converter uma mistura de pós com características inadequadas ao processamento direto em um material granulado com propriedades mais apropriadas para as operações subsequentes.

Na fabricação farmacêutica, a granulação pode ser utilizada para melhorar características como fluidez, densidade e comportamento durante alimentação e compressão, além de contribuir para o controle da distribuição dos componentes da formulação. A necessidade de granulação e os atributos desejados dependem, entretanto, do produto e da formulação.

Qual é a diferença entre granulação por alto cisalhamento e granulação em leito fluidizado?

Ambas são técnicas de granulação úmida, mas utilizam mecanismos de movimentação do material diferentes. Na HSWG, a massa é movimentada predominantemente pela ação mecânica de elementos como o impelidor e, dependendo do equipamento, o chopper. Na granulação em leito fluidizado, as partículas são mantidas em movimento principalmente por uma corrente de gás enquanto o líquido de granulação é aplicado.

Essas diferenças alteram transferência de energia, distribuição do líquido, mecanismos de crescimento e consolidação dos grânulos e integração com operações como a secagem. Portanto, não se deve assumir que parâmetros ou resultados obtidos em um processo sejam diretamente transferíveis para o outro.

Qual é a diferença entre granulação por alto cisalhamento e granulação seca?

A diferença fundamental está na utilização do líquido. A HSWG é uma técnica de granulação úmida, enquanto a granulação seca promove aumento de tamanho e densificação das partículas sem a adição de um líquido de granulação.

A seleção do processo depende das propriedades dos materiais, das características pretendidas para o produto e das limitações da formulação. Materiais incompatíveis com determinadas condições de umidade ou etapas associadas à granulação úmida podem exigir estratégias alternativas.

Como é definido o ponto final da granulação?

O ponto final da granulação representa a condição na qual a massa atingiu um estado adequado para produzir os atributos pretendidos do granulado. Não existe um ponto final universal aplicável a todas as formulações.

A determinação pode se basear em parâmetros de processo, comportamento mecânico da massa ou técnicas de monitoramento capazes de acompanhar sua evolução. Em desenvolvimento farmacêutico moderno, esses sinais podem ser relacionados aos atributos críticos de qualidade para estabelecer uma estratégia de controle mais robusta.

Granulação por alto cisalhamento e Quality by Design

Por ser um processo no qual propriedades dos materiais e parâmetros operacionais interagem, a HSWG é frequentemente estudada dentro de abordagens de Quality by Design (QbD). Nesse contexto, busca-se compreender como atributos críticos dos materiais e parâmetros críticos de processo influenciam atributos críticos de qualidade do granulado e do produto final.

Essa abordagem é particularmente relevante para desenvolvimento, otimização e scale-up, pois a simples reprodução de valores absolutos de parâmetros de equipamento não garante necessariamente que as mesmas condições físicas sejam reproduzidas em outra escala.

Quais são os principais desafios da HSWG?

O principal desafio é controlar um sistema em que diversas variáveis atuam simultaneamente. Pequenas mudanças na formulação, umidade inicial, distribuição do líquido, intensidade da mistura ou tempo de processamento podem alterar a evolução dos grânulos.

Outro ponto crítico é o scale-up. Mudanças no tamanho e na geometria do equipamento podem modificar padrões de fluxo, transferência de energia e distribuição do líquido. Por isso, a ampliação de escala exige compreensão do processo e dos atributos que precisam ser preservados, e não apenas a reprodução direta das condições utilizadas em escala laboratorial.