GABARITO - LISTA DE EXERCÍCIOS – Processos Industriais e Operações Unitárias na Indústria Farmacêutica

1) Defina Processo Química, Operações Unitárias e Processos Unitários e explique como estes termos se relacionam para a

obtenção industrial de um determinado produto.

Um processo químico é um conjunto de ações executadas em etapas, que envolvem modificações da composição química,

que geralmente são acompanhadas de certas modificações físicas ou de outra natureza, no material ou materiais que é (são) ponto

de partida (matérias primas) para se obter o produto ou os produtos finais (ou acabados).

É utilizado para formação de um produto químico, intermediário ou final, compreendendo duas situações bem distintas, os processos

unitários (POU) e as operações unitárias (OPU), que funcionam em conjunto para se alcançar o objetivo, que é a formação

econômica do produto desejado.

Entende-se por Operação Unitária (OPU) cada etapa dentro do processo que tem princípios fundamentais independentes

da substância (ou substâncias), que está sendo operada e de outras características do sistema, pode ser considerada uma operação

unitária.

O engenheiro A. D. Little (1915) apresenta um conceito interessante para as operações unitárias: “Qualquer processo

químico, em qualquer escala, pode ser decomposto numa série estruturada do que se podem denominar, operações unitárias, como

moagem, homogeneização, aquecimento, calcinação, absorção, condensação, lixiviação, cristalização, filtração, dissolução,

eletrólise, etc.”

Conversões químicas ou processos unitários (POU) compreende o conjunto de parâmetros que processam as reações

químicas: mecanismo de reação, condições dos reagentes e matérias-primas (grau de pureza, composição de mistura, etc.) que

serão utilizadas nos processos, condição de pressão e temperatura, tipos de catalisadores, etc.

2) Leia a afirmação abaixo:

“O tamanho das partículas das matérias-primas selecionadas para compor a formulação de um pó medicamentoso é um importante

parâmetro físico químico.”

Concorde ou não com tal afirmativa, justificando sua resposta.

Concordo com tal afirmativa, pois há muitos fatores em que o tamanho da partícula é de suma importância na indústria farmacêutica,

entre estes temos:

- Só substâncias com uma dada granulometria podem ser usadas na área de medicamentos. Os produtos devem satisfazer a

especificações de tamanho bem definidas, como por exemplo, antibióticos, talco, gesso. O tamanho das partículas usadas no

aerossóis de inalação determinam a posição e retenção das partículas no sistema bronco pulmonar.

- Um aumento da área superficial afeta a eficiência terapêutica do medicamento, devido ao aumento da área de contato entre o

sólido e o solvente. O produto será também tanto mais uniforme quanto menor for o tamanho das partículas a serem misturadas.

- O tamanho das partículas pode afetar a uniformidade da dose e a velocidade de liberação do princípio ativo.

3) Quais os equipamentos que podem ser usados na fragmentação de sólidos ? Quais os fatores que devem ser analisados na

escolha do melhor equipamento ?

Os equipamentos que podem ser usados na fragmentação de sólidos são os moinhos de martelos, rolos, bolas, facas ou o moinho

coloidal. Tem-se também o britados de discos, sendo que cada um deles apresenta características específicas, conforme tabela

abaixo.

Os fatores que devem ser analisados na escolha do melhor equipamento de fragmentação de sólidos são:

- Propriedades físicas: dureza, elasticidade, fibrosidade, fracturabilidade e higroscopicidade do produto a ser fraturado.

- Tamanho final da partícula a ser atingido.

- Teor de umidade, ponto de fusão, inflamabilidade e termosensibilidade do produto a ser triturado.

- Processamento subsequente do produto triturado.

4) Explique o que é a micronização e como ela ocorre em um equipamento do tipo air jet mills.

5) A mistura de sólidos é a distribuição de pelo menos um componente sólido no meio de outro, sendo que uma mistura deficiente

pode acarretar problemas relacionados a dosagem em pós dispersíveis, comprimidos e drágeas. Procura-se, então, fazer o que é

denominada de uma “mistura ideal”. O que é uma mistura ideal e quais os fatores que interferem em sua obtenção ?

Mistura perfeita, ideal (ou completamente aleatória) é aquela na qual a probabilidade de encontrar uma partícula de um constituinte

em qualquer ponto é idêntica, ou seja, cada partícula de um constituinte A está cercada por partículas do outro constituinte B em

qualquer ponto do sistema.

Os fatores que interferem na mistura são: densidade do pó, tamanho e forma das partículas que estão sendo misturadas e a

proporção dos diferentes componentes da mistura.

6) Em que consiste a OPU denominada Filtração ? Cite algumas aplicações na área farmacêutica.

A filtração possui diversas definições, conforme vemos abaixo.

7) Quais são os componentes básicos de um filtro ?

8) Diferencie tamisação de filtração.

9) Quais os fatores mais importantes para a seleção de um filtro ?

- Objetivo da filtração

- Compatibilidade térmica e química entre a mistura a ser filtrada e o meio filtrante.

- Resistência mecânica específica do meio poroso de filtração.

- Toxicidade do meio filtrante

- Adsorção de partículas do sólido no meio filtrante.

- Eficiência requerida.

- Quantidade de suspensão a ser filtrada

- A concentração de sólidos na suspensão a ser filtrada

- Facilidade de descarregar a torta formada no processo de filtração.

10) Explique a importância da filtração do ar na indústria farmacêutica e o conceito de “área limpa”.

Áreas limpas são ambientes nos quais a quantidade e o tamanho máximo das partículas presentes no ar são controlados

com o objetivo de evitar a contaminação dos equipamentos nelas presentes. A contaminação pode interferir nos resultados de testes

ou na manufatura de produtos.

A classificação de áreas limpas em classe 100, 10 000 e 100 000 foi comumente utilizada no Brasil, até a publicação da

norma ISO 14644-1 em 1999. Esta classificação foi estabelecida pela U.S. Federal Standard 209 e a designação da classe era

definida como o número máximo de partículas em suspensão no ar ≥ 0,5mm por pé cúbico, permitido para uma sala limpa de uma

determinada classe. Por exemplo, em uma sala classe 10 000, o número máximo de partículas ≥ 0,5mm permitido seria de 10 000

partículas/ft3.

Os processos da indústria farmacêutica podem ser divididos em três categorias:

- Produtos Injetáveis, produtos que são injetados em pessoas;

- Produtos Tópicos, que são aplicados sobre a pela humana; e

- Produtos de uso Oral, que são ingeridos.

Geralmente os produtos injetáveis requerem muito mais alta qualidade nas condições ambientais que os Tópicos e Orais.

11) Os denominados filtro-prensa são muito utilizados na indústria farmacêutica por apresentarem baixo custo de instalação e

manutenção e grande flexibilidade de operação. Comente os princípios envolvidos neste instrumento, discutindo suas vantagens e

desvantagens.

No filtro-prensa se usam placas e marcos colocados em forma alternada. Utiliza-se tela (tecido de algodão ou de materiais sintéticos)

para cobrir ambos lados das placas. Usam-se placas e marcos colocados em forma alternada. Utiliza-se tela (tecido de algodão ou

de materiais sintéticos) para cobrir ambos os lados das placas.

A alimentação é bombeada e flui pelas armações. Os sólidos acumulam-se como “torta” dentro da armação. O filtrado flui entre o

filtro de tecido e a placa pelos canais de passagem e sai pela parte inferior de cada placa. A filtração prossegue até que o espaço

interno da armação esteja completamente preenchida com sólidos. Nesse momento, a armação e as placas são separadas e a

torta retirada. Depois o filtro é remontado e o ciclo se repete.

12) Explique o que ocorre no processo de osmose reversa e como ela pode ser utilizada para a purificação de um solvente.

13) Durante a mistura de líquidos, um dos fatores utilizados para a seleção do tipo de equipamento a ser utilizado é a viscosidade.

O que é viscosidade ? Relacione os tipos de misturadores adequados para o uso com materiais de pequena, média e alta

viscosidade. Quais os outros fatores que devem ser considerados na mistura de líquidos

A viscosidade é a medida da resistência ao fluir (ou escoar) de um líquido. Além da viscosidade, a seleção do tipo de equipamento

a ser usado na mistura de líquidos depende também da miscibilidade e da densidade dos líquidos a serem misturados.

Mistura de líquidos de viscosidade pequena a moderada: hélice, pás e turbinas.

Mistura de líquidos de alta viscosidade: misturador de fitas e em espiral.

14) Quais são os sistemas de aquecimento usados na indústria farmacêutica ?

Usando vapor d’água, nas caldeiras, por ar quente, eletricidade, micro-ondas e infravermelho.

15) O processo de esterilização é muito comum na indústria farmacêutica. Quais os objetivos a serem atingidos após o processo de

esterilização ? Quando utilizar o método de esterilização pelo calor seco? E pelo calor úmido ?

16) Quais os métodos que podem ser usados durante a esterilização pelo calor seco ? Cite as vantagens e as desvantagens deste

método.

17) Ao lado temos os gráficos comparativos da

velocidade de aquecimento superficial em estufa por

convecção e por aquecimento por IV. Comente-os,

levando em conta as características peculiares de cada

tipo de aquecimento.

Pelo gráfico acima observa-se que a radiação infravermelha é transmitida rapidamente para a superfície do material, sendo usada

primariamente para o aquecimento de superfícies, como por exemplo, na esterilização de seringas hipodérmicas e material cirúrgico.

A velocidade de aquecimento por IV é muito superior `obtida em estufa de ar quente.

18) Diferencie refrigeração de congelamento. Compare ambos os processos quanto à temperatura de conservação do produto,

objetivo e mecanismo de ação.

19) Abaixo temos o diagrama de circuito de refrigeração. Uma das partes importantes deste diagrama é o fluido refrigerante. Quais

os critérios que devem ser avaliados para a escolha do “fluido refrigerante ideal” ?

20) Os tipos de congelamento variam de acordo com a velocidade com que este processo ocorre. Disserte sobre os congelamentos

rápido e lento.

21) O que ocorre durante o processo de desidratação ou secagem de um material e quando esta OPU pode ser utilizada na indústria

farmacêutica ?

22) Cite e comente os métodos de remoção de água em sólidos que não envolvem aquecimento.

23) Os fatores abaixo afetam a velocidade de secagem de um material. Disserte sobre cada um deles.

a – área superficial

b – temperatura

c – velocidade do ar

d – teor de umidade do ar

e – pressão atmosférica e vácuo.

f – tempo versus temperatura

24) Como os processos de secagem podem ser classificados ?

25) Como funcionam os secadores de estufa e quais os seus usos ?

26) Como funcionam os secadores de túnel ?

27) Como funcionam os secadores de leito fluidizado e quais suas aplicações na indústria farmacêutica ?

28) Como funcionam os spray driers e quais suas aplicações na indústria farmacêutica ?

29) Em que consiste o processo de liofolização ? Quais as etapas em que ele ocorre ? Disserte sobre cada uma delas.

30) Quais as aplicações da liofilização na indústria farmacêutica ? Fale sobre suas vantagens e desvantagens.

31) O que são processos unitários (POU) ? Cite exemplos.

32) O que são processos industriais contínuos, semi-contínuos e descontínuos ? Disserte sobre cada um deles, citando suas

vantagens e desvantagens.

Os processos químicos podem ser classificados como em batelada ou semibateladas, contínuos e também como

processos transientes ou em estado estacionário:

• Processos em batelada: a alimentação é carregada no sistema no começo do processo, e os produtos são retirados todos

juntos depois de algum tempo. Não existe transferência de massa através do sistema entre o momento da carga da alimentação e

o momento da retirada dos produtos.

• Processos contínuos: as entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de duração do processo.

• Processos em semibatelada (ou semicontínuo): qualquer processo que não é nem contínuo, nem em batelada.

Se os valores de todas as variáveis no processo (temperaturas, pressões, volumes, vazões, etc.) não variam com o tempo,

excetuando possíveis flutuações menores em torno de valores médios constantes, se diz que o processo está operando em estado

estacionário.

Se qualquer das variáveis do processo muda com o tempo, diz-se que a operação é transiente ou estado não estacionário.

Os processos em batelada ou semibatelada são transientes por natureza, enquanto os processos contínuos podem ser tanto

estacionários quanto transientes.

Processos em batelada são usados comumente quando devem ser produzidas quantidades relativamente pequenas de um

determinado produto, em uma única oportunidade. É típico de produtos com maior valor agregado, com especificações direcionadas

a um tipo de cliente e menores volumes. São exemplos, processos de polimerização e fabricações de produtos farmacêuticos e de

especialidades químicas Também são adotados em processos onde há liberação de calor significativa ou corrosão acentuada.

Processos contínuos, ao contrário, costumam ser utilizados quando são necessárias grandes taxas de produção. Os processos são

conduzidos tão perto quanto possível do estado estacionário.

Na tabela abaixo temos um resumo das características dos processos contínuos e descontínuos.

33) O que são fluxogramas ? Quais os tipos de fluxogramas existentes ?

Os fluxogramas são parte fundamental em um projeto, estes apresentam a seqüência coordenada das conversões químicas

unitárias e das operações unitárias, expondo assim, os aspectos básicos do processo. É o mais efetivo meio de comunicar

informações sobre um processo industrial. Indicam pontos de entrada das matérias-primas e da energia necessária e também os

pontos de remoção do produto e dos subprodutos. Na avaliação global do processo, desde sua concepção inicial até o fluxograma

detalhado para o projeto e operação da planta, é preciso desenhar muitos fluxogramas.

Os três principais tipos de diagramas usados para descrever os fluxos de correntes químicas através de um processo são:

a) Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD)

São úteis na conceitualização de um processo ou de um número de processos em um grande complexo. Pouca informação

sobre as correntes é fornecida, mas uma clara visão geral do processo é apresentada.

Os blocos ou retângulos representam uma operação unitária ou processo unitário. Os blocos são conectados por linhas

retas que representam as correntes de fluxo do processo entre as unidades. Essas correntes de fluxo podem ser misturas de

líquidos, gases e sólidos fluindo em dutos ou sólidos sendo transportados em correias transportadoras.

b) Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD)

Contém toda informação necessária para os balanços material e energético completos no processo. Adicionalmente,

informações importantes tais como a pressão das correntes, tamanhos de equipamentos e principais controles são incluídos.

Um fluxograma de processo mostra as relações entre os principais componentes no sistema. Ele também tabula os valores

projetados para o processo para os componentes nos diferentes modos de operação, tipicamente mínimo, normal e máximo.

Um fluxograma de processo inclui:

– tubulação do sistema

– símbolos dos principais equipamentos, nomes e números de identificação

– Controles e válvulas que afetam a operação do sistema

– interconexões com outros sistemas

– principais rotas de by-pass e recirculação

– taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura e pressão para fluxos mínimo, normal e máximo

– composição dos fluidos.

c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pipping and instrumentation diagram – P&ID):

Contém toda informação do processo necessária para a construção da planta. Estes dados incluem tamanho dos tubos

(dimensionamento da tubulação e localização de toda instrumentação para ambas as correntes de processo e de utilidades).

Estes fluxogramas mostram toda a tubulação, incluindo a seqüência física de ramificações, redutores, válvulas,

equipamentos, instrumentação e controles intertravados e são usados para operar o processo de produção.

Um FTI deve incluir:

• Instrumentação e designações

• Equipamentos mecânicos com nomes e números

• Todas as válvulas e suas identificações

• Processo de tubulação, tamanhos e identificação

• Micelânea: ventilação, drenagem, amostragem, redutores, aumentadores

• Permanent start-up and flush lines

• Direção dos fluxos e referencias das interconexões

• Controles de inputs, outputs e intertravamento

• Nível de qualidade

• Sistemas de controle computadorizados

• Identificação dos componentes e subsistemas entregues por outros

• Sequencia física dos equipamentos

34) Considere a síntese do AAS, abaixo. Monte um fluxograma de blocos para uma rota sintética do AAS, descrita abaixo:

“Colocar em um erlenmeyer de 125 mL, 3,5 g de ácido salicílico, 6 mL de anidrido acético e algumas gotas de ácido sulfúrico

concentrado. Agitar e aquecer a mistura em banho-maria (50-60 oC) durante 20 minutos (ocorre a precipitação de sólido branco).

Resfriar e adicionar 10-15 mL de água destilada gelada para decompor o excesso de anidrido acético. Resfriar até que a cristalização

seja completa. Filtrar em funil de Büchner lavando com pequena quantidade de água gelada. Purificar a aspirina por recristalização.

Dissolver o produto em 10 mL de etanol em um béquer de 100 mL e aquecer em banho-maria. Adicionar 25 mL de água aquecida.

Se houver precipitação, dissolver por aquecimento sob refluxo, em banho-maria. Cobrir o recipiente e deixar em repouso para

resfriar. Separar os cristais obtidos por filtração. Secar e pesar os cristais. Determinar o ponto de fusão da aspirina.”