I. Mô phỏng quá trình tạo hạt
Mô phỏng quá trình tạo hạt là một phương pháp hiện đại giúp hiểu rõ cơ chế hình thành hạt trong các quy trình công nghệ. Trong nghiên cứu này, quá trình tạo hạt Acetaminophen bằng phương pháp giãn nở nhanh dung dịch siêu tới hạn (RESS) được mô phỏng chi tiết. Mô hình 2D được xây dựng dựa trên kích thước thực tế của thiết bị thí nghiệm, tập trung vào việc mô phỏng thủy động học của CO2 siêu tới hạn trong vòi phun và buồng giãn nở. Các thông số dọc trục được sử dụng để tính toán độ hòa tan của Acetaminophen, độ quá bão hòa, tốc độ tạo mầm, và kích thước hạt. Kết quả cho thấy độ quá bão hòa rất cao (khoảng 10^15), dẫn đến tốc độ tạo mầm cao khi lưu chất ra khỏi vòi phun. Bán kính hạt mầm đạt khoảng 0.05nm, nồng độ mầm khoảng 4, tạo điều kiện lý tưởng cho việc hình thành hạt kích cỡ nano.
1.1. Phương pháp giãn nở nhanh dung dịch siêu tới hạn RESS
Phương pháp giãn nở nhanh dung dịch siêu tới hạn (RESS) là một kỹ thuật tiên tiến sử dụng lưu chất siêu tới hạn để tạo hạt có kích thước nhỏ và phân bố hẹp. Quá trình này bao gồm việc hòa tan chất tan vào CO2 siêu tới hạn, sau đó dung dịch được giãn nở qua vòi phun hoặc ống mao dẫn. Độ quá bão hòa cao tạo điều kiện cho sự hình thành hạt mầm với kích thước nano. Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của các phương pháp truyền thống như tạo nhiệt độ cao và sử dụng dung môi độc hại. RESS được ứng dụng rộng rãi trong việc tạo hạt các vật liệu hữu cơ và vô cơ, đặc biệt là trong ngành dược phẩm.
1.2. Kỹ thuật mô phỏng và ứng dụng
Kỹ thuật mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT giúp phân tích chi tiết các quá trình thủy động học và hình thành hạt trong RESS. Mô hình 2D được thiết lập dựa trên kích thước thực tế của thiết bị thí nghiệm, cho phép tính toán chính xác các thông số như áp suất, nhiệt độ, vận tốc, và độ quá bão hòa. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi đáng kể của các thông số này trong vòi phun và buồng giãn nở, đặc biệt là sự tăng đột ngột của độ quá bão hòa và tốc độ tạo mầm. Kỹ thuật mô phỏng không chỉ giúp giảm chi phí và thời gian thực nghiệm mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế hình thành hạt, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.
II. Nghiên cứu Acetaminophen
Acetaminophen là một hoạt chất dược phẩm phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong điều trị giảm đau và hạ sốt. Tuy nhiên, khả năng hòa tan kém trong nước của Acetaminophen làm giảm hiệu quả điều trị. Việc giảm kích thước hạt đến mức nano giúp tăng diện tích bề mặt, từ đó cải thiện tốc độ hòa tan và khả năng hấp thu của thuốc. Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo hạt Acetaminophen bằng phương pháp RESS, nhằm đạt được kích thước hạt nano và phân bố hẹp. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng và hiệu quả của Acetaminophen.
2.1. Tính chất và ứng dụng của Acetaminophen
Acetaminophen là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học C8H9NO2, được sử dụng rộng rãi trong y học do tính chất giảm đau và hạ sốt. Tuy nhiên, Acetaminophen có khả năng hòa tan kém trong nước, làm giảm hiệu quả điều trị. Việc giảm kích thước hạt đến mức nano giúp tăng diện tích bề mặt, từ đó cải thiện tốc độ hòa tan và khả năng hấp thu của thuốc. Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo hạt Acetaminophen bằng phương pháp RESS, nhằm đạt được kích thước hạt nano và phân bố hẹp.
2.2. Chất lượng hạt và quá trình sản xuất
Chất lượng hạt là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của Acetaminophen. Kích thước hạt nhỏ và phân bố hẹp giúp tăng diện tích bề mặt, từ đó cải thiện tốc độ hòa tan và khả năng hấp thu của thuốc. Quá trình sản xuất bằng phương pháp RESS cho phép kiểm soát chặt chẽ các thông số như nhiệt độ, áp suất, và độ quá bão hòa, từ đó tạo ra hạt có kích thước nano và phân bố hẹp. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng và hiệu quả của Acetaminophen.
III. Thực nghiệm và kết quả
Thực nghiệm tạo hạt Acetaminophen bằng phương pháp RESS được tiến hành tại phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ hóa học và dầu khí, Đại học Bách khoa TP. HCM. Quá trình thí nghiệm bao gồm việc hòa tan Acetaminophen vào CO2 siêu tới hạn, sau đó giãn nở qua vòi phun để tạo hạt. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự hình thành hạt có kích thước nano và phân bố hẹp. Các phân tích SEM và FT-IR được sử dụng để đánh giá hình thái và cấu trúc của hạt. Kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS FLUENT cũng cho thấy sự tương đồng với kết quả thực nghiệm, khẳng định tính chính xác của mô hình mô phỏng.
3.1. Tiến trình thí nghiệm
Tiến trình thí nghiệm bao gồm việc hòa tan Acetaminophen vào CO2 siêu tới hạn trong buồng hòa tan, sau đó dung dịch được giãn nở qua vòi phun để tạo hạt. Các thông số như nhiệt độ, áp suất, và tốc độ giãn nở được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự hình thành hạt có kích thước nano và phân bố hẹp. Kết quả thí nghiệm được đánh giá thông qua các phân tích SEM và FT-IR, cho thấy sự hình thành hạt có kích thước nano và cấu trúc ổn định.
3.2. Kết quả và bàn luận
Kết quả thực nghiệm cho thấy sự hình thành hạt Acetaminophen có kích thước nano và phân bố hẹp, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu. Các phân tích SEM và FT-IR khẳng định hình thái và cấu trúc của hạt. Kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS FLUENT cũng cho thấy sự tương đồng với kết quả thực nghiệm, khẳng định tính chính xác của mô hình mô phỏng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng phương pháp RESS để tạo hạt dược phẩm có kích thước nano, từ đó cải thiện hiệu quả điều trị của thuốc.
