Rompendo os costumes

Como evitar a quebra do vidro dos recipientes de embalagem primária na linha de envase da indústria farmacêutica

O mundo está evoluindo cada vez mais rápido, assim como os padrões, requisitos e desenvolvimentos na indústria de embalagens farmacêuticas. A velocidade tradicional de envase de substâncias parenterais, que costumava ser de 100 até um máximo de 400 itens (seringas, carpules, frascos ou ampolas) por hora, agora mudou drasticamente com as linhas de envase de alta velocidade, que são capazes de processar até 600 itens por hora. Porém, isso resultou em uma maior sensibilidade à quebra em tais linhas de enchimento de envase de alta velocidade. Qual é o sentido de economizar tempo com o envase, se ele é novamente gasto com a limpeza dos estilhaços dos recipientes quebrados? Por isso, juntamente com as linhas de envase de alta velocidade, também surgiu a conscientização sobre a qualidade dos recipientes de embalagem primária. Porém, para evitar a quebra na linha de envase, primeiro é preciso entender os fundamentos da mecânica de fraturas.
Fundamentos da mecânica de fraturas

Resistência é definida como a capacidade de um material de desenvolver força contra pressões externas. Para descrever a resistência do material de um objeto, constantes como o módulo de Young e o coeficiente de Poisson podem ser usados. No entanto, tal afirmação não é totalmente verdadeira. Valores como rigidez, tenacidade, elasticidade, plasticidade, fragilidade, maleabilidade, etc, que são grandemente dependentes das dimensões geométricas do objeto, também são usados para descrever a resistência de um material. Para uma descrição abrangente e uma compreensão total da resistência do vidro, todas estas propriedades certamente devem ser consideradas. Alguns desses fatores influenciadores são explicados no seguinte artigo.

Para deformar (mudar o formato original de) um material, é necessário aplicar uma força externa (uma carga). Esta força (F) age sobre uma área específica (A) do material. O material naturalmente tende a resistir a essa força, o que cria tensão (σ).

A tensão (σ) pode ser definida como a reação interna imediata (resistência) de um material a uma força externa aplicada. No caso de uma força que estica o material (tensão de tração externa), os átomos na rede de vidro seriam "rompidos" e eles tentariam neutralizar a força mantendo-se unidos. Por outro lado, se uma força estivesse apertando o vidro (uma tensão compressiva externa), os átomos seriam comprimidos e neutralizariam a força repelindo-se uns aos outros (fig. 1).
Fig. 1 Ilustração de tensão na estrutura do vidro. Esquerda: Nenhuma tensão no vidro. Meio: Tensão de tração. Direita: Tensão compressiva.
Se o material for submetido à tensão, a reação imediata é uma deformação geométrica. Por isso, o material sofre dobra, pressão ou torção. Essa deformação é medida como esforço. Quanto maior o esforço, maior a deformação. A deformação pode novamente ser classificada em deformação elástica ou plástica. Quando uma força externa é aplicada e removida novamente, o material tenta retornar ao seu formato inicial. Um bom exemplo deste comportamento é um balão que volta ao seu tamanho pequeno, assim que o ar é liberado de seu interior (fig. 2 à esquerda). Se a força externa continua a agir, o material pode possuir a capacidade de permanecer no formato deformado, mesmo após a força finalmente ter sido removida. Um bom exemplo disso seriam hastes de metal que permanecem no formato deformado (fig. 2 à direita).
Fig. 2 Esquerda: Balão apresentando deformação elástica quando o ar de seu interior é liberado. Direita: Hastes de metal que exibem deformação plástica.
Agora, queremos reunir todos os três parâmetros acima: Se um material for submetido à tensão, ele reage com o esforço, implicando primeiramente em deformação elástica, acompanhada por deformação plástica e, por fim, em quebra. Isto pode ser visualizado na figura 3:
Fig. 3 Diagrama de tensão-esforço, comparando materiais quebradiços e maleáveis.
Se uma "pequena" tensão é aplicada a um material e novamente removida, os átomos de sua estrutura são deslocados sendo, porém, capazes de retornar novamente aos seus locais originais. Dependendo da quantidade de tensão, tanto os materiais quebradiços quanto os maleáveis são capazes de fazer isso. Caso a tensão continue, os materiais maleáveis começam a sofrer deformação plástica permanentemente (veja as hastes de metal). O vidro, sendo um material quebradiço, não é capaz de plasticamente se deformar. Inicialmente, há um intervalo bastante pequeno de deformação elástica. No entanto, se a tensão continuar, o vidro não é capaz de compensá-la deformando-se plasticamente, quebrando-se imediatamente ao invés disso.
Defeitos na superfície do vidro

Littleton uma vez afirmou sobre as medidas de resistência: "Não medimos a resistência efetiva do vidro e, sim, a fragilidade da superfície." [1, p. 365]. Com essas palavras, ele quis dizer que a influência dos defeitos da superfície sobre a resistência é, na verdade, muito maior do que a composição do material do vidro.

Esta conclusão exigiu uma longa jornada de experimentos. Era preciso demonstrar que as superfícies do vidro realmente contêm defeitos. Em seguida, era preciso comprovar o que dava origem a esses defeitos de superfície. E, por fim, era preciso fazer a reconstrução da propagação das trincas, a fim de poder prever a vida útil daquele certo fragmento de vidro investigado.
C. E. Inglis, F. W. Preston e A. A. Griffith foram pioneiros nestas áreas no começo do século 20[2] [3] [4] [5].

Os defeitos de superfície podem ser gerados por todo o processo de manuseio, desde os tubos, passando pelo processo de conversão até o envase e o embalamento final. Cada um desses defeitos pode contribuir para uma menor resistência, ou seja, a força de quebra, aumentando o risco de quebras.
Fig. 4 Apresentação esquemática da cadeia de valor de um material de vidro para embalagem primária mostrando que, desde a fabricação e a conversão dos tubos passando por todo o processo de envase farmacêutico, a resistência do vidro (a força de quebra) é reduzida com adição contínua de defeitos de superfície.
Tais defeitos não apenas referem-se aos defeitos na superfície do vidro, tais como arranhões e trincas, como também à tensão no interior do vidro causada pelo recozimento incorreto (no processo de conversão) ou por tratamentos térmicos em geral, tais como o túnel de despirogenização, congelamento e descongelamento e liofilização (fig 5).
Fig. 5 Fotos de microtrincas, pontos de colisão e arranhões (indicados por uma seta azul) nas superfícies de um recipiente de vidro.
Quebra final do recipiente de vidro

A probabilidade de quebra de um material frágil como o vidro não está correlacionada a uma única propriedade de material, e sim a uma interação entre os defeitos de superfície e a tensão mecânica (a tensão de tração criada por um impacto mecânico ou térmico).

Sendo assim, a quebra do vidro é uma função tanto da qualidade da superfície do vidro quanto das tensões mecânicas de tração às quais o vidro é exposto. Estes critérios para a quebra de materiais quebradiços são expressados pela equação de Griffith:

KI = σ∙Y∙√c 

σ = tensão (induzida por uma força aplicada)
Y = fator geométrico (que considera, por exemplo, o local do defeito)
√c = dimensão crítica (por exemplo, a profundidade do defeito)

Sendo assim, o fator de intensidade da tensão KI é expressado como o produto de uma tensão de tração externamente aplicada (σ), bem como o formato/geometria e o tamanho de um defeito (expressados por Y e c, respectivamente).

Entretanto, se o fator de intensidade da tensão KI alcançar um valor crítico e dependente do material, ocorrerá a quebra do material. O valor crítico no qual ocorrerá a quebra é chamado de resistência à fratura. A resistência à fratura é uma constante dependente do material, cujos valores variam entre 0,6 e 1 MPa√m para o vidro.

Por isso, os critérios para a quebra do vidro dependem da interação do tamanho e do formato dos defeitos presentes na superfície de um vidro, bem como da intensidade das tensões mecânicas de tração aplicadas a esses defeitos.

Em seguida, é definido como a resistência do material o valor da tensão mecânica de tração na qual o critério de quebra (resistência à fratura) é primeiro alcançado ou ultrapassado. Assim, o vidro pode sucumbir sob baixas tensões mecânicas aplicadas (ou seja, exibindo uma baixa resistência) quando o tamanho (c) e o formato (Y) de um defeito exibem altos valores (fig. 36 à esquerda). Por outro lado, se os defeitos exibem baixos valores para c e Y, é possível aplicar altas tensões mecânicas (ou seja, exibindo uma alta resistência) até que a intensidade crítica de tensão seja alcançada (fig. 6).
Fig. 6 Resistência à fratura sendo ultrapassada por Esquerda: um significante defeito na superfície e uma pequena tensão aplicada, Direita: um pequeno defeito de superfície e uma significante tensão aplicada.
Assim, um fator muito importante agora fica claro: A resistência de um recipiente de vidro de borosilicato não depende da composição do vidro. Os critérios predominantes são os danos prévios e os fatores de intensidade da tensão final.


Como evitar a quebra dos recipientes de vidro

Agora o ponto mais importante para evitar quebras é a prevenção, em primeiro lugar, da formação de defeitos na superfície do vidro. Em segundo lugar, as tensões que são aplicadas ao vidro devem ser minimizadas ao máximo. Várias fontes possíveis para a criação de defeitos na superfície estão listadas abaixo:

São algumas das possíveis fontes de defeitos de superfície (dentre outras):
- Arranhões oriundos do transporte
- Defeitos cosméticos no interior do vidro (tais como pedras, nós, inclusões)
- Arranhões oriundos do contato entre os vidros
- Arranhões oriundos do contato entre o vidro e um metal
- Microtrincas por choque térmico, oriundas do contato do vidro quente com materiais frios
- Arranhões oriundos de esteiras de transporte
- Arranhões oriundos das barras de orientação na linha de envase
- Tensão térmica residual devido a um recozimento incorreto
- Arranhões causados por ferramentas de moldagem defeituosas
- Arranhões causados por braços de transferência

São algumas das possíveis forças externas que desencadeiam a quebra (dentre outras):
- A colisão de um vidro contra o outro
- A colisão de um vidro contra uma barra metálica de orientação
- A colisão de um vidro contra a borda de metal entre dois módulos
- Ferramentas de friso ou finalização incorretamente ajustadas
- Expansão de volume no processo de liofilização

Uma avaliação de riscos direcionada deve incluir a avaliação sistemática de cada etapa em todo o processo quanto à possível introdução de defeitos de superfície e um manuseio incorreto. Deve-se utilizar o mínimo de metal como material de contato e as máquinas devem ser precisamente ajustadas de acordo com as dimensões dos recipientes

Uma vez que é impossível nas operações diárias determinar o tamanho c e o formato Y de todos os defeitos presentes em um recipiente de vidro, não é possível prever a resistência (σ) de um lote inteiro de recipientes de vidro. Devido às dificuldades para medir o tamanho (profundidade) e a geometria tridimensional de um defeito através das ferramentas de inspeção ótica, até o momento não existe um método não destrutivo em linha disponível para a determinação da resistência real de cada recipiente de vidro. Os sistemas de inspeção ótica normalmente só registram as dimensões superficiais dos defeitos, enquanto a profundidade deles não é identificada.
Em outras palavras, os sistemas de inspeção ótica são capazes de detectar defeitos cosméticos, mas sua capacidade de interpretar e avaliar defeitos em termos de criticidade da resistência é muito limitada.

Assim, a única estratégia para uma avaliação confiável da resistência de recipientes de vidro são experimentos de resistência apropriados. Os experimentos de resistência apropriados são uma ferramenta objetiva e quantitativa para a avaliação da resistência dos recipientes de vidro, devendo ser uma ferramenta essencial para realizar um gerenciamento abrangente dos riscos de uma empresa farmacêutica.

Referências

1. W. Vogel, Glass Chemistry, 2 ed., Berlin: Springer, 1994.
2.
C. E. Inglis, „Stresses in a plate due to the presence of cracks and sharp corners,“ Transactions of the Royal Institute of Naval Architectes, Bd. 60, pp. 219-241, 1913.
3. F. Preston, "The Structure of Abraded Glass Surfaces," Trans. Optical Soc., vol. 23, pp. 141-64, 1921.
4. F. W. Preston, "The Mechanical Properties of Glass," J. Appl. Phys., vol. 13, pp. 623 - 34, 1942.
5.
A. Griffith, "The Phenomena of Rupture and Flow in Solids," Phil. Trans. R. Soc. Lond. , vol. 221, pp. 163-198, 1921
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