Nem todos os contêineres com temperatura controlada são iguais quando se trata de desempenho térmico – sua remessa farmacêutica vital está em risco?
Resumo
Este estudo mostra a diferença que o projeto do fluxo de ar e o caminho de recirculação têm nas características críticas de mapeamento térmico dentro de um compartimento de carga ATCC e, portanto, demonstra que nem todos os contêineres são criados iguais quando se trata de desempenho térmico.
A CSafe baseou-se nos resultados deste estudo para confirmar que o design exclusivo e inovador do seu Sistema de Recirculação de Ar (ARS), utilizado no CSafe RKN, também funcionaria bem no novo design do contêiner CSafe RAP. Os contêineres ativos CSafe RKN e CSafe RAP transportam produtos farmacêuticos e biológicos vitais na temperatura correta, com uma tolerância muito rigorosa à temperatura de ajuste, e a tecnologia ARS contribui significativamente para garantir o desempenho ideal dos contêineres.
Contexto
Os Contêineres Ativos com Temperatura Controlada (ATCC) são projetados com o objetivo de manter a temperatura da carga útil em todos os segmentos do transporte de ponta a ponta. As Boas Práticas de Distribuição da Organização Mundial da Saúde estabelecem, na seção 13.4, que “os produtos farmacêuticos devem ser armazenados e transportados de acordo com procedimentos que garantam que: a identidade do produto não seja perdida, que o produto não seja contaminado e não seja contaminado por outros produtos, que sejam tomadas precauções adequadas contra derramamento, quebra, apropriação indébita e roubo, e que sejam mantidas condições ambientais adequadas, por exemplo, utilizando cadeia de frio para produtos termolábeis”.
Para cumprir essas diretrizes de GDP, a maioria dos ATCCs conta com seis sistemas mecânicos integrados que visam manter um ponto de ajuste de temperatura interna: 1) sistema de controle, 2) sistema de refrigeração (condensador, compressor e evaporador), 3) sistema de aquecimento, 4) sistema de fluxo de ar, 5) fonte de energia interna e 6) isolamento térmico. Esses diferentes componentes trabalham em conjunto para manter a temperatura do ar desejada dentro da área de carga, neutralizando os efeitos da temperatura ambiente externa ao ATCC.
A chave para o mapeamento uniforme da temperatura dentro do compartimento de carga é a capacidade do sistema de fluxo de ar de regular a temperatura da carga de forma autônoma. O sistema de fluxo de ar depende da entrada do sistema de controle e de múltiplos sensores de temperatura estrategicamente posicionados dentro do compartimento de carga para transmitir dados de temperatura em tempo real, garantindo a precisão e a eficiência do ATCC.
Figuras 1 e 2.
O exclusivo e inovador Sistema de Recirculação de Ar (ARS) do CSafe RAP, mostrado na Figura 1, e o Sistema de Gerenciamento de Temperatura (TMS) com múltiplos sensores, mostrado na Figura 2, trabalham juntos de forma autônoma para fornecer
ar condicionado em todos os seis lados da carga útil
Durante o recente desenvolvimento do novo RAP CSafe, a importância da interação entre o projeto de recirculação de ar e o controle do sistema de gerenciamento de temperatura tornou-se ainda mais crítica devido ao volume significativamente maior do compartimento de um RAP. Para garantir que o projeto do contêiner pudesse suportar os efeitos de temperaturas ambientes extremas, o grupo de engenharia da CSafe utilizou o mais recente software de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para modelar diversos projetos de contêineres físicos e selecionar a solução de fluxo de ar ideal para o desempenho térmico ideal do contêiner.
Desenvolvimento de Modelo
Para destacar a importância da circulação de ar dentro do compartimento de carga e seu efeito direto no mapeamento da temperatura da carga útil, o grupo de engenharia da CSafe analisou três projetos diferentes de sistemas de fluxo de ar para determinar a configuração mais adequada para o novo RAP da CSafe. O perfil do contêiner RAP foi utilizado em todas as análises, visto que a manutenção da temperatura em um volume maior é o pior cenário. Imagens transversais dos três modelos de projeto utilizados nessas análises são vistas nas Figuras 3a, 3b e 3c. Para simplificação, apenas o compartimento de carga dos contêineres é representado com uma configuração mínima de carga.
Figura 3a.
O modelo A (modelo de perímetro de teto com retorno de ar traseiro) força o ar através do plenum do teto e para fora das pequenas aberturas do teto para dentro do contêiner.
Figura 3b.
O modelo B (modelo com compartimento de teto e retorno de ar traseiro) usa quatro ventiladores de teto maiores distribuídos simetricamente na parte superior do compartimento de carga para empurrar o ar ao redor da carga útil.
Figura 3c.
O modelo C (saída de ar forçada traseira com retorno sob o piso) puxa o ar condicionado por todos os lados da carga útil e sob o piso para circular o ar por todo o contêiner.
O software CFD utilizado foi o COMSOL Multiphysics 5.3 e todas as análises foram conduzidas pela Weatherly Applied Research.
Modelo de perímetro de teto com retorno de ar traseiro (Modelo A)
No Modelo A, ventiladores são usados para empurrar o ar condicionado de trás da parede de carga traseira para um plenum no teto que usa pressão positiva para canalizar o ar através de múltiplas aberturas no teto para o compartimento de carga. A recirculação do ar do compartimento é então coletada em uma abertura de entrada na base da parede fria traseira com pressão negativa (vácuo) dos ventiladores atrás da parede.
Modelo de cápsulas de teto com retorno de ar traseiro (Modelo B)
No Modelo B, os ventiladores impulsionam o ar condicionado de quatro saídas de ar localizadas no teto para direcionar o ar, sob pressão positiva, para o compartimento de carga. A recirculação do ar do compartimento é coletada em uma abertura de entrada na base da parede fria traseira, juntamente com a pressão negativa (vácuo) dos ventiladores.
Entrada de ar forçada traseira com retorno sob o piso (Modelo C)
O Modelo C utiliza ventiladores para impulsionar o ar condicionado por uma abertura na parte superior da parede fria traseira, através dos canais do teto e das paredes laterais, direcionando o ar condicionado por todo o compartimento de carga. O ar recirculado é então puxado através de uma abertura de entrada no piso, na base das portas do compartimento de carga, pela pressão negativa (vácuo) dos ventiladores. O ar condicionado é então canalizado sob o piso em um plenum de retorno de ar dedicado para a parte traseira do contêiner, onde o ciclo de recirculação é então repetido.
Resultados do modelo CFD
O grupo de engenharia da CSafe descobriu que a interação entre o sistema de fluxo de ar e o projeto do contêiner físico fez uma diferença significativa nos resultados do mapeamento de temperatura e, consequentemente, no desempenho geral do ATCC. Concluiu-se que nem todos os ATCCs são criados da mesma forma, e que limitações do sistema, ou diferenças no projeto do fluxo de ar, podem colocar a integridade da carga útil em risco devido à formação de zonas quentes ou frias dentro do compartimento de carga.
Cada um dos três modelos de contêiner foi analisado com base em duas configurações de carga útil de contêiner que simulam condições de carga mínima e máxima. Neste white paper específico, o foco está nas condições de carga mínima, entendidas pela indústria como a pior condição de transporte. Em cada um dos conjuntos de figuras abaixo, há duas escalas de medição. A direção e a velocidade do fluxo de ar dentro do compartimento de carga são ilustradas pelas fitas mostradas em uma escala de cores gradiente de verde escuro (alta velocidade) a branco (baixa velocidade). A temperatura da superfície da carga útil dentro do compartimento de carga é ilustrada em uma escala de cores gradiente de vermelho (temperatura mais alta) a azul (temperatura mais baixa).
Figura 4a. Modelo A.
Fluxo de ar insuficiente, com velocidade de ar mais lenta ao redor e abaixo da carga útil, indica uma elevação significativa da temperatura da carga útil ao nível do piso. Além disso, a direção do fluxo de ar mostra que os fluxos de ar se afastam do piso em direção à abertura de retorno na parte traseira do compartimento de carga. Uma elevação significativa da temperatura pode ser observada na interface entre os pés do palete e o piso, indicando um risco maior de variação de temperatura ao longo da base dos paletes.
Figura 4b. Modelo B.
Novamente, a velocidade insuficiente do fluxo de ar, indicada pelas faixas brancas, indica uma elevação significativa da temperatura no nível do piso da carga útil. O aumento da temperatura do produto é observado no nível do piso para os dois paletes mais próximos da porta, devido ao baixo fluxo de ar e ao curto-circuito térmico associado às vedações da porta. Uma grande elevação da temperatura pode ser observada na interface entre os pés do palete e o piso, em direção à parte frontal do contêiner. Isso indica que o maior risco para a carga útil está na base frontal do contêiner.
Figura 4c. Modelo C.
Este modelo mostra um mapeamento consistente de temperatura em toda a carga útil. Com a abertura de vácuo posicionada no piso dianteiro do compartimento de carga, o ar condicionado encapsula completamente a carga útil em todos os seis lados. Esta figura demonstra a "colchão de ar" consistente criada pelo retorno de ar condicionado de alta velocidade sob o piso, no canal de retorno.
As análises do modelo CFD demonstram que o Modelo C, com seu canal de retorno de ar dedicado sob o piso, é o único contêiner que gera padrões de fluxo de ar consistentes e de alta velocidade sob e ao redor de todos os lados da carga útil dentro do compartimento de carga. Esse encapsulamento da carga útil com ar condicionado controlado resulta em excelente controle de temperatura.
mapeamento em todo o compartimento de carga útil, eliminando assim a necessidade de utilização de paletes ao carregar a carga no contêiner. No caso dos Modelos A e B, as análises de CFD mostraram que a redução na velocidade do fluxo de ar e na distribuição de ar ao redor da carga útil, sem um canal de retorno de ar dedicado sob o piso, impactou negativamente o mapeamento de temperatura dentro do compartimento de carga, especialmente ao nível do piso, abaixo e ao longo das laterais da carga útil.
Conclusão
Com base nas análises de CFD realizadas neste estudo, as trajetórias do fluxo de ar e a velocidade do ar têm correlação direta com o mapeamento térmico consistente dentro do compartimento de carga. Um fluxo de ar mais rápido, aliado a um projeto que permita o encapsulamento completo da carga útil com ar condicionado, resultará no mapeamento térmico mais uniforme em toda a carga útil.
com manutenção ideal do ponto de ajuste de temperatura desejado.
A CSafe aproveitou os resultados deste e de estudos anteriores para expandir o design de sua tecnologia exclusiva de Sistema de Recirculação de Ar (ARS), incorporada ao comprovado CSafe RKN, a fim de otimizar o projeto do fluxo de ar do CSafe RAP, espelhando o Modelo C. As entradas e saídas de ar do CSafe RAP estão localizadas em cantos diagonalmente opostos do compartimento de carga, resultando em um fluxo de ar circular ideal dentro da área de carga. O ar de retorno puxado para baixo do piso através do canal de retorno dedicado cria uma barreira de ar isolante adicional sob a carga para proteção adicional contra condições extremas de
condições ambientais encontradas durante os embarques de verão e inverno.
Concluindo, todos os projetos de contêineres com temperatura controlada ativa não são criados iguais e a linha CSafe de contêineres ativos utiliza e incorpora projetos inovadores e diferenciados para garantir o desempenho ideal do sistema e a proteção térmica de cargas vitais que melhoram a vida.
Referências
Diretrizes da OMS para boas práticas de distribuição de produtos farmacêuticos.
Genebra, Organização Mundial da Saúde, Série de Relatórios Técnicos da OMS de 2010, n.º 957. (Anexo 5).
Biografia de Jonathan Neeld
Jonathan é Vice-Presidente de Engenharia da CSafe. Com mais de 30 anos de experiência em Design e Certificação,
de produtos de aviação. Jonathan é especialista no desenvolvimento, certificação e conformidade regulatória de produtos de controle de temperatura ativo e passivo e soluções de monitoramento de dados da CSafe.
Biografia de David Weatherly
David é engenheiro mecânico com 20 anos de experiência em pesquisa e desenvolvimento de produtos. Ele é especialista em dinâmica de fluidos e simulação de transferência de calor/massa (Dinâmica de Fluidos Computacional). David possui mestrado em Matemática Computacional e Aplicada pela UCLA e doutorado em Engenharia Mecânica (CFD) pela Universidade de Kentucky.
Após 14 anos na área de Desenvolvimento de Cabeças de Impressão a Jato de Tinta da Lexmark International, ingressou na Universidade de Kentucky para atuar em pesquisa industrial como Professor Assistente de Pesquisa. Atualmente, ele fornece serviços de pesquisa em engenharia e desenvolvimento de produtos por meio de sua empresa, a Weatherly Applied Research. Realizou projetos para a Timken Bearing Company, a PPG Automotive Coatings Division, a Kateeva, Inc., a GE Electric Appliances and Lighting e a Kaleidoscope, Inc. Suas publicações incluem:
- “Projeto de ejetor para administração de aerossol médico aos pulmões”, DC Weatherly, pôster no Simpósio de Pesquisa e Tecnologia da Lexmark, 11/2011.
- “Um modelo geral para transição em fluxos compressíveis limitados por paredes”, DC Weatherly, apresentado no 4º Simpósio Internacional sobre Modelagem e Medições de Turbulência em Engenharia, Córsega, França, maio de 1999.
- “Decomposição Turbulenta Aditiva com Modelos de Turbulência de Mapa Algébrico para Fluxo Compressível”, tese de doutorado, Universidade de Kentucky, 1998.
- “Geração de condições iniciais e de contorno para simulações de grandes turbilhões de fluxos limitados por paredes”, DC Weatherly e JM McDonough, pôster no Décimo primeiro simpósio sobre fluxos de cisalhamento turbulentos, Institut Nationale Polytechnique, Grenoble, França, setembro de 1997.
- “Estrutura de camada limite compressível em larga escala computada estimulada por perturbações vorticais”, DC Weatherly e JM McDonough, AIAA Paper 96-0424, apresentado na 34ª Reunião Anual de Ciências Aeroespaciais da AIAA, Reno, janeiro de 1996.
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