Sypké látky Úvod. Sypké hmoty. Vlastnosti tuhých látek Úprava Třídění Skladování Doprava. partikulární látky (částicové systémy)

Transkript

1 Inženýrství farmaceutických výrob Sypké látky Úvod Vlastnosti tuhých látek Úprava Třídění Skladování Doprava Sypké hmoty partikulární látky (částicové systémy) vlastnostmi a fyzikálními projevy se liší od známých forem hmot (nové skupenství?) lože sypké hmoty se může chovat jako kapalina nebo pevná látka důsledkem dopravy, skladování, atd. změny některých vlastností sypkých hmot 1

2 Neobvyklé chování sypkých hmot Přesýpací hodiny» G... hmotový tok otvorem» D 0... průměr otvoru» h... výška sloupce látky» Naplněné kapalinou» průtok je závislý na výšce sloupce kapaliny» b = 0,5?» Naplněné pískem (sypkou hmotou)» rychlost sypání je přibližně konstantní, závislá na průměru otvoru» b = 0 0,05 Sypké hmoty (prášky) Sypká hmota (složená z pevných částic) = zvláštní stav hmoty Lože sypké hmoty v různých aspektech se chová podobně jako kapaliny nebo pevné látky lože sypké hmoty odolá určitému smykovému napětí (v závislosti na těsnosti uspořádání) zanedbatelná pevnost lože v tahu řada charakteristik nemá stavové chování (závisí na procesu) Partikulární látky ve farmacii stojí u zrodu většiny pevných lékových forem prášky zrněné prášky (granuláty) tablety tobolky a mikroformy 2

3 Požadavky na farmaceutické sypké hmoty Musí dobře téci (sypat se) aby mohlo zařízení pracovat s vysokým výkonem a spolehlivostí aby bylo přesné objemové odměřování Musí být homogenní aby byla léková dávka konstantní Musí mít dostatečný povrch aby se léčivá látka dobře rozpouštěla Charakteristiky sypké hmoty Specifická (měrná) hustota ρ s Hmotnost neporézní částice vztažená na její objem průměr hustot porézní částice a tekutiny v pórech Sypná hustota (bulk density) ρ B Hmotnost daného objemu volně sypaného prášku Setřesná hustota (tapped density) ρ T Určí se z objemu jednotkového množství látky po určitém počtu vibrací nebo době působení otřesů na zkoumaný materiál Hustota vrstvy včetně volného prostoru po sklepání Charakteristiky sypké hmoty Součinitel zaplnění objem pevných částic / objem lože Mezerovitost = 1 - podíl volného prostoru v loži Hausnerův poměr podíl setřesné a sypné hustoty charakterizuje stlačitelnost prášku špatná tokovost pro H > 1,25 Distribuce velikosti částic statistická veličina 3

4 Metody charakterizace DVČ Metody charakterizace DVČ Sítová analýza měření frakcí částic prošlých do různých vrstev sloupce sít s klesajícím rozměrem ok Omezení sítové analýzy částice do 150 μm (pro menší velikosti mokrá sítová analýza ) Metody charakterizace DVČ Výsledky různých metod se liší vliv tvaru a fyzikálních vlastností částic metody měřící počet vs. objem (hmotnost) Reprezentace výsledků charakterizace Histogram Kumulativní distribuce 4

5 Vlastnosti sypkých hmot Charakterizace tvaru částic Angularita členitost Charakteristický rozměr nepravidelných částic Sféricita poměr povrchu kuličky o stejném objemu jako částice k povrchu částice sféricita angularita Hodnocení velikosti částic Povrchový průměr d S průměr koule, která má stejný povrch jako částice Prosevný průměr d A minimální šířka otvoru čtvercové tkaniny, kterou je možné částici prosítovat Martinův průměr délka čáry, která půlí plochu průmětu disperzní částice Feretův průměr vzdálenost bodů, v nichž se dvě paralelní tečny dotýkají obvodu průmětu částice Tokové vlastnosti látek Dobře tekoucí látky větší velikost částic (s omezením) hladké částice kulovité, pravidelné částice Špatně tekoucí látky velmi jemné výrazná textura povrchu jehličkovitý, destičkovitý tvar 5

6 Měření tokových vlastností prášků Sypný úhel (úhel přirozené sklonitelnosti) velký úhel = špatná tokovost Měření času sypání látky standardní nálevkou (lékopisná metoda) Vlastnosti sypkých hmot Sypné úhly Statické násypná skluzová metoda výtoková sedimentační metoda Vlastnosti sypkých hmot Sypné úhly Dynamické rotační vibrační ventilační metoda 6

7 Fyzikální vlastnosti Doprava Smykové tření Charakterizuje odpor ke klouzání materiálu po nějakém tělese Závisí především na kvalitě styčných ploch (hladkosti, drsnosti, ) Statické tření Síla, která působí odpor proti uvedení tělesa do pohybu Valivé tření Uplatňuje se při kutálení tělesa po podložce Závisí na tvaru částice a povaze styčných ploch Skladování sypkých látek V kontejnerech menší objemy zpracování a logistika na úrovni malých šarží dlouhodobější skladování V zásobnících (silech) velké objemy (např. sušené byliny) vstup do kontinuálních procesů rozhraní mezi kontinuální a vsádkovou částí procesu např. zásobník u tabletovačky Skladování Plnění sypkých látek do zásobníku Dochází k segregaci komponent Jemné podíly uprostřed a hrubé u stěn Vypouštění sypkých látek ze zásobníku Koncentrace jemných podílů různá v různých fázích výtoku (závisí na charakteru toku) Velký význam ve farmaceutickém, potravinářském a chemickém průmyslu 7

8 Skladování Objemový tok Jádrový tok Schematické znázornění mechanismu toku sypké látky při vyprazdňování zásobníku Objemový tok stěnová oblast Jádrový tok osová oblast Posloupnost vyprazdňování zásobníku s kombinovaným tokovým mechanismem Isochronní plochy v zásobníku sypkého materiálu při jeho vypouštění Všechny částice ležící na křivce t = 1; t = 2; atd. se sejdou ve výpustním otvoru ve stejnou dobu Mechanismy toku Z tvaru izochron je zřejmý výskyt dvou charakteristických tvarů: Objemový výtok materiálu Izochrony pro čas t = 1 až t = 20 mají tvar přibližně eliptický Jádrový tok materiálu Izochromy pro čas t > 20 se v horní části rozevírají Postupným vyprazdňováním se hladina materiálu v zásobníku přibližuje sledované vrstvě. Jakmile hladina předběhne sledovanou vrstvu, pak vnější část sledované vrstvy sklouzne po povrchu výtokového kužele do tekoucího jádra První 4 vrstvy (viz předchozí obrázek) vytékají objemovým mechanismem toku a poslední dvě vrstvy mechanismem sklouzávání po povrchu nehybné části materiálu h f...výška výtokové oblasti u stěny [m] t čas, za který se jednotlivé objemy zásobníku vyprázdní [hod] 8

9 Poruchy toku sypkých látek Zablokování výsypného otvoru Snížení využitelného prostoru zásobníku FIFO -> LIFO režim vyprazdňování možnost degradace, expirace skladovaného materiálu Nekontrolovaný tok (flooding) Segregace různě velikých částic složek směsí Příklady poruchy toku sypkých látek Tvorba můstků (bridging, arching) stagnantní zaklíněný můstek kohezivní můstek Tvorba děr (ratholing) Volba režimu toku při návrhu Nálevkový tok = ekonomické řešení malé zkosení ve spodní části = prostorová úspornost pohyblivé částice mimo kontakt se stěnou = nízká abraze!!! nepůsobí problémy pouze pokud hmota obsahuje hrubé částice nelepivé částice nedochází k segregaci materiál se nekazí, nedegraduje, nemění vlastnosti Ve většině farmaceutických aplikací je třeba zajistit objemový tok 9

10 Zajištění objemového toku Překonání tření na výsypce Dostatečná velikost výsypného otvoru zamezení tvorby můstků překonání kohezní síly vrstvy Modifikace výsypky Modifikace tokových vlastností aditivy stearan hořečnatý koloidní oxid křemičitý Aerosil Modifikace výsypky Pro dosažení objemového toku obrácená kuželová vestavba uspořádání kužel v kuželu více výsypek Skladování - Kontrola teploty ve farmaceutických prostorech Teplota ovlivňuje koncentraci API, stabilitu, oxidaci, hydrolýzu, polymorfismus, fyzikální vlastnosti léčiv, absorpci vlhkosti závislost koncentrace API (%) na čase (roky) při různých teplotách skladování závislost rozkladu API v tabletách v čase při různých skladovacích podmínkách 10

11 Skladování - Kontrola teploty ve farmaceutických prostorech Prostorové snímače měření teploty a vlhkosti záznam každých 30 min umístěné na stěně skladu Nevýhody bodové měření teploty rozmístění jen na základě expertního odhadu ověření rozmístění jen na základě času potřeba velkého počtu termočlánků vysoký objem a tok číselných dat Skladování - Kontrola teploty ve farmaceutických prostorech Aplikace termovizního měření Skladování - Kontrola teploty ve farmaceutických prostorech Aplikace termovizního měření 11

12 Doprava Dávkování sypkých látek ze zásobníků Dávkovací zařízení napojeno na výtokový otvor zásobníku Různá konstrukce Kryté / otevřené Ploché / konvexní / se zarážkami Dopravníky s vodorovnou dopravní plochou Šnekové Pásové Vibrační Podavače Talířové turniketové Šnekový dopravník Na krátké vzdálenosti (pevnost hřídele v kroucení) Současné promíchávání, kypření Vhodné i pro zrnitý a kašovitý materiál a těstovité hmoty Podavače Pásový podavač limitujícím faktorem je maximální sklon, který závisí na materiálu (smykové tření) Talířový podavač 12

13 Vibrační podavač Spojení dopravy s tříděním Ne pro prašné, mokré a lepkavé látky Může docházet k segregaci prášků Doprava Dopravníky se svislou dopravní drahou kapsové, korečkové, košíkové dopravníky, elevátory Gravitační skluznice, tobogany, válečkové dráhy Pneumatické dopravníky Hydraulická doprava Pro suspenze, samovznětlivé látky Odstranění prašnosti Problémem je eroze zařízení Splavování spádem 3 6 % dopravní výkon [kg/h] G s = S u s x S...průřez potrubí u...rychlost proudění materiálu s...specifická hmotnost materiálu x...procento rozptýlení (objemový vzorek) 13

14 Pneumatická doprava Dispergace do proudu plynu Na velké výkony Podtlaková (vakuová) Přetlaková Výhody Pružnost dopravy, jednoduchá instalace Možnost změny směru Bezprašný provoz, větrání materiálu při dopravě Jednoduchá obsluha a údržba Pravidelný tichý chod a nízké investice Nevýhody Eroze Musíme vložit více energie než do mechanické Nevhodné materiály Hydroskopické, lepivé, kašovité, podléhající segregaci Nebezpečí statické elektřiny Doprava - bezpečnost Statická elektřina Představuje problém při manipulaci se sypkými látkami Vznik elektrického náboje na částicích materiálu podporuje jeho nízká elektrická vodivost a nevodivé prostředí, ve kterém se pohybuje Nezbytné uzemnění dopravních cest a zařízení Fyzikální vlastnosti úprava velikosti Tvrdost Odolnost k průniku jiné látky do struktury materiálů Křehkost Snadnost rozdrobení materiálu aniž by se předtím významně deformoval Houževnatost schopnost materiálů odolávat bez porušení deformační práci 14

15 Úprava velikosti částic Účinek léku závisí na velikosti částic účinné látky, ze které je složen Velikost částic se projevuje v jakosti konečného výrobku proto je distribuce velikosti části důležitým parametr pro hodnocení kvality účinné látky Před aplikací tuhých látek do lékových forem je nutné upravit a zkontrolovat průměr částic tuhé fáze Rozdrobňování zmenšování velikosti částic Zahrnuje drcení a mletí, vzrůstá účinný povrch, aplikace suchou i mokrou cestou Volba metody rozmělňování podle materiálu Napětí materiálu Plastická deformace Elastická deformace lom 1) Tažné materiály výrazná plastická deformace snižování vel. částic řezání strouhání 2) Křehké materiály snižování vel. částic drtiče mlýny Namáhání Mechanismy rozdrobňování Třením, roztíráním (síly působí soustavně a současně shora a z boku) Rozmačkáváním, tlakem (síla působí z jedné strany trvale) Nárazem,úderem (síla působí z jedné strany krátce ale opakovaně) Štípáním, řezáním, sekáním, střihem (síla působí na ostré pracovní plochy) 15

16 Spotřeba energie Fragmentace přibližně úměrná vznikajícímu povrchu Ztráty elastická deformace částic kompaktace částic tření plastická deformace částic Energetické nároky rozdrobňování Závislost práce nutné k dispergaci materiálu na původní velikosti částic (de/dx) = -kx -n E... Energie X... velikost částic n... řád procesu v případě hodnoty n=1 je vynaložená práce funkcí dispergačního poměru X 2 /X 1. (Kick) E = K k ln (X 2 /X 1 ) K K... Kickova konstanta f c... pevnost materiálu v tlaku [N.m -2 ] popis drcení (X > 50 mm) v případě hodnoty n=2 (Rittinger) E = K r f c (1/X 2 1/X 1 ) K R... Rittingerova konstanta popis jemného mletí (X < 0,05 mm) Úprava Drcení Rozdrobňování tvrdého a křehkého materiálu (nad 20 mm) Malé množství se obvykle drtí v třecí misce nebo hmoždíři Pro hrubé drcení se využívá čelisťový drtič 16

17 Typy zařízení Kuželový drtič Typy zařízení Válcový mlýn Rozmačkává materiál stálým tlakem Dvouválcový Používá se k drcení sypkých hmot Trojválcový Používají se k rozdrobňování materiálu ulpívajícího na válcích (mastě a čípkoviny) Maximální výkonnost válcových mlýnů V = bcω (b- výška pláště válce, c- šířka mezery mezi válci, ω- obvodová rychlost) Typy zařízení Kladivový mlýn Nárazový odstředivý mlýn Materiál se rozdrobňuje nárazy a štípáním o kladiva otáčející se velkou rychlostí Materiál nesmí být vlhký (max. 15% vlhkosti) 17

18 Typy zařízení Nárazový kolíkový mlýn Rozmělňuje materiál mezi kolíky upevněných na rychle se otáčejících kotoučích 2 typy: Oba kotouče se otáčejí Jeden kotouč se otáčí a jeden je pevný Fluidní mlýn (mikronizér) Srážky částic uvedených do vysoké rychlosti Hnací silou tlakový vzduch (jednotky až desítky bar) Vel. částic <30 m Kulový mlýn Používá se k jemnému mletí Materiál se rozdrobňuje pohybem a dopadem koulí, které se rozpohybují otáčením mlýna Diskontinuální i kontinuální provoz Materiál koulí ocel, kámen Řeší se kritická obvodová rychlost μ (ot/min) 18

19 Kulový mlýn Optimální pokud má koule co nejdelší dopadovou dráhu Stupeň naplnění mlýnu bývá cca 0,4 objemu Opotřebení: mlýn g/t ; koule g/t Výhody: přesně dané použití značný výkon konstantní jakost mletí Nevýhody: velký objem hlučné zařízení V laboratorním měřítku se používají tzv. planetové kulové mlýny. Zvláštní požadavky na aparáty Podle vlastností zpracovávané látky velmi tvrdá nízkorychlostní, nízkokontaktní aparáty plastická, vláknitá neúčinkuje náraz, tlak vlhká, kohezní špatné tokové vlastnosti teplotní citlivost nevhodné tření, vhodné zpracování za vlhka lepkavá kvůli údržbě je lepší jednoduché zařízení kluzká drcení bude neúčinné kvůli nízkému tření výbušná nutná inertní atmosféra zdraví škodlivá dobré ohraničení procesu, bezprašnost Třídění Vibrační třídiče Pneumatické S využitím fluidace se sérií cyklonových komor 19

20 Prosévání aparáty Nehybná síta materiál se prosévá pohybem kartáčů Pohyblivá síta třasadla, vibrační síta Cyklónový separátor Tangenciální proud vzduchu unáší částice Malé částice tvoří fluidní vrstvu Velké částice propadnou na dno 20