Inženýrstv. enýrství farmaceutických výrob. Úvod Sypké hmoty

Inženýrství farmaceutických výrob Úvod Sypké hmoty

Charakteristika, drcení a mletí, mísení, granulace, třídění, doprava a skladování sypkých hmot

Co je obsahem předmětu » [CZ] Inženýrství ... výrob » [EN] ... process engineering » aplikace přírodních a technických věd na návrh, konstrukci a provozování procesů (výroby ...)

» Chemické a fyzikální procesy ve farmaceutických výrobách » » » »

aparáty, jejich návrh a optimalizace modely procesů provoz a řízení aparátů, bezpečnost vlastnosti látek důležité z hlediska aparátů

Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Mapa předmětu skladování, doprava

Sypké hmoty Kapaliny

úprava fyz. vlastností míchání, separace, změna velikosti, výměna tepla, hmoty

Plyny


úprava chemických vlastností reaktory

Produkty (léčiva)

Neobvyklé chování sypkých hmot » Přesýpací hodiny

G = konst ⋅ D0ahb » G ... hmotový tok otvorem » D0 ... 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 Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

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) Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Charakteristiky (lože) sypké hmoty » Materiálové charakteristiky částice » porézní/neporézní, pevnost, ...

» Měrná hustota látky (solid density) ρs » hustota jedné částice

» Sypná hustota lože (bulk density) ρB » hustota sypané vrstvy včetně volného prostoru » závisí na historii nakládání se sypkou hmotou

» Setřesná hustota lože (tapped density) ρT » hustota vrstvy včetně volného prostoru po sklepání Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Charakteristiky (lože) sypké hmoty » Součinitel zaplnění (packing fraction) η » objem pevných částic / objem lože

» Mezerovitost (void fraction) ε = 1- η » podíl volného prostoru v loži

» Distribuce velikosti částic (DVČ) » charakteristický rozměr částice » statistická veličina

» (Distribuce) tvar(u) částic » sféricita, angularita, konkávita/konvexita Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Metody charakterizace DVČ » Sítová analýza » měření frakcí částic prošlých do různých vrstev sloupce sít s klesajícím rozměrem ok


Metody charakterizace DVČ » Omezení sítové analýzy » obtížná interpretace pro částice s nízkou ψ » částice do 150 µm (pro menší velikosti „mokrá sítová analýza“)


Metody charakterizace DVČ » Mikroskopie » optická nebo SE (skenovací elektronová) » přímé pozorování 2D projekce částic » vyhodnocení nejlépe pomocí software pro analýzu obrazu » omezení » kvalita (kontrast) obrazu » chybějící rozměr velikosti (obtížné odlišení kuliček a destiček)


Metody charakterizace DVČ » Laserová difraktometrie

» měření difrakce laserového paprsku na modelovém shluku částic » matematická rekonstrukce difrakčních obrazců Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Metody charakterizace DVČ » Laserová difraktometrie

» citlivá na částice od 0,1 µm » problémy s transparentními částicemi Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Metody charakterizace DVČ » Rentgenová mikrotomografie (XMT) » Rekonstruuje prostorový obraz lože sypké hmoty (podobně jako medicinální tomografie)

» Výsledky různých metod se liší » vliv tvaru a fyzikálních vlastností částic » metody měřící počet vs. objem (hmotnost) Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Reprezentace výsledků charakterizace » Histogram » Kumulativní distribuce


Charakterizace tvaru částic » Na základě 2D nebo 3D obrazové analýzy


Vp = Vkoule =

Charakterizace tvaru částic » Jednoduché parametry charakterizující tvar částice » sféricita

3 ⎞ ⎛ rkoule = ⎜Vp ⎟ 4 π ⎝ ⎠

3 ⎞ ⎛ Akoule = 4π ⎜Vp ⎟ 4 π ⎝ ⎠ sféricita

Ψ=

π (6Vp )

2 3

Ap » angularita (členitost) » konvexnost/konkávnost Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

1 3

2 Akoule = 4πrkoule

» poměr povrchu koule o stejném objemu jako má částice k povrchu částice 1 3

4 3 πrkoule 3

angularita

2 3

Příklad znázornění distribuce tvaru částic


Tokové vlastnosti látek » Dobře tekoucí látky » větší velikost částic (s omezením) » hladké částice » kulovité, pravidelné částice

» Špatně tekoucí tátky » velmi jemné » výrazná textura povrchu » jehličkovitý, destičkovitý tvar


Měření tokových vlastností prášků » Sypný úhel (úhel přirozené sklonitelnosti) » velký úhel = špatná tokovost

» Měření času sypání látky standardní nálevkou (lékopisná metoda) Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Měření tokových vlastností prášků » Hausnerův poměr » podíl setřesné a sypné hustoty » charakterizuje stlačitelnost prášku » špatná tokovost pro H > 1,25

» Carrův index » charakterizuje stlačitelnost prášku » dobrá tokovost pro C < 15 % » velmi špatná tokovost pro C > 25 %

ρT H = ρB

C = 100

VB − VT VB

C H = +1 100 Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

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


Tok sypkých látek v zásobnících mobilní

Nálevkový (jádrový tok)

Objemový tok

stagnantní Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

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 Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

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 Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

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“


Překonání tření na výsypce » Měření smykového napětí normálový tlak na vrstvu

kryt prstenec

síla vynaložená na překonání smykového tření vzorek sypké hmoty


vzorek materiálu stěny zásobníku

Překonání tření na výsypce » Výsledky měření úhel smykového tření smykové napětí, kPa

normálový tlak, kPa Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Překonání tření na výsypce » Úhel smykového tření (wall friction angle) » úhel sevřený vodorovnou osou a spojnicí počátku s bodem na křivce překonání smykového tření » zpravidla klesá s rostoucím kolmým zatížením » ovlivňuje jej » » » »

drsnost povrchu zásobníku (původní, abraze, koroze) teplota vlhkost doba klidového kontaktu


Překonání tření na výsypce » Určení nutného sklonu výsypky nálevkový tok nálevkový tok objemový tok

oblast nejistoty

*Jenike A. W.: Storage and Flow of Solids Handbook (1970)


objemový tok

Dostatečná velikost výsypného otvoru » Měření kohezivity sypké hmoty normálový tlak na vrstvu

kryt prstenec

síla vynaložená na překonání smykového tření sypká hmota

podložka


Dostatečná velikost výsypného otvoru » Kohezní síla kohezní síla, N

normálový konsolidační tlak, kPa Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Modifikace výsypky » Pro dosažení objemového toku

obrácená kuželová vestavba

uspořádání kužel v kuželu


více výsypek

Doprava a dávkování sypkých látek » Pásové dopravníky a dávkovače » různá konstrukce » kryté, otevřené » ploché, konvexní » se zarážkami

» Šnekové dopravníky a dávkovače


Doprava a dávkování sypkých látek » Korečkové výtahy » ve farmaceutickém průmyslu neobvyklé » vhodné pro velké objemy

» Vibrační dopravníky a dávkovače » segregace prášků » nevhodné pro suroviny ve farmaceutickém průmyslu Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Doprava a dávkování sypkých látek » Pneumatické dopravníky » práce se stlačeným vzduchem nebo vakuem » pouze tam kde nehrozí segregace


Prosévání » Třídění částic sypké hmoty do tříd velikosti » Pojmy » prosevný podíl a % – podíl částic, které by měly projít sítem dané velikosti » propad p % - podíl částic, které sítem skutečně projdou » účinnost síta m E = » max. 90 % a » spíše 60 – 75 %

» Prosévání není efektivní pro částice pod 40 µm Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

Prosévání – aparáty » Nehybná síta » materiál se prosévá pohybem kartáčů

» Pohyblivá síta » třasadla, vibrační síta


Elutriace (plavení, kalová klasifikace) » Úniková rychlost pro odplavení částice » ρp, ρ ... hustota částice, tekutiny » η ... dynamická viskozita tekutiny

uT =

» Kalový klasifikátor (elutriátor) » vzestupná rychlost ui tekutiny klesá v řadě kolon i = 1, 2, 3 » v i-té koloně se zadrží částice pro které uT < ui přívod tekutiny Inženýrství farmaceutických výrob / Výroba léčiv Charakteristika, doprava, skladová skladování a třídění sypkých hmot

d 2 (ρ p − ρ )g 18η odvod tekutiny

Cyklónový separátor » Tangenciální proud vzduchu unáší částice » Malé částice tvoří fluidní vrstvu » Velké částice propadnou na dno


Inženýrstv. enýrství farmaceutických výrob. Úvod Sypké hmoty

Recommend Documents