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

24.9.2014

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

24.9.2014

Partikulární látky ve farmacii stojí u zrodu většiny pevných lékových forem  prášky  zrněné prášky (granuláty)  tablety  tobolky a mikroformy

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

Fyzikální vlastnosti  Specifická (měrná) hustota  Hmotnost neporézní částice vztažená na její objem  průměr hustot porézní částice a tekutiny v pórech

 Sypná hustota  Hmotnost daného objemu volně sypaného prášku

 Setřesná hustota  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

2

24.9.2014

Vlastnosti sypkých hmot  Součinitel zaplnění



 objem pevných částic / objem lože

 Mezerovitost

=1-

 podíl volného prostoru v loži

 Hausnerův poměr



 podíl setřesné a sypné hustoty H T B  charakterizuje stlačitelnost prášku  špatná tokovost pro H > 1,25

 Distribuce velikosti částic  statistická veličina

Vlastnosti sypkých hmot Přehled metod měření velikosti částic Metoda 1. Sítová analýza 2. Mikroskopické metody a) světelná mikroskopie b) elektronová mikroskopie 3. Sedimentační a elutriační metody a) sedimentace v kapalině b) sedimentace v plynu c) sedimentace v odstředivém poli d) elutriace (rozplavování) 4. Metody založené na ohybu a rozptylu světla

   5. Metody založené na změně elektrické vodivosti

Obor použití [μm] mm až 40 μm 250 – 0,5 10 – 0,001 300 – 1 100 – 1 5 – 0,05 200 – 1 nm – 1000 μm nadmikronové velikosti [nm]

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“)

3

24.9.2014

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

Vlastnosti sypkých hmot  Charakterizace tvaru částic  Angularita – členitost sféricita

 Charakteristický rozměr nepravidelných částic

 Sféricita –   poměr povrchu kuličky o stejném objemu jako částice k povrchu částice

angularita

Hodnocení velikosti částic  Povrchový průměr dS  průměr koule, která má stejný povrch jako částice

 Prosevný průměr dA  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

4

24.9.2014

Vlastnosti sypkých hmot – Sypné úhly  Statické násypná

skluzová metoda

výtoková

sedimentační metoda

Vlastnosti sypkých hmot – Sypné úhly  Dynamické rotační

vibrační

ventilační metoda

Fyzikální vlastnosti  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

5

24.9.2014

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

Fyzikální vlastnosti – Doprava  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

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

6

24.9.2014

Rozdrobňování – zmenšování velikosti částic  Zahrnuje drcení a mletí, vzrůstá účinný povrch, aplikace suchou i mokrou cestou

 Volba metody rozmělňování podle materiálu Napětí materiálu

1) Tažné materiály Plastická deformace

lom

 výrazná plastická deformace  snižování vel. částic  

řezání strouhání

2) Křehké materiály

Elastická deformace

 snižování vel. částic Namáhání

 

drtiče mlýny

Spotřeba energie  Fragmentace  přibližně úměrná vznikajícímu povrchu

 Ztráty    

elastická deformace částic kompaktace částic tření plastická deformace částic

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)

7

24.9.2014

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 X2/X1. (Kick, empiricky) E = Kk ln (X2/X1), KK ... Kickova konstanta fc ... pevnost materiálu v tlaku [N.m-2] popis drcení (X > 50 mm)  v případě hodnoty n=2: E = Kr fc (1/X2 – 1/X1) KR ... Rittingerova konstanta (Rittinger) 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

Typy zařízení Kuželový drtič

8

24.9.2014

Typy zařízení  Válcový mlýn  Rozmačkává materiál stálým tlakem  Dvouválcový  Používá se k drcení sypkých hmot

 Trojválcový  Používají se k rozdrobňování materiálu lpícího 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)

Typy zařízení  Nárazový kolíkový mlýn  Rozmělňuje materiál mezi kolíky upevněných na rychle se otáčejících kotoučích  2 typy:  Disintegrátory  Oba kotouče se otáčejí

 Disintegrátor  Jeden kotouč se otáčí a jeden je pevný

9

24.9.2014

Fluidní mlýn (mikronizér)  Srážky částic uvedených do vysoké rychlosti  Hnací silou – tlakový vzduch (jednotky až desítky bar)  Vel. částic <30 mm

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)

Kulový mlýn  Optimální pokud má koule co nejdelší dopadovou dráhu  Stupeň naplnění mlýnu bývá cca 0,4 objemu  Opotřebení: mlýn 100-500 g/t ; koule 50-100 g/t  Výhody: přesně dané použití  

značný výkon konstantní jakost mletí

 Nevýhody: velký objem 

hlučné zařízení

 V laboratorím měřítku se používají tzv. planetové kulové mlýny.

10

24.9.2014

Třídění  Vibrační třídiče  pneumatické  S využitím fluidace se sérií cyklonových komor

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

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 (teplota °C, rel.vlhkost %)

11

24.9.2014

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

12

24.9.2014

Skladování  Plnění sypkých látek do zásobníku  Dochází k segregaci komponent  Jemné podíly uprostřed a hrubé u stěn

Skladování  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

Skladování  Objemový tok

 Jádrový tok

13

24.9.2014

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

hf ...výška výtokové oblasti u stěny [m] t …čas, za který se jednotlivé objemy zásobníku vyprázdní [hod]

Doprava  Dávkování sypkých látek ze zásobníků  Dávkovací zařízení napojeno na výtokový otvor zásobníku  Dopravníky s vodorovnou dopravní plochou  Šnekové  Pásové  Vibrační

 Podavače  Talířové  turniketové

14

24.9.2014

Šnekový dopravník  Na krátké vzdálenosti (pevnost hřídele v kroucení  Současné promíchávání, kypření  Vhodné i pro zrnitý a kašovitý materiál a těstovité hmoty

Pásový podavač •

limitujícím faktorem je maximální sklon, který závisí na materiálu

Talířový podavač

Vibrační podavač • Spojení dopravy s tříděním • Ne pro prašné, mokré a lepkavé látky

15

24.9.2014

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]

Gs = S · u · gs· x

S....průřez potrubí u....rychlost proudění materiálu gs...specifická hmotnost materiálu x....Procento rozptýlení (objemový vzorek)

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 a u nebezpečí statické elektřiny

16

24.9.2014

BEZPEČNOST PŘI MANIPULACI  Při manipulaci se sypkými látkami vzniká statická elektřina (nízká el.vodivost materiálu, nevodivé prostředí).  Případná jiskra může být příčinou výbuchu nebo požáru.  Zařízení i dopravní trasy proto musí být uzemněny!

17