3/1:20936

2.9.36. СЫПУЧЕСТЬ ПОРОШКОВ

Распространенное использование порошков в фармацевтической промышленности

привело к возникновению разнообразных методов для характеристики их сыпучести.

Предпринимается попытка установить связь с различными критериями сыпучести

порошков и производственным процессом. Разработка такого большого количества

разнообразных методик испытаний была неизбежна, так как поведение порошков

многогранно, что усложняет попытки охарактеризовать их сыпучесть.

Целью данной общей монографии является обзор наиболее часто встречающихся в

фармацевтической практике методов оценки сыпучести порошков. Любой метод оценки

сыпучести порошка должен быть практичным, воспроизводимым и чувствительным, а

также обеспечивать получение информативных результатов. Однако, ни один простой

метод определения сыпучести порошков не способен адекватно и полностью

охарактеризовать широкий спектр свойств сыпучести порошка, имеющий определенное

значение для фармацевтической промышленности. Подходящей стратегией может быть

использование нескольких стандартизированных методов испытаний, характеризующих

различные характеристики сыпучести порошка, необходимые разработчику.

В данной общей монографии приводятся рекомендации по стандартизации методов

испытаний, которые могут быть полезны на стадии фармацевтической разработки.

Наиболее часто для оценки сыпучести порошка используют 4 метода испытаний:

– определение угла естественного откоса;

– определение коэффициента прессуемости или коэффициента Хауснера;

– определение скорости сыпучести через отверстие;

– метод сдвиговой ячейки.

Кроме того, встречаются многочисленные разновидности каждого из этих основных

методов. Учитывая большое количество методов испытаний и их разновидностей, при

возможности, необходима стандартизация методологии испытаний.

Далее приводится описание наиболее часто используемых методов.

Определены важнейшие экспериментальные аспекты и представлены рекомендации,

касающиеся стандартизации данных методов. В общем, любой метод оценки сыпучести

порошка должен быть практичным, воспроизводимым и чувствительным, а также должен

обеспечивать получение информативных результатов. Однако ни один из методов

определения сыпучести порошков не способен адекватно и полностью охарактеризовать

широкий спектр свойств сыпучести испытуемого порошка, имеющий определенное

значение для фармацевтической промышленности. Подходящей стратегией может быть

использование нескольких стандартизированных методик испытаний, характеризующих

различные свойства сыпучести порошка, необходимые для фармацевтической разработки.

УГОЛ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТКОСА

Угол естественного откоса используется в различных отраслях науки для описания

свойств сыпучести твердых тел. Угол естественного откоса является характеристикой,

учитывающей трение частиц между собой, а также сопротивление между частицами при

их движении. Результат определения угла естественного откоса во многом зависит от

используемого метода. Трудности в проведении испытания возникают из-за расслаивания

(сегрегации), уплотнения или разрыхления (аэрации) порошка при формировании конуса.

Несмотря на это, метод продолжает использоваться в фармацевтической

промышленности, описано множество примеров, демонстрирующих его значение при

прогнозировании производственных проблем.

Угол естественного откоса представляет собой постоянную величину трехмерного угла

(относительно горизонтальной поверхности), образующегося при насыпании порошка

горкой в виде конуса. Величину угла определяют из способов, описанных ниже.

Основные методики определения угла естественного откоса

Большинство применяемых методик определения статистического угла естественного

откоса могут быть классифицированы на основе двух важных экспериментальных

переменных:

– высота «воронки», через которую проходит порошок, которая может

Устанавливаться относительно основания или изменяться по мере

формирования горки;

– основание, на котором образуется горка, которая может иметь

определенный диаметр, или диаметр основания конуса горки из порошка

может изменяться по мере формирования горки.

Разновидности методики определения угла естественного откоса

Представлены описания следующих разновидностей вышеупомянутых

методик:

– стекающий угол естественного откоса определяется после «высыпания» из контейнера

дополнительного количества порошка, выходящего за пределы основания конуса горки

определенного диаметра. Стекающий угол естественного откоса определяют на

сформировавшемся конусе порошка с основания определенного диаметра;

– динамический угол естественного откоса определяется путем заполнения цилиндра (с

прозрачной плоской крышкой на одном конце) и вращения его с определенной

скоростью. Динамический угол естественного откоса – это угол (относительно

горизонтальной поверхности), сформированый сыпучим порошком. Внутренний угол

кинетического трения определяют путем отделения на плоскости частиц, которые

скатываются с верхнего слоя порошка, и частиц, которые вращаются вместе с

цилиндром (с шероховатой поверхностью).

Общая шкала сыпучести и угла естественного откоса

Несмотря на то, что существуют некоторые различия в качественном описании сыпучести

порошков с использованием угла естественного откоса, в большинстве случаев

согласуется с классификацией Карра, приведенной в таблице 2.9.36.-1. Имеются примеры

смесей с углом в диапазоне 40° - 50°, которые достаточно широко используются в

технологическом процессе. Порошки, с углом естественного откоса более 50°, редко

приемлемы для производственных целей.

Таблица 2.9.36.-1. – Сыпучесть и соответствующий угол

естественного откоса

Характеристика сыпучести

Угол естественного откоса (в

градусах)

Отличная

25 – 30

Хорошая

31– 35

Достаточная (дополнительных

действий не требуется)

36 – 40

Удовлетворительная

(может застревать)

41 – 45

Плохая (необходимо встряхивание,

вибрация)

46 – 55

Очень плохая

56 – 65

Крайне плохая

Более 66

Условия экспериментального определения угла естественного откоса

Угол естественного откоса не является естественным свойством порошка, так как он в

значительной степени зависит от методики, используемой для формирования конуса

порошка. Следует обратить внимание на следующие важные аспекты:

– вершина конуса порошка может деформироваться под воздействием порошка сверху.

Деформацию под воздействием порошка сверху можно минимизировать при

осторожном построении порошкового конуса;

– материал основания, на котором строится конус из порошка, влияет на угол

естественного откоса. Рекомендуется, чтобы конус из порошка формировался на

«одинаковом основании», то есть образование конуса порошка на слое порошка,

достигаемый путем использования основания с определенным диаметром, внешние

края которого имеют бортик для получения слоя порошка, на котором формируется

конус.

Рекомендуемая методика определения угла естественного откоса

Формируют угол естественного откоса на неподвижном основании с бортиком,

удерживающим на основании слой порошка. Основание не должно подвергаться

вибрации. Высоту воронки подбирают таким образом, чтобы порошок образовывал

симметричный конус.

Необходимо принять меры по предупреждению вибрации при движении воронки. Для

уменьшения воздействия падающего порошка на формирующуюся вершину конуса, край

воронки должен находиться на расстоянии 2-4 см от вершины горки порошка. Если

симметричный конус порошка не удается получить или воспроизвести, то этот метод не

может быть использован. Измеряют высоту полученного конуса порошка и рассчитывают

угол естественного откоса α по следующей формуле:

tan(α )=

высота

0.5 х диаметр

КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕССУЕМОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТ ХАУСНЕРА

В последние годы определение коэффициента прессуемости и близко связанного с ним

коэффициента Хауснера стало простым, быстрым и популярным методом

прогнозирования характеристик сыпучести порошков. Коэффициент прессуемости был

предложен в качестве косвенного показателя насыпной плотности, размера и формы,

площади поверхности, содержания влаги и когезионной способности вещества, поскольку

все эти параметры могут влиять на коэффициент прессуемости. Таким образом,

коэффициент прессуемости и коэффициент Хауснера определяют путем измерения

насыпного объема порошка и объема порошка после уплотнения.

Основные методики определения коэффициента прессуемости и коэффициента

Хауснера

Хотя существует несколько разновидностей методики определения коэффициентов

прессуемости и Хауснера, основное испытание заключается в измерении кажущегося

(насыпного) объема порошка (Vo) и объема порошка после его уплотнения (Vf) до тех пор,

пока в объеме не будет происходить никаких изменений. Коэффициент прессуемости и

коэффициент Хауснера рассчитывают по следующим формулам:

Коэффициент прессуемости = 100 х V0 – Vf

Коэффициент Хауснера = 





В качестве альтернативы коэффициент прессуемости и коэффициент Хауснера могут быть

рассчитаны с использованием измеренных значений насыпной плотности (pbulk) и

плотности после уплотнения (ptapped) следующим образом:

Коэффициент прессуемости = 100 x ptapped – pbulk

ptapped

Коэффициент Хауснера

= p

tapped

bulk

Иногда в некоторых разновидностях методики определяют степень уплотнения как

отдельный либо дополнительный параметр изменения объема при уплотнении. Для

коэффициента прессуемости и коэффициента Хауснера используется общепринятая шкала

сыпучести, приведенная в таблице 2.9.36.-2.

Таблица 2.9.36.-2. – Шкала сыпучести

Коэффициент

прессуемости (%)

Характеристика

сыпучести

Коэффициент

Хауснера

1-10

Отличная

1.00- 1.11

11-15

Хорошая

1.12- 1.18

16-20

Достаточная

1.19- 1.25

21-25

Удовлетворительная

1.26- 1.34

26-31

Плохая

1.35- 1.45

32-37

Очень плохая

1.46- 1.59

> 38

Крайне плохая

> 1.60

Условия экспериментального определения коэффициентов прессуемости и Хауснера

Коэффициенты прессуемости и Хауснера не являются присущими естественными

свойствами порошка, так ка они зависят от используемой методики. В имеющейся

литературе указано несколько важных факторов, влияющих на определение кажущегося

(насыпного) объема порошка Vo, объема порошка после уплотнения Vf, насыпной

плотности pbulk и плотности после уплотнения ptapped:

– диаметр используемого цилиндра;

– количество встряхиваний, необходимых для достижения насыпной плотности после

уплотнения;

– масса материала, используемого в испытании;

– вращение образца во время его уплотнения.

Рекомендуемая методика определения коэффициентов прессуемости и Хауснера

Используют мерный цилиндр вместимостью 250 мл и массу испытуемого образца в

количестве 100 г. Могут использоваться меньшие количества и объемы, но описания всех

изменений в методике должны быть описаны вместе с полученными результатами.

Рекомендуется проводить в среднем три определения.

СКОРОСТЬ СЫПУЧЕСТИ ПОРОШКОВ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЕ

Скорость сыпучести порошка зависит от многих факторов, некоторые из которых

обусловлены свойствами его частиц, а некоторые зависят от испытания. Определение

скорости сыпучести порошка через отверстие было предложено в качестве улучшенного

метода оценки его сыпучести. При использовании данного метода особое значение имеет

проведение непрерывного мониторинга сыпучести порошка, так как пульсирующие

потоки наблюдаются даже у свободно сыпучих порошков. Изменения скорости потока

могут наблюдаться также по мере освобождения контейнера. Были выведены

эмпирические уравнения, связывающие скорость потока с диаметром отверстия,

размером и плотностью частиц. Однако определение скорости сыпучести порошка через

отверстие может использоваться только при испытании свободно сыпучих порошков.

Скорость сыпучести порошков через отверстие обычно определяется

отношением массы, вытекающей из контейнеров различного вида (цилиндра, воронки,

загрузочной воронки), ко времени. Измерение скорости сыпучести порошков может

происходить в дискретных приращениях или непрерывно.

Основные методики определения скорости сыпучести порошков

Наиболее распространенные методики для определения скорости сыпучести порошков

могут быть классифицированы на основании 3 важных экспериментальных переменных:

– тип контейнера, в который помещен порошок; обычно используются контейнеры в виде

цилиндров, воронок и загрузочных воронок из технологического оборудования;

– размер и форма используемого отверстия; диаметр и форма отверстия являются

критическими факторами при определении скорости сыпучести порошка;

– методика измерения скорости сыпучести порошка; скорость потока может измеряться

непрерывно с использованием электронных весов, оснащенных каким-либо

записывающим устройством (ленточный самописец, компьютер) или в дискретных

величинах (например, время, необходимое для прохождения через отверстие 100 г

порошка с точностью до десятой доли секунды, или количество порошка,

проходящего через отверстие в течение 10 с, с точностью до десятой доли грамма).

Разновидности методик определения скорости сыпучести порошков через отверстие

Можно определять массовую либо объемную скорость сыпучести порошков. Определение

массовой скорости сыпучести порошков является более легкой методикой, но

отрицательно влияет на результаты при испытании материалов с высокой плотностью. В

таком случае предпочтительнее использовать определение объемной скорости сыпучести.

Иногда для облегчения сыпучести порошка из контейнера используется виброустройство,

что, однако, усложняет интерпретацию результатов. Для более точного моделирования

условий роторного пресса было предложено использовать устройство с подвижным

отверстием. Также определяется минимальный диаметр отверстия, через которое

проходит поток порошка.

Общая шкала сыпучести и скорость сыпучести порошков

Так как скорость сыпучести зависит от используемого метода измерения, общая шкала

сыпучести при данном методе не применима. Поэтому сравнение опубликованных

результатов является затруднительным.

Условия экспериментального определения скорости сыпучести порошков

Скорость сыпучести через отверстие не является естественным его свойством. Она в

значительной мере зависит от используемой методики. Известны несколько важных

параметров, влияющих на получаемые результаты:

– диаметр и форма отверстия;

– тип материала, из которого сделан контейнер (металл, стекло, полимер);

– диаметр и высота порошкового слоя.

Рекомендуемая методика определения скорости сыпучести порошков через

отверстие

Определение скорости сыпучести через отверстие используется для порошков, имеющих

некоторую способность к сыпучести порошков. Эта методика не пригодна для когезивных

порошков. Если высота порошкового слоя (так называемая «головная часть» порошка)

значительно выше, чем диаметр диафрагмы, то степень сыпучести фактически не зависит

от высоты слоя. Целесообразно использовать в качестве контейнера цилиндр, чтобы

стенки контейнера практически не влияли на поток порошка. В этом случае скорость

потока будет определяться подвижностью порошка по порошку, а не движением порошка

по стенке контейнера. Часто скорость вытекания порошка увеличивается, если высота

столбика порошка меньше, чем его двойной диаметр. Отверстие должно быть круглым, а

цилиндр не должен вибрировать. Основные требования к размерам цилиндра следующие:

– диаметр отверстия должен быть больше диаметра частиц более чем в 6 раз;

– диаметр цилиндра должен быть больше диаметра отверстия более чем в 2 раза.

Использование загрузочной воронки в качестве контейнера может быть уместно для

репрезентативной оценки текучести в производственных условиях. Не рекомендуется

использовать воронку, особенно с выходным стволом, так как скорость потока будет

зависеть не только от размера и высоты выходного ствола, но и от силы трения между

порошком и стволом воронки. Можно использовать воронку в виде усеченного конуса,

но в этом случае на скорость потока будет влиять коэффициент трения между стенками и

порошком, поэтому большое значение имеет материал воронки.

Для обеспечения максимальной подвижности и оптимальной структуры потока («порошок

по порошку») в плоском дне цилиндра делают отверстие с изменяемым диаметром.

Измерение скорости сыпучести порошка может быть или дискретным, или непрерывным.

Непрерывное измерение скорости сыпучести с использованием электронных весов

позволяет более эффективно обнаруживать кратковременные изменения скорости

сыпучести порошка.

МЕТОД СДВИГОВОЙ ЯЧЕЙКИ

Для обеспечения фундаментальных основ изучения сыпучести порошков и

проектирования загрузочных воронок для разных видов порошков были разработаны

специальные приборы и методы сдвига, позволяющие дать более полную и точную

характеристику текучести порошков. Методология сдвиговой ячейки широко

используется в изучении порошков, используемых в фармацевтической промышленности.

Используя эти методы, можно получить множество различных параметров, включая

зависимость сыпучести от наличия деформации сдвига, угол внутреннего трения,

неограниченное напряжение при сыпучести, прочность при растяжении, а также

производные параметры, такие как фактор потока и другие коэффициенты сыпучести.

Благодаря возможности управлять экспериментальными параметрами более точно

характеристики сыпучести можно определять как функцию нагрузки уплотнения, времени

и других условий внешней среды. Эти методы успешно используются для определения

основных параметров загрузочной воронки и смесителей.

Основные методики сдвиговой ячейки

Одним из типов сдвиговой ячейки является цилиндрическая ячейка, которая в

горизонтальном разрезе формирует плоскость сдвига между нижним неподвижным

основанием и верхней подвижной частью кольца ячейки. После уплотнения слоя

порошка в сдвиговой ячейке (при использовании детально описанной методики)

определяют силу, необходимую для сдвига слоя порошка движением верхнего кольца.

Модели кольцевой сдвиговой ячейки по сравнению с моделью цилиндрической сдвиговой

ячейки имеют несколько преимуществ, включая использование меньшего количества

материала. Недостатком данной ячейки, обусловленным ее конструкцией, является то, что

слой порошка сдвигается неоднородно, так как частицы порошка на внешней части кольца

сдвигаются больше, чем частицы внутренней области. Третий тип сдвиговой ячейки (тип

пластины) представляет собой тонкий слой порошка между нижней неподвижной

шероховатой поверхностью и верхней подвижной шероховатой поверхностью.

Все методики сдвиговой ячейки имеют свои преимущества и недостатки, однако их

подробный обзор выходит за рамки данной общей монографии. Существенное

преимущество метода сдвиговой ячейки заключается в возможности в большей степени

контролировать условия испытания. Однако данный метод является достаточно

длительным, требует значительного количества порошка и наличия обученного

оператора.

Рекомендации к методу сдвиговой ячейки

Многие существующие конфигурации сдвиговых ячеек и методы испытаний

предоставляют большой массив данных и могут очень эффективно использоваться для

характеристики сыпучести порошков. Они также полезны при разработке оборудования,

такого как загрузочные воронки и смесители. Из-за разнообразия используемого

оборудования и экспериментальных процедур никакие определенные рекомендации

относительно методологии в общей монографии не приводятся. Рекомендуется, чтобы

результаты определения характеристик сыпучести порошков, полученные с

использованием метода сдвиговых ячеек, включила полное описание оборудования и

используемой методики.