Lez 18 Miscelazione Polveri Modalita Compatibilita

14/05/2013

MISCELAZIONE DI SOLIDI Definizione: Processo che tende a randomizzare (disporre in modo casuale) particelle dissimili all’interno di un sistema

La miscelazione di solidi (polveri) è un’operazione molto utilizzata in campo farmaceutico sia per ottenere forme farmaceutiche finite che come operazione antecedente la formulazione di compresse, capsule, granulati.

Miscelazione di polveri, risulta molto differente nelle variabili di processo, e anche nel risultato finale, dalla miscelazione di fluidi

Le miscele di solidi sono meno stabili delle miscele di fluidi

MISCELAZIONE DI SOLIDI

La miscelazione di polveri è resa possibile dal movimento delle particelle le une rispetto alle altre, previa applicazione di una forza al letto di polvere, Si ha inizialmente un movimento di espansione del letto di polvere che facilita la dislocazione delle singole particelle (o di gruppi di particelle) nello spazio, con successivo spostamento e riposizionamento di gruppi di particelle (o particelle singole). Il movimento più probabile è lo scivolamento su un piano.

Letto di polvere

Espansione del letto di polvere

Movimento

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VARIABILI PARTICELLARI CHE INTERVENGONO NELLA MISCELAIZONE DI POLVERI
Dimensione particellare

Distribuzione granulometrica

Tipo di flusso

Motivo

2000 – 250

Buona scorrevolezza se la forma è tondeggiante e regolare.

La massa delle singole particelle è relativamente grande.

250 – 75

La scorrevolezza può essere problematica.

Elevata area superfciale esposta quindi elevati attriti superficiali.

< 75

La scorrevolezza è spesso problematica

Elevate forze di coesione, energia superficiale, forze elettrostatiche.

Dimensioni µm


Densità
Elasticità
Proprietà di superficie (liscia, rugosa, ecc.)
Forma della particella solida (fattore forma)

FORZE ESTERNE CHE INTERVENGONO NELLA MISCELAZIONE:

Forze di compressione: tendono ad avvicinare le particelle Forze di allungamento: tendono ad allontanare le particelle Forze di taglio: tendono ad inserire le particelle le une nelle altre.

Queste forze sono sviluppate dal miscelatore e variano a secondo del tipo di miscelatore e dell’organo di miscelazione Queste forze intervengono sulla polvere e sviluppano forze gravitazionali Per un’efficiente miscelazione sono molto importante le forze di taglio, la massa da miscelare dovrebbe passare attraverso la zona di taglio ad intervalli regolari e frequenti

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FORZE INTERNE AL LETTO DI POLVERE CHE SI SVILUPPANO NELLA MISCELAZIONE Forze gravitazionali

Favoriscono il movimento

Forze inerziali Frenano il movimento Forze coesive

Forze gravitazionali: favoriscono il processo di miscelazione

Forze di accelerazione: prodotte dai movimenti translazionali o rotazionali, tendono a far muovere particelle adiacenti o gruppi di particelle adiacenti.

Forze centrifughe: agiscono su aggregati di particelle in rotazione e tendono a suddividerli in aggregati più piccoli.

Elasticità del materiale influenza i movimenti translazionali e rotazionali: minore elasticità del materiale più rapidi sono i movimenti e il passaggio tra movimenti translazionali e rotazionali.

FORZE INTERNE AL LETTO DI POLVERE CHE SI SVILUPPANO NELLA MISCELAZIONE

Forze inerziali, forze coesive: ostacolano il processo di miscelazione Interazioni interparticellari: polarità superficiale, carica di superficie, sostanze adsorbite in superficie (es. umidità), fenomeni di elettrizzazione. Sono associate a dimensione, forma delle particelle, caratteristiche di superficie.

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MECCANISMI DI MISCELAZIONE DI SOLIDI Convective mixing: movimento di piccole masse di polvere (analogo al trasporto in massa dei fluidi), si ottiene per inversione del letto di polvere per mezzo di lame, viti senza fine.Da questo meccanismo di miscelazione si originano “pacchetti” di polveri di composizione dissimile. Shear mixing: movimento di interi piani, simile al flusso laminare dei fluidi. Dà origine a “pacchetti” di polveri di composizione dissimile.

Diffusive mixing: movimento individuale delle particelle. Scambio di posizione delle singole particelle, elimina le differenze di concentrazione all’interfaccia tra i vari “pacchetti” di polvere dissimili tra loro.

Importante! Nei solidi la miscelazione difficilmente è un fenomeno neutro, la miscela che si ottiene difficilmente conserva lo stato di miscelazione raggiunto (fenomeni di segregazione).

Meccanismi di miscelazione

Miscelazione convettiva

Miscelazione diffusiva

Miscelazione convettiva e diffusiva

Per una buona miscelazione devono intervenire più meccanismi.

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Legge della miscelazione : cinetica di 1°ordine

M = A(1 − e kt )

A: costante che dipende dai parametri geometrici del miscelatore; k: costante che dipende dalle caratteristiche fisiche dei materiali da miscelare

Miscela omogenea

Grado di miscelazione M= Sr/Si 1

Tempo economico di miscelazione: corrisponde al minimo

tempo di miscelazione che permette di ottenere una miscela il più vicino possibile alla miscela ideale. si calcola empiricamente su campioni, rappresentativi, di miscela reale sui quali si va a valutare composizione e dev. standard (Sr) a tempi di miscelazione definiti, che viene rapportata alla dev. standard fissata per la miscela ideale (Si).

La presenza di particelle con caratteristiche diverse (forma, superficie e densità) può instaurare un potenziale di demiscelazione (segregazione) che tende a causare la segregazione dei componenti la miscela secondo la seguente equazione:

dM = A(1 − M ) − Bφ dt M = grado di miscelazione; T = tempo di miscelazione A = costante che dipende dai parametri geometrici e fisici del miscelatore B = costante che dipende dalla densità e forma delle particelle

φ = potenziale di demiscelazione che di pende dalla distribuzione dei componenti la miscela

φ > 0 , la sostanza a densità maggiore si trova nello strato superiore della miscela (miscela non ancora omogenea)

φ = 0 , miscela omogenea. φ < 0, la sostanza densità maggiore si trova nello strato inferiore della miscela (demiscelazione)

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SEGREGAZIONE (demiscelazione)

Separazione dei componenti una miscela di polveri in base alle caratteristiche delle singole polveri.

Le particelle solide tendono a segregare a causa delle differenze in dimensione, densità, forma. FATTORI CHE FAVORISCONO LA SEGREGAZIONE •Scorrevolezza: influenza l’interscambio delle posizioni delle particelle. E’ preferibile che polveri da miscelare abbiano scorrevolezza simile. •Densità: è un parametro fondamentale su cui si basa la stabilità di una miscela solida •Umidità: elevato tasso di umidità nella polvere facilita la formazione di aggregati che variano le caratteristiche dimensionali, di forma e scorrevolezza delle polveri. •Friabilità: la friabilità del materiale può produrre variazione nella distribuzione granulometrica.

La segregazione può avvenire durante la miscelazione o a miscelazione terminata.

La segregazione è indice di instabilità di una miscela

Per ottenere miscele omogenee di eccipienti + principio attivo è importante scegliere eccipienti che abbiano elevata affinità per il principio attivo.

Le interazioni tra particelle possono migliorare l’omogeneità e la stabilità di una miscela.

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Miscela casuale : dispersione, secondo un processo puramente statistico, di un componente nell’altro. Non esistono interazioni chimico-fisiche o fisiche tra i componenti la miscela che restano indipendenti

Miscela casuale

Miscela segregata

Miscela ordinata : si realizza quando il componente con dimensioni più fini si disperde sulla superficie del componente più grossolano (carrier)

Particelle dissimili (polveri)

Miscela di polveri

Miscela segregata

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La miscela casuale

si ottiene miscelando due polveri di granulometria e densità simile in uguale percentuale. I tempi di miscelazione dipendono dalle polveri e dal miscelatore utilizzato.

Nelle miscele ordinate il rapporto ponderale componente fine/grossolano è basso; presuppongono delle interazioni chimicofisiche tra i due componenti (adesività delle particelle piccole sulle grosse). Sono meno soggette a segregazione

In ogni caso una miscela è omogenea quando i suoi componenti sono dispersi omogeneamente nel sistema.

A corpo fisso con organi di movimento

A corpo rotante

MISCELATORI


Planetario


Cilindrico (a tamburo rotante)


A coclea in controcorrente


Cilindrico su girafusti


A nastro (doppia spirale in controcorrente)


Biconico


A quattrovie


A V


A sigma


A cubo


Turbola


A letto fluido (pneumatico) MATERIALE DI COSTRUZIONE: in accordo con le GMP tutte le parti dei miscelatori che vengono in contatto con il prodotto sono in acciaio inossidabile a basso contenuto di carbonio (AISI 316 L)

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A corpo fisso con organi di movimento

MISCELATORI Vantaggi: Buona miscelazione

Facilità di carico e scarico miscele Possibilità di miscelare polveri anche umide e paste Facilità di termoregolazione

Svantaggi Pulizia difficile Elevato consumo energetico Costo elevato

MICELATORE A COCLEA IN CONTROCORRENTE Motore elettrico

La miscelazione avviene inserendo le polveri gradulamente nella zona centrale del miscelatore tramoggia

coclea

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MISCELATORE PLANETARIO

recipiente Agitatore ad ancora

Motore elettrico

Pala con movimento planetario indipendente. Possibilità di avere 2 bracci mescolanti. Diverse geometrie dei bracci mescolanti. Buona efficienza, non si creano punti morti Miscelazione di solidi, paste, fluidi molto viscosi. Granulazione a umido

MISCELATORE A NASTRO (DOPPIA SPIRALE CONTROCORRENTE) corpo del mescolatore spirali

asse Motore elettrico

scarico

Le due spirali ruotano in senso opposto e spostano il materiale nelle due direzioni opposte (una delle due raschia il contenitore). Una delle due spirali raschia la culla

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MISCELATORE A QUATTROVIE Spirale esterna Asse di rotazione

corpo Spirale interna

Il meccanismo di miscelazione si basa sul principio della campionatura per cui si ottiene una massa omogenea suddividendo la massa eterogena in parti che vengono miscelate e ri-suddivise fino ad avere un campione omogeneo.

CONFRONTO MISCELATORE A 4 VIE vs MISCELATORE A NASTRO

Miscelatore a 4 vie

Miscelatore a nastro

Differenze costruttive: le spirali del miscelatore a nastro hanno l’intera lunghezza del corpo del miscelatore e ruotano in senso opposto. Le spirali strette del miscelatore a 4 vie coprono metà della lunghezza del miscelatore e ruotano in senso opposto. Differenze nei meccanismi di miscelazione: Miscelatore a nastro: movimento in senso opposto delle intere masse. Miscelatore a 4 vie: suddivisione delle masse in quattro porzioni che vengono riunite e risuddivise.

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MISCELATORE A SIGMA O ZETA

Lo spazio di miscelazione è diviso in due culle all’interno delle quali ruota un braccio a forma di sigma. Le due sigma ruotano a velocità diverse. Elevata potenza. Miscelazione di solidi e di masse compatte o ad elevata viscosità. Sviluppa forze di taglio. Molto utilizzato nella granulazione a umido.

MISCELATORI a corpo rotante Vantaggi:
Basso consumo energetico
Facilità di carico e scarico
Apparecchi anche di grande capacità
Facile pulizia, manutenzione minima
Impianti strutturalmente semplici di non elevato costo Svantaggi:
Ingombro
Miscelano solo polveri asciutte e con buone caratteristiche di miscelazione, difficoltà con polveri fini.
Lentezza operativa, massimo 15-20 rpm per sviluppo di forze centrifughe a vel.superiori.
Capacità utile ≤50 – 60% del volume totale.

Esempi di miscelatori a tamburo rotante


Per ingredienti basso dosati si devono fare diluizioni progressive.

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Miscelatore cilindrico a tamburo corpo

Asse di rotazione

sostegno

I deflettori instaurano un flusso crociato (convective mixing) delle polveri, migliorando l’efficienza del miscelatore. Il miscelatore con deflettori può ruotare a vel fino a 100 rpm. Deflettori saldati sul corpo

Deflettori saldati sull’asse

Miscelatore a cilindro girafusti Supporto girafusti cilindro

Motore elettrico

Turbola (miscelatore a scuotimento tridimensionale)

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Carico delle polveri Tronchi di cono

Miscelatore biconico

Scarico delle polveri motore supporto

supporto Portelli carico/scarico

cilindri

Miscelatore a V Asse di rotazione

motore supporto

Il contenitore può essere rimosso al termine della miscelazione

Miscelatore a cubo cubo

supporto supporto

motore

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Influenza del tipo di miscelatore e del tipo di polvere sull’andamento della miscelazione

Andamento della miscelazione di una polvere costituita da cristalli a forma tonda e a forma poliedrica con diversi tipi di miscelatori 1: miscelatore a V. 2: miscelatore a quattrovie. 3: miscelatroe a nastro. 4: miscelatore a molazza. 5: miscelatore biconico,. 6: miscelatore planetario. 7: miscelatore cilindrico.

Influenza del tipo di miscelatore e del tipo di polvere sull’andamento della miscelazione

Andamento della miscelazione di una polvere costituita da cristalli di forma arrotondata ma differente densità e granulometria. 1: miscelatore a tamburo. 2: miscelatore a V. 3: miscelatore a nastro. 4: miscelatore a quattrovie.

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