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May 09, 2023

Herausforderungen beim Pulvermischen und wie man sie meistert

01. Okt. 2019 Das Mischen von Pulver- und Granulatmaterialien ist entscheidend für die Qualität und

01. Okt. 2019

Das Mischen von Pulver- und Granulatmaterialien ist für die Qualität und Leistung einer breiten Palette von Produkten in vielen Prozessen in der Lebensmittel-, Pharma-, Papier-, Kunststoff- und Gummiindustrie von entscheidender Bedeutung. Damit ein Endprodukt die erforderlichen Eigenschaften erfüllt, sind drei wichtige Merkmale des gemischten Produkts erforderlich: Fließfähigkeit, Homogenität und Probenahme der Mischung zur Bewertung der Mischbarkeit des Produkts. Pulvermischer (taumelnd, konvektiv oder mit hoher Scherung) werden nach ihrem Mischmechanismus klassifiziert: Diffusion, Konvektion und Scherung. Die Auswahl des Mischers hängt von den Partikeleigenschaften wie Form, Partikelgröße, Dichte und der Menge der einzelnen Komponenten ab. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren wird das Entmischungspotenzial minimiert. Entscheidend sind das Mischerfüllvolumen, die Mischdauer und die Drehzahl (bei Taumelmischern).

Die Fließfähigkeit kann niemals als einzelner Wert oder Index ausgedrückt werden. Die Fließfähigkeit ist das Ergebnis der Kombination der physikalischen Eigenschaften eines Materials, die den Materialfluss beeinflussen, und der für die Handhabung, Lagerung oder Verarbeitung des Materials verwendeten Ausrüstung. Die Hauptmotivation für die Herstellung frei fließender pharmazeutischer Pulver ist die Schaffung einer gleichmäßigen Zufuhr aus Großlagerbehältern in die Zufuhrmechanismen nachfolgender Verarbeitungsvorgänge. Alle diese Transfermechanismen erfordern ein geeignetes Pulverflussverhalten, das sowohl von den Materialeigenschaften und der Prozessausrüstung als auch von der Konstruktion der Transferausrüstung abhängt. Zwischenpartikelkräfte, einschließlich Van-der-Waals-Kräfte, Kapillarkräfte (Flüssigkeitsbrückenkräfte), elektrostatische Kräfte, Kräfte, die zum Sintern und zur Bildung fester Brücken führen, Reibungskräfte und andere, können einen starken Einfluss auf das Verhalten von Pulverflusssystemen wie Trichtern haben. Steigleitungen, Fest- und Wirbelbetten sowie pneumatische Förderung. Diese Kräfte sind für die Kohäsionseigenschaften feiner Pulver und ihre Tendenz zur Bildung von Aggregaten oder Agglomeraten verantwortlich. Selbst die Zugabe relativ geringer Mengen Feuchtigkeit kann dazu führen, dass ein frei fließendes Pulver zu etwas wird, das weitaus schwieriger zu handhaben ist. Daher ist es für die Entwicklung kosteneffizienter Betriebsstrategien von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf das zu handhabende und gelagerte Material zu verstehen.

Viele Unternehmen in der chemischen Prozessindustrie (CPI) haben aufgrund der kohäsiven Beschaffenheit von Pulvern Probleme mit der Strömung und dem Kernströmungsverhalten. Oftmals erleichtert eine Änderung des Designs des Trichters, der das Material ausgibt, den Fluss, der besonders in der pharmazeutischen Industrie von entscheidender Bedeutung ist, wo ein gleichmäßiger Fluss der Pulvermischung der Tablettenpresse zugeführt werden muss, um eine gleichmäßige Dosierung zu erreichen. Das Design des Massenflusstrichters verhindert Rattenbildung und pulsierenden Pulverfluss. Die Standardmethode zur Charakterisierung der Fließeigenschaften fester Materialien ist die Scherprüfung, die Informationen über den Fließort des betreffenden Feststoffs liefert. Aus den Fließorten werden auch alle anderen Fließeigenschaften (Winkel der inneren Reibung, Kohäsion, Fließfunktion, kinematischer Wandreibungswinkel usw.) von Festkörpern bestimmt.

Bei der Bewegung von Schüttgut kommt es tendenziell zur Entmischung. Jeder Handhabungs- oder Verarbeitungsvorgang führt daher zu Bedingungen, unter denen eine Trennung stattfinden kann. Segregation entsteht, wenn unterschiedliche Kräfte auf unterschiedliche Anteile der Schüttgutmasse einwirken. Die wirkenden Differenzkräfte werden durch die Mechanik bestimmt, die bei bestimmten Materialtransportvorgängen vorherrscht. Unterschiede in den meisten Partikeleigenschaften können unter bestimmten Umständen zu einer nicht zufälligen Bewegung von Partikeln führen. Eine Entmischung tritt innerhalb eines Mischers auf, wenn Unterschiede in den Partikeleigenschaften eine bevorzugte Bewegung von Partikeln in bestimmte Bereiche des Mischers bewirken. Unterschiede in der Partikelgröße, -dichte, -form und -elastizität sind die Eigenschaften, die am meisten für die Entmischung verantwortlich sind. Die am häufigsten beobachteten Segregationsarten sind Perkolations- oder Sieb-Segregation, Trajektorien-Segregation, Fluidisierungs-Segregation und Staub-Segregation.

Bei der Entnahme von Pulver- oder Granulatmischungen aus dem Mischer oder aus den Produktlagerbehältern kommt es im Allgemeinen zu einer Entmischung. Bei der Perkolationstrennung bewegen sich kleinere Partikel durch eine Mischung aus größeren Partikeln. Im Allgemeinen ist das Ausmaß der Entmischung umso größer, je größer der Unterschied in der Partikelgröße ist. Fluidisierungssegregation tritt auf, wenn feinere Partikel beim Be- oder Entladen des Produkts belüftet werden. Aufgrund des Unterschieds in der Partikelgröße zwischen gröberen und feinen Partikeln und ihrer Fähigkeit, in der Luft zu schweben, wenn das Mischmaterial aus dem Mischer ausgetragen oder aus dem Vorratsbehälter geladen und ausgetragen wird, kommt es daher zu einer Staubentmischung. Es gibt mehrere Situationen, in denen übermäßiges Mischen in der einen oder anderen Form nicht nur Energieverschwendung, sondern auch kontraproduktiv ist.

Um die Qualität der Mischung zu bestimmen und zu charakterisieren, müssen mehrere Proben entnommen und analysiert werden. Wenn die Wirkungsweise eines Mischers verstanden ist, kann die Probenahmeposition so gewählt werden, dass sich langsam bewegende Bereiche oder Abschnitte berücksichtigt werden können, die zur Entmischung neigen. Stichprobenmethoden sind so konzipiert, dass sie theoretisch repräsentative Stichproben liefern und dann davon ausgehen, dass etwaige Stichprobenfehler vernachlässigbar sind. Da Variationen in Pulvermischungsproben wahrscheinlich eine Funktion der Partikelgrößenverteilung wären, ist es nicht möglich, die absolute Effizienz der Technik zu messen. Die Beziehung zwischen der Anzahl der entnommenen Proben und der daraus resultierenden Genauigkeit bei der Schätzung der wahren Standardabweichung ist ein statistisches Standardmaß der Gaußschen Verteilung. Im Allgemeinen nehmen die Probenahmeprobleme mit abnehmender Qualität der Mischung zu. Eine voreingenommene Stichprobenauswahl wird vermieden, wenn potenzielle Stichproben mithilfe von Zufallszahlen ausgewählt werden. Die voreingenommene Probenentnahme aus der Mischung wird im Allgemeinen verringert, wenn die Probe aus einem sich bewegenden Strom der Mischung und nicht aus einer statischen Partikelmasse entnommen wird. Nach der Bestimmung der Streuung der Zusammensetzung werden die Ergebnisse als Varianz angegeben.

In der pharmazeutischen Industrie ist die Homogenität der Mischung von größter Bedeutung, um sicherzustellen, dass der Arzneimittelwirkstoff gleichmäßig in der Pulver-/Granulatmischung verteilt ist. Die gebräuchlichste Technik zur Probenahme von Arzneimittelmischungen ist die Verwendung von Sampling Thief. Diebische Probenahme hat den Vorteil, dass Proben in großen Mischern gesammelt und anschließend gemischt werden können, bis die optimale Mischzeit erreicht ist. Bachproben sind auch eine Alternative zum Einsatz von Probendieben. Bachproben können nicht auf Standorte abzielen, bei denen der Verdacht besteht, dass sie eine schlechte Mischung bieten. Das Ziel der Bachprobenentnahme besteht darin, repräsentative Proben zu erhalten und nicht auf bestimmte Standorte abzuzielen. Die Mischung gilt als homogen, wenn festgestellt wird, dass der pharmazeutische Wirkstoff in der Mischung innerhalb der Spezifikation liegt. Die erhaltenen Ergebnisse werden üblicherweise in Milligramm Wirkstoff pro Gramm der pharmazeutischen Mischung und als Standardabweichung oder relative Standardabweichung des Wirkstoffgehalts angegeben. Um eine zuverlässige Schätzung zu erhalten, ist die Entnahme einer bestimmten Anzahl von Proben erforderlich. Die Variabilität der von einer Einzelperson entnommenen Proben sowie die Varianz, die während der Analyse auftreten kann, erfordern Zeit und Mühe, um die Qualität der Mischung zu bestimmen. Die Messung des Mischungsprofils in Echtzeit mit Nahinfrarot (NIR) bietet die Möglichkeit, die Dynamik der Pulvermischung zu untersuchen. Fortschritte in der Sensortechnologie wie NIR und Datenverarbeitung ermöglichen die vollständige Überwachung einer größeren Anzahl von Parametern mithilfe von Online-Verfahren. Durch diese Automatisierung ist die Menge der erfassbaren Testdaten erheblich gestiegen und ermöglicht so eine umfassendere statistische Analyse.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Mischen von Pulvern ein gutes Verständnis der physikalischen Eigenschaften der Partikel erfordert, die die Zusammensetzung der Mischung ausmachen, des Gerätedesigns und einer geeigneten Probenahmetechnik, um sicherzustellen, dass die Qualität der Mischung wie spezifiziert erreicht wurde.

Dilip M. Parikh ist Präsident und CEO der Dpharma Group Inc., einem Beratungsunternehmen für Pharmatechnologie in Ellicott City, MD. Weitere Informationen erhalten Sie unter der Rufnummer 410-900-8489.

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