Reducing Powder Segregation – a big issue especially in vacuum conveying systems

Pulver und Granulate

Pulver und Granulate können als eigenständige Darreichungsformen verwendet werden, aber die bei weitem grösste Verwendung von Granulaten und Pulvern in der pharmazeutischen Industrie findet ein Zwischenprodukt bei der Herstellung von komprimierten Tabletten. Solche Produkte beginnen mit den Ausgangsmaterialien - dem aktiven pharmazeutischen Wirkstoff, dem API und verschiedenen Hilfsstoffen. Neben dem Transport des Wirkstoffs in den Bereich des Körpers, in dem das Medikament seine Wirkung ausüben soll, spielen die Hilfsstoffe eine wichtige Rolle im Herstellungsprozess. Sie können auch wichtig sein, um die Arzneimittel davon abzuhalten, zu früh freigesetzt zu werden, wenn sie aufgenommen werden - an Orten, wo sie zartes Gewebe beschädigen und Magenreizungen oder Magenverstimmung erzeugen können. Hilfsstoffe sind Verdünnungsmittel oder Füllstoffe, Bindemittel, Zerfallsbeschleuniger, Schmiermittel, Farbstoffe und Konservierungsmittel. Zu guter Letzt werden einige Hilfsstoffe einfach verwendet, um das Produkt besser schmecken und aussehen zu lassen. Dies verbessert die Patientencompliance, vor allem bei Kindern. Obwohl sie im therapeutischen Sinne technisch "inaktiv" sind, sind pharmazeutische Hilfsstoffe kritische und wesentliche Bestandteile eines modernen Arzneimittels. In vielen Produkten bilden die Hilfsstoffe den Großteil der Gesamtdosierungsform.

Alle Ausgangsmaterialien, d.h. API und Hilfsstoffe, können anfänglich als Pulver mit unterschiedlichen Teilchengrößen und -dichten geliefert werden, und die erste Aufgabe im Herstellungsverfahren besteht darin, sie zu mischen, so dass sie einem Granulationsverfahren zugeführt werden können. Eine Granulation ist gewöhnlich erforderlich, um die durchschnittliche Teilchengröße der Pulver zu erhöhen, um so Material zu erzeugen, das frei in der Tablettenmaschinerie fließt. Das Gratulationsverfahren erschafft im besten Fall ein gut gemischtes Material, aber es bedarf einer sorgfältigen Kontrolle des Herstellers, um ein gutes Mischen zu gewährleisten, und oft kann eine gewisse Trennung der verschiedenen Materialien aufgrund der unterschiedlichen Teilchengrößen, Formen und Dichten der Ausgangsmaterialien auftreten. In der Tat, noch bevor das Granulationsverfahren stattfindet, kann eine Trennung oder Segregation der verschiedenen Materialien auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die gemischten Materialien einen signifikanten Abstand zwischen der Mischstufe und der Granulationsstufe, z.B. durch ein pneumatisches System oder Vakuumsystem, übertragen werden müssen.

Die Technologie der Saugförderung wird häufig in der pharmazeutischen Industrie verwendet, um Materialien durch die Verarbeitungslinie zu bewegen, Zutaten in verschiedenen Lösungen zu mischen und Tabletten zu behandeln. Da es sich um ein geschlossenes System handelt, ist die Saugförderung sicher, hygienisch und für viele Anwendungen die bevorzugte Lösung. Die Saugförderung von Pulvern und Granulaten muss jedoch gut durchgeführt werden, um eine Segregation zu vermeiden, also die Trennung der Bestandteile, die zu einer unebenen Mischung führt.

Segregation - ein kostspieliges Problem
Die Segregation während der Beförderung von Pulvern ist ein bedeutendes Problem für die pharmazeutische Industrie. In der Tat ist Segregation der Teilchen ein häufiges Problem in vielen Massenspeichersystemen und ihre Präsenz schafft ernsthafte Probleme bei der Qualitätskontrolle. Segregation schafft inkonsistente Chargen, die Dosierungsschwankungen in Arzneimitteln, signifikante Gewichts- und Geschmacksvariationen in verpackten Lebensmitteln sowie Gasströmungsprobleme in chemischen Reaktoren verursachen können.

Es gibt mehr als ein Dutzend leicht identifizierbarer Segregationsmechanismen, die zu nicht spezifikationskonformen Produkten führen, aber die fünf häufigsten Segregationsmechanismen - Sieben, Reibungswinkel, Feinststaubwirkung, Luftströmungen und Rutschbahn - sind für mehr als 80 Prozent der Segregationsprobleme in Feststoffhandlings- und Lagersystemen verantwortlich.

Segregation beim Sieben

Dies geschieht meist in einer Mischung, die frei fließende Teilchen mit signifikanten Größenvariationen enthält - typischerweise Unterschiede im mittleren Durchmesser von 3 mal oder mehr. Eine Bewegung zwischen den Teilchen, die oft durch Vibration verursacht wird, bewirkt, dass die feineren Komponenten durch grobe Komponenten durchgesiebt werden. Alle Behälter, Chargen-Mixer und Rutschen haben das Potential, zu Segregationsproblemen zu führen. Weil sie einen Luftstrom benutzt, um Partikel zu bewegen, stellt Saugförderung auch das Risiko dar, dass sich Zutaten durch Sieben trennen. Kleine Partikel passieren die Mischung von größeren Partikeln. Dichte sitzende Partikel fallen unter weniger dicht sitzende Partikel, und es kann eine geschichtete Strömung auftreten.

Reibungswinkel Segretation

Der Reibungswinkel eines körnigen Materials ist der steilste Winkel des Abstiegs oder der Neigung relativ zur horizontalen Ebene, auf die ein Material ohne zu rutschen gestapelt werden kann. In diesem Winkel befindet sich das Material auf der Hangfläche am Rand zum Gleiten. Der Reibungswinkel kann von 0 ° bis 90 ° reichen. Die Morphologie des Materials beeinflusst den Reibungswinkel; glatte, abgerundete Körner können nicht so stark gestapelt werden, wie grobe, ineinander greifende Körner. Der Reibungswinkel kann auch durch Zugabe von Lösungsmitteln beeinflusst werden; Wenn eine kleine Menge Wasser in der Lage ist, die Lücken zwischen den Teilchen zu überbrücken, wird die elektrostatische Anziehung des Wassers zu den mineralischen Oberflächen den Reibungswinkel erhöhen. Reibungswinkel-Segregation tritt auf, wenn Partikel, die mit größeren Reibungswinkeln abgelegt werden, einen steilen Haufen unter dem Ablagerungspunkt bilden, während die mit einem niedrigeren Reibungswinkel von diesem Punkt weg rollen.

Eine Mischung, die Komponenten enthält, die zusammenhängend oder mit rauher Oberfläche sind, sind besonders anfällig für eine Reibungswinkel-Segregation. Rotierende Schalenmischer, Lagerplätze und Behälter sind anfällig für diesen Mechanismus.

Segregation bei der Fluidisierung

Eine Segregation bei der Fluidisierung kann auftreten, wenn eine Mischung einen großen Teil einer leichten oder flockigen, frei fließenden, feinen Komponente enthält, die ausreicht, um eine Schicht zu bilden, und einen kleineren Teil einer relativ groben, schwereren Komponente. Die größere Komponente durchdringt leicht die fluidisierten Feinstoffe, und drückt dabei die Feinstoffschicht an die Oberseite des Behälters oder Gefäßes. Die Fluidisierung tritt besonders in Luftmischern, Hochgeschwindigkeits-Bandschneckenmischern, Behältern und Stapeln aktiv auf.

Luftstrom Segregation

Die feineren Teilchen in einer Mischung sind in Gegenwart von Luftstrom dafür anfällig zu fliegen. Diese sehr feinen Partikel wandern zu den Wänden der Gefäßwand oder in eine Staubsammelanlage. Wenn die Feinstkornanteile eine Nebenkomponente der Mischung oder kohäsiv sind, kann die Migration signifikant sein.

Rutschbahn Segregation

Diese Art der Segregation tritt als Ergebnis von Partikeln mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten auf und führt zu unterschiedlichen Entladungsbahnen, wenn die Mischung eine Rutsche hinunterrutscht. Sie kann im Einlauftrichter einer Tablettenmaschine auftreten. Materialien mit hohem Reibungskoeffizienten enthalten in der Regel feine Partikel und gleiten eine Rutsche langsamer hinunter als Materialien mit geringer Reibung. Dies führt zu unterschiedlichen Entladungsbahnen. Partikel mit hohem Reibungskoeffizienten zeigen einen niedrigeren Austrittswinkel am Ende der Rutsche, während die Flugrichtung von Partikeln mit niedrigem Reibungskoeffizienten weiter von der Rutsche abweicht.

Viele pharmazeutische Produkte hängen von einem genauen Verhältnis der Pulver untereinander ab, und die Qualität des Endproduktes ist gefährdet, wenn die Segregation nicht gemildert wird. Das Problem sollte im Voraus angesprochen werden, da viel Rohstoff verschwendet werden kann, auch wenn die falsche Mischung vor der Endverarbeitung erkannt wird.

Lösungen für Pulversegregation

Es gibt einige einfache, praktische Schritte, die dazu beitragen können, diese Mechanismen der Segregation zu reduzieren. Im Folgenden werden Modifikationen von Geräten oder Betriebsverfahren vorgeschlagen, die in der Regel keine großen Investitionsaufwendungen erfordern.

• VERWENDEN Sie einen Behälter mit hohem zylindrischen Abschnitt, der einen Abfluss an den Wänden bietet.
• VERWENDEN Sie ein Mischgerät in der Mitte, um einen Behälter mit Mehrfachausfluss zu beladen. Dies erzeugt eine einheitliche, symmetrische Segregation schaffen.
• PROPORTIONIEREN und mischen Sie schlecht getrennte Materialien kurz vor der Verarbeitung mit so wenig Stoßkapazität wie möglich.
• VERWENDEN Sie einen tangentialen Einlauf für pneumatisch geförderte, fluidisierbare Feststoffe oder installieren Sie einen Fliehkraftabscheider an der Ablage, der eine Ablenkplatte verwendet.
• VERWENDEN Sie schräge offene Rutschen, um die Luftzufuhr in aufsteigenden Feststoffen zu verringern. Dies verzögert nicht nur den Beginn der Fluidisierung, sondern reduziert auch die Entstehung von Staub.
• MISCHEN Sie Flüssigkeit mit gröberen Partikeln vor, bevor Sie feinere Bestandteile hinzufügen, wenn eine Segregation des Siebens oder des Reibungswinkels mit hoher Wahrscheinlichkeit auftreten werden.
• VERWENDEN Sie Mischer, die während der Trichterentladung von oben nach unten neu mixen oder statische Strömungsmischer unterhalb der Bandabwurfposition, um abgetrennte Feststoffe neu zu mixen.
• Teilen Sie das Material NICHT von einem Förderband auf verschiedene Behälter auf, da das Band die Materialien trennen könnte.
• Verwenden Sie KEINEN nicht symmetrischen Behälter mit Mehrfachauslass.
• Verwenden Sie KEINEN Massendurchflussbehälter mit gleichmäßiger Geschwindigkeits, um die Fluidisierungs-Segregation zu heilen. Er wird sie nur noch schlimmer machen.
• Verwenden Sie KEINE Freifallrutschen, um Materialien mit unterschiedlichen Reibungswinkeln zu übertragen, es sei denn, es gibt ein nachgeschaltetes Mischgerät.
• Laden Sie KEINE Mischung aus feinem, fluidisierbarem Pulver und nicht-fluidisierbaren groben Teilchen aus einer pneumatischen Förderstrecke unter Verwendung eines vertikalen Fallrohres auf.

Dünnstromförderungversus Dichtstromförderung
Segregation ist nicht ausschliesslich ein Pulver- und Massenbeförderungsproblem. Es kann auftreten, wenn ein Produkt von einem Mischer zu einem Zubringer oder während der Entladung der Mischung am Ende der Förderstrecke übertragen wird, wo schwerere Materialien auf den Boden des Mischers fallen. Aber Hersteller können Maßnahmen ergreifen, um den Förderprozess zu optimieren.

Bei pneumatischem Transport oder Saugförderung können Vorgänge auftreten, die als Dünnstromförderung und Dichtstromförderung bekannt sind. Während der Dünnstromförderung wird eine große Menge an Luft mit einer kleinen Menge Pulver vermischt, deren Ergebnis eine hohe Luftgeschwindigkeit und eine hohe Pulvergeschwindigkeit ist. Bei der Dünnstromförderung sind das Volumen und die Luftgeschwindigkeit hoch genug, um die Partikel kontinuierlich in Suspension zu bewegen. Diese Faktoren erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit einer Segregation, weil leichte und weniger dichte Partikel schneller fließen als schwere und dichte Partikel, die vor allem zu einer Segregation beim Sieben oder zu einer luftgestützten Segregation führen können.

Dichtstromförderung oder Pfropfenförderung erfolgen mit geringer Geschwindigkeit. Eine geringe Luftströmung im Förderer bewegt Material in die Stopfen, die durch kleine Abstände getrennt sind. Diese Fördertechnik kann eine Fluidisierung erzeugen, die pulverförmiges Material in einen gut gemischten flüssigkeitsähnlichen Zustand umwandelt. Manchmal an der Saugstelle und an der Ausschleusstelle verwendet, lässt die Fluidisierung Luft durch poröse Materialien passieren. Fluidisiertes Material wird in Wellen mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Druckluft bewegt.

Die Dichtstromförderung erhält das gewünschte Verhältnis der Mischung viel besser als die Dünnstromförderung. Die Luftgeschwindigkeit ist bei der Dichtstomförderung nicht so hoch, wie bei der Dünnstromförderung, so dass die Trennung oder Segregation, die sich aus der Partikelgrößen- und Gewichtsschwankung ergibt, geringer ist.

Empirische Tests verbessern Qualität und Inhalt
Obwohl die Segregation ein gemeinsames Problem von Pulvern und Granulaten ist, existiert keine universelle Lösung für alle Materialien oder Formulierungen. Jeder Anwendungsfall ist eigenständig zu betrachten. Die Dichtstromförderung ist die beste Strategie zur Abschwächung der Segregation, kann aber nicht in jedem Fall angewendet werden. Verschiedene Materialien verhalten sich unterschiedlich, und sollten geprüft und bewertet werden, bevor der Förderprozess justiert wird. Ebenso erfordern unterschiedliche Mischungen von Zutaten unterschiedliche Anpassungen an den Anwendungsfall.

Pharmaunternehmen testen ihre Mischungen regelmäßig, um einen gleichbleibenden Inhalt und eine hohe Produktqualität zu gewährleisten. Die Förderstrecke sollte auch beurteilt werden, um festzustellen, wie sich Prozessvariablen auf die Übertragung und Segregation von Material auswirken. Zum Beispiel können Elemente, wie z. B. Rohrleitungen (z. B. Rohrenden, Biegungen und scharfe Kanten), die Materialeigenschaften des Materials verändern und die Segregation beeinflussen. Das gesamte Transportsystem sollte daher vor der Entwicklung einer Lösung beurteilt werden.

Die optimale Lösung entwickeln
Neue Förderprodukte und -systeme helfen pharmazeutischen Herstellern, die Segregation zu reduzieren. PIAB, ein schwedischer Lieferant von Vakuumförderanlagen, entwickelt derzeit einen Vakuumförderer mit konstanter Geschwindigkeit. Die Einstellung der Vakuumpumpe, die den Durchfluss im Förderer durch eine gleichbleibende Geschwindigkeit ermöglicht, kann sicherstellen, dass unabhängig von dem Produkt, das gefördert wird, eine Segregation ein einfach zu lösendes Problem wäre. Typische Vakuumpumpen werden durch die Druckabfälle beeinflusst, die während eines Systems auftreten, aber die Pumpe, die PIAB entwickelt, kompensiert Druckverluste durch die Änderung der Strömung (d. h. durch die Geschwindigkeit).