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PulverizaciónTRANSCRIPT
TEMA 13
Raquel Taléns ViscontiDpto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica
Pulverización
PulverizaciónIntroducción
División. Importancia y objetivosInconvenientesTipos
Análisis del proceso de pulverizaciónCaracterísticas de deformaciónCaracterísticas de dureza (Mohs)Contenido en humedadMecanismos de pulverización
Balance energético de la pulverización: leyes de Kick, Rittinger y BondDistribución granulométrica en la pulverizaciónDispositivos de pulverización utilizados: tipos y factores que condicionan su elección
Métodos por CortadoMétodos por CompresiónMétodos por RozamientoMétodos por ImpactoMétodos por Impacto y Rozamiento
División: promover la aparición de superficies nuevas libres
Pulverización: procedimiento mecánico que permite la reducción del tamaño de partícula de materiales sólidos (principios activos y excipientes) El proceso requiere aporte de energía
S<S’
S S’
1. Introducción
División de sólidos: pulverización
Dotar a los sólidos de una granulometría similar para evitar la segregación de las mezclas
Incrementar la superficie específica de las partículas: incrementos notables en biodisponibilidad de fármacos de baja hidrosolubilidad (ej: griseofulvina)
Distribución homogénea de fármacos en f.f. sólidas con dosificación baja (ej. digoxina)
Dotar de esfericidad a las partículas, facilitando su manipulación
Tamaño partículas sólidas determina propiedades:Físicas: flujo
capacidad de empaquetamientocomportamiento durante el mezclado y llenado
Biofarmacéuticas: velocidad disolución y biodisponibilidad
1. Introducción
Objetivos de la pulverización
Condiciona eficacia delproceso tecnológico
)·(· CsCSKdtdMNoyes-Whitney Condiciona rendimiento del
medicamento
Mayor susceptibilidad al ataque por agentes atmosféricos (oxígeno, humedad..)
Posibles cambios polimórficos: la energía suministrada al sistema puede generar polimorfos de menor estabilidad o con propiedades fisicoquímicas y/o farmacológicas diferentes de las del compuesto de partida
Degradaciones del fármaco, debidas al calor generado durante el proceso
Disminución del volumen aparente del polvo (mayor compactación), en ocasiones peor flujo
Incremento en la carga eléctrica estática (rozamiento), promoción de la reagrupación de partículas, peor flujo
Dificultad de humectación del sólido pulverizado (excesiva adsorción de aire, o cargas eléctricas que dificultan la humectación de las partículas)
1. Introducción
Inconvenientes: riesgos
Según la fuente de energía utilizada se distingue:1. Mecánica2. Eléctrica o anódica: como la obtención de plata coloidal u oro coloidal
3. Fisicoquímica:* por sublimación: iodo resublimado, azufre en flor* por cambio de disolventes: azufre coloidal* por reacciones de doble descomposición
Ej BaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + 2NaCl
1. Introducción
Pulverización: tipos
Ruptura de las partRuptura de las partíículasculas
FUERZAS LOCALIZADAS Tensiones grandes: RUPTURA DE ENLACES
PROPAGACIÓN
1. CARACTERÍSTICAS DE DEFORMACIÓN
2. CARACTERÍSTICAS DE DUREZA (Mohs)
3. CONTENIDO EN HUMEDAD
4. MECANISMOS DE PULVERIZACIÓN
Aspectos a considerar:
2. Análisis del proceso de pulverización
Dependen del material
Depende del dispositivo empleado
La deformación cesa cuando deja de aplicarse la fuerza. El material recupera las dimensiones inicialesRelación lineal entre la intensidad de la presión y la magnitud de la deformación. Ley de HOOKE Módulo de Young (dinas/cm2): pendiente de la recta presión-deformación. Medida de la facilidad de deformación elásticaPunto de fractura: presión por encima de la cual el material sufre una deformación no aceptable en su estructura y se rompe
Materiales elásticos. Ej. sólidos cristalinos (sólidos quebradizos)
1. Características de deformaciónPlástica
ElásticaMaterial a pulverizar Deformación
Esfuerzo mecánico
Fragmentación
El comportamiento mecánico del sólido se estudia a través de las CURVAS PRESIÓN/DEFORMACIÓN
2. Análisis del proceso de pulverización
Cuando se supera el límite elástico las deformaciones pasan a ser permanentes. El material no recobra sus dimensiones iniciales La relación presión-deformación es no lineal a partir del límite elásticoEl material se deforma hasta un máximo: puntode fractura Consumen parte de la energía en deformacionesiniciales hasta que se supera el umbral que permite la fractura
Materiales plásticos. Ej. sólidos amorfos (difíciles de fracturar)
1. Características de deformación
Dislocación estructuralRoturas parciales enlaces
Los enlaces rotos adquieren una nueva disposición estructural
Comportamiento permanente a la deformación sin fractura
Altas temperaturas: mayor movilidad de las dislocaciones, más difíciles de fracturar.Bajas temperaturas: comportamiento similar alde los materiales quebradizos Emplear velocidades más elevadas para que la estructura no asimile las deformaciones: más frágilTEMPERATURA VELOCIDAD
2. Análisis del proceso de pulverización
AUC
La FORMA que adopta la curva así como los valores de los parámetros dependen, para un mismo material, del tipo de esfuerzo aplicado y de la velocidad con que se aplicaEl ÁREA BAJO LAS CURVAS se corresponde con la energía o trabajo necesario para la fractura y mide así la resistencia por parte del material a la fracturaAPLICACIÓN: Las curvas presión/deformación nos proporcionan una idea clara del comportamiento del material ante un esfuerzo deformante lo cual es necesario conocer para planificar correctamente un proceso de pulverización
1. Características de deformación
Curvas presión-deformación
2. Análisis del proceso de pulverización
Dureza del material: Es más difícil pulverizar un material duro que uno blando
Escala de Mohs (escala cuantitativa): clasifica según su dureza entre 1 y 10
Blandos:1-3, intermedios: 4-7 y duros:8-10
Dureza + difícil fragmentación
Efecto abrasivo (desgaste piezas)
Vida útil molinos
Contaminación de los materiales
2. Características de dureza
Normalmente se requiere menos energía, por imperfección de la estructura
2. Análisis del proceso de pulverización
>5% ADHESIVIDADAglomeración de partículas
Fijación en distintas zonas de los molinos
EFICACIA DEL PROCESO
Captación humedad ambiental (sólidos higroscópicos)Pérdida agua de hidratación (moléculas hidratadas)
<5%: buena pulverizaci<5%: buena pulverizacióón en secon en seco>50%: pulverizaci>50%: pulverizacióón hn húúmeda:meda:
Aumenta el grado de división,Protege sustancias termosensibles
3. Contenido en humedad
2. Análisis del proceso de pulverización
-- Compresión(cascanueces)
-- Impacto o golpeo(martillo)
-- Rozamiento o erosión (li(lima)a)
-- Cortado (cizalla o corte)((tijera))
Materialquebradizo
Materialfibroso
4. Mecanismo de rotura
2. Análisis del proceso de pulverización
Materialblando
La eficiencia del proceso de pulverización depende de:La magnitud y naturaleza (corte, impacto) de la fuerza aplicadaLa forma en que se aplica la fuerza (tipo de equipo)La velocidad de aplicación de la fuerza
<2% energía Pérdidas energéticas
Proceso con bajo rendimiento energético: aproximadamente el 2% del consumo total de energía permite fracturar partículas y crear superficies nuevas
Deformaciones elásticas y plásticas de partículas y deformaciones del equipo utilizado
Fricciones entre partículas y partículas con paredes del equipo
Vibraciones y sonido
Calor!!
3. Balance energético de la pulverización
Consideraciones previas
Ley general (Walker):c y p son constantesc refleja la eficacia del proceso
Ley de Kick: Energía proporcional a la reducción de tamaños. Aplicable a la división grosera de material elástico
p= 1
Ley de Rittinger: Energía proporcional al incremento de superficie específica. Aplicable a la pulverización fina de sólidos quebradizos
p= 2
Ley de Bond: Energía proporcional a la raíz cuadrada del tamaño de partícula. Útil para procesos en los que no se pueden usar las ecuaciones de Kick y Rittinger
p= 1,5
pDc
dDdE
2
1'·DDLncE
12 D1
D1'·'cE
La energía necesaria (dE) para provocar una reducción determinada de partícula (dD) es inversamente proporcional al tamaño de las partículas elevado a un exponente adecuado (p)
12
11'·'DD
cE
INTEGRAMOS
Cálculo consumo de energía. Leyes empíricas
3. Balance energético de la pulverización
En teoríaUn material se puede pulverizar hasta un tamaño ilimitado
En la prácticaPara un tipo de dispositivo y unas condiciones de operación (tipo material y tiempo pulverización), existe un valor límite de pulverización
Prolongar el tiempo de pulverización puede provocar reagrupación de partículas
ProlongaciónexcesivaAgregación
La distribución granulométrica de tamaños depende:
4. Distribución granulométrica en la pulverización
Evolución temporal del tamaño de partícula. Límite de pulverización
Criterios para clasificar los equipos de pulverización: Mecanismo de pulverización. Compresión, impacto, roce o desgaste y corteTamaño de partícula del producto pulverizado:
Pulverización grosera, tamaños superiores a 840 µm.Pulverización intermedia, 840 µm - 75 µmPulverización fina, < 75 µmPulverización ultrafina, ~ 1 µm
Régimen de funcionamiento. Continuo o discontinuoModalidad de pulverización. Pulverización húmeda?
5. Dispositivos de pulverización
Tres elementos básicos
Métodos por CortadoMolino de hélices 500 - 50.000 m
Métodos por CompresiónMolino de muelas 50 - 10.000 mMolino de cilindros 1.000 - 100.000 m
Métodos por RozamientoCilindros a alta velocidad 1 - 200 mMolinos coloidales
Métodos por ImpactoMolino de martillos 50 - 7.000 mMolino por vibraciones 1 -1.000 m
Métodos por Impacto y RozamientoMolino de bolas 1 - 200 mMicronizador 1 - 50.000 mMolino de puntas o vástagos 10 -10.000 m
5. Dispositivos de pulverización
Métodos por cortado:
Sistema de pulverización grosera o intermedia
Para materiales plásticos o fibrosos, semiduros. Ej: granulados secos, plantas medicinales
Entre 2 y 12 cuchillas. Externamente hay una carcasa con cuchillas fijas y un rotor central con cuchillas móviles
Velocidad de giro entre 200 y 900 rpm
5. Dispositivos de pulverización
Molino de hélices o cuchillas
Métodos por compresión:
Sistema de pulverización intermedia
Para material blando
Funcionamiento continuo
Ruptura del material por compresión yrozamiento
5. Dispositivos de pulverización
Molino de muelas
Métodos por compresión:Sistema de pulverización intermedia
Para material quebradizo, dureza moderadaFuncionamiento continuo
Ruptura del material por compresión entre rodillos que giran en sentidos opuestos y a baja velocidad(50 y 300 rpm)
Los cilindros pueden presentar paredes lisas o rugosas (acanaladas o dentadas)
Ventaja, uniformidad de tamaño en superficie lisa
5. Dispositivos de pulverización
Molino de cilindros
Métodos por rozamiento:
Pulverización intermedia, fina, micronizados
Se utilizan para reducir el tamaño de partículas sólidas que se encuentran en suspensiones, pastas o cremasEl material se adhiere a la pared del cilindro
Varios cilindros que giran a distintas velocidades. La velocidad aumenta progresivamente (de menor a mayor)
El material molido se separa del cilindro con un raspador
-rpm +rpm
30 rpm<90rpm<270rpm
5. Dispositivos de pulverización
Cilindros a gran velocidad
Métodos por impacto:Pulverización de grosera a finaPara materiales quebradizosEntre 4 y 10 martillos sobre un eje central que gira a gran velocidad (hasta 10.000 rpm)
Factores que condicionan la eficacia- Velocidad de giro del rotor
ya no es posible seguir disminuyendo el tamaño de partícula: suministra distribución reducida de tamaños
- Características del tamiz
- Velocidad de alimentación del molino
Limitaciones: Temperatura y Obturación del tamiz
Se mejora la eficacia con deflectoresSe mejora la eficacia con deflectores
5. Dispositivos de pulverización
Molino de martillos
5. Dispositivos de pulverización
Molino de martillos
Por impacto:Pulverización grosera a finaPara material quebradizo
Rellenos hasta un 80% de su volumen con bolas de porcelana o acero (material duro)
Durante la pulverización, el cilindro se somete a movimientos vibratorios: provoca reducción por impactos repetidos
5. Dispositivos de pulverización
Molinos de vibración
Métodos por impacto y rozamiento:Pulverización fina. Materiales abrasivosCilindro con bolas de material duro y distintos tamañosPermite pulverización húmeda
Factores que condicionan la eficacia:- Velocidad de rotación del cilindroVelocidad crítica de giro:
Velocidad óptima: 65-80% velocidad crítica
- Tamaño de bolas> Tamaño bolas > peso +eficaz por impacto< Tamaño bolas > superficie +aportación por roceTamaño óptimo: mínimo para fracturar partículas por impacto
- Carga de bolas: mayor eficacia entre el 30 y 50 % del volumen de la cámara
- Carga de material: mayor eficacia 1/3 de la cámara
bc dd2.42)rpm(v
dc= diámetro del cilindro (m)db= diámetro de las bolas(m)
Roce
>tpul
Roce + impacto
<tpul
Velocidad crítica
5. Dispositivos de pulverización
Molinos de bolas
5. Dispositivos de pulverización
Molinos de bolas
Métodos por impacto y rozamiento:Tubo hueco de diámetro y longitud variable. Se introduceun gas a alta presión que produce el arrastre (efectoVenturi) del material dispuesto en la tolva. En la cámara de pulverización, inciden nuevas corrientes de aire tangencialmente: fuertes turbulencias
choques de alta velocidad entre las partículas: fragmentación
Las partículas siguen una trayectoria elíptica o circularen el interior de la cámara:- Las de mayor tamaño son empujadas hacia la parte exterior de la cámara- Las más pequeñas se concentran en la interior- Las que alcanzan un tamaño suficientemente reducidoson arrastradas a través de la abertura de descarga
Factores que condicionan la eficacia:presión del aire y velocidad de alimentación
Útil para sustancias termolábiles (efecto refrigerador que produce la descompresión del aire)
5. Dispositivos de pulverización
Micronizador
Los productos obtenidos se denominan "micronizados"
(0,5-20µm)Pulverización ultrafina
Requisito: 50 µm tamañomáximo recomendabledel material a pulverizar
Pulverización fina
Sistema versátil, pulveriza distintos tipos materiales
Dos discos, uno superior fijo y uno inferior móvil, con agujas muy próximas dispuestas en círculos concéntricosDisco inferior gira a gran velocidad
Reducción de tamaño de las partículas por impacto sobre las puntas y rozamiento a medida que se desplazan a la periferia por efecto fuerza centrífugaLa velocidad de giro y el nº de puntas condicionan el tamaño de partícula
Métodos por impacto y rozamiento:
5. Dispositivos de pulverización
Molino de puntas o vástagos
Criterios selección del pulverizador
Aspectos a considerar:La forma de las partículas (relacionado con el mecanismo)La proporción de finos a que dan origenLa relación de reducción, (admiten partículas por debajo de un tamaño yproducen partículas por encima de un tamaño mínimo)La cantidad de masa a tratarEl coste del proceso y del mantenimiento del aparatajeLas características del material:
DurezaElasticidadSuperficieErosionabilidadHumedadTermolabilidad
5. Dispositivos de pulverización
DISPOSITIVO MECANISMO DIVISIÓN
LÍM INF TAMAÑO (µm)
MATERIALADECUADO
MATERIAL NOADECUADO
HÉLICES CORTE 100 FIBROSO DURO, FRIABLE, ABRASIVO
RODILLO COMPRESIÓN 75 BLANDOS ABRASIVOS, FIBROSOS
MARTILLOS
IMPACTO + ROCE
40 QUEBRADIZOPOCO ABRASIVO
FIBROSO,ADHESIVO, PTO FUSIÓN BAJO
BOLAS 10 ABRASIVODUREZA MODERADA
FIBROSOS, BLANDOS
MICRONIZADOR 0.5 FRIABLES, DUREZA MODERADA
FIBROSOS, ADHESIVOS
5. Dispositivos de pulverización
Selección del pulverizador