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源磊小課堂 | 粉體為啥會發生分離?

分類:
新聞資訊
發布時間:
2020-11-07
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源磊小課堂 | 粉體為啥會發生分離?

 

在固體制劑生產過程中,均勻混合的粉體中不同粒子發生分離的現象十分常見。了解分離發生的機制,對于生產過程風險的評估與控制有很大幫助。筆者特翻譯了有關粉體分離機理的有關內容,供讀者參考。

 

 

 

 (一)粉體的一般分離機理

 

“分離機理”指的是混合物分離的模式或引起混合物組分分離的驅動力。雖然有許多不同的分離機理會對混合物的均一性造成不利影響,但是在制藥工業中,混合處理操作最主要關注的有三個分離機理。這三個分離機制如下:

 

1.篩分分離(有時候被稱為“滲透分離”);

2.流體化分離(有時被稱為“空氣引入”);

3.揚塵分離(有時被稱為“粒子包含在空氣流中”)。

 

下文將對這三種機理的進行詳細描述。需要注意的是,以上三種稱呼并不是通用定義。出現分離可能是由于以上一種機制或幾種機制的綜合作用。

 

(二)影響分離的材料性質

 

是否出現分離,分離到什么程度,按照何種機制分離,取決于混合物的性質以及混合物所面對的工藝條件。影響分離趨勢的材料性質主要有以下一些:

 

1、API、輔料和最終混合物中的粒子的平均粒徑和粒徑分布:任何平均粒徑的混合物均可能出現分離,但是不同的粒子粒徑可能以不同的機制為主;

2、粒子密度:粒子密度影響混合組分如何流動;

3、粒子形狀:相對于不規格形狀的粒子,球形粒子的移動性更強,因此更容易產生分離;

4、粒子彈性:這個性質會影響粒子和表面的碰撞,從而導致向儲物罐中填充物料時或在壓片過程中,組分在不同的地方累積;

5、混合物的內聚強度:一般情況下,內聚強度越大的混合物,越不容易發生分離。但是,只要給以足夠的能量使混合物膨脹,或者使粒子分離,即使是內聚強度很高的材料也能發生分離;

6、靜電影響:組分產生和維持靜電的能力,以及對表面或其他輔料的結合力,也可以造成分離的趨勢。

 

以上列舉的這些因素中,粒徑導致的分離是目前最為常見的情況。實際上,正如下文將要討論的那樣,粒徑是這里探討的三種分離機制的最重要的影響因素。

 

三)篩分分離

 

對于許多工業生產上的工藝,篩分分離十分常見。在恰當的條件下,細小的粒子傾向于被粗粒子篩分或滲透。對于這種機制下出現的分離,必須滿足以下四個條件:

 

1、粒徑范圍必須滿足。通常情況下,組分間的不同平均粒徑的最小比例是是1.3:1;

2、混合物的平均粒徑必須足夠大,通常大于大約100μm;

3、混合物必須相對自由地流動,這使得粒子能夠移動;

4、粒子間必須有相對移動,這一點非常重要,如果沒有粒子相對移動,即使是分離趨勢很高、滿足以上三個條件的輔料混合物,也不會發生分離。誘導相對運動的方式有許多,例如向物料罐中填充物料時形成堆積、周圍設備的震動(例如壓片設備)、或粒子在通過斜坡時產生翻滾和滑動。

 

如果上述條件中的任何一個不存在,那么,這種機制下的分離就不會存在。

儲物罐中的篩分分離的結果通常是形成一種“邊到邊”的粒徑分布變化。小粒徑的粒子在加入口下富集,而粗粒子在物料堆的邊緣部分富集。

 

 

1. 篩分分離2維剖面圖(黑色粒子的粒徑約為1200μm,白色粒子的粒徑約為350μm

 

(四)流體化分離

 

如果處理的粉末可以流體化,那么粒子粒徑或密度的變化,通常會導致材料在垂直方向上的分離。細粉或輕粉通常會在大顆?;蛎芏雀蟮念w粒上富集。這種分離可以出現在填充物料罐或其他管路時。在混合管中混合停止時,也可能出現分離。

 

流體化分離常常導致細粉和粗粉在垂直方向上形成梯度分布。在混合或填充停止后的一段時間內,細粉仍然可以流動。在這種流體化的狀態下,更大和/或更致密的顆粒傾向于沉積于底部。當物料床脫氣時,細粉被逸出的空氣達到表面。例如,當物料罐被快速填充時,粗顆粒會向下運動通過充滿氣體的物料床,而細粉仍然是流體化狀態,處在近表面位置。如果物料在混合過程中被流體化,這種分離現象也可以出現在混合停止后。

 

物料中包含一定比例的粒徑小于100μm的顆粒時,流體化現象就很常見。當出現空氣帶動細粉材料時、物料高速出料或填充時、或者當出現對向氣流時,最容易出現流體化分離。跟上一節中提到的篩分分離機理一樣,材料的內聚能越大,通過這種機理分離的可能性越小。

 

對向氣流產生流體化的原因在于物料轉移過程中的排氣不充分。例如,將一個翻轉混合機中的物料出料加入一個物料罐中,二者之間由空氣密封圈密封。當混合物料從混合機中轉移至物料罐中,物料罐中的空氣被擾動,同時在混合機中形成輕微的真空。如果這二者之間通風正常,空氣從物料罐中溢出,與物料分開,進入混合器中。如果這二者通風不暢,空氣必須通過從混合物中向物料罐流下的物料。這種情況下,細粉就會被帶離混合物,運送到混合機材料的表面上。

 

2. 混合機中物料加入儲物罐中出現流體化分離

 

(五)揚塵分離

 

與流體化分離類似,當處理細小的、自由流動的粒徑小于大約50μm粉末時,揚塵是最可能出現的問題,在其他粒徑范圍內同樣也可能出現。當填充物料罐時,如果出現揚塵,流動的物料帶動的空氣流可能將粒子帶離填充點。粉塵停留的位置,受粒子的沉降速率控制。而相對于粒子的密度,粒子的直徑對沉降速率有更為顯著的影響。

 

對這一機理進行舉例說明,細粒子和粗粒子的混合物倒入儲物罐的中心。當物料流沖擊著儲物罐中的物料堆,與物料流一起移動的空氣柱發生偏移??諝鈷哌^物料堆,移向儲物罐的邊緣,這個過程中,氣流變得混亂。在這之后,空氣通常以一種旋渦流的形式移動,回到儲物罐的壁上。在這個時候,空氣的速率很低,這使得許多粒子能夠從混懸狀態中掉下來。最細的粒子(沉降速率最低)被帶到儲物罐的邊緣,因為沉降速率極大地受到粒子粒徑的影響。粒徑更大的粒子會在填充口富集,因為空氣流足夠強,能夠阻止細小粒子在這里沉積。揚塵分離更可能導致無法預測的分離模式,這取決于儲物罐如何裝料、儲物罐中的通風情況和粉塵補集器的使用和安裝。

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