Z segregacją cząstek można się spotkać niemalże w każdej gałęzi przemysłu związanej z mieszaninami – od górnictwa po przemysł rolniczy. Można ją zaobserwować w życiu codziennym, choćby otwierając torebkę z musli lub cukrem, gdzie kryształy większe znajdują się na wierzchu, a pył i mniejsze cząsteczki na dole opakowania. Zjawisko to nastręcza wiele problemów w przemyśle farmaceutycznym, poczynając od napełniania opakowań, gdzie w skrajnym wypadku doza mieszaniny może się nie mieścić w worku – opakowaniu jednostkowym, kończąc na przypadkach niezachowania precyzyjnej zawartości substancji czynnej w jednostce leku.

Powody segregacji
    Segregacja jest procesem, w którym jednorodna mieszanina różnych składników staje się niejednolita przestrzennie wskutek ruchów cząstek w mieszaninie. Cząsteczki o różnej wielkości, gęstości, kształcie oraz rodzaju powierzchni posiadają bowiem odmienną mobilność. Naturalnym zjawiskiem jest gromadzenie się razem cząstek o tych samych właściwościach fizycznych. Cząstki uprzednio mieszane wykazują skłonność do segregacji podczas procesów, takich jak przesypywanie, transportowanie oraz przenoszenie.

Rys. 1. Segregacja związana z przesiewaniem

 

• Przesiewanie
    Segregacja powstająca na skutek przesiewania jest mechanizmem ruchu mniejszych cząstek pomiędzy większymi (rys. 1).

• Kąt odpowiedzi
    Kąt odpowiedzi to największy kąt nachylenia zbocza stosu cząstek do płaszczyzny, gdy materiał na powierzchni znajduje się na granicy poślizgu. Generalnie, cząstki większe posiadają mniejszy kąt odpowiedzi niż mniejsze – powoduje to gromadzenie się cząstek większych dalej od miejsca zsypu (rys. 2).

Rys. 2. Segregacja przesiewna, 1 – większe cząstki, 2 – mniejsze cząstki

 

• Przepuszczalność powietrza/fluidyzacja
Drobne cząstki wykazują mniejszą przepuszczalność powietrza niż te większe, tym samym przechowują powietrze dłużej w pustych przestrzeniach.

• Elutriacja/porywanie cząstek w strumieniu powietrza
    Bardzo drobne cząstki – mniejsze niż 50 μm – podczas swobodnego zsypu mogą być porywane przez strumień powietrza i pozostawać w zawieszeniu (rys. 3).

 

Rys. 3. Segregacja wskutek porywania cząstek przez strumienie powietrza

• Prędkość cząsteczek na powierzchni
    Mniejsze cząstki oraz te, które posiadają nieregularny kształt, wykazują większe opory tarcia przy swobodnym spadku po zsypie. Powoduje to różnice w trajektorii podczas spadku cząstek za zsypem na skutek różnic w prędkości cząstek. Z kolei mniejsze cząsteczki i te o nieregularnych kształtach koncentrują się bliżej miejsca zsypu, odpowiednio cząsteczki większe znajdą się dalej od miejsca zsypu (rys. 4).

Rys. 4. Segregacja związana z prędkością cząsteczek na powierzchni, 1 – większe cząstki, 2 – najmniejsze cząstki, 3 – średnie cząstki

Inne rodzaje segregacji
    Cząsteczki różniące się sprężystością, energią kinetyczną i ładunkiem elektrostatycznym mogą być podatne na segregację. Ciekawym i dynamicznym zjawiskiem jest wynoszenie dużych cząstek, które znane jest jako „efekt orzecha brazylijskiego”. Wibracje sprawiają przesiewanie drobnych cząstek i przedostawanie się ich pod cząstki większe, co powoduje wynoszenie cząstek większych niezależnie od ich masy i gęstości (rys. 5).

Zapobieganie
    Segregacji unika się poprzez odpowiednie przygotowanie procesu technologicznego – dobranie frakcji o odpowiednich wielkościach cząstek, mielenie składników, kontrolowaną krystalizację, dobór podobnych gęstości substancji uzupełniających i aktywnych, produkcję mieszanin uporządkowanych, granulację oraz mieszanie materiałów narażonych na segregację w końcowej fazie procesu.
Do technicznych sposobów zapobiegania segregacji można zaliczyć:
• unikanie wolnego zsypywania i wibracji,
• prawidłowy dobór wyładunku urządzenia procesowego wymuszającego przepływ masowy,
• wykorzystywanie binów IBC (ang. bin – zbiornik, ang. Intermediate Bulk Containers – pojemnik produktu półgotowego) z wysoką cylindryczną częścią umożliwiającą przepływ masowy,
• stosowanie przegród lub systemów w binach do rozładunku zachowujące jednorodność zsypywanej mieszaniny,
• stosowanie specjalnych środków technicznych.

Rys. 5. Efekt brazylijskiego orzecha

Sposoby techniczne
    Unikanie zsypywania mieszanin w procesie wytwarzania suchych form jest trudne. Przykładem może być droga mieszaniny pod koniec procesu po zmieszaniu materiału w mieszalniku dwustożkowym, a następnie tabletkowanie.
    Jeśli mieszanina jest podatna na segregacje w procesie, można wyróżnić opisane dalej krytyczne punkty.
    Mieszalnik dwustożkowy, stożek rozładunkowy musi być dobrany tak, aby wymuszał przepływ masowy. Jeśli stożek rozładunkowy jest źle dobrany, może zachodzić przepływ jądrowy, co może mieć wpływ na segregację. 
    Podczas rozładunku mieszalnika przez grawitacyjny transport pionowy może zajść segregacja na skutek porywania cząstek przez powietrze. Cząsteczki o różnych masach mają różną energię kinetyczną, co również może niekorzystnie oddziaływać. Mieszanina swobodnie spadająca w binie może być podatna na segregację przesiewową związaną z kątem odpowiedzi oraz fluidyzację.
    Podczas transportu bina na stanowisko zasypowe tabletkarki mieszanina może być podawana wibracjom, które powodują segregację. Ten element procesu ma jednak pomijalny wpływ. Rozładowywanie bina na stanowisku zasypowym tabletkarki może być źródłem segregacji wskutek przepływu jądrowego w binie oraz porywania mniejszych cząstek przez strugi powietrza.
    Należy także krótko wspomnieć o stosowaniu odpowietrzeń w zbiorniku, z którego jest zsypywana mieszanina, aby uniknąć zawieszania się granulatu na skutek obniżania się ciśnienia nad mieszaniną. Odpowietrzenie musi być również stosowane w elemencie odbierającym, gdyż zsypujący granulat podnosi ciśnienie w rurze zsypowej, co może powodować unoszenie lżejszych cząstek.

Systemy łagodnego zsypu grawitacyjnego
    Istnieje kilka różnych systemów zapobiegania segregacji z wykorzystaniem łagodnego zsypu grawitacyjnego.

• Air Deceleration firmy GEA/EZ-Down firmy PCS
    Zapobiegają one segregacji poprzez powolne opadanie materiału, co zmniejsza ryzyko zjawiska związanego z różnicami w prędkości cząstek, unoszeniem mniejszych cząstek przez strugi powietrza, a także fluidyzacją. Najprostszymi systemami są Air Deceleration firmy GEA oraz EZ-Down firmy Powder Custom Systems. System stworzony pierwotnie jako grawitacyjny transport tabletek okazał się również przydatny do zapobiegania segregacji. Na rurę nałożony jest od strony wewnętrznej pęcherz.
    W wypadku PCS pęcherzem jest rękaw polietylenowy mocowany opaskami na rurę z poliwęglanu. W przypadku GEA pęcherz ten jest rękawem silikonowym mocowanym na rurze ze stali kwasoodpornej.
    Przez pęcherz przeprowadzony jest rękaw polietylenowy, jak w standardowych systemach pionowego transportu grawitacyjnego (rys. 6).
    Ciśnienie powietrza w pęcherzu jest zwiększane poprzez doprowadzanie sprężonego powietrza o regulowanym ciśnieniu. Po otwarciu zaworu bina IBC lub mieszalnika powietrze z pęcherza jest odpompowane przez parę sekund, a następnie wypychane ciężarem materiału.
    Materiał przemieszcza się powoli w sposób kontrolowany na dół. Proces na długości 2 metrów trwa ok. 2-4 minuty. Parametry, takie jak dławienie wypływu powietrza z pęcherza oraz czas trwania odsysania powietrza są regulowane.
    Oba systemy PCS oraz GEA mają taką samą zasadę działania i należą do najprostszych, i najtańszych.

Rys. 6. Sposób działania systemów Air Deceleration oraz EZ-Down

• Air Chamber firmy Zanchetta IMA
    System jest złożony z kilku komór połączonych w rurę transportową. Każda z komór ma wysokość 350 mm lub 400 mm (jak podaje producent). Komory oddzielone są membranami. Wewnątrz rury zakłada się jednorazowy rękaw polietylenowy, tak jak w standardowych grawitacyjnych transportach pionowych. Zamknięte membrany są wypełnione sprężonym powietrzem. Wewnętrzny rękaw polietylenowy jest zaciskany membraną. Jej otwarcie następuje poprzez podanie próżni. Poszczególne membrany są otwierane przez system sterujący w określonych musi być również stosowane w elemencie odbierającym, gdyż zsypujący granulat podnosi ciśnienie w rurze zsypowej, co może powodować unoszenie lżejszych cząstek.

Rys. 7. Sposób działania systemu Air Chamber

 

Autor: Piotr Sikora, Teva Operations Poland Sp. z o.o.

Artykuł zostal opublikowany w magazynie "Przemysł Farmaceutyczny" nr 3/2012