Célula de cisalhamento do pó: influência da umidade nas características do pó de produtos farmacêuticos
As condições ambientais podem impactar fortemente o comportamento de muitos pós. Na vida real, os sólidos a granel apresentam fluidez diferente, dependendo da localização geográfica em que são manuseados. Embora o impacto da umidade em um estado saturado seja relativamente simples de simular pelo condicionamento da amostra em uma câmara climática, é mais complexo descrever o processo dinâmico que realmente ocorre na realidade. A célula de cisalhamento de pó Anton Paar foi usada para determinar diferentes propriedades / processos do pó, como comportamento de fluxo e aglomeração em uma ampla faixa de umidade relativa (7% a 95%). Uma bebida quente farmacêutica em pó foi caracterizada, destacando a importância de se considerar a umidade ambiente ao se projetar um processo. Levar em consideração a umidade ambiente pode prevenir muitos problemas em produtos e processos.
1. Introdução
As condições ambientais afetam o comportamento de muitos pós. Os sólidos a granel apresentam fluidez diferente dependendo da localização geográfica e, portanto, diferentes condições ambientais, por exemplo, Boulder / Colorado (25 ° C, 35% rH) vs. Manila (30 ° C, 80% rH). A adaptação de um pó às suas condições ambientais é um processo dinâmico que atinge a saturação em um determinado ponto. Além da saturação, muitos pós exibem um “ponto pegajoso” onde uma mudança significativa no fluxo e comportamento de adesão é relatada. [1]
A combinação de uma célula de anel cisalhamento com um dispositivo de temperatura de convecção e controle de umidade dentro de um reômetro permite a investigação da influência de diferentes combinações de umidade-temperatura diretamente antes e durante a caracterização do pó. Não é necessário expor a amostra a condições diferentes das pretendidas, transferindo-a de uma câmara ambiental para o dispositivo de medição, nem alterará seu teor de umidade (seca ou úmida) durante a medição. Em geral, a mídia granular exposta à umidade ambiente tende a se tornar mais coesa (embora existam exceções em alta tensão normal). Isso se deve a uma variedade de mecanismos diferentes, o principal deles é a formação de ponte entre os grãos, o inchaço dos próprios grãos, a formação de filmes adesivos na superfície do grão, ou no caso de um comportamento coesivo declinante uma “lubrificação” dos intersticiais entre os grãos. [2]
A amostra investigada é uma bebida quente farmacêutica contra gripe e resfriado que contém grandes quantidades de vitamina C; ácido cítrico, açúcar e diversos materiais farmaceuticamente ativos. Anteriormente apresentava tendência a endurecer e a consolidar-se com o tempo, altamente agravada pela humidade. Acreditamos que isso seja o resultado de uma dissolução parcial em água condensada como Groen et al. sugere [1] para uma amostra semelhante (ácido cítrico puro). Quando a amostra é seca posteriormente, o ácido cítrico precipita e forma pontes sólidas entre os grãos levando a ligações muito fortes entre os grânulos restantes, tornando o fluxo quase impossível. Embora seja problemático para o armazenamento, esse comportamento é realmente desejado, pois a bebida deve se dissolver prontamente em água para sua aplicação.
Além disso, é consistentemente relatado que a umidade leva a um forte aumento no comportamento de aglomeração, especialmente quando aplicada ciclicamente (ou seja, secar e molhar o pó repetidamente).
A influência desses fenômenos no comportamento de produtos farmacêuticos ou alimentícios em pó geralmente não é desejada, pois freqüentemente levam à formação de grumos e nós e o próprio pó se torna difícil de processar. Em exemplos extremos, isso pode levar à formação de uma massa sólida de material, tornando impossível o uso posterior.
Portanto, pretendemos descrever as mudanças nas características do pó após a exposição a quatro diferentes níveis de umidade relativa e a diferença entre amostras consolidadas e não consolidadas.
2. Preparação da amostra e experimental
Um Reômetro Modular Compacto (MCR) Anton Paar equipado com um dispositivo de temperatura de convecção (CTD), um gerador de umidade e uma célula de cisalhamento de pó foi usado para executar as medições, investigando as características do pó e a aglomeração de um pó de bebida quente farmacêutica fria e flu.
Para garantir as mesmas condições iniciais quanto ao teor de água da amostra, o pó foi armazenado em um forno a 70 ° C antes do uso.
2.1 Influência de Humidade em Flowabilit y
A amostra foi carregada na célula de anel cisalhamento que foi colocada dentro do CTD no MCR e exposta a uma umidade relativa definida por 4 horas a 30 ° C (ver Tabela 1). Cada etapa de pré-audição foi acompanhada por várias etapas de cisalhamento até a falha (para mais detalhes sobre medições de células de cisalhamento, consulte o relatório de aplicação “Uma introdução à reologia do pó”).
2.2 Influência da umidade no endurecimento
Para estudar o efeito da umidade na consolidação do tempo (aglomeração), três testes diferentes foram realizados. Primeiro, a amostra foi pré-cortada a 6 kPa. Em seguida, a amostra foi consolidada a 6 kPa a 30 ° C por 4 horas em várias condições de umidade (consulte a Tabela 2) antes que um cisalhamento até a ruptura fosse realizado.
3. Resultados
3.1 Influência da umidade na fluidez
O pó da bebida quente foi exposto a quatro diferentes umidades relativas entre 7% rH e 95% rH e então investigado a 3 kPa, 6 kPa, 9 kPa e 12 kPa (ver Tabela 1).
A título de exemplo, a Figura 2 mostra o diagrama de cisalhamento que descreve a tensão normal de cisalhamento e a tensão de cisalhamento ao longo do tempo para a amostra após o condicionamento a 7% de rH e pré-corte a 6 kPa. Os intervalos de pré-audição podem ser facilmente reconhecidos pela predefinição constante de tensão normal de 6 kPa (curva cinza). No meio, o cisalhamento até a ruptura foi realizado em diferentes tensões normais. Essas execuções em diferentes tensões normais são necessárias para analisar o pó com um diagrama de tensões de Mohr.
A Figura 3 mostra o diagrama de tensão de Mohr para a medição a 7% rH e tensão normal de pré-corte de 6 kPa, a tensão de cisalhamento é mostrada sobre a tensão normal. Isso sempre é criado para uma tensão de pré-corte e pode ser usado para avaliar as propriedades do pó, como ângulo de fricção interna e muito mais. A tensão de cisalhamento máxima durante o pré-corte e a tensão de cisalhamento máxima em cada sequência de cisalhamento individual no diagrama de tensões de Mohr fornecem a função de locus de escoamento. Com base nesta função de locus de rendimento e no máximo pré-corte, os dois círculos de Mohr são desenhados.
Com o aumento da tensão normal, os círculos de Mohr também aumentam. Isso é exibido na Figura 4 para a amostra a 7% de umidade, onde a função de locus de rendimento e os círculos de Mohr são mostrados para medições em tensão normal pré-corte de 3, 6, 9 e 12 kPa.
Na próxima parte, as medições em diferentes níveis de umidade relativa foram comparadas. A Figura 5 representa a segunda fase de cisalhamento até a falha da medição a 6 kPa para 7, 35, 65 e 95% rH. Enquanto apenas uma mudança mínima pode ser observada entre 7 e 35% de rH, a amostra começa a mostrar uma mudança significativa em níveis de umidade relativa mais elevados. O máximo da tensão de cisalhamento aumenta ligeiramente, mas mais notavelmente a inclinação da tensão de cisalhamento diminui com a umidade relativa mais alta. Isso significa que, além do comportamento estático rastreado pelos máximos de cisalhamento pré-cisalhamento, o comportamento dinâmico do pó também é fortemente afetado.
Entre 65 e 95% rH, há uma mudança adicional na curva e um aumento muito forte na tensão de cisalhamento.
No diagrama de tensões de Mohr (ver Figura 6) das medições descritas na Figura 5, as umidades entre 7% rH e 65% rH não apresentam diferenças marcantes. Apenas a medição a 95% rH tem função de locus de rendimento significativamente maior.
A partir do diagrama de tensão de Mohr, o coeficiente de fluidez pode ser avaliado a partir da tensão principal principal e da tensão de escoamento não confinada para cada tensão normal pré-corte. Esta etapa também é realizada automaticamente no software RheoCompass ™. O coeficiente de fluidez é apresentado no diagrama ff c (Figura 7), onde a tensão de escoamento não confinada é representada sobre a tensão principal principal. Este diagrama agora inclui as medições para tensão normal pré-corte de 3 kPa, 6 kPa, 9 kPa, 12 kPa. Os dados para as tensões normais adicionais foram recuperados exatamente como para a tensão normal de cisalhamento de 6 kPa (conforme explicado acima).
Enquanto o pó da bebida quente é - independentemente do estresse aplicado durante a pré-audição - fluxo livre / fluxo fácil quando exposto a baixa umidade relativa (7% rH e 35 rH%), o pó torna-se coeso quando exposto a 65% rH (ver Figura 7 ) Ao aumentar ainda mais a umidade relativa para 95% rH, as propriedades do pó mudam para muito coesivas para tensões baixas e passam a não fluir para tensões crescentes, comportando-se assim mais como um sólido. Ao comparar esses valores com a medição do ponto de aderência de Groen et. al. que estima o ponto de aderência do ácido cítrico a 30 ° C a 55% rH, os resultados mostram uma concordância muito boa.
Um coeficiente adicional obtido a partir do diagrama de tensão de Mohr é mostrado na Tabela 3. O ângulo efetivo de atrito interno é uma medida do atrito interno no fluxo em estado estacionário e depende predominantemente do adesivo interpartícula e das forças de atrito. φ e aumenta com a umidade relativa, mas não pôde ser determinado para 95% rH devido à tenacidade que a amostra apresentou posteriormente.
3.2 Influência da umidade no endurecimento
As amostras foram pré-cortadas e medidas a 6 kPa e então expostas a certos níveis de umidade por 4 h enquanto consolidavam a 6 kPa. As amostras foram então cortadas até a falha. Três diferentes condições de umidade foram testadas, conforme descrito na Tabela 2.
O diagrama de tensão de Mohr para esses três testes é exibido na Figura 8. A primeira medição (4 h a 7% rH, vermelho claro na Figura 8) não mostra uma mudança significativa em comparação com a medição anterior (azul). O mesmo é o caso para a segunda medição (4 h a 95% rH, cinza escuro). A terceira medição consistiu em uma etapa de umedecimento e ressecamento - 2 h a 95% rH seguida por 2 h a 7% rH (verde na Figura 8). Em contraste com as medições anteriores, esta amostra mostra uma mudança extrema, com uma tensão pré-corte muito maior do que a observada antes, mesmo a 95% rH.
Tendências semelhantes são observadas no diagrama ff c na Figura 9:
7% rH: A estrela vermelha está sem consolidação de tempo, enquanto o quadrado vermelho está com 4 h de consolidação de tempo. Ambos apresentam valores muito semelhantes e um comportamento fluido.
95% rH: A estrela cinza sem consolidação de tempo, enquanto o quadrado cinza está com consolidação de tempo de 4 h. Novamente, ambos mostram valores muito semelhantes e um comportamento sem fluxo.
95% rH / 7% rH: O quadrado verde mostra o ff c da amostra após umedecimento (2 h) e re-secagem (2 h) enquanto é consolidada. A mudança de muito úmido para muito seco durante a consolidação transformou a amostra em pó em um sólido. Isso se reflete no limite de escoamento não confinado extremamente alto o c de 119,4 kPa, que é igual a um coeficiente ff c de 0,12 para uma tensão principal principal o 1 de 14,1 kPa.
4. Conclusões
A bebida quente resfriada e gripe farmacêutica investigada apresentou alteração em suas características na dependência da umidade do ambiente. A amostra após a consolidação de tempo a 6 kPa não diferiu muito da amostra medida em condições normais, o que significa que a amostra (quando em um ambiente seco) não tende a endurecer. Um fator especialmente crítico revelou-se a secagem após a exposição à alta umidade relativa. Aqui, a amostra se dissolveu parcialmente em um ambiente úmido e formou um conglomerado rígido após a secagem. Além disso, as medições mostraram uma boa concordância nas medições de pontos pegajosos do ácido cítrico encontradas na literatura [1].
Este relatório mostrou que a célula de cisalhamento de pó Anton Paar em combinação com sua opção de umidade permite a investigação do comportamento do pó em uma ampla gama de níveis de umidade relativa. Isso pode ser feito com ou sem a aplicação de consolidação. Isso permite medir o impacto que as condições ambientais / ambientais podem ter durante o processamento e armazenamento. Essas informações permitem o planejamento preciso dos processos e da fabricação da fábrica, mas também mostram o impacto que o armazenamento em condições inadequadas pode ter na vida útil do produto, bem como em sua usabilidade.
5 referências
1. Groen, Johan C., et al. "Avaliação reológica in-situ em tempo real da temperatura e umidade do ponto pegajoso de produtos em pó." KONA Powder and Particle Journal (2020): 2020006.
2. Nokhodchi, Ali. "Efeito da umidade na compactação e compressão." Pharm. Tech 6 (2005): 46-66.
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