Célula de cisalhamento de pó: influência da umidade nas características do pó de pós farmacêuticos
As condições ambientais podem impactar fortemente o comportamento de muitos pós. Na vida real, os sólidos a granel apresentarão fluidez diferente dependendo da localização geográfica em que são manuseados. Enquanto o impacto da umidade em um estado saturado é relativamente simples de simular condicionando a amostra em uma câmara climática, é mais complexo representar o processo dinâmico que realmente ocorre na realidade. A célula de cisalhamento de pó da 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%). Um pó de bebida quente farmacêutica foi caracterizado, ressaltando a importância de considerar a umidade ambiente ao projetar um processo. Levar em consideração a umidade do ambiente pode evitar 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, das condições ambientais diferentes, por exemplo, Boulder/Colorado (25°C, 35%rH) vs. Manila (30°C, 80%rH). O ajuste 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 de aderência” onde é relatada uma mudança significativa no comportamento de fluxo e adesão. [1]
A combinação de uma célula de cisalhamento em anel 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 aparelho de medição, nem altera seu teor de umidade (seco ou umedecido) durante a medição. Em geral, meios granulares expostos à umidade ambiente tendem a se tornar mais coesos (embora existam exceções em alta tensão normal). Isso se deve a uma variedade de mecanismos diferentes, sendo o principal deles a ponte líquida 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 farmacêutica para gripes e resfriados que contém altas quantidades de vitamina C; ácido cítrico, açúcar e vários materiais farmaceuticamente ativos. Antes apresentava tendência à torta e à consolidação do tempo, altamente agravada pela umidade. Acreditamos que isso seja 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 depois, 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 problemático para o armazenamento, esse comportamento é realmente desejado, pois a bebida deve se dissolver prontamente na água para sua aplicação.
Além disso, é consistentemente relatado que a umidade leva a um forte aumento no comportamento de aglomeração, especialmente quando aplicado ciclicamente (ou seja, secar e molhar o pó repetidamente).
A influência desses fenômenos no comportamento de pós farmacêuticos ou alimentícios geralmente não é desejada, pois muitas vezes levam à formação de grumos e nós e o próprio pó torna-se difícil de processar. Em exemplos extremos, isso pode levar à formação de um aglomerado sólido de material, impossibilitando o uso posterior.
Portanto, objetivamos 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 de Amostras e Experimental
Um Reômetro Compacto Modular (MCR) da 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 farmacêutico de bebida quente para resfriado e gripe.
Para garantir as mesmas condições iniciais em relação ao teor de água da amostra, o pó foi armazenado em estufa a 70°C antes do uso.
2.1 Influência da Umidade na Vazibilidade
A amostra foi carregada na célula de cisalhamento em anel 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-cisalhamento foi acompanhada por várias etapas de cisalhamento até a falha (para obter mais detalhes sobre medições de células de cisalhamento, consulte o relatório de aplicação “Uma introdução à reologia do pó”).
2.2 Influência da Umidade na Aglutinação
Para estudar o efeito da umidade na consolidação do tempo (aglutinação), foram realizados três testes diferentes. Primeiro, a amostra foi pré-cisalhada a 6 kPa. Em seguida, a amostra foi consolidada a 6 kPa a 30°C por 4 horas em condições de umidade variadas (consulte a Tabela 2) antes de ser realizado um cisalhamento até a falha.
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).
Exemplarmente, a Figura 2 mostra o diagrama de cisalhamento representando a tensão normal de cisalhamento e a tensão de cisalhamento ao longo do tempo para a amostra após condicionamento a 7%rH e pré-cisalhamento a 6 kPa. Os intervalos de pré-cisalhamento podem ser facilmente reconhecidos pela predefinição constante de tensão normal de 6 kPa (curva cinza). No meio, o cisalhamento até a falha foi realizado em diferentes tensões normais. Essas corridas em diferentes tensões normais são necessárias para analisar o pó com um diagrama de tensão de Mohr.
A Figura 3 mostra o diagrama de tensão de Mohr para a medição a 7 %rH e tensão normal pré-cisalhamento de 6 kPa, a tensão de cisalhamento é mostrada sobre a tensão normal. Isso é sempre criado para uma tensão de pré-cisalhamento e pode ser usado para avaliar as propriedades do pó, como ângulo de atrito interno e muito mais. A tensão de cisalhamento máxima durante o pré-cisalhamento e a tensão de cisalhamento máxima em cada sequência de cisalhamento individual no diagrama de tensão de Mohr fornecem a função do local de escoamento. Com base nesta função de locus de escoamento e no máximo pré-cisalhamento, 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 do locus de escoamento e os círculos de Mohr são mostrados para medições em tensão normal de pré-cisalhamento de 3, 6, 9 e 12 kPa.
Na parte seguinte, 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% rH, a amostra começa a mostrar uma mudança significativa em níveis mais altos de umidade relativa. 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 tensão 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 uma 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 do limite de escoamento não confinado para cada tensão normal de pré-cisalhamento. Esta etapa também é feita automaticamente no software RheoCompass™. O coeficiente de fluidez é apresentado no diagrama ff c (Figura 7) onde o limite de escoamento não confinado é representado sobre a tensão principal principal. Este diagrama agora inclui as medições para tensão normal de pré-cisalhamento 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 (como explicado acima).
Enquanto o pó da bebida quente é – independentemente do estresse aplicado durante o pré-cisalhamento – 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 (consulte a Figura 7 ). Ao aumentar ainda mais a umidade relativa para 95% rH, as propriedades do pó mudam para muito coesivo para baixas tensões e tornam-se não fluindo para tensões crescentes, comportando-se 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 outro coeficiente 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 interpartículas e das forças de atrito. φ e aumenta com a umidade relativa, mas não pode ser determinado para 95 %rH devido à tenacidade que a amostra apresentou posteriormente.
3.2 Influência da Umidade na Aglutinação
As amostras foram pré-cisalhadas e medidas a 6 kPa e depois 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, luz vermelha na Figura 8) não mostra uma mudança significativa em relação à 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 re-secagem - 2 h a 95 %rH seguido de 2 h a 7 %rH (verde na Figura 8). Em contraste com as medições anteriores, esta amostra mostra uma mudança extrema, com uma tensão de pré-cisalhamento 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 consolidação de 4 h. Ambos mostram valores muito semelhantes e um comportamento de fluxo fácil.
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 de não fluxo.
95 %rH / 7 %rH: O quadrado verde mostra a ff c da amostra após umedecimento (2 h) e re-secagem (2 h) durante a consolidação. 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 equivale a um coeficiente ff c de 0,12 em uma tensão principal principal o 1 de 14,1 kPa.
4. Conclusões
A bebida farmacêutica para gripes e resfriados investigados apresentou alteração em suas características em função da umidade do ambiente. A amostra após a consolidação do tempo a 6 kPa não diferiu muito da amostra medida em condições normais, significando que a amostra (quando em ambiente seco) não tende a torcer. Um fator especialmente crítico revelou ser a secagem após a exposição a alta umidade relativa. Aqui a amostra se dissolveu parcialmente em um ambiente úmido e formou um conglomerado duro após a secagem. Além disso, as medidas mostraram uma boa concordância nas medidas do ponto de aderência do ácido cítrico encontradas na literatura [1].
Este relatório mostrou que a célula de cisalhamento de pó da Anton Paar em combinação com sua opção de umidade permite a investigação do comportamento do pó em uma ampla faixa de níveis de umidade relativa. Isso pode ser feito com ou sem 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 fabricação da planta, mas também mostram o impacto que o armazenamento em condições inadequadas pode ter na vida útil do produto, bem como na sua usabilidade.
5 Referências
1. Groen, Johan C., et ai. "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." Farmácia. Tech 6 (2005): 46-66.
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