Methode: 
  • Pulverfluss

Entwicklung eines Konstruktionsraums für eine Formfüllungsoperation

Die Abfüllung ist in allen Branchen ein gängiger Vorgang, auch wenn die Füllgewichte und Toleranzen stark variieren. In der pharmazeutischen Industrie müssen oft Milligramm-Dosen genau und mit hoher Geschwindigkeit abgefüllt werden, um die strengen Kriterien und hohen Durchsatzanforderungen der Tablettenherstellung zu erfüllen. Im Gegensatz dazu werden in der chemischen Industrie und in der Mineralienindustrie Pulver in 20-Tonnen-Behälter abgefüllt, wobei der Abfüllprozess viel länger dauert und die gesetzlichen Anforderungen an die Genauigkeit nicht erfüllt werden müssen.

Die Faktoren, die sich auf die Effizienz der Befüllung auswirken, hängen von der Art der verwendeten Anlage ab. Einige Systeme sind rein schwerkraftbetrieben, während andere auf Kraftzufuhr beruhen. Bei vielen Anwendungen, z. B. bei der Tablettenherstellung auf einer Rundlaufpresse, wird das Pulver durch eine Kombination aus Schwerkraft und Kraftzufuhr in die Matrizen gefüllt. Der Einfluss jedes der beiden Mechanismen hängt von der Geometrie des Zuführrahmens, der Durchflussmenge durch die Presse und den Eigenschaften des Pulvers ab. Es ist leicht zu erkennen, dass es sich bei diesen Variablen um einen komplexen Prozess handelt, dessen Modellierung aufgrund der Kenntnis einer begrenzten Anzahl von Partikeleigenschaften und Prozessparametern schwierig ist.

In großem Maßstab, z. B. bei der Abfüllung von Säcken oder Schüttgutbehältern, kann das Verfahren volumetrisch oder auf der Grundlage der Masse erfolgen. In beiden Fällen werden in der Regel Schnecken oder Zellenradschleusen eingesetzt, die direkt am Boden des Einfülltrichters angebracht sind. In dieser Konfiguration können die Faktoren, die die Abfülleffizienz steuern, anders sein als bei der Tablettenherstellung. Allerdings hängt die Effizienz in allen Maßstäben und bei allen Verfahren von der Kompatibilität der Materialeigenschaften mit den in der Verarbeitungsumgebung herrschenden Bedingungen ab.

Füllung der Matrize

In diesem Beispiel eines typischen Matrizenfüllprozesses bewegt sich der Füllschuh" relativ zur stationären Matrize, im Gegensatz zur Bewegung der Matrize unter dem Vorschubrahmen, wie bei einer Rundlauftablettenpresse. Es gibt viele Geometrien und Konfigurationen, aber in allen Fällen gibt es ein gemeinsames Ziel - die Matrize in einer homogenen Weise in einem Zeitrahmen zu füllen, der den angestrebten Durchsatz ermöglicht.

In diesem Beispiel wird das Pulver aus dem Trichter in den Füllschuh ausgetragen. Der Schuh bewegt sich dann seitlich über die Oberseite der Form und das Pulver fließt in den leeren Hohlraum darunter. Diese besondere Konfiguration wird durch die Schwerkraft hervorgerufen und ist mit relativ geringen Spannungen verbunden, da nur wenige Kräfte das Pulver im Schuh verfestigen. Im Gegensatz dazu sind die Spannungen in einem Zuführrahmen einer Tablettenpresse höher, da die Schaufeln des Zuführrahmens das Pulver zwingen, auf dem Tisch zu zirkulieren. Die Konsistenz des Pulverflusses in den Zuführrahmen beeinflusst die Spannung im Pulver, während es zirkuliert, ebenso wie die Geschwindigkeit des Zuführrahmens im Verhältnis zur Revolvergeschwindigkeit. Da dies unabhängig voneinander eingestellt werden kann, ist es möglich, den Zuführrahmen so zu konfigurieren, dass er eine Reihe von Dynamik- und Spannungsbedingungen erzeugt, indem man einfach seine Geschwindigkeit im Verhältnis zum Revolverkopf ändert. Der Effekt ist, dass die Menge des erzwungenen Flusses, der zum Fluss in die Matrize beiträgt, angepasst wird, und auch, von wo im Förderrahmen das Pulver in die Matrize austritt. Die Veränderung der Form der Schaufeln ist eine Methode zur Steuerung des Anteils des erzwungenen Flusses anstelle des rein gravimetrischen Flusses am Füllprozess.

Wie bei jeder Pulververarbeitung ist es notwendig, die Kompatibilität des Pulvers mit den Prozessbedingungen zu berücksichtigen. Ein erfolgreiches Ergebnis, in diesem Fall das konsequente Erreichen des angestrebten Füllgewichts, hängt von den Eigenschaften des Pulvers ab, die den Prozessbedingungen entsprechen. Unabhängig davon, ob es sich um eine Schwerkraft- oder eine Druckbeaufschlagung oder eine Kombination aus beidem handelt, lässt sich die Leistung nur vorhersagen, wenn man die Prozessbedingungen kennt und die relevanten Pulvereigenschaften misst.

Ziel des Verfahrens ist es, die Matrize gleichmäßig mit Pulver zu füllen, ohne dass Luft in die Schüttung eindringt, was zu geringen Gewichtsschwankungen und einer hohen Gleichmäßigkeit des Inhalts in den entstehenden Tabletten führt. Im Gegensatz dazu enthält eine schlecht gefüllte Matrize Agglomerate, die Luft einschließen, was zu größeren Gewichtsschwankungen führt, das Risiko einer geringen Gleichmäßigkeit des Inhalts birgt und wahrscheinlich zu einer Delaminierung ("Überkappung") der Tabletten führt, wenn die in der Schüttung eingeschlossene Luft zunächst von der Tablettenpresse komprimiert wird und sich dann im Körper der Tablette ausdehnt.

Quantifizierung der Mechanismen, die die Füllung beeinflussen

Verschiedene Mechanismen der Partikelinteraktion haben einen großen Einfluss auf die Füllungseffizienz.

Kohäsionskräfte

Benachbarte Teilchen ziehen sich aufgrund von elektrostatischen, Van-der-Waal- und kovalenten Kräften gegenseitig an. Die Teilchen können sich nicht unabhängig von ihren Nachbarn bewegen und es können sich Agglomerate bilden. Dies führt zu einer Verringerung der Fülleffizienz.

Mit dem FT4-Belüftungstest kann das Ausmaß dieser Anziehungskräfte zwischen den Partikeln quantifiziert werden. Das Verfahren misst zunächst die Energie, die erforderlich ist, um in einem konditionierten Pulver eine Fließbewegung zu erzeugen (Basic Flowability Energy, BFE), und vergleicht sie dann mit der Energie, die bei der Erzeugung desselben Fließmusters gemessen wird, aber dieses Mal, während Luft durch die Pulversäule geleitet wird (Aerated Energy, AE). In Pulvern mit geringer Kohäsion sind die Teilchen nur schwach an ihre Nachbarn gebunden und können sich unabhängig voneinander bewegen. Wenn Luft in solche Pulver eingeleitet wird, kann sie zwischen die einzelnen Partikel gelangen, so dass das gesamte Bett fluidisiert wird. In diesem Zustand gibt es wenig oder gar keinen Partikel-Partikel-Kontakt, und die AE wird auf nahezu Null reduziert. Umgekehrt neigen kohäsive Pulver dazu, Agglomerate zu bilden, die verhindern, dass das Bett wesentlich belüftet wird, indem sie die Luft durch einen einzigen oder eine reduzierte Anzahl von Kanälen leiten, was zu einer geringeren Veränderung der Packungsstruktur führt. Die AE wird sich im Vergleich zur Käufer-Ausrüstung in gewissem Maße verringern, aber die AE-Werte werden wahrscheinlich hoch bleiben.

Mechanische Reibung und Verzahnung der Partikel

Partikel mit unregelmäßiger Form und/oder rauer Oberflächenstruktur neigen dazu, sich zu verbinden und vorübergehende mechanische Brücken zu bilden. Dies hat zur Folge, dass der Pulverfluss in die Matrize begrenzt wird, selbst wenn die Matrize weitgehend leer ist.

Die spezifische Energie (SE) wird aus einem dynamischen Test abgeleitet, bei dem der Widerstand von Partikeln gemessen wird, die sich relativ zueinander in einem ungebundenen Zustand bewegen. Die Schaufel bewegt sich vom Boden des Pulverbettes nach oben (im Gegensatz zu den BFE- und AE-Messungen, wodurch die Tests sehr empfindlich auf interpartikuläre Verzahnung und Reibung reagieren. Je niedriger die spezifische Energie ist, desto geringer ist die mechanische Verzahnung und desto wahrscheinlicher ist es, dass das Pulver unter der Schwerkraft in einem nicht begrenzten Zustand fließt.

Durchlässigkeit

Die Durchlässigkeit ist ein Maß für die Leichtigkeit, mit der sich Luft durch ein Pulver bewegen kann. In den meisten Konfigurationen muss die Luft zwischen den Partikeln hindurchströmen, um die Düse zu verlassen. Eine niedrige Permeabilität führt in der Regel zu einer unterbrochenen Strömung und einer beeinträchtigten Füllung.

Die Durchlässigkeit wird durch Messung des Druckabfalls über dem Pulverbett bestimmt, während Luft mit konstanter Geschwindigkeit an den Boden der Pulversäule geleitet wird. Ein belüfteter Kolben hält das Pulver an Ort und Stelle, während die Luft weiterhin durch das Bett strömen und leicht entweichen kann. Der Kolben kann auch zur Verfestigung des Pulvers verwendet werden, wobei der Druckabfall als Funktion der Verfestigung gemessen wird. Der Luftdruck an der Oberseite des Pulvers wird als Null (oder atmosphärischer Druck) angesehen. Der an der Basis der Pulversäule gemessene Luftdruck stellt den Widerstand des Pulvers gegen den Luftstrom bei einer bestimmten Konsolidierungslast und Luftgeschwindigkeit dar.

Quantifizierung der Abfüllleistung

Bei diesem Beispiel für das Befüllen einer Matrize bewegt sich ein mit Pulver gefüllter Schuh mit einer kontrollierten Geschwindigkeit relativ zu einer feststehenden Matrize. Das Füllverhältnis wurde berechnet als die Masse des Pulvers in der Matrize nach dem Füllen, verglichen mit der Masse, wenn das gesamte Volumen der Matrize mit einem Material mit der Schüttdichte des Pulvers gefüllt worden wäre. Ein Verhältnis von 1,0 bedeutet eine vollständige Füllung der Matrize, während ein Wert von 0,2 anzeigt, dass nur 20 % der Matrize gefüllt wurden.

Es wurden vier Materialien mit bekannten, aber unterschiedlichen Partikelgrößen und -formen ausgewählt. Für jedes Material wurden Versuche mit verschiedenen Schuhgeschwindigkeiten durchgeführt.

Wolfram zeigte die schlechteste Leistung im Betrieb, da es nicht in der Lage war, eine 100%ige Füllung selbst bei den niedrigsten Schuhgeschwindigkeiten zu erreichen, und bei den höchsten Schuhgeschwindigkeiten im Vergleich zu den anderen Pulvern kaum füllte. Umgekehrt füllten die großen Glasperlen die Matrize am effektivsten und erreichten selbst bei moderaten Schuhgeschwindigkeiten eine 100%ige Füllung. Die kleinen Glasperlen und das Aluminium zeigten eine mäßige Leistung und erreichten eine Füllung der Matrize von über 75 %, aber der Schuh musste sich dazu langsamer bewegen.

FT4-Pulverrheometer-Testergebnisse

Dynamische Prüfung: Belüftung

Wolfram erzeugte die höchste AE der Proben, was darauf hindeutet, dass es am wenigsten empfindlich auf Belüftung reagierte. Im Gegensatz dazu wiesen die drei anderen Proben alle eine sehr niedrige AE auf, was darauf hindeutet, dass sie vollständig fluidisiert werden konnten. Eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Belüftung ist ein Indikator für eine höhere Kohäsivität, da die starken interpartikulären Kräfte verhindern, dass die Luft zwischen alle Partikel gelangt, was zu einer ungleichmäßigen Belüftung des Pulvers führt.

Dynamische Prüfung: Spezifische Energie

Wolfram erzeugte den höchsten SE der Proben, was auf ein hohes Maß an mechanischer Verzahnung und Reibung hinweist und ein kohäsiveres Verhalten nahelegt. Im Gegensatz dazu erzeugten beide Glasperlenproben einen niedrigen SE, wobei die kleinen Glasperlen einen niedrigeren SE (geringere Verzahnung zwischen den Partikeln) als die großen Glasperlen erzeugten, obwohl die großen Glasperlen die Matrize am effektivsten ausfüllten.

Schüttgutprüfung: Durchlässigkeit

Die großen Glasperlen erzeugten den geringsten Druckabfall über dem Pulverbett, was auf die höchste Durchlässigkeit hindeutet. Die kleinen Glaskugeln erzeugten einen wesentlich höheren Druckabfall (PD), was auf eine geringere Permeabilität hindeutet und darauf, dass mitgerissene Luft länger braucht, um zu entweichen, nachdem sie mit dem Pulver in die Form gefallen ist. Wolfram erzeugte den höchsten Druckabfall von allen, was auf die geringste Permeabilität hinweist. Eine niedrige Permeabilität wird häufig mit kohäsivem Verhalten bei einer Reihe von Verfahren in Verbindung gebracht.

Die Konstruktion des Designraums

Durch die Kombination der mit dem FT4-Pulverrheometer erfassten Daten und des Füllungsgrads ist es möglich, einen Designraum für die Vorhersage der Prozessleistung zu konstruieren.

Große Glasperlen zeigten eine gute Leistung, so dass ihre Eigenschaften verwendet werden können, um akzeptable Werte für jeden Parameter zu definieren (in jedem Diagramm grün eingefärbt). Umgekehrt zeigte Wolfram eine schlechte Leistung, so dass seine Eigenschaften die Grenzen für inakzeptable Werte definieren können (in den Diagrammen rot eingefärbt).

Pulver, die eine mittlere Leistung aufweisen, können zur Feinabstimmung des Designraums verwendet werden, insbesondere wenn mehrere Kriterien erfüllt werden müssen. Aluminium erzeugt beispielsweise ähnliche AE- und PD-Werte wie große Glasperlen, weist aber eine deutlich schlechtere Leistung auf. Dies ist wahrscheinlich auf den höheren SE-Wert zurückzuführen und hilft bei der Festlegung einer akzeptablen Grenze für SE. In ähnlicher Weise erzeugen kleine Glasperlen niedrige AE- und SE-Werte, aber ein höherer PD-Wert trägt zu einer schlechteren Leistung bei, so dass auch für diesen Wert ein Grenzwert festgelegt wird.

Wenn eine neue Formulierung oder ein neues Gemisch in diesem Prozess verwendet werden soll, kann durch die Bewertung der Eigenschaften vor dem Einsatz die Prozessleistung bestimmt und inkompatible Formulierungen identifiziert werden. Liegen die Eigenschaften bei jedem Test im "grünen" Bereich, kann davon ausgegangen werden, dass dieses Pulver bei der Abfüllung gut abschneidet und einen hohen Füllgrad erzielt, der mit dem der Großglaskugeln vergleichbar ist. Liegen die Ergebnisse im "roten" Bereich, wird das Pulver wahrscheinlich sehr schlecht abschneiden und sich unter allen Anwendungsbedingungen als problematisch erweisen. Proben, die sich im roten Bereich befinden, können aus dem Prozess aussortiert werden, bevor sie in den Prozess gelangen, wodurch ein schlechtes Füllverhalten verhindert, die Produktivität erhöht und der Abfall reduziert wird. Liegt ein Ergebnis im mittleren oder gelben Bereich, ist die Leistung akzeptabel, wenn auch nicht optimal, und kann durch entsprechende Anpassung der Prozessparameter verbessert werden.

Schlussfolgerung

Die dynamischen und Bulk-Charakterisierungstechniken des FT4 Pulverrheometers haben klare und wiederholbare Unterschiede zwischen vier Proben gezeigt, von denen bekannt ist, dass sie sich im Prozess unterschiedlich verhalten. Die Ergebnisse zeigen auch, dass einzelne Techniken möglicherweise nicht ausreichen, um die Prozessleistung vollständig zu beschreiben, und dass ein multivariater Ansatz erforderlich ist.

Die Tests zeigen, dass Pulver mit hoher Belüftungsempfindlichkeit und geringem Kohäsionsgrad (niedrige AE), einem relativ geringen Grad an mechanischer Verzahnung und Reibung (niedrige SE) und einer hohen Durchlässigkeit (niedriger Druckverlust) bei diesem Verfahren am besten abschneiden. Umgekehrt dürften sich Pulver mit geringerer Empfindlichkeit gegenüber Belüftung, größerer Partikelverflechtung und geringerer Durchlässigkeit als problematischer erweisen. Die Daten zeigen auch, dass die Permeabilität ein sehr einflussreicher Parameter ist, was bedeutet, dass Pulver mit nicht optimalen dynamischen Fließeigenschaften (wie z. B. die großen Glasperlen) in diesem Prozess immer noch am besten funktionieren. Dieser Ansatz zum Prozessverständnis ermöglicht es, einen Designraum zu definieren, anhand dessen neue Materialien zur Leistungsvorhersage bewertet werden können.

Die Fließfähigkeit des Pulvers ist keine inhärente Materialeigenschaft, sondern vielmehr die Fähigkeit des Pulvers, in einem bestimmten Gerät in der gewünschten Weise zu fließen. Eine erfolgreiche Verarbeitung setzt voraus, dass das Pulver und der Prozess gut aufeinander abgestimmt sind, und es ist nicht ungewöhnlich, dass dasselbe Pulver in einem Prozess gut, in einem anderen aber schlecht fließt. Dies bedeutet, dass mehrere Charakterisierungsmethoden erforderlich sind, deren Ergebnisse mit der Prozesseinstufung korreliert werden können, um einen Designraum mit Parametern zu erstellen, die einem akzeptablen Prozessverhalten entsprechen. Anstatt sich auf die Charakterisierung einer einzigen Zahl zu verlassen, um das Verhalten in allen Prozessen zu beschreiben, simuliert der multivariate Ansatz des FT4 eine Reihe von Betriebseinheiten und ermöglicht so die direkte Untersuchung der Reaktion eines Pulvers auf verschiedene Prozess- und Umweltbedingungen.