充填は、充填重量や公差は大きく異なるものの、あらゆる産業で共通の作業です。製薬業界では、錠剤製造の厳しい基準と高いスループット要件を満たすため、ミリグラム単位の正確で高速な充填が要求されることが多い。これとは対照的に、バルク化学や鉱物産業では、20トンの容器に粉体を充填することがあり、充填工程にかなりの時間を要し、精度を管理する規制上のプレッシャーもありません。
充填効率に影響を与える要因は、使用される装置のタイプによって異なります。純粋に重力駆動のシステムもあれば、強制供給に頼るシステムもあります。輪転機による錠剤製造のような多くの用途では、粉体は重力と力流れの組み合わせによって金型に充填されます。この2つのメカニズムそれぞれの影響は、フィードフレームの形状、プレスを通過する流量、粉体の特性によって異なります。これらの変数のそれぞれに大きなばらつきがあることから、これは複雑なプロセスであり、限られた数の粒子特性とプロセスパラメーターの知識からモデル化するのは依然として困難であることは容易に理解できる。
バッグやバルクコンテナへの充填のような大規模な場合、プロセスは容積充填または質量に基づく充填となる。いずれの場合も、供給ホッパーの底部に直接取り付けられたオーガーまたはロータリーバルブが採用されるのが一般的である。このような構成では、充填効率を制御する要因は錠剤製造の場合とは異なる可能性があるが、すべての規模およびすべての工程における効率は、材料特性と処理環境で課される条件との適合性に依存する。
ダイフィリング
この典型的なダイ充填プロセスの例では、回転式錠剤印刷機のようにダイがフィードフレームの下を移動するのではなく、充填「シュー」が静止したダイに対して相対的に移動します。多くの形状や構成がありますが、どのような場合でも共通の目的があります。それは、均質な方法でダイに充填し、目標スループットを達成できる時間枠で充填することです。
この例では、粉末はホッパーから充填シューに排出される。シューはダイの上部を横切って横方向に移動し、粉末は下の空のキャビティに流れ込みます。この特殊な構成は、シュー内で粉体を固める力がほとんどないため、重力によって誘導され、比較的低い応力を伴います。これとは対照的に、錠剤プレスのフィードフレームでは、フィードフレームのパドルが粉体をテーブルの上で循環させるため、応力が大きくなります。フィードフレームへの粉体の流れの一貫性は、タレット速度に対するフィードフレームの速度と同様に、循環する粉体の応力に影響します。これは独立して設定できるため、タレットに対するフィードフレームの相対速度を変えるだけで、さまざまな動性と応力状態を生成するようにフィードフレームを構成することができます。その結果、ダイへの流れに寄与する強制的な流れの量が調整され、またフィードフレームのどの位置から粉末がダイに排出されるかが調整されます。パドルの形状を変えることは、純粋な重量流ではなく、強制流が充填工程に寄与する程度を管理する一つの方法です。
すべての粉体処理と同様に、粉体とプロセス条件との適合性を考慮する必要があります。この場合、目標充填重量を一貫して達成できるかどうかは、粉体の特性がプロセスの条件に適合しているかどうかにかかっています。重力式であれ、強制充填式であれ、あるいはその両方の組み合わせであれ、性能を予測するには、プロセス条件を理解し、関連する粉体特性を測定しなければなりません。
このプロセスの目標は、バルク内に空気を巻き込まず、ダイに粉末を均一に充填することである。対照的に、充填が不十分なダイは、空気を巻き込む凝集物を含み、重量変動が大きくなり、含量均一性が低くなる危険性があり、また、バルク内に巻き込まれた空気が最初に打錠機で圧縮され、次に錠剤本体内で膨張する際に、錠剤の剥離（「キャッピング」）につながる可能性が高い。
充填に影響を与えるメカニズムの定量化
粒子相互作用のいくつかのメカニズムは、充填効率に強く影響する。
凝集力
隣接する粒子は、静電気力、ファンデルワールス力、共有結合力の結果として互いに引き合う。粒子は隣接する粒子から独立して動くことができず、凝集体が形成される可能性がある。その結果、充填効率が低下する。
The FT4 Aeration test can quantify the extent of these attractive forces between the particles. The method first measures the energy needed to establish flow in a conditioned powder (the Basic Flowability Energy, BFE), and then compares it to the energy measured whilst establishing the same flow pattern, but this time whilst air is being passed through the powder column (Aerated Energy, AE). In powders with low cohesion, particles are bound weakly to their neighbours and can move independently of one another. When air is introduced to such powders, it is able to pass between each particle so that the entire bed becomes fluidised. In this state, there is little or no particle-particle contact and the AE is reduced to almost zero. Conversely, cohesive powders tend to form agglomerates, preventing the bed from becoming substantially aerated by channelling the air through a single or reduced number of pathways, leading to less change in the packing structure. The AE will reduce to some extent compared to the BFE, but values of AE are likely to remain high.
機械的摩擦と粒子のインターロッキング
不規則な形状や粗い表面テクスチャーの粒子は、互いにロックし、一時的な機械的ブリッジを形成する傾向がある。その結果、ダイがほとんど空であっても、ダイ内への粉末の流入が制限されます。
比エネルギー（SE）は、非圧縮状態で粒子が互いに相対的に移動する抵抗を測定する動的試験から得られます。ブレードは粉体層の下部から上部へと移動します（BFEやAE測定とは対照的に、この試験は粒子間のインターロックや摩擦に非常に敏感です）。比エネルギーが低ければ低いほど、機械的インターロックは小さくなり、粉体は非圧縮状態で重力により流れやすくなります。
透過性
透過性とは、粉体中を空気が移動しやすいかどうかの尺度である。ほとんどの構成では、空気はダイから出るために粒子間を流れる必要があります。通気性が低いと、一般的に流れが断続的になり、充填性が損なわれます。
透過性は、粉体カラムの底部に空気を一定速度で導入しながら、粉体ベッドを横切る圧力降下を測定することによって定量化される。通気孔のあるピストンが粉体を所定の位置に保持する一方で、空気はベッドを通過して容易に排出される。ピストンは粉体の圧密にも使用でき、圧密の関数として圧力降下を測定します。粉体の上部の空気圧はゼロ（または大気圧）とみなされます。パウダーカラムの底部で測定される空気圧は、与えられた圧密荷重と空気速度に対するパウダーの空気流に対する抵抗を表します。
充填性能の定量化
このダイ充填プロセス例では、固定されたダイに対して制御された速度で粉体を含むシューが移動する。充填率は、充填後のダイ内の粉末の質量を、ダイの全容積に粉末の嵩密度の材料が充填された場合の質量と比較して計算した。比が1.0であればダイは完全に充填され、0.2であればダイの20%しか充填されていないことを示します。
粒子径と形状が既知だが異なる4つの材料が選ばれた。それぞれの素材について、靴の速度の範囲で実験を行った。
タングステンは、他のパウダーと比較すると、シュースピードが最低でも100％の充填を達成できず、シュースピードが最高でもほとんど充填されないという、最悪の結果を示した。逆に、大型ガラスビーズはダイへの充填に最も効果的で、中程度のシュー速度でも100%の充填を達成した。小型ガラスビーズとアルミニウムは中程度の性能を示し、75%以上の充填を達成したが、そのためにはシューをよりゆっくりと動かす必要があった。
FT4 Powder Rheometer Test Results
動的試験エアレーション
タングステンは、試料の中で最も高いAEを発生し、曝気に対する感受性が最も低いことを示した。対照的に、他の3つの試料はすべて非常に低いAEを発生し、完全に流動化できることを示している。通気に対する感度が低いということは、凝集性が高いことの指標となります。これは、粒子間の力が強いため、空気がすべての粒子間を通過することができず、粉末の通気性が不均一になるためです。
動的試験比エネルギー
タングステンは試料の中で最も高いSEを示したが、これは高度な機械的インターロックと摩擦を示しており、さらに凝集性の高い挙動を示唆している。対照的に、ガラスビーズ試料はいずれも低いSEを示したが、小ガラスビーズは大ガラスビーズよりも低いSE（粒子間のインターロックが低い）を示した。
バルク試験透水性
大型ガラスビーズは、パウダーベッドを横切る圧力損失が最も低く、透過性が最も高いことを示している。小さいガラスビーズでは、圧力損失（PD）がかなり高く、透過性が低く、巻き込まれた空気が粉末と一緒にダイに落下した後、逃げるのに時間がかかることを示している。タングステンは、最も高い圧力損失を発生させ、最も低い透過性を示した。低透過性は、多くの作業において凝集挙動と関連することが多い。
デザインスペースの構築
By combining the data collected using the FT4 Powder Rheometer and Filling Ratio, it is possible to construct a design space for predicting process performance.
大粒のガラスビーズは良好な性能を示したため、その特性を用いて各パラメーターの許容値を定義することができる（各グラフで緑色に着色）。逆に、タングステンは低い性能を示したため、その特性を用いて許容できない値の限界を定義することができる（グラフで赤色に着色）。
中間の性能を示す粉末は、特に複数の基準を満たす必要がある場合に、設計空間の微調整に使用することができます。例えば、アルミニウムは大型ガラスビーズと同様のAE値とPD値を生成しますが、性能はかなり悪くなります。これはSE値が高いためと考えられ、SEの許容限度を定めるのに役立ちます。同様に、小型ガラスビーズは低いAE値とSE値を生成しますが、高いPD値が性能悪化の一因となるため、この値についても許容限度を定義します。
このプロセスで新しい配合やブレンドを使用する場合、運転前にその特性を評価することで、プロセス性能を決定し、不適合な配合を特定することができる。各試験で特性が「グリーン」ゾーンにあれば、このパウダーは充填作業で良好な性能を発揮し、ラージガラスビーズに匹敵する高い充填率を生み出すことが期待できる。結果が「赤」ゾーンにある場合、このパウダーは充填作業において非常に性能が低く、どのような条件下でも問題が生じる可能性が高い。赤色」ゾーンの試料は、工程に入る前に選別することができ、充填不良を防ぎ、生産性を向上させ、無駄を省くことができます。結果が中間または「アンバー」ゾーンにある場合、性能は最適ではないにしても許容できる可能性があり、それに応じてプロセスパラメーターを調整することで改善することができる。
結論
The Dynamic and Bulk characterisation techniques of the FT4 Powder Rheometer have demonstrated clear and repeatable differences between four samples known to behave differently in process. The results also demonstrate that individual techniques may not be sufficient to fully describe the process performance, and that a multivariate approach is required.
この試験は、通気に対する感受性が高く、凝集度が低い（AEが低い）、機械的インターロックと摩擦の程度が比較的低い（SEが低い）、浸透性が高い（圧力損失が低い）パウダーが、この操作で最もよく機能することを示している。逆に、通気に対する感受性が低く、粒子のインターロックが大きく、透過性が低いパウダーは、より問題が大きいと思われる。このデータはまた、透過性が非常に影響力のあるパラメーターであることを示している。つまり、最適な動的流動特性ではないパウダー（ラージガラスビーズなど）も、このプロセスで最も効果的に機能するということである。プロセスを理解するためのこのアプローチにより、デザインスペースを定義することができ、それに対して新しい材料を評価し、性能を予測することができる。
Powder flowability is not an inherent material property, but is more about the ability of powder to flow in a desired manner in a specific piece of equipment. Successful processing demands that the powder and the process are well-matched and it is not uncommon for the same powder to perform well in one process but poorly in another. This means that several characterisation methodologies are required, the results from which can be correlated with process ranking to produce a design space of parameters that correspond to acceptable process behaviour. Rather than relying on single number characterisation to describe behaviour across all processes, the FT4’s multivariate approach simulates a range of unit operations, allowing for the direct investigation of a powder’s response to various process and environmental conditions.
