TEMA 13

Raquel Taléns ViscontiDpto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica

Pulverización

PulverizaciónIntroducción

División. Importancia y objetivosInconvenientesTipos

Análisis del proceso de pulverizaciónCaracterísticas de deformaciónCaracterísticas de dureza (Mohs)Contenido en humedadMecanismos de pulverización

Balance energético de la pulverización: leyes de Kick, Rittinger y BondDistribución granulométrica en la pulverizaciónDispositivos de pulverización utilizados: tipos y factores que condicionan su elección

Métodos por CortadoMétodos por CompresiónMétodos por RozamientoMétodos por ImpactoMétodos por Impacto y Rozamiento

División: promover la aparición de superficies nuevas libres

Pulverización: procedimiento mecánico que permite la reducción del tamaño de partícula de materiales sólidos (principios activos y excipientes) El proceso requiere aporte de energía

S<S’

S S’

1. Introducción

División de sólidos: pulverización

Dotar a los sólidos de una granulometría similar para evitar la segregación de las mezclas

Incrementar la superficie específica de las partículas: incrementos notables en biodisponibilidad de fármacos de baja hidrosolubilidad (ej: griseofulvina)

Distribución homogénea de fármacos en f.f. sólidas con dosificación baja (ej. digoxina)

Dotar de esfericidad a las partículas, facilitando su manipulación

Tamaño partículas sólidas determina propiedades:Físicas: flujo

capacidad de empaquetamientocomportamiento durante el mezclado y llenado

Biofarmacéuticas: velocidad disolución y biodisponibilidad

1. Introducción

Objetivos de la pulverización

Condiciona eficacia delproceso tecnológico

)·(· CsCSKdtdMNoyes-Whitney Condiciona rendimiento del

medicamento

Mayor susceptibilidad al ataque por agentes atmosféricos (oxígeno, humedad..)

Posibles cambios polimórficos: la energía suministrada al sistema puede generar polimorfos de menor estabilidad o con propiedades fisicoquímicas y/o farmacológicas diferentes de las del compuesto de partida

Degradaciones del fármaco, debidas al calor generado durante el proceso

Disminución del volumen aparente del polvo (mayor compactación), en ocasiones peor flujo

Incremento en la carga eléctrica estática (rozamiento), promoción de la reagrupación de partículas, peor flujo

Dificultad de humectación del sólido pulverizado (excesiva adsorción de aire, o cargas eléctricas que dificultan la humectación de las partículas)

1. Introducción

Inconvenientes: riesgos

Según la fuente de energía utilizada se distingue:1. Mecánica2. Eléctrica o anódica: como la obtención de plata coloidal u oro coloidal

3. Fisicoquímica:* por sublimación: iodo resublimado, azufre en flor* por cambio de disolventes: azufre coloidal* por reacciones de doble descomposición

Ej BaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + 2NaCl

1. Introducción

Pulverización: tipos

Ruptura de las partRuptura de las partíículasculas

FUERZAS LOCALIZADAS Tensiones grandes: RUPTURA DE ENLACES

PROPAGACIÓN

1. CARACTERÍSTICAS DE DEFORMACIÓN

2. CARACTERÍSTICAS DE DUREZA (Mohs)

3. CONTENIDO EN HUMEDAD

4. MECANISMOS DE PULVERIZACIÓN

Aspectos a considerar:

2. Análisis del proceso de pulverización

Dependen del material

Depende del dispositivo empleado

La deformación cesa cuando deja de aplicarse la fuerza. El material recupera las dimensiones inicialesRelación lineal entre la intensidad de la presión y la magnitud de la deformación. Ley de HOOKE Módulo de Young (dinas/cm2): pendiente de la recta presión-deformación. Medida de la facilidad de deformación elásticaPunto de fractura: presión por encima de la cual el material sufre una deformación no aceptable en su estructura y se rompe

Materiales elásticos. Ej. sólidos cristalinos (sólidos quebradizos)

1. Características de deformaciónPlástica

ElásticaMaterial a pulverizar Deformación

Esfuerzo mecánico

Fragmentación

El comportamiento mecánico del sólido se estudia a través de las CURVAS PRESIÓN/DEFORMACIÓN

2. Análisis del proceso de pulverización

Cuando se supera el límite elástico las deformaciones pasan a ser permanentes. El material no recobra sus dimensiones iniciales La relación presión-deformación es no lineal a partir del límite elásticoEl material se deforma hasta un máximo: puntode fractura Consumen parte de la energía en deformacionesiniciales hasta que se supera el umbral que permite la fractura

Materiales plásticos. Ej. sólidos amorfos (difíciles de fracturar)

1. Características de deformación

Dislocación estructuralRoturas parciales enlaces

Los enlaces rotos adquieren una nueva disposición estructural

Comportamiento permanente a la deformación sin fractura

Altas temperaturas: mayor movilidad de las dislocaciones, más difíciles de fracturar.Bajas temperaturas: comportamiento similar alde los materiales quebradizos Emplear velocidades más elevadas para que la estructura no asimile las deformaciones: más frágilTEMPERATURA VELOCIDAD

2. Análisis del proceso de pulverización

AUC

La FORMA que adopta la curva así como los valores de los parámetros dependen, para un mismo material, del tipo de esfuerzo aplicado y de la velocidad con que se aplicaEl ÁREA BAJO LAS CURVAS se corresponde con la energía o trabajo necesario para la fractura y mide así la resistencia por parte del material a la fracturaAPLICACIÓN: Las curvas presión/deformación nos proporcionan una idea clara del comportamiento del material ante un esfuerzo deformante lo cual es necesario conocer para planificar correctamente un proceso de pulverización

1. Características de deformación

Curvas presión-deformación

2. Análisis del proceso de pulverización

Dureza del material: Es más difícil pulverizar un material duro que uno blando

Escala de Mohs (escala cuantitativa): clasifica según su dureza entre 1 y 10

Blandos:1-3, intermedios: 4-7 y duros:8-10

Dureza + difícil fragmentación

Efecto abrasivo (desgaste piezas)

Vida útil molinos

Contaminación de los materiales

2. Características de dureza

Normalmente se requiere menos energía, por imperfección de la estructura

2. Análisis del proceso de pulverización

>5% ADHESIVIDADAglomeración de partículas

Fijación en distintas zonas de los molinos

EFICACIA DEL PROCESO

Captación humedad ambiental (sólidos higroscópicos)Pérdida agua de hidratación (moléculas hidratadas)

<5%: buena pulverizaci<5%: buena pulverizacióón en secon en seco>50%: pulverizaci>50%: pulverizacióón hn húúmeda:meda:

Aumenta el grado de división,Protege sustancias termosensibles

3. Contenido en humedad

2. Análisis del proceso de pulverización

-- Compresión(cascanueces)

-- Impacto o golpeo(martillo)

-- Rozamiento o erosión (li(lima)a)

-- Cortado (cizalla o corte)((tijera))

Materialquebradizo

Materialfibroso

4. Mecanismo de rotura

2. Análisis del proceso de pulverización

Materialblando

La eficiencia del proceso de pulverización depende de:La magnitud y naturaleza (corte, impacto) de la fuerza aplicadaLa forma en que se aplica la fuerza (tipo de equipo)La velocidad de aplicación de la fuerza

<2% energía Pérdidas energéticas

Proceso con bajo rendimiento energético: aproximadamente el 2% del consumo total de energía permite fracturar partículas y crear superficies nuevas

Deformaciones elásticas y plásticas de partículas y deformaciones del equipo utilizado

Fricciones entre partículas y partículas con paredes del equipo

Vibraciones y sonido

Calor!!

3. Balance energético de la pulverización

Consideraciones previas

Ley general (Walker):c y p son constantesc refleja la eficacia del proceso

Ley de Kick: Energía proporcional a la reducción de tamaños. Aplicable a la división grosera de material elástico

p= 1

Ley de Rittinger: Energía proporcional al incremento de superficie específica. Aplicable a la pulverización fina de sólidos quebradizos

p= 2

Ley de Bond: Energía proporcional a la raíz cuadrada del tamaño de partícula. Útil para procesos en los que no se pueden usar las ecuaciones de Kick y Rittinger

p= 1,5

pDc

dDdE

2

1'·DDLncE

12 D1

D1'·'cE

La energía necesaria (dE) para provocar una reducción determinada de partícula (dD) es inversamente proporcional al tamaño de las partículas elevado a un exponente adecuado (p)

12

11'·'DD

cE

INTEGRAMOS

Cálculo consumo de energía. Leyes empíricas

3. Balance energético de la pulverización

En teoríaUn material se puede pulverizar hasta un tamaño ilimitado

En la prácticaPara un tipo de dispositivo y unas condiciones de operación (tipo material y tiempo pulverización), existe un valor límite de pulverización

Prolongar el tiempo de pulverización puede provocar reagrupación de partículas

ProlongaciónexcesivaAgregación

La distribución granulométrica de tamaños depende:

4. Distribución granulométrica en la pulverización

Evolución temporal del tamaño de partícula. Límite de pulverización

Criterios para clasificar los equipos de pulverización: Mecanismo de pulverización. Compresión, impacto, roce o desgaste y corteTamaño de partícula del producto pulverizado:

Pulverización grosera, tamaños superiores a 840 µm.Pulverización intermedia, 840 µm - 75 µmPulverización fina, < 75 µmPulverización ultrafina, ~ 1 µm

Régimen de funcionamiento. Continuo o discontinuoModalidad de pulverización. Pulverización húmeda?

5. Dispositivos de pulverización

Tres elementos básicos

Métodos por CortadoMolino de hélices 500 - 50.000 m

Métodos por CompresiónMolino de muelas 50 - 10.000 mMolino de cilindros 1.000 - 100.000 m

Métodos por RozamientoCilindros a alta velocidad 1 - 200 mMolinos coloidales

Métodos por ImpactoMolino de martillos 50 - 7.000 mMolino por vibraciones 1 -1.000 m

Métodos por Impacto y RozamientoMolino de bolas 1 - 200 mMicronizador 1 - 50.000 mMolino de puntas o vástagos 10 -10.000 m

5. Dispositivos de pulverización

Métodos por cortado:

Sistema de pulverización grosera o intermedia

Para materiales plásticos o fibrosos, semiduros. Ej: granulados secos, plantas medicinales

Entre 2 y 12 cuchillas. Externamente hay una carcasa con cuchillas fijas y un rotor central con cuchillas móviles

Velocidad de giro entre 200 y 900 rpm

5. Dispositivos de pulverización

Molino de hélices o cuchillas

Métodos por compresión:

Sistema de pulverización intermedia

Para material blando

Funcionamiento continuo

Ruptura del material por compresión yrozamiento

5. Dispositivos de pulverización

Molino de muelas

Métodos por compresión:Sistema de pulverización intermedia

Para material quebradizo, dureza moderadaFuncionamiento continuo

Ruptura del material por compresión entre rodillos que giran en sentidos opuestos y a baja velocidad(50 y 300 rpm)

Los cilindros pueden presentar paredes lisas o rugosas (acanaladas o dentadas)

Ventaja, uniformidad de tamaño en superficie lisa

5. Dispositivos de pulverización

Molino de cilindros

Métodos por rozamiento:

Pulverización intermedia, fina, micronizados

Se utilizan para reducir el tamaño de partículas sólidas que se encuentran en suspensiones, pastas o cremasEl material se adhiere a la pared del cilindro

Varios cilindros que giran a distintas velocidades. La velocidad aumenta progresivamente (de menor a mayor)

El material molido se separa del cilindro con un raspador

-rpm +rpm

30 rpm<90rpm<270rpm

5. Dispositivos de pulverización

Cilindros a gran velocidad

Métodos por impacto:Pulverización de grosera a finaPara materiales quebradizosEntre 4 y 10 martillos sobre un eje central que gira a gran velocidad (hasta 10.000 rpm)

Factores que condicionan la eficacia- Velocidad de giro del rotor

ya no es posible seguir disminuyendo el tamaño de partícula: suministra distribución reducida de tamaños

- Características del tamiz

- Velocidad de alimentación del molino

Limitaciones: Temperatura y Obturación del tamiz

Se mejora la eficacia con deflectoresSe mejora la eficacia con deflectores

5. Dispositivos de pulverización

Molino de martillos

5. Dispositivos de pulverización

Molino de martillos

Por impacto:Pulverización grosera a finaPara material quebradizo

Rellenos hasta un 80% de su volumen con bolas de porcelana o acero (material duro)

Durante la pulverización, el cilindro se somete a movimientos vibratorios: provoca reducción por impactos repetidos

5. Dispositivos de pulverización

Molinos de vibración

Métodos por impacto y rozamiento:Pulverización fina. Materiales abrasivosCilindro con bolas de material duro y distintos tamañosPermite pulverización húmeda

Factores que condicionan la eficacia:- Velocidad de rotación del cilindroVelocidad crítica de giro:

Velocidad óptima: 65-80% velocidad crítica

- Tamaño de bolas> Tamaño bolas > peso +eficaz por impacto< Tamaño bolas > superficie +aportación por roceTamaño óptimo: mínimo para fracturar partículas por impacto

- Carga de bolas: mayor eficacia entre el 30 y 50 % del volumen de la cámara

- Carga de material: mayor eficacia 1/3 de la cámara

bc dd2.42)rpm(v

dc= diámetro del cilindro (m)db= diámetro de las bolas(m)

Roce

>tpul

Roce + impacto

<tpul

Velocidad crítica

5. Dispositivos de pulverización

Molinos de bolas

5. Dispositivos de pulverización

Molinos de bolas

Métodos por impacto y rozamiento:Tubo hueco de diámetro y longitud variable. Se introduceun gas a alta presión que produce el arrastre (efectoVenturi) del material dispuesto en la tolva. En la cámara de pulverización, inciden nuevas corrientes de aire tangencialmente: fuertes turbulencias

choques de alta velocidad entre las partículas: fragmentación

Las partículas siguen una trayectoria elíptica o circularen el interior de la cámara:- Las de mayor tamaño son empujadas hacia la parte exterior de la cámara- Las más pequeñas se concentran en la interior- Las que alcanzan un tamaño suficientemente reducidoson arrastradas a través de la abertura de descarga

Factores que condicionan la eficacia:presión del aire y velocidad de alimentación

Útil para sustancias termolábiles (efecto refrigerador que produce la descompresión del aire)

5. Dispositivos de pulverización

Micronizador

Los productos obtenidos se denominan "micronizados"

(0,5-20µm)Pulverización ultrafina

Requisito: 50 µm tamañomáximo recomendabledel material a pulverizar

Pulverización fina

Sistema versátil, pulveriza distintos tipos materiales

Dos discos, uno superior fijo y uno inferior móvil, con agujas muy próximas dispuestas en círculos concéntricosDisco inferior gira a gran velocidad

Reducción de tamaño de las partículas por impacto sobre las puntas y rozamiento a medida que se desplazan a la periferia por efecto fuerza centrífugaLa velocidad de giro y el nº de puntas condicionan el tamaño de partícula

Métodos por impacto y rozamiento:

5. Dispositivos de pulverización

Molino de puntas o vástagos

Criterios selección del pulverizador

Aspectos a considerar:La forma de las partículas (relacionado con el mecanismo)La proporción de finos a que dan origenLa relación de reducción, (admiten partículas por debajo de un tamaño yproducen partículas por encima de un tamaño mínimo)La cantidad de masa a tratarEl coste del proceso y del mantenimiento del aparatajeLas características del material:

DurezaElasticidadSuperficieErosionabilidadHumedadTermolabilidad

5. Dispositivos de pulverización

DISPOSITIVO MECANISMO DIVISIÓN

LÍM INF TAMAÑO (µm)

MATERIALADECUADO

MATERIAL NOADECUADO

HÉLICES CORTE 100 FIBROSO DURO, FRIABLE, ABRASIVO

RODILLO COMPRESIÓN 75 BLANDOS ABRASIVOS, FIBROSOS

MARTILLOS

IMPACTO + ROCE

40 QUEBRADIZOPOCO ABRASIVO

FIBROSO,ADHESIVO, PTO FUSIÓN BAJO

BOLAS 10 ABRASIVODUREZA MODERADA

FIBROSOS, BLANDOS

MICRONIZADOR 0.5 FRIABLES, DUREZA MODERADA

FIBROSOS, ADHESIVOS

5. Dispositivos de pulverización

Selección del pulverizador