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Tim Freeman粉體流動(dòng)專欄 | 使用FT4粉體流變儀™支持生產(chǎn)
Tim Freeman "粉體流動(dòng)" 專欄 | 開(kāi)發(fā)用于口服固體制劑生產(chǎn)的設(shè)計(jì)空間
采用多種單元操作處理粉體。這些材料總是受到各種條件的影響，從料斗中觀察到的相對(duì)較高和靜態(tài)的正應(yīng)力到流化過(guò)程中遇到的低應(yīng)力和動(dòng)態(tài)條件。因此，全面了解松裝材料在各種條件下以及流動(dòng)的各個(gè)階段（無(wú)論是靜止、運(yùn)動(dòng)還是即將移動(dòng)）的行為，對(duì)于設(shè)計(jì)和監(jiān)控單元操作和給定流程的輸送系統(tǒng)至關(guān)重要。
盡管不同操作之間存在很大的差異，但仍存在用一個(gè)簡(jiǎn)單、單一的參數(shù)來(lái)表征粉體的趨勢(shì)。單一數(shù)字的表征（如從“內(nèi)聚力”到“流動(dòng)性”）不足以全面評(píng)估和預(yù)測(cè)材料在一系列工藝中的性質(zhì)。
關(guān)鍵是要確保加工設(shè)備和其處理的粉體特征之間的兼容性。這種方法需要全面了解材料的整體行為，以便從一開(kāi)始就要將相關(guān)信息納入到工藝設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中。
FT4 粉體流變儀™
FT4粉體流變儀是一種通用型粉體流變儀，可提供全自動(dòng)、可靠和全面的松裝粉體性能表征。該信息可與加工經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，以提高生產(chǎn)效率和幫助質(zhì)量控制。FT4專注于測(cè)量動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能，還集成了剪切盒，并能夠測(cè)量包含密度、壓縮性和透氣性等整體性能，從而全面表征與工藝相關(guān)的粉體性能。
氣動(dòng)輸送
在稀相氣動(dòng)輸送過(guò)程中，使用氣流或者真空以流化狀態(tài)輸送粉體。在此過(guò)程中，可能會(huì)遇到許多問(wèn)題，例如阻塞、粘附或者溢流。因此，粉體的透氣性和對(duì)空氣的響應(yīng)都可能是關(guān)鍵特性。通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試，可以確定材料是否可以達(dá)到流化狀態(tài)，以及達(dá)到該狀態(tài)所需的氣流。這種測(cè)試可以得到最佳操作參數(shù)。
FT4的充氣性測(cè)試可以量化粉體對(duì)空氣的敏感度。在此測(cè)試中，測(cè)量空氣以遞增的流速穿過(guò)粉床時(shí)的流動(dòng)能。這樣可以簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地識(shí)別何時(shí)發(fā)生流化，如圖1中的兩個(gè)示例所示。
當(dāng)流動(dòng)能接近零值時(shí)，就認(rèn)為發(fā)生了流化。圖1中兩種粉體都到達(dá)了流化狀態(tài)，但是其中一種粉體在4mm/s的氣流速度時(shí)發(fā)生，而另一種則需要較高的8mm/s速度。
透氣性測(cè)試直接測(cè)量粉層的壓降，量化粉體對(duì)空氣穿過(guò)粉層的阻力。較低的壓降（圖2中的灰色曲線）表示較高的透氣性。這可能不利于稀相氣動(dòng)輸送過(guò)程，因?yàn)榭諝鈺?huì)更容易通過(guò)粉層而不是有效地輸送。
這一信息可用于優(yōu)化工藝條件和指定氣動(dòng)輸送系統(tǒng)中的工藝參數(shù)。
粒度減小
在某些應(yīng)用中，進(jìn)一步加工之前減小顆粒粒度可能是有益的。例如，粒度減小可以增加藥物混合物中活性成分的溶解度，或者在混合之前幫助改善混合物的均勻性。但是，不同的粒度減小方法（如粉碎、研磨或者磨削）會(huì)對(duì)得到的顆粒物理屬性（如粒度和粒形）產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而影響相關(guān)的流動(dòng)屬性。
圖3：流動(dòng)能隨粒度減小過(guò)程的變化
盡管減小粒度可以帶來(lái)好處，但是顆粒較小的粉體通常表現(xiàn)出更高的內(nèi)聚力。對(duì)于更小更輕的顆粒，顆粒間的力可能比引發(fā)和維持流動(dòng)所需的重力相對(duì)要強(qiáng)。測(cè)量粉體的壓縮性可以提供材料對(duì)施加負(fù)載進(jìn)行固結(jié)反應(yīng)的信息，并得到粉床的填充效率，確定夾帶空氣的水平。較小的顆粒通常會(huì)導(dǎo)致效率較低的堆積結(jié)構(gòu)，這通常與材料粘性更高有關(guān)。
粒度減小還會(huì)影響粉體的流動(dòng)阻力，具有相同形貌的較小顆粒通常會(huì)產(chǎn)生較低的流動(dòng)能，這是因?yàn)樗鼈兏菀妆恍D(zhuǎn)的葉片移動(dòng)。但是，粒度減小后形貌和表面性質(zhì)的變化也會(huì)影響顆粒之間的摩擦和互鎖，如圖3所示。
分配
粉體分配是許多行業(yè)的關(guān)鍵操作環(huán)節(jié)，以確保將正確質(zhì)量或體積的材料傳遞到工藝的下一個(gè)階段。了解此操作中的粉體行為可以顯著提高效率和生產(chǎn)率。在典型的分配操作中，粉體將通過(guò)開(kāi)口填充到下面的容器、模具或者沖模中。粉體流過(guò)開(kāi)口的難易程度和效率，對(duì)于建立高效的工藝流程和實(shí)現(xiàn)一致的罐裝性能至關(guān)重要。
顆粒的內(nèi)聚力和機(jī)械咬合決定其在通過(guò)開(kāi)口時(shí)是否會(huì)堆積和形成架橋。這些性質(zhì)的影響可以通過(guò)測(cè)量比流動(dòng)能來(lái)量化。比流動(dòng)能是通過(guò)FT4葉片向上移動(dòng)通過(guò)粉床且顆粒在不受限制的狀態(tài)下流動(dòng)測(cè)量的。比流動(dòng)能高的粉體在此類工藝中更容易產(chǎn)生堵塞和流動(dòng)受限。
透氣性測(cè)量有助于了解粉體取代空氣的能力。高效罐裝需要空氣能穩(wěn)定的通過(guò)松裝粉體，不僅要防止在分配器出口處的流量受到損害，還要使空氣能夠排出容器，從而減少空隙的形成。與上述氣動(dòng)輸送相反，更高的透氣性更有利于分配操作。
結(jié)論
FT4的多元測(cè)試方法適用于表征與工藝相關(guān)的粉體性能，這些性能將影響并關(guān)聯(lián)各種加工過(guò)程中的表現(xiàn)。這一相關(guān)性可以構(gòu)建粉體性能的設(shè)計(jì)空間，并與良好的加工表現(xiàn)關(guān)聯(lián)，從而評(píng)估新配方以及進(jìn)料和出料的批次，預(yù)測(cè)下游環(huán)節(jié)的行為。
作者簡(jiǎn)介
Tim Freeman，富瑞曼科技有限公司總經(jīng)理
自20世紀(jì)90年代末，Tim Freeman作為粉體表征公司富瑞曼科技有限公司的總經(jīng)理，在FT4粉體流變儀®和通用型粉體測(cè)試儀的設(shè)計(jì)和持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。Tim與各專業(yè)機(jī)構(gòu)合作并參與行業(yè)活動(dòng)，對(duì)促進(jìn)粉體加工領(lǐng)域的發(fā)展做出了
杰出貢獻(xiàn)。
Tim擁有英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的機(jī)電一體化學(xué)位。他是美國(guó)結(jié)構(gòu)化有機(jī)微粒系統(tǒng)工程研究中心 (Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems) 許多項(xiàng)目組的導(dǎo)師，并經(jīng)常組織粉體表征和加工領(lǐng)域的行業(yè)會(huì)議。作為美國(guó)藥學(xué)科學(xué)家協(xié)會(huì) (AAPS) 的“過(guò)程分析技術(shù)”焦點(diǎn)小組的前任主席，Tim是制藥技術(shù)編輯顧問(wèn)委員會(huì)的成員，以及《歐洲藥物評(píng)論》雜志的行業(yè)專家組成員。Tim還是化學(xué)工程師學(xué)會(huì)“顆粒技術(shù)”特別興趣小組的委員會(huì)成員、ASTM負(fù)責(zé)粉體和松裝固體的特性和處理的D18.24小組委員會(huì)副主席，以及美國(guó)藥典 (USP) 通論 — 物理分析專家委員會(huì) (GC-PA EC) 的成員。
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