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使用Granutools粉体流动性分析仪进行乳糖粉体分析

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【概述】

1.理论概况

       颗粒状材料和精细粉体在工业上有着广泛的应用。为了控制和优化加工方法,必须对这些材料进行精确的表征。表征方法既与颗粒的性质(粒度、形态、化学成分等)有关,也与粉体的行为(流动性、密度、共混稳定性、静电性能等)有关。然而,关于散装粉末的物理性能,大多数在研发或质量控制实验室使用的技术是基于旧的测量技术。在过去的十年中,我们更新了这些技术,以满足研发实验室和生产部门目前的要求。特别是,测量过程已经自动化,并开发了严格的初始化方法,以获得可重复和可解释的结果。利用图像分析技术提高了测量精度。

2.粉体流动性分析仪

       与古老的霍尔流量计(ASTM B213, ISO4490) 或者与药典(USP1174)中描述的“通过孔口的流动”方法相比,GranuFlow是一个先进的流速计。

       GranuFlow是一种简单明了的粉末流动性测量装置,它由一个不同孔径的筒仓和一个专用的电子天平组成。这种流量是根据用天平测量的流速质量随时间演化的比率(斜率)自动计算出来的。利用原有的旋转系统,可以快速、方便地调整孔径大小。软件辅助测量和结果分析。通过测量一组孔径尺寸来获得流量曲线。最后,整个流动曲线是配备知名Beverloo理论模型获得流动性指数(Cb、粉末流动性相关)和最小孔径大小获得流(Dmin)(为理论背景,用户可以参考附录1)。整个测量容易执行,快速准确。

       在本文中,我们使用了一套完整的孔径:4、6、8、10、12、14和16毫米。

       本应用说明的主要目的是为医药领域提供有关乳糖分析的信息。

【实验/操作方法】

乳糖分析

1.材料

       本应用中使用的粉末由Meggle Pharma提供。所有这些样品都是乳糖。他们被制造商称为Tablettose 70, Tablettose 80, Flowlac 90和Flowlac 100。根据供应商的数据,这些粉末的理化性能描述如下表:


松装密度(g/l)

振实密度

豪斯纳比

Tablettose 70

530

640

1.21

Tablettose 80

620

770

1.24

Flowlac 90

560

670

1.20

Flowlac 100

590

710

1.20

表1:乳糖理化性质

为了获得颗粒尺寸分布和颗粒形状的信息,通过扫描电镜获得如下图片:

image.png


首先观察到的是颗粒的形状,所有的Flowlac样品都是球形的,而Tablettose样品是不规则的。

mageJ软件的帮助下,四个样品进行了粒度分析(ddp是指初级粒子直径和标准差σ):

表2:乳糖颗粒分析.png

表2:乳糖颗粒分析。

2.使用GranuFlow进行分析

      在26°C和40.00% RH下(w = 8.5gH20/kg干燥空气)进行颗粒流分析。研究了不同孔径(4mm ~ 16mm)下的质量流量。F为粉末流量(单位为g/s), Cb为Beverloo参数(单位为g/mm3)。Dmin是获得流量的最小孔径尺寸:

表3:通过GranuFlow仪器获得的四个乳糖样品的原始数据.png

表3:通过GranuFlow仪器获得的四个乳糖样品的原始数据。

       这些结果确实很有趣,从豪斯纳比(cf. Table 1)可以看出,经典的振实密度测试(“Densitap”)无法区分样品之间的差异(尽管样品的物理化学成分具有高度异质性)。然而,GranuFlow满足用户对粉末进行非常精确的分类(借助Cb和Dmin参数)。虽然Flowlac90和Tablettose70具有相同的Cb参数,但Dmin信息可以让我们确认Flowlac90在所有样本中流动性最好,其次是Tablettose70。Flowlac100排在第三位,而Tablettose80的流动性较差。为了证明这些假设,下图显示了根据孔直径的质量流量:

图5:所有乳糖样品的质量流量与孔径大小。线条代表贝弗里洛定律.png

图5:所有乳糖样品的质量流量与孔径大小。线条代表贝弗里洛定律。

       这个图表显示了实验数据和模型值之间的良好相关性(用贝弗里洛定律)。这一事实是非常重要的,因为在贝弗卢模型中,用户可以进行数据补充,从而预测不同孔大小的质量流量。

【实验结果/结论】

GranuFlow能够绘制完整的质量流量曲线

GranuFlow给出了满足贝弗里洛定律计算需要的信息(如:在粉末在筒仓中,粉末的流动性和最小流出孔径)。

即使经典的振实密度测试无法看出豪斯纳比值的差异,GranuFlow也能够根据流动性对粉末进行分类。

【参考文献】

1.Vandewalle, Powder Technology 234, 32-36 (2013).

2.Combined effect of moisture and electrostatic charges on powder flow, A. Rescaglio, J. Schockmel, N. Vandewalle and G. Lumay, EPJ Web of Conferences 140, 13009 (2017).

3.Compaction dynamics of a magnetized powder, G. Lumay, S. Dorbolo and N. Vandewalle, Physical Review E 80, 041302 (2009).

4.Compaction of anisotropic granular materials: Experiments and simulations, G. Lumay and N. Vandewalle, Physical Review E 70, 051314 (2004).

5.Compaction Dynamics ofWet Granular Assemblies, J. E. Fiscina, G. Lumay, F. Ludewig and N. Vandewalle, Physical Review Letters 105, 048001 (2010).

6.Effect of an electric field on an intermittent granular flow, E. Mersch, G. Lumay, F. Boschini, and N.Vandewalle, Physical Review E 81, 041309 (2010).

7.Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders, G. Lumay, K. Traina, F. Boschini, V. Delaval, A. Rescaglio, R. Cloots and N. Vandewalle, Journal of Drug Delivery Science and Technology 35, 207-212 (2016).

8.Experimental Study of Granular Compaction Dynamics at Different Scales: Grain Mobility, Hexagonal Domains, and Packing Fraction, G. Lumay and N. Vandewalle, Physical Review Letters 95, 028002 (2005).

9.Flow abilities of powders and granular materials evidenced from dynamical tap density measurement, K. Traina, R. Cloots, S. Bontempi, G. Lumay, N. Vandewalle and F. Boschini, Powder Technology, 235, 842-852 (2013).

10.Flow of magnetized grains in a rotating drum, G. Lumay and N. Vandewalle, Physical Review E82, 040301(R) (2010).

11.How tribo-electric charges modify powder flowability, A. Rescaglio, J. Schockmel, F. Francqui, N. Vandewalle, and G. Lumay, Annual Transactions of The Nordic Rheology Society 25, 17-21 (2016).

12.Influence of cohesives forces on the macroscopic properties of granular assemblies, G. Lumay, J. Fiscina, F. Ludewig and N. Vandewalle, AIP Conference Proceedings 1542, 995 (2013).

13.Linking compaction dynamics to the flow properties of powders, G. Lumay, N. Vandewalle, C. Bodson, L. Delattre and O. Gerasimov, Applied Physics Letters 89, 093505 (2006).

14.Linking flowability and granulometry of lactose powders, F. Boschini, V. Delaval, K. Traina, N. Vandewalle, and G. Lumay, International Journal of Pharmaceutics 494, 312–320 (2015).

15.Measuring the flowing properties of powders and grains, G. Lumay, F. Boschini, K. Traina, S. Bontempi, J.-C. Remy, R. Cloots, and N. Vandewall, Powder Technology 224, 19-27 (2012).

16.Motion of carbon nanotubes in a rotating drum: The dynamic angle of repose and a bed behavior diagram, S. L. Pirard, G. Lumay, N. Vandewalle, J-P. Pirard, Chemical Engineering Journal 146, 143-147 (2009).

17.Mullite coatings on ceramic substrates: Stabilisation of Al2O3–SiO2 suspensions for spray drying of composite granules suitable for reactive plasma spraying, A. Schrijnemakers, S. André, G. Lumay, N. Vandewalle, F. Boschini, R. Cloots and B. Vertruyen, Journal of the European Ceramic Society 29, 2169–2175 (2009).

18.Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomizationfor SLM production of open porous orthopedic implants, G. Yablokova, M. Speirs, J. Van Humbeeck, J.-P. Kruth, J. Schrooten, R. Cloots, F. Boschini, G. Lumay, J. Luyten, Powder Technology 283, 199–209 (2015).

19.The influence of grain shape, friction and cohesion on granular compaction dynamics, N. Vandewalle, G. Lumay, O. Gerasimov and F. Ludewig, The European Physical Journal E (2007).


附录1:GranuFlow理论背景

质量流率F通过圆孔的直径D的产物颗粒的平均速度<流出速度>、孔径面积和体积密度ρ。一个是一般表达式:

image.png

贝弗里洛定律基于两个假设:

当孔板直径低于阈值Dmin时,阻挡流动。

颗粒自由落体,然后再通过孔,即image.png这种关系来自于这样一种观点,即堵塞机构是由于在孔口前形成半球形的拱。如果这拱具有典型的孔径大小成正比的,我们获得β= 0、5。通常来讲,参数β可以自由参数。 

最后,质量流量表达式为:

image.png

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