小剂量样品分析

2020-04-15

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一、介绍

1、理论框架

       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,关于散装粉体的物理性能,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。

一些用以涵盖对所有工业加工粉体和颗粒材料的测量方法应运而生。在本应用中着重对GranuHeap设备进行介绍。

2、GranuHeap

       当粉体被倾倒在平面时就会形成了堆状。众所周知,休止角和堆积形状都与粉体特性密切相关。特别是粘性粉体会形成不规则的粉堆,而非粘性粉体形成规则的锥形粉堆。因此,精确地测量粉堆形状能够获得粉体物理特性的有用信息。

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       GranuHeap是一种基于对粉体堆形进行图像处理和自动化分析的测量方法。为了获得高重现性的结果,Granuheap使用了一个内径等于圆形支架的套管,实验开始前,套管将被安装在粉体样品的托架上。首先,用手将固定体积的粉体(通常为100毫升)填装到套管后,套管以恒定的速度上升。此时,粉体从管中流出,在圆柱支架上形成粉堆。通过控制托架的旋转,可以获得不同方向上对应的粉堆投影。全自动图像识别算法确定粉体/空气界面的位置。休止角便是指与粉体堆投影图像表面积相同的等腰三角形的角度。这个等腰三角形得形状与粉堆内聚力相对应。在旋转托盘时,从不同角度来计算每个图像中粉堆的休止角,然后计算平均值。对于非粘性粉体,该静态粘聚指数接近于零,当分体内部粘聚力增强时,该静态粘聚指数增大。下表显示了用GranuHeap得到的结果与粉体流动性之间的经验关系。

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二、实验方案

1、材料

       本应用中选择三种不同的粉体:FlowLac100GranuLac70InhaLac400。上述三种粉体均由Meggle Pharma提供。

       GranuLac是粒度小并且边缘锐利的乳糖颗粒,具有粘性粉体的性质,在造粒过程中十分有优势。

       InhaLac是一种高质量的结晶乳糖粉,专为干粉吸入制剂设计。

       FlowLac是将经过精磨的单晶乳糖混悬液进行喷雾干燥生产出粉体。当溶液中的乳糖被喷雾干燥时,水分被快速去除,因此除结晶乳糖外,同时也产生了无定形物和非晶状的乳糖。

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图1 乳糖特性

2、方法

       在每个实验中,我们选择了直径为40/30/20和10mm的托架。为提高测量精度,将粉堆旋转过程中拍摄16张照片(每张照片都在托盘旋转11.25度后拍摄)。在分析结束时,最后拍摄一张照片,在测量时检查粉堆的完整性。

       所有实验均在相同的湿度/温度值(30% RH和21℃)下进行。所有的实验都重复了5次。

       辅料在实验室人为存放了几个月。因此,样品会产生复杂的变化过程,其性能是否与生产商所描述新鲜粉体的规格一致就很难知晓。

 

3、实验结果

       下图表示每种粉体和托盘直径的休止角对应关系。直线并不对应于模型,他们只是用来方便观察。误差棒显示(对应5次重复性试验获得的休止角的标准差)。

图2 三种乳糖粉体的休止角与托盘直径的关系-直线仅是方便观察.png

图2 三种乳糖粉体的休止角与托盘直径的关系-直线仅是方便观察

       图1可以总结出托盘对休止角结果的影响。事实上,我们可以看到,对于流动性较差的粉体(静止角度小于55度),托盘直径越小,休止角越小。然而,对于流动性“非常非常差”的粉体(休止角大于66度),托盘直径与测量结果没有太大关联(如果考虑误差棒)。

       然而,对于同一直径的托盘,粉体流动性分类的趋势是相同的。因此,可以很容易地实现分析分类,并且具有很高的精度(平均误差接近3.5%)。最后,由于粉堆形状分析是相对测量,因此可以得出这样的结论:更改托盘直径不会直接影响分析结果。

三、结论

       GranuHeap可以在多个尺寸规格的托盘条件下测量粉体的流动性,并具都有很高的精确度(乳糖粉的平均误差3.5%)

       托盘尺寸对测量结果有轻微的影响,然而,就流动性变化趋势而言是相同的,因此粉体的分类是不随所使用的托盘尺寸不同而产生不同的结果。

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