tecnologia farmaceutica - farmacotécnica

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    13-Aug-2015

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TECNOLOGIA INDUSTRIALCurso de Especializao Ps-Graduada em Farmacotecnia Avanada Faculdade de Farmcia da Universidade de Lisboa

TECNOLOGIA DE PS

0. INTRODUOApesar de a Humanidade ter lidado com ps desde os seus primrdios, s na segunda metade do Sculo XX estes foram estudados cientificamente. Nasceu assim um novo ramo do conhecimento que se denomina Tecnologia dos Ps, e que se prope caracteriz-los e estudar as operaes unitrias que lhes dizem respeito. A primeira dificuldade que surge, e a que normalmente se procura fugir, a de definir o que um p. De facto, se procurarmos exemplos extremos, poderemos interrogar-nos sobre se um lquido no ser um p em que as partculas se reduzam s molculas, ou se um cemitrio de automveis no um monte de p, em que as carcassas dos carros seriam as partculas. O senso comum transmite-nos uma imagem de um p que de nenhuma forma se coaduna com estes exemplos extremos, sem que, no entanto, seja fcil definir os limites. Assim definiremos p como um conjunto de partculas slidas, fisicamente distintas, que se comportam em conjunto. As partculas de um p esto sujeitas a dois tipos distintos de foras que sobre elas actuam: 1- Foras Internas Estas foras tendem a cancelar-se mutuamente, dado que as suas orientaes se distribuem ao acaso. Microscopicamente elas tendem a restringir a liberdade de movimento independente das partculas, o que se manifesta macroscopicamente por um efeito de coeso que o p exibe. So exemplos as foras de Van der Waals, interaces electrosttica ou magntica, pontes lquidas, etc.

Manuel Caldeira CoelhoInvestigador Principal do INETI caldeira.coelho@ineti.pt

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2- Foras Externas Estas foras no so orientadas ao acaso, e tendem, por isso, a causar movimento de zonas do p. So exemplos destas foras a gravidade ou o impacto da p de um agitador. costume dividir os ps em dois grandes grupos: ps coesivos e ps soltos (free-flowing). Mais uma vez o senso comum nos transmite uma imagem que no fcil transpor para termos precisos. Com efeito, qualquer pessoa se apercebe da diferena de comportamento que existe entre a farinha e a areia. No caso da farinha (p coesivo) o escoamento do p d-se em avalanches, isto , o p parece fracturar-se e no escoar-se, enquanto que, no caso da areia (p solto), o escoamento suave e progressivo. Porqu esta diferena de comportamento? A primeira diferena que salta vista a diferena de tamanho das partculas nos dois casos, mas a pergunta pode transpor-se interrogando-nos sobre se tal diferena significativa ou mera coincidncia. O facto de p coesivo parecer fracturar mais do que escoar-se sugere que as foras internas neste p tm uma intensidade muito grande comparada com o peso das partculas, sendo por isso necessrio para as vencer, no o peso de uma, mas o de muitas partculas, que assim se movem em bloco. Com efeito todas as foras internas so consequncia de interaco entre as superfcies de partculas vizinhas, e como tal tendem a variar com o quadrado da dimenso da partcula, enquanto que o peso das partculas varia com o cubo da sua dimenso. Assim, para os ps grosseiros, o peso das partculas grande quando comparado com as foras internas, enquanto que para os ps finos tender a verificar-se o contrrio. Do exposto se conclui que dever haver uma dimenso crtica, abaixo da qual as foras internas predominam sobre as externas. Quando tal sucede o p diz-se coesivo; quando as foras externas predominam sobre as internas o p diz-se solto (free-flowing).

Manuel Caldeira CoelhoInvestigador Principal do INETI caldeira.coelho@ineti.pt

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Infelizmente, na prtica as coisas no so to simples, pois a dimenso das partculas no o nico factor que afecta o comportamento do p. A densidade do material de que as partculas so constitudas afecta igualmente a sua massa, e por isso o seu peso, sendo por isso de prever, como a experincia confirma, que a dimenso de transio seja menor num p de um material mais denso. Apenas como curiosidade de notar que um p que solto na Terra pode ser coesivo na Lua, j que a acelerao da gravidade, e por isso o peso das partculas, cerca de seis vezes menor! Outros factores, tais como a forma e a rugosidade das partculas, e a prpria natureza do material tm tambm influncia, j que afectam a rea de contacto entre as partculas, e consequentemente a intensidade das interaces entre elas. Note-se, alis que a proporcionalidade das foras internas ao quadrado da dimenso das partculas e do peso ao cubo dessa dimenso, s tem um significado preciso quando se consideram partculas regulares (p. e. esfricas) ,o que, na prtica, no ser geralmente o caso. Por outro lado preciso ter em conta que, para os ps cujas partculas tenham dimenses prximas da dimenso crtica, a transio de p solto a coesivo gradual, j que interaces da ordem de metade do peso da partcula j restringem apreciavelmente a sua liberdade de movimento, enquanto que interaces da ordem do dobro ou do triplo do peso de uma partcula podem ser vencidos com agregados de apenas algumas partculas, os quais no dariam de forma alguma origem a um efeito macroscpico semelhante ao de um p coesivo tpico. Teremos ocasio de voltar a este assunto a propsito dos fenmenos de segregao e mistura de ps. Desde j, no entanto, ressalta a importncia que a caracterizao de um p assume no seu estudo e na previso do seu comportamento.

Manuel Caldeira CoelhoInvestigador Principal do INETI caldeira.coelho@ineti.pt

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1. CARACTERIZAO DE PSSendo um p um conjunto de partculas slidas, a primeira caracterstica que se nos apresenta como relevante definir a dimenso das partculas. No caso geral elas no sero todas iguais e tero forma irregular, pelo que convm comear por definir o que a dimenso de uma partcula. No caso de uma partcula com forma regular (esfera cubo, octaedro, tetraedro, etc.) haver uma dimenso caracterstica em termos da qual a partcula fica totalmente definida. Porm, na generalidade dos casos, as partculas no tero forma regular, e, por isso, torna-se necessrio atribui-lhe uma dimenso mdia, por exemplo o dimetro da esfera com o mesmo volume do que a partcula, o dimetro da esfera com a mesma rea superficial do que a partcula, etc. Sucede, porm, que as vrias definies no so equivalentes, j que um cubo de aresta unitria tem o volume igual a uma esfera de dimetro 1.24, enquanto que a sua rea superficial igual de uma esfera de dimetro 1.38 . Assim, a dimenso de uma partcula torna-se funo do mtodo de medida usado, j que os diferentes mtodos utilizam diferentes princpios fsicos. De um modo geral, todos eles avaliam a dimenso da partcula pela dimenso da esfera do mesmo material que, nas mesmas circunstncias, causasse o mesmo efeito. Os mais usados so os seguintes: Dimetro volumtrico - Dimetro da esfera com o mesmo volume do que a partcula

Dimetro superficial - Dimetro da esfera com a mesma rea superficial do que a partcula Dimetro aerodinmico - Dimetro da esfera do mesmo material que ope a mesma resistncia ao fluxo de um fluido do que a partcula, nas mesmas condies de fluxo Dimetro de Stokes - Dimetro da esfera do mesmo material que, em queda livre no mesmo meio e em regime laminar, atinge a mesma velocidade terminal do que a partcula

Manuel Caldeira CoelhoInvestigador Principal do INETI caldeira.coelho@ineti.pt

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Dimetro projectado - Dimetro da esfera que projecta uma imagem com a mesma rea do que a partcula assente na sua posio mais estvel Dimetro de peneirao - Dimetro da maior esfera que passa pela menor abertura quadrada atravs da qual passa a partcula Para outras definies ver Particle size measurement, T. ALLEN . Em virtude da forma como so obtidos, alguns dos dimetros acima definidos fornecem um valor mdio da dimenso das partculas da amostra ensaiada, enquanto que outros so adequados para fornecer informaes sobre o espectro granulomtrico do p. A definio da forma das partculas bastante mais complexa, e, de um modo geral, muito menos estudada. Heywood reconheceu que o termo forma, tal como em geral usado, se refere a duas caractersticas distintas da partcula. Tais caractersticas devem ser apreciadas separadamente, sendo uma o grau com que a partcula se aproxima de uma forma definida, tal como um cubo, tetraedro ou esfera, e a segunda as propores relativas que permitem distinguir um cubide, tetraedride ou esferide de outro da mesma classe. Na maioria das aplicaes, a forma , no entanto, uma caracterstica de menor interesse, pelo que no levaremos o assunto mais longe. Para mais detalhes, consultar Particle size measurement, T. ALLEN, cap. 4 . A ocorrncia de ps em que as partculas so todas iguais , no entanto, rara, pelo que a dimenso mdia das partculas no define univocamente o p. Em termos estatsticos o dimetro mdio uma medida de localizao, a qual deve ser complementada por uma medida de disperso. A forma mais corrente de representar a distribuio granulomtrica de um p so as curvas diferenciais ou cumulativas de frequncia. Estas curvas so construdas a partir dos dados da anlise granulomtrica, por exemplo por peneirao, dividindo a gama das dimenses das partculas em classes, representando em abcissa a dimenso mdia de cada classe e em ordenada a quantidade correspondente determinada por anlise, em geral (mas nem sempre) sob a forma de percentagem da massa da amostra, enquanto que na curva cumulativa se representa em ordenada a quantidade de p com dimenso inferior (ou superior) da classe (curvas cumulativas inferiores ou superiores). Manuel Caldeira CoelhoInvestigador Principal do INETI caldeira.coelho@ineti.pt

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A curva cumulativa portanto a curva integral da curva diferencial, e inversamente esta pode ser obtida por derivao da curva cumulativa. Quando, a partir destas curvas se pretende obter um valor mdio necessrio usar mdias ponderadas. Para fazer isto preciso ter em conta o princpio fsico usado nas determinaes, j que as curvas obtidas em termos de nmero de partculas ou de massa das mesmas no so iguais. Embora a curva diferencial seja a mais elucidativa, frequente apresentarem-se os resultados em forma cumulativa, j que, na prtica, o que muitas vezes se deseja classificar as partculas em grossos e finos, conforme a sua dimenso superior ou inferior a uma fronteira arbitrariamente escolhida. As distribuies so a normal, log-normal e Rosin-Ramler. Para mais detalhes sobre distribuies granulomtricas, consultar a obra j citada Particle Size Measurement, T. ALLEN. Outra caracterstica muito importante de um p a sua porosidade, ou seja a fraco do volume do p que no ocupado por partculas. No caso de um p constitudo por esferas todas iguais possvel imaginar quatro tipos de arranjos regulares cuja porosidade oscila entre os 25% e os 50%. Na prtica, porm, e mesmo para o caso ideal de partculas todas iguais, no correcto admitir arranjos ordenados, embora para ps soltos de esferas se encontrem em geral porosidades da ordem dos 40%. Geometricamente a porosidade independente da dimenso das partculas e depende apenas da forma como estas se dispem no espao. No entanto, j vimos que, abaixo de uma certa dimenso, as partculas tendem a mover-se em conjunto, j que as foras internas se tornam comparveis s externas. Isto significa, em termos simples, que tudo se passa como se a unidade independente deixasse de ser a partcula e passasse a ser o agregado de partculas, os quais deixam entre si espaos livres da ordem da porosidade dos ps soltos; mas como no so, por sua vez, totalmente compactos, o volume realmente ocupado pelo slido menor, e a porosidade tende a aumentar. Exemplificando, suponhamos que os agregados tm uma porosidade interna de 0.3 , e se dispem no espao deixando entre si uma porosidade de 0.4 . A porosidade total ser portanto = 0.4 + (1 - 0.4) 0.3 = 0.58 Para muitos ps finos concebvel que a agregao se processe atravs de vrias etapas deste gnero, originando ps com porosidades que chegam a alcanar os 90%. Manuel Caldeira CoelhoInvestigador Principal do INETI caldeira.coelho@ineti.pt

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Por outro lado, isto significa que, para os ps soltos, a porosidade uma caracterstica muito mais importante do que para os ps coesivos, j que nestes fcil de compreender que a porosidade varia grandemente com as presses a que o p est sujeito. Com efeito, muito fcil aplicar a um p foras de compresso muito superiores ao peso das partculas, e, consequentemente, quebrar as ligaes originadas pelas foras internas que, embora grandes comparadas com o peso das partculas, so pequenas quando comparadas com as foras aplicadas a um p, por exemplo, por um puno. J no caso dos ps soltos o arranjo das partculas se processa sem a interferncia das foras internas, as quais so, neste caso, desprezveis, e assim apenas se processa uma limitada dose de rearranjo das partculas antes de a fora compressiva ser equilibrada pela resistncia compresso do prprio material de que as partculas so constitudas. No caso dos ps soltos a irregularidade da forma das partculas normalmente conduz a um aumento da porosidade, j que, tendo as partculas superfcies irregulares, o atrito se ope ao seu movimento relativo, e , por conseguinte, dificulta a ocorrncia de estruturas compactas. As partculas tendem a encravar-se umas s outras, e, portanto, a dispor-se num arranjo mais aberto, ou seja, de maior porosidade. Como j se viu, no caso dos ps coesivos, todas estas caractersticas so de somenos importncia, j que as partculas se no movem individualmente mas em grupos, os quais em grande parte mascaram as suas caractersticas, tornando-se outrossim dependentes do estado de compactao do p. Em geral os ps no so constitudos por partculas todas iguais, mas antes cobrem um espectro granulomtrico mais ou menos vasto. A disperso do espectro , sobretudo para os ps soltos, uma caracterstica muito importante, pois a existncia de partculas pequenas que possam ocupar os vazios entre as maiores sem aumento sensvel do volume total do p conduz necessariamente reduo da porosidade. A porosidade , em geral, avaliada atravs da densidade a granel do p. Aqui, a dificuldade consiste em definir o estado de compactao do material, o que, em geral, feito mais ou menos empiricamente.

Manuel Caldeira CoelhoInvestigador Principal do INETI caldeira.coelho@ineti.pt

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