Учебный материал

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ

Измельчение — процесс уменьшения размера частиц материала путем механического воздействия — широко применяют в фармацевтической промышленности с различными целями. Измельчение может быть технологической операцией для обеспечения растворения, экстракции, сушки и других процессов. Измельченный продукт в этом случае является полуфабрикатом. Измельчение как основной процесс осуществляется для обеспечения определенного размера частиц при получении готовых форм — порошков простых и сложных, сборов.

В зависимости от назначения вещества измельчают до определенной степени. Растительное сырье измельчают без остатка в связи с неравномерным распределением биологически активных веществ в различных тканях и органах растений.

В зависимости от материала, существует множество различных способов измельчения, основные из которых представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Способы измельчения.

а – раздавливание, б – раскалывание, в – удар, г – истирание, д – разламывание, е – изрезывание, ж – распиливание.

Таблица 1 – Способы измельчения материала в зависимости от различной степени твердости

Материал	Способы измельчения
Твердый и хрупкий	Раздавливание, удар
Твердый и вязкий	Раздавливание, распиливание
Хрупкий, средней твердости	Удар, раскалывание и истирание
Вязкий, средней твердости	Истирание или истирание и удар, распиливание

При диспергировании резко возрастает активность вещества в твердом состоянии и скорость физико-химического взаимодействия, которая всегда пропорциональна величине поверхности.

В результате измельчения увеличивается поверхность, что позволяет значительно ускорить растворение, химическое взаимодействие, выделение биологически активных веществ из измельченного вещества.

Степень измельчения рассчитывают по формуле:

i – степень измельчения;

d_н – размер частиц начальный;

d_к – размер частиц конечный.

Таблица 2 – Виды измельчения в зависимости

от начальных и конечных размеров частиц

Классы измельчения	D,мм	d,мм
Крупное (дробление) Среднее (дробление) Мелкое (дробление) Тонкое (размол) Коллоидное (размол)	1000÷200 250÷50 50÷25 25÷3 0,2÷0,1	250÷40 40÷10 10÷1 1÷0,4 до 0,001

Для измельчения в фармацевтической промышленности применяют различные машины и аппараты. Выбор соответствующей машины определяется физико-химическими свойствами вещества (хрупкость, эластичность) и требуемой степенью измельчения.

Измельчающие машины в зависимости от способа измельчения делятся на следующие типы:

1. Изрезывающего и распиливающего действия (траворезки, соломорезки, корнерезки, машины с дисковыми пилами и др.);

2. Раскалывающего и разламывающего действия (щековые дробилки, конусные и др.);

3. Раздавливающего действия (гладковалковые дробилки, вальцовые мельницы, валковые дробилки с нарезной рефленой поверхностью и др.);

4. Истирающе-раздавливающего действия (дисковые мельницы, эксцелисиор и др.);

5. Ударного действия (молотковые мельницы, дезинтеграторы, дисмембраторы, струйные мельницы и др.);

6. Ударно-истирающего действия (шаровые мельницы, барабанные мельницы, вибрационные мельницы и др.);

7. Коллоидные измельчатели (струйные, вибрационные и др.).

При измельчении лекарственных и вспомогательных веществ может образовываться ядовитая или раздражающая пыль. Поэтому на фармацевтическом производстве целесообразно применять наименее пылящие машины – шаровые мельницы. Порошкование ведут в отдельных помещениях. Машины закрывают кожухами. Обязательные меры личной безопасности – респираторы, спецодежда.

Шаровые мельницы. Наиболее простые по своему устройству машины для порошкования. Эти мельницы (рис.2) представляют собой барабан, в который загружают материал и деформирующие элементы - шары. Барабан приводится во вращение. Под действием трения и центробежной силы шары и материал поднимаются до определенной высоты, откуда они падают вниз. В результате ударов и истирающего действия при перекатывании шаров материал измельчается.

Рис. 2. Шаровая мельница

Необходимо иметь в виду, что при вращении барабана поведение шара будет различно в зависимости от числа оборотов барабана. Так, при медленном вращении шар, прижимаясь к барабану под действием силы своей тяжести и силы трения, будет увлекаться на небольшую высоту и оттуда сползать по стенке барабана вниз. При слишком интенсивном вращении шар будет настолько сильно прижиматься центробежной силой к стенке барабана, что не сможет оторваться от нее, и будет вращаться вместе с барабаном. Дробления при этом происходить не будет. Становится очевидной необходимость определения такой скорости вращения, при которой под влиянием центробежной силы шар сможет подняться на максимальную высоту, оторваться от стенки и обрушиться на материал. Иначе говоря, масса шара должна быть больше силы, прижимающей шар к поверхности барабана. Такое число оборотов, при котором прекращается обрушивание шаров, принято называть критическим числом оборотов:

где D - диаметр барабана мельницы.

Совершенно естественно, что оптимальное (рабочее) число оборотов барабана должно быть меньше критического (в среднем 75% от критического). Оно рассчитывается по формуле:

Однако эта формула исходит из условия наивыгоднейшей работы лишь одного крайнего слоя шаров.

Формула, определяющая оптимальное число оборотов с учетом всех слоев шаров, имеет следующий вид:

Таким образом, оптимальное количество оборотов зависит от диаметра барабана. При излишне низком числе оборотов шары будут слишком рано отрываться от стенки, высота полета будет незначительна и сила удара шаров о материал невелика.

Размер шаров, загруженных в мельницу, зависит от механического состава, твердости и вязкости раздробляемого материала. Они могут быть одинакового или разного диаметра, что также определяется свойствами измельчаемого вещества и требуемой степенью измельчения. Обычно применяются шары диаметром 50-150 мм. Одновременно подбирается и оптимальное количество шаров, поскольку производительность мельницы зависит от числа и силы ударов шаров.

Производительность шаровой мельницы повышается с увеличением ее диаметра. Производительность Q мельницы определяется выходом частиц оптимальной крупности и может приблизительно найдена по уравнению:

Где K – коэффициент пропорциональности, найденный по таблице 1 (при разгрузке через диафрагму приведенные значения K необходимо умножить на 1,22); V – объем барабана, м³; D – диаметр барабана, м.

Таблица 3 – коэффициент пропорциональности для определения производительности шаровых мельниц

Крупность исходного материала*, мм	Размер измельченного материала*, мм
	0,2	0,15	0,075
25 19 12 6	1,31 1,57 1,91 2,4	0,95 1,09 1,25 1,5	0,41 0,51 0,58 0,66

* - Содержание в материале частиц размером меньше, чем указано в таблице, составляет 85%

Все новейшие типы шаровых мельниц конструируются короткими и большого диаметра барабанами. Скорость вращения в среднем 20-40 об/мин. Барабаны мельниц делаются из железа, измельчающие шары - из стали. Лабораторные мельницы могут быть фарфоровыми. В шаровых мельницах можно получить порошки высокой тонкости. В данном случае тонкость порошка зависит от времени измельчения. Шаровые мельницы вполне применимы для приготовления сложных порошкообразных смесей (одновременное измельчение и смешение).

ПРОСЕИВАНИЕ

Раздробленные и испорошкованные материалы всегда неравномерны. По этой причине приходится отделять более крупные или более мелкие частицы от основной массы. Эта операция носит название просеивания, или грохочения, и осуществляется при помощи сит. Таким образом, просеиванием, грохочением или ситовой классификацией называется процесс разделения смеси зерен различных размеров при посредстве сит на две или более группы.

При измельчении практически невозможно получить однородный по размерам частиц материал. Для получения материалов, свободных от более мелких частиц, применяют метод двойного просеивания.

Ситовой анализ.

Для того, чтобы установить, как распределяются частицы материала по крупности, прибегают к ситовому анализу с помощью комплекта фармакопейных сит.

Для анализа берут 200 г измельченного материала. Навеску помещают на самое крупное (верхнее) сито и весь комплект встряхивают в течении 5 минут. Затем сита снимают по очереди одно за другим, каждое сито встряхивают отдельно над приемником или листом гладкой чистой бумаги.

Просеивание считается законченным, если количество материала, проходящего сквозь сито при дополнительном встряхивании в течение 1 минуты, составит менее 1% материала, оставшегося на сите. Отсев добавляют на верхнее сито оставшегося комплекта сит. Остаток материала на сите взвешивают. Общая потеря материала (на распыление) при ситовом анализе не должна превышать 1%.

Допускаются следующие отклонения в размерах частиц измельченного материала:

• Более мелких частиц (проходящих сквозь следующее, более мелкое сито) – не более 40%;

• Более крупных частиц (не проходящих через указанное сито) – не более 5%.

При измельчении и просеивании, как правило, выделяется большое количество пыли, поэтому необходимо применять меры предосторожности (вентиляция, маски или респираторы).

Измельченные лекарственные вещества не рекомендуется хранить продолжительное время.

Сита.

Различают сита плетеные, пробивные и щелевые (рис.3).

Рис. 3. Виды сеток сит

а, б – плетеные, в – штампованные, г – колосниковые

Размер зерен, проходящих через ячейки сита, характеризуется его номером. По ГФ Х для всех сит указываются номера соответствующих ГОСТ, размеры отверстий в свету, материал сита, форма отверстий, крупность порошка. Номер шелкового сита по ГОСТ 4403-67 указывает, какое количество отверстий приходится на 1 погонный см. Чтобы определить номер шелкового сита, следует с помощью лупы подсчитать количество отверстий в 1 погонном см по длине и ширине ткани. Номер металлического сита по ГОСТ 3924-47 соответствует размеру стороны отверстия в свету в миллиметрах. Номер пробивных сит (ГОСТ 214-57) с круглыми отверстиями соответствует диаметру отверстий в миллиметрах, умноженному на 10.

Рис. 4. Номера сит в соответствии со степенью измельчения

Фармакопейная шкала включает 16 разных сит, которым соответствует 7 степеней измельчения (рис 4.):

1. Наимельчайшие порошки, получаемые при просеивании сквозь шелковое сито №61 с размером отверстий 0,1 мм (ГОСТ 4403-67);

2. Мельчайшие порошки, получаемые при просеивании сквозь шелковок сито №46 с размером отверстий 0,125 мм (ГОСТ 4403-67);

3. Мелкие порошки, получаемые при просеивании сквозь шелковое сито №38 с размером отверстий 0,16 мм (ГОСТ 4403-67). До 0,16 измельчают препараты, для которых не указана степень измельченности;

4. Среднемелкие порошки, получаемые при просеивании сквозь шелковое сито №32 с размером отверстий 0,2 мм (ГОСТ 4403-67);

5. Среднекрупные порошки, получаемые при просеивании сквозь шелковое сито №23 с размером отверстий 0,315 мм (ГОСТ 4403-67);

6. Крупные порошки, получаемые при просеивании сквозь металлические сита:

Сито №05 с размером отверстий 0,5 мм (ГОСТ 3924-47);

Сито №10 с пробивными отверстиями диаметром 1 мм (ГОСТ 214-57);

Сито №20 с пробивными отверстиями диаметром 2 мм (ГОСТ 214-57);

7. Крупно измельченные материалы, получаемые при просеивании сквозь металлические сита №30-100 с пробивными отверстиями диаметром 3-10 мм соответственно (ГОСТ 214-57).

Для крупных порошков и крупноизмельченных материалов, помимо названий (русских и латинских), обязательно должен указываться и соответствующий номер сита по ГОСТ.