Význam rozdrobňování
Pro správné technologické zpracování léčivé a pomocné látky a optimální účinek přípravku je nutná vhodná velikost částic. Rozdrobňování je proto základní výrobní operací, která spočívá v převedení větších částic tuhé látky na částice menší pomocí mechanické energie.
Velikost částic ovlivňuje řadu vlastností látek, které souvisejí s jejich povrchem. Rozdrobněním se zvyšuje především jejich rozpustnost ve zvoleném vehikulu, rychlost a průběh vyluhování účinných látek z rostlinných drog, ale také se zlepšuje přesnost navažování (jemnější látky se navažují snáze než hrubozrnné) apod. Velký význam má velikost částic pro účinnost léčivého přípravku v organizmu, neboť jemnější částice se snáze rozpouštějí a absorbují a mají tak rychlejší nástup účinku.
Částice, získané při rozdrobňování, jsou obvykle různě velké (tj. polydisperzní). Aby částice měly shodné vlastnosti a prášek mohl být dále zpracován, měly by částice mít velikost přibližně stejnou, tj. být monodisperzní. Proto na rozdrobňování navazuje prosévání (sítování) (lat.zshk.cz/vyuka/prosevani.aspx), které umožňuje rozdělit směs různě velkých částic na předem stanovené velikostní frakce. V nich jsou rozdíly ve velikostech částic malé. Hovoříme o prášcích s úzkou distribucí (rozdělením) velikosti.
Principy rozdrobňování
Rozdrobňování je proces náročný na spotřebu energie, neboť pevné látky vykazují odpor ke změně tvaru nebo objemu a dochází ke ztrátám části vložené mechanické energie ve formě tepla. Provádí se drcením, řezáním, roztíráním, mletím nebo mikronizací. Velikost částic se zmenšuje působením tlaku, nárazem částic o sebe nebo povrch zařízení či vzájemným oděrem.
Účinnost rozdrobňování závisí na vlastnostech materiálu, jeho množství a zvoleném zařízení. Z vlastností materiálu je důležitá tvrdost (či křehkost) a struktura (krystalická, amorfní, vláknitá), dále obsah vlhkosti, která ovlivňuje lepivost částic buď k sobě vzájemně (koheze) či na povrch zařízení (adheze), a vznikající elektrostatické síly.
Zařízení pro rozdrobňování
Pro předběžnou technologickou úpravu se používá hrubé rozdrobňování, jako je např. řezání a drcení, jemné částice se získají mletím nebo mikronizací. Použité zařízení musí být čisté a nepoškozené a nesmí s rozdrobňovaným materiálem chemicky reagovat.
Rozdrobňování v laboratoři
Většina surovin používaných ve farmaceutické laboratoři má vhodnou velikost částic už z primární výroby. Pro další rozdrobnění se používá vhodné zařízení.
Krystalické látky je možné rozdrobnit v porcelánové třence (Rozdrobňování tuhých látek ) s drsným (neglazovaným) (třenka drsná) vnitřním povrchem. Látky tlakem nebo jemným úderem těrky (pistyl) nejprve rozdrtíme a třením o drsné stěny třenky rozmělníme na prášek.
Rostlinný materiál rozdrobňujeme podle tvrdosti (Rozdrobňování rostlinných materiálů). Semena, plody, kořeny, dřeva či kůry lze drtit v kovovém hmoždíři nebo mlít v ručním mlýnku, zatímco listy, květy a natě rozdrobňujeme řezáním v mixéru. Strouháním se rozdrobňují léčiva voskovité povahy, jako je např. kakaový olej (Cacao oleum) nebo tvrdý parafín (Paraffinum solidum).
Ve farmaceutickém průmyslu se používají různé řezačky, drtiče a mlýny.
Řezačky převážně umožňují hrubě rozdrobnit rostlinný materiál vláknitého charakteru. Mohou být pákové s jedním nebo více noži. Jednonožové mají malý výkon a hodí se pouze pro hrubší práci. Vícenožové jsou výkonnější, mají nože uspořádány do tvaru kříže. Nože se rychle otáčejí a jejich řezací plochy velmi rychle a účinně řežou látku.
Drcení
Drtiče využívají účinku tlaku, tření, nárazu nebo úderu a materiál především rozmačkají. Jsou vhodné pro úpravu křehkého a tvrdého materiálu až na částice o rozměru cca 1 mm.
Podle konstrukce pracovních ramen a plochy i podle způsobu rozdrobňování se rozeznává čelisťový, kuželový a válcový drtič.
Základem stroje jsou dvě kovové desky (čelisti), z nichž je jedna pevná a druhá pohyblivá. Pohyblivá čelist se k pevné desce přitlačuje v pravidelných intervalech. Při zpětném pohybu rozdrobněný materiál vypadává z drtiče.
Velikost rozdrobněných částic lze regulovat stavěcím šroubem, kterým zvětšujeme nebo zmenšujeme vzdálenost mezi čelistmi. Povrch čelistí je podle druhu zpracovávaného materiálu hladký nebo je opatřen rýhami.
Předností drtiče je spolehlivost, jednoduchost obsluhy a snadná výměna součástí. Nevýhodou jsou silné otřesy, které při práci stroje vznikají, a nestejnoměrné plnění.
Ve srovnání s čelisťovými drtiči mají kuželové drtiče menší spotřebu energie, vyšší výkon, pohodlnější a spolehlivější plnění. Materiál se v nastavitelné štěrbině mezi pláštěm zařízení a rotujícím kuželem rozdrobňuje třením, nárazem a tlakem. Pracovní plocha kužele je zdrsnělá nebo opatřená žebry.
Kuželový drtič drtí a práškuje např. kořenové drogy, suchá semena a chemická léčiva.
Nevýhodou je složitá konstrukce s obtížnou výměnou součástí a možnost ucpání štěrbiny jemným materiálem.
Drtič je tvořen dvěma válcovými kotouči, které jsou na povrchu opatřeny do sebe zapadajícími žebry nebo zuby. Podle typu zařízení se otáčí jeden válec nebo oba válce, a to buď stejnou, nebo rozdílnou rychlostí. Materiál se přivádí mezi válce a rozdrobňuje se drcením a třením. Regulovatelná vzdálenost mezi válci určuje výslednou velikost částic.
Mletí
Mletím je možné rozdrobnit látky až na částice o rozměru cca 100 µm až 10 µm (jemné mletí). Používají se kladivové, kolíkové a kulové mlýny. Pro velmi jemné rozdrobňování a homogenizaci lze využít také koloidní mlýn.
Mlýn se skládá ze zásobní komory, násypky pro přívod materiálu a síta. Uvnitř mlýnu jsou na vodorovné hřídeli umístěna rýhovaná kladiva (čtyři a více), která se otáčí rychlostí 500 až 2000 otáček za minutu. Materiál se rozdrobňuje jednak nárazy kladiv, jednak nárazy částic o stěnu pracovní komory. Částice, rozdrobněné na požadovanou velikost, propadávají sítem, které tvoří dno pracovní komory.
Mlýn se používá k předběžnému rozdrobňování suchého materiálu. Vlhkost nesmí překročit 15 %, jinak dochází k lepení částic a ucpání síta.
Kolíkový mlýn je velmi účinný mlýn tvořený dvěma kovovými kotouči umístěnými na svislé ose. Kotouče mají proti sobě obrácené věnce kovových kolíků tak, aby vždy jeden věnec jednoho kotouče zapadal mezi věnce kotouče druhého. Pokud se otáčí pouze jeden z kotoučů, hovoříme o dismembrátoru. U desintegrátoru se otáčejí oba kotouče. Každý kotouč má vlastní hřídel a samostatný pohon.
Rychlost materiálu přiváděného k mlýnu se musí regulovat, aby se mlýn nezahltil. Proto bývá v násypce regulační klapka.
Materiál se přivádí násypkou do středu mlýnu mezi kotouče, které rotují vysokou rychlostí 3000 až 5000 otáček za minutu protichůdným směrem. Odstředivou silou je vrhán směrem k okraji mezi řady kolíků, naráží na ně a je mlet na jemné částice. Ty jsou z komory mlýnu odváděny odstředivě.
Kolíkový mlýn má široké použití. Jeho výhodou je značný výkon a velmi jemné mletí. Nevýhodou je lepení částic na stěny, opotřebovávání kolíků a zahřívání materiálu. To se částečně kompenzuje tím, že při rychlém pohybu kotoučů vzniká podtlak, kterého se využívá k chlazení přístroje a materiálu. Podtlak umožňuje také posun rozemletých částic.
Mlýn je vhodný k rozdrobňování suchých i vlhkých látek, lepivých i hygroskopických léčiv, látek voskovitého charakteru, rostlinného materiálu i materiálu s větším obsahem olejovitých látek (semena, námel).
Kulový mlýn je tvořen dutým válcem nebo bubnem, který je naplněný ocelovými, kamennými (křemen, achát) nebo porcelánovými mlecími koulemi. Při otáčení válce jsou koule unášeny po obvodu pláště.
Důležitými podmínkami pro účinné mletí je rozdíl mezi průměrem válce a průměrem koule (průměr koule by měl být asi 1/20 průměru válce), celkový počet koulí (maximálně 40 % objemu nádoby), hmotnost materiálu (maximálně polovina hmotnosti koulí) a rychlost otáčení. Je nutné stanovit kritickou rychlost otáčení, aby koule nebyly unášeny odstředivou silou, nezůstávaly na obvodu mlecí komory, ale přepadávaly působením gravitace dolů.
Kulový mlýn se používá k velmi jemnému mletí až mikronizaci. Materiál se rozdrobňuje nárazem koulí, třením a roztíráním mezi koulemi uvnitř bubnu. Nevýhodou je časová náročnost mletí, možnost tvorby shluků (aglomerace) částic a diskontinuální mletí.
Koloidní mlýn je vhodný pro velmi jemné mletí. Kromě rozdrobňování se ale také využívá pro dispergaci a emulgaci při přípravě suspenzí nebo emulzí.
Hlavní částí přístroje je kuželovitý stator, ve kterém se otáčí rotor umístěný na svislé hřídeli. Štěrbina mezi oběma částmi je velmi malá a seřizuje se mikrometrickým šroubem. Rotor se otáčí rychlostí 1000 až 20 000 otáček za minutu. Rozdrobňovaný materiál je protlačován štěrbinou a odchází výpustným otvorem. Materiál rozdrobňuje především třením, v menší míře nárazy.
Velkou výhodou mlýnu je, že umožňuje mletí suchých látek, ale také látek rozptýlených v kapalině (suspenze) a kapalin (např. emulzí). Nevýhodou mlýnu je, že během mletí dochází ke značnému zahřívání všech jeho částí, které je nutno chladit.
Mikronizace
Při mikronizaci se získávají velmi malé částice s rozměry v jednotkách mikrometrů (obvykle více než 95 % částic je menších než 5 µm).
Tryskový mlýn se skládá z mlecí komory opatřené po obvodu soustavou trysek umístěných v tangenciálním směru. Do komory se vhání stlačený vzduch nebo jiný plyn (pára), který strhává materiál a uděluje mu vysokou kinetickou energii. Při víření (turbulenci) částic dochází k rozdrobňování díky vzájemném nárazu částic o sebe či stěny nádoby. Rozemleté částice jsou potom unášeny proudem vzduchu k filtru (odlučovač).
Účinnost mletí je ovlivněna směrem trysek a množstvím materiálu. Výhodou mlýnu je vysoká účinnost mletí, možnost chlazení (přívod chlazeného vzduchu) a tedy i mletí termolabilních materiálů. V tomto mlýnu lze mlet i látky vykazující velkou tendenci k tvorbě aglomerátů. Nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady a hlučnost.
Procvičení
- Rozdrobněte v porcelánové třence 25,0 g sacharosy na jemný prášek a přesejte přes síto 180 µm. Zjistěte hmotnostní úbytek rozdrobněné sacharosy.
- Rozdrobněte 10,0 g kyseliny borité na středně jemný prášek a prosejte přes síto 125 µm.
- Rozdrobněte 25,0 g oxidu zinečnatého na velmi jemný prášek a prosejte přes síto 125 µm.
- Rozdrobněte strouháním 10,0 g tvrdého parafinu.
- Rozdrobněte strouháním 50,0 g kakaového oleje.
- Rozdrobněte 10,0 g kafru v nerezové třence za pomoci diehyletheru (technická pomocná látka).
- Rozdrobněte 15,0 g lékořicového kořene pomocí ručního mlýnku.
- Rozdrobněte 100,0 g přesličkové nati (jitrocelového listu) v mixéru.
Kontrolní otázky
- Co je rozdrobňování a k čemu slouží?
- Jakými základními mechanizmy lze materiál rozdrobňovat?
- Jaká zařízení se využívají pro rozdrobňování ve farmaceutické laboratoři?
- Charakterizujte drcení, mletí a mikronizaci.
- Popište čelisťový drtič a jeho využití.
- Popište kuželový drtič a jeho využití.
- Popište válcový drtič a jeho využití.
- Popište kladivový mlýn a jeho využití.
- Popište kolíkový mlýn a jeho využití.
- Popište kulový mlýn a jeho využití.
- Popište koloidní mlýn a jeho využití.
- Popište tryskový mlýn a jeho využití.