Interfacial Phenomena in Pharmaceutical Low Moisture Content Powder Processing

Powders are essential materials in the pharmaceutical industry, being involved in majority of all drug manufacturing. Powder flow and particle size are central particle properties addressed by means of particle engineering. The aim of the thesis was to gain knowledge on powder processing with restricted liquid addition, with a primary focus on particle coating and early granule growth. Furthermore, characterisation of this kind of processes was performed. A thin coating layer of hydroxypropyl methylcellulose was applied on individual particles of ibuprofen in a fluidised bed top-spray process. The polymeric coating improved the flow properties of the powder. The improvement was strongly related to relative humidity, which can be seen as an indicator of a change in surface hydrophilicity caused by the coating. The ibuprofen used in the present study had a d50 of 40 μm and thus belongs to the Geldart group C powders, which can be considered as challenging materials in top-spray coating processes. Ibuprofen was similarly coated using a novel ultrasound-assisted coating method. The results were in line with those obtained from powders coated in the fluidised bed process mentioned above. It was found that the ultrasound-assisted method was capable of coating single particles with a simple and robust setup. Granule growth in a fluidised bed process was inhibited by feeding the liquid in pulses. The results showed that the length of the pulsing cycles is of importance, and can be used to adjust granule growth. Moreover, pulsed liquid feed was found to be of greater significance to granule growth in high inlet air relative humidity. Liquid feed pulsing can thus be used as a tool in particle size targeting in fluidised bed processes and in compensating for changes in relative humidity of the inlet air. The nozzle function of a two-fluid external mixing pneumatic nozzle, typical for small scale pharmaceutical fluidised bed processes, was studied in situ in an ongoing fluidised bed process with particle tracking velocimetry. It was found that the liquid droplets undergo coalescence as they proceed away from the nozzle head. The coalescence was expected to increase droplet speed, which was confirmed in the study. The spray turbulence was studied, and the results showed turbulence caused by the event of atomisation and by the oppositely directed fluidising air. It was concluded that particle tracking velocimetry is a suitable tool for in situ spray characterisation. The light transmission through dense particulate systems was found to carry information on particle size and packing density as expected based on the theory of light scattering by solids. It was possible to differentiate binary blends consisting of components with differences in optical properties. Light transmission showed potential as a rapid, simple and inexpensive tool in characterisation of particulate systems giving information on changes in particle systems, which could be utilised in basic process diagnostics.Jauheet ovat tärkeä materiaali lääketeollisuudessa, sillä jauheita tavataan laajalti monissa lääkkeenvalmistusprosesseissa. Jauheen valumisominaisuudet ja hiukkaskoko ovat keskeisiä ominaisuuksia, joita pyritään muokkaamaan jauheteknologian keinoin. Tämän väitöstyön tavoitteena oli tutkia kuinka jauheita voi muokata rajoittamalla prosessiin lisättävän nesteen määrää. Pääasiallinen mielenkiinto kohdistui hiukkasten pinnan päällystämiseen ja rakeen varhaiseen kasvuun. Lisäksi tutkittiin menetelmiä, joiden avulla yllämainitun kaltaisia prosesseja voidaan karakterisoida. Ibuprofeenijauheen yksittäisten hiukkasten pinta päällystettiin polymeeripäällysteellä leijukerrosrakeistimessa. Kyseinen päällyste paransi jauheen valumisominaisuuksia. Muutos oli vahvasti riippuvainen ilmankosteudesta. Tämän voi tulkita osoituksena päällysteen aiheuttamasta pinnan hydrofilisuuden muutoksesta. Tutkimuksessa käytetyn ibuprofeenijauheen mediaanihiukkaskoko oli n. 40 µm ja se määritellään Geldart jauheenluokitusjärjestelmässä luokkaan C, eli jauhe luokitellaan haastavaksi materiaaliksi kuvaillunkaltaisissa leijukerrosprosesseissa. Ibuprofeenijauhetta päällystettiin myös uudella ultra-ääneen perustuvalla menetelmällä. Tulokset olivat johdonmukaisia yllämainitun leijukerrosprosessin tulosten kanssa. Todettiin että ultraääniavusteinen menetelmä on helppokäyttöinen ja varma menetelmä yksittäisten hiukkasten päällystämiseksi. Rakeen kasvua leijukerrosrakeistimessa rajoitettiin syöttämällä rakeistusneste pulssittain. Tulokset osoittavat että pulssitussyklin pituus on olennainen muuttuja rakeen kasvun säätelemiseksi. Lisäksi havaittiin pulssittaisen nesteensyötön vaikutuksen rakeen kasvuun korostuvan korkeassa suhteellisessa ilmankosteudessa. Pulssittaista nesteensyöttöä voi näin ollen käyttää hiukkaskoon säätelyyn, minkä lisäksi sillä voidaan kompensoida tuloilman ilmankosteuden vaihtelun aiheuttamia vaikutuksia prosessiin. Rakeistimissa yleisesti käytetyn nestesumuttimen toimintaa osana prosessia tutkittiin huippunopealla kameralla ja pisarantunnistusohjelmistolla. Pisaroiden todettiin yhdistyvän niiden liikkuessa suuttimesta poispäin. Pisaroiden yhdistymisen todettiin lisäävän niiden nopeutta. Nestesumun pyörteisyyttä tutkittaessa havaittiin pisaranmuodostuksen ja vastakkaiseen suuntaan liikkuvan ilmavirran aiheuttama pyörteisyys. Tulokset osoittivat että kyseinen menetelmä soveltuu nestesumun karakterisoimiseen osana prosessia. Hiukkaspedin läpi kulkevan valon, eli valotransmission, todettiin sisältävän informaatiota hiukkaskoosta ja hiukkasten pakkautumistiheydestä. Tutkimalla transmittoituvaa valoa oli mahdollista erottaa koostumukseltaan poikkeavia kahden komponentin seoksia. Valotransmissio todettiin nopeaksi, yksinkertaiseksi ja kustannustasoltaan alhaiseksi menetelmäksi karakterisoida hiukkassysteemejä. Parhaiten menetelmää voisi hyödyntää prosessiseurannassa hiukkassysteemeissä tapahtuvien muutosten havaitsemiseksi