docVerfahren zur Bestimmung von Partikel-bzw - HS-OWL
download 
Report Transcription
Verfahren zur Bestimmung von Partikel-bzw - HS-OWL
Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Verfahren zur Bestimmung von Partikel-bzw. Tröpfchengrößen in Emulsionssystemen 08.06.2005 Prof. Dr. Gerd Kutz FH Lippe und Höxter Pharmatechnik Georg Weerth Str. 20 32 756 Detmold FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Gliederung Hintergrundinformationen Vorstellung laserbasierender Verfahren Photonenkorrelationsspektroskopie Laserdiffraktometrie Laserzählverfahren Turbidimetrie FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Hintergrundinformationen zum Messen disperser Systeme Die „Partikelgrößenanalyse“ – gleichbedeutend werden z.B. die Begriffe „Dispersitätsanalyse“, „Teilchengrößenanalyse“, „Feinheitsmessung“ verwendet – ist die Messung der Feinheit eines dispersen Systems. Ein disperses System ist eine Anordnung von Materie, die aus wenigstens einer dispersen Phase und einem umgebenden Medium besteht. FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Anwendungsbereiche Kosmetisch relevante Dispersionstypen Aerosol Suspension Emulsion Schaum Pulver FH Lippe und Höxter Kosmetische Produktgruppen disperser Systeme • Aerosole/Sprays • Make-up • Pigmenthaltiger Sonnenschutz • Cremes • Lotionen • Dünnflüssige Emulsionen • Hydrodispersionsgele • Zahnpasta • Puder • Schäume Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Entscheidungshilfen zur Durchführung einer geeigneten Partikelgrößenanalyse Ist das Produkt dispers, bzw. enthält es ungelöstes „active ingredient“ ? Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf das Auftragverhalten oder das sensorische Empfinden ? Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf die Wirkung? Bestimmung der Ja? Teilchengrößen- Ja? verteilung mindestens Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf die Prozessführung ? Ja? Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf die Produktstabilität ? Ja? FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz sinnvoll wenn nicht notwendig 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Möglichkeiten zur Datenaufnahme Formulierung A off line Probennahme Prozess B on line C in line in situ Probennahme Probenmanipulation Messung Rückkopplung Messung Messung Auswertung FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Überlegungen zur Vergleichbarkeit Real-Partikel D1 Ideal-Partikel D3 0 F2 x 10 x F1 D1 ≡ D 2 ≡ D 3 20 [µm] D2 [µm] 0 10 20 30 40 D1 = Martinscher Durchmesser D2 = Ferretscher Durchmesser D3 = Kreis- Äquivalentdurchmesser FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz [µm] 0 10 20 30 40 F1≡ F2 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Überlegungen zur Vergleichbarkeit Gerät/ Messprinzip Äquivalentdurchmesser 30µm 100µm Siebung Maschenweite, minimale Partikelgröße 30 100 30 -100 100 Mikroskopie Messorientierung Ferret-Durchmesser Martin- Durchmesser KreisäquivalentDurchmesser 30 30 62 100 100 62 94 47 62 30 30 30 Laserbeugung Querschnittsfläche 62 62 62 30 FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Überlegungen zur Vergleichbarkeit Anzahlverteilung 1000 Partikel mit 1µm Durchmesser und 1 Partikel mit 100µm Durchmesser Volumenverteilung 1000 Partikel mit 1µm Durchmesser und 1 Partikel mit 100µm Durchmesser 1µm ≅ 99,9 % 100 µm ≅ 0,1 % V1/V2 = 1/1000 1µm ≅ 0,1 % 100 µm ≅ 99,9 % FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikelgrößenanalyse : Erkenntnisse 1. Eine Ergebnisvergleichbarkeit ist in nur wenigen Fällen vorhersehbar bzw. überhaupt gegeben. Gründe: Probenvorbereitung, Messprinzip des Gerätes, Materialeigenschaften 2. Eine direkte Ergebniskorrelation über Korrekturfaktoren führt nicht zu einer 1:1 Übertragbarkeit 3. Ein Lösungsansatz stellt eine firmeninterne Standardisierung unter Einbeziehung präzise beschriebener Referenzmaterialien dar. FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Lichtstreuung am Partikel : Reflexion, Brechung, Beugung reflektierter Strahl Partikel einfallender Strahl gebrochener Strahl reflektierter Strahl einfallender Strahl FH Lippe und Höxter x Prof. Dr. G. Kutz gebeugter Strahl x ~2/3 λ 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Photonenkorrelationsspektroskopie : Prinzip SekundärelektronenVervielfacher (Photomultiplier) Sammelsystem Projektionssystem Laser Probeneinlass FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) : Detektorsignal I (t) I (t) t Kleines Teilchen FH Lippe und Höxter t Großes Teilchen Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik 3-D Kreuzkorrelationstechnik (spez. PCS) : Prinzip Schirm 1 Probe 3 2 4 1 2 A Laser FH Lippe und Höxter 3 4 B Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik 3-D Kreuzkorrelationstechnik (spez. PCS) : Detektorsignal Streuclichtintensität 1 oben 1 unten Zeit FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Photonenkorrelationsspektroskopie : Zusammenfassung Messbereich: Messzeit: 1nm bis 3µm Sekunden Hinweise: Probleme beim Verdünnen Ergebnisdarstellung: Mittlere Partikelgröße, bei Mehrwinkelanalyse auch Teilchengrößenverteilung Voraussetzung: Verdünnung bis zur schwachen Opaleszenz (gilt nicht für 3-D Kreuzkorrelationstechnik) FH Lippe und Höxter • Auf-/Anlösen • Koaleszenz • Gestaltänderungen • Wasserqualität (Partikel) Lösung: • Filtration • Verdünnungsreihe Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Laserbeugungsverfahren : Aufbau Rührer dispergierte Phase Computersystem Ringsensor Verarbeitungselektronik Laser Probenzeile Absperrventil Auslass FH Lippe und Höxter Pumpe Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Laserbeugungsverfahren : Prinzip a) sich bewegende Teilchen Probeneinlass b) Teilchen unterschiedlicher Größe FH Lippe und Höxter Probeneinlass Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Laserbeugungsverfahren : Detektorsignal Ringsensor Laser Beugungsringe Probeneinlass FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Laserbeugungsverfahren : Prinzip Intensitätsverteilung von Fraunhofer Beugungsmustern I I (r, x) = I 0 f (r, x) I I (r ) = x max ∫ x min n ⋅ q 0 ( x ) I ( r , x ) dx r Einzelnes Partikel mit Durchmesser x FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz r PartikelgrößenVerteilung q0 (x) 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Laserbeugungsverfahren : Zusammenfassung Messbereich: Messzeit: Auswertemodus: Reproduzierbarkeit/ Genauigkeit: 0,1µm bis 3mm Sekunden Fraunhofer bzw. Mie Prüfen für Teilchen <10µm < 3% x50 < 5% x10/x90 Ergebnisdarstellung: Volumen-, Anzahl-, Flächenverteilung Voraussetzung: Verdünnung FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz Hinweise: • Probennahme • Desagglomeration • Zerstörung • Quellung • Luftblasen • Messbereich • Hintergrundsignal • Mehrfachstreuung • Referenzmaterialien (extern bzw. intern) 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Optical reflectance measurement (ORM) : Komponenten Computersystem Optischer Leiter Drucker Software Prozessor Visualisierung Hardware Tastatur Oszilloskop (optional) Messsonde FH Lippe und Höxter Maus Strom Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Optical reflectance measurement (ORM) : Aufbau der Messsonde Strahlenteiler Messkammer Optischer Leiter Fokuspunkt . . . Laserdiode . . . disperses System Photodetektor Linse Saphirlinse Saphirfenster FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Partikel Ls dS LS = VS * ΔtS LS = Sehnenlänge VS = Tastgeschwindigkeit ΔtS = Impulsdauer FH Lippe und Höxter LB ds = Durchmesser des gescannten“ Kreises LB = Bogenlänge ⎛ LB ⎞ LS Prof. Dr. G. Kutz ⎟⎟ = sin ⎜⎜ dS ⎝ dS ⎠ 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Optical reflectance measurement (ORM) : Tastvorgang Intensität Laufzeitsignal ts Ausgangssignal ts Laserstrahl FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Häufigkeit (%) Optical reflectance measurement (ORM) : Ergebnisdarstellung Bogensehnenlänge (ACL) FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Optical reflectance measurement : Zusammenfassung Messbereich: Messzeit: Ergebnisdarstellung: ca. 0,1µm bis 1mm nach Kalibration Sekunden Anzahl-, Volumenverteilung „Bogensehnenlängen“ (bis zu 1024 Klassen) Zählverfahren FH Lippe und Höxter Hinweise: • in-line • in-situ • unverdünnt • Kalibrierung • Impulszählrate • Luftblasen • Inhomogenitäten • Bewegung • repräsentative Probennahme • Reproduzierbarkeit Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Turbidimetrie : Prinzip max. 80 mm Transmission Photodiode Laser 850 nm α =45° Rückwärtsstreuung Photodiode Höhe [mm] Transmission Rückwärtsstreuung 80 µm 40 µm 0 µm FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz Intensität 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Turbidimetrie : Mehrfachstreuung (Rück)- Streulichtintensität I (BS) als Funktion von Partikeldurchmesser und Phasenvolumenverhältnis θ: ⎛ 1 ⎞ I ( BS ) = f ⎜ ⎟ ∗ ⎝ λ ⎠ worin λ ∗ = „mittlere freie Wegstrecke“ FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Turbidimetrie : Theorie Mehrfachstreuung * λ Überlegung δh Detektorsignal δl Zusammenhang FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz ⎛ d ⎞ ∗ ⎟⎟ = k ⎜⎜ λ ⎝ φ ⎠ 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Streulichtintensitat (%) Turbidimetrie : Mehrfachstreuung Höhe (mm) Mehrfachmessungen („Kinetik“) FH Lippe und Höxter Streulichtintensitat (%) Einzelmessung Prof. Dr. G. Kutz Höhe (mm) 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Turbidimetrie : Interpretation Demulgiervorgänge Sedimentation bzw. Aufrahmen Koaleszenz bzw. Flokkulation t= 0 t= 0 t= n t= n FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik Turbidimetrie : Zusammenfassung Messbereich: ca. 0,1µm bis 1mm Messzeit: Ergebnisdarstellung: Sekunden Rückstreuung (%) Transmission ( %) über Probenhöhe mittlere Teilchengröße bzw. Phasenvolumenverhältnis FH Lippe und Höxter Hinweise: • unverdünnt • in-line • Probennahme • Reproduzierbarkeit • Stabilitätsuntersuchungen • Preformulation • Prozesssteuerung • Relativverfahren • Inhomogenitäten Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005 Fachhochschule Lippe und Höxter University of Applied Sciences Life Science Technologies Pharmatechnik FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
