Transcript Slide 1 - anadolu üniversitesi eczacılık fakültesi

1
REOLOJİ
ANADOLU ÜNİVERSİTESİ
ECZACILIK FAKÜLTESİ
FARMASÖTİK TEKNOLOJİ ANABİLİM DALI
2013
2
Tanım
3
4
Reolojinin Eczacılıktaki
Uygulama Alanları
Etkin ve yardımcı maddelerin özelliklerinin
standardize edilmesinde,
Formülasyon geliştirme aşamasında, üretim
parametrelerinin ve zamanın preparatın özellikleri
üzerindeki etkisinin kantitatif olarak saptanmasında,
Üretim aşamasında preparatın karıştırma,
kazandan aktarma, borulardan akma gibi
özelliklerinin optimize edilmesinde,
5
Reolojinin Eczacılıktaki
Uygulama Alanları
Katı dozaj şekillerinde, tablet basımı sırasında
tozun huniden akması, kapsüllerin doldurulması
işlemlerinin optimizasyonunda,
Preparatın lokal ve sistemik biyoyararlanımına
etki eden faktörlerden biri olarak
biyoyararlanım çalışmalarında,
Kalite kontrol aşamasında preparatın
akış özelliklerinin belirlenmesinde,
6
Reolojinin Eczacılıktaki
Uygulama Alanları
Kararlılık çalışmalarında ürünün üretildiği
andan son kullanma tarihine kadar aynı akış
özelliklerini taşımasının sağlanmasında
Kullanım anında preparatın tüpten,
kavanozdan alımı, şişeden akma, enjektör
iğnesinden geçebilme, deri üzerinde
yayılabilme gibi özelliklerinin optimize
edilmesinde
7
Farmasötik araştırma ve geliştirmede
reolojinin önemi
ARAŞTIRMA
mikroyapı
bileşen etkileşmeleri
kararlılık
ÜRETİM ve TRANSFER
karıştırma, ufalama,
pompalama
aktarma,
KALİTE KONTROL
maddeler
üretim işlemi
KULLANIM
kaptan çıkma
tüketicinin kabul edebilirliği
bitmiş ürün
8
Sonuç
Ürünün reolojik özelliklerinin belirlenmesi
ve bu özelliklerinin iyileştirilmesi ile,
tüketicinin beklentileri olan
kararlılık,
kıvam,
uygulanabilirlik ve
uygun görünüm
tanımlanabilmektedir.
9
Viskozite
Bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirençtir
Viskozite arttıkça direnç de artar
Viskosite ile maddenin akmaya karşı gösterdiği direnç
doğru orantılı; viskozite ile akışkanlık ters orantılıdır
Viskozitesi yüksek = akışkanlığı az
Viskozitesi düşük = akışkanlığı çok
Viskozite,
Bir sıvının zorunlu bir harekete karşı
göstermiş olduğu direnç
10
Viskozite Nasıl Ölçülür?
11
Viskozite
Isaac Newton tarafından
ortaya atılmıştır.
Newton “akış hızının
uygulanan stresle bağlantılı ve
doğru orantılı
olduğunu”göstermiştir.
(1642-1726)
12
Viskozite
Paralel molekül tabakalarından oluşmuş,
yüzeyi 1 cm2 ve yüksekliği 1 cm olan “blok” (bir deste kart gibi)
bir sıvı düşünelim.
Tabakaların en alt yüzeyinin sabit olduğunu kabul edelim.
En üstteki sıvı tabakası sabit bir hızla (1 cm/sn)
hareket ettirildiğinde, diğer bütün tabakalar,
en alttaki sabit tabakaya uzaklıkları ile orantılı bir hızla
hareket edecektir.
Her tabakanın farklı bir ivmesi olacaktır.
Sıvının iç sürtünmesine bağlı olarak da,
kuvvetin uygulandığı tabakaya yakın olan tabakalar hızlı,
uzak olanlar yavaş hareket edeceklerdir.
13
Viskozite
Sıvı bloğunun sabit olan alt tabakasının yerinde
durabilmesi için uygulanan F kuvvetine ters yönde ve
eşit değerde bir direnç kuvvetine ihtiyaç duyulacaktır.
Uygulanan F kuvveti bir gerilim meydana getirecektir.
14
Viskozite
x
(mesafe)
Sıvı bloğunun sabit olan alt tabakasının yerinde
durabilmesi için uygulanan F kuvvetine ters yönde ve
eşit değerde bir direnç kuvvetine ihtiyaç duyulacaktır.
Uygulanan F kuvveti bir gerilim meydana getirecektir.
sıvı kütlesi
15
x
(mesafe)
Akışkan Madde Modeli
16
Kuvvetin uygulandığı sıvı yüzeyinin alanı A
ve hareketi başlatmak için gereken kuvvet de F ise,
birim alana düşen kuvvet F/A olacaktır.
Buna kayma gerilimi (shearing stress) denir.
Bu gerilim düzlemlerin yer değiştirmesine neden olur.
Bu yer değiştirmede, düzlemler arasındaki akışa
dik yöndeki uzaklığa x,
düzlemlerin kayma hızına da v diyecek olursak;
dv/dx (shear rate) kayma hızı oranı veya
kayma deformasyonunun değişme hızıdır.
Buna biçimsel değişim çabukluğu (oranı) da denir.
17
Dinamik Viskozite (h)
Tek tek tabakaların birbirine göre hareketini frenleyen
kuvvete sıvıların iç sürtünmesi veya dinamik viskozitesi
(mutlak viskozite) denir.
Sıvının iki paralel yüzeyinin bağıl hareketi sırasında, birim
alana düşen kuvvet “kayma gerilimi ()” ile “yüzeyler
arasındaki hız gradyanı (D)” arasındaki orantı katsayısıdır.
h =  /D
h
viskozite katsayısı

kayma gerilimi (birim alana düşen kuvvet)
kayma hızı (tabakalar arasındaki hız gradyanı)
D
18
Birimi ?
cgs system (centimetre-gram-second):
Uzunluk birimi olarak santimetrenin (cm),
ağırlık birimi olarak gramın (g)
ve zaman birimi olarak saniyenin (s)
kullanıldığı metrik sistem.
SI system (international system of units):
SI, le Système international d'unités,
Günümüzde en çok kullanılan metrik sistemdir.
Uzunluk birimi olarak metre (m),
ağırlık birimi olarak kilogram (kg)
ve zaman birimi olarak saniye (s) kullanılır.
19
Birimi ?
Viskozitenin birimi cgs sisteminde poise (P)’dır.
Poise, dyn.cm-2.s veya g.cm-1.s-1 dir.
Bunun yüzde biri olan centipoise (cP) daha
kullanılmaktadır.
Uluslar arası birim sistemi SI da ise
Pascalsaniye (Pa.s)’dir.
Daha çok miliPascalsaniye (mPa.s) tercih edilmektedir.
1 P = 100 cP
1 dyn = 1 g·cm/s²
1 N = kg.m/s²
1 Pa = 1 N/m²
1 cp = 1 mPa.s
1 P = 0.1 Pa.s
1 Pa.s = 10 P
çok
20
Eczacılıkta kullanılan
bazı sıvıların viskozitesi
Sıvı
Kloroform
Su
Etanol
Zeytinyağı
Hint yağı
Gliserin
Dinamik viskozite
(mPa.s)/20oC
0.58
1.002
1.20
84.0
986.0
1490.0
21
Viskozite ölçümlerinde, ölçümün yapıldığı kayma
hızı aralığı ve sıcaklık mutlaka belirtilmelidir.
Bu bilgiler olmadan, ölçümün tekrarlanabilirliği
olamaz.
Kayma özellikle bir preparatın özel kaplara
doldurulması,
dökme,
yayma,
püskürtme,
karıştırma, vb gibi fiziksel hareketlerde büyük
önem taşır.
22
Kinematik Viskozite ()
Dinamik viskozitenin (h), aynı sıcaklıkta akışkanın
yoğunluğuna () bölünmesi ile elde edilir.
=h/
Birimi
m2s-1
cm2s-1
Stokes (St)
= 10-4m2s-1
centistokes (cSt) = 10-6m2s-1
Kinematik viskozite yerçekimi kuvvetini göz önüne alır
Suyun 20oC’deki kinematik viskozitesi yaklaşık 1 cSt’dur.
23
Akıcılık (f)
Viskozitenin tersi olup, şu eşitlikle ifade edilir.
f=1/h
24
Viskozite & Sıcaklık
Genellikle, sıcaklık arttıkça, viskozite düşer.
Sıcaklıkla sıvıların viskozitesi arasındaki ilişki “Arrhenius
eşitliği”nin benzeri olan bir eşitlikle ifade edilir.
= AeEv/RT
A
Ev
R
T
sıvının molekül ağırlığına ve molar hacmine bağlı sabit
aktivasyon enerjisi (moleküller arasındaki akışı başlatmak
için gerekli)
gaz sabiti (1.987 cal/mol)
mutlak sıcaklık (K)
Akıcılık sıcaklık ile artar. Bu nedenle viskozite ölçümleri sabit
bir sıcaklıkta yapılmalıdır
25
AKIŞ MODELLERİ
25
26
Newton, sıvıları akış özelliklerine göre iki sınıfa ayırmıştır:
Newton akış
Newton olmayan akış
Plastik akış (ideal bingham akış)
Psödoplastik akış
Dilatan akış
Tiksotropi bazı kaynaklarda ayrı bir akış tipi olarak
değerlendirilmektedir.
Burada tiksotropi, akış tiplerinin zamanla değişmesi olarak
değerlendirilmiştir.
27
Newton Akış
Kayma hızı ile kayma geriliminin doğrusal bir şekilde
artması nedeniyle viskozitenin aynı şartlar altında, daima
sabit olduğu akış tipidir.
Bu akış tipinde viskozite kayma hızından bağımsızdır.
Gerçek çözeltiler ve ideal viskoz sıvılar bu tip akış
gösterirler. Bu sıvılar Newton sıvılar adını alır.
Örnek:
su
mineral yağ
sıvı silikon
saf çözücüler…
kayma gerilimi (F)
28
Newton Akış
29
Newton Olmayan Akış
Kayma hızı ile kayma geriliminin aynı oranda
artmadığı sistemlerde ve bu nedenle viskoziteleri
kayma hızına bağlı olan sıvılarda gözlenen akış
tipidir
Değişen kayma hızı ile viskozite de değişir
Örnek: emülsiyon
süspansiyon
merhem
polimer çözeltileri…
Bu sistemler Newtonian akış eğrisine uymazlar
30
Plastik Akış
Akışın kayma geriliminin belli bir değere
ulaşmasından sonra başladığı durumdur
Bu değer “eşik değeri” adını alır
Eğri orijinden başlamaz, fakat eşik değeri
aşıldıktan sonra Newton akış eğrisine benzer
Örnek:
Diş macunları gibi dış fazı çok viskoz olan veya
floküle partiküllü yoğun süspansiyonlar
31
Plastik Akış
Bu akış tipi modern reolojinin araştırıcılarından olan
Bingham’ın adına izafeten Bingham akış olarak da
adlandırılmaktadır.
Şekilde de görüldüğü gibi, plastik akış eğrisi orijinden
geçmez.
Bu tip sıvılar hemen akmazlar ve kayma gerilimi belli
bir eşik değerine (yield value) ulaşınca akış görülür.
32
Plastik Akış
33
Reogram, başlangıçta eğri, daha sonra doğru
şeklindedir.
Sıvı, doğrunun x eksenini kestiği noktadan sonra
akmaya başlar.
Eşik değeri altındaki
madde gibi davranır.
gerilimlerde
elastik
bir
Eşik değerinden sonra kayma gerilimindeki artış,
kayma hızı ile orantılı olarak artar.
Eşik değerinden sonra Newtonian sistemlerin akışı
gibi davranış gösterirler.
34
Plastik Viskozite Eşitliği
U = (F-f) /G
U
F
f
G
plastik akış
kayma gerilimi
eşik değeri
kayma hızı
Plastik akış daha çok süspansiyonlarda ve floküle olmuş
sistemlerde görülür. Uygulanan kayma gerilimi flokülasyon
kuvvetini aştıktan sonra görülür.
Eşik değerine ulaşınca partiküller arasındaki Van der waals
kuvvetinden doğan bağlar kopar.
35
Bingham Akış Modeli
Bingham eşitliği, etkili/yeterli miktarda bir eşik gerilimi (o)
uygulandıktan sonra akış gösteren maddelerin viskozitesini
hesaplamak için kullanılır.
Bu maddeler Bingham plastik sıvıları olarak isimlendirilir ve
aşağıdaki eşitlik ile gösterilir.
eşik (değeri) gerilimi
kayma gerilimi
 = o + D
kayma hızı
plastik viskozite
36
Standart Casson Modeli
=
kayma gerilimi
o +
D
kayma hızı
plastik viskozite
eşik (değeri) gerilimi
37
Psödoplastik Akış
Kayma hızı arttıkça viskozitesi azalan sistemlerdir.
Bu nedenle viskoziteleri tek değer olarak verilemez.
Bunlara “kayma ile incelen” (shear thinning)
sistemler adı verilir.
Eğrisi orijinden başlar ve reogramla gösterilir.
Örnek:
jel
müsilaj
emülsiyon gibi sistemlerin çoğunda görülür…
38
Psödoplastik Akış
39
Dilatan Akış
Kayma hızı arttıkça viskozitesi artan sistemlerdir.
Psödoplastik akışın tam tersi bir eğri ile ifade
edilirler.
Bunlara “kayma ile kalınlaşan” (shear thickening)
sistemler adı verilir.
Diğer sistemlere göre daha az görülürler.
Örnek:
ıslak kum
yağlı boya…
40
Dilatan Akış
41
Power Law Modeli
kayma gerilimi
 = k Dn
tutarlılık göstergesi
(consistentcy index)
akış göstergesi
(flow index)
(Power Law index)
kayma hızı
Akış göstergesi 1
Newton akış
Akış göstergesi 0 – 1 arasında
Psödoplastik akış
Akış göstergesi 1 den büyük
Dilatan akış
42
Akış Modellerinin Karşılaştırılması
0<n<1
Kayma gerilimi
n=1
1<n
Kayma hızı
43
Tiksotropi
Zamana bağlı olarak akış özelliğinin değişmesidir.
Bu sistemler, gerilim ile viskozluğu azalan ve
gerilim ortadan kalkınca zamanla eski
viskozluğuna geri dönen sistemlerdir
(reversible).
Genellikle dispers sistemlerde görülür.
44
Tiksotropi
Tiksotropik davranış, akış eğrisinin, artan kayma hızının
(yukarı çıkan eğri) ve daha sonra azalan kayma hızının
(aşağı inen eğri) fonksiyonu olarak çizilmesiyle ortaya
çıkar.
Newton sistemlerde çıkış eğrisi ile iniş eğrisi çakışır ve
viskozitede değişme olmaz.
Newton olmayan sistemlerde ise iki eğri arasında fark
gözlenir.
Plastik ve psödoplastik sistemlerde iniş eğrisi çıkış
eğrisinin solundadır, viskozitede azalma olur (tiksotropi)
45
Tiksotropi
Tiksotropik özellik gösteren sistemler izotermal olarak
jel-sol-jel dönüşümünü gösteren dispersiyonlardır.
Gerilim durunca yapı fiziksel olarak katıdır.
Gerilim uygulandığında ise akış başlar ve jel’den sol’e
doğru bir değişim görülür.
Gerilim kaldırıldığında yapı tekrar eski haline döner.
46
Tiksotropi
Thixotropik numuneler pseudoplastiktir ama
tüm pseudoplastik numuneler thixotropik değildir.
47
Farmasötik Sistemlerde Tiksotropi
İstenen bir özelliktir
Partiküllerin çökmesini engellediği için
süspansiyonlarda tercih edilir
İyi formüle edilmiş bir süspansiyon, kap içinde
çalkalandığında kolayca akışkan hale gelir ve
kolaylıkla istenen doz alınabilir. Zamanla tekrar
eski kıvamına döner.
Benzer davranış emülsiyonlar, losyonlar, kremler,
merhemler ve i.m. olarak kullanılan parenteral
süspansiyonlarda da istenir.
48
Reopeksi
Karıştırma ile katılaşmayı açıklar.
Kayma kuvveti uygulanan maddenin
viskozitesi artar ve kuvvet kalktığında orijinal
viskozitesine dönerse, madde reopektik’tir.
Bu durumda, aşağı inen eğri, yukarı çıkan
eğrinin sağında yer alır.
Dilatan akış buna örnektir.
49
Reopeksi
50
İki reolojik davranış vardır
Newton tipi viskoz akışkanlar
Gerilim altında akış özelliği gösterirler.
Akış (plastik deformasyon), cisme uygulanan
kuvvetin ortadan kaldırılması halinde
deformasyonun devam etmesidir.
Hook tipi elastik katılar
Gerilim altında elastik deformasyon özelliği
gösterirler. Elastik deformasyon, bir cisme
kısa süreli uygulanan basınç veya itme gibi
zorlamalar sonucunda maddenin
deformasyona uğraması, gerilim ortadan
kalktığında tekrar eski şekline dönmesidir.
51
Viskoelastisite
Birçok maddenin akışı yukarıda sözü edilen
modellerden biri ile açıklanamaz.
İdeal elastik bir madde, uygulanan tüm enerjiyi saklar
ve geri verir.
İdeal viskoz madde ise, tam tersine, uygulanan
enerjiyi emer ve kaybeder.
Gerçek maddeler, her iki özelliği birleştirerek
viskoelastik davranış gösterirler.
52
Viskoelastik Özellik
Hem viskoz hem de elastik özellik gösteren
madde davranışına “viskoelastik özellik” denir.
Viskoelastik sistemler, hem sıvıların viskoz
özelliklerini hem de katıların elastik özelliklerini
gösteren maddelerdir.
Viskoelastik deformasyon elastik deformasyon ile
viskoz akış özelliklerinin kombinasyonudur.
Madde ve malzemelerin çoğunluğu viskoelastik
özelliktedir.
53
Farmasötik Sistemlerde
Viskoelastisite
Eczacılıkta kullanılan krem, losyon, merhem, süspansiyon,
supozituvar, kolloidal dağılımlar ve emülsiyon gibi birçok
sistem viskoelastik özellik gösterir.
Emülsiyonların reolojik davranışı damlacıkların etkileşme
kuvvetlerini anlamak için yardımcı olur. Damlacıklar
arasında kolloidal etkileşme sonucu,
Üç-boyutlu ağ yapısı söz konusu olabilir. Bu ağ yapı, enerji
stoklama yeteneğine sahiptir.
Dolayısıyla, sıvı özelliklerine ilaveten elastik katı özellikleri
de kazanır.
54
Farmasötik Sistemlerde
Viskoelastisite
Emülsiyon, süspansiyon gibi dispers sistemlerin,
merhem, krem gibi yarı katı sistemlerin, şurup
gibi çözeltilerin reolojik özellikleri, fizikokimyasal
özellikler içinde en önemlisini oluşturur.
Çünkü reolojik özellikler hem fiziksel stabiliteyi,
hem kaliteyi, hem de kullanımı etkilemektedir.
55
Grek Alfabesi
Grek ismi
Küçük harf
Büyük harf
Eta
Upsilon
Ro
Tau




H
Y
P
T
56
VİSKOZİMETRELER
(viskometreler)
Akışkanların reolojik davranışlarının
incelenmesinde kullanılırlar,
Kayma hızı ve kayma gerilimi arasındaki ilişkiyi
kantitatif olarak saptayabilen cihazlardır,
Newton sistemler için hem tek nokta, hem de çok
nokta viskozimetreleri, Newton akış göstermeyen
sıvılar için çok nokta viskozimetreleri kullanılır.
57
Newton Sistemler için Kullanılan
Viskozimetreler
Kapiler viskozimetreler
(Ostwald viskozimetresi)
Düşen bilya viskozimetreleri
(Haake viskozimetresi)
58
Newton olmayan akış gösteren
sistemler için kullanılan
viskozimetreler
Konsentrik (ortak merkezli) silindir viskozimetreler
Koni-plak viskozimetreler
Dönen mil viskozimetreler
59
Kapiler Viskozimetre
Newton akış gösteren sıvı ana gövdeye
doldurulur.
Buradan kapiler içine vakumla sıvı çekilir.
İşaretli iki nokta arasında yerçekimine karşı
inişi izlenir ve bu süre saptanır.
h = K.t.r
h
K
t
r
mutlak viskozite
viskozimetre sabiti
sıvının iki nokta arasındaki geçiş süresi (saniye)
sıvının yoğunluğu
60
Düşen Bilya Viskozimetresi
Cihazın şeffaf silindirik tüpü test örneği ile
doldurulduktan sonra içine çelik veya cam bir bilya
konulur.
Sistem alt üst edilerek bilyanın iki işaret arasındaki
geçiş zamanı tayin edilir.
İşaretli iki nokta arasında yerçekimine karşı inişi
izlenir ve bu süre saptanır.
h = K.(r1-r2).t
K
r1
r2
t
bilyaya ait sabite
bilyanın özgül ağırlığı
örneğin özgül ağırlığı
bilyanın silindirin iki çizgisi arasındaki
düşme süresi (saniye)
61
Konsentrik (Ortak Merkezli) Silindir
Viskozimetresi
Aralarında küçük bir boşluk bulunan tek merkezli, iç içe
iki silindirden oluşur. Örnek bu boşluğa doldurulur.
Silindirlerden içteki veya dıştaki belli bir açısal hızla
döndürülür.
Silindirlerden birinin dönmesi ile diğer silindirin
yüzeyinde oluşan ve örneğin viskozitesi ile orantılı olan
stres aletin ekranında okunur.
Örnek hacmi 20-50 mL arasında değişebilir.
62
Koni-Plak Viskozimetresi
Altta sabit bir plak, üstte belli açıda dönen bir koni
ve bu ikisinin arasındaki çok küçük boşluktan
oluşur.
Koni değişik hızlarda döndürüldükçe, dönen koni
ile sabit plak arasındaki boşlukta bulunan örnek
kaymaya uğrar.
Değişik kayma hızlarına karşı koni üzerinde oluşan
kayma gerilimi ve bazı tiplerinde viskozite ekranda
okunabilir.
En önemli avantajı 0.1-0.2 mL örnek hacmi ile
çalışılabilmesidir.
63
Koni-Plak Viskozimetresi
64
Dönen Mil Viskozimetresi
Bir yay ile cihazın motoruna bağlanan,
5 veya 8 farklı hızda dönüş yapabilen,
4 veya 7 tane mil bulunmaktadır.
Milin örnek içinde dönmesiyle oluşan
viskoz sürüklenme, kayma geriliminin
fonksiyonu olup skaladan okunur.
65
Süspansiyon & Emülsiyon
Reolojik Özellikleri
Dağılan fazın içeriği (miktarı)
Partikül büyüklüğü
Partikül (damlacık) şekli
Partikül büyüklüğü dağılımı ve dağılımın şekli
Dispersiyon ortamının viskozitesi ve
reolojik davranışları
Sıcaklık
Partiküllerarası etkileşmeler