Inleiding
Wanneer water in contact komt met een kristallijne stof, zijn er verschillende soorten interacties mogelijk: De watermoleculen kunnen eenvoudig adsorberen aan het oppervlak; gecondenseerd vloeibaar water kan verschijnen op de vaste stof (in het geval van deliquescence of capillaire condensatie); of het water kan zelfs worden opgenomen in de kristalstructuur (absorptie), waarbij stoichiometrische of niet-stoichiometrische hydraten worden gevormd [1]. Tijdens het verhitten zijn er verschillende hoeveelheden energie nodig om deze interacties te overwinnen en de gevormde bindingen te verbreken. Daarom zien we soms verschillende massaverliesstappen wanneer een hydraat wordt verhit; watermoleculen die aan het oppervlak geadsorbeerd zijn desorberen eerst, gevolgd door water dat sterker gebonden is.
Voor het ontwerp van een ontwateringsproces is het daarom erg belangrijk om de thermische eigenschappen van het specifieke monster te kennen. Thermogravimetrische analyse in combinatie met kinetische evaluatie is hier uiterst nuttig omdat het de tijd die nodig is om een geschikt temperatuurprogramma te ontwikkelen aanzienlijk kan verkorten. Als de thermische metingen worden uitgevoerd door middel van gekoppelde systemen, bijvoorbeeld door middel van TGA of STA gekoppeld aan een gasanalysesysteem zoals FT-IR, dan is het bovendien mogelijk om uit te zoeken of het gas dat tijdens verhitting ontstaat echt alleen water is of dat er nog andere vluchtige stoffen bij betrokken zijn.
Magnesiumstearaat als modelstof -Experimenteel
Magnesiumstearaat is een van de meest gebruikte hulpstoffen in de farmaceutische industrie. Het wordt meestal gebruikt als een smeermiddel dat wordt toegevoegd aan vaste toedieningsvormen zoals tabletten. Veel commerciële soorten magnesiumstearaat bestaan uit een mengsel van verschillende hydraten: monohydraat (geordend of ongeordend), dihydraat en/of trihydraat. [2] Voor de huidige reeks experimenten werd ongeveer 6,5 mg magnesiumstearaatpoeder, zoals ontvangen, verwarmd met verwarmingssnelheden tussen 2 K/min en 20 K/min met behulp van een NETZSCH TG 209 F1 apparaat. De volledige set meetparameters staat in tabel 1.
Tabel 1: Meetparameters
| Parameters | Magnesiumstearaat |
|---|---|
| Monstermassa | Ca. 6,5 mg |
| Atmosfeer | Stikstof |
| Kroes | Al, open |
| Temperatuurprogramma | RT tot 180°C |
| Verwarmingssnelheden | 2, 5, 10 en 20 K/min |
| Debiet | 40 ml/min |
| Monsterhouder | TGA, type P |
Resultaten en discussie
Het waargenomen massaverlies van het magnesiumstearaatmonster begint vrij vroeg. In de curve uitgevoerd bij 2 K/min is al een afwijking zichtbaar bij ongeveer 50°C.
Hoe hoger de toegepaste verwarmingssnelheid, hoe meer de krommen verschuiven naar hogere temperaturen, wat karakteristiek is voor kinetische effecten. Bovendien vertonen de curven bij hogere verwarmingssnelheden een duidelijkere structuur. In de blauwe curve (uitgevoerd bij 20 K/min) zijn duidelijk drie massaverliesstappen te zien. Dit geeft aan dat het verlagen van de verwarmingssnelheid niet altijd leidt tot een betere scheiding van overlappende effecten - soms is het tegenovergestelde waar, zoals in het huidige voorbeeld. De kinetiek achter de massaverlieseffecten is dus cruciaal.
Om meer te weten te komen over de kinetiek achter de massaverlieseffecten werd vervolgens de software NETZSCH Kinetics Neo gebruikt. Met behulp van de software was het mogelijk om de experimentele gegevens goed te fitten door een opeenvolgend drietrapsmodel van n-de orde reacties toe te passen (t:FnFnFn, zie fig. 2)
A → B → C → D
De bijbehorende correlatiecoëfficiënt R2, die een indicator is voor de kwaliteit van de passing, werd bepaald op 0,99993.
Kinetics Neo is een formele kinetische software die verschillende soorten temperatuurafhankelijke chemische processen kan analyseren, ongeacht of ze - naast andere mogelijkheden - geassocieerd worden met een massaverandering, lengteverandering of enthalpieverandering. Kinetics Neo kan werken op basis van modelvrije en modelgebaseerde methoden. De modelgebaseerde kinetische benadering kan informatie geven over elke reactiestap samen met gerelateerde parameters zoals activeringsenergie, reactievolgorde of de bijdrage aan het totale proces. De berekende parameters voor dit geval staan in tabel 2.
Op basis van deze bevindingen kunnen voorspellingen worden berekend voor temperatuurprofielen die nog niet eerder zijn gemeten, of die zelfs helemaal niet experimenteel toegankelijk zijn.
Dit is gedaan voor de volgende twee scenario's:
1. Het eerste is een simulatie van het klassieke verlies bij droogprocedure in een droogkamer die is ingesteld op 105°C. [3], [4]
Om het direct inbrengen van het monster in een hete droogkamer te simuleren, werd 100 K/min gekozen als initiële verwarmingssnelheid, gevolgd door een IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm segment bij 105°C (zie fig. 3).
Het massaverlies begint tijdens de snelle verhittingsfase maar kan niet volledig worden beëindigd. Slechts ongeveer 3,3% van het massaverlies treedt op voordat wordt overgeschakeld naar het isotherme segment. Na ongeveer 18 minuten wordt een massaverlies van 4,03% bereikt, wat overeenkomt met de waarde van 4,02% op het analysecertificaat voor het gebruikte magnesiumstearaat.
Tabel 2: Formele kinetische parameters van het dehydratieproces van magnesiumstearaat
| Parameters | A → B Fn | B →C Fn | C →D Fn |
|---|---|---|---|
| Activeringsenergie [kJ/mol] | 122.34 | 129.25 | 217.42 |
| Log pre-exponentiële factor | 16.15 | 16.46 | 27.59 |
| Reactievolgorde | 0.853 | 0.948 | 3.007 |
| Bijdrage | 0.553 | 0.349 | 0.009 |
2. Het tweede scenario is een simulatie van een isotherme behandeling van het magnesiumstearaatmonster bij 50°C (fig. 4).
In dit geval begint het waargenomen massaverlies onmiddellijk en sleept het zich lang voort. Na ongeveer 32 uur (1920 minuten) bedraagt het 3,75%. Er blijft nog maar 0,27% over (gebaseerd op een referentiewaarde voor massaverlies van 4,02%; zie hierboven). Deze waarde blijft min of meer behouden, zelfs als de tijd wordt verlengd tot 80 of 160 uur. Dit suggereert dat magnesiumstearaat het meeste - maar niet al het (hydraat)water verliest als het langere tijd onder droge en hete omstandigheden wordt opgeslagen. Voor volledige dehydratatie lijkt een temperatuur van 50°C echter niet voldoende.
Conclusie
Kinetische evaluatie door toepassing van NETZSCH Kinetics Neo biedt de mogelijkheid om een wiskundig model te bepalen dat het experimentele gedrag van monsters tijdens thermische behandeling beschrijft. Hoewel het een formele beschrijving is voor technische doeleinden en meestal niet het volledige chemische mechanisme achter het proces weergeeft, kan het waardevolle aanwijzingen geven over wat er in het monster gebeurt. Met betrekking tot dehydratieprocessen stelt dit ons in staat om eenvoudig te bepalen welk temperatuurprofiel het meest veelbelovend lijkt - en dit alles zonder een omslachtige trial-and-error-benadering.