Granulometria ou energia superficial? Identificando a verdadeira causa dos problemas de escoamento de pós

Energia superficial e fluxo de pós: por que o estudo com D-manitol e iGC SEA merece atenção

O comportamento de fluxo de pós ainda é, em muitos laboratórios e plantas farmacêuticas, tratado quase como uma “caixa-preta”. Ajustam-se granulometrias, umidades, condições de compressão, mas a química de superfície das partículas continua sendo um ponto frequentemente negligenciado — mesmo sendo um dos fatores mais críticos para coesão, formação de aglomerados e estabilidade de processo.

O estudo com D-manitol usando o iGC SEA ( Inverse Gas Chromatography – Surface Energy Analyzer ) , em conjunto com o FT4 Powder Rheometer , mostra de forma clara como as distribuições de energia superficial se conectam diretamente à fluidez do pó . E, mais importante, revela como modificações químicas de superfície podem ser quantificadas e relacionadas ao desempenho real em processo.

o iGC SEA transforma “sensação de fluxo” em dados de energia superficial que explicam, justificam e ajudam a prever o comportamento de pós.

Do objetivo do estudo à realidade de quem trabalha com pós

O objetivo do estudo é direto e extremamente aplicável:

Relacionar a energia superficial (e sua heterogeneidade) de D-manitol com as propriedades de fluxo do pó, antes e depois de uma modificação química de superfície.

Em termos práticos, os autores medem “como é” a superfície do D-manitol em termos de energia dispersiva e ácido-base, realizam uma metilação/silanização nos grupos hidroxila expostos e comparam:

• como essa mudança aparece nos perfis de energia superficial medidos por iGC SEA

• e como ela se traduz em parâmetros de fluxo obtidos no FT4.

O D-manitol é um excelente modelo para a indústria: é um excipiente cristalino amplamente utilizado em comprimidos orais, mastigáveis e grânulos, sensível à morfologia e à umidade. Ou seja, não é um sistema artificial — é um material que efetivamente aparece na rotina de desenvolvimento farmacêutico.

Figura 1 Imagem SEM do D-manitol como recebido

Quando o tratamento de superfície muda o jogo: de hidrofílico heterogêneo a hidrofóbico homogêneo

No estudo, o D-manitol “AR” (sem tratamento) é submetido a uma reação com dicloro-dimetil-silano , que promove a metilação de grupos –OH expostos na superfície. Esses grupos hidroxila , naturalmente polares e hidrofílicos, são substituídos por –Si(CH₃)₂ , tornando a superfície mais hidrofóbica e menos polar.

Figura 2 Esquema da reação de metilação dos grupos hidroxila

Depois da reação, o material é lavado, seco e peneirado na mesma faixa granulométrica do pó original. Isso é fundamental: tamanho de partícula e distribuição granulométrica permanecem comparáveis , o que isola o efeito da química de superfície nas diferenças de fluxo.

Destaque importante: o estudo mostra que é possível melhorar a fluidez sem alterar drasticamente o tamanho de partícula — apenas ajustando a química de superfície.

Como o iGC SEA enxerga a superfície de um pó?

Em vez de trabalhar com superfícies planas idealizadas, o iGC SEA mede energia superficial em pós empacotados , tal como eles existem em processo.

A amostra (cerca de 2 g de D-manitol) é empacotada em uma coluna de vidro silanizada, formando um leito de partículas. Sobre esse leito, o equipamento injeta:

• alcanos , responsáveis por sondar a componente dispersiva da energia superficial (γᴰ)

• e sondas polares , que permitem determinar a componente específica ácido-base (γᴬᴮ).

O diferencial está no controle da cobertura de superfície (n/nₘ) . Ao variar a quantidade de moléculas sonda que interagem com a amostra, o iGC SEA gera perfis de energia em função da cobertura de superfície . Isso produz uma verdadeira “ mapa de heterogeneidade energética ” da superfície do pó.

Em vez de um único valor médio, o resultado é uma distribuição de energias — mostrando onde a superfície é mais ativa, mais polar, mais coesiva.

A componente dispersiva pode ser obtida pelo método de Dorris e Gray , enquanto a parte específica ácido-base é calculada a partir da energia livre de adsorção de sondas polares, com base em parâmetros de acidez e basicidade de Lewis. Tudo isso é processado pelo software dedicado do iGC SEA.

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Mudanças de fluxo podem ser explicadas só por tamanho de partícula?

Um dos pontos fortes desse estudo é demonstrar que não . Mesmo mantendo uma faixa de tamanho de partícula controlada, o comportamento de fluxo muda de forma significativa quando se altera a química de superfície do D-manitol.

O D-manitol AR apresenta um perfil de energia nitidamente heterogêneo : a componente dispersiva γᴰ varia em uma faixa ampla (cerca de 37,5 a 52,6 mJ/m²), e a contribuição ácido-base é mais elevada, com maior razão γᴬᴮ/γᵀ. Em termos práticos, isso representa uma superfície mais polar, mais molhável e com sítios de alta energia , que tendem a favorecer coesão e formação de pontes sólidas ou líquidas.

Figura 3 Perfis de energia superficial dispersiva em função da cobertura de superfície

Já o D-manitol silanizado mostra uma superfície muito mais homogênea , com γᴬᴮ médio em torno de 1,6 mJ/m² e uma razão γᴬᴮ/γᵀ baixa, típica de materiais hidrofóbicos e pouco polares . Esses dados indicam uma superfície com menos sítios fortemente energéticos e comportamento mais uniforme em adsorção e interação partícula–partícula.

Figura 4 Perfis de energia superficial ácido-base

Figura 5 Perfis de molhabilidade (γAB / γT) em função da cobertura de superfície

Conclusão prática: mesmo sem mexer na granulometria, a redução da polaridade e da heterogeneidade energética leva a um pó menos coesivo e mais previsível.

Como quantificar o efeito de um tratamento de superfície?

Aqui o iGC SEA mostra seu maior valor para técnicos e pesquisadores: ele permite quantificar, com números e perfis , o impacto de um tratamento de superfície.

Antes da metilação, os perfis de energia de D-manitol exibem ampla heterogeneidade e alta contribuição ácido-base. Depois da silanização, os mesmos perfis se “estreitam”, com menor variação de γᴰ e queda significativa em γᴬᴮ.

Essa comparação de perfis antes e depois do tratamento torna possível responder perguntas como:

• O tratamento reduziu a polaridade de fato ou apenas “limpou” a superfície?

• A superfície ficou mais homogênea ou surgiram novos sítios de alta energia?

• Diferentes reagentes ou condições de reação levam ao mesmo efeito energético?

Para desenvolvimento e otimização de rotas de processo, isso significa sair da tentativa-e-erro e entrar em um regime de engenharia orientada a dados de superfície .

Como conectar energia superficial e fluxo de pó na prática?

Para transformar esses dados em linguagem de processo, o estudo utiliza o FT4 Powder Rheometer , medindo:

• Basic Flowability Energy (BFE) – energia necessária para deslocar o pó em um fluxo padrão

• Energia aerada – o comportamento do pó sob passagem de ar

• Stability Index – o quanto a resposta muda ao repetir o teste

• Consolidation Index – a sensibilidade à consolidação

• Wall friction angle – o atrito do pó com superfícies sólidas típicas de equipamentos

Os resultados são bastante ilustrativos:

• O D-manitol AR apresenta BFE em torno de 333 mJ, energia aerada mais alta e comportamento instável em baixas velocidades de ar, além de um CI mais elevado e ângulo de atrito com parede ligeiramente maior. Tudo isso aponta para um material mais coesivo e mais sensível às condições de manuseio .

• O D-manitol silanizado , por outro lado, tem BFE reduzida para cerca de 87,7 mJ, energia aerada menor, CI mais baixo e ângulo de atrito ligeiramente reduzido, caracterizando um pó claramente mais livre-fluxo e menos sujeito a problemas de consolidação e escoamento .

Figura 6 Energia de fluxo em função da aeração medida no reômetro de pós FT4

Em paralelo, a partir dos valores de energia superficial, é possível estimar o trabalho termodinâmico de coesão . Os dados mostram que o material com superfície mais heterogênea e polar (AR) apresenta maior coesão , exatamente em linha com o que o FT4 mede em termos de fluxo.

Figura 7 Trabalho termodinâmico de coesão em função da cobertura de superfície

Ponto-chave: a ponte entre iGC SEA e FT4 é construída pela coesão termodinâmica — e ela fecha o ciclo entre química de superfície e desempenho em equipamento real.

É possível prever problemas de fluxo a partir de medidas de energia?

O estudo aponta que sim, especialmente quando se observa:

• Perfis de energia superficial amplos e heterogêneos , que tendem a indicar maior coesividade

• Contribuições ácido-base elevadas , sugerindo superfícies mais polares e mais propensas à adsorção de umidade ou formação de interações específicas

Materiais com esse tipo de assinatura energética têm maior probabilidade de apresentar:

• instabilidades em funis e silos

• dificuldade de enchimento de matrizes e cápsulas

• variabilidade de fluxo entre lotes aparentemente “iguais” em granulometria

Por outro lado, superfícies mais homogêneas e menos polares tendem a se comportar como pós mais “fáceis” do ponto de vista reológico , desde que demais variáveis (distribuição de tamanho, forma, densidade) estejam sob controle.

Tratamentos para melhorar o fluxo são realmente eficazes?

Uma dúvida recorrente na prática é se tratamentos propostos para “melhorar fluxo” de fato entregam o que prometem. O estudo com D-manitol dá um exemplo de como responder isso de forma objetiva:

1. Mede-se a superfície antes e depois com iGC SEA, observando as mudanças em γᴰ, γᴬᴮ, γᵀ e nos perfis de heterogeneidade.

2. Compara-se o comportamento de fluxo antes e depois com FT4 (BFE, CI, energia aerada, atrito de parede).

3. Verifica-se se a redução de coesão e a melhora em fluxo correspondem às alterações de energia superficial esperadas.

No caso da silanização do D-manitol, a resposta é clara: a modificação de superfície realmente entrega um pó mais livre-fluxo e com comportamento mais estável , em resposta direta à redução da polaridade e à homogeneização energética.

Com esse tipo de abordagem, decisões sobre tratamentos de superfície deixam de ser “sensação de bancada” e passam a ser justificadas por métricas quantitativas .

Por que o iGC SEA interessa a quem desenvolve formulações e processos?

Para técnicos, pesquisadores e engenheiros que lidam com pós farmacêuticos, alimentícios, cerâmicos ou químicos, o estudo mostra que o iGC SEA:

• permite enxergar a superfície de forma distribuída , e não apenas por valores médios

• ajuda a explicar diferenças de fluxo entre lotes , rotas de síntese ou condições de secagem

• dá base para projetar tratamentos de superfície, coatings e blends orientados a metas de fluxo específicas

• complementa de forma poderosa técnicas reológicas como o FT4, criando um quadro completo do material

Em resumo: o iGC SEA transforma a energia superficial em uma variável de projeto, não apenas em um dado de caracterização.

Conclusão: da caixa-preta ao controle fino de superfície

O estudo com D-manitol demonstra, com um caso real de excipiente, que:

• Superfícies energéticas heterogêneas e polares tendem a gerar pós mais coesivos e instáveis.

• Modificações químicas de superfície podem ser caracterizadas e quantificadas pelo iGC SEA, e seus efeitos avaliados diretamente em termos de fluxo com FT4.

• A combinação dessas duas ferramentas permite sair de um cenário de tentativa-e-erro e avançar para formulação e engenharia de processo baseadas em energia superficial , com impacto direto em robustez, escalonamento e desempenho industrial.

Para quem vive no mundo dos pós, esse tipo de abordagem não é apenas academicamente interessante — é uma forma concreta de reduzir risco, ganhar previsibilidade e encurtar o caminho entre desenvolvimento e produção .

Veja estudo completo: https://dafratec.com/storage/file/Case%20Study%20611%20D-Mannitol%20Flowability.pdf

Perguntas frequentes sobre o estudo com D-mannitol e o iGC SEA

1. O que o estudo com D-mannitol pretendeu demonstrar?

O principal objetivo foi relacionar a energia superficial e sua heterogeneidade com as propriedades de fluxo de pós, mostrando como modificações químicas influenciam o comportamento do material.

2. Por que a energia superficial é importante em pós farmacêuticos?

Porque ela influencia diretamente a coesão, a molhabilidade e a formação de aglomerados, impactando a fluidez, a compressão e o enchimento de cápsulas ou matrizes.

3. Como o iGC SEA mede a energia superficial de um pó?

O equipamento injeta moléculas sonda sobre um leito de partículas empacotadas e calcula a energia de adsorção, gerando perfis de energia dispersiva e ácido-base em função da cobertura de superfície.

4. Qual a diferença entre D-mannitol AR e silanizado?

O D-mannitol AR apresenta uma superfície polar e heterogênea, enquanto o silanizado, após metilação, se torna hidrofóbico e energeticamente mais homogêneo, resultando em melhor fluidez.

5. O que representa o parâmetro γAB/γT mostrado nas análises?

É a razão entre a componente ácido-base e a energia total da superfície. Valores menores indicam menor polaridade e maior hidrofobicidade, o que melhora o escoamento do pó.

6. Como o FT4 Powder Rheometer complementa as análises do iGC SEA?

O FT4 mede propriedades de fluxo dinâmico, como energia de escoamento e atrito, permitindo correlacionar a química de superfície medida pelo iGC SEA com o comportamento real do pó em processo.

7. Quais conclusões práticas o estudo trouxe para a indústria?

Mostrou que ajustar a química de superfície pode melhorar o fluxo de pós sem alterar a granulometria, e que o iGC SEA permite prever e controlar esses efeitos de forma quantitativa.