background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 1 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Vortex formation 

A strong circulatory flow pattern sometimes manifests into formation of 
a vortex near the impeller shaft. Vortex can be formed when 

  Shaft is placed symmetrically in the tank. 

  Blades in the turbines are arranged perpendicular to the central shaft. 

  At high impeller speeds 

  In unbaffled tanks 

 

  Vortex formation reduces mixing intensity by reducing velocity of 

the impeller relative to the surrounding fluid. 

  When vortex reaches the impeller, air from the surface of the liquid 

are drawn and air bubbles are produced

  Air bubbles in the fluid can create uneven loading of the impeller 

blades. 

  Entrapped air causes oxidation of the substances in certain cases. 

Prevention of vortex formation

 

1.  Impeller should in in any one of the position that can avoid 

symmetry such as off central, inclined, side entering, etc., and 
should be deep in the liquid . 
 

 

 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 2 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

2.  Baffled containers should be used. In such case impeller can be 

mounted vertically at the center

 

3.  Two  or  more  impellers  are  mounted  on  the  same  shaft  where 

greater  depth  is  required.  This  system  is  known  as  push  and  pull 
mechanism.  The  bottom  impeller  is  placed  about  one  impeller 
diameter  above  the  bottom  of  the  tank.  It  creates  zone  of  high 
turbulence. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  Tank other than cylindrical in shape are used to prevent vortex 

formation. However, such shapes may facilitate the formation of 
dead spots 

 

Return flow with Draft tubes 

 

  Draft tubes are placed to control the direction and velocity of the 

flow to the impeller. 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 3 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  These are mounted  around the propeller. In case of turbines, draft 

tubes are mounted immediately above the impeller. 

  Draft tubes are fitted to equipment used in the manufacture of certain 

emulsions.  

  When solid particles tend to float on the surface of the liquid, they 

are dispersed using draft tubes.  

  Air jet mixers of continuous mixing of liquids employ draft tubes. 

  Draft tubes add to the fluid friction in the system. These reduce rate 

of flow. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Factors influencing mixing of liquids in tanks 

1.  Material related factors- 

  Properties of liquids: physical properties of materials to be mixed. 

         e.g.: Density, Viscosity and miscibility. 

2.  Equipment related factors- 

  Shape  of  impeller:  Propeller  type,  straight,  vertical,  curved,  or 

pitched. 

  Position  of  impeller:  Central,  off-center,  side  entry,  vertical  or 

inclined etc., 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 4 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  Shape  and  size  of  the  container:  cylindrical  or  other  geometric 

forms. Presence or absence of baffles. 

  Cost of equipment and its maintenance. 

3.  Process related factors 

  Speed of rotation of the impeller. 
  Time required for mixing. 
  Amount of power that can be expended. 
  Ease of operation. 
  Batch size. 

Equipment for Liquid mixing 

1.  Air jet mixer 

Principle: 

  When  compressed  air  jets  are  passes  from  the  bottom  of  a  vessel,  air 
bubbles are formed in the liquid phase. The buoyancy of the bubbles lifts 
the liquids, which are confines to the central portion due to the presence 
of drat tubes. The liquids flow down from the periphery of the vessel and 
enter from the bottom due to suction effect. 

Construction: 

Compresses  air  or  suitable  gas  is  allowed  to  pass  at  high  pressure  from 
the inlet provided at the bottom of the tank. This causes buoyancy of the 
bubbles which lifts the liquid rom bottom to the top of the vessel. 

 

 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 5 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

2.Jet mixer  

  It consists of a vessel and a mixing device known as Jet. 
  A typical jet-mixing system has 12 jets arranged radially in a cluster 

in the centre of the mixing tank. The cluster of jets is called an eddy 
jet mixer.  

  An individual jet has two concentric nozzles with a suction chamber 

between them.  

  It consists of a vessel and a mixing device known as Jet. 
  A typical jet-mixing system has 12 jets arranged radially in a cluster 

in the centre of the mixing tank. The cluster of jets is called an eddy 
jet mixer.  

  An individual jet has two concentric nozzles with a suction chamber 

between them. 

 

 

 

 

 

 

 

 

  The tank contents are pumped through the top of the mixer to the 

primary nozzles. Then, after passing through the common suction 
chamber, the 12 streams of fluid are discharged into the tank through 
the secondary nozzles. 

  As the pressurized fluid flows through the primary nozzle and into 

the chamber, it creates a suction because of its high velocity-typically 
6-10 m/s for low-shear mixing and 10-20 m/s for high shear.  

  This suction draws fluid from the tank into the chamber, where the 

large velocity difference causes intense mixing . 

  The mixed fluid is then expelled from the jet through the secondary 

nozzle. This forms a cone that entrains the surrounding liquid, and a 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 6 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

plume that spreads horizontally before rising to the surface. The 
plume imparts most of its energy to the fluid in its path, causing 
circulation and mixing throughout the tank. Mixing in the tank is less 
intense than in the suction chamber. 

 

  Jet mixers tend to be used in situations that require turbulence, rapid 

approach to homogeneity, and high local shear rates. 

  Jet mixing is normally used for liquids and slurries having viscosities 

below 1,000 mp; a mechanical agitator is generally more efficient for 
higher-viscosity fluids.  

  Mainly useful for processes of liquid blending. e.g., neutralization or 

extraction. 

3.Flow mixer or line mixer or pipe mixer 

  It may consist a baffled pipe or an empty chamber. 

  Liquids to be mixed are passed through the pipe/ chamber. 

  Mixing takes place through bulk transport in the direction of flow. 

  The power supplied to pump the liquid itself accomplishes mixing. 

  For effective mixing controlling the feed rate is essential 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 7 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

 

 

If the input rate is difficult to control and fluctuations in the added 
proportions of the liquids are unavoidable, continuous mixing 
equipment of tank type is preferable, because hold-up of the liquids 
and back flow or recirculation is possible

  Used when large volume of liquids are to be mixed. 
  Used for continuous mixing. 

Mixing of immiscible Liquids 

Carried mainly in the manufacture of emulsions, and the equipment 
used for the preparation of an emulsion is known as emulsifier. Also 
known as homogenizer as it results in fine emulsion. Fine emulsion is 
prepared in 2 stages. 

  In 1

st

 stage coarse emulsion is prepared by using one of the following 

process:- 

–  Hand homogenizer 

–  Porcelain mortar and pestle 

–  Milk shake mixer 

–  Propeller in a baffled tank 

Sometimes the above equipment directly gives fine emulsion. 

  Otherwise coarse emulsion is subjected to homogenizer in the 2

nd

 

stage to get fine emulsion by using following  process:- 

–  Silverson emulsifier 

–  Colloidal mill 

–  Rapisonic homogenizer 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 8 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Silverson mixer –Emulsifier 

Principle: 

  It produces intense shearing forces and turbulence by use of high 

speed rotors. 

  Circulation of material takes place through the head by the suction 

produced in the inlet at the bottom of the head. 

  Circulation of the material ensures rapid breakdown of the dispersed 

liquid into smaller globules. 

  It consists of  long supporting columns and a central portion. Central 

portion consists of a shaft which is connected to motor at one end and 
other to the head. 

  Head carries  turbine blades. 
  Blades are surrounded by a mesh, which is further enclosed by a cover 

having openings. 

 

 
 
Colloid mill
 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 9 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

 

 

 

 

 

 

DESCRIPTION 

The  colloidal  mill  is  used  in  the  reduction  of  the  particles  or  solid 
materials which are present in the suspensions or emulsion. The shearing 
is the mechanism in the colloidal mill. By the stator and the rotor present 
in the cylindrical vessel of the colloidal mill the shearing take place and 
the reduction of the particles takes place. 

Basic parts 

  It consists of an inlet hopper which is used to feed the material into the 

mill. 

  It consists of a rotor and stator which are used to reduce the particles 

size by applying the shearing force. 

  It  consists  of  an  outlet  which  is  used  to  discharge  the  reduced 

particles. 

Construction 

  A  colloidal  mill  consist  of  a  high  speed  rotor  and  a  stator  with  a 

conical  milling  surfaces  between  which  is  an  adjustable  clearance 
ranging from 0.002 to 0.03 inches. 

  The  rotor  speed  is  3000  to  20000rpm.  The  material  to  be  ground 

should  be  pre  milled  as  finely  as  possible  to  prevent  damage  to  the 
colloidal mill. 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
10
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  Rotors and the stator may be smooth surfaced or rough surface. With 

the rotor and the stator there is a thin uniform film of material between 
them and it is subjected to the maximum amount of shear. 

  Rough  surfaced  mill  add  intense  eddy  current,  turbulence  and  the 

impaction of the particles to the shearing action.  

Principle 

  Colloidal mill works on the principle of rotor-stator. 
  The  size  reduction  is  affected  due  to  shearing,  when  the  material  is 

passed between the narrow gap of milling surfaces of rotor and stator. 
A  rotor  turns  at  high  speeds  of  3000  -  20000rpm.  The  high  levels  of 
hydraulic  shear  applied  to  the  process  liquid  disrupt  structures  in  the 
fluid.  Colloid  mills  are  frequently  used  to  increase  the  stability  of 
suspensions, emulsions and can also be used to reduce the particle size 
of solids in suspensions. 

  Higher shear rates leads to smaller droplets of 1 micron. Based on a 

rotor  rotating  at  high  speed  and  very  close  to  a  conical  stator,  the 
particle  size  is  done  by  modifying  the  gap  between  the  rotor  and  the 
stator. 

ADVANTAGES 

  High throughput with excellent grinding result. 
  Infinitely  adjustable  gap  settings  between  rotor/stator  for  control  of 

particle size reduction 

  Suitable for products of high viscosity range. 
  Capable of operation under pressures up to 16 bar. 
  High-value seal with wear-resistant materials. 
  High quality surface finishes for easy cleaning. 
  Other materials and finishes are available upon request 
  Machine is self-draining. 
  Low noise levels. 

DISADVANTAGES 

  Requires high power for the running of the colloidal mill. 
  Using of wet materials. 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
11
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Ultrasonic Emulsifiers – Rapisonic homogenizer 

Principle: 

  Application  of  intense  vibration  by  causing  equipment  producing 

sonic  or  ultrasonic  frequencies,  can  affect  vibration  in  some  cases 
causing  emulsification  and  in  others  resulting  in  coalescence  of  an 
emulsion.  While  sonic  frequencies  are  from  15  to  20,000  /s, 
ultrasonic  frequencies  are  above  20,000  /s.  ultrasonic  frequencies 
break  up  a  liquid  into  globules  by  cavitation  method  i.e.,  when  a 
liquid  is  subjected  to  ultrasonic  vibrations  alternate  regions  of 
compression and rarefaction are produced in the liquid. 

  Cavities are formed in the regions of rarefaction which subsequently 

collapse in the regions of compression. Which results great forces for 
emulsification. 

Construction: 

  It consists of a pump driven by a motor. It is connected to inlet tube 

and an out let tube. 

  Head consists of a flat jet for liquid inlet. Facing the jet, a thin blade 

is present which vibrates at its natural frequency. 

 

 

  Can  be  used  for  batch  process  (by  placing  it  in  a  tank)  or  for 

continuous process (by placing it in a pipeline). 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
12
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  It has the capacity to produce dispersed globules of one micron size. 
  As  this  method  is  highly  efficient  to  decrease  globule  size,  reduced 

concentration of emulgents is sufficient. 

  Its capacity of mixing liquids ranges from 20 - 500 liters per minute. 
  It  is  suitable  for  thermolabile  substances  since  heat  is  not  generated 

during mixing 

  It is useful only for low viscous liquids. 

II-Solid-Solid Mixing (Powder mixing)  

In  pharmaceutical  production  when  the  formulation  contains  an  active 
ingredient, which is toxic or is present in a concentration of about 0.5% 
of the total mass then the mixing of solids becomes a critically important 
operation.  Product  with  too  low  an  active  ingredient  will  be  ineffective 
and a product with too high active ingredient may be lethal.  

  To  provide  good  solid  mixing  the  phenomenon  to  be  avoided  or 

overcome  is  the  tendency  of  the  particles  to  segregate.  Segregation 
occurs when a system contains particles with different sizes, densities, 
etc.  and  motion  can  cause  particles  to  preferentially  accumulate  into 
one area over another.  

  Powder  mixing  is  a  process  in  which  two  or  more  than  two  solid 

substances are intermingled in a mixer by continuous movement of the 
particles. Mainly, the object of mixing operation is to produce a bulk 
mixture  which  when  divided  into  different  doses,  every  unit  of  dose 
must contain the correct proportion of each ingredient. The degree of 
mixing will increase with the length of time for which mixing is done.  

  Powder  mixing  is  a  neutral  type  of  mixing.  It  is  one  of  the  most 

common  operations  employed  in  pharmaceutical  industries  for  the 
preparation  of  different  types of  formulations, e.g.  powders, capsules 
and tablets. When grinding and mixing of different substances is to be 
done simultaneously then two or more than two substances are fed to 
the mill one at the same time.  

  The  ease  with  which  different  powders  blend  to  a  reasonably 

homogeneous  mix  varies  considerably,  being  dependent  on  various 
physical properties of the individual components and on their relative 
proportions.  It  is  easier  to  mix  equal  weights  of  two  powders  of 
similar fineness and density than to incorporate a small proportion of a 
fine powder in a large mass of a coarse denser material.  


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
13
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  Apart from density and particle size, the stickiness of the components 

to be mixed is also important. Prolonged mixing becomes necessary to 
effectively distribute materials like lubricants and wetting agents into 
tablet granules.  

  Also  wide  differences  among  properties  such  as  particle  size 

distribution, shape and surface characteristics such as surface area and 
electrostatic charges may take blending very difficult.  

  Flow  characteristics  such  as  angle  of  repose  and  ability  to  flow, 

abrasiveness of one ingredient upon the other, state of agglomeration 
of  the  ingredients,  moisture  or  liquid  content  of  the  solids,  density, 
viscosity  and  surface  tension  at  operating  temperature  of  any  liquid 
added,  are  some  other  significant  considerations  in  mixing  and 
selection of mixing equipments. In fact the properties of the blending 
ingredients dominate the mixing operation. 

  A large number of shape factors have been defined and used in studies 

of  multiparticulate  solids  systems.  A  typical  example  is  that  of  a 
surface shape factor, α

s

, defined by the expression: 

 

The  total  surface  area  of  the  powder  is  S,  having    Ni  particles  of 
projected diameter di. Powders whose particles are highly irregular in 
shape generally exhibit large values of α

s

.

 

The value for α

s

 can be seen 

to  increase  substantially  as  the  particles  become  more  angular  and 
deviate from a spherical shape. 

Forces Acting in Multiparticulate Solids Systems.  

  The  forces that operate at a particulate level during the mixing process 
are essentially of two types: (1) those that tend to result in movement of 
two adjacent particles or groups of particles relative to each other and (2) 
those that tend to hold neighboring particles in a fixed relative position.   

  In  the  first  category  are  forces  of  acceleration  produced  by  the 

translational and rotational movements of single particles. or groups 
of  particles.  Such  motion  can  result  either  from  contact  with  the 
mixer surfaces or from contact with other particles. In either case, the 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
14
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

efficiency of momentum transfer is highly dependent on the elasticity 
of  the  collisions.  In  general,  much  more  rapid  and  efficient 
interchange  of  momentum  would  be  expected  if  loss  by  inelasticity 
was minimal. 

  Included  in  the  second  category  of  forces  namely  those  that  resist 

particulate  movement,  are  interparticulate  interactions  associated 
with  the  size,  shape,  and  surface  characteristics  of  the  particles 
themselves.  Powders  that  have  high  "cohesive"  forces  due  to 
interaction  of  their  surfaces  can  be  expected  to  be  more  resistant  to 
intimate  mixing  than  those  whose  surfaces  do  not  interact  strongly. 
Factors  that  influence  this  type  of  interaction  are  surface  polarity, 
surface charge, and adsorbed substances such as moisture. 

Mixing Mechanisms. 

  It  has  been  generally  accepted  that  solids  mixing  proceeds  by  a 
combination of one or more mechanisms. 

1. Convective mixingThis mechanism may be regarded as analogous to 
bulk transport as discussed in connection with fluids mixing. Depending 
on  the  type  of  mixer  employed,  convective  mixing  can  occur  by  an 
inversion of the powder bed, by means of blades or paddles, by means of 
a  revolving  screw,  or  by  any  other  method  of  moving  a  relatively  large 
mass of material from one part of the powder bed to another. 

2.  Shear  mixing.  As  a  result  of  forces  within  the  particulate  mass,  slip 
planes  are  set  up.  Depending  on  the  flow  characteristics  of  the  powder, 
these  can  occur  singly  or  in  such  a  way  as  to  give  rise  to  laminar  flow. 
When shear occurs between regions of different composition and 'parallel 
to  their  interface,  it  reduces  the  scale  of  segregation  by  thinning  the 
dissimilar layers. Shear occurring in a direction normal to the interface of 
such layers is also effective since it too reduces the scale of segregation. 

3. Diffusive mixing. Mixing by "diffusion" is said to occur when random 
motion of particles within a powder  bed  causes them  to change position 
relative to one another. Such an exchange of positions by single particles 
results  in  a  reduction  of  the  intensity  of  segregation.  Diffusive  mixing 
occurs  at  the  interfaces  of  dissimilar  regions  that  are  undergoing  shear 
and therefore results from shear mixing. It may also be produced by any 
form of agitation that results in interparticulate motion. 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
15
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

General notes  

  The  mixing  of  particles  whose  surfaces  are  nonconducting 

(electrically)  often  results  in  the  generation  of  surface  charges,  as 
evidenced by a tendency of the powder to clump following a period of 
agitation.  Surface  charging  of  particles  during  mixing  is  undesirable, 
for it tends to decrease the process of interparticulate "(diffusion.)" 

  Charging of powder beds and the undesirable effects it produces can 

be prevented or reduced in many cases by surface treatment, which is 
usually  accomplished  by  adding  small  amounts  of  surfactants  to  the 
powder,  thereby  increasing  the  conductivity  of  the  surface.  The 
problem can also-be solved in some cases by mixing under conditions 
of increased humidity (above 40%). 

Segregation  

particulate  solids  tend  to  segregate  by  virtue  of  differences  in  the  size, 
density,  shape,  and  other  properties  of  the  particles  of  which  they  are 
composed.  The  process  of  segregation  occurs  during  mixing  as  well  as 
during  subsequent  handling  of  the  completed  mix,  and  it  is  most 
pronounced with free-flowing powders.  

  Powders  that  are  not  free-flowing  or  that  exhibit  high  forces  of 

cohesion  or  adhesion  between  particles  of  similar  or  dissimilar 
composition  are  often  difficult  to  mix  owing  to  agglomeration.  The 
clumps of particles can be broken down in such cases by the use of 
mixers  that  generate high  shear forces or that subject  the powder to 
impact.  When  these  powders  have  been  mixed,  however,  they  are 
less  susceptible  to  segregation  because  of  the  relatively  high 
interparticulate  forces  that  resist  interparticulate  motion  leading  to 
unmixing. 

Physical properties affecting mixing 

1.  Material  density:  If  the  components  are  of  different  density,  the 

denser material will sink through the lighter one, the effect of which 
will depend on the relative positions of the material in the mixer. If 
the denser particles form the lower layer in a mixture at the start of a 
mixing operation, the degree of mixing will increase gradually until 
equilibrium  is  attained,  not  necessarily  complete  mixing.  If  the 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
16
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

denser  component  is  above,  the  degree  of  mixing  increases  to  a 
maximum,  then  dropping  to  equilibrium  as  the  denser  component 
falls  through  the  lighter  one,  so  that  segregation  has  started.  This 
factor is of practical significance in charging and operating a mixer. 

2.  Particle  size:  Variation  in  particle  size  can  lead  to  segregation  also 

since smaller particles can fall through the voids between the larger 
particles. There will be a critical particle size that can just be retained 
in the  mixed  condition, which  will depend  upon the  packing. When 
the  bed  of  the  particles  is  disturbed,  dilation  occurs  and  the  greater 
porosity  of  open  packing  allows  a  large  size  of  particle  to  slip 
through the voids, leading to segregation. 

3.  Particle  shape:  The  ideal  particle  is  spherical  in  shape,  and  further 

the  particles  depart  from  this  theoretical  form,  the  greater  the 
difficulty of mixing. If the particles are of irregular shapes, then they 
can  become  interlocked  leading  to  a  decrease  in  the  risk  of 
segregation once mixing has been achieved. 

4.  Particle attraction: Some  particles  exert attractive  forces;  this  may 

be due to adsorbed liquid films or electrostatic charges, such particles 
tending  to  aggregate.  Sine  these  are  surface  properties,  the  effect 
increases as particle size decreases.  

5.  Proportions of materials to be mixed :The proportions of materials 

to be mixed play a very important role in powder mixing. It is easy to 
mix  the  powders  if  they  are  available  in  equal  quantities  but  it  is 
difficult  to  mix  small  quantities  of  powders  with  large  quantities  of 
other  ingredients  or  diluents.  The  practical  method  for  mixing  such 
quantities  is  that  the  component  present  in  lesser  amount  is  mixed 
with an equal amount of the diluent, then a further amount of diluent 
is incorporated which is almost equal to previous quantities and so on 
until  whole  of  the  diluent  has  been  added.  This  method  is  followed 
for  mixing  potent  substances  with  diluents.  When  more  than  two 
components  are  to  be  mixed,  they  should  always  be  mixed  in 
ascending  order  of  their  weights  so  as  to  ensure  uniform  mixing  of 
the ingredients. 

Conditions for mixing 

The  theory  of  powder  mixing  shows  four  conditions  that  should  be 
observed in the mixing operation. 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
17
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

1.  Mixer volume: The mixer must allow sufficient space for dilation of 

the  bed.  Overfilling  reduces  the  efficiency  and  may  prevent  mixing 
entirely. 

2.  Mixing  mechanism:  The  mixer  must  apply  suitable  shear  forces  to 

bring  about local  mixing  and  a  convective  movement  to  ensure  that 
the bulk of the material passes through this area. 

3.  Mixing  time:  Mixing  must  be  carried  out  for  an  appropriate  time, 

since  the  degree  of  mixing  will  approach  its  limiting  equilibrium 
value asymptotically. Hence, there is an optimum time for mixing for 
any  particular  situation,  one  should  also  note  that  the  equilibrium 
condition  may  not  represent  the  best  mixing  if  segregation  has 
occurred. 

4.  Handling  the  mixed  powder  :When  the  mixing  operation  is 

completed, the mixer should stop and the powder should be handled 
in such a way that segregation is minimized. The vibration caused by 
subsequent manipulation, transport, handling or use is likely to cause 
segregation.  Therefore,  a  bulk  powder  that  has  been  stored  or 
transported  should  be  re-mixed  before  removing  a  part  of  the 
contents. 

Equipment 

A  wide  variety  of  equipment  is  used  in  different  industries.  In  some 
machines  the  container  rotates.  In  others  a  device  rotates  within  a 
stationary container. In some cases, a combination of rotating container 
and  rotating  internal  device  is  used.  Sometimes  baffles  or  blades  are 
present in the mixer.  

  For mixing of powders or a powder with a small quantity of a liquid 

where  a  constituent  is  cohesive  or  sticky,  the  material  tends  to 
agglomerate  into  balls.  Under  these  conditions  agitation  mixers  are 
more satisfactory than tumbling mixers. They consist essentially of a 
stationary shell with a horizontal or vertical agitator moving inside it. 
The  agitator  may  take  the  form  of  blades,  paddles  or  screw. 
Sometimes agglomerates are desired as in the case of some foods and 
pharmaceuticals.  

  Mixing  is  sometimes  achieved  by  feeding  two  or  more  materials 

simultaneously  to  a  mill,  such  as  ball  mill,  if  both  require  grinding. 
For  fine,  dry  powders  the  use  of  a  screw  conveyor  often  gives 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
18
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

satisfactory  mixing  while  transporting  the  material  and  hence  no 
additional equipment or power is needed for mixing. 

Criteria: 

1.  Powder bed should not be filled for more than 60% 

2.  Particles should be subjected to movement in three directions 

3.  Shearing force should be sufficient to prevent aggregation. 

4.  There should be no centrifugal effect 

5.  Forces should not cause breakage of the particles. 

6.  The mixing process should be stopped abruptly. 

Classification of equipment for solid mixing 

  Based on flow properties: 

1.  Free flowing solids: e.g.: V cone blend , Double cone blender 
2.  Cohesive solids: e.g.: Sigma blender, Planetary mixer 
  Based on scale of mixing: 
1.  Batch type(small scale): 

e.g.:  Mortar  and  pestle,  V  cone  blender,  Double  cone  blender, 
Ribbon blender, Sigma blender, Planetary paddle, Fluidized mixer 

2.  Continuous type(large scale):  e.g.: barrel type, zigzag type 

Tumblers or cylindrical blenders  with no mixing blade 

  Meant for dry powders 
  Equipment consists of a container of any geometric form. 
  Container is mounted on special roller so that it can be rotated about 

any axis. 

  Edge of 27 degrees is good for mixing. 
  Efficiency    of  a  tumbler  mixer  highly  depends  on  the  speed  of 

rotation. It should be critical and optimum. 

  Slow rotation- no intense tumbling, No cascade motion, Not enough 

shear rates are applied. 

  Rapid rotation-sufficient centrifugal action to the powder to the side 

of the mixer, more dusting and segregation of fines is possible. 

  Rate of rotation depends upon size , shape of the tumbler and nature 

of the material to be mixed. Common range is 30-100rpm. 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
19
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  Mixing is done by tumbling motion, which is accentuated by virtue 

of the shape of the container. 

1.  Twin shell blender or V cone blender 

  It is V shaped and made up of stainless steel or transparent plastic. 
  Material is loaded through shell hatches and emptying is normally 

done through and apex port. 

  The material is loaded approximately 50-60% of the total volume. 
  Small models – 20 kg   , rotate at 35rpm 
  Large models – 1 ton, rotate at 15rpm 
  As the blender rotates , the material undergoes tumbling motion. 
  When  V  is  inverted,  the  material  splits  into  two  portions.  This 

process  of  dividing  and  recombining  continuously  yields  ordered 
mixing by mechanical means. 

 

 

2.  Double cone blender 

  It consists of double cone on rotating shaft. 
  It is usually used for small amount of powders. 
  It is efficient for mixing powders of different densities. 
  Material is loaded and emptying is done through the same port. 
  The rate of rotation should be optimum depending upon the size, 

shape of the tumbler and nature of the  material to be mixed. 

  The rate of rotation commonly ranges from 30-100rpm. 
  Mixing occurs due to tumbling motion. 

 

 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
20
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Advantages of V cone blender and double cone blenders:  

  If  fragile  granules  are  to  be  blended,  V  cone  blender  is  suitable 

because of minimum attrition. 

  They handle large capacities. 
  Easy to clean , load, and unload. 
  This equipment requires minimum maintenance. 

Disadvantages  of V cone blender and double cone blenders:  

  V cone blender needs high headspace for installation. 
  It is not suitable for fine particulate system or ingredients of large 

differences  in  the  particle  size  distribution,  because  not  enough 
shear is applied 

  If  powders  are  free  flowing,  serial  dilution  is  required  for  the 

addition of low dose active ingredients. 

Tumbling blenders with agitator mixing blades

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
21
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Advantages of tumblers with blades: 

  Baffles are useful for both wet and dry mixing. 
  Wide  range  of  shearing  force  can  be  applied  with  agitator  bars 

permitting  the  intimate  mixing  of  very  fine  as  well  as  coarse 
powders. 

  Serial  dilution  is  not  needed  when  incorporating  low-dose  active 

ingredients. 

Disadvantages of tumblers with blades: 

  Attrition is large, size reduction of friable particles results. 
  Cleaning  may  be  a  problem,  because  agitator  assembly  must  be 

removed  and  the  packing  should  be  replaced  for  a  product 
changeover 

  Potential packing (sealing) problems occur. 

Ribbon blender 

Principle:  

    Mechanism of mixing is shear. Shear is transferred by moving blades. 
High  shear  rates  are  effective  in  breaking  lumps  and  aggregates. 
Convective mixing also occurs as the powder bed is lifted and allowed to 
cascade  to  the  bottom  of  the  container.  An  equilibrium  state  of  mixing 
can be achieved. 

Construction: 

  Consists of horizontal cylindrical trough usually open at the top. It is 

fitted with two helical blades, which are mounted on the same shaft 
through the long axis of the trough. 

  Blades have both right and left hand twists.  
  Blades are connected to fixed speed drive. 
  It can be loaded by top loading and emptying is done through bottom   

 

 

 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
22
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

 

 

 

 

 

 

Uses: 

  Used for mixing of finely divided solids, wet solid mass, and plastic 

solids. 

  Uniform size and density materials can be easily mixed. 
  Used for solid – solid and liquid – solid mixing. 

Advantages of ribbon blender: 

  High  shear can  be applied by  using perforated baffles,  which  bring 

about a rubbing and breakdown aggregates.  

  Headroom requires less space. 

Disadvantages of ribbon blender

  It is a poor mixer, because movement of particles is two dimensional. 
  Shearing action is less than in planetary mixer. 
  Dead spots are observed in the mixer, though they are minimum. 
  It has fixed speed drive. 

Sigma blade mixer 

Principle  –  shear.  Inter  meshing  of  sigma  blades  creates  high  shear  and 
kneading action. 

Construction and working:  

  It consists of double tough shaped stationary bowl. 
  Two sigma shaped blades are fitted horizontally in each tough of the 

bowl. 

  These blades are connected to a fixed speed drive. 
  Mixer is loaded from top and unloaded by tilting the entire bowl. 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
23
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  The blades move at different speeds , one about twice than the other, 

which allows movement of powder from sides to centers. 

  The material also moves top to downwards and gets sheared between 

the blades and the wall of the tough resulting cascading action. 

  Perforated blades can be used to break lumps and aggregates which 

creates high shear forces. 

  The final stage of mix represents an equilibrium state. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uses of sigma blade mixer: 

  Used in the wet granulation process in the manufacture of tablets, pill 

masses and ointments, 

  It is primarily used for liquid – solid mixing, although it can be used 

for solid – solid mixing. 

Advantages of sigma blade mixer: 

  Sigma blade mixer creates a minimum dead space during mixing. 
  it has close tolerances between the blades and the sidewalls as well 

as bottom of the mixer shell. 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
24
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Planetary mixer 

Principle:  

     Mechanism  of  mixing  is  shear.  Shear  is  applied  between  moving 
blade  and  stationary  wall.  Mixing  arm  moves  around  its  own  axis  and 
around  the  central  axis  so  that  it  reaches  every  spot  of  the  vessel.  The 
plates  in  the  blades  are  sloped  so  that  powder  makes  an  upward 
movement to achieve tumbling action also. 

Construction: 

  Consists of vertical cylinder shell which can be removed. 
  The blade is mounted from the top of the bowl. 
  Mixing shaft is driven by planetary gear and it is normally built with 

variable speed drive. 

 

 

 

 

 

Uses : 

  Break down agglomerates rapidly. 
  Low speeds are used for dry blending and fast for wet granulation. 

Advantages: 

  Speed of rotation can be varied at will. 
  More useful for wet granulation process. 

Disadvantages: 

  Mechanical heat is buildup within the powder mix. 
  It requires high power. 
  It has limited size and is useful for batch work only. 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
25
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Air mixer or Fluidized mixer 

Principle: The air movement is used for mixing powders. Air is admitted 
at its base at an angle which gives tumbling action and spiral movements 
to the powder. Thus mixing is achieved. 

Construction: 

  It  consists  of  stationary  vessel  which  may  be  horizontal  or  vertical  

which is made up of stainless steel.  

  A  wire  mesh  is  placed  at  the  bottom  of  the    vessel  which  acts  as 

support for placing the materials. 

  Air is allowed from beneath the mesh and circulated by using a fan. 

 

Advantage  

  Reduced mixing time. 
  Mixing is intimate and efficient 
  Useful for drying and wet massing. 
  Also useful for coating with some modifications. 

Zigzag continuous blender 

Principle : 

  Material undergoes tumbling motion. 
  It is rotating shell type having several V shaped blenders connected in 

series. 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
26
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

  When V section is inverted the material splits into two portions ; one 

half moves backward while another half moves forward. 

  As the first V section clears the charge, a fresh feed enters, hence used 

for continuous blending. 

 

Mixing of semisolids 

  Semi  solids  dosage  forms  include  ointments,  pastes,  creams,  jellies, 

etc., while mixing such dosage forms , the material must be brought to 
the  agitator  or  the  agitator  must  move  the  material  throughout  the 
mixer. 

  The mixing action include combination of low speed shear, smearing, 

wiping, folding, stretching and compressing. 

  A  large  amount  of  mechanical  energy  is  applied  to  the  material  by 

moving  parts.  Sometimes  a  part  of  the  supplied  energy  appears  as 
heat. 

  The forces required for efficient mixing are high and consumption of 

power is also high. Hence the equipment must be rugged constructed 
to tolerate these forces. 

  Some semisolids exhibit dilatant property i.e., viscosity increases with 

increase  in  shear  rates.  Therefore,  mixing  must  be  done  at  lower 
speeds. 

  The  speed  must  be  changed  accordingly  to  thixotropic,  plastic  and 

pseudo plastic materials. 

Agitator mixers:  

            e.g.:- Sigma mixers and Planetary mixer. 

 


background image

Pharmaceutical industry                                                    Mixing II

 

 

 

 

Page 
27
 

 

Dr.Hussein                                                   

 

Al Qadisyiah College of pharmacy

 

Shear mixers:  

           e.g.:- Triple roller mill and Colloidal mill. 

Triple roller mill 

Principle:- High shear , which causes crushing of aggregates, particles 
and also distributes the drug uniformly throughout the semi solid base. 

  It consists of 3  parallel rollers of equal diameters made up of stainless 

steel. 

  These are mounted on rigid frame work horizontally. 
  The gap between the first 2 rollers is more than that of the gap 

between the last two. 

  A hopper is placed in between the first two rollers. 
  A scrapper is attached to the last roller. 
  First roller rotates at lower speed compared to the 2

nd

 similarly 2

nd

 

roller speed is less than the 3

rd

 roller. 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mohammad Alkhalidy
المشاهدات: لقد قام 13 عضواً و 393 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل