background image

 

 

 

Industrial Pharmacy

 

Lec. 2                                                                                                                

  

Milling 

  It is the mechanical process of reducing particle size of solids. It depends on the 

product,  the  equipment  and  the  process  involved.  Milling,  grinding,  trituration, 

comminution and micronization have the same meaning which is reduction of particle 

size. 

  Size is conventionally expressed in terms of mesh (number of openings per linear 

inch of a screen). Coarse milling produces particles larger than 20 mesh, intermediate 

milling  produces  particles  200-20  mesh,  and  fine  milling  produces  particles  smaller 

than 200 mesh. In addition, micrometer and nanometer units are used also to describe 

the particle size in the micro or nano scale, respectively. 

Pharmaceutical Application 

  The  surface  area  per  unit  weight  (which  is  known  as  Specific  Surface)  is 

increased  by  size  reduction,  which  will  affect  the  therapeutic  efficiency  of  medicinal 

compounds.  The  particle  size  reduction  of  griseofulvin,  as  instance,  led  to  an  oral 

dosage regimen half that of the original marketed product with the same effectiveness. 

(Increase the contact surface with the dissolution fluid, see Noyes-Whitney equation). 

Also  penicillin  G  procaine  is  greatly  affected  by  the  particle  size  (its  rheology, 

bioavailability,  syringe-ability  and  pain).  The  size  of  particles  used  in  the  inhalation 

aerosols  determines  the  position  and  retention  of  the  particles  in  the  broncho-

pulmonary system.  

Also  the  drying  of  wet  masses  may  be  facilitated  by  milling  which  increases  the 

surface  area  and  reduces  the  distance  for  the  moisture  which  must  travel  within  the 

particle to  reach  the outer  surface.  Lubricant  act by  covering  the outer  surface  of  the 

granules, therefore; fine particles of the lubricant should be used (usually 200 mesh or 

finer) is essential for lubricants to function properly (lubricant added in the final step to 

prevent adhesion of granules with the machine).  


background image

 

 

 

The milling of ointments and creams (homogenization) provides a smooth  texture 

and better appearance. 

 

* ADVANTAGE OF MILLING    

1-  Increase  in  surface  area  by  particle  size  reduction  may  enhance  the  dissolution 

which  consequently  improves  the  bioavailability  especially  for  materials  which  are 

slightly soluble. 

2- Improve the uniformity of tablet content by increasing the number of particles per 

unit weight. 

3- Improves flow properties of irregular and needle like materials. 

4- Improves the color dispersion and color uniformity. 

5-  Mixing  of  solid  ingredients  is  easier  and  more  uniform  if  the  ingredients  are 

approximately in the same size.  

*DISADVANTAGE OF MILLING    

1- A possible change in polymorphic state of the active ingredient (unstable to stable). 

2- A possible degradation of drug (due to heat). 

3- A decrease in bulk density of the ingredient, which might cause a flow problem and 

segregation. 

4-  Decrease  in  particle  size  may  sometimes  create  a  static  charge  problem  which 

results  in  poor  mixing.  In  addition,  agglomeration  of  the  fine  particles  may  affect 

negatively on mixing. 

5- Increase in surface may promote the adsorption of air which may inhibit wettability 

of the drug to the extent that it becomes a factor affecting dissolution rate. 

As conclusion, particle size reduction, i.e., milling has advantages and disadvantages. 

Therefore, one should balance the benefits against risks of particle size reduction. That 

is to say, the particle size reduction should be continued as much as possible until the 

disadvantages of milling begin to appear. Hence, the milling process should be stopped 

at this point. 

 


background image

 

 

 

 

 

Theory of Milling 

The mechanical behavior of solids under milling is shown in the following curve: 

 

 

 

 

 

 

 

  The initial linear portion of the curve expresses the softness of the particles. The 

stress-strain  curve  becomes  non  linear  at  the  yield  point  which  is  a  measure  of  the 

resistance  to  deformation  (i.e.  it  is  the  point  at  which  the  particles  start  to  break  and 

size  reduction  occur).  With  still  greater  stress,  the  region  of  irreversible  plastic 

deformation is reached. 

  Size  reduction  begins  with  the  widening  of  any  small  cracks  that  were  initially 

present. Thus, larger particles with numerous cracks fracture more readily than smaller 

particles  with  fewer  cracks.  In  general,  fine  grinding  requires  more  energy,  not  only 

because  of  the  increased  new  surface,  but  also  because  more  energy  is  needed  to 

initiate cracks. 

  The  most  efficient  mills  utilize  less  than  1%  of  the  energy  input  to  fracture 

particles. The rest of energy is dissipated in: 

1- Elastic deformation of unfractured particles. 

2- Transport of material within the milling chamber. 

3- Friction between particles. 

4- Friction between particles and mill. 

5- Heat. 

6- Vibration & noise. 


background image

 

 

 

 

 

 

 

 

* TYPE OF MILLS 

  In general a mill consist of 3 basic parts 

1- Feeding chamber which delivers the material. 

2- Grinding mechanism, usually consist of rotor & stator. 

3- Discharge chamber to collect the milled material. 

The  force  required  for  the  milling  process  is  supplied  by  either  direct  pressure, 

impact, attrition or cutting. In most mills the grinding effect is a combination of two or 

more of these actions. 

The most commonly used mills in pharmaceutical manufacturing are: 

1- Cutter mill.  2- Hammer mill.  3- Roller mill.  4- Fluid-energy mill. 5. Ball mill 

6. Colloidal mill 

Note: Feeding speed is important because the rate of discharge should be equal 

to the rate of feeding. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If  the  force  of  impact  does  not  exceed  the  elastic  limit,  the  material  is 

reversibly deformed. When the force is removed the particle returns to its original 

condition and mechanical energy of stress in the deformed particles appear as heat. 


background image

 

 

 

 

If the milling operation is carried out so that the material is reduced to the desired 

size by passing it once through the mill, the process is known as open-circuit milling

closed-circuit mill is one in which the discharge from the milling chamber is passed 

through  a  size-  separation  device  or  classifier  (sieve)  and  the  oversize  particles  are 

returned to the grinding chamber for further reduction of size.  

* Hammer mill  

Hammer  mill  is  an  impact  mill  using  a  high  speed  rotor  to  which  a  number  of 

hammers are fixed. The material is retained until it is small enough to fall through the 

screen  that  forms  the  lower  portion  of  the  milling  chamber.  Particles  crushed  are 

discharged  as  fast  as  they  are  formed  (i.e.  particles  fine  enough  to  pass  through  the 

screen are discharged almost as fast as they are formed). 

The hammer mill can be used for almost all types of drugs. Its versatility makes it 

popular in pharmaceutical industry where it used to mill dry materials, wet materials, 

creams and ointments. 

 

 

 

Advantages of hammer mill: 

1- Easy to clean. 

2- Minimal problem. 

3- Easy to install. 

4- Wide ranges in size are available. 

5- Small space required. 

6- May be operated as a closed system to reduce dust and explosion hazards. 

 

 


background image

 

 

 

Disadvantages: 

1- Potential clogging of screen. 

2- Heat buildup during milling might lead to the degradation of the material. 

3- Mill and screen may wear with abrasive material. 

 

Ball Mill 

 

It is used to obtain extremely small particles.  The mill consists of rotating 

cylinder which is partially filled with balls of steel that act as grinding medium. Ball 

milling is a combination of impact and attrition. 

  Most  ball  mills  are  batch  operated,  however  there  are  continuous  ball  millers 

available nowadays with continuous milling action. 

 

 

 

 

* Cutting Mill 

  Cutting  mill  is  similar  to  hammer  mill,  they  are  used  for  fibrous  materials  and 

provide a successive cutting action rather than attrition or compaction. The rotary knife 

cutter has a rotor with 2-12 knives spaced uniformly on its periphery. 

 

* Roller mill 

  It consists of 2-5 smooth rollers operating at different speeds. The size reduction 

is achieved by a compression action. 


background image

 

 

 

 

 

* Colloidal Mill 

  It  is  consists  of  a  high  speed  rotor  and  stator  with  conical  milling  surfaces. 

Colloid mill is used pharmaceutically in the preparation of suspensions and emulsions; 

it is not used for dry materials. The pre-milled solids are mixed with the liquid vehicle 

before being introduced into colloid mill. 

Sometimes during operation the temperature of the  machine rises up to 40 C°,  so 

that a cold water jacket may reduce the temperature as much as 20 C°.       

 

 * Fluid-Energy Mill (Micronizer) 

  It  has  no  moving  par.  It  is  rapid  and  relatively  efficient  method  of  reducing 

particle with relatively narrow particle size distribution. The mill operates on the bases 

of impact and attrition. 

  Materials is suspended and conveyed by a high velocity air stream introduces the 

powder to the milling chamber, but if the materials are large in size (coarse) we prefer 

to grind the materials by using hammer mill and then we use micronizer to make very 

fine particles (i.e. the feed should be pre milled to facilitate milling). 


background image

 

 

 

  The  material  is  passed  through  nozzles  at  very  high  air  speed  (100-150  pound 

per  square  inches  (psi).  The  violent  turbulence  of  the  air  reduces  the  particle  size  by 

impact and attrition. 

  Air  is  usually  used  because  most  pharmaceutical  substances  are  heat  sensitive. 

As  the  compressed  air  expands  at  the  orifice,  the  cooling  effect  counteracts  the  heat 

generated by milling. 

  The  design  of  the  fluid  energy  mill  provides  classification  of  particles,  which 

permits  the  fine  particles  to  be  discharged  and  the  heavier  oversized  particles  to  be 

retained until reduced to a smaller size.   

 

 

 

 

 

 

 

 

Type of 

Mill 

Action 

Product 

Size 

Used For 

Not Used 

For 

Cutter 

cutting 

20- to 80-

mesh 

fibrous, crude 

animal and vegetable 

drugs 

friable 

material 

Hammer 

impact 

4- to 325-

mesh 

almost all drugs 

abrasive 

material 

Roller 

pressure 

20- to 

200-mesh 

soft material 

abrasive 

material 

Fluid-

energy 

attrition 

and impact 

1 to 30 

µm 

moderately hard and 

friable material 

soft and 

sticky material 


background image

 

 

 

 

* FACTORS INFLUENCING MILLING    

  1- The  properties of  a  solid determine  its ability  to  resist  milling  and  influence 

the choice of equipment used for milling. Example, if we have fibrous materials (e.g., 

glycyrrhiza) which cannot be crushed by pressure or impact; they must be cut. Friable 

materials (e.g., sucrose) may be milled by attrition or impact (e.g., hammer mill). 

  2- The presence of more than 5% water hinders comminution and often produces 

a sticky mass upon milling, especially when the materials are fine. At concentration of 

water  greater  than  50%,  the  mass  become  slurry  or  suspension,  the  process  then  is  a 

wet milling process (colloidal milling) which often aid in size reduction. 

  3-  An  increase  in  moisture  can  decrease  the  rate  of  milling.  The  water  of 

crystallization of certain material (e.g., citric acid) liberated during milling and causing 

clogging of the mill. Hygroscopic materials (e.g., CaCl

2

) rapidly sorb moisture to the 

extent that the wet mass sticks and clogs the mill. 

  4-  The  heat  during  milling  softens  and  melts  materials  with  low  melting  point. 

Synthetic gums, waxes and resins become soft and plastic. Heat sensitive drugs may be 

degraded.  Pigments  may  change  their  shade  of  color  if  the  milling  temperature  is 

excessive. 

  5- The shape of the milled particles may be  important; an impact mill produces 

sharp,  irregular  particles,  which  may  not  flow  readily.  If  the  free  flow  materials  are 

desired,  it  would  be  better  to  use  an  attrition  mill,  which  produces  free  flowing 

spherical particles. 

* SELECTION OF MILL    

  The choice of mill is based on: 

1- Product  specification  (size  range,  particle  size  distribution,  shape,  moisture 

content, physical and chemical properties of the materials). 

2- Capacity of the mill and production rate requirements. 

3- Versatility of operation (wet and dry milling, rapid change of speed and screen, 

and safety features). 


background image

 

 

10 

 

4- Dust control (especially when we are using expensive  or toxic materials, so we 

used closed system which is less hazardous). 

5- Sanitation (ease of cleaning and sterilization). 

6- Auxiliary equipments (cooling system, dust collectors). 

7- Batch or continuous operation. 

8- Economical factors (cost, power consumption, spaced occupied and labor cost). 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mohammad Alkhalidy
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 535 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