Moagem: teoria e moinho - Operações Unitárias

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Moagem: teoria e moinhos 
Moagem refere-se ao ato de moer, termo designado às operações de redução 
de tamanho de partículas sólidas usando equipamentos chamados moinhos. 
O termo cominuição também pode ser usado para redução de tamanho e inclui 
processos como esmagar, moer e picar. 
Na área da farmacêutica a redução de tamanho de partículas tem duas principais 
finalidades: 1. processamentos seguintes e 2. aumentar a área superficial. 
A redução de tamanho de partículas pode ser importante para processamentos 
envolvendo misturas de pós, no qual a homogeneidade de tamanho de partícula influencia 
positivamente na homogeneidade da mistura. A redução do tamanho de partícula 
também pode ser interessante quando 
são previstas etapas de transporte, pois 
afeta o volume bruto do material. 
O aumento da área superficial, em 
atenção aos ingredientes ativos, irá 
interferir em processamentos como 
extrações e dissoluções. Quando as 
partículas são inclusas em formar 
farmacêuticas sólidas (ex. comprimidos, 
cápsulas e grânulos), o aumento da área 
superficial terá um importante impacto 
sobre os aspectos biofarmacêuticos. 
O mecanismo de redução de 
partícula que será estudado consiste na 
deformação da partícula até que ela 
atinja a ruptura, tal ruptura pode ser 
alcançada pela aplicação de diferentes 
tipos de força. 
Quando submetida a uma força, a 
partícula sólida sofre uma tensão 
localizada, esta energia, por sua vez, gera 
uma deformação que poderá dar origem 
a uma quebra. A ruptura da partícula se 
dá pela propagação da quebra por 
imperfeições naturais. A velocidade com 
que a quebra se propaga é tão alta que 
libera energia formando novas 
imperfeições para futuras quebras, com 
isso ocorre um efeito em cascata. 
Propriedades dos materiais 
As propriedades dos sólidos a serem moídos têm grande influência sobre alguns 
parâmetros, como consumo de energia e desgaste de máquina. Alguns aspectos físicos 
importantes do material são: 
 Resistência à quebra; 
 Dureza; 
 Conteúdo de umidade; 
 Hábito cristalino. 
As propriedades de dureza e resistência serão tratadas separadamente em 
subitens. Porém é importante mencionar a umidade e cristalinidade como propriedades 
influentes. Quanto ao conteúdo de umidade cabe ressaltar que o fluxo dos materiais é 
afetado pela umidade e pode interferir na moagem, de forma mais ou menos 
significativa a depender do moinho escolhido. Por convenção é usual na moagem a seco 
usar materiais com umidade inferior ou igual a 5%. Em umidades superiores existe a 
possiblidade de aglutinação e formação de grumos. 
O hábito cristalino dos materiais também deve ser levando em consideração pois 
irá interferir na dureza e pontos de fusão e transição vítrea (ponto de transição vítrea 
é conhecido como Tg - Glass Transition) dos compostos. Em algumas situações a 
redução de temperatura pode ser necessária para a produção do material particulado, 
isto pode ocorrer com maior frequência para polímeros (considerando a Tg) e ceras 
(considerando o ponto de fusão). A operação de moagem pode alterar a forma cristalina 
de alguns ingredientes ativos, este é um outro ponto que torna o conhecimento do 
habito cristalino importante quando planejando utilizar esta operação. 
Propriedades químicas também são importantes na operação de moagem. 
Algumas destas propriedades são a corrosividade, visto que a acidez ou alcalinidade das 
substâncias podem atacar o equipamento e a inflamabilidade e capacidade de explosão, 
por questões de segurança. 
Resistência 
A primeira propriedade a ser considerada é a resistência do material à quebra. 
Esta resistência ocorre quando o material apresenta fluxo plástico, ou seja, a tensão 
gera uma deformação que é absorvida sem que ocorra a propagação da quebra. 
Quando existe fluxo plástico os átomos e as moléculas deslizam entre si, processo este 
que requer energia. 
Nos gráficos a seguir é possível ver o aumento da força aplicada sobre um 
material, no eixo y, e o consequente aumento da deformação, no eixo x. Quando o 
material é elástico a deformação é uniformemente proporcional à força aplicada. 
Porém, quando o material é plástico, em um certo ponto aumenta-se a força aplicada, 
mas a deformação é inferior à inicial. Isto ocorre por que parte da energia que vem da 
força aplicada é gasta nas movimentações moleculares. 
 
Tanto no caso dos materiais que apresentam deformação plástica quanto dos 
que apresentam deformação elástica observa-se a aplicação força resultando em 
deformação, prorrogando o alcance do ponto de fratura. 
Dureza superficial 
A dureza de um material pode ser classificada de acordo com a escala de Mohs, 
que é constituída por uma tabela de materiais, na qual o diamante (material mais duro 
da escala) apresenta uma dureza superior a 7 e o talco (material menos duro da escala) 
apresenta uma dureza inferior a 3. 
Valor Material 
1 Talco 
2 Selenita ou gesso 
3 Calcita 
4 Fluorita 
5 Apatita 
6 Orthoclasse ou feldspato 
7 Quartzo 
8 Topázio 
9 Corindo 
10 Diamante 
 
Os materiais mais duros são mais difíceis de moer e provocam desgaste por 
abrasão aos moinhos. Por outro lado, um material elástico e mole, como a borracha, 
também é difícil de moer. Algumas outras propriedades podem dificultar a redução de 
tamanho de partícula de materiais moles, como a pegajosidade (ex. gomas) e o ponto de 
fusão (ex. ácido esteárico ou ceras). Em alguns destes casos o resfriamento a baixas 
temperaturas pode favorecer a quebra. 
 
Exigências energéticas 
O processo de moagem resulta em muitas perdas energéticas. Apenas uma 
pequena parcela da energia gasta é efetivamente responsável pela redução do tamanho 
de partículas, cerca de 2%. A energia é dissipada nas deformações plástica e elástica, na 
deformação necessária para iniciar a fratura, na deformação e abração da máquina, 
em atritos interparticulares, no calor, no som e nas vibrações. 
 
Busca-se relacionar a energia aplicada com o tamanho das partículas a serem 
obtidas e por isto, algumas teorias foram desenvolvidas neste sentido. A hipótese 
de Rittinger considera que a energia utilizada no processo é proporcional à nova área 
superficial obtida, ou seja, a energia total consumida será proporcional à variação da 
energia da superfície durante a operação, isto é, a constante de Rittinger medida em 
unidades de energia por unidades de superfície. A constante K é depende do tipo de 
máquina e do material e é um valor que pode ser obtido experimentalmente em cada 
situação estudada. O modelo de Rittinger se adequa melhor à obtenção de partículas 
finas. 
A teoria de Kick supõe que a energia é proporcional à razão de alteração do 
tamanho das partículas, isto é, os diâmetros da partícula inicial e da partícula produzida, 
respectivamente. A constante de Kick também é dependente do equipamento e do 
material. A equação de Kick se adequa melhor à produção de partículas grossas. 
Rinttinger e Kick consideram que uma certa variação de tamanho consumirá uma 
certa energia, não alterando o material ou o equipamento. Se a redução de diâmetro 
médio das partículas for de 10 μm para 5 μm consumirá a mesma energia que uma 
redução de 5 μm para 2,5 μm. 
A teoria de Bond é mais atual e propõe que a energia é proporcional ao 
comprimento da zona de fratura produzida, que frequentemente é relacionada com 
mudanças de diâmetro de partícula. 
A equação de Bond considera que o tamanho inicial da partícula irá influenciar na 
necessidade energética para a moagem. Partículas menores, mais coesas, apresentam 
menos pontos para ruptura e irão requerer mais energia para reduzir de tamanho. 
Moinhos 
A redução de tamanho de partícula é importante para diversas indústrias, por 
este motivo existe uma grande variedade de equipamentos. Estes equipamentos podem 
ser classificados de acordo com o tamanho das partículas iniciais e do produto. 
 Britadores: fragmentação de partículas de tamanho grande para médio; 
 Trituradores: para partículas de tamanhos médios;Moinhos: redução de partículas médias a pós finos. 
Para a produção de medicamentos e seus correlatos são utilizados moinhos. Os 
moinhos por sua vez podem ser classificados de acordo com o tipo de força usada para 
promover a ruptura das partículas, compressão, atrito, impacto ou corte. 
A escolha do moinho leva em consideração diferentes fatores importantes como 
o material a ser introduzido e a ser produzido, as propriedades do material e a 
quantidade de produção. Esta escolha irá refletir na eficiência do processo e no custo. 
Moinhos por corte 
O moinho de facas é o principal representante da moagem por corte. Este moinho 
é constituído por uma série de facas alinhadas sobre um rotos horizontal que irá passar 
por outra série de facas estacionárias. 
Durante a moagem o corte que ocorre entre as duas séries de facas, que ficam 
separadas por milimetros, é responsável pela fratura. A malha na base da câmara de 
trituração impede a saída do material até alcance um tamanho inferior à malha. 
A alta velocidade do moinho de facas favorece sua aplicação na produção de 
grânulos por via seca, para posterior compressão. E também para a fragmentação de 
materiais vegetais. 
Alguns fatores são importantes na aplicação de moinhos de facas. O ângulo de 
entrada do material inicial, o tipo de lâmina usada, o tipo de malha usada e 
a velocidade de rotação. As lâminas (facas) do moinho devem ser feitas de material 
resistente, usualmente aço inoxidável, para evitar quebra ou lascas. 
O diâmetro das partículas que passam pela malha na base da câmara de 
trituração depende da abertura da malha e da velocidade do rotor. Velocidades altas 
achatam o ângulo de aproximação da partícula em relação à malha efetivamente 
reduzindo o tamanho da abertura da malha. 
Moinho de compressão e moinho de impacto 
O moinho de rolos é o principal representante na indústria farmacêutica desta 
classe de moinhos, porém em escala menor tem-se o próprio gral de fundo chato e 
pistilo inclusos nesta categoria. O moinho de rolos tem um rolo giratório e outro que 
roda apenas como consequência do movimento do primeiro. 
Este tipo de moinho também pode ser usado na produção de grânulos por via 
seca, para posterior produção de comprimidos. 
Já os moinhos de impacto são representados pelos moinhos de martelo. Um 
moinho de martelos possui uma série de martelos em uma haste central. Durante a 
moagem os martelas se movimentam dialmente. 
A medida que o diâmetro do material vai reduzindo a inércia do material que atinge 
o martelo também reduz, sendo as próximas quebras menos prováveis. Por isso a 
distribuição de tamanhos de partículas produzidas por moinhos de martelo é estreita. 
Para estes moinhos, também, as partículas alcançam a malha tangencialmente, 
resultando na passagem de partículas menores que a abertura nominal da malha. Por 
isso malhas com aberturas quadradas ou retangulares são frequentemente usadas. 
Os martelos são peças metálicas com um furo pelo qual será pendurado na haste 
central, permitindo seu movimento durante a operação de moagem. Existem diferentes 
tipos de martelos a escolha de um modelo deve considerar a eficiência do processo e a 
sobrevida da peça. De modo geral eles variam em espessura, número de furos, material 
e revestimento. 
Apesar da possibilidade de alternar modelo de martelo, a utilização de um só 
modelo nas mesmas posições no rotor reduz a diferença de peso e com isso é possível 
manter o balanceamento do conjunto do rotor por mais tempo, e assim gerar uma 
economia reduzindo as trocas de desnecessárias de eixos, mancais e rolamentos. 
Moinho de atrito 
O moinho de rolos, como rolos de velocidades independentes, funciona por este 
método. Na indústria farmacêutica ele é usado para reduzir o tamanho de partículas 
em suspensões, pastas e unguentos. 
Moinho de atrito + impacto 
O moinho de bolas é um exemplo de técnica de cominuição que usa tanto atrito 
quanto impacto. Estes moinhos são formados por um cilindro vazio disposto sobre um 
eixo horizontal de modo que pode girar. Dentro do cilindro são colocadas bolas. Estes 
equipamentos podem ser muito grandes, porém, assim como o moinho de martelos, no 
âmbito farmacêutico costuma ser menores. As bolas devem ocupar de 30 a 50% do 
volume total do cilindro. 
Alternativamente o moinho a jatos de ar também opera pelos mecanismos de 
impacto e atrito. Neste caso é a energia fluida que promove o impacto e o atrito entre 
as partículas. O ar é alimentado em alta velocidade, o que promove turbulência causando 
a colisão das partículas umas com as outras sendo capaz de promover a ruptura.