background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 1 

 

 

 

Mixing 

    The  process  of  mixing  is  one  of  the  most  commonly  employed 
operations in everyday life. Owing in part to the almost limitless variety 
of materials that can be mixed, much remains to be learned regarding the 
mechanisms by which mixing occurs. 

   Mixing  may  be defined as  the process  in  which two or  more  than  two 
components in a separate or roughly mixed condition are treated in such a 
way so that each particle of any one ingredient lies as nearly as possible 
to the adjacent particles of other ingredients or components. This process 
may  involve  the  mixing  of  gases,  liquids  or  solids  in  any  possible 
combination and in any possible ratio of two or more components.  

    Mixing  of  a  gas  with  another  gas,  mixing  of  miscible  low  viscosity 
liquids and mixing of a highly soluble solid with a low viscosity liquid to 
effect  dissolution  are  relatively  simple  as  compared  to  the  mixing  of 
gases  with  liquids,  mixing  of  liquids  of  high  viscosity  though  miscible, 
mixing  of  two  immiscible  liquids  such  as  aqueous  and  oily  solutions  to 
form  emulsions,  mixing  of  solids  with  liquids  when  the  proportion  of 
solids is high and mixing of solids with solids, specialized equipments are 
required for these operations.  

Some of the examples of large scale mixing practiced in pharmacy are:   

   Mixing of powders in varying proportions prior to granulation or 

tableting 

   Dry mixing of the materials for direct compression in tablets 
  Dry  blending  of  powders  in  capsules  and  compound  powders 

(insufflations( 

  Blending  of  powders  in  cosmetics  in  the  preparation  of  face 

powders, tooth powders 

  Dissolution  of  soluble  solids  in  viscous  liquids  for  dispensing  in 

soft capsules and in the preparation of syrups 

  Mixing of two immiscible liquids for preparation of emulsions. 

Depending on the flow properties of materials, solids are divided into two 
types:  

1. Cohesive materials - These are characterized by their resistance to 

flow through openings for e.g. wet clay.  


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 2 

 

 

 

2.  Noncohesive  materials  –  These  materials  flow  readily  such  as 

grain, dry sand, plastic chips etc.  

 
   Mixing  of  cohesive  materials  is  more  difficult  due  to  formation  of 
aggregates  and  lumps.  Wet  mixing  is  encountered  in  pharmacy  as  an 
individual operation or as a subsequent step after dry blending.  
     In  pharmaceutical  practice,  solid-solid,  solid-liquid  and  liquid-liquid 
mixing are generally batch operations where the batch may be as large as 
one ton. 

Objectives of mixing  

Mixing can be done for the following reasons:  

  To  ensure  that  there  is  uniformity  of  composition  between  the 

mixed  ingredients  which  may  be  determined  by  taking  samples 
from the bulk material and analyzing them, which should represent 
overall composition of the mixture.  

  To  initiate  or  to  enhance  the  physical  or  chemical  reactions  e.g. 

diffusion, dissolution etc.   

Generally mixing is carried out to obtain following type of products 

  When  two  or  more  than  two  miscible  liquids  are  mixed  together, 

this results in to a solution known as true solution.  

  When  two  immiscible  liquids  are  mixed  in  the  presence  of  an 

emulsifying agent, an emulsion is produced.  

  When a solid is dissolved in a vehicle, a solution is obtained  
  When  an  insoluble  solid  is  mixed  with  a  vehicle,  a  suspension  is 

obtained.  

  When a solid or liquid is mixed with a semisolid base, an ointment 

or a suppository is produced.  

  When two or more than two solid substances are mixed together, a 

powder is obtained which  when  filled  into  capsule shell is known 
as  capsules  and  when  compressed  under  heavy  pressure  is  called 
tablet. 

Types of Mixtures  

Mixtures may be classified as follows:  

1. Positive mixtures  


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 3 

 

 

 

2. Negative mixtures  

3. Neutral mixtures  

I. Positive Mixtures – These types of mixtures are formed when two or 
more than two gases or miscible liquids are mixed together by means of 
diffusion  process.  In  this  case  no  energy  is  required  provided  the  time 
allowed  for  solution  formation  is  sufficient.  These  types  of  materials  do 
not create any problem in mixing.  

II.Negative  Mixtures  –  These  types  of  mixtures  are  formed  when 
insoluble  solids  are  mixed  with  a  vehicle  to  form  a  suspension  or  when 
two  immiscible  liquids  are  mixed  to  form  an  emulsion.  These  mixtures 
are more difficult to prepare and require a higher degree of mixing with 
external  force  as  there  is  tendency  of  the  components  of  these  mixtures 
separate out unless they are continuously stirred.  

III.  Neutral  Mixtures  –  Many  pharmaceutical  products  such  as  pastes, 
ointments and mixed powders are the examples of neutral mixtures. They 
are static in their behavior. The components of such products do not have 
any tendency to mix spontaneously but once mixed, they do not separate 
out easily.  

I. Liquid mixing  

Liquid mixing may be divided into following two subgroups:  

1.  Mixing of liquids and liquids  
a)  Mixing of two miscible liquids  
b)  Mixing of two immiscible liquids  
2.  Mixing of liquids and solids  
a)  Mixing of liquids and soluble solids  
b)  Mixing of liquids and insoluble solids  

1.  (a)  Mixing  of  two  miscible  liquids  (homogeneous  mixtures  e.g. 
solutions)  –  mixing  of  two  miscible  liquids  is  quite  easy  and  occur  by 
diffusion.  Such  type  of  mixing  does  not  create  any  problem.  Simple 
shaking or stirring is enough but if the liquids are not readily miscible or 
if they have very different viscosities then electric stirrer may be used.  


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 4 

 

 

 

    Sometimes  turbulence  may  be  created  in  the  liquids  to  be  mixed. 
Turbulence is a function of velocity gradient between two adjacent layers 
of a liquid. Thus if a rapidly moving stream of liquid is in contact with a 
nearly  stationary  liquid,  there  will  be  high  velocity  gradient  at  the 
boundary which results in tearing off portions of the faster moving stream 
and sending it off to the slower moving areas as vortexes or eddies. These 
eddies persists for some time and ultimately dissipate themselves as heat.  

 

 

    This  results  also  in  drawing  in  part  of  the  slow  moving  liquid  into  a 
high velocity liquid because of differences in static pressures created as in 
an  ejector.  Most  of  the  mixing  equipments  are  designed  on  the  basis  of 
providing  high  local  velocities  but  directing  them  in  such  a  manner  that 
they  will  ultimately  carry  their  own  turbulence  or  the  turbulence  of  the 
eddies they create, throughout the mass to be mixed 

1.(b)  Mixing  of  two  immiscible  liquids  (heterogenous  mixtures  e.g. 
emulsions)  –  two  immiscible  liquids  are  mixed  to  effect  transfer  of  a 
dissolved  substance  from  one  liquid  to  another  an  eg.  of  such  type  of 
mixing  is  the  extraction  of  penicillin  in  the  acid  form  from  aqueous 
solution  into  the  organic  solvent  amyl  acetate,  to  promote  a  chemical 
reaction after transfer of a component, to allow transfer of heat from one 
liquid to the other or to prepare emulsion. When two immiscible liquids 
are mixed together in the presence of an emulsifying agent an emulsion is 
produced.  For  the  production  of  a  stable  emulsion,  the  mixing  must  be 
very  efficient  i.e.  continuous  without  ceasing  because  the  components 
tend to separate out if continuous work is not applied on them. 

 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 5 

 

 

 

Mixing occurs in two stages:  

1.  Localized  mixing  in  which  shear  is  applied  to  the  particles  of  the 

liquid  

2.  A  general  movement  sufficient  to  take  all  the  particles  of  the 

materials  through  the  shearing  zone  so  as  to  produce  a  uniform 
product.  

     On small scale, for the preparation of emulsions, a pestle and mortar is 
quite  suitable.  Here,  shear  forces  are  produced  between  the  flat  head  of 
the pestle and the flat bottom of the mortar whereas a general movement 
is produced by continuous movement of the pestle along the sides of the 
mortar  by  which  the  sticking  material  to  the  sides  is  returned  to  the 
bottom of the mortar. 

Generally emulsions are prepared in two stages (i) primary emulsion (ii) 
secondary emulsion. In the primary stage the two immiscible liquids are 
triturated with an emulsifying agent to get a primary emulsion, which is 
further  diluted  by  adding  more  of  vehicle.  After  the  preparation  of  an 
emulsion which is coarse in nature may be passed through a homogenizer 
to get a homogeneous emulsion of desired particle size.  

2. (a) Mixing of liquids and soluble solids (homogeneous mixtures e.g. 
solutions)- in this case soluble solids are dissolved in a suitable liquid by 
means of stirring. It is a physical change i.e. a soluble solid is converted 
to a solution.  

2.(b)  Mixing  of  liquids  and  insoluble  solids  (heterogeneous  mixtures 
e.g.  suspensions)  –  when  insoluble  solids  are  mixed  with  a  liquid  a 
suspension is produced which is an unstable system. The ingredients of a 
suspension  separate  out  when  allowed  to  stand  for  some  time.  Thus  a 
suspending  agent  is  required  to  produce  a  stable  suspension.  On  small 
scale, suspensions may be prepared in a pestle and mortar. 

   If  the  aim  of  the  mixing  process  is  simply  to  produce  a  blend  of  two 
liquids that are readily miscible or to form a solution of a solid in liquid 
then flow alone may be sufficient . when the aim of mixing is to produce 
an emulsion from two immiscible liquids, shear forces being essential. 

 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 6 

 

 

 

Mixing mechanisms:  

for  fluids  fall  essentially  into  four  categories:  bulk  transport,  turbulent 
flow,  laminar  flow,  and  molecular  diffusion.  Usually  more  than  one  of 
these processes is operative in practical mixing situations.  

1.Bulk  transport  –  the  movement  of  a  relatively  large  portion  of  the 
material  being  mixed  from  one  location  in  the  system  to  another 
constitutes bulk transport. A simple circulation of material in a mixer may 
not  necessarily  result  in  efficient  mixing.  For  bulk  transport  to  be 
effective  it  must  result in  a  rearrangement  or  permutation  of the  various 
portions of the material to be mixed. This can be accomplished by means 
of paddles, revolving  blades,  or  other devices  within the  mixer  arranged 
so  as  to  move  adjacent  volumes  of  the  fluid  in  different  directions, 
thereby shuffling the system in three dimensions.  

2.Turbulent  Mixing  –  the  phenomenon  of  turbulent  mixing  is  a  direct 
result  of  turbulent  fluid  flow,  which  is  characterized  by  a  random 
fluctuation of the fluid velocity at any given point with in the system. The 
fluid velocity at a given instant may be expressed as the vector sum of its 
components  in  the  x,  y,  and  z  directions.  With  turbulence,  these 
directional  components  fluctuate  randomly  about  their  individual  mean 
values,  as  does  the  velocity  itself.  In  general,  with  turbulence,  the  fluid 
has  different  instantaneous  velocities  at  different  locations  at  the  same 
time. This observation is true for both, the direction and the magnitude of 
the  velocity.  If  the  instantaneous  velocities  at  two  points  in  a  turbulent 
flow field are measured simultaneously, they show a degree of similarity 
provided that the points selected are not too far apart. There is no velocity 
correlation  between  the  points,  however,  if  they  are  separated  by  a 
sufficient distance.  

Turbulent  flow  can  be  conveniently  visualized  as  a  composite  of  eddies 
of various sizes. An eddy is defined as a portion of fluid moving as a unit 
in a direction often contrary to that of the general flow. Large eddies tend 
to break up; forming eddies of smaller and smaller sizes until they are no 
longer distinguishable. The  size distribution of  eddies  within  a  turbulent 
region is referred to as the scale of turbulence. It is readily apparent that 
such temporal and spatial velocity differences, as a result from turbulence 
within a body of fluid produce a randomization of the fluid particles. For 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 7 

 

 

 

this reason, turbulence is a highly effective mechanism for mixing. Thus, 
when small eddies are predominant, the scale of turbulence is low.  

3.Laminar  mixing  –  Streamline  or  laminar  flow  is  frequently 
encountered when highly viscous liquids are being processed. It can also 
occur  if  stirring  is  relatively  gentle  and  may  exist  adjacent  to  stationary 
surfaces  in  vessels  in  which  the  flow  is  predominantly  turbulent.  When 
two  dissimilar  liquids  are  mixed  through  laminar  flow,  the  shear  that  is 
generated  stretches  the  interface  between  them.  If  the  mixer  employed 
folds  the  layers  back  upon  themselves,  the  number  of  layers,  and  hence 
the interfacial area between them, increase exponentially with time.  

4.Molecular diffusion – The primary mechanism responsible for mixing 
at  the  molecular  level  is  diffusion  resulting  from  the  thermal  motion  of 
the  molecules.  When  it  comes  in  conjunction  with  laminar  flow, 
molecular  diffusion  tends  to  reduce  the  sharp  discontinuities  at  the 
interface between the fluid layers, and if allowed to proceed for sufficient 
time, results in complete mixing. The process is described quantitatively 
in terms of Fick’s law of diffusion:  

Dm/dt = -DA dc/dx

 

Where, the rate of transport of mass, dm/dt across an interface of area A 
is  proportional  to  the  concentration  gradient, dc/dx,  across  the  interface. 
The rate of intermingling is governed also by the diffusion coefficient, D, 
which is a function of variables including fluid viscosity and size of the 
diffusing molecules. The concentration gradient at the original boundary 
is a decreasing function of time; approaching zero as mixing approaches 
completion. 

Rate of Mixing 

  Mixing  is  the  process  of  achieving  uniform  randomness  of  the  mixed 
components,  which  on  subdivision  to  individual  doses  contains  the 
correct  proportions of  each  component  which  depends  on the amount of 
mixing done.  

  In the early stages of mixing, the rate of mixing is very fast because the 
mixing  particles  change  their  path  of  circulation  quickly  and  find 
themselves  in  different  environment  whereas  at  the  end  of  the  process 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 8 

 

 

 

rate  of  mixing  reaches  to  almost  zero  because  the  particles  do  not  find 
different environment. 

Mixing Apparatus for fluids 

A Container and  

A Mixing Device or   Impeller 

Based on shape and pitch , impellers 

  are classified into 3 types , 

1.  Propellers 
2.  Turbines 
3.  Paddles 

 1-propeller  

•  It consists of number of blades, generally 3 bladed design is most 

common for liquids. Blades may be right or left handed depending 
upon the slant of their blades. 

•  Two are more propellers are used for deep tank. 

•  Size  of  propeller  is  small  and  may  increase  up  to  0.5metres 

depending upon the size of the tank. 

•  Small  size  propellers  can  rotate  up  to  8000rpm  and  produce 

longitudinal movement 

 

Advantages of propellers:   

1.  Used when high mixing capacity is required. 
2.  Effective  for  liquids  which  have  maximum  viscosity  of 

2.0pascals.sec or slurry up to 10% solids of fine mesh size. 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 9 

 

 

 

3.  Effective gas-liquid dispersion is possible at laboratory scale. 

Disadvantages of propellers:  

1.  Propellers  are  not  normally  effective  with  liquids  of  viscosity 

greater than 5pascal.second, such as glycerin castor oil, etc., 

2-Turbine  

•  A  turbine  consists  of  a  circular  disc  to  which  a  number  of  short 

blades are attached. Blades may be straight or curved. 

•  The diameter of the turbine ranges from 30-50% of the diameter of 

the vessel. 

•  Turbines rotates at a lower speed than the propellers (50-200rpm). 

•  Flat  blade  turbines  produce  radial  and  tangential  flow  but  as  the 

speed  increases  radial  flow  dominates.  Pitched  blade  turbine 
produces axial flow. 

•   Near the impeller zone of rapid currents, high turbulence and 

intense shear is observed. Shear produced by turbines can be 
further enhanced using a diffuser ring (stationary perforated ring 
which surrounds the turbine). 

 

Advantages of Turbines:  

•  Turbines  give  greater  shearing  forces  than  propellers  through  the 

pumping rate is less. Therefore suitable for emulsification. 

•  Effective  for  high  viscous  solutions  with  a  wide  range  of 

viscosities up to 7.0 Pascal. Second. 

•  In  low  viscous  materials  of large  volumes  turbine  create  a strong 

currents  which  spread  throughout  the  tank  destroying  stagnant 
pockets. 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 
10
 

 

 

 

•  They can handle slurries with 60% solids. 

•  Turbines  are  suitable  for  liquids  of  large  volume  and  high 

viscosity, if the tank is baffled. 

3-Paddle  

•  A paddle consists of a central hub with long flat blades attached to 

it vertically. 

•  Two blades or four blades are common. sometimes the blades are 

pitched  and  may  be  dished  or  hemispherical  in  shape  and  have  a 
large surface area in relation to the tank in which they are used. 

•  Paddles rotates at a low speed of 100rpm.  

•   They push the liquid radially and tangentially with almost no axial 

action unless blades are pitched. 

•  In deep tanks several paddles are attached one above the other on 

the same shaft. 

•  At very low speeds it gives mild agitation in unbaffled tank but as 

for high speeds baffles are necessary. 

Uses of paddles: 

•  Paddles are used in the manufacture of antacid suspensions, agar 

and pectin related purgatives, antidiarrheal mixtures such as 
bismuth-kaolin. 

Advantages of paddles: 

•   Vortex formation is not possible with paddle impellers because of 

low speed mixing. 

 

Disadvantages of paddles: 

•  Mixing of the suspension is poor therefore baffled tanks are 

required. 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 
11
 

 

 

 

 

   Liquid mixing is usually performed with a mixing element, commonly a 
rotational  device,  which  provides  the  necessary  shear  forces,  but  is  of 
suitable  shape  to  act  as  an  impeller  to  produce  an  appropriate  pattern  in 
the mixing vessel. The movement of the liquid at any point in the vessel 
will  have  three  velocity  components  and  the  complete  flow  pattern  will 
depend upon variations in these three components in different parts of the 
vessel.  

  The three velocity components are;  

1.  Radial components  

Acts in the direction vertical to the impeller shaft. Excessive radial 
flow takes the  material  to the  container  wall then  material  falls  to 
the bottom and rotate as the mass beneath the impeller 

 

 

2.  A tangential component 

 Acts  in  the  direction  tangent  to  the  circle  of  rotation  around  the 
impeller shaft. If shaft is placed vertically and centrally, tangential 
flow follows a circular path around the shaft and creates a vortex in 
the liquid. 


background image

 

 Industrial pharmacy                                                           Mixing I 

 

 

 

 

Page 
12
 

 

 

 

 

3.  Axial  component  or  longitudinal  or  vertical:  Acts  in  the  direction 

parallel  to  the  impeller  shaft.  Inadequate  longitudinal  component 
causes  the  liquid  and  solid  to  rotate  in  layers  without  mixing. 
Adequate  longitudinal  pattern  is  best  used  to  generate  strong 
vertical currents particularly when suspending solids are present in 
a liquid. 

 

  

Impeller type 

Flow component 

Propellers 

Axial 

Turbines 

Axial or tangential or both 

Paddles 

Radial and tangential  

Paddles with pitch 

Radial, tangential and axial 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mohammad Alkhalidy
المشاهدات: لقد قام 21 عضواً و 238 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