MIKROMERITIK. Tim Dosen Farmasi Fisika

MIKROMERITIK

Mikromeritik

❑Menurut Dalla Valle mikromeritik merupakan ilmu dan

teknologi mengenai partikel kecil.

❑Dispersi koloid dicirikan oleh partikel yang terlalu kecil untuk

dilihat dengan mikroskop biasa, sedangkan partikel emulsi dan

suspensi serta fines dari serbuk berada dalam kisaran

mikroskop optis.

❑Partikel yang mempunyai ukuran serbuk lebih kasar, granulat

tablet, dan garam berbentuk granular berada dalam kisaran

ukuran ayakan.

Ukuran Partikel dan Distribusi Ukuran

▪ Dalam suatu kumpulan partikel lebih dari satu ukuran

(polidispersi),terdapat dua sifat penting yaitu

➢Bentuk dan luas permukaan partikel tunggal

➢Kisaran ukuran dan jumlah atau berat partikel-partikel yang ada serta luas permukaan total

▪ Ukuran suatu sfer (partikel berbentuk bulat) dinyatakan

dengan mudah dalam diameternya. ▪ Namun jika derajat ketaksimetrisan

partikel meningkat, maka akan

meningkatkan juga kesulitan dalam menyatakan ukuran diameternya. ▪ Dalam kondisi ini digunakan istilah

diameter sferis ekuivalen yang

mengaitkan ukuran partikel dengan diameter sfer yang mempunyai luas permukaan, volume, dan diameter yang sama.

▪ ds, diameter permukaan: diameter suatu sfer yang mempunyai luas permukaan yang sama seperti partikel yang sedang dibahas.

▪ dv, diameter volume: diameter suatu sfer yang mempunyai volume yang sama seperti partikel.

▪ dp, diameter terproyeksi: diameter suatu sfer yang mempunyai luas pegamatan yang sama seperti partikel jika dipandang normal terhadap bidangnya yang paling stabil.

▪ dst, diameter stokes: diameter yang menggambarkan sfer ekivalen yang mengalami sedimentasi pada laju yang sama seperti partikel yang

▪ Setiap kumpulan partikel biasanya berupa polidispersi. Oleh sebab

itu perlu untuk mengetahui tidak hanya ukuran suatu partikel

tertentu saja tetapi juga jumlah partikel berukuran sama yang

terdapat dalam sampel.

▪ Berdasarkan hal diatas kita perlu suatu perkiraan kiasaran ukuran

yang ada dan banyaknya atau berat fraksi setiap ukuran partikel yang

sering dikenal dengan distribusi ukuran partikel.

▪ Berdasarkan distribusi ukuran partikel kita dapat menghitung ukuran

partikel rerata pada suatu sampel.

Ukuran Partikel Rerata

Persamaan umum untuk ukuran partikel rerata menurut Edmundson:

n adalah jumlah partikel dalam suatu kisaran ukuran . d adalah salah satu

diameter ekivalen. Penandaan p adalah suatu indeks yang terkait dengan ukuran masing partikel, karena d yang dipangkatkan p=1, p=2, atau p=3, masing-masing menyatakan panjang partikel, luas partikel atau volume partikel.

Perhitungan garis tengah statistitk dari data (metode mikroskopik) Jangkauan Ukuran (µm) Jangkauan Ukuran rata-rata (d) Ukuran Partikel Tiap jang kauan (n) ( nd ) ( nd2_{) ( nd} 3_{) ( nd} 4₎ 0,50-1,00 1,00-1,50 1,50-2,00 2,00-2,50 2,50-3,00 3,00-3,50 3,50-4,00 0,75 1,25 1,75 2,25 2,75 3,25 3,75 2 10 22 54 17 8 5 ∑n = 118 1,50 12,50 38,50 121,50 46,75 26,00 18,75 ∑nd = 265,50 1,13 15,63 67,38 273,38 128,56 84,50 70,31 ∑nd2 ₌ 640,89 0,85 19,54 117,92 615,11 353,54 274,63 263,66 ∑nd3 ₌ 1645,25 0,64 24,43 206,36 1384,00 972,24 892,55 988,73 ∑nd4₌ 4468,95

Distribusi Ukuran partikel

✓ Kurva distribusi frekuensi adalah jumlah/berat partikel dlm kisaran tertentu diplot thd kisaran/ukuran partikel rata-rata didapatkan ukuran partikel yg sering muncul, grs tengah rata2 tdk dpt dicapai, dinamakan modus

✓ Kurva sigmoid adalah plot persentase kumulatif diatas atau dibawah ukuran tertentu thd ukuran partikel

➢modus : ukuran partikel pada kemiringan terbesar distribusi normal, modus : distribusi akan simetrik disekitar mean (rata2 pertengahan)

➢Mean adalah rata-rata ukuran partikel

➢simpangan baku

Gambar plot frekuensi kumulatif

➢ Distribusi jumlah diperoleh dr perhitungan dgn mikroskopik

➢ Distribusi berat diperoleh dgn tehnik sedimentasi atau pengayakan

Jumlah partikel per gram (N)

➢ Partikel bulatan

V = 1/6 x πd(vn)³

➢ Masa partikel

= v x ρ

= πd(vn)³ ρ/6 gram per partikel

➢ N = 6/πd(vn)³ρ

METODE UNTUK MENENTUKAN UKURAN PARTIKEL

❑ Metode penentuan ukuran partikel:

Mikrosokop optik

Sieving Methods/pengayakan

Metode Sedimentasi

❑ Pengukuran Volume Partikel (penghitungan langsung):

Metode Coulter Counter (Electrical stream sensing method)

Metode Laser light scattering

❑ Metode penentuan luas permukaan:

Adsorption method

Mikroskopi optik

❖Ukuran partikel 0,2 µm-100µm

❖Jumlah partikel 300-500

❖Mikroskop biasa; jarum pentas, mikrometer

❖Pengukuran sepanjang garis horizontal melewati pusat partikel→ garis tengah partikel

❖Mikroskop double-image (lebih cepat)

❖Kurva distribusi frekuensi-ukuran jumlah

❖Kekurangan : garis tengah yg diperoleh hanya dua dimensi : panjang dan lebar (ketebalan tdk bisa diperkirakan), Waktu lama dan ketelitian tinggi

❖Keuntungan : Gumpalan partikel lebih dari satu komponen sering dideteksi dgn metode ini, sehingga metode ini selalu digunakan

Pada pengukuran partikel dengan metoda mikroskop dapat menggunakan beberapa jenis garis tengah partikel sesuai dengan metoda pengukuran yang digunakan :

1. Garis tengah martin (d_m) adalah panjang jarak yang membelah partikel menjadi dua bidang yang sama luasnya.

2. Garis tengah ferret (d_fer) adalah panjang jarak maksimal dari tangen-tangen pada bidang proyeksi yang tegak lurus (vertikal) pada arah pengukuran.

3. Cara proyeksi adalah permukaan garis

tengah partikel dengan volume ekuivalen volume bola , artinya partikel mempunyai volume yang sama dengan suatu bola.

Bentuk partikel dan luas permukaan

❑Bentuk partikel

Mempengaruhi aliran dan sifat-sifat pengemasan dari suatu serbuk dan

terhadap luas permukaan

❑Luas permukaan

LP per satuan berat atau volume

Bentuk partikel

➢Bola mempunyai LP minimun per satuan volum

➢Makin tidak simetris partikel, makin besar LP persatuan volumnya

➢Partikel berupa bola diberi ciri sempurna dengan garis tengahnya

➢Partikel yang tidak simetris, sulit menetapkan garis tengahnya

▪ Partikel yang berbentuk tidak bulat, harus ditentukan garis tengahnya

yang merupakan karakteristik dari partikel tersebut:

LP = αsdp² = πds²

V = αvdp³ = πdv³/6

▪ Dimana αs dan αv adalah faktor LP dan V, sedangkan dp dan dv adalah

garis tengah ekuivalen permukaan dan volum untuk bola:

αs = πds²/dp² = 3,142

αv = πdv³/6dp³ = 0,524

▪ Perbandingan αs/ αv digunakan untuk mengkarakteristik bentuk partikel

▪ Jika partikel bulat, αs/ αv = 6,0

▪ Makin asimetris partikel, makin jauh harga perbandingan ini mencapai

harga min 6

Luas permukaan spesifik

✓ Luas permukaan per satuan volum (Sv) atau persatuan berat (Sw)

✓ Sv = LP partikel/ V partikel

= nαsd² / nαvd³ = αs / αvd (n = jml partikel)

✓ Sw = Sv/ρ

(ρ = kerapatan partikel sebenarnya)

✓ Sehingga Sw = α

s

/ρα

v

d

vs

(d

vssebagai garis tengah karakteristik vol-permukaan dari

permukaan spesifik)

Metode Pengayakan/Sieving Method

❖Metode sederhana

❖Digunakan secara luas utk analisa rentang ukuran partikel ❖Prinsip pengukuran:

o Ayakan seperti anyaman yg berlubang atau mesh elektrik bahan kuningan (logam-perunggu),atau stainless steel dgn diamater lobang yg diketahui dan berfungsi sbg penghambat /barier partikel .

o Disusun dlm bbrp tumpukan dgn muatan pd masing-2 lapisan dgn ukuran mesh terkecil diatas penampung dan berikutnya tersusun dgn tingkatan mesh yg berbeda

o Susunan pengayak biasanya tdr atas 6-8 ayakan dgn pergerakan antar diameter celah pengayak yg berdekatan adlh √2 or 2√2 .

Dengan bantuan grafik RRSB akan diperoleh tiga parameter yang berguna untuk menentukan sifat-sifat distribusi besar partikel yaitu:

1. Parameter d’_{merupakan titik potong grafik RRSB dengan garis r pada 36,8%, yang dijatuhkan tegak lurus}

pada sumbu x.

2. Paramater n (bilangan homogenitas) merupakan faktor arah (slope) dari garis lurus grafik RRSB yang diperoleh dengan menggeser sejajar grafik RRSB sampai memotong pol p, garis ini akan memotong pengukur pinggir pertama sebelah kanan atas. Makin besar harga n, maka partikel makin homogen, bila nilai n tidak berhingga, artinya garis ini tidak memotong pinggiran, berarti partikel isokorn atau isodospers.

3. Garis pengukur ke dua pada grfaik RRSB ini memberikan titik potong dengan garis lurus dan diperoleh parameter luas permukaan spesifik pulva tanpa dimensi.

Ok = O_v . d’ /f O_V = O_k /d’ _{. f ( cm}2 _{/ cm}3 _{) …. O}

m = Ok /d’ . f . 1/p

Untuk partikel yang berbentuk bola nilai f = 1 sehingga O_m = O_k /d’

Ket. :

O_V = Luas permukaan spesifik berdasarkan volume d’ _{= Besar partikel rata-rata}

Metode Sedimentasi

Prinsip pengukuran

Analisa ukuran partikel dgn metode sedimetasi dpt dikelompokkan atas 2 : 1. Berdasarkan Pengukuran partikel dlm zona retensi/retention zone.

2. Pengukuran non-retention zone.

Cont. metode non-retention zone measurement adalah metode pipet/ pipette method. • volume suspensi yg diketahui dialirkan dan perbedaan konsentrasi ditentukan seiring

terhadap waktu.

• metode populer dikenalkan dan dikembangkan oleh Andreasen dan Lundberg ; dikenal dgn Andreasen pipette.

➢ The Andreasen fixed-position pipette consists of a 200 mm graduate cylinder which can hold about 500 ml of suspension fluid.

➢ A pipette is located centrally in the cylinder and is held in position by a ground glass stopper so that its tip coincides with the zero level.

➢ A three way tap allows fluid to be drawn into a 10 ml reservoir which can then be emptied into a beaker or centrifuge tube.

➢ The amount of powder can be determined by weight following drying or centrifuging.

➢ The weight of each sample residue is therefore called the weight of undersize and the sum of the successive weight is known as the cumulative weight of undersize. It can be expressed directly in weight units or percent of the total weight of the final sediment.

➢ The data of cumulative weight of undersize is used for the determination of particle weight distribution, number distribution

❑ The largest particle diameter in each sample is then calculated from Strokes’ Law. V = ℎ 𝑡 = 𝑑𝑠𝑡2 𝜌𝑠−𝜌𝑜 𝑔 18𝜂𝑜 Atau dst = 18𝜂𝑜. ℎ/ 𝜌𝑠 − 𝜌𝑜 𝑔𝑡 Keterangan: v = rate of settling

h = Distance of the fall in time , t

d_st = the mean diameter of the particles based on the velocity of sedimentation ρ_s= density of the particles

ρ_{o =} density of the dispersion medium g = Acceleration due to gravity

Prinsip :

o terjadi perubahan tahanan listrik apabila suatu partikel disuspensikan dlm cairan yang mengkonduksi melalui lubang kecil yang memiliki elektroda dikedua sisinya.

o Volume suspensi cair dipompakan melalui lubang tsb.selama satuan waktu tertentu o Adanya tegangan listrik yg konstan → tjd aliran

o Saat partikel melewati lubang, akan menggantikan vol. elektrolit → tjd kenaikan tahanan kedua elektroda → berhubungan dgn volume partikel → pulsa tegangan naik → masuk dalam penganalisis tinggi pulsa yg dikalibrasi dlm bentuk ukuran partikel

Keuntungan:

1. Metode akurat dan tepat.

2. Rentang analisa lebar.

Kelemahan:.

1. metode rumit & biaya mahal.

2. Bisa terjadi kesalahan analisa bila 2 partikel secara bersamaan

melewati lubang kapiler, dan partikel dpt menyumbat lubang kapiler.

Metode Penentuan Luas Permukaan

1. Metode adsorpsi

▪ sejumlah zat terlarut/gas diadsorpsikan diatas sampel serbuk shg terbentuk lapisan tunggal (monolayer) → fungsi langsung luas permukaan

▪ partikel dgn luas perm.besar → adsorben yang baik

▪ permukaan adsorben → vol.gas diplot thd tekanan (temperatur konstan/isoterm II) ▪ lap.teradsorpsi monomolekuler pd tekanan rendah, mjd multimolekuler pd tek.lebih

tinggi

▪ alat : Quantasorb ▪ Pers. BET :

V : vol.gas (cm3_{) yg diadsorpsi per gram serbuk pd tekanan p, p}

0: tek.uap jenuh Nitrogen, b : konstanta

perbedaan pana adsorpsi dan panas pencairan adsorbat 0 0 ) 1 ( 1 ) (      b V b b V V _{m m} − + = −

2. Metode Permeabilitas Udara

▪ luas permukaan : prinsip tahanan thd aliran suatu cairan melalui sumbat dari serbuk kompak

▪ berbanding lurus; luas permukaan >, tahanan mengalir ↑

▪ permeabilitas utk tekanan yg diberikan turun sepanjang sumbat; berbanding terbalik dgn luas permukaan

▪ Pers. Poiseullie :

V : vol.udara yg mengalir melalui kapiler dengan diameter d dan panjang l dalam waktu t detik pada perbedaan tekanan (∆ P),  : viskositas udara (poise)





l

Pt

d

V

128

4



=

kerapatan partikel susunan pengepakan porositas bulkines • kerapatan sebenarnya • Kerapatan granul • Kerapatan bulk sifat aliran pengompakan (kompresi)

Porositas

▪ Suatu serbuk, jika ditempatkan dalam gelas ukur, dicatat volumenya, disebut : volume bulk (Vb)

▪ Jika serbuk tidak berpori (tidak mempunyai pori-pori dalam/pori internal atau ruang partikel, maka volume bulk terdiri dari : vol partikel padat sebenarnya + vol ruang antara partikel-partikel tsb

▪ Volume ruang ini dikenal sebagai volume rongga v dimana v = Vb – Vp. Vp adalah vol sebenarnya dari partikel-partikel tsb

▪ Porositas atau rongga є :

Perbandingan vol rongga terhadap vol bulk dalam sistem pengepakannya, dinyatakan dlm % ( x 100)

▪ Є = (Vb – Vp) / Vb = 1 – Vp/Vb

Susunan pengepakan (bola-bola berukuran sama)

▪ Paling dekat (rombohedral)

▪ Porostitas teoritis adalah 26% ▪ Partikel yang kecil dapat tersaring

antara partikel besar, shg porositas dibawah min 26%

▪ Paling longgar, sebagian besar terbuka atau pengepakan kubus

▪ Porositas teoritis adalah 48%

▪ Jika mengandung flokulat/agregat, terbentuk jembatan/lekuk, shg porositas dp diatas max 48%

Kerapatan partikel (berat part per satuan vol)

▪ Kerapatan sebenarnya

▪ Tidak termasuk rongga-rongga dan pori-pori di dalam partikel

▪ Kerapatan granul

▪ Ditentukan oleh perpindahan tempat air raksa, yang tidak mempenetrasi pada tekanan biasa ke dalam pori-pori lebih kecil dari 10 μm

▪ Kerapatan bulk

▪ Jika suatu zat padat tidak berpori, kerapatan sebenarnya dan kerapatan

granulnya identik, dan keduanya dapat diperoleh dengan perpindahan

tempat dari helium atau suatu cairan seperti Hg, benzen atau air

▪ Jika bahan berpori, mempunyai suatu permukaan dalam, kerapatan

sebenarnya terbaik diperkirakan dengan perpindahan tempat helium yang

mempenetrasi kedalam pori-pori terkecil dan tidak diadsorpsi oleh bahan

tersebut

▪ Porositas dalam partikel dari granul, bisa dihitung dari kerapatan sebenarnya dan kerapatan granul ▪ Є dalam partikel = (Vg – Vp)/Vg = 1-Vp/Vg = 1 - 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡/𝑘𝑒𝑟𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛𝑠𝑒𝑏𝑒𝑛𝑎𝑟𝑛𝑦𝑎 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡/𝑘𝑒𝑟𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙 ▪ Є dalam partikel = 1 – ρg/ρ = 1 - 𝑘𝑒𝑟𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙 𝑘𝑒𝑟𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑒𝑏𝑒𝑛𝑎𝑟𝑛𝑦𝑎

Dimana Vp : vol sebenarnya dari partikel padat, Vg : vol partikel bersama dengan pori-pori dalam partikel

▪ Ruang antara atau porositas celah dari suatu serbuk granul berpori adalah vol relatif celah-celah ruang antara dibandingkan dengan vol bulk serbuk, tidak termasuk pori-pori di dalam partikel

▪ Porositas ruang antara dihitung dari diketahuinya kerapatan bulk dan kerapatan granul: Є ruang antara = (Vb – Vg)/Vb = 1 – Vg/Vb

= 1 – ρb/ρg

▪ Serbuk berpori tersusun dari celah-celah antara partikel dan juga pori-pori

di dalam partikel

▪ Porositas total dinyatakan dengan :

є total = (Vb – Vp)/Vb = 1 – Vp/Vb

= 1 – (w/ρ) / (w/ρb)

= 1 – ρb/ρ

Perbedaan ketiga jenis kerapatan

▪ Dapat dimengerti lebih baik dengan acuan kebalikannya : vol spesifik

sebenarnya, vol granul spesifik dan vol bulk spesifik

▪ Vol spesifik sebenarnya dari suatu serbuk adalah vol bahan padat itu sendiri

per satuan massa serbuk.

▪ Vol granul spesifik adalah vol zat padat dan semua vol pori dalam partikel

▪ Vol bulk spesifik terdiri dari vol persatuan berat zat padat, vol pori dalam

partikel dan vol celah atau vol ruang antar partikel

➢ Jika cairan yang digunakan untuk mengukur tidak mempenetrasi sempurna ke dalam pori,

➢ vol spesifik adalah vol per satuan berat bahan padat itu sendiri dan bagian kecil dari vol pori dalam granul yang tidak dipenetrasi oleh cairan. Tapi jika dipilih cairan yang cocok, tidak ada perbedaan yang serius

▪ Diketahui 1 g sampel serbuk granul :

▪ Vol zat padat itu sendiri : 0,3 cm^3/g ▪ Vol pori dalam partikel : 0,1 cm^3/g ▪ Vol ruang antar partikel : 1,6 cm^3/g

Vol spesifik sebenarnya (V), vol spesifik granul (Vg) dan vol spesifik bulk (Vb) V = 0,3

Vg = V + 0,1 = 0,4

Vb = 0,3 + 0,1 + 1,6 = 2 Po ttl = 85%

Po antar ruang (ruang kosong antar partkel) = 80% Po dalam partikel = 25%

▪ Serbuk bulk analog dgn cairan non newton;

menunjukkan aliran plastik, dilatan, yg dipengaruhi gaya tarik menarik hingga derajat yg bervariasi, shg serbuk bisa mengalir bebas (free-flowing).

▪ Dipengaruhi oleh : ukuran partikel, porositas dan kerapatan, kehalusan permukaan.

▪ Partikel dgn ukuran relatif kecil (< 10µ), aliran part.melewati lubang terbatas krn adanya gaya lekat antara partikel yg sama besarnya dgn gaya gravitasi.

▪ Serbuk yg mengandung partikel kecil/halus, sifat aliran dpt diperbaiki dgn menghilangkan fines atau diadsorpsi pada partikel besar.

▪ Aliran jelek dpt disebabkan kelembaban, shg pengeringan partikel akan mengurangi daya lekatnya.

▪ Partikel panjang/flat : pengepakan cenderung longgar → porositas serbuk tinggi

▪ Partikel dgn kerapatan tinggi dan porositas dalam rendah → cenderung bebas mengalir; dpt dikurangi dgn permukaan yg kasar → aliran jelek akibat gesekan dan pelekatan

▪ Serbuk bebas mengalir ≈ debu, disebut dustility (kebalikan kelekatan/stickines)

▪ Dustibility berkaitan dgn keseragaman serbuk saat ditaburkan pada kulit dan daya lekat serta kohesifitasnya.

▪ Serbuk/granulat dgn sifat alir tdk baik akan memberikan kesulitan saat prosessing karena kecendrungan pemisahan serbuk dan menyebabkan penurunan berat tablet saat akhir kompresi

▪ Menurut Neumann; serbuk yg dikompakkan pada tekanan 5kg/cm2 _{mempunyai porositas}

serbuk (partikel-partikel kaku) lebih tinggi dibandingkan porositas serbuk pd pengepakan yg sangat berdekatan ≈ serbuk dilatan

▪ Partikel halus dan berpori ; akan terurai saat dikompresi karena porositas lebih rendah dibanding kondisi saat berdekatan

▪ (Higuchi, dll) ; mempelajari pengaruh gaya kompresi thdp: luas permukaan spesifik, kerapatan granul, porositas, kekerasan tablet, waktu desintegrasi

▪ Kekuatan tablet kompresi dipengaruhi: - gaya kompresi

- ukuran partikel