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喷雾干燥的基本概念及其设备在制药生产的应用

撰稿人:查国才改编  备注:原作查国才  发布时间:2009年2月2日  阅读次数:6423
 
(常州一步干燥设备有限公司,213116)
摘  要:从喷雾干燥的基本概念入手,分析了几种型式喷雾干燥的区别,同时阐述了喷雾干燥设备的特点。
关键词:喷雾干燥,制药工业,区别,设备特点
 
    喷雾干燥的定义:将溶液、乳浊液、悬浊液等形态的浆料在热风中喷雾成细小液滴,在它落下过程中,水分被蒸发而成为粉末状或颗粒的产品。喷雾干燥在制药工业应用已有几十年的历史,经过多年的研究和发展,从当初简易的喷雾干燥发展到当今多功能、组合型及高效性的喷雾干燥。然而,不同型式的喷雾干燥设备所呈现的性能和应用面也不同。
 
1.喷雾干燥的基本理念
1.1喷雾干燥的基本原理
    在干燥塔顶部导入热风,同时将料液泵将料浆送至塔顶,经过雾化器喷成雾状的液滴,液滴群的表面积增大,其与高温热风接触后水分迅速蒸发,在极短的时间内便成为干燥产品,从塔底排出。其中,热风与液滴接触后温度迅速降低而引起湿度增大,作为湿热废气由排风机抽出,废气所夹带细粉用分离装置回收。
    整个干燥分为等速和减速二阶段。在等速阶段,水分蒸发是在液滴表面发生,蒸发速度由蒸汽通过周围气膜的扩散速度所控制,其动力是周围热风与液滴的温度差,温度差越大蒸发速度越快,水分通过颗粒的扩散速度大于蒸发速度。尔后,当扩散速度降低而不能再维持颗粒表面的饱和时,蒸发速度开始减慢,干燥开始进入减速阶段。在减速阶段,颗粒温度开始上升,干燥结束,此时物料温度接近周围空气温度。
 
1.2喷雾干燥中雾化器的型式与比较
    喷雾干燥的型式分类有多种,按流程可分为:开放式、封闭循环式、自惰循环式和半封闭循环式;按喷雾和气体流动方向分为:并流型、逆流型及混合流;按雾化方法可分为:离心式、压力式和气流式。其中,雾化方法分类是常用可见的方式,下文重点谈雾化器。
1.2.1雾化器的作用与特点
1.2.1.1雾化器的作用
    其是整个喷雾干燥的心脏,它直接影响到产品的质量和经济指标。雾化器分散度越高,干燥效率越大;雾化越均匀,产品的含水量变化越小。因此,雾化器既要保证料液的分散度,又要使粒度变化控制在*小限度。
1.2.1.2雾化器的特点
    (1)离心式雾化器
    离心式雾化:料液在高速转盘(圆周速度90~160m/s)中受离心力作用从盘边缘甩出而雾化。其是利用高速旋转盘作用,当液处注入盘面时,液体受到二种力作用,一是离心力和重力作用下得到加速而分裂雾化;二是液体和周围空气同时接触面处,存在摩擦力促使形成雾滴。前者为离心雾化,后者为速度雾化,实际上这二者是同时存在的。离心式雾化器的雾化效果与料液特性、流量、圆盘形状直径及速度直接有关。离心式雾化特点:1)直接分裂成液滴,当料液流量较少时,料液受离心力作用,在圆盘周围隆起成半球状,其直径取决于离心力和料液粘度及表面张力。当离心力大于表面张力时,圆盘周边的液滴立即被抛出而分裂雾化;2)丝状割裂成液滴,当料液流量较大而转速加快时,半球状物料液被拉成许多丝状射流。液量增加,圆盘周边的液丝也增加,如果液量达到一定数量后,液丝变粗,而丝数不再增加。抛出的液丝极不稳定,在离周边不远处即被分离成球状小液滴;3)膜丝分裂成液滴,当料液流量继续增大时,液丝数量与丝经均不再增加,液丝间互相并成薄膜,抛出液膜离圆盘周边一定距离后,被分裂成分布较广的液滴。若液体在圆盘表面滑动能减到*小时,则可使液体高速喷出,在圆盘周边与空气摩擦而分裂雾化。
    (2)压力式雾化器
    用高压泵使液体获得高压,高压液体通过喷嘴时,将压力能转变为动能而高速喷出时分散为雾滴。当液体从单一孔中经加压后获得的雾化,这是由于受外力作用,液体从喷嘴出口处不远的距离,克服表面张力,从液膜分裂成细线,加上湍流径向分速度和周围空气相对速度的影响,使液线再分裂成大小不同的液滴,压力式雾化器也是从此原理出发的。压力式雾化器的特点:1)结构简单,操作无噪声;2)改变喷嘴内部结构,易得到所需的雾化形状;3)大规模生产可采用多喷嘴喷雾。压力式雾化器的缺点:1)生产过程中流量无法调节;2)喷嘴喷孔口径小于1mm时,易产生堵塞;3)不适用粘度高的胶状料液及有固相分解的悬浊液喷雾;④喷嘴易磨损。
    (3)气流式雾化器
    气流式雾化(又称二流体喷雾),采用压缩空气以很高的速度从喷嘴喷出(≥300 m/s),依靠气液两相间的速度差所产生的摩擦力,使料液分裂为雾滴。其利用蒸汽或压缩空气的高速运动,使料液在喷嘴出口处相遇而产生液膜分裂并雾化。由于料液速度不大,而气流速度很高,这二种流体存在着的相对速度,液膜被拉成丝,然后分裂成细小雾滴,雾滴大小取决于相对速度和料液粘度。气流式雾化有局限性,只有在热空气温度高于300℃时采用蒸汽喷射才有意义,一般使用蒸汽压力为0.3-0.7MPa,使用压缩空气压力为0.2-0.5MPa时,液滴平均直径为10-60μm。
1.2.2以雾化器分类的喷雾干燥比较
    以雾化器分类的喷雾干燥比较如表1所示。


1.3
喷雾干燥的特点
1.3.1干燥过程中液滴的温度不高,产品质量好
    喷雾干燥所使用的温度范围广,即使采用高温热风,其排风温度仍不会高。在干燥初期,物料温度不超过周围热空气的湿球温度,所干燥产品质量较好。它在制药工业应用意义在于:不容易发生蛋白蛋变化、维生素的损失或氧化等缺陷,对热敏性药物的质量基本接近真空干燥的标准。
1.3.2干燥后产品具有良好的分散性、流动性和溶解性
    由于干燥过程是在洁净空气中完成的,产品基本上能保持与液滴相近似的球状,故之。
1.3.3干燥速度*迅速
    料液喷雾后,表面积增大,在高温气流作用下,能瞬间蒸发掉95%~98%的水分,完成干燥时间一般仅需10~40s(相对1l料液而言)。
1.3.4过程简单、控制方便及适用连续规模生产
    喷雾干燥常用于含湿量40%~60%的物料,特殊物料可高达90%,可不经浓缩也能一次干燥成粉体。喷雾干燥后产品大都不需再进行粉碎或筛选工序,从而使整个生产过程简单化。同时,能在一定范围内可改变操作条件来控制产品的粒径、松密度和水分等性能指标。此外,由于干燥产品能连续排料,故喷雾干燥能适用连续规模生产。
1.3.5整个操作密闭性,适用于洁净生产区域
    由于喷雾干燥操作在密闭的塔内进行,避免了交叉污染和粉尘飞扬,适合于制药工业中原料药生产,特别是无菌原料药的生产。
1.3.6喷雾干燥的不完善之处
    喷雾干燥的不完善之处:一是当热风温度低于150℃时,热容量系数低(相应蒸发强度低),故塔的体积会变大;二是废气中夹带的约15%左右微粉需高效分离收集装置。
 
2常用喷雾干燥设备在制药工业的应用
    喷雾干燥可广泛应用于原料药的生产,可应用品种有:阿莫西林、安比西林、阿可匹林、双氢链霉素、卡那霉素、氨苄青霉素、青霉素类、四环素、链霉素、琥氯霉素、磺胺噻唑、维生素A、维生素E、维生素B12、氢氧氯化铝、淀粉酶、硫酸钡、乳酸钙、泛酸钙、荷尔蒙、左旋赖氨酸、烟酸、蛋白酶、芦丁衍生物、肝精等。
    以下结合一步公司的几种喷雾干燥设备在制药工业应用特点,作一简述,能使使用者有更好了解,也使一步公司的产品更好应用与服务于制药工业。
 
2.1LPG高速离心喷雾干燥机
    LPG高速离心喷雾干燥机*适用于从溶液、乳液、悬浮液和可塑性糊状液体原料中生成粉状、颗粒状或块状固体产品。因此,当成品的颗粒大小分布、残留水分含量、堆积密度和颗粒形状必须符合*的标准时。
    工艺流程如(如图1所示),空气经过滤后加热,由干燥器顶部空气分配器分配进入干燥室。料液经离心雾化器喷雾成极细微的雾状滴,与热空气并流接触在极短的时间内可干燥成成品。成品连续地由干燥塔底部和旋风分离器中收集,废气由风机排出。
    LPG高速离心喷雾干燥机特点:(1)干燥速度快,料液经雾化后表面积大大增大,在热风气流中,瞬间就可蒸发95%-98%的水分,完成干燥时间仅需数秒,特别适用于热敏性物料的干燥;(2)产品具有良好的均匀度、流动性和溶解性,产品纯度高,质量好;(3)生产过程简化,操作控制方便。对于含湿量40%—60%的液体能一次干燥成粉粒产品,干燥后不需粉碎和筛选,减少生产工序,提高产品纯度。对产品粒径、堆积密度、水分,可通过改变操作条件进行调整,控制和管理方便。
 
2.2WPG无菌喷雾干燥机
    WPG无菌喷雾干燥机是医药工业无菌粉针剂生产的主要设备,抗生素药品如硫酸链霉素、卡那霉素硫酸盐等,在其生产过程中都要使用无菌喷雾干燥来制造成品。在无菌喷雾干燥系统中,所有进入系统的物料和空气都必须除菌过滤。产品的收集也必须在无菌室内进行,对喷雾用的压缩空气也需净化后方能使用。
    工艺流程如(如图2所示),干燥空气经初效、中效,高效三级过滤净化,经加热器加热与物料雾化传热传质,干燥后的成品和湿热空气由旋风分离。成品在无菌室净化工作台收集包装,尾气经袋式滤尘器捕集后排空。
    装置采用二流体气流喷雾器,结构简单,气流分布好,雾化均匀,能达到无菌喷雾要求。喷雾塔内设清扫装置,便于清理塔壁附粉。热空气净化选用初效,中效和高效三级过滤系统,故空气净化质量高,达到GMP药品生产要求。
 
2.3ZLG中药浸膏喷雾干燥机
    ZLG中药浸膏喷雾干燥机采用全封闭形式,所有部件均采用不锈钢制造,配有三级净化装置,过滤后的空气达十万级要求,筒体与顶部装有冷却装置,使壁温达〈80℃,物料在塔壁上停留不焦化变质,增加了收粉率(达95%以上)。
    基本原理:中药浸膏高速离心喷雾装置是离心式喷雾干燥技术在特定物料干燥中的应用,也是利用高速离心式雾化器使物料分散成雾状,与热空气充分接触,完成瞬间干燥,形成粉状成品的干燥装置。
    中药浸膏专用干燥机是中药浸膏和提取液的喷雾干燥机,它解决了物料在原LPG高速喷雾干燥机在中药中出现的以下情况:(1)物料粘壁,收粉率低;(2)物料在塔壁上停留时间产生焦化变质现象;(3)难以清洗,不符合GMP要求;(4)产量低,如LPG-150型喷雾干燥机,其产量只能处理50-60kg/h料液。
    鉴于以上状况,我公司根据中药浸膏的物料性质与工艺要求设计中药浸膏干燥机,设计中药浸膏的干燥造粒工艺(如图3所示),干燥后的物料颜色好、不变质、提高了设备使用的经济效益,中药浸膏与LPG高速离心喷雾干燥机相比有以下特点:(1)采用了三级空气过滤净化度,达到30万级;(2)采用了冷却装置,使内壁温度达到80℃,物料在壁上停留过滤不“焦化”;(3)整个体积是原LPG标准离心喷雾的3.5倍;(4)采用快开清洗装置,适用于多品种生产要求;(5)除尘采用了湿法除尘,使粉尘无外出,符合环保要求,同时采用气扫装置,其效果更令人满意;(6)提供雾化器2台,并采用变频调速;(7)采用了PLC控制,程控系统屏幕显示;(8)采用干空气密封闭输送。

2.4 PGL系列喷雾干燥制粒机
    PGL系列喷雾干燥制粒机有B型/C型二种,PGL-B喷雾干燥制粒机集喷雾干燥/流化制粒于一体,实现液态物料一步法制粒;PGL-C喷雾干燥制粒机集混合、喷雾干燥、制粒、颗粒包衣多功能于一体。
    PGL-B喷雾干燥制粒机采用喷雾工艺,特别适用微生物料、热敏性物料,功效比FL沸腾制粒机高1—2倍;产品终水分可达0.1%,配备返粉装置,成粒率≥95%,可制0.2-2mm颗粒。同时,改进设计的内混式多流体雾化器,可处理浸膏比重达1.3g/cm3。PGL-B喷雾干燥制粒机可适用于片剂、冲剂、胶囊剂颗粒,也可适用低糖、无糖的中成药颗粒。
    PGL-C喷雾干燥制粒机可进行片剂、冲剂、胶囊颗粒制备,缓释颗粒制备,低糖、无糖、小剂量颗粒制备等。制出的颗粒速溶、冲剂易于溶化、片剂易于崩解,利用液态物料作为润湿粘合剂,可节约大量乙醇溶媒。设备在密闭负压下工作,内表面光洁、无死角、符合GMP要求;整个干燥空间温度均匀、配套多流体雾化器、可有效提高生产效率并保障产品质量;自动化程度得到进一步提高,操作简单,可有效保障产品质量的稳定性。

2.5 YPG压力式喷雾干燥造粒机
    YPG压力式喷雾干燥造粒机是将料液压入位于塔体顶部的喷嘴雾化成微小雾滴,同塔顶热风平行而下完成干燥。YPG压力式喷雾干燥造粒机的工艺流程如(如图4如示),该机具有收尘率高,无粘壁、节能高效等特点,特别适用于热敏性物料如中药浸膏、药胶、酵母、维生素、抗生素、淀粉酶、脂肪酶等干燥。
 
2.6 QPG气流喷雾干燥机
    QPG气流喷雾干燥机的工艺流程如(如图5所示),洁净空气加热后进入干燥塔,在塔内热风中用二流体(或三流体)喷嘴将各种料液雾化成微小液滴,与热风进行快速热交换,蒸发掉液料中的水分(或溶剂),并随热风排出,得到粉状产品。QPG气流喷雾干燥机尤其对粘性大、膏状、浆糊状物料效果佳,其它设备无法替代。该产品属实验型多品种、低温干燥应用广。其喷嘴结构简单,维修方便,运行费用较高。
 
3 小结
    本文从喷雾干燥的基本概念入手,使人们对不同型式喷雾干燥有更进一步的了解。同时,对一步公司近年来研发的喷雾干燥设备的特点作了综合性简述。而喷雾干燥这门技术有着其特殊性,不同的产品具有不同的干燥工艺和粉粒规则,没有能适用各种不同要求的单一喷雾干燥机型。喷雾至今仍被视作一种技艺,实验是正确造型的基础。一步公司有实验设备专供用户进行物料的工艺性试验,同时也能完成此类设备的交钥匙工程。本文写此文的目的是为喷雾干燥系列设备能为我国制药工业更好服务,也期待同行有更新、更好的喷雾干燥设备的问世。

参考文献:
金国淼等,干燥设备,化学工业出版社,2002
 
查国才,江苏常州人,常州一步干燥设备有限公司总经理,工程师,主力研究:喷雾与沸腾干燥设备技术及其制造
 
本文改编于:查国才. 喷雾干燥在制药工业应用的区别及其设备的特点.中国制药装备[J].总12期.2005(6)
 
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