流化床干燥实验装置

干燥设备在医药上的发展领域 现在我国医药工业的飞速发展，在医药上的干燥设备技术在市场上也取得很大的进步。国内干燥设备不管是在结构、功能还是质量都有了显著的改善和提高。设备除了在国内制药企业需要外，还有一部分设备还走出国门，远销海外。这些都说明，中国医用干燥设备这个行业的潜力是很大的，中国的干燥设备技术正在逐步走向成熟，其中流化床干燥设备就是这样。 1 流化床的定义利用流态化技术对流体或固体颗粒进行物理或化学加工，如干燥、浸取、吸附和离子交换、颗粒混合等，流化床干燥就是其中之一。流化床干燥设备的工作原理：干燥时先将颗粒状的湿物料加入到多孔分布板上，热空气由多孔分布板的下部送入，控制速度，使颗粒松动并向上浮动，并部分悬浮于气流中。由此形成的气固混合物被热风加热至干燥状态。与其他干燥类方式相比，流化床干燥具有：颗粒原料可以轻易地流化、输送加工；对干燥热敏性产品可避免局部物料过热，适应性强。不降解产品的分子量，不破坏产品的物化特性；由于流化床能给物料和流体介质提供较大的接触面积，使物料均匀混合并进行充分的传热和传质，因此具有极高的热效率；流化床内可设管束型或平板型的热交换器，用于间接加热或冷却，能使物料在较低温度下得到较高的蒸发速度，明显节约能耗，减少废气净化设施；干燥和冷却能在一台组合式流化床中有效的进行，因而既节省投资又降低生产成本；自动采集各段干燥介质温度、床面负压等重要数据，实现电脑控制，满足干燥工艺的要求；流化床适用于平均粒度在50～5 000 um的粒状、粉状、块状的产品，故尤其适用于药品类物料的干燥作业。2 发展沿革我国流化床技术的发展经历过三个不同历史时期。改革开放前，我国基本上没有正规的工业化生产，个别生产企业、设计研究院（所）、大专院校等单位设计生产了一部分圆筒式或卧式多室流化床，并已开始接触振动流化床和惰性粒子流化床。据不完全的调查结果显示，到1971年，全国使用流化床的企业已有40多家，分布在化工、轻工、制药等行业，涉及到的物料有聚四氟乙烯、涤纶颗粒、氯化铵、水杨酸钠、无水亚硫酸钠、氨基匹林、土霉素、催化剂等数十种。但由于当时国内专业化生产水平有限，新技术的推广只能在行业内小范围进行，发展速度和规模均受到限制。改革开放初期，国家提倡鼓励引进先进技术，国内的化工、医药、食品等行业，引进了一大批代表当代先进水平的流化床干燥机，如黑龙江安达乳品厂引进的喷雾+振动流化床双级干燥系统，辽阳石化、燕山石化、齐鲁石化等引进的多室流化床和气流+流化床双级干燥装置，湖北应城盐矿、天津碱厂引进的振动流化床，营口盐场引进的内热流化床，北京药厂等引进的流化床制粒干燥设备，吉林盘石农药厂引进的搅拌流化床等。这些先进设备的引进，极大地开阔了国内干燥行业的视野，促进了产品的革新换代。与此同时，国内干燥行业的一些企业也迅速采取引进、横向联合、消化吸收等手段，加大新产品开发力度。3 药用流化床干燥设备产品市场概况我国药用干燥设备产品市场发展很快，就流化床干燥设备而言，目前国内绝大多数干燥设备生产厂家都能生产多种类型的流化床干燥设备，产品的技术水平则参差不齐，除了供应国内药厂使用外，还被广泛应用于食品、化工、轻工等工业领域。从生产厂家分布情况看，大致集中在江苏、浙江、上海、重庆和东北地区。其中尤以江苏常州地区为甚，这一区域集中了几百家干燥设备生产厂家，而且几乎家家都具有生产流化床干燥设备产品的能力。4 市场调研简况为了进一步了解国内药用流化床干燥设备产品及市场情况，近期，我们通过发调查函、电话咨询、网上查询及与一些业界人士的交流，对目前国内生产药用流化床干燥设备的企业、产品在用情况做了一些调查。从网上不完全搜寻到国内生产此类设备的厂家达150多家，其中江苏常州地区的干燥设备生产企业特别集中，占据了“半壁江山”，其他地区也有，如江苏靖江地区、浙江地区、上海地区、山东地区、东北地区等，但像常州地区集中度如此之高的绝无仅有。我们对国内的部分药厂（其中不乏知名药厂）的设备管理部门发放了一份简单的调查问卷，回复的结果涉及了15家药机生产厂家的41台药用流化床干燥设备。其中国产设备38台，进口设备3台。15家中既有常州地区和重庆地区的干燥设备制造企业，也有其他地区的厂家，另外还有德国GLATT公司、德国基伊埃公司。我们对用户反馈的流化床干燥设备在用情况（质量、性价比、售后服务）作了一个简单的综合评价。质量方面：“优”占16.67%，“中”占75%，“差“占8.33%；性价比方面：“高”占16.67%，“中”占75%，“低”占8.33%；售后服务方面：“优”占16.67%，“一般”占70.83%，“差”占12.5%。对进口设备的评价较高，国产设备中性评价的居多。具体评价有：（1）质量不错，性价比较高，设备带变频控制，可实现半自动和全自动控制。（2）质量还行，基本未出大问题，小问题时有但未影响生产。（3）质量还行，总体感觉不错，研发配合也不错，设备使用至今尚未遇过大修，等等。在不足之处方面，他们对一些设备也提出了一些建议，如产品的设计和制造方面还应作进一步的改进和提高、加强设备的节能设计。5 当前国内药用流化床干燥设备产品技术上还存在的一些亟待解决的问题药品生产工艺技术的快速发展带动了制药机械的空前繁荣，药用流化床干燥设备的产品技术也随之“水涨船高”。由于流化床干燥方式所固有的优势及设备技术的不断完善和提高，其在制药工艺中得到了越来越多的推广和应用，但是，其应用有一定的限止性，如：对被干燥物料的颗粒度要求较为严格，粒度太小易被气流夹带，粒度太大不易流化；当几种物料混在一起干燥时，则要求几种物料的相对密度应接近；一般不适用含水量过高易结团的物料，否则易发生结壁或堵床的现象，等等。但瑕不掩瑜，流化床干燥设备以其优良的性能已经越来越多的得到了认可，其在制药生产中的广泛使用也就不奇怪了。6 从流化床干燥设备看国内市场前景我国干燥设备的运用已有几十年的历史，但大规模地研究开发则只有短短的20多年。经过广大工程技术

[align=center][size=16px][b]流化床在线设备改造[/b][/size][/align]常规的顶喷式制粒流化床的主要组成系统分为温度控制系统、喷雾系统以及其他控制系统等。主要的结构有底锅、喷嘴、空气进出口、滤袋、取样口等，需要调整的工艺参数比较少，因此操作比较简单。在制粒过程中，粘合剂在蠕动泵和压缩空气的作用下经过喷嘴喷到处于流化状态的物料上，使得粉末在粘合剂的作用下和周围粉末聚并成粒子核，粒子核与粒子核之间慢慢形成比较大的颗粒。继续向流化床内部喷入粘合剂，使得颗粒和颗粒之间，颗粒与粒子核之间发生聚并作用形成更大的颗粒。同样，粘合剂喷入量过少，在进风量和温度等工艺参数的影响下，聚并的颗粒也会破碎，变成小颗粒和小的粒子核。颗粒生长过程如下。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/09/202009031750279617_8904_3890113_3.jpeg[/img]本实验采用的是山东新马制药装备有限公司的实验型流化床（LGL 002），设备实物图如上图。此流化床设备操作简单方便，但是缺乏信息采集装置，不能及时准确地得到颗粒的水分含量，而且制粒过程中需要进行操作的实时工艺参数数据也不能够及时记录，这样就无法对每一时刻的工艺参数数据与颗粒的水分含量进行关联分析，影响颗粒水分含量的关键工艺参数不能掌握，对制粒工艺也就不能有更为充分的理解。为了及时获取相关的颗粒水分信息和工艺参数信息，需要对流化床进行改造。安装[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url]为了获得流化床制粒过程中颗粒的实时水分数据，需要在流化床设备上添加[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url]用于实时在线获取颗粒的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]数据。NIRS在线分析光谱采集方式主要有接触式和非接触式两种，非接触式主要通过从流化床的视镜进行对颗粒的采谱，接触式是将近红外探头安装到流化床底锅内部，直接与颗粒接触进行采谱。本文选用微型[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url](MicroNIR PAT-U)在流化床制粒过程中采集颗粒的光谱数据进行水分含量的在线监测。与传统的近红外仪器相比，MicroNIR PAT-U体积较小、方便携带、质量较轻，对生产过程不会产生太大影响，因此在实际生产中适合用来对颗粒进行监测。温度对近红外仪器具有较显著的影响[50]，同一个仪器在不同的温度条件下采集到的光谱也会所差异。流化床内温度比较高，并且随着实验过程物料温度在不断变化，如果直接将近红外探头与物料进行接触，采集到的光谱会有较大的误差，对实验结果的准确性也会产生影响。因此，为了尽可能地减少温度对近红外仪器的影响，将MicroNIR PAT-U外接探头，让近红外仪器不与物料直接接触，从而可以采集到较为稳定和准确的光谱数据。MicroNIR PAT-U与探头的连接方式为螺纹连接，在距离探头顶端与底锅厚度相同的地方安装材料为聚四氟乙烯的密封圈，保证采集光谱过程中的密封性与可靠性。MicroNIR PAT-U和探头的整体安装图如下图所示。为了采集颗粒的光谱，要将近红外探头伸入流化床内部，这就需要在流化床的底锅上进行打孔，孔的直径要比探头的直径大0.2~0.3mm，使得生产过程中探头不会发生晃动，保证光谱采集位置的一致性。孔的位置要尽量与取样口保持在同一条水平线上，这样可以减小近红外仪器采集的光谱数据与物料离线测量的数据在外部环境条件下的差异，尽可能减少采集数据的误差。探头具体的安装位置如下图所示。近红外探头吹扫装置在物料未成粒之前，粉末状的物料具有很强的粘附性，随着实验的进行，粉末会粘附在近红外探头上，从而对光谱的正确性产生严重的影响。这就要求在制粒过程中及时地清除掉粘附在探头上的粉末以消除这种不利影响。然而，频繁地把探头拿出来手动擦净不但会影响探头地使用寿命，而且由于光谱地采集是一个连续的过程，这样做反而会更加影响光谱数据的准确性。因此，流化床上安装近红外探头吹扫装置是非常有必要的。上节已经提到，近红外探头伸入流化床的长度与底锅的厚度一样，因此，近红外探头与底锅内壁是平行的。在近红外探头孔内径的下方孔壁上开一个直径为5mm的小孔，设计一个端部带螺纹的空心装置，外部接上吹入压缩空气的橡胶管，用于在制粒过程中对探头的吹扫，使物料尽量少的粘附在探头上。吹扫装置的原理示意图及安装实物图如图所示。吹扫装置要设置适当的吹扫频率和吹扫时间，并不是频率越快、时间越长越好。吹扫频率太快，每次吹扫时间过长，可能在探头采集光谱的时间段，刚好物料被吹扫装置吹跑，使得近红外探头实际采集的为空气的光谱，这会对结果造成较大的误差。近红外探头采集光谱的时间大约在2s左右，因此设置吹扫装置的脉冲频率设置在15s吹一次，每次吹1s为最适宜频率。工艺参数采集装置流化床制粒过程中使用的工艺参数比较少，因此每个工艺参数都对颗粒质量属性产生重要的影响。在制粒过程中，流化床的主要工艺参数有雾化压力、蠕动泵流量、进风温度、排风温度、进风量和物料温度。为了获取这些工艺参数数据，需要在流化床的相应位置上安装风量传感器、温度传感器、流速计、压力表等。流化床工艺参数采集装置的原理示意图如下图所示。进风温度、排风温度、风量的传感器，流量计和压力表都是安装在流化床系统内部，只有物料温度传感器需要在制粒的过程中将传感器加入到流化床内部。物料温度传感器采用热电偶式，为了测量流化床制粒过程中物料的温度，也需要在底锅上进行打孔，使温度传感器伸入到流化床内部，通过与物料直接接触的方式感受物料的温度并转换成可用于输出的信号。传感器孔的位置尽可能与近红外测量的位置在同一水平线上，保证测量的物料温度与近红外探头测量的物料是同一状态下的。物料温度传感器如下图所示。 [img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/09/202009031750281516_7229_3890113_3.png[/img][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/09/202009031750284280_7065_3890113_3.png[/img]物料温度传感器暴露在外部，容易受外部环境的影响。为了确保传感器的稳定性和可靠性，保证在制粒过程中传感器不会发生晃动，需要对物料温度传感器增加固定装置。采用管夹作为温度传感器的增固装置，如上图所示。