用于制藥工業(yè)的消泡裝置研究進(jìn)展

起泡是制藥工業(yè)中普遍存在的一個(gè)過程現(xiàn)象。雖然泡沫在改善藥物溶解性，提高藥物遞送能力和增加藥物生物利用度等方面發(fā)揮著重要作用[1]，但是，在中藥和天然藥物、化學(xué)藥物和生物藥制藥領(lǐng)域中，泡沫的產(chǎn)生也會(huì)造成藥液有效成分流失、設(shè)備的污染與繼而引發(fā)的設(shè)備工作體積的減少，以及可怕的暴沸等問題[2,3]。所以，有效消除制藥過程中冗余的泡沫對(duì)于提升制藥工業(yè)水平至關(guān)重要。目前，在制藥工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍的泡沫消除方法有機(jī)械消泡法、物理消泡法、化學(xué)消泡法及自然消泡法。機(jī)械消泡法主要利用旋轉(zhuǎn)的方法改變作用于氣泡上的壓力和剪切力，從而達(dá)到消除氣泡的目的。這種方法操作簡(jiǎn)單且綠色經(jīng)濟(jì)環(huán)保，廣泛應(yīng)用于制藥行業(yè)中。其采用的機(jī)械消泡裝置主要包括離心籃式、旋轉(zhuǎn)式、折流板式或篩板式[4]。物理消泡法是通過加快液膜中流體的流失速率、氣泡之間的擴(kuò)散速率或改變表面張力的方法使泡沫破裂，主要種類有溫差式消泡、聲波式消泡、液體噴射式消泡及真空泵式消泡[5]?；瘜W(xué)消泡是通過添加消泡劑從而達(dá)到消泡的目的，由于消泡劑的使用可能會(huì)破壞藥液穩(wěn)定性或和藥液成分發(fā)生反應(yīng)，所以這種方法在制藥工業(yè)應(yīng)用較少。自然消泡法是利用泡沫液膜液體的不斷流失造成氣泡液膜破裂或氣泡間氣體擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)氣相和液相分離，這種消泡方法周期較長(zhǎng)，效率較低，在實(shí)際應(yīng)用中也比較少。本文重點(diǎn)圍繞基于機(jī)械消泡法和物理消泡法研制和開發(fā)的消泡裝置，對(duì)它們?cè)跀嚢?、提取、萃取、濃縮和包裝環(huán)節(jié)中有關(guān)泡沫消除方面的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比介紹，以期為制藥工業(yè)領(lǐng)域泡沫消除裝置的開發(fā)提供技術(shù)參考。Part1、攪拌

攪拌是制藥工業(yè)中的一道重要工序，是混料、提取濃縮、發(fā)酵等過程中的重要反應(yīng)條件。常見的機(jī)械式攪拌器利用高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪飛速旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到對(duì)料液攪拌的目的。但是在攪拌的過程中，由于氣流的引入或料液本身的起泡性質(zhì)，容易發(fā)生起泡。此時(shí)，料液在攪拌器的作用下會(huì)與容器壁發(fā)生激烈沖擊，這一沖擊離心作用會(huì)使與容器壁接觸的部分泡沫碎裂，但是在攪拌器的渦旋中心還會(huì)產(chǎn)生大量泡沫。針對(duì)這部分泡沫的快速消除，羅文成等[6]在攪拌槳上通過鐵絲設(shè)計(jì)連接了浮球，這樣攪拌裝置在運(yùn)行時(shí)，鐵絲會(huì)被拉直繼而產(chǎn)生足夠的剪切力來消除泡沫。這一消泡裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能有效防止泡沫外溢，但對(duì)泡沫的消除能力是有限的，只能滿足實(shí)驗(yàn)室級(jí)的小型攪拌裝置消泡使用。在此基礎(chǔ)上，沈劍強(qiáng)等[7]在攪拌桿的第一端與第二端之間設(shè)置有凸起的消泡組件（如圖1所示)。這一組件可以通過浮力作用漂浮于物料表面，同時(shí)也能通過重力作用給物料液面以擠壓作用力，從而達(dá)到消除泡沫的目的。這一裝置的巧妙之處在于凸起設(shè)計(jì)，在攪拌過程中，物料中的氣泡會(huì)逐漸上升與第一表面接觸，并不斷向第一表面邊緣集中，這樣氣泡就會(huì)不斷被消泡組件擠破，使裝置最終達(dá)到消泡的目的。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，能夠在完全密閉且不需借助外力的情況下進(jìn)行消泡，可適用于多種制藥工業(yè)攪拌場(chǎng)景中。而且該裝置還可加裝液位檢測(cè)器，能夠在液位過低時(shí)發(fā)出警報(bào)。圖1有凸起的消泡組件示意圖[7]Part2、提取

提取是獲取中藥和天然藥物有效活性成分的重要工序。在提取過程中，一些富含多糖、皂苷、蛋白質(zhì)等組分或黏度較大的料液極易產(chǎn)生泡沫，如果不加以控制和消除，這些泡沫便會(huì)隨著料液引入到下游的濃縮蒸發(fā)裝置中，對(duì)濃縮蒸發(fā)效率及設(shè)備帶來不利影響。白新玲，李現(xiàn)峰[8]兩人在帶有攪拌器的反應(yīng)釜中設(shè)計(jì)加裝了一種消泡裝置，用于消除藥液在提取和反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的泡沫。該消泡裝置由固定在攪拌軸上的撥板和固定在釜壁上的隔板組成，撥板的作用與上述介紹的加裝在攪拌桿上的浮球或凸起組件功能類似，既能防止氣泡外溢，同時(shí)也能起到些許擠壓泡沫的作用。但在本裝置中，撥板更重要的作用是通過控制泡沫的高度從而將泡沫引流至外部引流室。引流室中設(shè)有消泡針，當(dāng)該裝置運(yùn)行時(shí)，泡沫會(huì)不斷地涌入引流室并與消泡針撞擊從而被擊破，同時(shí)引流室中設(shè)計(jì)的回流腔又會(huì)使除泡后的料液回流至釜體中，也能起到加速料液循環(huán)的目的。但是該消泡提取裝置很難用于密閉反應(yīng)的提取系統(tǒng)中。在對(duì)氣密性要求嚴(yán)格的提取系統(tǒng)中，研究者們巧妙地選用壓縮類、超聲振動(dòng)類以及可編程邏輯控制器（PLC）類消泡裝置達(dá)到泡沫消除的目的。林敏等[9]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種帶有過濾網(wǎng)板和不銹鋼浮球的提取濃縮罐，在加熱過程中，網(wǎng)板和浮球的擠壓作用會(huì)使泡沫破裂，同時(shí)過濾網(wǎng)板也能起到過濾料液的作用，只有合格尺度的顆粒才能落入到中藥提取濃縮罐的底部。這種消泡裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)泡沫的消除能力有限。孫中霞等[10]設(shè)計(jì)了一種帶有二級(jí)除沫裝置的中藥提取設(shè)備：一級(jí)除沫裝置包括過濾網(wǎng)和消泡球，二級(jí)除沫裝置主要由除沫轉(zhuǎn)盤構(gòu)成。其中，除沫轉(zhuǎn)盤上裝有漏液孔和推沫板，漏液孔又環(huán)繞安裝有消泡針?？上扔梢患?jí)除沫裝置消除較大氣泡，之后由二級(jí)除沫裝置配合消除較小氣泡。同時(shí)，本裝置也能起到對(duì)中藥料液過濾的目的，有利于提取工藝有序進(jìn)行。此外，江玉娟[11]等設(shè)計(jì)發(fā)明了一種帶有PLC的自動(dòng)化檢測(cè)及控制的中藥提取罐消泡系統(tǒng)。該提取罐上方設(shè)置有泡沫檢測(cè)儀，當(dāng)在加熱過程中產(chǎn)生泡沫時(shí)，泡沫檢測(cè)儀檢測(cè)到泡沫并將電信號(hào)傳至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)首先打開控制閥和循環(huán)泵使藥液進(jìn)入切向循環(huán)口。當(dāng)泡沫量較少時(shí)，PLC控制系統(tǒng)可通過切向循環(huán)消除泡沫，但當(dāng)泡沫量較大時(shí)，PLC控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開消泡氣動(dòng)閥，通過鼓氣方式對(duì)泡沫進(jìn)行徹底消除。當(dāng)沒有泡沫時(shí)，泡沫檢測(cè)儀斷開電極，PLC控制器也關(guān)閉氣動(dòng)閥，提取罐正常工作。該消泡裝置將泡沫的自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合起來，能通過對(duì)不同情況泡沫量的判斷從而做出分層次的控制，有效地保障了提取加熱效率，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，降低了人力成本。Part3、萃取

萃取是利用系統(tǒng)中組分在溶劑中溶解度不同來分離混合物的單元操作。萃取時(shí)排氣一般不充分，多余的氣體進(jìn)入萃取溶劑內(nèi)部，導(dǎo)致液體張力變大，容易形成泡沫。此外，有些萃取物質(zhì)本身含有多種表面活性劑，且有機(jī)物含量高，也容易起泡。因此，在萃取操作中也要注意消泡問題。

在離心萃取時(shí)，密度較大的介質(zhì)在向上流動(dòng)過程中逐步遠(yuǎn)離中心軸而靠向外壁，而密度較小的介質(zhì)則逐步靠向中心，此時(shí)更容易與較輕的氣泡接觸，影響之后的物料輸送。李冬和李滄等設(shè)計(jì)發(fā)明了一種帶有消泡功能的離心萃取機(jī)[12]。該萃取機(jī)在中間轉(zhuǎn)鼓的外圈通過軸承安裝了可以旋轉(zhuǎn)的外部套筒，并在套筒外圈均勻固定若干消泡針。在離心萃取過程中，通過套筒和尖針與轉(zhuǎn)鼓之間存在的速度差，進(jìn)而將卷入液體中的大氣泡刺破，并且在濾倉(cāng)內(nèi)海綿的作用下去除細(xì)小氣泡，最終達(dá)到消泡目的。圖2濕法磷酸萃取真空消泡裝置示意圖[13]葉崢和賴小瑩設(shè)計(jì)發(fā)明了一種適用于濕法磷酸萃取的真空消泡裝置[13]（如圖2所示)。該裝置在萃取裝置旁連通了一個(gè)消泡桶，消泡桶的內(nèi)部設(shè)有阻力剪切板與防腐蝕網(wǎng)格柵。消泡桶頂部設(shè)置有抽氣口，并與高壓風(fēng)機(jī)相連。消泡桶底部安置有卸料口，并在上面加裝了電磁閥。同時(shí)該裝置配備有中頻電控柜，中頻電控柜內(nèi)部安置有變頻器、自動(dòng)控制單元和手動(dòng)開關(guān)。手動(dòng)開關(guān)控制著高壓風(fēng)機(jī)，而電磁閥與自動(dòng)控制單元連通，自動(dòng)控制單元?jiǎng)t通過變頻器與高壓風(fēng)機(jī)連通。在萃取進(jìn)行時(shí)，由于消泡桶內(nèi)部開始處于真空狀態(tài)，則可通過可調(diào)式多孔吸泡頭組件將礦漿表面產(chǎn)生的泡沫吸入消泡桶，在桶內(nèi)通過阻力剪切板對(duì)泡沫進(jìn)行離心剪切，從而達(dá)到消泡的目的。同時(shí)泡沫消除后產(chǎn)生的氟硅酸氣體也能通過抽氣口經(jīng)高壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行有效的回收，便于循環(huán)再利用。此濕法磷酸萃取用消泡裝置通過真空法和物理消泡法聯(lián)用從而達(dá)到泡沫消除的目的，不需要添加任何化學(xué)消泡劑。且裝置使用維護(hù)簡(jiǎn)單，大幅降低了生產(chǎn)成本，提高了萃取磷酸產(chǎn)品品質(zhì)，回收的氟硅酸氣體也可以循環(huán)利用。這款組合式消泡萃取裝置可進(jìn)一步推廣到其他產(chǎn)品的萃取消泡過程中。Part4、濃縮

濃縮是制藥工藝中的關(guān)鍵操作單元，目的是將多余溶劑蒸發(fā)從而提高溶液濃度。濃縮一般都是在加熱且密閉的罐體中進(jìn)行，罐體通過旋轉(zhuǎn)與介質(zhì)產(chǎn)生熱交換，從而蒸發(fā)帶走溶劑。但是在旋轉(zhuǎn)的過程中，一些料液極易起泡，如表面活性劑或一些富含多糖、皂苷、蛋白質(zhì)等組分的中藥料液。范柯等[14]設(shè)計(jì)發(fā)明了一種帶有消泡功能的負(fù)壓濃縮器。該濃縮器有三級(jí)消泡處理裝置，第一級(jí)是在罐體一側(cè)設(shè)有使物料沿著罐體內(nèi)壁平緩進(jìn)入的進(jìn)料口，這樣可以避免猛烈進(jìn)料時(shí)產(chǎn)生的氣泡；第二級(jí)是罐體的旋轉(zhuǎn)軸上連接有能漂浮在物料上方的漂浮桿，同時(shí)漂浮桿上有密布排列的消泡針，這樣漂浮桿在旋轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下能在料液表面轉(zhuǎn)動(dòng)，并與表面產(chǎn)生的氣泡接觸從而將其刺破；第三級(jí)是罐體上方設(shè)置有過濾網(wǎng)，這層網(wǎng)能對(duì)蒸汽中產(chǎn)生的泡沫進(jìn)行攔截，防止外溢。通過這三級(jí)消泡設(shè)計(jì)，能消除濃縮過程產(chǎn)生的大部分泡沫，保證了濃縮工藝穩(wěn)定運(yùn)行。圖3中藥加熱濃縮器示意圖[15]方金祥[15]等在列管式中藥加熱濃縮器和蒸發(fā)器中間設(shè)計(jì)安裝了除泡器（如圖3所示)，該除泡器包括方艙以及沿其流動(dòng)方向平行密布的若干振動(dòng)板，同時(shí)在方艙上部和下部對(duì)稱安裝有超聲振動(dòng)器。當(dāng)藥液從列管加熱器頂部出口涌入除泡器的方艙時(shí)，首先會(huì)被平行密布的若干振動(dòng)板形成的密集格柵擠壓，從而導(dǎo)致較大的泡沫爆裂；之后藥液進(jìn)入振動(dòng)板之間，振動(dòng)板在超聲振動(dòng)器的作用下進(jìn)行高頻振動(dòng)，不斷對(duì)藥液進(jìn)行壓縮和擴(kuò)張，從而進(jìn)一步消除微小泡沫。同時(shí)，振動(dòng)板的擠壓還會(huì)促進(jìn)藥液中有效成分的充分融合，為下游蒸發(fā)工序的進(jìn)行奠定了有利基礎(chǔ)。圖4智能旋蒸裝置示意圖[3]此外，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室常用的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮器引發(fā)的起泡問題，組分中藥國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有泡沫自動(dòng)檢測(cè)及消除功能的智能旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)裝置[3]（如圖4所示）。本裝置在傳統(tǒng)旋蒸裝置基礎(chǔ)上，添加了光纖傳感器、PLC和電磁閥等部件。此裝置首先對(duì)不同起泡狀態(tài)料液進(jìn)行測(cè)試，從而設(shè)定適應(yīng)于料液的PLC的閾值限度。當(dāng)旋蒸裝置開啟、泡沫產(chǎn)生時(shí)，此差異光信號(hào)經(jīng)光纖傳導(dǎo)至光纖數(shù)字放大器，進(jìn)而傳導(dǎo)至PLC控制器，控制器會(huì)將收到的信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的閾值限度進(jìn)行比較，如果該信號(hào)強(qiáng)度低于設(shè)定值，則濃縮工藝正常進(jìn)行；如果信號(hào)強(qiáng)度高于閾值限度，則觸發(fā)電磁閥向旋蒸瓶中鼓氣，直至泡沫信號(hào)不會(huì)引起電磁閥的開啟，此時(shí)濃縮工藝正常進(jìn)行。相比于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)裝置，此智能裝置不需要人工看守和手動(dòng)鼓氣，且對(duì)中藥料液的濃縮效率大幅提升。同時(shí)，本裝置的PLC控制器可根據(jù)不同狀態(tài)的起泡料液及濃縮需求靈活調(diào)整閾值限度，可滿足多品種料液的濃縮工藝平穩(wěn)運(yùn)行。Part5、包裝或灌裝

在液體的灌裝和物料的包裝中，由于物料與空氣接觸，也容易產(chǎn)生不易消除的泡沫。這些泡沫如果不加以消除，會(huì)導(dǎo)致料液面不平整或物料量不夠，都會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)和精密度。相比而言，固體物料的泡沫比較容易除去，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的真空式包裝機(jī)，可有效消除固體表面泡沫。KarlFrei等[16]也設(shè)計(jì)了一種電弧放電式消泡裝置，用于破壞包裝過程中產(chǎn)生的泡沫。電弧放電后可迅速加熱空氣從而產(chǎn)生沖擊波，通過沖擊作用破壞氣泡。這種裝置雖然操作比較簡(jiǎn)便，但是具有一定的危險(xiǎn)性，目前沒有大范圍推廣應(yīng)用。在液體灌裝中，為了徹底除去液體中的氣泡，一般也是幾種消泡方法共同使用。李俊[17]設(shè)計(jì)了一種包括裝箱體、進(jìn)料口、灌裝頭和包括兩級(jí)消泡裝置在內(nèi)的液體灌裝設(shè)備（如圖5所示)。第一級(jí)消泡裝置包括三層平行排布在罐體內(nèi)部的消泡網(wǎng)，第二級(jí)消泡裝置包括五個(gè)攪拌桿，前四個(gè)攪拌桿水平一字型排布在消泡網(wǎng)之間，第五個(gè)攪拌桿則是垂直固定在第二攪拌桿及第三攪拌桿上。當(dāng)物料從上方進(jìn)入裝置時(shí)，料液依次緩慢通過三級(jí)消泡網(wǎng)并不斷與攪拌桿碰撞，使得灌裝瓶?jī)?nèi)氣泡被全部消除，從而保證了灌裝品質(zhì)。圖5用于液體灌裝的消泡裝置示意圖[17]此外，馮景濤等[18]設(shè)計(jì)發(fā)明了一種組合應(yīng)用過濾網(wǎng)、消泡針和超聲波消泡儀的液體灌裝機(jī)，以徹底消除灌裝中產(chǎn)生的氣泡。該灌裝機(jī)通過隔板分為上下兩部分，上部分內(nèi)部設(shè)置有過濾網(wǎng)和多組消泡針，能把從上方流入的液體中的大部分泡沫消除；下部分中設(shè)置有超聲波消泡儀，并在灌裝機(jī)側(cè)壁配套設(shè)置了超聲波發(fā)生器，可以將隔板上方未除盡的氣泡在下方進(jìn)行徹底消除，從而保證從下方流出的液體無泡沫殘留，有效保證液體灌裝質(zhì)量。Part6、結(jié)論與展望

本文對(duì)應(yīng)用于制藥工業(yè)幾個(gè)單元操作工序中的消泡系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，包括攪拌、提取、萃取、濃縮和包裝環(huán)節(jié)。消泡方法大多集中于機(jī)械消泡和物料消泡兩種方式。機(jī)械消泡作為一種經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保的消泡形式，在使用時(shí)具有安裝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、消泡迅速的特點(diǎn)，能夠嵌套應(yīng)用于多類工業(yè)化生產(chǎn)中。但是在遇到泡沫量大，泡