流化床制粒理論與實踐

Part1、流化床制粒理論

流化床制?；旌瞎に囂貏e適合粒徑范圍在50-200μm的物料。顆粒的流化行為是各種顆粒之間作用力和相互作用力的總和。當(dāng)經(jīng)過料床的氣流足夠大時，顆?？朔亓Φ靡粤骰Ｔ诘偷倪M(jìn)風(fēng)速度下，顆粒的運(yùn)動速度與流化床內(nèi)壓降成正比。隨著進(jìn)風(fēng)速度的增加，流化床內(nèi)顆粒由靜止變?yōu)閼腋?，此時對應(yīng)的氣流速度為最小流化速度（Umf）。最小流化速度在一步制粒工藝中是一個初級下限，隨著制粒工藝的進(jìn)行，最小流化速度應(yīng)該是變化且逐漸增大的。制粒工藝的流化速度應(yīng)大于最小流化速度，這樣才不會使粗細(xì)顆粒分離。

當(dāng)流化速度高于最小流化速度時，流化床內(nèi)物料運(yùn)動很像劇烈沸騰的液體，料床底部有氣泡（在接近流化床床底的地方形成，靠近氣流分布板），并在風(fēng)機(jī)的作用下迅速上升至表面破裂。也由此可知?dú)饬鞣植及宓脑O(shè)計對流化床的特性有重大影響。隨著流化速度的增加，粉體體積膨脹，床體內(nèi)單位體積內(nèi)的顆粒密度降低。當(dāng)流化速度達(dá)到某一速度時便會將顆粒吹走，此時的速度被稱為夾帶速度。流化床制?；旌铣潭扰c粒徑和氣流通過物料的運(yùn)動方式有關(guān)。氣流運(yùn)動方式影響氣體與顆粒之間傳熱。

標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)速度通常為1.0~2.0m/s。對于聚團(tuán)的物料，所需的空氣流速為最小流化速度的五到六倍。干燥需要低速，如0.8-1.4m/s。由于流化床內(nèi)存在濕物料，因此在干燥的早期階段需要較高的速度，但通常會在產(chǎn)品失去水分時降低風(fēng)速，目的是保證顆粒良好的運(yùn)動且防止物料進(jìn)入過濾器。在流化床制粒工藝中，顆粒運(yùn)動和快速干燥很重要。顆粒在流化床觀察孔自由向下流動是比較好的制粒狀態(tài)，也可以通過出風(fēng)溫度監(jiān)測不好的流化狀態(tài)。每個產(chǎn)品都有恒定的干燥速率，其中流化床內(nèi)溫度在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)保持相對恒定。如果出風(fēng)溫度上升速率比預(yù)期的快，則表明流化狀態(tài)不好，可能必須停止制粒，并且需要手動或機(jī)械干預(yù)來輔助流化。

Part2、顆粒聚集與生長機(jī)理

聚集是以細(xì)顆粒為起始物料增大粒度的過程，顆粒生長主要有三種機(jī)制：

1.由于顆粒表面存在不流動的液體而形成粘結(jié)液橋，可以促進(jìn)細(xì)顆粒的粘結(jié)；2.存在界面力和毛細(xì)管壓力使得顆粒變得緊實；3.由于干燥過程中溶解物質(zhì)的結(jié)晶而形成固體橋。

理想狀態(tài)下，流化床內(nèi)的初級顆粒經(jīng)過噴霧區(qū)時與潤濕劑霧滴接觸，潤濕劑在顆粒表面擴(kuò)散潤濕顆粒。同時顆粒之間相互撞擊形成液橋，而后在流化床內(nèi)部干燥固化形成顆粒。流化床制粒機(jī)理見下圖。

影響流化床制粒工藝的因素可分為三大類：處方相關(guān)變量、設(shè)備相關(guān)變量及工藝相關(guān)變量。

處方相關(guān)變量：一步制粒理想的起始物料應(yīng)該具有低密度（密度差異?。?、粒徑小、粒度分布范圍窄、接近球形。物料的內(nèi)聚力、靜電、粒度分布、結(jié)晶或無定形性質(zhì)以及潤濕性等會影響顆粒的性質(zhì)。當(dāng)制劑物料中含有疏水性物料或親水性物料與疏水性物料的混合物時會出現(xiàn)流化困難?；旌衔锏氖杷栽黾?，導(dǎo)致顆粒的生長減少?？梢酝ㄟ^添加表面活性劑（如月桂硫酸鈉、SDS）改善疏水性物料一步制粒的效果。粘合劑：不同的粘合劑具有不同的粘結(jié)性質(zhì)，粘合劑的類型、制劑中的粘合劑用量和粘合劑的濃度對顆粒性質(zhì)具有重大影響。

粘合劑的加入方式也會影響顆粒性質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)將粘合劑內(nèi)加用乙醇制粒，顆粒的粒度更大，但當(dāng)把粘合劑加入溶液中制粒的顆粒不易碎且流動性好。粘合劑的溫度影響溶液的黏度，進(jìn)而影響液滴的大小。粘合劑溶液溫度升高，溶液的黏度降低，從而減小了液滴的粒徑，因此制得的顆粒平均粒徑較小。粘合劑溶液的黏度和濃度會影響粘合劑霧滴的大小。粘合劑黏度增加，形成的霧滴更大，制得的顆粒粒徑更大。

設(shè)備相關(guān)變量：由于隨機(jī)流化而發(fā)生的聚集和磨損，需要在制粒過程中控制顆粒。這是一個復(fù)雜的過程，因為主要的流化條件和粒度分布在此過程中會發(fā)生變化。當(dāng)經(jīng)過調(diào)節(jié)的空氣通過流化床的下部氣室引入時，給定體積的空氣的流化速度決定了如何實現(xiàn)流化。

氣流分布板提供了向產(chǎn)品供應(yīng)空氣的合適方法。主要通過其開孔面積百分比來識別。通?？梢允褂瞄_孔面積為4%到30%的氣流分布板。這些可互換的氣流分布板或具有可調(diào)節(jié)開孔的氣流分布板可以提供一定范圍的裝載能力，從而可以高效、均勻地生產(chǎn)。為了防止竄動，操作員可以選擇具有最佳提升性能的氣流分布板。具有小的開孔面積來產(chǎn)生足夠大的壓降的氣流分布板可以保證產(chǎn)品均勻流化，不會堵塞過濾器?；蛘呖梢允褂镁哂休^大開孔面積的氣流分布板將具有較高堆密度的產(chǎn)品進(jìn)行流化處理。

流化床的幾何形狀是可能影響制粒工藝的因素。流化速度必須從流化床底部到頂部邊緣下降一半以上，以防止較小的較輕的顆粒被吹到過濾器中，從而與流化床中較重的產(chǎn)品分離。通常圓錐形的容器與膨脹室是優(yōu)選的，其中氣流分布板橫截面直徑與容器頂部的直徑之比為1:2。

工藝相關(guān)的變量：流化床制粒工藝是動態(tài)過程，其中通過噴槍產(chǎn)生霧滴并將其沉積在隨機(jī)流化的顆粒上。粘合劑溶劑蒸發(fā)，留下粘合劑。在所有溶劑蒸發(fā)之前，其他無規(guī)則顆粒與潮濕顆粒接觸粘結(jié)。將該工藝重復(fù)多次以產(chǎn)生所需的顆粒。有許多控制制粒的工藝變量。最重要的工藝變量有：工藝的進(jìn)風(fēng)溫度、霧化壓力、空氣流化速度和體積、噴液速度、噴槍的位置和噴槍的數(shù)量、物料溫度和出風(fēng)溫度、過濾器的孔隙率和反吹頻率、流化床體積。

這些工藝參數(shù)是相互依存的，如果可以理解這種相互依存的關(guān)系，則可以生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品。進(jìn)風(fēng)溫度取決于粘合劑載體的選擇及所形成的顆粒的熱敏感性。通常水性溶液允許使用進(jìn)風(fēng)溫度范圍60℃-100℃。有機(jī)溶劑需要使用50℃至低于室溫的進(jìn)風(fēng)溫度。較高的進(jìn)風(fēng)溫度將粘