擠出滾圓工藝及其設(shè)備選型要素探析

摘

要：介紹了擠出滾圓工藝所用的不同設(shè)備，從設(shè)備選用原則與工作流程兩個方面，探討了擠出滾圓工藝的設(shè)備配置，同時闡述了特殊物料的擠出滾圓工藝，簡要分析了擠出滾圓工藝中的實驗系統(tǒng)、中試系統(tǒng)、大生產(chǎn)自動生產(chǎn)線的設(shè)備選型，對擬采用這一工藝進(jìn)行生產(chǎn)的相關(guān)企業(yè)具有極強的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：擠出；滾圓；高黏度；熱敏性；表面改性；微丸

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引言擠出滾圓工藝以其工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)量大、質(zhì)量可靠的優(yōu)點，被越來越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、飼料、食品等行業(yè)，已成為微丸生產(chǎn)的主要工藝之一。但是，擠出滾圓工藝受配方及設(shè)備的影響較大，要想得到較好的擠出滾圓生產(chǎn)系統(tǒng)，除了配方精良以外，正確的設(shè)備選擇及生產(chǎn)工藝至關(guān)重要。1

擠出滾圓工藝所用設(shè)備1.1

擠出機擠出機是將混（捏）合好的軟材經(jīng)擠壓后通過模板變成條狀物料的設(shè)備。擠出機的種類有很多，和擠出滾圓工藝相關(guān)的設(shè)備主要有：單螺桿擠條機、異向相切型擠條機、異向嚙合型擠條機、同向嚙合型擠條機、旋壓制粒機、搖擺制粒機、柱塞式擠出機等。我公司最新開發(fā)的一種溫升低、擠出孔小、生產(chǎn)量大的行星輥輪旋壓制粒機，是一種比較理想的擠出設(shè)備。1.1.1

擠出機分類按照工作原理不同，擠出機可分為動壓擠出機和靜壓擠出機。其中，動壓擠出機的擠出壓力是脈動壓力，依靠瞬間壓力將物料擠出模板變成條狀物料；靜壓擠出機是靠靜壓力將物料擠出成條。動壓擠出機可通過一定的方式轉(zhuǎn)換為靜壓擠出（螺桿類）機，以提高擠出物料出料的均勻性，特別適用于中藥制丸等需要出條均勻的場合。按照擠出壓力高低不同，擠出機可分為高壓擠出機和低壓擠出機。其中，高壓擠出機的擠出壓力高，擠出孔板的長徑比大，可得到高致密度的條狀物料；低壓擠出機的擠出壓力低，擠出孔板的長徑比小，擠出的物料較為疏松。醫(yī)藥生產(chǎn)行業(yè)一般使用低壓擠出機，擠出設(shè)備的選用應(yīng)該根據(jù)物料的性質(zhì)而定。1.1.2

擠出機選型要素在選用擠出機時，常根據(jù)物料的擠出滾圓工藝進(jìn)行選擇，本文從以下幾個方面進(jìn)行討論：1.1.2.1

黏性高黏性物料的擠出性能好，但需要較大的擠出壓力，最好采用單螺桿擠出機，產(chǎn)量小的場合也可用柱塞式擠出機；低黏性物料，如含油脂的物料、含蠟質(zhì)的物料，或高含水率的物料，必須使用同向嚙合雙螺桿擠出機；黏性適中的物料，一般擠出機均可勝任。1.1.2.2

含水（液）率通常含水率在25%～30%的為一般物料，高于該含水率的物料稱為高含水（液）率物料，低于該含水率的物料稱為低含水（液）率物料。含水率低，往往導(dǎo)致軟材的流動性不好，擠出需要很大的力量，可選用單螺桿擠出機或異向嚙合雙螺桿擠出機；含水率很高，物料易打滑，只能用同向嚙合雙螺桿擠出機；含水率一般的物料，可根據(jù)情況選用其他擠出機。1.1.2.3

熱敏性以耐熱50℃為熱敏性界限，低于此界限的為熱敏性物料，其余為正常物料。單/雙螺桿擠出機的擠出過程中會產(chǎn)生較大熱量，不適用于熱敏性物料的擠出，這時最好使用旋壓制粒機，其中的行星輥輪旋壓制粒機最為適合。1.1.2.4

軟化點以耐熱60℃為軟化點界限，低于此溫度發(fā)生軟化變軟的物料為低軟化點物料，其余為正常物料。低軟化點物料在擠出時會升溫軟化，在螺桿擠出機中，除同向嚙合雙螺桿擠出機外，均不能正常工作，可采用同向嚙合雙螺桿擠出機、柱塞式擠出機、普通旋壓制粒機、行星輥輪旋壓制粒機等設(shè)備。1.1.2.5

塑性采用干粉摩擦系數(shù)大的、與液體結(jié)合不好的物料（特別是無機鹽類）得到的軟材一般塑性不好，擠出過程中很容易因為摩擦升溫影響擠出效果。對于這種物料，螺桿擠出機均不適合（磨損大，會引起極大溫升），最好采用搖擺制粒機、普通旋壓制粒機、行星輥輪旋壓制粒機等。1.1.2.6

致密性為得到高致密性的物料，可使用高壓螺桿擠出機等；為得到較為疏松的物料，可采用旋壓制粒機、搖擺制粒機等。1.2

行星輥輪旋壓制粒機現(xiàn)有的擠出設(shè)備主要有螺桿類擠出機、旋壓制粒機、搖擺制粒機這幾類。其中，螺桿類擠出機溫升高，使用受到極大限制；旋壓制粒機產(chǎn)量大，溫升低，但不適用于大型化生產(chǎn)，且使用壽命有限；搖擺制粒機篩網(wǎng)易壞，擠出產(chǎn)物疏松、粉末多，基本不能滿足擠出滾圓工藝需求。研究人員通過分析各種常用制粒機的特點，發(fā)現(xiàn)旋壓制粒機的篩籃式擠出產(chǎn)量大，但其擠壓部件效率低；而飼料環(huán)模制粒機的擠壓部件效率相當(dāng)高，其關(guān)鍵就在于用輥輪代替刮板，變滑動摩擦為滾動摩擦，生產(chǎn)量大。經(jīng)過技術(shù)人員的不斷改進(jìn)，最終研制成功了專利產(chǎn)品——行星輥輪旋壓制粒機。1.2.1

工作原理行星輥輪旋壓制粒機原理如圖1所示。行星輪安裝在行星架上，與擠出網(wǎng)板內(nèi)壁緊貼在一起。行星輪隨行星架公轉(zhuǎn)，同時行星輪作自轉(zhuǎn)運動。這兩個運動都是由齒輪傳動機構(gòu)強制驅(qū)動，不存在打滑現(xiàn)象。物料進(jìn)入設(shè)備，受行星輪的碾壓作用，迅速由擠出網(wǎng)板擠出成條狀顆粒。1.2.2

結(jié)構(gòu)優(yōu)勢（1）輥輪與擠出網(wǎng)板緊密貼合，且輥輪自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)線速度一致，不存在打滑現(xiàn)象，為純滾動摩擦；（2）擠出孔板外面有加強層，擠出孔板不會變形，使用壽命長；（3）擠出孔板采用夾緊式結(jié)構(gòu)，無需焊接，安裝、維護(hù)方便；（4）可采用標(biāo)準(zhǔn)沖孔板，不需要焊接打磨，損壞后可自行更換，運行費用低。1.2.3

運行優(yōu)勢（1）擠出效率高，能耗低；（2）標(biāo)準(zhǔn)沖孔板，下料簡單，沖孔板可以自己采購，配件消耗極低，節(jié)約大量配件費用。1.2.4

特點1.2.4.1

控制擠出升溫因為酶制劑等行業(yè)所用的物料具有熱敏性特點，一般不能超過40℃，而一般的擠出機發(fā)熱嚴(yán)重，顯然不適合。而行星輥輪旋壓制粒機無物料輸送過程，輥輪直接碾壓擠出，升溫低，溶劑不易揮發(fā)。水冷式行星輥輪旋壓制粒機（圖2）的具體溫度控制措施：（1）該機傳動箱及擠出端頭有冷卻夾層，可通入冷卻水進(jìn)行冷卻。（2）該機旋壓輥輪內(nèi)部可通入冷卻水，能有效降低擠出溫度。（3）該機安裝有溫度傳感器，用于檢測擠出物料的溫度，并根據(jù)溫度的高低，控制進(jìn)料速度和擠出速度，以確保溫度不會過高而損壞物料。若物料溫度過高，超過設(shè)定值，設(shè)備會自動停機并報警。

1.2.4.2

產(chǎn)量大（1）該機不存在滑動摩擦，可以高速運行而不影響擠出效果；（2）該機擠出面積大，擠出孔多，擠出網(wǎng)板360°周向出料；（3）擠出輥輪與擠出篩網(wǎng)之間基本為零間隙，對物料的擠壓作用極強，物料與輥輪接觸即被強制碾壓擠出，不存在物料在設(shè)備內(nèi)長時間不能擠出的情況。以上特點使得該機優(yōu)于其他擠出機，經(jīng)實際檢測，擠出效率比普通螺桿擠出機高50%～200%。1.2.4.3

小孔擠出要想物料順利擠出小孔，必須設(shè)置極高的動壓擠出壓力。螺桿類擠出機和普通旋壓制粒機的擠出部分與擠出板均存在較大間隙，依靠擠出部件與物料間的摩擦力而形成和孔板間的擠出力，由于物料較軟，擠出力一般不大，若孔徑小于0.5mm則很難擠出。而該機的擠出輥輪與孔板貼合緊密，基本為零間隙，而且輥輪與孔板之間為純滾動，可設(shè)置極高的擠出壓力，最小擠出孔徑可達(dá)0.1mm。1.2.4.4

廣泛的物料適應(yīng)能力該機的擠出部位均采用機械傳動，對物料的摩擦依賴性小，各類物料均能順利擠出。1.3

離心滾圓機擠出機得到的條狀物料在離心滾圓機內(nèi)隨轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，在滾圓機內(nèi)存在以下幾種力的作用：物料與轉(zhuǎn)盤間的摩擦力、物料之間的摩擦力、物料與筒壁的摩擦力、滾圓齒對物料的切斷力。物料被切斷后，在幾種摩擦力的作用下，物料既做公轉(zhuǎn)運動，自身也做自轉(zhuǎn)翻滾運動，使得軟的條狀顆粒最終球化成球形微丸。離心滾圓機的關(guān)鍵在于滾圓盤，滾圓盤的關(guān)鍵在于切斷齒的形狀。滾圓盤齒的種類繁多，常用的有四棱臺型方格齒、斜四面體尖齒兩種。其中，方格齒（圖3）是比較通用的切斷齒，適用于物料不是很緊密、黏性不是很大的物料；尖齒（圖4）的切斷能力強，適用范圍廣，能有效切斷并球化高黏度物料。

1.3.1

離心滾圓機的選用原則1.3.1.1

高黏度物料選用尖齒滾圓盤，轉(zhuǎn)盤速度要快，以達(dá)到切斷物料并使其成丸的目的。1.3.1.2

一般物料采用方格齒滾圓盤，方便成丸而且不會產(chǎn)生太多細(xì)粉。1.3.1.3

與水分結(jié)合力弱的物料在離心力的作用下，水分會滲透到物料表面形成粘連，要求滾圓機上有添加干粉防粘的設(shè)施。1.3.1.4

潤濕劑易揮發(fā)的物料乙醇等易揮發(fā)物料作為潤濕劑，在滾圓機中易失去液體，造成物料干燥無法滾圓，要求滾圓機上有噴液設(shè)施，并密閉運行。1.3.2

離心滾圓機的使用注意事項1.3.2.1

分段的速度控制方式在滾圓過程中，條狀物料進(jìn)入滾圓機進(jìn)行切斷，進(jìn)而球化成丸，最后拋光。其每一階段需要的速度及時間是不一樣的，可設(shè)置多段速度及時間，以達(dá)到最優(yōu)的滾圓效果。1.3.2.2

多級串聯(lián)組合方式在大生產(chǎn)過程中，為提高生產(chǎn)效率和成丸效果，可設(shè)置多級滾圓串聯(lián)作業(yè)，每一階段滾圓可使用不同的齒盤，設(shè)置不同的滾圓速度和時間，以達(dá)到快速切斷、球化、拋光的目的。1.3.2.3

提高圓整度有些物料成球性能不好，可加入研磨球，增強物料變形能力，提高圓整度。1.3.2.4

防止?jié)L圓過程中粘連有些物料滾圓時液體會在離心力作用下滲透到微丸表面引起粘連，可增加干粉送入設(shè)施，保證滾圓過程中微丸表面保持干燥。另外，對吸潮物料，應(yīng)保證環(huán)境的低濕度要求。1.3.2.5

防止?jié)L圓過程中液體快速揮發(fā)對采用乙醇等有機溶劑潤濕的物料，操作環(huán)境應(yīng)保持恒溫恒濕，避免溶劑過快揮發(fā)，影響滾圓效果。滾圓過程中可增加噴槍噴入適量溶劑，保證微丸的濕潤程度，以便于成球。1.3.2.6

滾圓機增加高速切刀（1）適用于高黏度物料，幫助將物料切斷；（2）有些用戶需要得到極細(xì)的微丸顆粒，可使用高速切刀將物料打碎，進(jìn)而球化。1.3.2.7

熱熔滾圓對某些低熔點物料，可在滾圓機夾套內(nèi)通入熱水（油）對物料進(jìn)行加熱。同時，吹入熱風(fēng)，保證物料在易變形區(qū)域的溫度，以達(dá)到變形成微丸的目的。1.3.2.8

增加清盤裝置、刮壁裝置滾圓過程中的滾圓盤不可避免地會粘附物料，盤齒不再起作用，這時應(yīng)及時清理滾圓盤。清理方法：采用高壓氣刀和高壓水刀。清理過程可自動進(jìn)行，由相關(guān)程序控制即可。2

擠出滾圓系統(tǒng)的設(shè)備配置2.1

實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)的擠出滾圓設(shè)備配置，可根據(jù)一次投料量來進(jìn)行選擇。一般來說，一次投料量在100g以下的，可選用迷你型擠出滾圓設(shè)備；一次投料量在500g以下的，可選用RE-150行星輥輪旋壓制粒機（圖5）和R-250離心滾圓機（圖6）的擠出滾圓組合。

2.2

中試系統(tǒng)對于投料量在20～100kg/h的中試系統(tǒng)，推薦選用RE-250行星輥輪旋壓制粒機（圖7）和R-500離心滾圓機（圖8）的擠出滾圓組合。2.3

生產(chǎn)線配置2.3.1

系統(tǒng)組成擠出滾圓系統(tǒng)是包含粉料輸送、粉料計量、液體計量、濕法混合、軟材輸送、擠出成條、滾圓、干燥、篩分等完整流程的系統(tǒng)，系統(tǒng)組合方式多樣，可根據(jù)不同物料性質(zhì)、不同質(zhì)量要求進(jìn)行相應(yīng)取舍。2.3.2

全自動擠出滾圓生產(chǎn)線全自動擠出滾圓生產(chǎn)線所用設(shè)備如圖9所示。（1）軟材制備：在濕法混合制粒機內(nèi)將粉料與液體混合成軟材；（2）擠出：制得的軟材放入螺旋送料機，再勻速加入擠出機，擠出成條；（3）計量：擠出的條狀物料由計量料倉收集，達(dá)到一定量后放入離心滾圓機；（4）滾圓：條狀物料在離心滾圓機內(nèi)切斷球化成微丸；（5）設(shè)計全自動擠出滾圓生產(chǎn)線時，每臺設(shè)備都應(yīng)考慮其工作的連續(xù)、穩(wěn)定性，盡量不要出現(xiàn)堵料等情況。2.3.3

其他與全自動擠出滾圓生產(chǎn)線配套，可在其前段引入配料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)等設(shè)備；在其后段添加干燥設(shè)備、篩分設(shè)備，使之形成完整的生產(chǎn)流程，能夠直接生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。3

特殊物料的擠出滾圓工藝3.1

高黏度物料的擠出滾圓工藝高黏度物料是擠出滾圓生產(chǎn)中難度最高的物料，通常高黏度物料不能使用擠出滾圓工藝。但是，我公司經(jīng)過充分的實驗，結(jié)合其他行業(yè)的擠出制粒工藝，開發(fā)出了一套用于高黏度物料的擠出滾圓工藝，其流程如圖10所示。3.1.1

工藝方法1（預(yù)切撒粉滾圓）3.1.1.1

混合若采用普通混合機，液體與干粉不易混合均勻，因此，可采用捏合機進(jìn)行混合，也可使用螺桿擠出機反復(fù)擠壓（煉藥），使液體與干粉充分混勻。3.1.1.2

擠出高黏度物料需用壓力高的擠出機，如柱塞式擠出機、螺桿擠出機等，在高壓力下能較好地成型。高黏度物料擠出后極易粘在一起，因此，擠出孔的排列很關(guān)鍵，只能平行排列，使擠出物料不會交叉，擠出后的物料需由不粘物料的輸送帶輸送出去。輸送過程中需吹風(fēng)或表面噴灑干粉，以達(dá)到表面不粘連的目的。黏性很大的物料可用切刀切成均勻的顆粒，然后滾圓，黏性不是很大的可直接滾圓。3.1.1.3

滾圓和常規(guī)物料的滾圓不同，黏性物料的滾圓要求滾圓盤上的切割齒要鋒利，轉(zhuǎn)盤速度要快，以達(dá)到將物料切斷球化的目的。滾圓盤有兩個作用：上面布滿的尖齒實際上是切斷刀，將條狀物料切斷；旋轉(zhuǎn)形成的摩擦力帶動物料做翻滾運動，最終球化成丸。3.1.2

工藝方法2（二次造粒）對于有些黏性物料，流化床或濕法混合制粒機可先噴入少量的液體潤濕成小顆粒，稍微干燥一下，再與液體混合成軟材。經(jīng)此操作，物料黏性大為降低，擠出滾圓工藝得以順利進(jìn)行。3.1.3

工藝方法3（表面改性）用適合的表面改性材料，將黏性粉末進(jìn)行表面改性，使其不再具有強黏性，然后再按照常規(guī)擠出滾圓操作方式進(jìn)行擠出滾圓即可。3.2

熱敏性物料的擠出滾圓酶制劑、菌類以及一些特殊物料均具有熱敏性，溫度稍高就會失去活性?？刂茻崦粜晕锪系臄D出滾圓溫度是關(guān)鍵。因此，合理選擇擠出機是該工藝能否順利進(jìn)行的決定性因素。螺桿類擠出機的輸送是依靠摩擦力來進(jìn)行的，存在漏流的情況，發(fā)熱在所難免，即使加上冷卻設(shè)施也無多大效果，是不可取的。對于熱敏性物料來說，可采用搖擺制粒機、旋壓制粒機、行星輥輪旋壓制粒機。行星輥輪旋壓制粒機是該類物料的最佳選擇，該機以輥輪碾壓為主，摩擦力作用少，溫升最低。用于熱敏性物料的擠出滾圓設(shè)備均應(yīng)作降溫處理，濕法混合制粒機應(yīng)做雙層夾套，混合作業(yè)時通入冷卻水進(jìn)行冷卻；輸送軟材的螺旋送料機也應(yīng)做夾套，通入冷卻水降溫；擠出機是最易生熱的設(shè)備，選用帶冷卻功能的行星輥輪旋壓制粒機，配合嚴(yán)格的溫度檢測，可保證擠出溫度在40℃以下；滾圓機也做雙層夾套，通入冷卻水降溫。另外，混合時采用低溫液體黏合劑進(jìn)行混合，是保證物料加工質(zhì)量的有效措施。低溫液體的溫