噴霧干燥技術(shù)及其在中藥制藥中的應(yīng)用

1、噴霧干燥技術(shù)及其在中藥制藥中的應(yīng)用耿,陶建生(上海中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,上海201203收稿日期:200320121050808729。關(guān)鍵詞:噴霧干燥;制粒;中藥制藥中圖分類號:R943文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:100121528(20040120066203噴霧干燥技術(shù)問世已有上百年的歷史。1865年蛋液的噴霧處理,1872年美國人賽謬爾珀西(Samluel Percy 申請了關(guān)于噴霧干燥技術(shù)的專刊,1888年噴霧干燥首次商業(yè)化應(yīng)用于奶粉、葡萄糖的干燥。由于噴霧干燥具有“瞬時干燥”、“干燥產(chǎn)品質(zhì)量好”、“干燥過程簡單”等特點,明顯優(yōu)于其它干燥方式,到20世紀(jì)三四十年代,該技術(shù)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用

2、于乳制品、洗滌劑、脫水食品以及化肥、染料、水泥的生產(chǎn),目前常見的速溶咖啡、奶粉、方便食品湯料等就是噴霧干燥得到的產(chǎn)品1。噴霧干燥在我國應(yīng)用的歷史較短,最早是在20世紀(jì)五六十年代引入前蘇聯(lián)的噴霧干燥機(jī)用于染料和鏈霉素的干燥1,2。而目前應(yīng)用也己十分廣泛,遍及了以上所涉及的所有行業(yè),尤其在陶瓷和制藥行業(yè),噴霧干燥的應(yīng)用更為普遍。對于中藥制藥行業(yè),噴霧干燥技術(shù)的應(yīng)用有其獨特的作用,簡化并縮短了中藥提取液到制劑半成品的工藝和時間,提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文就噴霧干燥技術(shù)的研究進(jìn)行綜述,對其在中藥制備領(lǐng)域中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析探討。為該技術(shù)的推廣應(yīng)用和提高中藥制藥水平提供借鑒與幫助。1噴霧干燥技術(shù)的

3、研究進(jìn)展噴霧干燥技術(shù)的核心是流化技術(shù),具有從流體到固體瞬時干燥的突出優(yōu)勢。其設(shè)備般是由霧化器(噴頭、干燥室、進(jìn)出氣及物料收集回收系統(tǒng)等組成。1.1霧化形式不同的霧化器可以產(chǎn)生不同的霧化形式,按照不同的霧化形式可以將噴霧干燥分為氣流式霧化、壓力式霧化和離心式霧化。氣流式霧化利用壓縮空氣(或水蒸氣高速從噴嘴噴出并與另一通道輸送的料液混合,借助空氣(或蒸氣與料液兩相間相對速度不同產(chǎn)生的摩擦力,把料液分散成霧滴。根據(jù)噴嘴的流體通道數(shù)及其布局,氣流式霧化器又可以分為二流體外混式、二流體內(nèi)混式、三流體內(nèi)混式、三流體內(nèi)外混式以及四流體外混式、四流體二內(nèi)外混式等等。氣流式霧化器的結(jié)構(gòu)簡單,處理對象廣泛,但能耗

4、大。壓力式霧化利用壓力泵將料液從噴嘴孔內(nèi)高壓噴出,直接將壓力轉(zhuǎn)化為動能,使料液與干燥介質(zhì)接觸并被分散為霧滴。壓力式霧化器生產(chǎn)能力大,耗能小;細(xì)粉生成少,能產(chǎn)生小顆粒,固體物回收率高。離心式霧化利用高速旋轉(zhuǎn)的盤或輪產(chǎn)生的離心力將料液甩出,使之與干燥介質(zhì)接觸形成霧滴。離心式霧化器受進(jìn)料影響(如壓力變化小;控制簡單。三種霧化器的比較見表13。表1三種霧化器的比較比較項目氣流式壓力式離心式溶液可以可以可以懸浮液可以可以可以膏糊狀可以不可以不可以料液黏度適應(yīng)性改變壓縮氣壓力適于低黏度料液改變轉(zhuǎn)速,但有限進(jìn)料變化影響中等大小噴霧器磨蝕情況中等大小噴霧過程控制中等難易噴霧器堵塞情況中等大小相對成本135動力

5、消耗很大小較小進(jìn)料壓力(MPa 0.1-0.52-400原料顆粒粒徑(m 200400100200501000三種霧化原理的理論研究,主要是圍繞噴霧器關(guān)鍵參數(shù)與霧化性能展開,黃立新等3對此有綜述報道。這方面研究將有助于噴霧器性能的改進(jìn),也有利于應(yīng)用過程中根據(jù)噴霧料液及其產(chǎn)品要求對霧化器進(jìn)行選擇。中藥提取液的噴霧干燥,基本上是以離心式霧化和氣流式霧化為進(jìn)行的,而后者以小型試驗設(shè)備多見。從霧化的實現(xiàn)而言,壓力式霧化需要高壓泵與較大霧化空間,氣流式霧化能耗又很高,這些都限制了它們的應(yīng)用。相對而言,離心式霧化器技術(shù)要求相對較低,是最容易實現(xiàn)的。1.2噴霧干燥機(jī)理研究噴霧干燥的效果影響因素很多,除霧化器

6、外,還有干燥室、進(jìn)出氣及物料收集回收系統(tǒng)以及整個干燥器系統(tǒng)。國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了噴霧干燥的數(shù)學(xué)模型研究,以期給出干燥室內(nèi)氣體流動狀態(tài)和各種熱力學(xué)參數(shù)的分布信息,這對噴霧干燥器的設(shè)計、優(yōu)化以至干燥效果的提高具有重要意義。吳66中華等4應(yīng)用氣粒兩相流理論和計算流體力學(xué)(CFD,結(jié)合噴霧干燥的特點,建立了模擬噴霧干燥室內(nèi)氣體顆粒兩相湍流流動的CFD模型,并對實驗室脈動燃燒噴霧干燥過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。其結(jié)果具有詳細(xì)、直觀的特點;模擬得到的噴霧干燥室內(nèi)氣相流場和各種熱力學(xué)參數(shù)的分布信息,可以為噴霧干燥器的設(shè)計,干燥過程的優(yōu)化提供參考。戴命和等5進(jìn)行了噴霧干燥過程的熱力學(xué)建模及仿真,根據(jù)質(zhì)平衡原理、熱平衡

7、原理和牛頓定律推導(dǎo)了逆流噴霧干燥過程的一維雙向靜態(tài)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型;它包括了物料溫度方程、熱風(fēng)溫度方程、顆粒速度方程、熱風(fēng)濕含量方程、物料含水率方程:用MA TLAB仿真后,得到了增大空氣量比提高空氣溫度更具技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論。1.3噴霧工藝優(yōu)化在噴霧干燥的實驗研究方面,康智勇6研究了壓力式噴霧干燥塔噴嘴孔徑對粉料的影響,認(rèn)為大孔徑更適于噴霧顆粒的分布向大顆粒集中。王曉蘭等7在工廠大生產(chǎn)條件下研究了噴霧干燥的粉粒分布的影響因素,分析了陶瓷坯料泥漿粘度、含水率、噴霧壓力、噴霧器孔徑與粉粒粒度分布之間的關(guān)系,得出其影響系數(shù)由大至小分別為噴霧器孔徑、壓力、粘度、含水率等。在對農(nóng)藥水分散性顆粒噴霧干燥過程

8、的研究中,楊志生等8分析了干燥進(jìn)氣溫度、進(jìn)料量對干燥產(chǎn)品的懸浮率、粒子密度、粒子形狀等的影響。噴霧干燥在越來越廣泛的應(yīng)用過程中,已經(jīng)不僅限于傳統(tǒng)的干燥模式,劉相東等9進(jìn)行了脈動氣流的噴霧干燥研究。利用脈動燃燒產(chǎn)生的高頻脈動為氣流對NaCl溶液進(jìn)行了噴霧干燥試驗,結(jié)果表明:高溫、高頻振蕩氣流下的噴霧干燥比傳統(tǒng)噴霧干燥的蒸發(fā)速率提高了2.5倍。1.4噴霧干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢噴霧干燥技術(shù)的廣泛應(yīng)用,其優(yōu)勢明顯,但其理論仍然落后于實踐。突出表現(xiàn)在干燥理論的實踐指導(dǎo)性差。干燥動力學(xué)、非球形顆粒的干燥模擬、噴霧干燥等領(lǐng)域有待進(jìn)行深入研究3。噴霧干燥熱效率低。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度小于150時,其熱容量系數(shù)較低,為804

9、00K jm-1h-1-1,因而蒸發(fā)強(qiáng)度小;一般的氣流干燥、流化床干燥的熱容量系數(shù)則大于4000K jm-1h-1-1。因此,噴霧干燥的節(jié)能降耗問題就比較突出1;亞高溫噴霧干燥(進(jìn)風(fēng)溫度60150、常溫噴霧干燥(進(jìn)風(fēng)溫度60以下、降低能耗與多級干燥都將是今后的研究重點。另外,噴霧干燥技術(shù)與具體的應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)合還將用于噴霧冷卻造型、噴霧反應(yīng)、噴霧吸收、噴霧涂層和噴霧造粒等領(lǐng)域。2噴霧干燥技術(shù)在中藥制藥中的應(yīng)用2.1干燥中藥制劑生產(chǎn)的一般工藝仍以產(chǎn)生大量提取液為特征,應(yīng)用噴霧干燥技術(shù)可以將提取液的濃縮、干燥、粉碎甚至制粒一步完成,避免了傳統(tǒng)蒸發(fā)操作與減壓干燥工藝耗時長、干燥質(zhì)量差的缺點,大大提高了生

10、產(chǎn)效率,同時又能相對提高干燥成品的質(zhì)量,噴霧干燥的中藥提取物為粉末狀或顆粒狀,較傳統(tǒng)干燥成品的流動性好、含水量小、質(zhì)地均勻、溶解性能好,可以直接供片劑、顆粒劑、膠囊劑的成型。中藥提取液的噴霧干燥研究,一般以進(jìn)出熱風(fēng)溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速、供噴霧料液相對密度及其噴霧輔料為參數(shù),以干燥成品含水量、吸濕性以及指標(biāo)成分含量為評價指標(biāo)1015。其主要結(jié)論基本一致,即噴霧干燥時,中藥提取液的相對密度多在1.151.20之間;進(jìn)風(fēng)溫度多在150以上(150 200,屬高溫噴霧干燥;而對干燥成品指標(biāo)影響的主要因素則一般認(rèn)為是浸膏比重及風(fēng)溫。熱力學(xué)仿真5結(jié)論表明,風(fēng)溫、顆粒溫度及速度、密度、濕含量是噴霧干燥的主要影響

11、因素。因此,對一般中藥提取液的噴霧干燥是否可以考慮:將噴霧料液和進(jìn)風(fēng)含濕(水量差、溫度、流量作為噴霧干燥的工藝操作參數(shù),將干燥成品含水量、粒度及其分布、吸濕性、流動性、均勻性等一般指標(biāo)和成分指標(biāo)作為噴霧干燥的工藝評價參數(shù);在此基礎(chǔ)上針對不同提取液的性質(zhì)選用不同輔料,進(jìn)行實驗以使干燥成品達(dá)到設(shè)計要求。2.2制粒噴霧干燥技術(shù)用于造粒有多種方式,一是噴霧干燥后再沿用傳統(tǒng)的濕法或干法制顆粒法,后者即為常用的“噴霧干燥干壓制粒法”;較之更進(jìn)一步的則是直接的“噴霧造?！?即所謂的“一步制粒”。但從嚴(yán)格意義上講,“沸騰造?！?即為“流化床噴霧造?！?該技術(shù)是在引入流化態(tài)的微小顆粒(淀粉、糖粒、結(jié)晶的基礎(chǔ)上,

12、噴入中藥提取液并使之在顆粒母核的表面上干燥,進(jìn)而形成較大顆粒,通過顆粒的分層生長或團(tuán)聚生長最終得到干燥的產(chǎn)品。流化噴霧制粒是噴霧干燥制粒的主流,其主要操作工藝參數(shù)為霧化程度(空氣壓力、顆粒母核粒度、進(jìn)出風(fēng)溫度、風(fēng)量等16;按顆粒母核能否連續(xù)移入移出,可分為間歇式和連續(xù)式兩種類型。于才淵17對其機(jī)理進(jìn)行了研究,分析了料液流速、過剩氣流速度、霧化空氣流速以及噴嘴高度等對顆粒成長速率的影響;證實了流化噴霧制粒過程中顆粒的分層生長與團(tuán)聚生長機(jī)理。從現(xiàn)行的造粒方法看,擠壓制粒、滾轉(zhuǎn)制粒、快速攪拌制粒與流化噴霧造粒相比,后者明顯具有先進(jìn)性,可以將中藥提取液至固體顆粒成型一步完成,且具有質(zhì)量上的優(yōu)勢。當(dāng)然,

13、如果能夠無需引入顆粒母核而直接噴霧干燥制粒,則可徹底解決中藥提取液濃縮、干燥、粉碎、制粒的一步化工藝技術(shù)難題。劉明樂等18通過裝置改進(jìn)制成了自動噴霧干燥制粒裝置,該裝置由原來的一次噴霧改進(jìn)為兩次噴霧,可以直接將中藥提取液干燥制粒。但進(jìn)一步的研究和應(yīng)用尚未見更多報道。2.3噴霧干燥在中藥制藥中的其他應(yīng)用方式除干燥、制粒外,噴霧干燥技術(shù)在中藥及其提取物的制備上,例如揮發(fā)油微囊的制備1922。另外,噴霧包衣技術(shù)也可以看作為噴霧干燥技術(shù)的應(yīng)用之一。2.4中藥噴霧干燥技術(shù)應(yīng)用的問題與展望噴霧干燥是中藥制藥工業(yè)中較為常用的先進(jìn)技術(shù)之一,應(yīng)用越來越廣泛,但也存在著一些迫切需要解決的問題:中藥提取液噴霧干燥時

14、的粘壁與干燥產(chǎn)品吸潮問題;難于處理76粘度較大的浸膏;熱敏感物料在噴霧干燥時的氧化問題;中藥提取液是否能夠真正實現(xiàn)直接噴霧制粒;以及噴霧干燥熱效率低,設(shè)備龐大結(jié)構(gòu)要求高等問題。然而,從以上討論中我們可以看到,通過理論研究,解決這些問題是有可能的:1、粘壁問題是噴霧干燥時出現(xiàn)的老問題,不僅僅出現(xiàn)在中藥的噴霧干燥過程中,問題的出現(xiàn)與被干燥物的性質(zhì)有關(guān),如半濕物料粘壁、低熔點物料粘壁、粉末吸附以及霧化器與干燥室的結(jié)構(gòu)不良等,因此完全可以采取針對措施予以解決,如增加助噴劑、旋壁風(fēng)清掃裝置等;2、中藥噴霧干燥的主要優(yōu)勢在于快速的脫水作用,而對于一些高粘度的物料(稠膏、濾餅等其水分含量并不是很大,雖然可以

15、用氣流式噴霧干燥器干燥,但完全可以采用針對性更強(qiáng)的“閃蒸干燥器”、“熱噴射氣流干燥機(jī)”進(jìn)行干燥與粉碎;3、對于“熱敏性”問題更應(yīng)該用實驗來驗證,一般認(rèn)為噴霧干燥時物料的實際溫度并不高,盧忠東23實驗已證明含易氧化成分Vc 的物料在高溫噴霧干燥(進(jìn)風(fēng)溫度大于150前后的含量無顯著性差異;當(dāng)然,如果確實存在氧化問題,可以針對解決之,如采用亞高溫噴霧干燥,甚至可以使用“惰性載體噴霧干燥”。對于其他一些問題,文中已有論述。相信充分發(fā)揮優(yōu)勢,噴霧干燥技術(shù)在中藥制藥行業(yè)是大有用武之地的。參考文獻(xiàn):1劉廣文.噴霧干燥實用技術(shù)大全M .北京:中國輕工業(yè)出版社,2001.122,5,21,4.2潘永康.現(xiàn)代干燥

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