任务七  干燥技术

  干燥是利用热能或其他适宜的方法将物料中的湿分(水分或其他溶剂)气化除去,从而获得干燥固体产品的操作。干燥的目的是在于保证制剂的质量和提高稳定性,或使半成品具有一定的规格标准,便于进一步处理。干燥是制剂生产重要的单元操作,在生产过程中需要干燥的物料包括中药材、中药浸膏剂、湿颗粒、丸剂等。干燥的温度、方法应根据物料的性质进行选择,同时干燥的程度需根据制剂工艺的要求来控制。

一、干燥的原理

  在干燥过程中,热空气作为干燥介质和物料之间存在着方向相反的传热和传质过程。热空气将热能传至物料表面,再由表面传至物料内部,这是传热过程。同时湿物料受热后,表面水分(或其他溶剂)首先气化,物料内部水分扩散到物料表面,并不断气化,直至物料中水分与空气中水分达到平衡为止,这是传质过程。

  干燥过程进行的必要条件是物料表面湿分蒸气压必须大于干燥介质中湿分蒸气压,以保持一定的传热和传质的推动力。

拓展阅读

                     物料中所含水分的性质

1.平衡水分和自由水分  平衡水分是指在一定空气条件下,物料表面产生的水蒸气分压与空气中水蒸气分压相等时,物料中所含的水分,即不能干燥除去的水分。平衡水分是一定空气条件下物料干燥的限度。自由水分是指物料中所含的多于平衡水分的部分,即在干燥中可以除去的水分。各物料的平衡含水量随空气中相对湿度的增加而增大,故物料的干燥是相对的。

2.结合水分和非结合水分  物料中的水分根据除去的难易程度可分为结合水分和非结合水分。结合水分是指主要以物理方式结合的水分,如物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、结晶水等。结合水分与物料的结合力较强,较难除去。非结合水分是指与物料以机械力结合的水分,包括存在与物料表面的游离水分和较大孔隙中的水分。非结合水分与物料的结合力较弱,容易从物料中除去。

二、干燥方法和设备

  干燥的方法按操作方法可分为间歇式、连续式;按操作压力分为常压式、真空式;按热能的传递方式可分为热传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥等。在制药工业上应用最普遍的是对流干燥。

  制剂生产中干燥处理的物料有粉末状、颗粒状、块状以及膏状;干燥处理后的物料对疏松程度、粒径以及含水量等要求也不尽相同。因此,在实际操作过程中应根据被干燥物料的性质、要求、干燥程度等不同,采取不同的干燥方法和设备。

1.厢式干燥器  厢式干燥器属于常压干燥设备,小型的称为烘箱(图4-24),大型的称为烘房。干燥器内设置有多层支架,在支架上放置物料盘,空气经预热后进入干燥室内。热空气通过物料表面时,带走物料的水分,使物料得到干燥。为了使干燥均匀,物料盘中的物料不能过厚,必要时在物料盘上开孔。

  厢式干燥器多用于中药材、药材提取物、散剂、颗粒等干燥,干燥后物料破损少、粉尘少。其设备简单,适应性强,适用于小批量生产物料的干燥,但干燥时间长、物料干燥不够均匀、劳动强度大、热能损耗大。

2.流化床干燥器  流化床干燥器又叫沸腾干燥器,干燥过程中湿颗粒因从流化床底部吹入的热空气而悬浮,在干燥室内翻滚如沸腾状”,在动态下进行热交换,带走水汽达到干燥的目的。流化干燥器有立式和卧式两种,制剂工业中常用卧式多室流化床干燥器。它是由空气过滤器、沸腾床主机、旋风分离器、布袋除尘器、高压离心通风机、操作台等组成。其工作过程是将湿物料由料器送入干燥器内多孔筛板上,空气经预热器加热后吹入底部的多孔筛板与物料接触,物料在干燥室内呈悬浮状态上下翻动而干燥,干燥后的产品由卸料口排出,废气由干燥器的顶部排出,经袋滤器或旋风分离器回收粉尘后排空。

  流化床干燥器结构简单、操作方便,操作时物料与气流接触面大,提高了干燥效率,但干燥后细粉比例较大,干燥室内不易清洗。该设备主要用于湿粒性物料的干燥(如颗粒剂的干燥、片剂生产中湿颗粒的干燥),适宜于热敏性物料的干燥,但不适宜于含水量高易黏结成团的物料干燥。

3.喷雾干燥器  喷雾干燥的设备为喷雾干燥器,由雾化器、干燥器、旋风分离器、风机、加热器、压缩空气等组成。其工作过程为空气经过滤、加热后通过干燥器顶部空气分配器均匀地进入干燥室,原料液经干燥器顶部的雾化器雾化成极细微液滴后在干燥室内与热空气接触,在极短的时间内迅速干燥为成品。成品连续地由干燥器底部和旋风分离器中输出,废气由风机排空。喷雾干燥器常用于中药提取液的干燥、制粒及颗粒的包衣等。喷雾干燥能直接将液态物料干燥成粉末状或颗粒状干燥制品,所得成品多为疏松的空心颗粒或粉末,溶解性好。有瞬间干燥、干燥温度低等特点,对热敏性物料非常适合;但设备体积庞大、动力消耗多,干燥时物料易发生黏壁。

4.红外干燥器和微波干燥器  红外干燥器为利用红外辐射元件所发射的红外线对物料直接照射而加热干燥的设备。红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波,干燥时物料表面和内部的分子同时吸收红外线,具有受热均匀、干燥快等特点,但电能消耗大。

远红外隧道烘箱属于红外干燥设备,干燥道的两端可进行彳加料和卸料,被干燥物料放置于不锈钢网带上沿隧道式的干燥通道缓慢向前移动,通过红外线的照射加热达到物料干燥目的。该设备广泛用于各种安部瓶、西林瓶及其他玻璃容器的干燥灭菌。

  微波干燥器是利用微波对物料进行干燥的设备。徵波是频率很高、波长很短,介于无线电波和光波之间的一种电磁波。湿物料中的水分子在微波的作用下因快速转动而产生剧烈的碰撞与摩擦,产生的热能使物料被加热而干燥。微波干燥其有加热迅速、受热均匀干燥速度快、热效率高等优点,但成本高、对某些物料的稳定性有一定的影响。

三、冷冻干燥

 冷冻干燥又称升华干燥,是将药物溶液先冻结成固休,然后在一定的低温与真空条件下,将水分从冻结状态直接升华除去的一种干燥方法。冷冻的过程,物料可以在冷冻装置内降温冷冻,也可直接在干燥室内经迅速抽真空而冷冻。冷冻干燥适合于对热敏感的或遇水易分解的药物,如酶制剂及血浆、蛋白质等生物制品。

(一)冷冻干燥的原理

  冷冻干燥的原理可用水的三相图说明。图中可分为三个区域,水(液态)冰(固态)、水蒸气(气态)。0点(0.01℃,613.3Pa)是冰、水、气三相的平衡点,在此温度和压力条件下冰、水、气三相共存。OA、OB、OC分别为固-液、气-液、气-固两种状态相互转化的平衡曲线。

  由图可知,当压力低于613.3Pa时,不管温度如何变化,只有气-固两态存在,液态(水)不存在。根据平衡曲线OC,对于固态(冰),升高温度或降低压力都可以打破气固平衡,使固态(冰)朝着转变为气态(水蒸气)的方向进行。

(二)冷冻干燥的设备

  药品冷冻干燥的设备为冷冻干燥机,不同种类和规格的冷冻干燥机结构和原理大致相同。其主要由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四部分组成,结构上包括冻干箱(或称干燥箱)、冷凝器(或称水汽凝集器)、冷冻机、真空泵和阀门、电气控制元件等。

(三)冷冻干燥过程

  冷冻干燥的过程主要包括预冻、升华干燥和再干燥。

  共熔点是指药物的水溶液在冷却过程中,冰和溶质同时析出结晶混合物的温度。在冷冻干燥的过程中,若在冻结与升华的过程中温度超过了共熔点,则溶质将部分或全部处于液相中,固态水的升华被液体浓缩蒸发所取代,将导致干燥后的制品发生萎缩、溶解速度降低等问题。控制冻结的温度在共熔点以下,才能保证冷冻干燥的顺利进行。因此,测定药物溶液的共熔点在冷冻干燥生产工艺中十分重要。

  1.预冻 预冻是恒压降温的过程,通常预冻的温度应低至共熔点以下10~20°℃。预冻的方法主要有速冻与慢冻两种。速冻法是先将冻干箱降温至-45℃以下,再将制品放入因急速冷冻而析出细晶,制得产品疏松易溶,引起蛋白质变性的概率减小,对酶类、活菌、活病毒的保存有利。慢冻法是将制品放入缓慢降温的冻干箱中冷冻,形成的结晶粗,但冻干效率高。预冻采取哪种方法,应根据具体情况加以选择

2.升华  干燥生产上升华干燥有两种,一次升华法和反复冷冻升华法。

  一次升华法指通过一次冻结、一次升华完成制品的干燥。操作中先将预冻后的制品减压,待达到一定真空度后启动加热系统缓缓加热,使制品中的冰升华除去。该法适用于共熔点为-10~-20℃的制品,且溶液的浓度与黏度不大的情况。

反复冷冻升华法的减压和加热升华过程与一次升华法相同,只是预冻过程须在共熔点与共熔点以下20℃之间反复升降温度预冻。通过反复升温、降温处理,使制品晶体的结构由致密变为疏松,有利于水分的升华。如某制品的共熔点为-25℃,可以先预冻至-45℃左右然后将制品升温至共熔点附近,维持30~40分钟,再降至-40℃左右如此反复处理。因此,本法常用于结构较复杂、稠度高、共熔点较低的制品,如蜂蜜等。

   3.再干燥  升华干燥完成后,温度继续升高并保持一段时间,使已升华的水蒸气或制品中残留的水分被抽尽。再干燥的温度应根据产品性质来确定。产品在保温干燥一段时间后,整个冻干过程即告结束。

(四)冻干曲线

冻干曲线为冻干过程中搁板温度与制品温度随时间的变化。冻干曲线的制定是生产出合格冻干品的前提条件,因此每种新冻干产品必须制定冻干曲线。如图4-28的冻干曲线,“1”表示降温阶段(预冻),“2”表示第一次升温阶段(升华干燥),“3”表示低温维持阶段,“4”表示第二次升温阶段(再干燥),“5”表示最后维持阶段。

四、干燥的操作

下面以用GFG-500型高效沸腾干燥机进行干燥为例，简述干燥操作的相关内容。

（一)干燥岗位职责

(1)进入操作岗位后做好生产前的准备工作,严格按照《十燥岗位操作法》《干燥室设备标准操作规程》进行操作。

(2)领取物料,核对待干燥物料的名称、数量、规格等,确保不发生混药、错药。

(3)认真检査干燥设备是否清洁干净,清场状态是否符合规定。

(4)操作期间,严禁串岗、脱岗,不得做与本岗位无关之事。

(5)生产完毕,按规定进行物料移交,并认真填写好各种生产记录。

(6)生产结束或更换品种时,严格按本岗位清场标准操作规程进行清场。

(7)经常检査设备运转情况,注意设备保养,发现故障及时上报

（二）干燥岗位操作

1.生产前准备工作  具体操作有以下几点

(1)检查生产环境、设备的清洁状况,检查清场合格证,核对其有效期。若不合格需重新清场,并经QA人员检查合格后,填写合格证,才能进行本岗位操作。

(2)检査高效沸腾燥机、容器具是否洁净;确认设备挂有“合格”“已清洁”标牌,75%乙醇对设备及所用的容器具消毒。

(3)检查蒸汽、压缩空气是否供应正常。

(4)领取物料并核对物料的品名、数量、批号是否与生产指令相符,外观是否合格。

(5)挂木次运行状态标志,进入生产操作。

2.干燥操作   具体有以下几步操作。

(1)接通控制箱电源,打开压缩空气阀并调节气压(0.5~0.6MPa)

(2)根据工艺要求设定进风温度。

(3)将制好的颗粒投入料斗,将料斗推人箱体,待料斗就位正确后推入充气开关,使料斗上下处于密封状态

(4)开启加热气进出手动截止阀。

(5)按风机启动键,待风机启动结束后,启动搅拌键,则搅拌运转,干燥开始。

(6)进风温度通过白动控制系统慢慢上升到设定温度左右,待出风温度上升到60℃左右时,物料即将干燥。

(7)干燥过程中颗粒有不均匀的现象,须停止烘十,将料斗拉出翻粒后再进行烘干。

(8)取样测定颗粒水分是否符合要求。

(9)颗粒干燥程度达到要求后,拉出冷风门开关,用洁净的冷空气冷却物料数分钟。

(10)按风机停止键,使风机和搅拌同时停止(电气连锁),推拉捕集袋升降气缸数次,使袋上的积料抖入料斗。

(11)拉出充气开关,待气囊密封圈放气复原后方可将料斗拉出。

(12)关闭控制箱电源和蒸汽源、压缩空气源。

3.清场  按清场标准操作程序、高效沸腾干燥机清洁标准操作程序、生产用容器具清洁标准操作程序进行清场、清洁。清场完毕,经QA检查合格后,发清场合格证,填写清场记录

4.记录  如实填写生产操作记录。