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双锥回转真空干燥机升级的思考性探讨

 

双锥回转真空干燥机升级的思考性探讨
上海新先锋药业有限公司    田耀华
国内制造双锥回转真空干燥机的厂商很多,但总体设计和制造水平相对较底,对这一经典实用设备没有升级换代(国内仅有少数厂商进行了升级性的努力),其真实的原因没能结合理论去研究双锥回转真空干燥机的性能与应用,或对其作升级性的研发。笔者以真空干燥理论为依据,对国内双锥回转真空干燥机的升级作必要的思考性探讨,并提出一些建议性的设想,以供有志之士参考,目的是为了国内双锥回转真空干燥机的制造和应用水平日趋提高。
1、为何把双锥回转真空干燥机作为经典使用设备来讨论?
双锥回转真空干燥机是前几年在原料药生产应用较为广泛的设备,这是由于在真空干燥的过程中,筒体内的压力始终低于大气压力,气体分子数少,密度低,含氧量低,因而能干燥容易氧化性变化的药品生产,能减少物料染菌的机会。也由于水在汽化过程中,其温度与蒸汽压力成正比,故真空干燥时物料中的水分在低温下就能汽化,达到低温干燥,特别适用于药品中有热敏性物料的生产。同时,真空干燥可消除常压热风干燥易产生表面硬化现象,这是真空干燥物料内和表面之间压差大,在压力梯度作用下,水分很快移向表面,不会出现表面硬化。此外真空干燥时,物料内部和外部之间温度梯度小,由逆渗透作用使得溶媒能够独自移动并收集,有效克服热风干燥所产生的溶媒失散现象。
从功能上看,双锥回转真空干燥机是集混合、真空干燥于一体的干燥设备,它以简洁、方便和双效特点被人们作为经典设备来应用,其有着实用性和经济性的一面,是其它设备难以替代的。但近几年来却又被人们所淡化了,其根本原因是由于制造商缺乏对其的研究和结构的改进所致,其主要表现在结构上难以CIP/SIP和干燥性能优化上,故有必要对其升级换代作思考性讨论。
2、双锥回转真空干燥机的干燥速度讨论及建议
2.1真空干燥速度的概念
有关文献1认为:物料的干燥过程,首先是物料表面的水分受热汽化并被真空设备排除,物料表面的水分因汽化而逐渐减少,并在物料内部与表面之间形成温度差。内部的水分在温度差的作用下,不断向表面扩散,并在到达表面后汽化。另外,在真空干燥过程中,同时存在着压力差,使得被汽化的水分子加速向真空空间移动。
在真空干燥过程中,人们总是希望加快干燥速度,缩短干燥时间,但是影响干燥速度因素有以下几点:
1)被干燥物料的状况(如物料形状、大小尺寸、堆置方法),物料本身的含湿量、密度、粘度等性能。一般,物料颗粒细而均匀、堆放松散、厚度薄,则内部水分容易扩散。若提高物料的初温、经真空过滤前处理、降低物料含湿量等,均能提高真空干燥速度。
2)真空度越高,越利于水分在较低温度下汽化,但真空度过高不利于热传导,会影响对物料的加热效果。为提高物料干燥速度,应根据物料的特性综合考虑真空度。通常,真空度不低于1×104Pa。
2.2影响双锥回转真空干燥机的真空干燥速度因素的讨论及建议
文献1把双锥回转真空干燥机过程作试验,分别以真空度、干燥温度、蒸汽压力与干燥时间为参数,试验所作的曲线表明:双锥回转真空干燥机干燥过程可分为第一升温、第一恒温、第二升温、第二恒温和降温五个阶段。其中:
第一升温是加热物料,使其升温的预热阶段。该阶段中,物料中水分汽化量很少;
第一恒温是恒速干燥阶段,在该阶段中,物料的自由水、表面水和毛细管水等大量汽化。因此,温度和真空呈恒定状态,且真空度与该干燥设备温度下水的饱和蒸汽压力近似相等;
第二升温是加热物料迁移内部水分至物料表面的过程,由于汽化的水分很少,导致物料温度升高和真正度也随之提高;
第二恒温是汽化物包裹水和部分结晶水阶段,由于水分迁移率与汽化率相定,故温度和真空呈平稳状态;
降温阶段开始时,关闭加热蒸汽,通以冷却水至筒体夹套,冷却筒体使其内部物料温度下降,以便卸出干燥制品。
现在此把某一产品的平均干燥工艺参数列入下表1。
表1
阶段
时间min
真空度MPa
干燥温度
蒸汽压力MPa
饱和蒸汽压MPa
第一升温
第一恒温
第二升温
第二恒温
降温
30
45
30
75
30
0.019
0.024
0.018
0.015
0.007
46
63
81
93
95~70
0.29
0.43
0.44
0.40
0
0.01
0.024
0.051
0.081
0.087~0.032
从表中可看到,双锥回转真空干燥机干燥过程的不同阶段所具备的性质也不同,故应该根据其不同阶段而设定不同的操作参数,这样能更有效地利用设备的功能。然而,现实的双锥回转真空干燥机的许多操作参数是常量不变(如旋转速度)或自动控制(如工作真空度、干燥温度等),以下就干燥不同阶段过程的操作参数对真空干燥速度的影响展开讨论,并提出建议性的改进意见。
2.2.1双锥回转真空干燥机的旋转速度对真空干燥速度的影响及建议
双锥回转真空干燥机筒体的旋转速度越快,干燥速度越高。但在干燥后期,随着物料湿含量的下降,干燥速度也降低,此时提高转速对干燥速度的提高均无益。另外,在干燥初期,较快的旋转速度,会导致湿分汽化过快而产生物料粘结成团的现象。因此,应在干燥初期采用较低的转速,待物料表面较干以及不结团时再提高转速,以便加快干燥速度、缩短干燥时间。
对此点,建议可选用变频电机,使筒体的旋转速度在运行时能变动,并有菜单可设定不同时间段所选用的不同筒体旋转速度(0~10r/min内无级调速),即要有时间-速度关系的设定。
2.2.2双锥回转真空干燥机的加热与冷却对真空干燥速度的影响及建议
双锥回转真空干燥机夹套内对流换热需分别提供热量和冷量,故夹套内将经历以热蒸汽方法的升温及以冷却水方法的降温。文献1认为,提高热介质温度可加快升温速度,缩短干燥时间。对粘性大的物料,热介质温度高容易产生结团现象。降低冷却水温度可加快降温速度,也可缩短工作周期。随着物料的性质不同,可选择适当的温度,常以变温干燥法为佳,即在干燥初期温度低,逐渐提高温度以增大干燥速度。
对此点,建议可选用温度传感元件,使双锥回转真空干燥机夹套内热量或冷量控制能在运行时变动,并有菜单可设定不同时间段所选用的温度,即要有时间-温度关系的设定。
2.2.3双锥回转真空干燥机的真空度对真空干燥速度的影响及建议
通常双锥回转真空干燥机选用1×103~1×104Pa真空度,真空度高,物料中湿分汽化温度低,干燥速度快。但真空度过高,会导致抽气系统成本增加,干燥后物料价格增高,经济上不合算。但从上表可知,在降温阶段的真空值很小,故应分段来控制真空度的压力。
对此点,建议可选用压力传感元件,使双锥回转真空干燥机筒体内真空度控制能在运行时变动,并有菜单可设定不同时间段所选用的真空度,即要有时间-真空度关系的设定。
2.2.4双锥回转真空干燥机的锥体角度及充填量对真空干燥速度的影响
双锥回转真空机筒体堆放颗粒状或粉末状物料时,当物料堆斜面与底面间夹角增大到某个角度时,将发生侧面物料下滑落的现象。此时发生物料滑落的斜面与底部的夹角称该物料的滑移角(滑移角与物料组成、湿含量、粒度和粘度有关)。故双锥回转真空干燥机的设计和选择时,应根据物料的滑移角而选择锥体的角度。
文献1也认为,实际装料容积与干燥筒体容积之比为充填率。双锥回转真空干燥机的充填率通常为30%~50%之间,其与物料的堆密度也有关。
从上可知,双锥回转真空干燥机筒体锥体的角度太大或太小都会影响翻动混合效果,而其形成的物料干燥表面最终影响了干燥速度。同样,实际装料容积充填率过高也会影响翻动混合效果,影响了干燥速度。
3、双锥回转真空干燥机的结构讨论
虽然双锥回转真空干燥机有着许多实用性优点,但结构上的不完善之处阻碍了其应用发展,国内也只有一家制造商作了研发,且在无菌原料药干燥上应用。特别对应用于无菌原料药生产来说,尚未改进设备所存在的不完善之处表现为,一是抽真空管空套回转轴的动静密封件泄漏与清洗问题;二是筒体结构的清洗或灭菌问题;三是进料/出料结构的易出料与清洗问题。
3.1抽真空管空套回转轴的动静密封件泄漏与清洗问题讨论
在部分双锥回转真空干燥机的抽真空管空套回转轴装置中,其采用双骨架轴密封结构,由于此结构密封的不可靠,在筒体抽真空的作用下极易造成泄漏,有时会出现所谓的“漏油”现象。同时,也由于密封的不可靠会在干燥时结存粉,此处的结存粉用普通的旋转动态水洗方法是难以洗净的,这样会引起换批时的交叉污染。
近期国内有制造商对此作了一定的改进,有的采用特殊密封(如特殊的机械密封、磁流体密封等)。也有的制造商在抽真空结构上作了改进,使抽真空部分不伸进筒体内部,仅在旋转筒体外面与其接触,采用金属烧结网做过滤器,容易清洗,容易消毒灭菌,并配有用高纯氮气反吹的系统,防止粉尘物料堵塞过滤网孔,确保真空畅通。由此看来,只要正视所存在的薄弱环节,设法作一定改进能使经典设备赋予新的生命。
3.2筒体结构的清洗和灭菌问题讨论
在部分双锥回转真空干燥机筒体的清洗中,有的靠切换真空管路,放入清洗水旋转筒体再放净,这样动态清洗法是无法彻底洗净的,至少在动静接触面和结料处是不能洗净。
其次是部分制造商没有把筒体当作压力容器来设计及制造,很难做到切换真空管路通入蒸汽来灭菌,故谈不上蒸汽的在位灭菌。这里当然涉及到进料/出料结构与密封结构,其形式和承压性能也与蒸汽灭菌有关。而在无菌环境使用设备的至关重要要求就是清洗后的灭菌,通常灭菌的方法中最有效和直接的方法是湿热和干热灭菌,基于该设备筒体结构是不可拆的,不能采用干热灭菌,只能采用湿热(蒸汽)灭菌。
对此,说白了就是设法方便清洗和灭菌,也只要能围绕此专题所展开即可。近期国内有制造商对结构做了一定的改进,在清洗方面,采用靠切换真空管路,放入加压的清水旋转筒体,再放净的方法,虽然有所提高,但实效也不是十分理想。在灭菌方面,有的制造商在制造筒体和料阀方面考虑到承压性,其可采用切换真空管路而通入蒸汽也完成SIP。
3.3进料/出料结构的易出料与清洗性问题讨论
此问题虽说是上承3.2所延伸的,但进料/出料的特殊要求是易放净、易操作、易清洗/消毒。国内部分制造商采用蝶阀或可拆卸结构,也取得了一定成效,但对照GMP和相应工艺要求,这里可展开的研发是大有文章可做。
4.双锥回转真空干燥机升级的思考性设想
上述仅是笔者愚见,至于双锥回转真空干燥机要升级换代的话,可以研发的思路很多,笔者感到还可以尝试以下几个思路,这里仅为思考性及建议性的设想。
4.1拓宽双锥回转真空干燥机的功能,以适应更广的应用
4.1.1增加搅拌和造粒功能
可在双锥回转真空干燥机的抽真空管中穿入一个带喷嘴的管(能喷粘合剂),同时真空管进入筒体内部处增设一个固定搅拌叶片。当筒体转动过程中,固定在抽真空管上搅拌叶片迫使物料从其两侧面流过,这样在物料沿筒壁滑动的同时,又增加了径向运动。因此,能有效地提高了混合搅拌物料的效果,加快了湿分汽化,提高了干燥速度。尔后在粉体物料工艺结束时,可由穿入带喷嘴(能喷粘合剂的管)喷出相应粘合剂,将粉末状干物料制成颗粒状制品。
4.1.2增加搅拌和粉碎功能
国内有的制造商采用破碎装置,该装置的刀具为四把组合整体结构,采用十字交叉排列,由短到长,依次焊接,刀具采用不同的长度,不同的角度。确保旋转时能与物料充分接触,保证破碎效果。这样物料在双锥回转真空筒体内不停地翻动,并与筒壁进行热交换(筒壁外面半剖盘面用热水进行循环加热)。在双锥筒体旋转时破碎刀同时转动,每当筒体旋转一圈,物料与破碎刀接触一次。由于破碎刀的转速较快(最高为250r/min),而筒体的转速较慢(一般为3 r/min),故每当物料与刀具接触时,破碎效果十分明显,筒体内系统在真空下运行。
4.2构筑双锥回转真空干燥机系统设计的概念,以适应生产率的提高
双锥回转真空干燥机能在生产中有效应用的话,必然是一个系统的概念,其中有机溶剂收回系统是一个关键的过程。制造商在供应双锥回转真空干燥机设备时,不能只提供单机,而是应提供系统,应考虑有机溶剂的回收,由于溶剂的沸点较低,故采用冷冻水进行冷凝冷却,确保溶剂能回收利用,避免被真空泵抽走后污染大气。
此外,国内有的制造商在系统设计上作了很大努力,除上有机溶剂收系统外,还设有高纯氮气反吹系统、放空过滤系统、半剖盘管加热系统、热水温控系统等等。
4.3研发CIP/SIP结构,以适应无菌级的生产
关于双锥回转真空干燥机的CIP/SIP结构应该换个思路去研发其结构,除上所谈及的思路外,还能通过快开式外接喷淋清洗装置,当停机时接入筒体,并形成清洗环路系统。也可设想整个双锥回转真空干燥机的筒体能拆卸(如夹持式方锥形混合机结构),这样整个筒体能进入清洗站内完成清洗及灭菌,当然此设想的难度太大。而此点也是双锥回转真空干燥机能升级换代的基础,使其能适应无菌级的生产。
5.小结
本文从理论上对双锥回转真空干燥机的真空干燥速度作了讨论,同时分析了国内有的双锥回转真空干燥机结构的不完善之处,提出了以真空干燥理论为依据,对其进行升级换代的研发,总体上提高双锥回转真空干燥机的研发和应用水平,使这一经典实用产品焕发出新的生命力。然而,本文仅为其升级提出一些思考性建议的设想,以馈有志之士参考,使双锥回转真空干燥机的制造和应用日趋臻美。
 
 
附记:近悉老专家李桢先生病故,撰本文也为缅怀李桢先生为双锥回转真空干燥机技术所作出的贡献,愿他在九泉之下安息。