原料药生产中气流粉碎过程的优化及自动化策略研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：梁志权（1994），男，汉族，河南濮阳人，本科。-37-原料药生产中气流粉碎过程的优化及自动化策略研究 梁志权 诺泽流体科技（上海）有限公司，上海 201600 摘要：摘要：随着医药工业的发展，对原料药的加工技术和质量控制要求日益提高。气流粉碎作为一种先进的物料处理技术，在原料药生产中起到了关键作用。本研究以阿托伐他汀钙为对象，详细探讨了其在气流粉碎中的整个生产过程，包括原料的准备与预处理、粉碎、收集与排风。结合过程参数优化和智能自动化技术，旨在进一步提高粉碎效率与产品质量。期望通过此研究，为医药产业中的气流粉碎技术应用提供有力的科研支持，确保原料药物的质量和安全，同时提升生产效益。关键词：关键词：气流粉碎；阿托伐他汀钙；智能自动化 中图分类号：中图分类号：TQ 0 引言 气流粉碎技术，作为一种高效的物料微细化处理方式，在众多产业中都得到了广泛的应用。尤其在原料药生产领域，其在提高药物溶解速度、增强生物利用度以及改善药物的物理性质等方面都具有不可忽视的重要性1。而随着医药工业的日益发展和技术的持续进步，如何优化这一粉碎过程以提高效率和降低成本，成为了业界关注的热点。气流粉碎的工作原理以及在原料药生产中的应用环节都具有其独特性，从原料的选取、预处理到具体的粉碎、分级、后处理等各个步骤，都有其独特的操作要求和技术难题。然而，在实际生产中，由于原料药的物理性质差异、生产环境的制约以及设备性能的限制，往往会遇到各种技术难题和挑战。如何克服这些难题，对气流粉碎过程进行优化，以及如何融入更多的自动化技术，以达到提高生产效率、降低成本并确保产品质量的目标，是本研究的核心内容。本研究旨在深入探讨气流粉碎在原料药生产中的实际应用，明确其在各个环节中的操作要求和技术难题，进一步提出针对性的优化策略和自动化解决方案。1 气流粉碎的工作原理 图 1 为气流粉碎的工作原理图，整个气流粉碎过程从设计到操作均展现出高度的科技性和工程性。首先，原始物料由电机送至文丘里结构处（进料漏斗），在文丘里处由气体带入到粉碎盘。这些物料受到进料空气或气体的带动，以确保其均匀、稳定地进入后续的处理环节2。物料随后进入粉碎盘，这是一个关键的部分，主要进行物料的微粉化处理。在粉碎盘中，物料将受到高速旋转的气流的冲击和物料之间的摩擦。这种旋转的气流产生于压缩空气或氮气，其压力可以根据需要进行调整，以达到最佳的研磨效果3。为确保研磨粉碎过程的稳定性和效率，系统还配备了压力探测器。压力探测器的作用是对流经的气体压力进行实时监测，以确保压力的稳定性和均匀性。经过粉碎盘处理后的微粉化产品，随气流流经旋风分离桶并从锥桶部位下方排出，此时的物料已经达到了预期的粒径和性质。此外，整个系统还可配置可代替的粉碎盘内衬，其作用是根据不同的处理需求或物料性质，进行相应的切换，以实现更加灵活、高效的粉碎过程4。图 1 气流粉碎的工作原理图 2 原料药生产中的气流粉碎的过程 2.1 原料的准备与预处理 气流粉碎机在药物粉碎领域得到了广泛的应用，特别是对于抗菌素、酶、低熔点等热敏药物以及激素，高活性药物等。考虑到这些药物在加热、搅拌或其他物理方法下容易发生降解或活性丧失，或者与极易吸中国科技期刊数据库 工业 A-38-收空气中水分，气流粉碎技术就显得尤为重要。为了深入研究该技术在药物粉碎中的应用，选择了抗菌素作为研究对象。在实验中，选取了他汀类阿托伐他汀钙作为样品。阿托伐他汀钙是一种有机化合物，为他汀类血脂调节药，主要作用部位在肝脏，可减少胆固醇的合成，增加低密度脂蛋白受体合成，使血胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平降低，中度降低血清甘油三酯水平和增高血高密度脂蛋白水平。初步测试表明，阿托伐他汀钙的原始样品平均粒径 D90 是 480 微米，即 90%的粒子粒径小于 480 微米。水分含量为 1.6%。考虑到气流粉碎对物料的入料要求，需要对阿托伐他汀钙进行预处理：筛分：采用 500 微米的筛网对原料进行筛分，以确保去除超出范围的团块和潜在杂质。干燥：利用冷冻干燥技术将阿托伐他汀钙的水分含量控制在 0.8%以下，以预防粉碎过程中的物料粘附现象。均质化处理：采用高速搅拌器对阿托伐他汀钙样品进行均质混合，使其在微观上达到均匀分布，为后续粉碎做好准备。2.2 粉碎与分级 2.2.1 气流粉碎机的选择与设置 为了确保阿托伐他汀钙的有效粉碎，选择了 J12中型生产型气流粉碎机。该机器的最大工作压力为1.6MPa，而粉碎收率可达到 98%。设定的工作参数为：文丘里进气压力 0.7Bar，粉碎盘研磨气体进气压力0.65Bar，确保在高效粉碎的同时，物料的热敏性、吸水性得到保护。2.2.2 气流生成与维护 为确保稳定的气流，使用了变频空压机作为气源。空压机流量为 50 m/h，以确保整个粉碎过程中气流的稳定性。为了减少热敏物料可能受到的热损伤，设备主管路进气安装了温度探测器，检测气源的温度，可设置温度区间，超出区间时，设备可报警并停止进料。2.2.3 粉碎区的物料输入与气流的调整 考虑到粉碎盘最大处理量和阿托伐他汀钙的物理特性，物料的输入速度设定为 20kg/h。为了确保气流的稳定性，两路进气（文丘里，粉碎腔进气管路）均采用高压针阀来调节输出压力。在实验过程中，根据滤袋外压力调节旋风分离桶内的压力，将其设置为微正压，用以平衡文丘里效应产生的负压。2.2.4 利用离心力进行粒径分级出料 在气流粉碎后，为确保阿托伐他汀钙粉碎物料达到医药应用的标准，需要对其进行粒径分级。因此，粉碎盘出料口部位会深入粉碎盘一定的深度，物料根据粒径越小，离心力越小的原理进行出料。在某一特定压力条件下，其粉碎后的粒径也是在一个特定区间。表 1 阿托伐他汀钙粒径对比表 粉碎压力（Bar D90（%）D50（%）D10（%）6.0 11.86 7.26 2.65 6.5 9.56 5.96 2.17 7.0 6.68 4.43 1.57 7.5 6.44 3.96 1.39 通过表 1 可以看出，阿托伐他汀钙的物料经过不同压力粉碎后，其粒径分布近似为正态分布，同一压力下的粒径分布图基本可以实现复现，实验重复性表现良好。根据压力与粒径分布可知，此工艺下制成的阿托伐他汀钙的 D90 极限粒径应当在 6 微米左右。2.3 后处理与收集 气流粉碎后的阿托伐他汀钙颗粒，由于其颗粒径较小，且具有一定的静电吸附作用，因此在粉碎盘上方的出粉管上增加气爆器，减少物料对管道的黏附，避免管道黏附过多物料导致管道口径变小。气爆器是将压缩气体瞬间释放，以形成一定的冲击力，将物料吹走，同时此时的进料电机可以选择继续进料或停止进料。若选择停止进料，则系统会在气爆前，停止进料一定时间后才开始气爆功能。气爆结束后，气爆器内会有小压力气流一直流动，对出粉管管壁具有一定作用的气流保护作用，减少物料吸附。同时，物料在旋风分离桶内具有旋转沉降的作用，最终落到收料缓存器内。但是仍会有一部分比较轻的物料会随着气流排风向上流动，此时的滤袋便起到了捕捉物料的作用。随着物料持续进行粉碎，滤袋上捕捉的物料也会随着时间慢慢积累。当积累到一定程度时，滤袋内可能会出现压力过高的情况，大于如大于 5000Pa，导致盘内压力较高。因此在旋风分离桶的滤袋内测安装有压力传感器，来检测滤袋内压力，当压力过高时，会开启自动抖动，将滤袋上的物料通过抖动使其落下，减少滤袋的风阻。而旋风分离桶收料部位的锥桶也会累计一些物料，收集此处的物料需要靠锥部安装的气中国科技期刊数据库 工业 A-39-锤来实现。实验过程中，气锤根据时间来定时工作，以提高收率。最后，排风阶段采用了高效除尘系统进行。除尘系统是通过两级过滤器，将物料捕捉到过滤器上。虽然滤袋的孔径很小，且为多层结构，但是还是会有一部分较细的颗粒从滤袋的缝隙处逸散，因此排风需要再次经过过滤才能直接排放到大气。2.4 遭遇的技术难题与制约因素 如前文数据所示，阿托伐他汀钙的水分含量从 3.5%降至 0.8%后，其热敏性增强，这使得在粉碎过程中的控温显得尤为关键。然而，确保均匀的温度控制在整个粉碎室内是一大技术挑战。由于文丘里效应引起的负压，虽有旋风分离桶内的微正压来平衡，但此压力控制若要达到真正的平衡比较困难，因为粉碎过程中，气爆喷吹、风机调节、滤袋抖动等操作对压差的影响比较明显，而其主要是影响进料速度，所以无法到稳定、持续的压力平衡状态。虽然采用振动筛进行筛选，能够排除大部分的非规范颗粒，但在某些情况下，仍有小部分超出规定大小的颗粒混入。这可能与物料进入筛分机的均匀度有关，也可能与筛孔的磨损和堵塞有关。而旋风分离桶功收集了 97.5%的阿托伐他汀钙物料，但仍有 2.5%的物料在粉碎过程中由于吸附作用需要停机后手动进行抖袋，敲击等人工的辅助操作进行收集。而无法通过抖袋等附加功能收集的就变成了不可避免的损耗，降低了收率，也可能对后续的工作流程造成干扰。虽然可以通过增加批量来提高收率，但是设备终归是有批量寿命，达到一定的批量后，设备必须进行停机清洁才能继续粉碎。从经济角度看，气流粉碎技术要求较高的能耗，尤其在保持连续和稳定的气流时。从噪音上讲，设备规格越大，噪音也会越大，尤其是空载的噪音，对操作人员来讲有一定的损伤。这也是其在大规模生产中需要考虑的一个重要因素。3 优化与自动化策略 3.1 原料药特性对粉碎效果的影响及优化建议 原料药物的物理和化学特性会直接影响气流粉碎的效果。考虑到之前研究的阿托伐他汀钙作为例子，其特定的物理和化学性质，如熔点、硬度和韧性，都与气流粉碎效果有关。首先，阿托伐他汀钙的物理特性。其硬度较高，使得粉碎过程中需要更大的能量。此外，其熔点较低，容易导致在粉碎过程中产生热量，影响粉碎效果。为了解决这个问题，可以使用以下公式（1）来计算所需的冷却能量：=m c T（1）其中，是所需的冷却能量（Joule），m 是物料的质量（kg），c 是物料的比热容（J/kgK），T是希望达到的温度降低值（K）。通过这个公式，可以准确计算出在粉碎过程中，为防止阿托伐他汀钙过热所需的冷却能量。然后，通过适当的冷却策略，如混合液氮或冷气流，来维持物料在理想的温度范围内。其次，阿托伐他汀钙的化学特性，特别是它对氧和湿度的敏感性，可能会在粉碎过程中导致降解。为避免这一情况，可以考虑在粉碎过程中充入惰性气体，如氮气，以减少与氧的接触。控温方面，可以增加液氮空压自动混合系统，保持粉碎气流与物料温度在合适范围内，确保阿托伐他汀钙的稳定性。在粉碎过程中，使用惰性气体环境，以减少阿托伐他汀钙的氧化降解5。由于设备有泄露的风险，因此在液氮或氮气环境下设备配置氧气检测传感器，同时设备定期检查气流粉碎机的工作状态和维护情况，确保机器运行在最佳状态，从而达到最佳的粉碎效果，保障人员安全。3.2 过程参数优化 在气流粉碎过程中，确保物料达到所需的粒径分布和质量标准是至关重要的。考虑到前述研究的阿托伐他汀钙，优化过程参数不仅可以提高生产效率，还能确保产品质量。首先，根据之前的数据，粉碎压力的大小、进料速度均会直接影响到最终的粒径大小，而喷吹、抖袋这些附加功能会间接影响粒径分布的均一性。理想的粒径分布在粒度仪报告中是标准的正态分布，且分布曲线越窄，粒径均一性就越强，此时的参数也是最后符合预期的。3.3 智能自动化技术的融入 随着现代生产技术的迅速发展，智能自动化技术已经成为各行各业优化生产流程的关键手段。对于气流粉碎过程，此技术的融入旨在提高粉碎效率，确保产品质量的稳定性，同时还能减少人为干预，确保生产的连续性和稳定性。考虑到前文提到的阿托伐他汀钙粉碎的实例，融入智能自动化技术后，可以实时监测文丘里进气压力，粉碎腔进气压力，进料速度，滤中国科技期刊数据库 工业 A-40-袋内压力，滤袋外压力等关键参数。通过内置的 PID 算法，系统可以自动调整这些参数，以得到最佳的压力曲线。一旦检测到偏差，系统可以迅速做出调整，例如调整粉碎或进料压力、报警等。这种自适应的调整方式不仅可以快速响应生产中的变化，还能大大提高生产效率和产品质量。4 结语 气流粉碎作为一种高效的物料处理技术，已在原料药生产中得到广泛应用。本研究详细探讨了阿托伐他汀钙的气流粉碎过程，从原料的准备与预处理，到粉碎与分级，再到后处理与收集，系统地展现了整个过程的关键因素和技术难题。其中，粒径分布的优化成果确保了阿托伐他汀钙颗粒的稳定性与质量，使其更适合医药应用。过程参数的优化以及智能自动化技术的引入，为气流粉碎过程带来了新的可能性。通过实时的数据监控与 PID 算法的调控，不仅提高了生产效率，还确保了产品的质量稳定性。此种结合传统工艺与现代技术的方法，为未来原料药生产中更广泛的应用打下了坚实的基础。参考文献 1 吴 玉 祥.螺 旋 式 气 流 粉 碎 机 使 用 过 程 中 的 风 险 分 析 及 产 品 的 粒 径 研 究 J.化 工 与 医 药 工程,2020,41(5):47-51.2泰华.气流粉碎机的一般介绍(下)J.涂料工业,2019,8(2):33-39.3孙亚丽,刘清才,黄新,等.气流粉碎对超细WC粉体微观应变行为及团粒破碎行为的影响(英文)J.中国有色金属学报:英文版,2019,29(10):2128-2140.4黄生龙,张明星,陈海焱,等.高温气流粉碎同步高效灭菌机理J.中国粉体技术,2019,25(2):12-17.5许青莲,岳天义,张萍,等.超微粉碎对苦荞物化性质的影响J.包装工程,2020,41(11):25-32.