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流化床制粒技术
发布日期:2018-06-06      浏览次数:6395
  流化床制粒也称一步制粒法,是将常规湿法制粒的混合、制粒、干燥3 个步骤在密闭容器内一次完成的方法。1959 年,美国威斯康星州的Wurster 博士首先提出流化床制粒技术,随后该技术迅速发展,并广泛用于制药、食品及化工工业。我国于上世纪80 年代相继从Aeromatec 公司、德国Glaft 公司、日本友谊株式会社引进流化床制粒设备。近年来,由于医药行业面临的GMP 认证,流化床在我国药厂已得到普遍应用。我公司将从流化床制粒的原理和优点、流化床类型的选择、流化床制粒过程中设备参数、工艺参数、处方参数对制粒的影响等方面进行综述。
 
  1 流化床制粒原理
 
  在流化床制粒机中,压缩空气和粘合剂溶液按一定比例由喷嘴雾化并喷至流化床层上正处于流化状态的物料粉末上。首先液滴使接触到的粉末润湿并聚结在其周围形成粒子核,同时再由继续喷入的液滴落在粒子核表面上产生粘合架桥作用,使粒子核与粒子核之间、粒子核与粒子之间相互结合,逐渐形成较大的颗粒。干燥后,粉末间的液体桥变成固体桥,即得外形圆整的多孔颗粒。因流化床制粒全过程不受外力作用,仅受床内气流影响,故制得的颗粒密度小,粒子强度低,但颗粒的粒度均匀,流动性、压缩成形性好。
 
  2 流化床类型选择
 
  流化床制粒设备有空气压缩系统、加热系统、喷雾系统及控制系统等组成。主要结构由容器、空气分流板、喷嘴、过滤袋、空气进出口、物料排出口等组成。按其喷液方式的不同分为3 类:顶喷流化床、转动切喷流化床、底喷流化床。流化床制粒一般选择顶喷流化床。近年来,为了发挥流化床制粒的优势,亦出现了一系列以流化床为母体的多功能复合型制粒设备。如我公司新推出的多功能流化床、集顶喷制粒,底喷包衣、侧喷制丸包衣为一体。现我们仅就流化床制粒进行探讨。
 
  3 流化床制粒的优点
 
  尽管流化床制粒受到诸多因素影响,但与其他制粒方式相比,该技术仍具有很多优点。
 
  a .物料的干混、湿混、搅拌、颗粒成型、干燥都在同一台流化床设备内完成,减少了大量的操作环节,节约了生产时间。
 
  b .使生产在密封环境中进行,不但可防止外界对药物的污染,而且可减少操作人员同具有刺激性或毒性药物和辅料接触的机会,更符合GMP 规范要求。
 
  c .制得的颗粒粒度均匀、流动性、压缩成形性好。
 
  d .可使在组分中含量非常低的药物在制得的颗粒中分布更均匀。
 
  此外,流化床还能制得多层和多相的功能性粒子,对人们展示出无穷的魅力。
 
  4 流化床制粒的影响因素
 
  流化床制粒是一个复杂的过程,受到很多因素的影响,可归纳为设备因素、工艺因素、处方因素等。设备因素与制粒机的构造有关,工艺因素与实际的操作条件密切相关,处方因素则与制粒材料和粘合剂的种类与浓度有关。
 
  4.1 设备因素
 
  在流化床制粒机中,空气分流板及容器均对粒子的运动产生影响。其中容器的材料和形状对粒子运动的影响更大。不但要保证物料粉末能达到很好的流化状态,也要使物料不与容器的器壁发生粘附,否则制粒过程中会产生大量细粉。现在容器的材料有多种,主要为含碳量低的不锈钢(sus304),形状基本为下窄上宽的圆柱体或圆锥体,大部分流化床的生产厂家都对筒体采取了抛光处理。在制粒过程中,空气分流板上会放置1 一2 层(180目左右)的不锈钢筛网,不但起到承载物料的作用,在一定程度上也减弱了空气分流板对粒子运动的影响。甚至有早期的国外文献报道空气分流板对粒子运动基本没有影响。
 
  使用顶喷流化床时,喷嘴的位置会影响喷雾均匀性和物料的润湿程度,为使粒径分布尽可能窄,应尽量调整喷雾面积与湿床表面积一样大。如果位置太高,液滴从喷嘴到达物料的距离较长,增加了液相介质的挥发,造成物料不能润湿完全,使颗粒中细粉增多,呈现喷雾干燥现象。喷嘴位置太低,粘合剂雾化后不能与物料充分接触,所得颗粒粒度不均匀,而且喷嘴前缘容易出现喷射障碍。使用转动切喷流化床制粒时,混合器的构造对制粒也会产生很大影响。国外报道曾比较了2 种不同形状叶轮的混合器对制粒的影响,在相同的条件下,参比混合器导致很多湿物料粘附在器壁上,而另一种混合器则无此现象。此外,喷枪的种类(单气流、双气流、高速飞轮和高压无气喷枪等)、过滤袋材质对颗粒质量也有一定影响。。
 
  4.2工艺因素
 
  4.2.1 进口温度
 
  进口温度要控制在适当范围。制粒时若粘合剂的溶媒为水,根据物料性质和所需颗粒大小,进温度一般设定在25 一55 ℃ 范围内,有实验证明:相同物料,当进口温度由25 ℃ 升至55 ℃ 时,所得颗粒粒径由450 um 降为240 um。若粘合剂的溶媒为有机溶剂如乙醇等,进口温度应稍低,一般在25 一40 ℃ 范围内。温度过低,溶剂不能及时挥去而使粉末过度润湿,部分物料粉末会粘附在器壁上不能流化,容易造成粒子间粘连而起团。温度过高,进气温度过高,可导致粘合液雾滴被过早干燥而不能有效制粒,还可能引起一些温度敏感型物料性质的变化。干燥时,进口温度一般设为60 ℃ 左右。温度过高,颗粒表面的溶媒过快蒸发,阻挡内层溶媒向外扩散,结果会产生大量外干内湿的颗粒。温度过低,干燥时间过长,会产生很多细粉。
 
  4.2.2 流化风量
 
  流化风量是指进入容器的空气量,应处于一个使物料呈理想流化状态的值。喷浆制粒时,若风量适宜,物料处于很好的流化状态,热交换处于平衡状态,有利于制粒。风量过大,粘合剂水分挥发过快,粘合力减弱,同时粘合剂雾滴也不能与物料充分接触,使颗粒粒度分布宽,细粉多,风量过低时,粘合剂中的溶媒不能及时挥去,物料细粉之间过分粘连,若不及时加大风量,会出现粒径很大的大颗粒,进而形成一个大团块,造成塌床,在工业生产中这是很严重的事故。在制粒过程中,过滤袋上有时会吸附很多物料的粉末,造成实际流化风量的减小,应适当增加流化风量。
 
  4.2.3 雾化空气压力
 
  雾化空气的作用是使粘合剂溶液形成雾滴,雾滴的粒径和制得颗粒的粒径有直接关系,有关专家认为雾化空气压力越大,所得雾滴的粒径越小、越均匀,制得颗粒的粒径就越小。喷雾压力过低时,一方面,雾化液滴增大,另一方面,雾化液滴喷雾锥角减小,润湿粉粒的范围缩小,造成雾化液滴分布不均,容易在局部范围内产生大的湿块。因物料的流化状态会受到流化空气和雾化空气的双重作用,所以雾化空气的压力大小对物料的流化状态亦有较大影响,当增大雾化空气压力时,物料的流化状态会减弱,应增大流化风量;反之则相反,操作中应综合考虑。
 
  4.2.4 粘合剂的流速
 
  粘合剂的流速与进口空气的温度决定着制粒机内的湿度,进口温度不变的情况下,增大粘合剂的流速,粘合剂的雾滴粒径和制粒机内的湿度均增大,湿颗粒不能及时干燥聚结成团,易造成塌床。同样的条件下,粘合剂的流速过低时,颗粒粒径较小,细粉较多,不但操作时间延长,而且容易阻塞喷嘴。必要时,应根据粘合剂溶液的粘度控制流速,若粘合剂的粘度过大,可适当降低粘合剂的流速,但是应提高进口温度,否则容易造成喷嘴阻塞和塌床。粘合剂的粘度低时,流速应大些。
 
  4.3 处方因素
 
  4.3.1 物料的性质
 
  在流化床制粒中,粒径和粒径分布是物料重要的物理学性质。物料粉末的粒径越小,物料的表面积越大,所需粘合剂的量越大。国外有报道在粘合剂流速不变的情况下,物料粉末的粒径越小,制得的颗粒越小。在物料粉末粒径变小的情况下,欲制得相同的颗粒,应加大粘合剂的流速。但物料粉末的粒径不宜太小,否则粒子间容易产生粘连,不适合流化床制粒。物料的粒径分布宽,制得的颗粒牢固、孔隙率低;反之,制得的颗粒疏松、孔隙率高。
 
  用亲水性材料制粒时,粉末与粘合剂互溶,易凝集成粒,故适宜采用流化床制粒。而疏水性材料的粉粒需依靠粘合剂的架桥作用才能粘结在一起,溶剂蒸发后,形成颗粒。无论是亲水性还是疏水性材料,粉末粒径不应大于280 um ,否则制得的颗粒有色斑或粒径偏大,分布不均匀,从而影响药物的溶出和吸收。通过进料前将原辅料在机外预混可改善制粒效果。
 
  当物料为吸水性物质如淀粉时,由于物料的吸水性会使粉末表面不能完全润湿,应加大粘合剂的流速。即使同一物料,由于含水量不同,粘合剂的流速也不应相同,在粘合剂流速相同的条件下,物料的含水量越大,制得的颗粒越大。物料疏水不易润湿时,不容易制粒,制得颗粒较小,可以尝试用其他的溶媒或向粘合剂溶液中加入表面活性剂来改进。
 
  物料的量对制粒也有很大的影响,当投药量增加时,为了使物料流化,需要增加进风量,同时物料接受润湿的几率减少,喷液速率要相应调整。但是物料量过大,物料粉末不易达到流化状态,而且容易阻塞喷嘴和过滤袋,造成流化风量的降低,影响制粒。
 
  4.3.2粘合剂的选择
 
  粘合剂的作用是在粉末之间形成固体桥,粘合剂的种类、浓度及加入方法均对制粒有很大影响。粘合剂的选择是整个流化床制粒工艺的关键,理想的粘合剂应与物料粉末表面有较好的亲合性以便于润湿相互粘合成粒.高洁等用不同的粘合剂流化床制粒,得到的颗粒在孔隙率、可压性上有很大不同。我公司推荐可供选择的粘合剂主要有聚维酮(P VP )、梭甲基纤维素(CMC )、甲基纤维素( MC )、乙酸邻苯二甲酸纤维素(CAP )、轻丙基纤维素(HPc )、阿拉伯胶、桃胶、淀粉等,也可以将其配合使用以获取的效果。
 
  当粘合液粘度较高时,所形成液体桥的结合力相对较强,有能力在微粒、细粒、颗粒之间形成二次和三次凝聚制粒过程,从而制得的颗粒也较大。但浓度过高如以质量分数为10 %的PVP 水溶液为粘合剂,不但容易阻塞喷嘴,而且易造成塌床。浓度较低时,粒子之间的粘合力不够,制得的颗粒小,而且在干燥过程中产生很多细粉,达不到预期效果。有时,用粘合剂的醇溶液制得颗粒较小,细粉较多,可向粘合剂溶液中加入适量的水提高粘合剂的粘度,能明显提高制得颗粒的质量。粘合剂的加入方法有外加法、内加法、内外结合法。大部分情况需采用前两种加入方法。同一种粘合剂采用内加法时,因溶媒挥发较快,不易引发粘合剂的粘性,不容易制得颗粒或制得的颗粒较小。当粘合剂如卡乐康公司生产的善达(部分预胶化玉米淀粉)的粘性特别容易诱发时,可采用内加法,例如制备规格为500 mg 胶囊型对乙酞氨基酚片,只要使用质量分数为85 %的对乙酞氨基酚和质量分数为巧%的善达,就能使片芯达到很好的硬度和小于0.19 %的脆碎度。但粘合剂的用量较小时,不宜采用内加法。
 
  5、实际生产中应该注意的问题
 
  实际生产中,有时会出现起团或塌床的问题,可能是粘合剂的流速和浓度过大,湿颗粒来不及干燥相互粘连在一起所致,也可能是流化床制粒机中相对湿度太大,超过了颗粒本身的临界相对湿度所致,可降低豁合剂流速,在其中加入水或乙醇以降低粘度,同时应该适当加大流化风量并提高进口温度。制粒开始时,因物料的温度还未完全与流化空气的温度一致,粘合剂的溶媒不能完全挥去,所以粘合剂的流速不应过快,同时适当提高雾化压力。待物料的温度与流化空气的温度一致后,应适当提高粘合剂的流速并降低雾化压力。中药颗粒的原料基本为生药粉和浸膏两类,通常不用填充剂。当采用流化床制备中药颗粒时,如选择常用粘合剂,则无法单独以此制粒技术一次性完成颗粒的制备。须在部分工序上与老工艺配合。因此真正达到流化床制备中药颗粒一步化,可取的方式是以浸膏直接代替粘合剂制粒。浸膏为粘合剂,颗粒色泽和有效成分的含量会随浸膏的收率波动而批量间有差异,颗粒结构疏松,抗揉搓性差,直接作为成品并不理想,但用于压片则质量有明显提高,片表面的高度光洁,完全达到了包糖衣和薄膜衣的要求。用浸膏制备颗粒时,因浸膏制品容易吸湿,应控制环境的湿度,特别是流化空气的湿度。
 
  为保证药品的质量,流化床制粒过程必须不对生产环境形成污染,也不对药物造成污染。进入系统实施流化以及干燥的热空气必须先加热后经中效和亚过滤器过滤,必要时还需除湿,保证所用气体干燥洁净,对药物不造成污染。系统所需的压缩空气气源进入流化床前也应具备除湿、除味、除尘等一系列措施。流化床在生产使用中必须定期彻底清洗,尤其在更换药物品种时,清洗更显重要,以防止药物交叉污染和混批、混药。过滤袋一般采用防静电布,每次制粒后都要认真清洗,一方面是卫生学要求,更重要的是一旦过滤袋阻塞,不仅造成流化风量急剧降低,严重影响物料的流化状态,而且会使床体内的粉尘增多,制粒过程不能顺利进行。
 
  当制备填装胶囊用颗粒及包衣用致密的球形颗粒时,应以转动流化床制粒为主。

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