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雙錐回轉真空幹燥機升級的思考性探討

信息來源: | 發布日期: 2006-12-26 | 瀏覽量:
關鍵詞:雙錐回轉真空幹燥機升級的思考性探討

 

雙錐回轉真空幹燥機升級的思考性探討
上海新先鋒藥業有限公司    田耀華
國內製造雙錐回轉真空幹燥機的廠商很多,但總體設計和製造水平相對較底,對這一經典實用設備沒有升級換代(國內僅有少數廠商進行了升級性的努力),其真實的原因沒能結合理論去研究雙錐回轉真空幹燥機的性能與應用,或對其作升級性的研發。筆者以真空幹燥理論為依據,對國內雙錐回轉真空幹燥機的升級作必要的思考性探討,並提出一些建議性的設想,以供有誌之士參考,目的是為了國內雙錐回轉真空幹燥機的製造和應用水平日趨提高。
1、為何把雙錐回轉真空幹燥機作為經典使用設備來討論?
雙錐回轉真空幹燥機是前幾年在原料藥生產應用較為廣泛的設備,這是由於在真空幹燥的過程中,筒體內的壓力始終低於大氣壓力,氣體分子數少,密度低,含氧量低,因而能幹燥容易氧化性變化的藥品生產,能減少物料染菌的機會。也由於水在汽化過程中,其溫度與蒸汽壓力成正比,故真空幹燥時物料中的水分在低溫下就能汽化,達到低溫幹燥,特別適用於藥品中有熱敏性物料的生產。同時,真空幹燥可消除常壓熱風幹燥易產生表麵硬化現象,這是真空幹燥物料內和表麵之間壓差大,在壓力梯度作用下,水分很快移向表麵,不會出現表麵硬化。此外真空幹燥時,物料內部和外部之間溫度梯度小,由逆滲透作用使得溶媒能夠獨自移動並收集,有效克服熱風幹燥所產生的溶媒失散現象。
從功能上看,雙錐回轉真空幹燥機是集混合、真空幹燥於一體的幹燥設備,它以簡潔、方便和雙效特點被人們作為經典設備來應用,其有著實用性和經濟性的一麵,是其它設備難以替代的。但近幾年來卻又被人們所淡化了,其根本原因是由於製造商缺乏對其的研究和結構的改進所致,其主要表現在結構上難以CIP/SIP和幹燥性能優化上,故有必要對其升級換代作思考性討論。
2、雙錐回轉真空幹燥機的幹燥速度討論及建議
2.1真空幹燥速度的概念
有關文獻1認為:物料的幹燥過程,首先是物料表麵的水分受熱汽化並被真空設備排除,物料表麵的水分因汽化而逐漸減少,並在物料內部與表麵之間形成溫度差。內部的水分在溫度差的作用下,不斷向表麵擴散,並在到達表麵後汽化。另外,在真空幹燥過程中,同時存在著壓力差,使得被汽化的水分子加速向真空空間移動。
在真空幹燥過程中,人們總是希望加快幹燥速度,縮短幹燥時間,但是影響幹燥速度因素有以下幾點:
1)被幹燥物料的狀況(如物料形狀、大小尺寸、堆置方法),物料本身的含濕量、密度、粘度等性能。一般,物料顆粒細而均勻、堆放鬆散、厚度薄,則內部水分容易擴散。若提高物料的初溫、經真空過濾前處理、降低物料含濕量等,均能提高真空幹燥速度。
2)真空度越高,越利於水分在較低溫度下汽化,但真空度過高不利於熱傳導,會影響對物料的加熱效果。為提高物料幹燥速度,應根據物料的特性綜合考慮真空度。通常,真空度不低於1×104Pa。
2.2影響雙錐回轉真空幹燥機的真空幹燥速度因素的討論及建議
文獻1把雙錐回轉真空幹燥機過程作試驗,分別以真空度、幹燥溫度、蒸汽壓力與幹燥時間為參數,試驗所作的曲線表明:雙錐回轉真空幹燥機幹燥過程可分為第一升溫、第一恒溫、第二升溫、第二恒溫和降溫五個階段。其中:
第一升溫是加熱物料,使其升溫的預熱階段。該階段中,物料中水分汽化量很少;
第一恒溫是恒速幹燥階段,在該階段中,物料的自由水、表麵水和毛細管水等大量汽化。因此,溫度和真空呈恒定狀態,且真空度與該幹燥設備溫度下水的飽和蒸汽壓力近似相等;
第二升溫是加熱物料遷移內部水分至物料表麵的過程,由於汽化的水分很少,導致物料溫度升高和真正度也隨之提高;
第二恒溫是汽化物包裹水和部分結晶水階段,由於水分遷移率與汽化率相定,故溫度和真空呈平穩狀態;
降溫階段開始時,關閉加熱蒸汽,通以冷卻水至筒體夾套,冷卻筒體使其內部物料溫度下降,以便卸出幹燥製品。
現在此把某一產品的平均幹燥工藝參數列入下表1。
表1
階段
時間min
真空度MPa
幹燥溫度
蒸汽壓力MPa
飽和蒸汽壓MPa
第一升溫
第一恒溫
第二升溫
第二恒溫
降溫
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
從表中可看到,雙錐回轉真空幹燥機幹燥過程的不同階段所具備的性質也不同,故應該根據其不同階段而設定不同的操作參數,這樣能更有效地利用設備的功能。然而,現實的雙錐回轉真空幹燥機的許多操作參數是常量不變(如旋轉速度)或自動控製(如工作真空度、幹燥溫度等),以下就幹燥不同階段過程的操作參數對真空幹燥速度的影響展開討論,並提出建議性的改進意見。
2.2.1雙錐回轉真空幹燥機的旋轉速度對真空幹燥速度的影響及建議
雙錐回轉真空幹燥機筒體的旋轉速度越快,幹燥速度越高。但在幹燥後期,隨著物料濕含量的下降,幹燥速度也降低,此時提高轉速對幹燥速度的提高均無益。另外,在幹燥初期,較快的旋轉速度,會導致濕分汽化過快而產生物料粘結成團的現象。因此,應在幹燥初期采用較低的轉速,待物料表麵較幹以及不結團時再提高轉速,以便加快幹燥速度、縮短幹燥時間。
對此點,建議可選用變頻電機,使筒體的旋轉速度在運行時能變動,並有菜單可設定不同時間段所選用的不同筒體旋轉速度(0~10r/min內無級調速),即要有時間-速度關係的設定。
2.2.2雙錐回轉真空幹燥機的加熱與冷卻對真空幹燥速度的影響及建議
雙錐回轉真空幹燥機夾套內對流換熱需分別提供熱量和冷量,故夾套內將經曆以熱蒸汽方法的升溫及以冷卻水方法的降溫。文獻1認為,提高熱介質溫度可加快升溫速度,縮短幹燥時間。對粘性大的物料,熱介質溫度高容易產生結團現象。降低冷卻水溫度可加快降溫速度,也可縮短工作周期。隨著物料的性質不同,可選擇適當的溫度,常以變溫幹燥法為佳,即在幹燥初期溫度低,逐漸提高溫度以增大幹燥速度。
對此點,建議可選用溫度傳感元件,使雙錐回轉真空幹燥機夾套內熱量或冷量控製能在運行時變動,並有菜單可設定不同時間段所選用的溫度,即要有時間-溫度關係的設定。
2.2.3雙錐回轉真空幹燥機的真空度對真空幹燥速度的影響及建議
通常雙錐回轉真空幹燥機選用1×103~1×104Pa真空度,真空度高,物料中濕分汽化溫度低,幹燥速度快。但真空度過高,會導致抽氣係統成本增加,幹燥後物料價格增高,經濟上不合算。但從上表可知,在降溫階段的真空值很小,故應分段來控製真空度的壓力。
對此點,建議可選用壓力傳感元件,使雙錐回轉真空幹燥機筒體內真空度控製能在運行時變動,並有菜單可設定不同時間段所選用的真空度,即要有時間-真空度關係的設定。
2.2.4雙錐回轉真空幹燥機的錐體角度及充填量對真空幹燥速度的影響
雙錐回轉真空機筒體堆放顆粒狀或粉末狀物料時,當物料堆斜麵與底麵間夾角增大到某個角度時,將發生側麵物料下滑落的現象。此時發生物料滑落的斜麵與底部的夾角稱該物料的滑移角(滑移角與物料組成、濕含量、粒度和粘度有關)。故雙錐回轉真空幹燥機的設計和選擇時,應根據物料的滑移角而選擇錐體的角度。
文獻1也認為,實際裝料容積與幹燥筒體容積之比為充填率。雙錐回轉真空幹燥機的充填率通常為30%~50%之間,其與物料的堆密度也有關。
從上可知,雙錐回轉真空幹燥機筒體錐體的角度太大或太小都會影響翻動混合效果,而其形成的物料幹燥表麵^終影響了幹燥速度。同樣,實際裝料容積充填率過高也會影響翻動混合效果,影響了幹燥速度。
3、雙錐回轉真空幹燥機的結構討論
雖然雙錐回轉真空幹燥機有著許多實用性優點,但結構上的不完善之處阻礙了其應用發展,國內也隻有一家製造商作了研發,且在無菌原料藥幹燥上應用。特別對應用於無菌原料藥生產來說,尚未改進設備所存在的不完善之處表現為,一是抽真空管空套回轉軸的動靜密封件泄漏與清洗問題;二是筒體結構的清洗或滅菌問題;三是進料/出料結構的易出料與清洗問題。
3.1抽真空管空套回轉軸的動靜密封件泄漏與清洗問題討論
在部分雙錐回轉真空幹燥機的抽真空管空套回轉軸裝置中,其采用雙骨架軸密封結構,由於此結構密封的不可靠,在筒體抽真空的作用下極易造成泄漏,有時會出現所謂的“漏油”現象。同時,也由於密封的不可靠會在幹燥時結存粉,此處的結存粉用普通的旋轉動態水洗方法是難以洗淨的,這樣會引起換批時的交叉汙染。
近期國內有製造商對此作了一定的改進,有的采用特殊密封(如特殊的機械密封、磁流體密封等)。也有的製造商在抽真空結構上作了改進,使抽真空部分不伸進筒體內部,僅在旋轉筒體外麵與其接觸,采用金屬燒結網做過濾器,容易清洗,容易消毒滅菌,並配有用高純氮氣反吹的係統,防止粉塵物料堵塞過濾網孔,確保真空暢通。由此看來,隻要正視所存在的薄弱環節,設法作一定改進能使經典設備賦予新的生命。
3.2筒體結構的清洗和滅菌問題討論
在部分雙錐回轉真空幹燥機筒體的清洗中,有的靠切換真空管路,放入清洗水旋轉筒體再放淨,這樣動態清洗法是無法徹底洗淨的,至少在動靜接觸麵和結料處是不能洗淨。
其次是部分製造商沒有把筒體當作壓力容器來設計及製造,很難做到切換真空管路通入蒸汽來滅菌,故談不上蒸汽的在位滅菌。這裏當然涉及到進料/出料結構與密封結構,其形式和承壓性能也與蒸汽滅菌有關。而在無菌環境使用設備的至關重要要求就是清洗後的滅菌,通常滅菌的方法中較有效和直接的方法是濕熱和幹熱滅菌,基於該設備筒體結構是不可拆的,不能采用幹熱滅菌,隻能采用濕熱(蒸汽)滅菌。
對此,說白了就是設法方便清洗和滅菌,也隻要能圍繞此專題所展開即可。近期國內有製造商對結構做了一定的改進,在清洗方麵,采用靠切換真空管路,放入加壓的清水旋轉筒體,再放淨的方法,雖然有所提高,但實效也不是^理想。在滅菌方麵,有的製造商在製造筒體和料閥方麵考慮到承壓性,其可采用切換真空管路而通入蒸汽也完成SIP。
3.3進料/出料結構的易出料與清洗性問題討論
此問題雖說是上承3.2所延伸的,但進料/出料的特殊要求是易放淨、易操作、易清洗/消毒。國內部分製造商采用蝶閥或可拆卸結構,也取得了一定成效,但對照GMP和相應工藝要求,這裏可展開的研發是大有文章可做。
4.雙錐回轉真空幹燥機升級的思考性設想
上述僅是筆者愚見,至於雙錐回轉真空幹燥機要升級換代的話,可以研發的思路很多,筆者感到還可以嚐試以下幾個思路,這裏僅為思考性及建議性的設想。
4.1拓寬雙錐回轉真空幹燥機的功能,以適應更廣的應用
4.1.1增加攪拌和造粒功能
可在雙錐回轉真空幹燥機的抽真空管中穿入一個帶噴嘴的管(能噴粘合劑),同時真空管進入筒體內部處增設一個固定攪拌葉片。當筒體轉動過程中,固定在抽真空管上攪拌葉片迫使物料從其兩側麵流過,這樣在物料沿筒壁滑動的同時,又增加了徑向運動。因此,能有效地提高了混合攪拌物料的效果,加快了濕分汽化,提高了幹燥速度。爾後在粉體物料工藝結束時,可由穿入帶噴嘴(能噴粘合劑的管)噴出相應粘合劑,將粉末狀幹物料製成顆粒狀製品。
4.1.2增加攪拌和粉碎功能
國內有的製造商采用破碎裝置,該裝置的刀具為四把組合整體結構,采用十字交叉排列,由短到長,依次焊接,刀具采用不同的長度,不同的角度。確保旋轉時能與物料充分接觸,保證破碎效果。這樣物料在雙錐回轉真空筒體內不停地翻動,並與筒壁進行熱交換(筒壁外麵半剖盤麵用熱水進行循環加熱)。在雙錐筒體旋轉時破碎刀同時轉動,每當筒體旋轉一圈,物料與破碎刀接觸一次。由於破碎刀的轉速較快(^高為250r/min),而筒體的轉速較慢(一般為3 r/min),故每當物料與刀具接觸時,破碎效果^明顯,筒體內係統在真空下運行。
4.2構築雙錐回轉真空幹燥機係統設計的概念,以適應生產率的提高
雙錐回轉真空幹燥機能在生產中有效應用的話,必然是一個係統的概念,其中有機溶劑收回係統是一個關鍵的過程。製造商在供應雙錐回轉真空幹燥機設備時,不能隻提供單機,而是應提供係統,應考慮有機溶劑的回收,由於溶劑的沸點較低,故采用冷凍水進行冷凝冷卻,確保溶劑能回收利用,避免被真空泵抽走後汙染大氣。
此外,國內有的製造商在係統設計上作了很大努力,除上有機溶劑收係統外,還設有高純氮氣反吹係統、放空過濾係統、半剖盤管加熱係統、熱水溫控係統等等。
4.3研發CIP/SIP結構,以適應無菌級的生產
關於雙錐回轉真空幹燥機的CIP/SIP結構應該換個思路去研發其結構,除上所談及的思路外,還能通過快開式外接噴淋清洗裝置,當停機時接入筒體,並形成清洗環路係統。也可設想整個雙錐回轉真空幹燥機的筒體能拆卸(如夾持式方錐形混合機結構),這樣整個筒體能進入清洗站內完成清洗及滅菌,當然此設想的難度太大。而此點也是雙錐回轉真空幹燥機能升級換代的基礎,使其能適應無菌級的生產。
5.小結
本文從理論上對雙錐回轉真空幹燥機的真空幹燥速度作了討論,同時分析了國內有的雙錐回轉真空幹燥機結構的不完善之處,提出了以真空幹燥理論為依據,對其進行升級換代的研發,總體上提高雙錐回轉真空幹燥機的研發和應用水平,使這一經典實用產品煥發出新的生命力。然而,本文僅為其升級提出一些思考性建議的設想,以饋有誌之士參考,使雙錐回轉真空幹燥機的製造和應用日趨臻美。
 
 
附記:近悉老^李楨先生病故,撰本文也為緬懷李楨先生為雙錐回轉真空幹燥機技術所作出的貢獻,願他在九泉之下安息。
 
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