喷雾干燥技术研究现状及其在中药制药中的应用

1、化工装备技术第27卷第2期2006年5蔡业彬33(, 综述了喷雾干燥技术的研究, 最后给出了喷雾干燥技术在中药制药生产中的应用实例中药液一步喷雾干燥造粒。该项技术将中药稀药液直接喷雾干燥制成干颗粒, 将中药加工中药液的浓缩、多效浓缩、造粒、干燥四步合为一步, 大大简化并缩短了中药提取液到半成品或成品的工艺和时间, 提高了生产效率和产品质量。可为喷雾干燥技术的推广应用以及提高中药制药水平提供借鉴与帮助。关键词喷雾干燥雾化技术喷雾造粒中药制药一步造粒喷雾干燥是将原料液用雾化器分散成雾滴, 并用热空气(或其它气体 与雾滴直接接触的方式而获得粉粒状产品的一种干燥过程。原料液可以是溶液、乳浊液或悬浮液,

2、 也可以是熔融液或膏状物。干燥产品可以根据需要, 制成粉状、颗粒状、空心球状或团粒状。喷雾干燥技术已有一百多年的历史。自1865年喷雾干燥最早用于蛋品处理以来, 这种由液态经雾化和干燥在极短时间直接变为固体粉末的过程, 已经取得了长足的进步。它使许多有价值但不易保存的物料得以大大延长保质期, 使一些物料便于包装、使用和运输, 同时也简化了一些物料的加工工艺。由于喷雾干燥具有“瞬时干燥”、“干燥产品质量好”、“干燥过程简单”等特点, 明显优于其它干燥方式, 到20世纪三四十年代, 该技术已经被广泛地应用于乳制品、洗涤剂、脱水食品以及化肥、染料、水泥的生产, 目前常见的速溶咖啡、奶粉、方3广东省“

3、十五”重大科技专项项目(A 301020302 资助。33蔡业彬, 男, 1968年生, 硕士, 副教授。茂名市, 525000。便食品汤料等就是由喷雾干燥得到的产品1, 2。我国最早将喷雾干燥用于工业化规模生产的是乳品行业, 之后是洗涤剂和染料行业等, 目前应用已十分广泛, 遍及了以上所涉及的所有行业, 尤其在陶瓷和制药行业喷雾干燥的应用更为普遍。对于中药制药行业, 喷雾干燥技术的应用有其独特的作用, 大大简化并缩短了中药提取液到制剂半成品或成品的工艺和时间, 提高了生产效率和产品质量。本文对喷雾干燥的过程阶段及优缺点进行分析, 综述喷雾干燥技术的研究进展, 并对喷雾干燥技术的应用前景进行分

4、析, 最后给出喷雾干燥技术在中药制药生产中的应用实例中药液一步喷雾干燥造粒。1喷雾干燥的过程阶段及优缺点分析111喷雾干燥的过程阶段喷雾干燥可分为三个基本过程阶段:一是6喷雾干燥技术研究现状及其在中药制药中的应用112喷雾干燥的优缺点分析11211喷雾干燥的优点料液雾化成雾滴; 二是雾滴和干燥介质接触、混合及流动, 即进行干燥; 三是干燥产品与空气分离。11111喷雾干燥的第一阶段料液的雾化料液雾化为雾滴和雾滴与热空气的接触、混合, 是喷雾干燥独有的特征。雾化的目的在于将料液分散成微细的雾滴, 表面积, 当其与热空气接触时, 响很大, 。, 就会出现大颗粒还没达到干燥要求、小颗粒却已干燥过度而

5、变质的现象。因此料液雾化所用的雾化器是喷雾干燥的关键部件。目前常用的雾化器有气流式、压力式、旋转式和声能雾化器等。11112喷雾干燥的第二阶段雾滴和空气的接触雾滴和空气的接触、混合及流动是同时进行的传热传质过程, 即干燥过程, 此过程在干燥塔内进行。雾滴和空气的接触方式、混合与流动状态决定于热风分布器的结构型式、雾化器在塔内的安装位置及废气排出方式等。在干燥塔内, 雾滴-空气的流向有并流、逆流及混合流。雾滴与空气的接触方式不同, 对干燥塔内的温度分布、雾滴(或颗粒 的运动轨迹、颗粒在塔内的停留时间及产品性质等均有很大影响。雾滴的干燥过程也经历着恒速和降速阶段。研究雾滴的运动及干燥过程, 主要是

6、确定干燥时间及干燥塔的主要尺寸。11113喷雾干燥的第三阶段干燥产品与空气分离喷雾干燥的产品大多采用塔底出料, 部分细粉夹带在排放的废气中, 废气在排放前必须将这些细粉收集下来, 以提高产品收率, 降低生产成本。排放的废气必须符合环境保护的排放标准, 以防止环境污染。只要干燥条件保持恒定, 保持恒定; , 其系统, 适用于水溶液; 原料液可以是溶液、泥、糊状物或熔融物, 甚至是滤饼等均可处理; 喷雾干燥操作具有非常大的灵活性, 喷雾能力可达每小时几千克至200吨4。11212喷雾干燥的缺点喷雾干燥投资费用比较高; 喷雾干燥属于对流型干燥, 热效率比较低(除非利用非常高的干燥温度 , 一般为30

7、%40%。2喷雾干燥技术的研究进展喷雾干燥技术的核心是流化技术, 具有从流体到固体瞬时干燥的突出优势。其设备一般是由雾化器(喷头 、干燥塔、进出气及物料收集回收系统等组成。其中使料液雾化所用的雾化器是喷雾干燥装置的关键部件。211雾化器的种类和雾化形式一般在生产中常用的雾化器有气流式雾化器、压力式雾化器和旋转式雾化器几种。不同的雾化器可以产生不同的雾化形式, 按照不同的雾化形式可以将喷雾干燥分为气流式雾化、压力式雾化和旋转式雾化。雾化形式的选择取决于料液的性质和最终产品所要求的特性。对于液体的雾化机理, 基本上可分为三种类型, 即滴状分裂、丝状分裂和膜状分裂。在喷雾干燥操作中, 雾化机理与雾化

8、方法、操作条件、流体的物性等有关。雾化机理可以指导我们进行合理的雾化器的设计和操作。气流式雾化利用压缩空气(或水蒸气 高速从喷嘴喷出并与另一通道输送的料液混合, 借助空气(或水蒸气 与料液两相间相对速度不同产生的摩擦力, 把料液分散成雾滴。根据喷嘴的流体通道数及其布局, 气流式雾化器又可化工装备技术第27卷第2期2006年表1比较的条件一般溶液悬浮液膏糊状物料料液黏度适应性处理量压力(M Pa 泵泵的维修泵的价格磨蚀情况喷雾过程控制喷雾器堵塞情况颗粒粒度颗粒均匀性最终含水量直径高度热风流向原料进料粒径(m 相对成本7三种雾化器的比较气流式可以可以可以改变压缩气压力调节范围较大011015容易低

9、最容易最大中等中等中等较细不均匀最低小较高并流、逆流2004001料液条件加料方式雾化器产品干燥器其他压力式可以可以240困难高大低容易较小大难大较粗均匀较高小最高并流、逆流1002003旋转式可以不可以, 处理量最大离心泵等容易低小最高不容易最小小容易小微细均匀较低最大最低并流5010005以分为二流体外混式、二流体内混式、三流体内混式、三流体内外混式以及四流体外混式、四流体二内一外混式等等3。气流式雾化器的结构简单, 处理对象广泛, 但能耗大。压力式雾化利用压力泵将料液从喷嘴孔内高压喷出, 直接将压力转化为动能, 使料液与干燥介质接触并被分散为雾滴。压力式雾化器生产能力大, 耗能小; 细粉

10、生成少, 能产生小颗粒, 固体物回收率高。旋转式雾化利用高速旋转的盘或轮产生的离心力将料液甩出, 使之与干燥介质接触形成雾滴。旋转式雾化器受进料影响(如压力 变化小; 控制简单。三种雾化器的比较见表13, 4, 5。三种雾化原理的理论研究, 主要围绕着喷雾器的关键参数与雾化性能而展开, 黄立新等3对此做了综述报道。这方面的研究将有助于喷雾器性能的改进, 也有利于应用过程中根据喷雾料液及其产品要求对雾化器进行选择。中药提取液的喷雾干燥, 基本上是以旋转式雾化和气流式雾化形式进行的, 而后者以小型试验设备多见。从雾化的实现而言, 压力式雾化需要高压泵和较大的雾化空间, 气流式雾化能耗又很高, 这些

11、都限制了它们的应用。相对而言, 旋转式雾化器技术要求相对较低, 是最容易实现的。212喷雾干燥机理的研究影响喷雾干燥效果的因素很多, 除雾化器外, 还有干燥塔、进出气及物料收集回收系统以及整个干燥器系统。国内外许多学者对喷雾干燥的数学模型进行了研究, 以期给出干燥塔内气体流动状态和各种热力学参数的分布信息, 这对喷雾干燥器的设计、优化以及干燥效果等的提高都具有很重要的意义。吴中华等6应用气-粒两相流理论和计算流体力学(CFD , 结合喷雾干燥的特点, 建立了模拟喷雾干燥塔内气体-颗粒两相湍流流动的CFD 模型, 并对实验室脉动燃烧喷雾干燥过程进行了8喷雾干燥技术研究现状及其在中药制药中的应用(

12、进风温度60150 、常温喷雾干燥(进风温度60以下 、降低能耗与多级干燥等都将数值模拟。其结果具有详细、直观的特点; 模拟得到的喷雾干燥塔内气相流场和各种热力学参数的分布信息, 可以为喷雾干燥器的设计、干燥过程的优化等提供参考。戴命和等7进行了喷雾干燥过程的热力学建模及仿真, 根据质量平衡原理、热平衡原理和牛顿定律推导了逆流型; 它包括了物料温度方程、颗粒速度方程、程, 用。213在喷雾干燥的实验研究方面, 康智勇8研究了压力式喷雾干燥塔喷嘴孔径对粉料的影响, 认为大孔径更适于喷雾颗粒的分布向大颗粒集中。王晓兰等9在工厂大生产的条件下研究了影响喷雾干燥粉粒粒度分布的因素, 分析了陶瓷坯料泥浆

13、粘度、含水率、喷雾压力、喷雾器孔径与粉粒粒度分布之间的关系, 得出其影响系数由大至小分别为喷雾器孔径、压力、粘度、含水率等。杨志生等10在对农药水分散性颗粒喷雾干燥过程的研究中, 分析了干燥进气温度、进料量对干燥产品的悬浮率、粒子密度、粒子形状等的影响。喷雾干燥在越来越广泛的应用中, 已经不仅限于传统的干燥模式, 刘相东等11进行了脉动气流的喷雾干燥研究。利用脉动燃烧产生的高频脉动气流对N aC l 溶液进行了喷雾干燥试验, 结果表明:高温、高频振荡气流下的喷雾干燥比传统喷雾干燥的蒸发速率提高了215倍。214喷雾干燥技术的发展趋势喷雾干燥技术应用广泛, 其优势明显, 但其理论仍然落后于实践,

14、 突出表现在干燥理论的实践指导性差。干燥动力学、非球形颗粒的干燥模拟、喷雾干燥等领域有待进行更深入的研究3。喷雾干燥热效率低, 因此, 喷雾干燥的节能降耗问题就比较突出1; 亚高温喷雾干燥是今后的研究重点。另外, 、喷、域。(1 采用组合干燥。当喷雾干燥本身不能完成干燥任务时, 首先要想到组合干燥。如喷雾干燥加流化床(干燥及冷却 、喷雾干燥加带式干燥等。(2 雾化器的改进。当某种物料雾化很困难时, 可改进原有雾化器的结构, 以适应新物料的雾化要求。例如, 对旋转雾化器已做了多种改进, 能够雾化粘性大的物料及喷雾造粒等。(3 静电雾化技术的研究与开发。此项技术正处于研究与开发阶段, 它可以制造出

15、微米及亚微米级粒子, 制造机能性粒子, 制造薄膜和喷涂等, 预测其将来有广阔的发展前景。(4 开发和完善在线测量系统。使系统操作自动化, 确保产品的质量和产量。(5 开发过热蒸汽的喷雾干燥系统。这是一个闭路循环系统, 可以节省能量, 省去氮气循环的操作。(6 利用计算流体力学(CFD 的方法, 解决喷雾干燥器的设计问题。将来可以利用一些可靠的实验数据(包括流动图形 , 利用CFD 的方法, 比较准确地算出干燥器尺寸及热风分布方式, 代替目前的半理论、半经验的方法(目前的方法误差太大 。(7 开发专用喷雾干燥机, 以适应特殊物料的需要。如软化点低的中药、番茄粉、特殊食品等。专用干燥机应达到这样的

16、水平不用做实验, 按物料性质直接选型购置。(8 控制环境污染。在设计时就必须考虑到系统的噪声、粉尘、排放的气体、湿法除尘的液体等对环境不构成污染。化工装备技术第27卷第2期2006年93喷雾干燥技术在中药制药中的应用实例中药液一步喷雾干燥造粒喷雾干燥在工业上的应用已经有一百多年的历史了。最早, 由于这一工艺的热效率低, 只用于价格高的产品(如奶粉 或非用这种干燥方法不可的产品(如热敏性的生物化学产品 几十年来, , (, (如陶瓷、化学肥料等 , 并且它的应用范围日益扩大。随着对雾化机理、雾滴在气流中的运动、传热与传质过程的深入研究, 喷雾干燥器的尺寸和容量已大为增加。这不仅有利于高吨位产品的

17、生产, 也节省了投资费用和操作费用, 从而改善了喷雾干燥器的经济性能。例如我国某厂生产合成洗衣粉所用的喷雾干燥器, 其塔径为6m , 塔的总高为34m , 合成洗衣粉产量可达40005000kg h 。又如某化肥厂生产硝酸铵所用的喷雾干燥器, 其塔径达到16m , 塔高为60m , 产量可达每天1000t 4。中药制剂生产的一般工艺仍以产生大量提取液为特征, 应用喷雾干燥技术可以将提取液的浓缩、干燥、粉碎甚至制粒一步完成, 避免了传统蒸发操作与减压干燥工艺耗时长、干燥质量差的缺点, 大大提高了生产效率, 同时又能相对提高干燥成品的质量, 喷雾干燥的中药提取物为粉末状或颗粒状, 较传统干燥成品的

18、流动性好、含水量小、质地均匀、溶解性能好, 可以直接供片剂、颗粒剂、胶囊剂的成形。然而目前大多数中药制造过程中, 提取部分的步骤比较多, 首先用多效真空浓缩, 再用夹层锅二次浓缩, 第三步用辅料混合, 再造粒, 最后用烘箱烘干成干制品, 合计五步。整个生产过程使用设备多, 暴露空气中与转运次数多, 工效低, 能耗大, 特别是浓缩阶段时间较长。为此我们研制出中药液一步喷雾干燥造粒工艺与设备, 将稀药液直接制成中药颗粒干制品, 整个过程在一个密封塔内完成 , 加工环境更适合国际推行的G M P 要求( , 代替了在同一塔内生M , 、节如图1所示, 中药液喷雾干燥一步造粒的工艺流程为:将定量干燥的

19、辅助料颗粒加入螺旋给料入口, 由上部进入干燥塔, 经过过滤的空气经加热器加热后从干燥塔底进入; 热空气进入后将加入的干燥颗粒形成沸腾层, 辅助颗粒被加热到指定温度后启动空气压缩机, 药液在贮罐中被压缩空气加压后, 通过喷嘴与压缩空气混合雾化, 喷出的药液吸附在沸腾层的物料中; 同时, 开动搅拌设备不断地搅拌, 被热空气干燥的沸腾层的颗粒逐渐增加, 至出料口出料; 尾气由塔顶经引风机排出。图1喷雾干燥工艺流程1空气压缩机2药液储罐3旋风分离器4可变速搅拌器5电加热器6风机7干燥塔8喷嘴干燥塔内喷出的药液以雾状与热空气相接触, 其中水分部分被蒸发, 余下被干粉吸附, 随其在沸腾过程中受热, 水分不

20、断蒸发, 干粉又不断吸附, 体积逐渐增大, 同时又被搅拌器推动打碎, 呈旋转液化状, 在这过程中水分不断蒸发, 颗粒不断被干燥并逐渐增多。其中主要的热交换过程有:药液在喷嘴喷10 喷雾干燥技术研究现状及其在中药制药中的应用 壁的药物受热后在光滑的内壁上容易剥落, 同 时颗粒在热空气吹动下沸腾, 搅拌器的旋转与 物料产生相对摩擦, 颗粒与内壁也产生相对摩 擦, 颗粒的冲刷内壁和搅拌器的搅拌作用会使 粘壁的药物剥落, 致使干燥塔内壁、 搅拌器的 表面始终处于光滑状态, 避免了结焦。 ( 5 在喷嘴前加装精密过滤装置, 并将药 液置于密封容器内再加压, 避免了喷嘴堵塞。 4结语 出后, 热空气与雾状

21、的液滴进行热交换; 药液 粘附在颗粒后, 在沸腾中与底部进入的热风进 行热交换, 在这过程中搅拌器打碎颗粒, 增大 了换热面积, 强化了传热; 搅拌器在调速电机 带动下作高速旋转, 与颗粒产生摩擦热。 干燥塔内颗粒较小、 较干的物料在热空气 的吹送和搅拌器的推动下沸腾至上部, 而颗粒 较大、 较湿的物料处于底部; 粘在塔壁的药物 因受热很快剥离; 由于锥底部分的气体速度大, 较大的颗粒在锥底的下部, 受高温和较大气流 的吹动, 表面很快干燥; 较小的颗粒浮在上部, 由于气体速度低, 不会很快被带走, 只有到物 料层增加到出料口附近时才会被大量带走, 从 而保证了出料的连续性。 这样就达到了一次

22、性 干燥出干颗粒, 而且干颗粒含水率低于 3% 。 312 中药液一步喷雾干燥造粒的主要设备与 喷雾干燥是中药制药工业中较为常用的先 进技术之一, 应用越来越广泛, 但也存在着一 些迫切需要解决的问题: 如中药提取液喷雾干 燥时的粘壁与干燥产品吸潮问题; 难以处理粘 度较大的浸膏; 热敏性物料在喷雾干燥时的氧 化问题; 中药提取液是否能够真正实现直接喷 雾制粒; 以及喷雾干燥热效率低、 设备庞大、 结 构要求高等问题。 这些问题都有赖于广大科技 工作者努力去解决。 相信只要充分发挥科技工 作者的聪明才智, 进行攻关, 喷雾干燥技术在 中药制药行业中的应用是大有前途的。 参考文献 1刘广文. 喷

23、雾干燥实用技术大全. 北京: 中国轻工业出 版社, 2001. 2潘永康. 现代干燥技术. 北京: 化学工业出版社, 1998. 3黄立新, 王宗濂, 唐金鑫. 我国喷雾干燥技术研究及进 展. 化学工程, 2001, 29 (2 : 5 4王喜忠, 于才渊, 周才君编著. 喷雾干燥. 北京: 化学 工业出版社, 2003. 5耿火 , 陶建生. 喷雾干燥技术及其在中药制药中的应用. 召 中成药, 2004, 26 (1 : 66- 68 6吴中华, 刘相东. 喷雾干燥过程的CFD 模型. 中国农业 大学学报, 2002, 7 (2 : 41 7戴命和, 孙宁, 黄金标. 喷雾干燥过程的热力学建模及 仿真. 桂林电子工业学院学报, 2001, 21 (4 : 47 8康智勇. 压力式喷雾干燥塔喷嘴孔径对粉料的影响.