浅析制药粉碎方法及设备选型

赵庭 2022-03-07

当下，药品片剂的制备过程都离不开制粒工艺——制粒工艺大体分两大类，湿法制粒和干法制粒。湿法制粒是目前制粒的主要方法，而粉碎是湿法制粒的首道生产工艺。本文将就粉碎方法及相关设备选型进行详细分析，以期为制药业同仁们提供参考。

本文作者就职于艺达思贸易（上海）有限公司

药品片剂是制药行业中品种众多、产量极大、使用广泛的剂型之一。片剂的制造过程一般可分为原辅料粉碎、称量、混合、制粒、干燥、压粒混合、压片、包衣等过程，行业流传着这样一句话:制粒是龙头，压片是核心，包装是凤尾，可见制粒过程在整个片剂生产中起到举足轻重的作用。制粒的方法大体分两大类：湿法制粒和干法制粒。目前，湿法制粒工艺仍然是药品生产中的主流工艺，具有生产工艺成熟、颗粒质量好、生产效率高、压缩成型性好等优点，在医药工业中应用非常广泛。而粉碎是湿法制粒的首道生产工艺^[1]。

粉碎是指用机械的方法克服固体内聚力，将大块固体碎成适宜大小的过程。粉碎的目的是减小粒径，增加表面积。

一、粉碎方法的分类

根据受力的方式，粉碎方法可以分为：挤压、折断、剪切、撞击、劈裂、研磨等^[2]。

挤压

将物料置于两个工作构件之间,然后逐渐对物料加压,使之产生弹性变形、塑性变形，直至破裂粉碎。这种粉碎方式适用于粉碎脆性物料,如果被处理物料是带有韧性和塑性的,则可能产生片状碎屑。

折断

物料在工作构件间承受弯曲应力,当力超过其强度极限便折断。这种方式一般用来处理较大块的长或薄的脆性物料。

剪切

这是一种能耗较低的粉碎方式，可以粉碎脆性物料，新形成的表面比较规则而且易于控制粒度的大小。

撞击

当工作构件以极高的速度撞击物料时,物料因在极短时间内受到很大的载荷,而被击碎。撞击适用于粉碎多种物料，既适用于较大块的破碎，又适用于精细粉碎。质量较轻的脆性物料尤其适宜于这种粉碎方式。撞击粉碎的生产率较高,粉碎后产生的粒径相对均匀。

劈裂

劈裂是利用工作构件表面锐利的齿，对物料颗粒进行锯切而使其破裂的方法。它特别适用于粉碎有胶性的物料,它可以获得各种不同粒度成品,而且粉末量也较少,但它不适于加工含油物料或含水量大于18%的物料。

研磨

物料在工作构件表面下承受一定压力，并与构件发生相对运动和摩擦，导致物料内部结构受到破坏,而发生表面剥落。实际这是一个既有挤压又有剪切的复杂过程。

一台粉碎设备在工作时往往是联合采用多种粉碎方法,很少会仅使用其中的一种方法。只不过在工作过程中，某种方法起了主要作用,起主要作用的粉碎方法是选择合适设备的重要参考依据。

选择合适的粉碎方法时,应首先考虑被粉碎物料的物理特性：对于特别坚硬的物料,击碎和压碎方法很有效；对韧性物料，用磨研为好；对胶性物料，以锯切和劈裂为宜；对于谷物粉碎，以挤压及锯切为佳；对含纤维的物料，以盘式磨为好。总之,根据物料的物理特性，正确选择粉碎方法对提高粉碎效率、节约能耗、改善产品质量等具有非常重要的意义。

二、粉碎设备的选型

常见的湿法制粒粉碎机有：挤压式制粒机、冲击式粉碎机、离心式过筛机等^[3]。

1.挤压式制粒机

常见的挤压式制粒机有锥式整粒机、摇摆式整粒机。二者的工作原理相同，都是通过转子的挤压和剪切物料，最终使物料经过筛网挤出成粒。这种挤压粉碎方式主要用于粉碎各种干、湿和热敏性物料，特别适合用于块状物料的粉碎。

但二者的工作方式和应用场景不同。锥式整粒机工作时，转子沿单一方向旋转。粉碎后颗粒形状多为圆柱状和角柱状，粒径分布较窄，粒径范围在0.1～30 mm左右。可通过调节筛网形状、孔径大小、转子转速快慢等条件调节制粒的大小，锥式整粒机的内部结构如图1所示。摇摆式整粒机工作时，转子以恒定的速度左右摇摆，对产品均匀施加力。粒径分布非常均匀，粉碎后粒径细度可达到250 μm。设备工作时产生热量小，但产量低于锥式整粒机^[4]。

图1 锥式整粒机的内部结构

2.冲击式粉碎机

常见的冲击式粉碎机有锤式粉碎机、钉盘磨、气流粉碎机等。其工作原理是颗粒与颗粒之间或颗粒与转子之间发生冲击性碰撞、摩擦和剪切等作用，从而粉碎物料^[3]。

但是这三者之间的工作方式和应用场景也是不同的。

锤式粉碎机主要由转子、筛网、加料器等部件组成。物料由加料器进入粉碎机后，受到转子的冲击并在粉碎腔内发生碰撞和摩擦，粉碎后的细料通过底部的筛网出料，粗料则被筛网拦截，重复得到粉碎。锤式粉碎机广泛用在各种结晶状纤维状物料的细磨和研磨中，其粉碎粒径细度可达到30 μm，但不适用于高硬度物料和粘性物料的粉碎。

钉盘磨由两个带钢齿的圆盘（即钉盘）和一个环形筛板组成，其内部结构如图2所示。两个钉盘分别为定子和转子，相互交错、高速旋转，在其中的物料会因受到钢齿的高速冲击而被粉碎。通过调节钉盘转速、钉盘和筛网的规格可调节最终粒径的细度。由于两块钉盘相对运转时会产生向心力，因而即使是湿料，低粘性物料同样也可以用其处理，所以钉盘磨又称为万能磨。钉盘磨研磨后的颗粒精细度通常大约在30～1500 μm。但由于钉盘磨在粉碎过程中会发热，所以不适用于粉碎有挥发性、软化点低和粘性较高的物料。

图2 钉盘磨的内部结构

气流粉碎机是利用空气或其他气体通过一定压力的喷嘴喷射，产生高速的湍流和能量转换流，通过气流作用悬浮输送物料，使物料相互间发生剧烈的冲击、碰撞和摩擦，加上高速气流对颗粒的剪切作用，最终使物料得到充分的研磨而粉碎。在保证气源洁净的前提下，气流粉碎的过程中没有其他物质掺入，物料不会被污染，因此它适用于不允许被金属和其他杂质污染的物料的粉碎。由于气流粉碎后物料能保持原有的天然性，所以它也适用于生物活性制品的超细化粉碎。而气流粉碎过程中的温升很低，使它同样适用于对热敏物料的粉碎。气流粉碎后，颗粒表面光滑，形状规整，粒径均匀，但它的缺点是能耗比较大。

气流粉碎机根据结构又可分为扁平式（圆盘式）、循环管式、单喷式（靶式）、对喷式、流化床对喷式等。现对扁平式（圆盘式）、循环管式两种气流粉碎机作简单介绍。

扁平式气流粉碎机是应用最早和最广泛的气流粉碎机，也称为圆盘式气流磨，其工作原理如图3所示。