流化床制粒理论与实践

制药业 2022-07-13

流化床技术最早始于1942年，最初并不是应用于制药行业。后来Wurster首次报道了将流化床用于药品生产工艺，使用流化床技术实现了片剂包衣。随着技术的发展，Wurster在1960年将流化床用于一步制粒工艺。

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流化床制粒理论

流化床制粒混合工艺特别适合粒径范围在50-200μm的物料。颗粒的流化行为是各种颗粒之间作用力和相互作用力的总和。当经过料床的气流足够大时，颗粒克服重力得以流化。在低的进风速度下，颗粒的运动速度与流化床内压降成正比。随着进风速度的增加，流化床内颗粒由静止变为悬浮，此时对应的气流速度为最小流化速度（Umf）。最小流化速度在一步制粒工艺中是一个初级下限，随着制粒工艺的进行，最小流化速度应该是变化且逐渐增大的。制粒工艺的流化速度应大于最小流化速度，这样才不会使粗细颗粒分离。

当流化速度高于最小流化速度时，流化床内物料运动很像剧烈沸腾的液体，料床底部有气泡（在接近流化床床底的地方形成，靠近气流分布板），并在风机的作用下迅速上升至表面破裂。也由此可知气流分布板的设计对流化床的特性有重大影响。随着流化速度的增加，粉体体积膨胀，床体内单位体积内的颗粒密度降低。当流化速度达到某一速度时便会将颗粒吹走，此时的速度被称为夹带速度。流化床制粒混合程度与粒径和气流通过物料的运动方式有关。气流运动方式影响气体与颗粒之间传热。

标准进风速度通常为1.0~2.0m/s。对于聚团的物料，所需的空气流速为最小流化速度的五到六倍。干燥需要低速，如0.8-1.4m/s。由于流化床内存在湿物料，因此在干燥的早期阶段需要较高的速度，但通常会在产品失去水分时降低风速，目的是保证颗粒良好的运动且防止物料进入过滤器。在流化床制粒工艺中，颗粒运动和快速干燥很重要。颗粒在流化床观察孔自由向下流动是比较好的制粒状态，也可以通过出风温度监测不好的流化状态。每个产品都有恒定的干燥速率，其中流化床内温度在相当长的一段时间内保持相对恒定。如果出风温度上升速率比预期的快，则表明流化状态不好，可能必须停止制粒，并且需要手动或机械干预来辅助流化。

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颗粒聚集与生长机理

聚集是以细颗粒为起始物料增大粒度的过程，颗粒生长主要有三种机制：

1.由于颗粒表面存在不流动的液体而形成粘结液桥，可以促进细颗粒的粘结；

2.存在界面力和毛细管压力使得颗粒变得紧实；

3.由于干燥过程中溶解物质的结晶而形成固体桥。

理想状态下，流化床内的初级颗粒经过喷雾区时与润湿剂雾滴接触，润湿剂在颗粒表面扩散润湿颗粒。同时颗粒之间相互撞击形成液桥，而后在流化床内部干燥固化形成颗粒。流化床制粒机理见下图。

影响流化床制粒工艺的因素可分为三大类：处方相关变量、设备相关变量及工艺相关变量。

处方相关变量：一步制粒理想的起始物料应该具有低密度（密度差异小）、粒径小、粒度分布范围窄、接近球形。物料的内聚力、静电、粒度分布、结晶或无定形性质以及润湿性等会影响颗粒的性质。当制剂物料中含有疏水性物料或亲水性物料与疏水性物料的混合物时会出现流化困难。混合物的疏水性增加，导致颗粒的生长减少。可以通过添加表面活性剂（如月桂硫酸钠、SDS）改善疏水性物料一步制粒的效果。粘合剂：不同的粘合剂具有不同的粘结性质，粘合剂的类型、制剂中的粘合剂用量和粘合剂的浓度对颗粒性质具有重大影响。

粘合剂的加入方式也会影响颗粒性质，有研究发现将粘合剂内加用乙醇制粒，颗粒的粒度更大，但当把粘合剂加入溶液中制粒的颗粒不易碎且流动性好。粘合剂的温度影响溶液的黏度，进而影响液滴的大小。粘合剂溶液温度升高，溶液的黏度降低，从而减小了液滴的粒径，因此制得的颗粒平均粒径较小。粘合剂溶液的黏度和浓度会影响粘合剂雾滴的大小。粘合剂黏度增加，形成的雾滴更大，制得的颗粒粒径更大。

设备相关变量：由于随机流化而发生的聚集和磨损，需要在制粒过程中控制颗粒。这是一个复杂的过程，因为主要的流化条件和粒度分布在此过程中会发生变化。当经过调节的空气通过流化床的下部气室引入时，给定体积的空气的流化速度决定了如何实现流化。

气流分布板提供了向产品供应空气的合适方法。主要通过其开孔面积百分比来识别。通常可以使用开孔面积为4%到30%的气流分布板。这些可互换的气流分布板或具有可调节开孔的气流分布板可以提供一定范围的装载能力，从而可以高效、均匀地生产。为了防止窜动，操作员可以选择具有最佳提升性能的气流分布板。具有小的开孔面积来产生足够大的压降的气流分布板可以保证产品均匀流化，不会堵塞过滤器。或者可以使用具有较大开孔面积的气流分布板将具有较高堆密度的产品进行流化处理。

流化床的几何形状是可能影响制粒工艺的因素。流化速度必须从流化床底部到顶部边缘下降一半以上，以防止较小的较轻的颗粒被吹到过滤器中，从而与流化床中较重的产品分离。通常圆锥形的容器与膨胀室是优选的，其中气流分布板横截面直径与容器顶部的直径之比为1:2。

工艺相关的变量：流化床制粒工艺是动态过程，其中通过喷枪产生雾滴并将其沉积在随机流化的颗粒上。粘合剂溶剂蒸发，留下粘合剂。在所有溶剂蒸发之前，其他无规则颗粒与潮湿颗粒接触粘结。将该工艺重复多次以产生所需的颗粒。有许多控制制粒的工艺变量。最重要的工艺变量有：工艺的进风温度、雾化压力、空气流化速度和体积、喷液速度、喷枪的位置和喷枪的数量、物料温度和出风温度、过滤器的孔隙率和反吹频率、流化床体积。

这些工艺参数是相互依存的，如果可以理解这种相互依存的关系，则可以生产出所需的产品。进风温度取决于粘合剂载体的选择及所形成的颗粒的热敏感性。通常水性溶液允许使用进风温度范围60℃-100℃。有机溶剂需要使用50℃至低于室温的进风温度。较高的进风温度将粘合剂溶剂迅速蒸发，将形成较小的易碎的颗粒。重要工艺变量及其对流化床制粒工艺的影响见下表。