基于中药粉末直接压片工艺的压片机改进

罗小荣、曾一心、王桂华、向旭晟、朱明辉 2023-10-13

为探索适用于中药粉末直接压片工艺的压片机改进方向，通过分析压片机结构原理和压片工艺流程，选定加料器叶轮、压缩速度、压缩时间为改进方向。运用单因素实验方法，以片重差异和片剂硬度为评价指标，验证加料器叶轮、压缩速度、压缩时间改进的可行性。从压片机加料器叶轮类型、压轮半径、冲头头部平面直径方面改进压片机后，减轻了中药粉末流动性差、可压性差对片剂成型效果的影响。

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引言

粉末直接压片工艺是将药物与辅料进行过筛混合后，不经过制粒而直接压片的工艺，与其他片剂生产工艺相比，具有工艺流程少、生产周期短、能耗低、质量稳定等优势。粉末直接压片工艺对中药粉末、辅料的流动性与可压性要求高，为解决原辅料流动性和可压性差的问题，本文从高速压片机的加料器性能、压缩速度、压缩时间等方面提出了改善措施。

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压片机结构原理和压片工艺流程分析

如图1所示，目前中药生产企业使用最广泛的压片机主要由传动部分、冲盘部分、压轮部分、轨道部分、润滑部分等组成。

图1 压片机结构原理图

压片机工作流程：充填（将原料填入模孔）—计量（保证各个模孔中的原料重量一致）—压片（通过上下压轮将模孔中的原料压制成片）—成品收集。上冲盘装入上冲头，中冲盘装中冲模，下冲盘装入下冲头，传动部分带动冲盘旋转，上下冲头沿着固定的轨道做有规律的上下运动。在上冲头和下冲头随冲盘转动并经过压轮时被压轮推动，使上冲头向下、下冲头向上运动对药粉施加压力，使药粉成型，最后被推出、收集。

物料流动性差将会直接影响压片工艺流程中的充填和计量，造成压力不稳定，片重差异大。物料可压性差将会直接影响工艺流程中的压片步骤，导致药片硬度偏低或出现裂顶等质量问题。

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改善药粉流动性——强迫加料器叶轮

为保证片剂的片重、硬度或脆碎度等质量项目合格，压片过程中物料的充填至关重要。重力式充填方法由于完全靠重力作用进行充填，所以必须保证足够长的充填时间，使中模孔被完全充填满，否则压制而成的药片片重差异较大，因此重力式充填对粉末颗粒流动性及含量均匀性要求较高^[1]。

强迫加料器就是将药粉充填进入中模孔的重要部件，强迫加料器的核心部件为叶轮，加料叶轮在加料器中随叶轮轴旋转运动，起到将药粉拨入中模孔、均匀药粉和促进药粉流动的作用。选用适当的叶轮结构和运动形式（转速、转向、形状、叶片数量等）能有效改善粉末颗粒流动性，是充填效果的直接影响因素，其中叶轮转速对充填稳定性的影响非常突出^[2]。

图2 普通加料叶轮

如图2所示，普通加料叶轮轮齿为矩形截面，存图2 普通加料叶轮在直角棱边，易粉碎药粉颗粒，破坏药粉物理形状。叶轮底面与物料及加料器底盘接触面较大，当物料流动性较差时，对加料腔体底层药粉作用较小，物料易结块。当物料有被粉碎或结块的现象时，物料分布会不均匀，导致药片的片重差异不合格，药片的硬度、溶出度、脆碎度和崩解时限等亦受到影响，甚至造成加料叶轮卡死，损坏加料器，严重影响片剂正常生产。

3.1

保持加料叶轮的整体外径不变，加料叶轮的轮齿改为楔形

如图3所示，楔形的加料叶轮，其斜面在叶轮旋转方向的前方，即斜面这一侧推动物料前进，叶轮轮齿底部与物料接触面宽度缩窄为1 mm左右。具有这种楔形轮齿的叶轮在加料器中转动时，楔形坡面对物料的作用力可分解为两个方向，它既推动物料水平移动，也促进物料竖直充填进入中模孔。

图3 楔形加料叶轮

宏观上来讲，改进前矩形轮齿的加料叶轮对物料的推动力主要处于水平层面。楔形轮齿的加料叶轮对物料的推动力不仅存在于水平方向，还对物料有竖直向下的推动力。叶轮轮齿旋转方向的前侧平面改为斜面，轮齿底面保留1 mm左右宽度尺寸，斜面与底面成135°角；叶轮根部圆滑过渡；叶轮中不能存在无法清洁到的台阶或死角。

物料在加料器内滞留时间过长会造成颗粒分层、物料因摩擦发热而粘连结块等现象，而改进后的加料器叶轮能使物料更快速地充填进入中模孔，起到均匀药粉和快速充填药粉的作用，有利于减小片重差异。

3.2

保持加料叶轮的整体外径不变，加料叶轮的轮齿改为圆柱形轮齿

光滑圆润的轮齿在接触物料时给物料一个温和的作用力，物料接触加料叶轮时可以沿轮齿圆周方向逃逸，避免药粉结块和药粉在接触快速旋转的叶轮时被粉碎的问题，最小程度影响药片的崩解时限、脆碎度和溶出度等产品质量。

图4 圆棍型叶轮

如图4所示，采用折弯形状的圆柱形轮齿增大了叶轮与物料的接触面积，促进搅拌物料。折弯的拐点位于中模孔的节圆位置，使物料更顺畅、更充分地被拨入中模孔。上下折弯的圆柱形轮齿也使叶轮的空间搅拌范围加大，促进物料流动，避免出现流动死角。

3.3

加料叶轮改善前后验证实验

3.3.1 仪器

高速压片机、电子天平。

3.3.2 材料

健胃消食片粉末直接压片混合粉。

3.3.3 方法

在同一台压片机上安装不同的叶轮（普通型、楔形、圆棍型），使用同一批物料进行压片，以片重差异为片剂指标，对比3种叶轮在不同压片速度下的片重差异。片重差异按照药典（2020版）通则0101进行检测。

3.3.4 结果

表1实验结果表明，加料器的特性对药粉的充填有非常重要的影响，使用改善后的加料器叶轮压片机生产的片剂片重明显更稳定，差异更小。楔形叶轮或圆棍型叶轮间无明显差异，应用时可根据具体物料而定。

表1 不同叶轮压片片重差异单位：mm

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改善药粉可压性——压缩速度与压缩时间

4.1

压缩速度

压片机的几何特性和性能对片剂质量的影响主要体现为冲盘大小、压轮大小、冲盘转速、原料待压深度等与压缩速度的关系。

假定在压制过程中的某一瞬间中模里的原料厚度为h，经过压轮压制后片剂的厚度为h₀，那么h-h₀为此瞬间待压制原料的深度，称之为“待压深度”Δh，即Δh=h-h₀。

压缩速度v与压片机几何特性的关系由下式表示^[3]：

式中：v为压缩速度；N为冲盘转速；R为冲盘半径；r为压轮半径；Δh为待压深度；K为压缩速度系数，

由此可知，在压片过程中，压缩速度v是待压深度Δh的函数。原料在开始压缩时，压缩速度较大，在压制的过程中压缩速度逐渐减小，在压缩终了时（Δh=0）压缩速度为0。

压缩速度是冲盘半径R、压轮半径r以及冲盘转速N的函数，即压缩速度随着冲盘半径R的减小、压轮半径r的增大、冲盘转速N的减小而减小。

为验证冲盘半径、压轮半径以及冲盘转速对片剂成型的影响，使用同一种原料进行压片，以片剂硬度为评价指标，采用单因素实验方法进行验证。

4.1.1 仪器

高速压片机、硬度仪。高速压片机参数如表2所示。

表2 高速压片机参数单位：mm

4.1.2 材料

为排除中药提取物对片剂成型的影响，仅使用玉米淀粉作为原料，由江中药业股份有限公司提供。

4.1.3 方法

使用不同冲盘半径、压轮半径的两台压片机，以不同冲盘转速进行压片。以片剂硬度变化为评价指标，硬度变化越小表明片剂成型越好。

4.1.4 结果

（1）不同冲盘半径对片剂硬度变化的影响结果如图5所示。在不同转速下，片剂硬度随转速的增加而减小。冲盘半径为185 mm时，做一元回归方程得y=-0.53x+10.59（R²=0.982 2）。冲盘半径为132.5 mm时，做一元回归方程得y=-0.37x+8.71（R²=0.992）。由此可知，冲盘半径越小，片剂硬度变化越小，即片剂成型效果稳定。

图5 不同冲盘半径对片剂硬度变化的影响趋势

（2）不同压轮半径对片剂硬度变化的影响结果如图6所示。压轮半径为150 mm时，做一元回归方程得y=-0.57x+10.93（R²=0.982 2）。压轮半径为122.5 mm时，做一元回归方程得y=-0.64x+9.56（R²=0.967 9）。由此可知，压轮半径越大，片剂硬度变化越小，即片剂成型效果稳定。

图6 不同压轮半径对片剂硬度变化的影响趋势

综上所述，减小冲盘半径、增大压轮半径可以改善片剂的成型效果。从压片机上实现减小冲盘半径、增大压轮半径会降低其压缩速度，由此，为提高中药粉末直接压片的成型效果，可从降低压片机的压缩速度方面进行改善。但是减小冲盘半径会降低生产效率，故可从增大压轮半径方面进行改善。

4.2

压缩时间

降低压片机的压缩速度，相当于增加了作用在片剂上的加压时间，即压缩时间。一般来说，压缩时间越长，片剂的成型效果越好。

从压片机的压缩过程分析，压缩时间由两部分组成。冲头接触到压轮，即开始进入压缩的状态。从压轮与冲头开始接触，到压轮与冲头头部的平面接触，冲头是有轴向的位移的，即动压缩；从压轮接触到冲头的平面，直到冲头与压轮脱离接触完成本次压缩，这段时间冲头没有轴向的位移，即静压缩。由此，压片机对原料的压缩时间由动压缩时间和静压缩时间两部分组成。

因此，压片机的压缩时间为^[1]：

由此可以看出，压缩时间随着冲盘半径的减小，冲盘转速的降低，冲头头部平面的增大而增大。

由于冲盘半径和冲盘转速对片剂生产的影响，已经通过压缩速度进行过验证，故对冲头头部平面直径对片剂成型的影响进行验证实验。即使用同一种原料、同一台压片机进行压片，以片剂硬度为评价指标，采用单因素实验方法验证不同冲头头部平面直径对片剂成型的影响。

4.2.1 仪器

GZP16型高速压片机、硬度仪。冲头头部平面直径d分别为19 mm、17 mm、15 mm、13 mm、11 mm、9 mm。

4.2.2 材料

为排除中药提取物对片剂成型的影响，仅使用玉米淀粉作为原料，由江中药业股份有限公司提供。

4.2.3 方法

使用不同冲头头部平面直径d的同一台压片机，在相同冲盘转速、相同压力下进行压片。以片剂硬度为评价指标，硬度越大表明片剂成型越好。

4.2.4 结果

由图7可以看出，片剂硬度随冲头头部平面直径d尺寸的减小而减小。由此，随着冲头底部平面的增大，可以延长压缩时间，从而增加片剂的硬度。

图7 不同冲头头部平面直径对片剂硬度的影响趋势

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结论与讨论

针对中药粉末直接压片时物料流动性、可压性差的问题，可通过压片设备加料器、压缩速度、压缩时间相关参数进行改善。通过改进加料叶轮来增加物料流动性，减小片重差异。通过适当增大压轮半径，降低压缩速度，提高片剂成型效果。通过适当增大冲头头部平面直径，延长压缩时间，提高片剂硬度，提升片剂成型效果。

随着我国中成药市场迅速发展，工艺流程少、生产周期短的粉末直接压片工艺将被越来越多的中药片剂生产企业关注。对适用于粉末直接压片工艺的压片设备进行二次开发研究，可以极大地减少因中药提取物成分复杂、流动性差、可压性差导致该工艺难应用的问题。

参考文献

[1] 虞雅萍，陈岚，施昊韫.压片机充填过程影响因素的研究进展[J].中国医药工业杂志，2010，41（8）：610-614.

[2] MATUTTIS H G,LUDING S,HERRMANN H J.Discrete element simulations of dense packings and heaps made of spherical and non-spherical particles [J].Powder Technology,2000,109(1/2/3):278-292.

[3] 庄越，曹宝成，肖瑞祥.实用药物制剂技术[M].北京：人民卫生出版社，1999.