喷雾干燥技术及其在中药制药中的应用

1、喷雾干燥技术及其在中药制药中的应用耿,陶建生(上海中医药大学中药学院,上海201203收稿日期:200320121050808729。关键词:喷雾干燥;制粒;中药制药中图分类号:R943文献标识码:B 文章编号:100121528(20040120066203喷雾干燥技术问世已有上百年的历史。1865年蛋液的喷雾处理,1872年美国人赛谬尔珀西(Samluel Percy 申请了关于喷雾干燥技术的专刊,1888年喷雾干燥首次商业化应用于奶粉、葡萄糖的干燥。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运用

2、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、方便食品汤料等就是喷雾干燥得到的产品1。喷雾干燥在我国应用的历史较短,最早是在20世纪五六十年代引入前苏联的喷雾干燥机用于染料和链霉素的干燥1,2。而目前应用也己十分广泛,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,简化并缩短了中药提取液到制剂半成品的工艺和时间,提高了生产效率和产品质量。本文就喷雾干燥技术的研究进行综述,对其在中药制备领域中的应用前景进行了分析探讨。为该技术的推广应用和提高中药制药水平提供借鉴与帮助。1喷雾干燥技术的

3、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。其设备般是由雾化器(喷头、干燥室、进出气及物料收集回收系统等组成。1.1雾化形式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、压力式雾化和离心式雾化。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、四流体二内外混式等等。气流式雾化器的结构简单,处理对象广泛,但能耗

4、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;细粉生成少,能产生小颗粒,固体物回收率高。离心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。离心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。表1三种雾化器的比较比较项目气流式压力式离心式溶液可以可以可以悬浮液可以可以可以膏糊状可以不可以不可以料液黏度适应性改变压缩气压力适于低黏度料液改变转速,但有限进料变化影响中等大小喷雾器磨蚀情况中等大小喷雾过程控制中等难易喷雾器堵塞情况中等大小相对成本135动力

5、消耗很大小较小进料压力(MPa 0.1-0.52-400原料颗粒粒径(m 200400100200501000三种雾化原理的理论研究,主要是围绕喷雾器关键参数与雾化性能展开,黄立新等3对此有综述报道。这方面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,基本上是以离心式雾化和气流式雾化为进行的,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与较大雾化空间,气流式雾化能耗又很高,这些都限制了它们的应用。相对而言,离心式雾化器技术要求相对较低,是最容易实现的。1.2喷雾干燥机理研究喷雾干燥的效果影响因素很多,除雾化器

6、外,还有干燥室、进出气及物料收集回收系统以及整个干燥器系统。国内外研究人员进行了喷雾干燥的数学模型研究,以期给出干燥室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、优化以至干燥效果的提高具有重要意义。吴66中华等4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室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室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,干燥过程的优化提供参考。戴命和等5进行了喷雾干燥过程的热力学建模及仿真,根据质平衡原理、热平衡

7、原理和牛顿定律推导了逆流喷雾干燥过程的一维双向静态热力学数学模型;它包括了物料温度方程、热风温度方程、颗粒速度方程、热风湿含量方程、物料含水率方程:用MA TLAB仿真后,得到了增大空气量比提高空气温度更具技术经济性的结论。1.3喷雾工艺优化在喷雾干燥的实验研究方面,康智勇6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7在工厂大生产条件下研究了喷雾干燥的粉粒分布的影响因素,分析了陶瓷坯料泥浆粘度、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。在对农药水分散性颗粒喷雾干燥过程

8、的研究中,杨志生等8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过程中,已经不仅限于传统的干燥模式,刘相东等9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为气流对NaCl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2.5倍。1.4喷雾干燥技术的发展趋势喷雾干燥技术的广泛应用,其优势明显,但其理论仍然落后于实践。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深入研究3。喷雾干燥热效率低。当进风温度小于150时,其热容量系数较低,为804

9、00K jm-1h-1-1,因而蒸发强度小;一般的气流干燥、流化床干燥的热容量系数则大于4000K jm-1h-1-1。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(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都将是今后的研究重点。另外,喷雾干燥技术与具体的应用领域结合还将用于喷雾冷却造型、喷雾反应、喷雾吸收、喷雾涂层和喷雾造粒等领域。2喷雾干燥技术在中药制药中的应用2.1干燥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

10、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、胶囊剂的成型。中药提取液的喷雾干燥研究,一般以进出热风温度、风压、风速、供喷雾料液相对密度及其喷雾辅料为参数,以干燥成品含水量、吸湿性以及指标成分含量为评价指标1015。其主要结论基本一致,即喷雾干燥时,中药提取液的相对密度多在1.151.20之间;进风温度多在150以上(150 200,属高温喷雾干燥;而对干燥成品指标影响的主要因素则一般认为是浸膏比重及风温。热力学仿真5结论表明,风温、颗粒温度及速度、密度、湿含量是喷雾干燥的主要影响

11、因素。因此,对一般中药提取液的喷雾干燥是否可以考虑:将喷雾料液和进风含湿(水量差、温度、流量作为喷雾干燥的工艺操作参数,将干燥成品含水量、粒度及其分布、吸湿性、流动性、均匀性等一般指标和成分指标作为喷雾干燥的工艺评价参数;在此基础上针对不同提取液的性质选用不同辅料,进行实验以使干燥成品达到设计要求。2.2制粒喷雾干燥技术用于造粒有多种方式,一是喷雾干燥后再沿用传统的湿法或干法制颗粒法,后者即为常用的“喷雾干燥干压制粒法”;较之更进一步的则是直接的“喷雾造粒”,即所谓的“一步制粒”。但从严格意义上讲,“沸腾造粒”,即为“流化床喷雾造粒”,该技术是在引入流化态的微小颗粒(淀粉、糖粒、结晶的基础上,

12、喷入中药提取液并使之在颗粒母核的表面上干燥,进而形成较大颗粒,通过颗粒的分层生长或团聚生长最终得到干燥的产品。流化喷雾制粒是喷雾干燥制粒的主流,其主要操作工艺参数为雾化程度(空气压力、颗粒母核粒度、进出风温度、风量等16;按颗粒母核能否连续移入移出,可分为间歇式和连续式两种类型。于才渊17对其机理进行了研究,分析了料液流速、过剩气流速度、雾化空气流速以及喷嘴高度等对颗粒成长速率的影响;证实了流化喷雾制粒过程中颗粒的分层生长与团聚生长机理。从现行的造粒方法看,挤压制粒、滚转制粒、快速搅拌制粒与流化喷雾造粒相比,后者明显具有先进性,可以将中药提取液至固体颗粒成型一步完成,且具有质量上的优势。当然,

13、如果能够无需引入颗粒母核而直接喷雾干燥制粒,则可彻底解决中药提取液浓缩、干燥、粉碎、制粒的一步化工艺技术难题。刘明乐等18通过装置改进制成了自动喷雾干燥制粒装置,该装置由原来的一次喷雾改进为两次喷雾,可以直接将中药提取液干燥制粒。但进一步的研究和应用尚未见更多报道。2.3喷雾干燥在中药制药中的其他应用方式除干燥、制粒外,喷雾干燥技术在中药及其提取物的制备上,例如挥发油微囊的制备1922。另外,喷雾包衣技术也可以看作为喷雾干燥技术的应用之一。2.4中药喷雾干燥技术应用的问题与展望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:中药提取液喷雾干燥时

14、的粘壁与干燥产品吸潮问题;难于处理76粘度较大的浸膏;热敏感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。然而,从以上讨论中我们可以看到,通过理论研究,解决这些问题是有可能的:1、粘壁问题是喷雾干燥时出现的老问题,不仅仅出现在中药的喷雾干燥过程中,问题的出现与被干燥物的性质有关,如半湿物料粘壁、低熔点物料粘壁、粉末吸附以及雾化器与干燥室的结构不良等,因此完全可以采取针对措施予以解决,如增加助喷剂、旋壁风清扫装置等;2、中药喷雾干燥的主要优势在于快速的脱水作用,而对于一些高粘度的物料(稠膏、滤饼等其水分含量并不是很大,虽然可以

15、用气流式喷雾干燥器干燥,但完全可以采用针对性更强的“闪蒸干燥器”、“热喷射气流干燥机”进行干燥与粉碎;3、对于“热敏性”问题更应该用实验来验证,一般认为喷雾干燥时物料的实际温度并不高,卢忠东23实验已证明含易氧化成分Vc 的物料在高温喷雾干燥(进风温度大于150前后的含量无显著性差异;当然,如果确实存在氧化问题,可以针对解决之,如采用亚高温喷雾干燥,甚至可以使用“惰性载体喷雾干燥”。对于其他一些问题,文中已有论述。相信充分发挥优势,喷雾干燥技术在中药制药行业是大有用武之地的。参考文献:1刘广文.喷雾干燥实用技术大全M .北京:中国轻工业出版社,2001.122,5,21,4.2潘永康.现代干燥

16、技术M .北京:化学工业出版社,1998.486,323.3黄立新,王宗濂,唐金鑫.我国喷雾干燥技术研究及进展J .化学工程,2001,29(02:5.4吴中华,刘相东.喷雾干燥过程的CFD 模型J .中国农业大学学报,2002,7(2:41.5戴命和,孙宁,黄金标.喷雾干燥过程的热力学建模及仿真J .桂林电子工业学院学报,2001,21(4:47.6康智勇.压力式喷雾干燥塔喷嘴孔径对粉料的影响J .佛山陶瓷,2001,(6:19.7王晓兰,刘智刚.喷雾干燥粉料粒度分布的影响因素探讨J .佛山陶瓷,2001,11(7:16.8杨志生,郭乃琦.农药水分散性颗粒剂喷雾干燥过程的研究J .农药,20

17、01,40(11:14.9刘相东,I Zbicinski ,I Smucerowicz.脉动气流的喷雾干燥J .农业机械学报,2001,32(1:56.10王真,黄绳武,莫金海.养阴生津胶囊喷雾干燥工艺研究J .浙江中医学院学报,2000,24(2:72.11昝曰曾,宋宵宏.金桐根颗粒剂喷雾干燥工艺研究J .浙江中医学院学报,1999,23(6:67.12陈象青,刘琳琳,田莉等,喷雾干燥条件对肠必清干粉质量的影响J .基层中药杂志,2002,16(2:16.13梁振冬.颈复康颗粒喷雾干燥工艺研究J .中成药,2001,23(9:636.14常永敏,马全付,王文祥.冬凌草片喷雾干燥工艺条件研究J

18、 .中成药,1997,19(4:51.15管敏文,郭平平.应用喷雾干燥法制备安神宁心冲剂J .中成药,1994,16(4:55.16刘雪芬,陈茂礼,曲彩红.制备低糖性慈禧春宝冲剂J .中成药,1999,21(3:114.17于才渊,李富贵,王喜忠.搅拌流化床喷雾造粒过程实验研究J .化学工程,2001,29(6:34.18刘明乐,曹敬兰,白德记.自动喷雾干燥制粒装置J .中成药,1995,17(9:41.19陈庆华.大蒜挥发油微囊化工艺研究J .中国医药工业杂志,1990,21(12:540.20杨庆隆,沈耀明.喷雾干燥制备藿香油等挥发油微囊的实验研究J .中成药,1994,16(8:2.21樊敏伟.挥发油微囊化与囊材的选用研究J .上海医药,1997,(4:25.22谭龙飞,武伟,杨连生.喷雾干燥法制备肉桂醛微胶囊工艺条件的研究J .华南师范大学学报(自然科学版,2001,