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流化床干燥設(shè)備發(fā)展史和未來展望
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在固體制劑的生產(chǎn)工藝中，一步制粒和流化床干燥設(shè)備是經(jīng)常被選用的設(shè)備，流化床干燥設(shè)備也從臥式振動流化床干燥機發(fā)展到多用途的一步制粒機，隨著材料加工、智能化控制等新興技術(shù)的運用，流化床干燥設(shè)備在傳統(tǒng)國產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域也面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。作為制藥企業(yè)用戶，在新建項目或車間改造時，首先考慮的是根據(jù)生產(chǎn)工藝與產(chǎn)能需要，確定設(shè)備的選型和配置要求，對設(shè)備的重要組成部分、可選項、必需配置作出要求和說明，這有利于用戶以較小的投資獲得性價比較大的設(shè)備。流化床干燥設(shè)備的URS(客戶需求)已成為選擇供應(yīng)商使用的技術(shù)文件，設(shè)備供應(yīng)商需要滿足文件中提出的配置信息和條件，同時URS也對設(shè)備制造商提出了技術(shù)改進(jìn)的要求。目前，國內(nèi)GMP對設(shè)備的DQ要求非常松懈，而設(shè)備需求是DQ的一部分，我們所了解的預(yù)確認(rèn)僅僅是對設(shè)備選型、材質(zhì)、產(chǎn)能作大致的描述，沒有設(shè)備的詳細(xì)配置要求，這也是導(dǎo)致國產(chǎn)設(shè)備包括流化床干燥設(shè)備制造、控制系統(tǒng)、加工精度遲遲不能進(jìn)步的一個主要原因。就流化床干燥設(shè)備的種類及普遍存在的一些問題和解決方法做一簡要綜述。
關(guān)鍵詞：干燥；臥式多室流化床；攪拌流化床；振動流化床；離心式流化床；脈沖流化床
流化技術(shù)起源于1921年，較早應(yīng)用于干燥工業(yè)化大生產(chǎn)是1948年美國建立的多爾-奧列弗固體流化裝置，而我國直到1958年后才開始發(fā)展此項技術(shù)。流化床干燥過程中散狀物料被置于孔板上，下部輸送氣體，使物料顆粒呈懸浮狀態(tài)，猶如液體沸騰一樣，使得物料顆粒與氣體充分接觸，進(jìn)行快速的熱傳遞與水分傳遞。流化干燥由于具有傳熱效果良好、溫度分布均勻、操作形式多樣、物料停留時間可調(diào)、投資費用低廉和維修工作量較小等優(yōu)點，得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。
1 流化床干燥設(shè)備的分類
流化床干燥設(shè)備在不到100年的時間里，經(jīng)過科研人員的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。其種類很多，根據(jù)待干燥物料性質(zhì)的不同，所采用的流化床也不同，按其結(jié)構(gòu)大致可分為：單層和多層圓筒型流化型、臥式多室流化型、攪拌流化型、振動流化型、離心式流化型、脈沖流化型等類型。
1.1 單層和多層圓筒型流化床
較早應(yīng)用的流化床為單層圓筒型，其材料為普通碳鋼內(nèi)涂環(huán)氧酚醛防腐層，氣體分布板是多孔篩板，板上小孔半徑1.5
mm，正六角形排列。整個干燥過程為：濕物料由皮帶輸送機運送到拋料加料機上，然后均勻地拋入流化床內(nèi)，與熱空氣充分接觸而被干燥，干燥后的物料由溢流口連續(xù)溢出。空氣進(jìn)入鼓風(fēng)機、加熱器后進(jìn)入篩板底部，向上穿過篩板，使床層內(nèi)濕物料流化起來形成流化層。尾氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器組，將所夾帶的細(xì)粉除下，然后由排氣機排到大氣中。此干燥器操作簡單、勞動強度低、勞動條件好、運轉(zhuǎn)周期長。
但是由于單層圓筒流化床直徑較小，物料停留時間較長，干燥后所得產(chǎn)品濕度不均勻。因此發(fā)展了多層流化床，該流化床不僅可以提高效率，更重要的是能夠得到較為均勻的停留分布時間。為了對物料進(jìn)行內(nèi)擴散控制，多層流化床還先后經(jīng)歷了溢流管式、下流管式和穿流板式3個階段。多層流化床的物料干燥程度均勻，干燥質(zhì)量易于控制。熱效率較高，適用于降速干燥階段較長的物料以及濕含量較高（水分含量＞14%）的物料的干燥。
1.2 臥式多室流化床
由于多層流化床還是存在操作困難、床層阻力大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，為克服這些缺點，20世紀(jì)60年代末70年代初發(fā)展了一種臥式多室流化床。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，適用于各種難干燥的粉粒狀物和熱敏性物料的干燥�？梢哉f，臥式多室流化床干燥器相當(dāng)于多個方形界面流化床串聯(lián)系統(tǒng)。
其主要特點：
�。�1）在相鄰隔室間安裝擋板，從而可制得均勻干燥的產(chǎn)品，改善了物料停留時間的分布；
（2） 物料的冷卻和干燥可結(jié)合在同一設(shè)備中進(jìn)行，簡化了流程和設(shè)備；
（3） 由于分隔成多室，可以調(diào)節(jié)各室的空氣量，增加的擋板可避免物料走短路排出。
該設(shè)備在制藥工業(yè)中推廣較快，目前國內(nèi)有幾十個工廠用此設(shè)備來干燥各種片劑顆粒藥物、粉粒狀物料以及片狀物料。如果在操作上對各室的風(fēng)量、氣溫加以調(diào)節(jié)，或?qū)⑤^末幾室的熱空氣二次利用，或在床內(nèi)添加內(nèi)加熱器等，還可提高熱效率。
1.3 攪拌流化床
為了使某些濕顆粒物料或已凝聚成團(tuán)的物料亦能采用流化干燥技術(shù)，研究人員在加料口附近裝備床內(nèi)攪拌葉片，使呈團(tuán)狀或塊狀的物料及時打碎，以利于形成流化，這種裝備有攪拌器的流化床稱為攪拌流化床。
其優(yōu)點在于：
�。�1）適合于濕含量較大、在熱氣流中不易分散的物料或者可能結(jié)塊的物料的干燥；
�。�2）可以避免溝流、騰涌和死床現(xiàn)象，獲得均勻的流化狀態(tài)，提高熱質(zhì)傳遞強度。
近年來攪拌流化床在制藥工業(yè)上得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，其常作為制藥過程的后續(xù)工藝的干燥裝置，以簡化設(shè)備及工藝，降低成本。
1.4 振動流化床
隨著多級干燥的發(fā)展，振動流化床（vibratefluidized
bed，VFB）得到應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)與普通流化床相似，是一種將機械振動加于流化床中的改良產(chǎn)品。物料依靠機械振動和穿孔氣流雙重作用流化，并在振動作用下向前作活塞形式的移動，利用對流、傳導(dǎo)、輻射向料層供給熱量，即可達(dá)到干燥的目的。
振動流化床由于物料的輸送是由振動來完成的，供給的熱風(fēng)只是用來傳熱和傳質(zhì)，因此可以明顯地降低能量消耗。另外，由于床層的強烈振動，傳熱和傳質(zhì)的阻力減小，提高了振動流化床的干燥速率，同時使不易流化或流化時易產(chǎn)生大量夾帶的塊團(tuán)性或高分散物料也能順利干燥，克服了普通流化床易產(chǎn)生返混、溝流、粘壁等現(xiàn)象。
1.5 離心式流化床
離心式流化床是在離心力場中進(jìn)行流化干燥的一種新型干燥設(shè)備，其原理是在機械轉(zhuǎn)動造成的離心力場作用下使粒狀物料分布在絲網(wǎng)覆蓋的圓筒型多孔壁上，熱氣流穿過多孔壁使之流化干燥。由于離心力場的存在離心加速度可以是重力
加速度的幾倍到幾十倍，因此與普通重力流化床相比較，強化了濕分在物料內(nèi)部的遷移過程，干燥時間短，傳熱傳質(zhì)速率高，能夠有效地抑制氣泡的生成及物料的夾帶，對于在重力流化床中難以干燥的低密度、熱敏性、易粘結(jié)的固體物料都可以有效地干燥。
1.6 脈沖流化床
針對一些不易流動的物料及干燥溫度不允許超過50～80
℃的結(jié)晶藥物，發(fā)展了脈沖式流化床。脈沖流化床改變了傳統(tǒng)流化床的恒定送風(fēng)為周期性送風(fēng)，通過調(diào)節(jié)氣流的脈沖頻率或脈沖氣流導(dǎo)通率，使通過孔板的氣體流量或流化區(qū)發(fā)生周期性變化，對物料進(jìn)行干燥。
其主要結(jié)構(gòu)特點是在干燥濕底部的周圍裝有幾根熱空氣進(jìn)口管，在每根熱空氣管上裝有脈沖閥，它們按一定的頻率和次序開啟，開啟時間與床層厚度和物料性能有關(guān)，當(dāng)氣體突然引進(jìn)時，在短時間內(nèi)形成一個脈沖，使粒子劇烈流化，促使物料之間進(jìn)行強烈的傳熱與傳質(zhì)，當(dāng)閥門關(guān)閉時，床層的流化狀態(tài)逐漸消失，則物料處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時仍通入部分氣體通過床層，以便下一個脈沖能有效地在床中傳遞。
其優(yōu)點在于：傳熱系數(shù)高，干燥時間短，空氣耗量減少，電能耗量低。脈沖流化床能有效克服溝流、死區(qū)和局部過熱等傳統(tǒng)流化床常見的弊端，因而可用于處理黏性強、易結(jié)團(tuán)和熱敏性物料，如四環(huán)素類的抗生素。
1.7 惰性粒子流化床
惰性粒子流化床干燥器具有將物料蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥和粉碎在同一設(shè)備中完成的特點。此干燥器中預(yù)先裝有直徑為1～2
mm的玻璃珠，其在熱空氣的作用下呈流化狀態(tài)，物料進(jìn)入流化床內(nèi)，在玻璃珠相互球磨的作用下，迅速被粉碎、干燥。目前，此類流化床干燥器在制藥工業(yè)中的應(yīng)用較少。
2 流化床干燥設(shè)備存在的問題與解決方法
經(jīng)過工程技術(shù)人員的共同努力，近年來我國的流化床干燥設(shè)備有了長足的進(jìn)步。目前國內(nèi)常用的流化床干燥器有：內(nèi)藏?zé)峁苁搅骰哺稍餀C、ZLG振動流化床干燥機、沸騰流化床干燥機等。流化床干燥機的結(jié)構(gòu)、性能都有明顯改善，質(zhì)量也在不斷提高，但還存在著一些問題。
2.1 熱能利用的不充分
流化床干燥設(shè)備存在熱能利用不充分的問題，導(dǎo)致干燥效率不理想，能耗增加。如果在流化干燥過程中物料和熱空氣接觸不緊密，就存在熱交換不完全的問題，不但降低干燥效率，而且增加能耗。
德國GEA集團(tuán)的下屬公司[1]專門設(shè)計了使進(jìn)氣量更加均勻與平穩(wěn)的篩板，該篩板可以使流化干燥過程中熱交換更加充分和合理，并且降低了加熱空氣產(chǎn)生的能耗，可大幅提升經(jīng)濟效益。瑞士的蘇爾壽公司和日本奈良機械[2]制造的內(nèi)藏?zé)峁苁搅骰哺稍餀C，改變了以往流化床熱量全部由熱風(fēng)帶入的方法，它將管式熱交換器沉浸在流態(tài)化干燥物料中，物料脫水所需熱量分別由埋管熱交換器和流化用熱空氣提供，以較小的風(fēng)量滿足物料流化干燥的要求，由于部分熱量來自管內(nèi)熱
介質(zhì)的傳導(dǎo)傳熱，因此大大提高了熱效率，而熱介質(zhì)一般為蒸汽、導(dǎo)熱油等。
此外我們還可以采用新的加熱技術(shù)或新能源來提高設(shè)備的熱效率。如在床底層埋植換熱管，利用液體潛熱進(jìn)行噴霧熱交換，采用微波加熱等形式進(jìn)一步提高流化床干燥設(shè)備的熱效率，從而降低能源損耗，達(dá)到經(jīng)濟環(huán)保的目的。
2.2 被干燥物料濕度的在線監(jiān)測
流化床干燥過程中還存在無法在線監(jiān)測被干燥物料濕度的問題，如果能夠在干燥過程中在線檢測物料的濕度，便可根據(jù)實際情況調(diào)整參數(shù)，提高干燥的效率。
K.Sepp a l
a[3]等人設(shè)計了一種在線檢測流化床干燥時物料濕度的裝置，該裝置采用雙比色皿系統(tǒng)，通過測量物料的電導(dǎo)率來檢測物料的濕度，使整個干燥過程處于可控制狀態(tài)。
此外還有利用重量改變、紅外掃描等技術(shù)對被干燥的物料進(jìn)行在線濕度檢測的報道[4]，這些方式使流化床的整個干燥過程可以加以適時調(diào)控。
2.3 干燥結(jié)果的差異性
目前流化床干燥中普遍存在干燥結(jié)果差異較大的問題：
�。�1）同一種物料、不同投料量的干燥結(jié)果存在差異；
�。�2）不同種類物料、相同投料量的干燥結(jié)果存在較大差異。
因此，針對這兩個問題，一般都是對流化床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其設(shè)計更為合理，從而增加干燥物料的種類，而且可以提高干燥效率，降低干燥結(jié)果的差異性。
德國GEA集團(tuán)[5]針對同一種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問題，設(shè)計有適用于較小量干燥物料的兩層圓筒型流化床干燥器、適用于中等規(guī)模干燥量的四層串聯(lián)流化床干燥器以及適用于大規(guī)模干燥量的矩形三層流化床干燥器。針對不同種類物料、相同投料量干燥結(jié)果不同的問題，設(shè)計有專門適用于干燥易團(tuán)聚的固體物料的流化干燥器和適用于液體物料干燥的流化干燥器。
德國的Glatt公司[6]針對同種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問題，設(shè)計有間歇型流化床和連續(xù)型流化床，間歇型生產(chǎn)量為2
kg/h～1.5 t/h，連續(xù)型生產(chǎn)量為20 kg/h～5
t/h，此設(shè)計可以有效地解決同種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問題。
2.4 特殊物料的干燥穩(wěn)定性
熱敏感物料、氧敏感的物料以及含溶劑易燃物料的干燥條件要求較高，干燥條件不合理會導(dǎo)致被干燥物料的降解、變質(zhì)。美國的Bepex公司[7]設(shè)計的固定式流化床干燥器是一種較新的適用于熱敏感物料、氧敏感的物料和含溶劑易燃物料干燥的流化干燥設(shè)備。此流化床干燥器中具有多個區(qū)域，可在同一個裝置中進(jìn)行加熱和冷卻，每個區(qū)域都可以對溫度、露點和流化速度進(jìn)行獨立控制，通過調(diào)節(jié)每個區(qū)域的圍堰高度，物料在干燥器中的停留時間可相差較多4倍。由于采用較低的蒸汽壓，熱敏感物料可在低于沸點的溫度下進(jìn)行干燥，并且加入間接傳熱表面，提高干燥能力。
此外，該設(shè)備使用了能夠?qū)⒍栊詺怏w進(jìn)行回收的封閉循環(huán)流化床系統(tǒng)，可以處理對氧敏感的物料和含溶劑易燃物料。
2.5 冷卻系統(tǒng)
部分流化床干燥設(shè)備缺少冷卻系統(tǒng)，因此冷卻過程一般較長。目前，國內(nèi)外的研究人員和生產(chǎn)商在設(shè)計和制造流化床時，都考慮設(shè)計并采用更為合理和高效的冷卻裝置，使干燥后的物料能迅速冷卻降溫，達(dá)到簡化生產(chǎn)過程，或直接包裝的目的。
流化床干燥設(shè)備在實際使用中還會被增加一些其他功能，如頂噴制粒、側(cè)噴制粒、底噴制丸等，但較基本的還是干燥功能，國產(chǎn)設(shè)備要改變以往的研制思維，努力增加設(shè)備的科技含量，從硬件和軟件上積極向美國FDA、歐盟、WHO的設(shè)備要求靠近，隨著美國FDA在北京設(shè)立辦事處，國內(nèi)制藥企業(yè)與 接軌勢在必行，它也給中國的制藥裝備提出了新的挑戰(zhàn)和機遇。
現(xiàn)在中國的社會中生產(chǎn)的流化床干燥設(shè)備都是用高科技的東西使產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量得到了很大的提高，但是我國起步較晚，流化床干燥設(shè)備與 先進(jìn)水平相比有一定的差距，但是我們而已也在發(fā)展所以作為流化床干燥設(shè)備的用戶，我們在進(jìn)行國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備比較的時候，也欣喜地發(fā)現(xiàn)國內(nèi)一些設(shè)備制造商已開始嘗試從詳細(xì)的設(shè)備客戶需求開始，逐步接受美國FDA、歐盟、WHO所要求的URS模式，根據(jù)不同的產(chǎn)品，量身定做設(shè)備，這也是中國藥機發(fā)展的必由之路。 干燥設(shè)備的發(fā)展是比較快的但是還是存在這一些技術(shù)上的弊端，不能脫離國外引進(jìn)的事實，這也是中國的干燥企業(yè)發(fā)展受限制的一個很重要的原因，解決這個問題干燥企業(yè)就要加大對于科研的投入，脫離國外技術(shù)的束縛創(chuàng)造自己的東西，讓噴霧干燥機
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