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流化床制粒发展现状

导演叫我趴下脸着地

2020/09/03
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近红外光谱（NIR）

流化床制粒发展现状

药品是人们常备的不可或缺的日常用品。近年来，随着国民生活水平的提高，人们对药品质量和药物安全问题广泛关注，制药领域也随之越来越多的进入到我们的视野中。长期以来，制药行业都采用传统的方式进行生产，无论是自动化、信息化水平还是认知观念水平都与其他行业存在着一定的差距。“十三五”规划以来，国家大力发展智能制造，制药行业作为制造业的一部分，需要紧跟发展潮流，朝着信息化、智能化方向发展。

固体制剂是目前最常见的剂种之一，其生产过程是将原料通过一系列操作包括粉碎、混合、制粒、包衣及压片等过程转化成药物制剂。无论是制作胶囊还是压片，制粒都是非常重要的关键步骤。制粒是将药物粉末与相关的辅料进行混合，待混合均匀后再喷入润湿剂或者粘合剂，在设备中制成具有颗粒形态的过程。干法制粒和湿法制粒是目前固体制粒中最常用的两种方法[1]。干法制粒不需要使用粘合剂，常用于对水分比较敏感的制剂；湿法制粒是常用的制粒方法，在混合均匀的粉末中喷入粘合剂，将粉末表面打湿，粉末通过粘合剂的媒介作用聚结在一起可以慢慢形成颗粒。流化床制粒是常见的湿法制粒方法之一。

流化床制粒过程中使用的工艺参数较少、且操作方法简单，广泛应用于固体制粒中。然而，目前的流化床制粒大多依靠于人工经验，对于制粒过程中颗粒的质量属性的变化都是离线进行分析，严重滞后于生产过程。制粒过程信息不透明，对制粒过程影响因素不能准确把握，容易导致药物疗效达不到预期甚至造成制粒批次的失败。随着计算机信息技术、人工智能、传感器技术的发展，及时获取流化床制粒过程工艺参数与颗粒的关键质量属性，通过数据挖掘出工艺参数变化对于流化床制粒过程的影响，通过质量属性的变化及时调整工艺参数，从而可以大大提高制粒成功率，打破国外技术封锁，实现连续化、智能化生产的目标。

针对流化床制粒信息化、自动化水平低，数据采集困难等问题，合理改造设备以及通过机器学习等人工智能算法了解工艺参数的内部机理，达到准确调控，对流化床制粒连续化、智能化生产具有重要指导意义。

流化床制粒技术只在一个腔体中就可以完成整个制粒过程。药物粉末和辅料等一次性的投入到密封的腔体中，在腔体内进行混合，直至腔体内的各种物料都混合均匀，接着从底部通入热空气，药物粉末在从下方而来的热空气作用下能够保持悬浮，从而达到理想的流化状态。接着将按照一定比例配成的黏合剂液体在蠕动泵和一定压力的压缩空气作用下，以雾化的形式从喷枪中向流化层喷入，使药物粉末聚结成颗粒。在整个制粒过程中，颗粒只受到流化床内部气流的作用，上下流动，因此形成的颗粒之间的粘合度较低，颗粒密度比较小，粒度比较均匀，并且有较好的可压缩性和流动性。

流化床制粒设备的整体情况都大同小异，主要的不同在于雾化的粘合剂喷入的方式。按照喷嘴所在位置的不同，可以大体将流化床分为顶喷式、底喷式和流化床三类，这三类流化床的示意图如下图1-1所示。顶喷式流化床是将喷枪从腔体外部伸入到制粒室中，从流化层的上方自上而下进行喷液。颗粒通过气流的作用上升至喷嘴的位置，雾化的粘合剂从喷嘴喷出并将颗粒包裹起来，颗粒上升到一定的高度后回落，如此往复，顶喷式流化床一般用于制粒。底喷式流化床是喷枪中粘合剂的喷洒方向与进风气流的方向一致，侧喷式流化床的喷嘴安装在制粒室的内壁上，最明显的特点是在其底部安装有布风板，底喷式流化床和侧喷式流化床一般用于包衣。

图1-1 制粒流化床分类

流化床制粒技术研究现状

1959年，美国的Wurst首先提出了流化床技术，该技术以其工艺简单，操作时间短，劳动强度低等特点广泛应用于固体制药领域。我国于上世纪八十年代才引入流化床制粒设备，相对于国外来说起步较晚，因此对于流化床制粒技术的研究也相对较少。石海涛[3]等人使用流化床制粒技术解决了采用传统的湿法制粒批次间颗粒质量属性差异大，制粒终点难以把握的缺点，制出崩解性能良好的甲磺酸吉米沙星片。申楼[4]等人把颗粒的流动性、表面性状和崩解时限作为衡量颗粒质量的标准，采用正交试验的方法确定出流化床制粒的最佳工艺参数。东北大学的王正松[5]以颗粒的粒度为研究对象，建立并验证了流化床制粒最终颗粒粒度的机理模型，并且建立了预测颗粒粒度的回归模型。浙江大学的周家辉[6]针对流化床制粒室温度难以控制的问题，分析了流化床制粒温度影响因素，对流化床进行了热力学分析，并且设计了温度控制器。在国外近几年的研究中，Neugebauer[7]等人针对流化床分层制粒过程中颗粒形成干燥区的问题，提出了一种用于研究各种工艺参数对粒子动力学和工艺稳定性的影响的模型。Hayashi[8]等人对流化床造粒过程中颗粒生长和破碎的机理进行了研究，提出了一种基于离散元法和计算流体动力学相结合的粒子碰撞频率函数的粒子平衡模型。Heidari[9]等人考虑液滴蒸发过程引起的体积变化等因素，综合考虑粘合剂粘性与液滴表面张力的平衡力，建立了流化床制粒过程中液滴蒸发的力学模型，利用该模型研究了不同温度、蒸汽压力、接触角和液滴直径条件下蒸发速率对液滴扩散时间的影响。Teixeira[10]等人研究了提高姜黄素溶解度的多种策略并且以姜黄素为原料，采用流化床制粒法，制备姜黄素颗粒。

国外的流化床技术已经取得了一定的成就，然而国内的流化床制粒领域中相关的文献报道却比较少，这种现状对于我们来说既是机遇也是挑战。通过文献可以看出，越来越多的学者都针对流化床制粒工艺进行研究，这也必将会是未来研究流化床制粒技术的一个趋势。

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