2015年藥物化學(xué)考點(diǎn)解析—濕顆粒的干燥
1．干燥的概念和方法干燥是利用熱能去除濕物料中水分或其他溶劑的操作過程，在制劑的生產(chǎn)中需要干燥的物料多數(shù)為濕法制粒所得的物料，但也有固體原料藥以及中藥浸膏等。
干燥方法可按不同的情況進(jìn)行分類：①按操作方式，可分類為連續(xù)式干燥和間歇式干燥；②按操 作壓力，可分類為真空干燥和常壓干燥；③按熱量傳遞方式，可分類為傳導(dǎo)干燥、對(duì)流干燥、輻射干 燥、介電加熱干燥等，其中傳導(dǎo)干燥是將熱能通過與物料接觸的壁面以傳導(dǎo)方式傳給物料，使物料中 的濕分氣化并由周圍空氣氣流帶走而達(dá)到干燥目的的操作；對(duì)流干燥是將熱能以對(duì)流方式由熱氣體傳 給與其接觸的濕物料，物料中的濕分受熱氣化并由氣流帶走而達(dá)到干燥目的的操作，此時(shí)熱空氣既是 載熱體，又是載濕體；輻射干燥將熱能以電磁波的形式發(fā)射，入射至濕物料表面被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，將物料中的濕分加熱氣化而達(dá)到干燥目的的操作；介電加熱干燥是將濕物料置于高頻電場(chǎng)內(nèi)，由于高 頻電場(chǎng)的交變作用使物料中的水分加熱、濕分氣化而達(dá)到干燥目的的操作。目前在制藥工業(yè)中應(yīng)用最 普遍的是對(duì)流干燥。
(1)常壓箱式干燥：是將濕顆粒平鋪于干燥盤內(nèi)(薄厚應(yīng)適度，一般不超過lOcm)，然后置于擱板上。熱空氣以水平方向通過最下層濕顆粒的表面，然后流經(jīng)加熱器，使之每通過一次濕顆粒后得到 再次加熱，以保證干燥室內(nèi)上、中、下各層干燥盤內(nèi)的物料干燥均勻。這樣，每次都得到補(bǔ)充加熱的空氣依次流過以下各層擱板，最后由出口排出，也可部分地或全部地進(jìn)入下一循環(huán)。
箱式干燥投資少，適用于小批量的生產(chǎn)或用于干燥時(shí)間要求比較長(zhǎng)的物料以及易生碎屑或有爆炸 危險(xiǎn)的物料，但是這種方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的，主要有勞動(dòng)強(qiáng)度大，熱能利用率低，操作條件不良，物料干燥不均勻；尤其是干燥速度過快時(shí)，很容易造成外殼干而顆粒內(nèi)部殘留水分過多的“虛假干燥”現(xiàn)象，給下一步的制片工藝帶來不利影響，有時(shí)也會(huì)造成可溶性成份在顆粒之間發(fā)生“遷移”而影響片劑的含量均勻度。因此，下述的流化床干燥法已在國(guó)內(nèi)很多藥廠普遍使用。
(2)流化床干燥：這種方法與流化制粒的工作原理相同，但上寬下窄的流化室底部篩網(wǎng)上放置的 是待干燥的濕顆粒，這些濕顆粒在強(qiáng)熱空氣的吹動(dòng)下，上下翻騰，處于流化狀態(tài)(沸騰狀態(tài))，快速 地與熱氣流進(jìn)行熱交換，蒸發(fā)的水分則隨著上升的熱氣流帶走，這種傳熱、傳質(zhì)的過程，在流化室內(nèi) 連續(xù)不斷地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了濕顆粒的干燥；另外，由于顆粒在流化室內(nèi)翻騰，流動(dòng)性很強(qiáng)，在流化 室的下部形成連續(xù)的、進(jìn)動(dòng)性的流化沸騰層(逐漸向出口方向移動(dòng))，約20min左右，打開出口閘門，干顆粒即可由此放出，也可在出口處裝備電磁振動(dòng)篩，使干顆粒過篩后收集于適宜的容器中，這樣就實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化的流化干燥與制粒相互聯(lián)接的自動(dòng)化生產(chǎn)。
流化干燥法效率高，速度快，時(shí)間短，對(duì)某些熱敏感物料亦可采用，操作方便，勞動(dòng)強(qiáng)度小，自動(dòng)化程度高，所得產(chǎn)品干濕程度均勻，流動(dòng)性良好。與箱式干燥相比，由于在干燥過程中顆粒上下翻 騰，互相并不緊密接觸，所以一般不會(huì)發(fā)生可溶性成份的“遷移”現(xiàn)象，片劑的含量均勻度較好。除了上述這些優(yōu)點(diǎn)以外，也有其不足之處，比如設(shè)備不易清洗、細(xì)顆粒比例較高等等。
(3)噴霧干燥：噴霧干燥的蒸發(fā)面積大、干燥時(shí)間非常短(數(shù)秒一數(shù)十秒)，溫度一般為50℃左右，對(duì)熱敏物料及無菌操作時(shí)較適合。干燥的制品多為松脆的顆粒，溶解性好。噴霧干燥器內(nèi)送人的 料液及熱空氣經(jīng)過除菌高效濾過器濾過可獲得無菌干品，如抗菌素粉針的制備、奶粉的制備都可利用 該干燥方法。
(4)紅外干燥：紅外干燥是利用紅外輻射元件所發(fā)出來的紅外線對(duì)物料直接照射加熱的一種干燥方式。紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，其波長(zhǎng)范圍在0．72～1000pμm的廣闊區(qū)域，波長(zhǎng)在0．72～5．6μm區(qū)域的叫近紅外，5．6～l000p。m區(qū)域的稱遠(yuǎn)紅外。
紅外線輻射器所產(chǎn)生的電磁波以光的速度輻射至被干燥的物料，當(dāng)紅外線的發(fā)射頻率與物料中分子運(yùn)動(dòng)的固有頻率相匹配時(shí)引起物料分子的強(qiáng)烈振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，在物料內(nèi)部分子間發(fā)生激烈的碰撞與摩擦而產(chǎn)生熱，因而達(dá)到干燥的目的。
紅外線干燥時(shí)，由于物料表面和內(nèi)部的物料分子同時(shí)吸收紅外線，故受熱均勻、干燥快、質(zhì)量好。缺點(diǎn)是電能消耗大。
(5)微波干燥：屬于介電加熱干燥器。把物料置于高頻交變電場(chǎng)內(nèi)，從物料內(nèi)部均勻加熱，迅速干燥的方法。工業(yè)上使用的頻率為915MHz或245MHz。
水分子是中性分子，但在強(qiáng)外加電場(chǎng)力的作用下極化，并趨向于外電場(chǎng)方向一致的整齊排列，改變電場(chǎng)的方向，水分子又會(huì)按新的電場(chǎng)方向重新整齊排列。若外加電場(chǎng)不斷改變方向，水分子就會(huì)隨著電場(chǎng)方向不斷地迅速轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過程中水分子間產(chǎn)生劇烈的碰撞和摩擦，部分能量轉(zhuǎn)化為熱能。微波干燥器內(nèi)是一種高頻交變電場(chǎng)，能使?jié)裎锪现械乃肿友杆佾@得熱量而氣化，從而使?jié)裎锪系玫礁稍铩?
微波干燥器加熱迅速、均勻、干燥速度快、熱效率高；對(duì)含水物料的干燥特別有利；微波操作控制靈敏、操作方便。缺點(diǎn)是成本高，對(duì)有些物料的穩(wěn)定性有影響。因此常用于避免物料表面溫度過高或防止主藥在干燥過程中的遷移時(shí)使用。
(6)冷凍干燥：是利用固體冰升華去除水分的干燥方法，詳見第8章注射劑的有關(guān)內(nèi)容。 2．干燥的基本原理及影響因素
(1)干燥的基本原理：在干燥過程中，水分從物料內(nèi)部移向表面，再由表面擴(kuò)散到熱空氣中。當(dāng)熱空氣與濕物料接觸時(shí)，熱空氣將熱能傳給物料，這個(gè)傳熱過程的動(dòng)力是二者的溫度差；濕物料得到熱量后，其中的水分不斷氣化并向熱空氣中移動(dòng)，這是一個(gè)傳質(zhì)過程，其動(dòng)力為二者的水蒸氣分壓之差。換言之，當(dāng)物料表面產(chǎn)生的水蒸氣壓Pw大于熱空氣中的水蒸氣分壓P時(shí)(P我-P>0時(shí))，物料表面的水蒸氣必然擴(kuò)散到熱空氣中，在熱空氣不斷地把熱能傳遞給濕物料的同時(shí)，濕物料的水分不斷地氣化并擴(kuò)散至熱空氣并由熱空氣帶走，而物料內(nèi)部的濕分又源源不斷地以液態(tài)或氣態(tài)擴(kuò)散到物料表面，這樣就使?jié)裎锪现械臐穹植粩鄿p少而達(dá)到干燥的效果。顯然，干燥過程得以進(jìn)行的必要條件是被干物料表面所產(chǎn)生的水蒸氣分壓Pw大于干燥介質(zhì)(熱空氣)的水蒸氣分壓P，即Pw-p>0；如果Pw-P=0，表示干燥介質(zhì)與物料中水蒸氣達(dá)到平衡，干燥即行停止；如果Pw-P<0，物料不僅不能干燥反而吸潮。
為了達(dá)到有效的干燥，必須選用適宜的空氣�？諝馐墙^干空氣和水蒸氣的混合物，可稱為濕空氣。因此，采用熱空氣作為干燥介質(zhì)的目的不僅是為了提供熱能，而且是為了降低干燥介質(zhì)的水蒸氣分壓P以提高吸濕能力。
相對(duì)濕度(relative humidity，RH)是指在一定溫度及總壓下，濕空氣中的水蒸氣分壓P與飽和空 氣中的水蒸氣分壓Ps的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示：飽和空氣的RH=100％，未飽和空氣的RH<100％，絕干空氣的RH=0％。因此相對(duì)濕度直接反映空氣中濕度的飽和程度。
(2)物料中水分的性質(zhì)：研究物料中水分的性質(zhì)對(duì)提高干燥速率很有幫助。
①平衡水與自由水根據(jù)物料中所含水分能否被干燥除去，可劃分平衡水和自由水，平衡水(e-quilibrium water)系指在一定空氣狀態(tài)下，物料表面產(chǎn)生的水蒸氣壓與空氣中水蒸氣分壓相等時(shí)，物料 中所含的水分叫平衡水，是干燥除不去的水分；自由水(free water)系指物料中所含大于平衡水分的那一部分水稱為自由水分，也稱為游離水，是在干燥過程中能除去的水分。各種物料的平衡水量隨空氣中相對(duì)濕度(RH)的增加而增大(見圖3-2)。 ②結(jié)合水分與非結(jié)合水分結(jié)合水分(bound water)系指主要以物理化學(xué)方式與物料結(jié)合的水分，它與物料的結(jié)合力較強(qiáng)，干燥速度緩慢。結(jié)合水分包括動(dòng)植物物料細(xì)胞壁內(nèi)的水分、物料內(nèi)毛細(xì)管中水分、可溶性固體溶液中的水分等。非結(jié)合水分(nonbound water)系指主要以機(jī)械方式結(jié)合的水分，與物料的結(jié)合力很弱，干燥速度較快。
(3)干燥速率及其影響因素：干燥速率是在單位時(shí)間內(nèi)、單位干燥面積上被干物料所能氣化的水分量。即水分量的減少值，其單位為kg／(m2·s)。
從物料含水量隨時(shí)間變化的干燥速率曲線圖(圖3—3)可知：從A到B為物料短時(shí)間的預(yù)熱段：在含水量從X’減少到Ｘ0的范圍內(nèi)，物料的干燥速率不隨含水量的變化而變化，保持恒定(BC段)，稱為恒速干燥階段。
在含水量低于Ｘ0直到平衡水分Ｘ*為止，干燥速率隨含水量的減少而降低，稱為降速干燥階段。恒速干燥階段與降速干燥階段的分界點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)(c點(diǎn))，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的含水量Ｘ0為臨界含水量。
因?yàn)樯鲜霾煌稍镫A段的干燥機(jī)理不同，所以干燥速率的影響因素也不相同。
在恒速干燥階段，物料中水分含量較多，物料表面的水分氣化并擴(kuò)散到空氣中時(shí)，物料內(nèi)部的水分及時(shí)補(bǔ)充到表面，保持充分潤(rùn)濕的表面狀態(tài)，因此物料表面的水分氣化過程完全與純水的氣化情況相同，此時(shí)的干燥速率主要受物料外部條件的影響，取決于水分在物料表面的氣化速率，其強(qiáng)化途徑有①提高空氣溫度或降低空氣中濕度(或水蒸氣分壓P)，以提高傳熱和傳質(zhì)的推動(dòng)力；②改善物料與空氣的接觸情況，提高空氣的流速使物料表面氣膜變薄，減少傳熱和傳質(zhì)的阻力。
在降速干燥階段，當(dāng)水分含量低于Ｘ0之后，物料內(nèi)部水分向表面的移動(dòng)已不能及時(shí)補(bǔ)充表面水分的氣化，因此隨著干燥過程的進(jìn)行，物料表面逐漸變干，溫度上升，物料表面的水蒸氣壓低于恒速段 時(shí)的水蒸氣壓，因而傳質(zhì)推動(dòng)力(pw一p)下降，干燥速率也降低，其速率主要由物料內(nèi)部水分向表面 的擴(kuò)散速率所決定，內(nèi)部水分的擴(kuò)散速率主要取決于物料本身的結(jié)構(gòu)、形狀、大小等。其強(qiáng)化途徑有 ①提高物料的溫度；②改善物料的分散程度，以促進(jìn)內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散。而改變空氣的狀態(tài)及流速 對(duì)干燥的影響不大。
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