第七章 药物干燥技术

2.干燥过程分析与控制 (1)干燥过程分析: 干燥过程既涉及传热过程，也涉及传质过 程。从传热角度看，传热温度差是传热的推动 力，因此高温空气提供热量，水分吸收热量。
Hale Waihona Puke 从传质角度看，浓度差是传质推动力，湿 物料表面水分的蒸气压Pw大，空气中的水蒸气 压P小，因此水蒸气不断从湿物料表面向空气 中扩散，从而破坏了湿物料表面的气液平衡， 水分则不断气化，湿物料表面的含水量不断降 低，进而又在湿物料表面与内部间产生湿度差， 于是物料内部的水分借扩散作用向其表面移动。
(1)传导干燥: 将湿物料堆放或贴附于高温的固体壁面上， 以传导方式获取热量，使其中水分汽化，水蒸 气由周围气流带走或用抽气装置抽出，因此它 是间接加热。 常用饱和水蒸气、电热作为间接热源，其 热利用率较高，但与传热壁面接触的物料易造 成过热，物料层不宜太厚，而且金属消耗量较 大。
(2)对流干燥: 将高温热气流(热空气或饱和水蒸气等称为 干燥介质)与湿物料直接接触，以对流方式向 物料供热，汽化后生成的水蒸气也由干燥介质 带走。热气流的温度和湿含量调节方便，物料 不易过热。 对流干燥生产能力较大，相对来说设备投 资较低，操作控制方便，是应用最为广泛的一 种干燥方式；其缺点是热气流用量大，带走的 热量较多，热利用率较传导干燥要低。
真空干燥烘箱
按操作方式可分为连续干燥和间歇干燥。 工业生产中多采用连续干燥，其生产能力大、 产品质量较均匀、热效率较高、劳动条件较好； 间歇干燥的投资费用较低，操作控制灵活方便， 故适用小批量、多品种或干燥时间要求较长的 物料。
按热量供给方式可分为传导干燥、对流干 燥、辐射干燥和介电加热干燥。
(一)对干燥设备的要求 为满足物料和产品质量要求的多样性，干 燥设备的类型也是多种多样的。每一种类型的 干燥设备也都各有其适应性和局限性。
总体来说，对干燥设备有以下要求: ①有较大的适应性，能满足干燥产品的质量要求； ②设备生产强度高，生产强度可用单位时间、单 位设备容积内除去的水分量来表示，其单位为 kg/( m3· s)； ③热效率高；
2.结合水分与非结合水分 存在于湿物料的毛细管中的水分，由于毛 细现象，在干燥过程中较难除去，此种水分称 为结合水分。而吸附在湿物料表面的水分和大 孔隙中的水分，在干燥过程中容易除去，此种 水分称为非结合水分。
具有毛细孔结构的物料，当环境的水分含 量增高时，会在毛细管作用下吸收水分，因此 称此种物料为吸湿性物料；相反，不具有毛细 孔结构的物料称为非吸湿性物料。
1.按湿物料在干燥器中的运动特点分类 (1)相对静止式干燥器: 湿物料之间不发生相对运动，故物料与热 源的接触面积是一定的。这类干燥器对物料的 适应性很广，物料在干燥器内的停留时间相同， 但物料不同部位的干燥条件较难保持一致，特 别在对流干燥条件下，干燥介质的分布难以完 全均匀，介质状态也在不断变化。这类干燥器 可分为湿物料完全静止与湿物料发生整体移动 两种。
1.平衡水分和自由水分 在一定的干燥条件下，当干燥过程达平衡 时，不能除去的水分称为该条件下的平衡水分 M*。 湿物料中的水分含量M与平衡水分M*之 差(M-M*)，称为自由水分。平衡水分是该条 件下物料被干燥的极限，由干燥条件所决定， 与物料的性质无关。当干燥条件发生变化时， 平衡水分M*的数值也会发生变化。自由水分 在干燥过程中可以全部被除去。
④冷冻干燥法: 将湿物料冷冻，利用真空使冻结的冰升华 变为蒸汽而除去的方法。该法适用于热敏性药 物、生化药物的干燥。
根据不同药物的理化性质及不同的药品质 量要求，选用不同的干燥技术，本章以除去的 湿分为水分，来讨论热干燥技术、冷冻干燥技 术等。
第一节
热干燥技术
一、概述
制药企业进行干燥处理的物料有颗粒状、 粉末状、块状、针状等固体湿物料，也有胶体、 浆液、悬浮液等液体物料。经干燥后，有的药 品要求仍保持原来的晶形，有的药品经干燥后 对其粒径有一定的要求，有的药品因遇热分解 而必须严格控制干燥温度和时间；另外，对于 各种药物的含水量要求也不尽相同。
对干燥产品而言，因品种不同，产品质量 的要求也不同。首先要保证物料各部分干燥的 均匀性，还要达到工艺要求的最终含水量；同 时有的要求保证化学组成和几何形状的不变性， 有的必须防止干燥中不被污染，有的湿分还需 要回收利用；对于颗粒状物料，常要求有一定 的堆积密度、粒度、流动性或溶出度。因此需 根据物料的特性和不同质量要求，选择干燥方 法和操作方式，选用合适的干燥设备。
④设备系统的流体阻力小，以节约流体输送的能 耗； ⑤设备的本体结构和附属设备比较简单，投资费 用低； ⑥操作控制方便。 这些要求很难在一个干燥设备内同时实现， 因此常以这些要求为依据，来评价干燥设备的 性能。
（二）干燥设备的分类 干燥设备除可按操作压强、操作方式和加 热方式分类以外，还可按湿物料的运动方式、 气流的运动方式和结构特征来分类。 了解这些分类的基本特点，有助于针对不 同的干燥要求，选择适宜的干燥方式和干燥设 备，并且可以针对不同干燥器提出改进方案。
1)湿物料特性的控制: 湿物料的物理结构、化学组成、形状和粒 度大小、湿分与物料的结合方式等都直接影响 着干燥速率，在可能的情况下，一般选择较大 的晶体粒度，以利于提高干燥速率。最初湿物 料的含水量、最终产品的含水量要求决定着干 燥时间的长短，因此生产中对于含水量较大的 湿物料，在干燥前都采用机械法去除一部分水 分，以缩短干燥时间。
三、热干燥工艺及控制
1.热干燥工艺过程 图7 -1为对流干燥的工艺过程示意图，主 要由加热器、加料器、干燥器、除尘器、风机 和控制系统组成。
新鲜空气经过滤器除尘、净化，由鼓风机 送入加热器中预热后，送入干燥器中，同时湿 物料也由加料器送进干燥器，湿物料中的水分 吸收热量而气化，并随空气一起从干燥器中排 出，除尘后经引风机排放。随着干燥过程的不 断进行，空气不断将水分带出，使湿物料中的 含水量不断降低，当含水量达到规定要求时， 从干燥器中排出产品。
几个概念
湿度:湿空气中水蒸气的质量与湿空气中绝干 空气的质量之比。
相对湿度:在一定条件下，湿空气中的水蒸气 分压与该条件下水的饱和蒸汽压 之比，常用百 分比表示。
露点温度: 不饱和湿空气在总压和温度不变的情况下 进行冷却，当出现第一颗液滴，即空气刚则达 到饱和状态时的温度。 湿球温度: 温度计的感温球包裹着湿纱布，当一定状 态的湿空气稳定流过时， 达平衡时的温度(温 度不再下降时)。
在干燥过程中，水蒸气被空气带出的速度 很快，不会影响干燥速率；而内部扩散与表面 气化同时进行，但在干燥过程的不同时期，两 者的速率并不相同；因此要根据干燥过程的具 体情况确定控制因素，提高干燥速率和干燥效 果。
(2)干燥过程控制: 在工业生产过程中，一般通过控制湿物料 的特性、空气的状态、操作条件和操作方式， 来控制干燥速率、干燥时间和干燥产品的质量。
尤其适用于当加热不匀时易引起变形、表 面结壳或变质的物料，或内部水分较难除去的 物料。但是，其电能消耗量大，设备和操作费 用都很高，目前主要用于食品、医药、生物制 品等贵重物料的干燥。
二、热干燥基本知识
(一)物料中水分的类型 物料中的水分可以是附着在物料表面上， 也可以是存在于多孔物料的孔隙中，还可以是 以结晶水的方式存在。 物料中水分存在的方式不同，除去的难易 程度也不同。在干燥操作中，有的水分能用干 燥方法除去，有的水分除去很困难，因此须将 物料中的水分分类，以便于分析研究干燥过程。
第七章
药物干燥技术
化工系
韩继新
在制药生产过程中，经常会遇到各种湿物 料，湿物料中所含的需要在干燥过程中除去的任 何一种液体都称为湿分。 药物是一类特殊产品，必须保证具有较高的 质量，其中湿分含量是保证药物质量的重要指标 之一。如颗粒剂的含水量不得超过3%，若含水 量过高，易导致颗粒剂结块、发霉变质等，从而 导致药物失效，甚至危害人身健康。
这是由于水分的介电常数比固体物料要 大得多，而一般物料内部的含水量比表面高， 因此，介电加热干燥时物料内部的温度比表面 要高，与其他加热方式不同，介电加热干燥时 传热的方向与水分扩散方向是一致的，这样可 以加快水分由物料内部向表面的扩散和汽化， 缩短干燥时间，得到的干燥产品质量均匀，且 自动化程度高。
②物理化学法: 将干燥剂如无水氯化钙、硅胶、石灰等与 固体湿物料共存，使湿物料中的湿分经气体相 转入干燥剂内。这种方法费用较高，只适用于 实验室小批量低湿分固体物料(或工业气体)的 干燥；
③加热干燥法: 向湿物料供热，使其中湿分汽化并将生成 的湿分蒸气移走的方法。该方法适用于大规模 工业化生产的干燥过程；
只要表面气化过程不断进行，空气连续不 断地将水蒸气带走，就可实现干燥过程。总之， 干燥过程不仅要保证热量的不断供给，还要保 证水蒸气的不断排除。
通过综合分析，可把干燥过程归纳为下述 三种过程: ①水分从湿物料内部向表面扩散的过程，即内 部扩散过程； ②表面水分从液相气化转移到气相的过程(加 热气化过程)，即表面气化过程； ③水蒸气被空气带出的过程。
因此，在药品干燥中必须针对不同性质与 要求的药物，选用适宜的干燥设备，采用不同 的操作方式进行干燥处理。
按操作压强可分为常压干燥、加压干燥和 真空干燥。 真空干燥时温度较低、蒸汽不易外泄，适 宜于处理热敏性、易氧化、易爆或有毒物料以 及产品要求含水量较低、要求防止污染及湿分 蒸汽需要回收的情况。加压干燥只在特殊情况 下应用，通常是在高压下加热后突然减压，水 分瞬间发生汽化，使物料发生破碎或膨化。
四、热干燥设备及操作
药品生产中被干燥物料的特性是多种多样 的，如物料的形状有块状、片状、饼状、纤维 状、颗粒状、粉状、悬浮液、膏糊状、连续薄 层或某种定型体等；物料的结构与干燥特征有 多孔疏松的、有结构紧密的，有的主要含有非 结合水分，有的含有较多的结合水分，有的是 热敏性物料，有的物料容易结团、收缩、变形、 龟裂等。
生产中常采用提高空气温度的方法，提高 干燥速率，但应以不损害被干燥物料的品质为 原则。对于热敏性物料和生物制品，更应选择 合适的干燥温度。