辛丹丹

（浙江亞光科技股份有限公司）

0 引言

過(guò)濾洗滌干燥機(jī) （業(yè)內(nèi)俗稱 “三合一”）能實(shí)現(xiàn)物料的過(guò)濾、洗滌、干燥、滅菌、卸料等連續(xù)工藝過(guò)程，其操作方式屬于分批式操作 （間歇操作），廣泛應(yīng)用于制藥、食品、農(nóng)藥、化工等領(lǐng)域。過(guò)濾洗滌干燥機(jī)主要由承壓部分的立式罐體、加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng) （攪拌軸、攪拌槳、機(jī)械密封等）、攪拌升降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、過(guò)濾介質(zhì)、出料閥、噴淋裝置、滅菌裝置、液壓泵站、主電控柜 （包括變頻器、CPU）等部件組成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)、電、儀一體化。在一批物料的過(guò)濾、洗滌、干燥、固體卸料等基本操作過(guò)程結(jié)束后，過(guò)濾洗滌干燥機(jī)還能用溶劑再將需要進(jìn)一步處理的物料溶解，連續(xù)地進(jìn)行下一步操作過(guò)程。在生產(chǎn)中要使過(guò)濾洗滌干燥機(jī)每一步操作工藝都達(dá)到最佳，就要很好地了解和掌握該機(jī)工藝應(yīng)用的特點(diǎn)，以便讓多個(gè)工藝應(yīng)用更好地在過(guò)濾洗滌干燥機(jī)內(nèi)連續(xù)完成。本文將詳細(xì)探討過(guò)濾洗滌干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其應(yīng)用。

1 過(guò)濾

將上游反應(yīng)釜或結(jié)晶設(shè)備產(chǎn)生的固液混合物晶漿放料到三合一設(shè)備罐體內(nèi)，以壓力差為推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)固液混合物的過(guò)濾分離。實(shí)際應(yīng)用中有加壓壓濾、真空抽濾以及加壓抽真空組合形式過(guò)濾等。加壓壓濾采用潔凈的壓縮空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，具體應(yīng)根據(jù)固液混合物的特性選擇壓縮氣體。例如，固液混合物易被氧化或固液混合物中有易爆介質(zhì)，就不能采用壓縮空氣，而應(yīng)選用惰性氣體。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，制藥行業(yè)一般產(chǎn)品壓濾壓力0.2～0.3 MPa即可實(shí)現(xiàn)過(guò)濾，化工或食品行業(yè)一些產(chǎn)品需要較高的過(guò)濾壓力，有的壓力達(dá)到1.0 MPa。

由于從上游設(shè)備結(jié)晶得到的固液混合物其固含量往往較低，因此固體卸料可以在幾個(gè)批次加料過(guò)濾完成后一次性卸料。固體顆粒被截留在過(guò)濾介質(zhì)上形成濾餅，對(duì)于三合一設(shè)備來(lái)說(shuō)，大多數(shù)產(chǎn)品為濾餅，而通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的濾液則排出后回收利用。

影響三合一設(shè)備過(guò)濾速率的因素有過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾精度、固液混合物中結(jié)晶體晶型、濾餅層的厚度等。三合一設(shè)備過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾精度范圍通常為 2～150 μm，屬于一般的過(guò)濾范疇。對(duì)于黏度高、粒度小的物料則要考慮采用超細(xì)微孔過(guò)濾。三合一設(shè)備的核心部件是過(guò)濾介質(zhì)。過(guò)濾介質(zhì)通常是以某些多孔物質(zhì)構(gòu)成的，例如濾布、金屬燒結(jié)網(wǎng)、不銹鋼編織網(wǎng)等。過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾精度的選擇要根據(jù)物料的粒度分布來(lái)確定。如果過(guò)濾精度過(guò)高，則過(guò)濾介質(zhì)致密度大，增加了過(guò)濾阻力，將會(huì)影響過(guò)濾速率，使生產(chǎn)周期加長(zhǎng)。如果過(guò)濾精度過(guò)低，會(huì)有大量的顆粒物料流失，導(dǎo)致產(chǎn)品回收率低，這種情況在生產(chǎn)過(guò)程中是不允許的。所以，根據(jù)物料的粒度分布及專業(yè)廠家提供的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，選擇適合的過(guò)濾精度是十分必要的。

過(guò)濾精度與過(guò)濾速率緊密關(guān)聯(lián)。通常，過(guò)濾速率可按式 （1）表示：

式中：V為濾液量，m3；θ為過(guò)濾時(shí)間，s；A為過(guò)濾面積，m2；ε為濾餅空隙率；a為顆粒比表面，m2/m3； Δpc為濾液通過(guò)濾餅層的壓降，Pa；L為濾餅厚度，m；μ為流體黏度，Pa·s。

在工藝條件相同的情況下，物料中結(jié)晶體晶型的不同會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾速率有大小差異。式 （1）中的項(xiàng)反映了物料顆粒的形狀、尺寸等特性對(duì)過(guò)濾速率的影響。在晶型不好的情況下，濾餅空隙率ε越小，顆粒比表面a越大，則過(guò)濾時(shí)間越長(zhǎng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用三合一設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾時(shí)，常會(huì)遇到因上游設(shè)備物料晶型不穩(wěn)定導(dǎo)致過(guò)濾速率相差幾倍的情況。

濾餅厚度L（即濾餅阻力R）也是影響過(guò)濾速率的因素。濾餅阻力如式 （2）所示：

式中，R為濾餅阻力，1/m。

從式 （2）中不難看出，當(dāng)物料顆粒特性a和ε一定時(shí)，濾餅厚度L與濾餅阻力R成正比，濾餅厚度越大，濾餅阻力就越大。過(guò)濾進(jìn)行一段時(shí)間后，由于濾餅層不斷增厚，會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾速率降至很低。對(duì)于不同規(guī)格的三合一設(shè)備，都有其最經(jīng)濟(jì)的濾餅層厚度范圍。最佳濾餅層厚度的確定不僅需要考慮過(guò)濾工藝，同時(shí)還要考慮后續(xù)的洗滌和干燥等工藝。如果濾餅層厚度超出常規(guī)的設(shè)計(jì)范圍，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的干燥工藝干燥效率降低。適宜的濾餅厚度值如表1所示。

表1 過(guò)濾洗滌干燥機(jī)適宜的濾餅厚度值經(jīng)驗(yàn)表

實(shí)際應(yīng)用中過(guò)濾工藝是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，除了上述的影響因素外，物料的黏度、過(guò)濾時(shí)的工藝溫度等對(duì)過(guò)濾工藝均會(huì)有影響。在過(guò)濾過(guò)程中，不同物料要求的環(huán)境溫度也有所不同。有的物料需要在冷卻條件下進(jìn)行過(guò)濾，否則產(chǎn)品會(huì)因操作環(huán)境溫度過(guò)高而溶解于漿液中；有的物料需要在加熱條件下進(jìn)行過(guò)濾，否則產(chǎn)品會(huì)因物料黏度過(guò)大而導(dǎo)致過(guò)濾速率緩慢，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)過(guò)濾。過(guò)濾溫度不同，對(duì)過(guò)濾速率和產(chǎn)品回收率均有不同的影響。對(duì)于不同特性的物料，三合一設(shè)備過(guò)濾工藝的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步深入研究和探索。

2 洗滌

過(guò)濾工藝完成后，需要進(jìn)行下一步工藝操作，即洗滌。三合一設(shè)備罐內(nèi)裝有特制的噴淋裝置，可使清洗 （洗滌）液均勻分布于罐內(nèi)。通過(guò)開(kāi)啟攪拌系統(tǒng)、攪拌升降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使槳葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下軸向運(yùn)動(dòng)，使物料得到充分的洗滌，將晶粒表面粘附的雜質(zhì)洗滌干凈。洗滌所用的洗滌液和洗滌次數(shù)需按物料、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)而確定。

不同的產(chǎn)品對(duì)于洗滌攪拌的轉(zhuǎn)速要求不盡相同，三合一設(shè)備的攪拌系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，滿足不同產(chǎn)品的洗滌工藝需求。實(shí)際應(yīng)用中，一般產(chǎn)品15～20 r/min即可滿足物料的洗滌要求，但對(duì)于一些特殊的化工產(chǎn)品，攪拌轉(zhuǎn)速需要提高至40～50 r/min。

三合一設(shè)備洗滌工藝中常用的噴淋裝置有兩種，一種是固定式噴淋球，另一種是旋轉(zhuǎn)噴淋球。固定式噴淋球因球體本身不旋轉(zhuǎn)，無(wú)任何摩擦，更符合我國(guó)《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》的要求。旋轉(zhuǎn)噴淋球因球體自身旋轉(zhuǎn)噴灑效果更優(yōu)，一些品牌的旋轉(zhuǎn)噴淋球能滿足美國(guó)FDA的使用要求。

3 干燥

三合一設(shè)備的干燥工藝可以采用熱風(fēng)干燥或真空干燥。采用熱風(fēng)干燥或真空干燥時(shí)都必須用潔凈的惰性氣體，因?yàn)楦稍镞^(guò)程中會(huì)有粉塵產(chǎn)生，要考慮設(shè)備操作環(huán)境為防爆。目前，三合一設(shè)備主流的干燥工藝為真空干燥。影響真空干燥工藝的因素主要是真空度、干燥時(shí)間、攪拌槳特性等。

真空干燥過(guò)程是采用真空系統(tǒng)將罐內(nèi)的惰性氣體抽走，使氣體分子數(shù)減少，隔絕空氣，主要適合于易氧化變質(zhì)的物料，也適合于蒸發(fā)需要回收溶劑的物料、熱敏性物料。真空狀態(tài)下，可以減少物料染菌的機(jī)會(huì)，或者抑制某些細(xì)菌的生長(zhǎng)，因此特別適合于無(wú)菌物料的干燥。

通常，當(dāng)物料顆粒表面非常濕潤(rùn)時(shí)，干燥過(guò)程處于表面汽化控制階段，干燥速度較快。當(dāng)物料顆粒表面含濕量降至臨界含濕量之下時(shí)，干燥過(guò)程進(jìn)入降速階段。隨著汽化的進(jìn)行，物料顆粒表面濕度不斷降低，內(nèi)部濕分向外轉(zhuǎn)移的速度小于表面蒸發(fā)的速度，物料顆粒的表面溫度逐漸升高，汽化表面向內(nèi)移動(dòng)，從而使干燥速率降低。三合一設(shè)備在干燥后期可以先采用一定時(shí)間進(jìn)行真空干燥，然后再進(jìn)行常壓干燥，常壓干燥后再采用真空干燥，反復(fù)循環(huán) （即采用脈動(dòng)式的真空干燥方法），可提高干燥效率、縮短干燥時(shí)間。

應(yīng)按照物料的特性來(lái)控制三合一設(shè)備加熱系統(tǒng)的加熱溫度。對(duì)于熱敏性物料需避免加熱溫度過(guò)高，以防止物料變性；對(duì)于加熱溫度沒(méi)有要求的物料，則可以適當(dāng)提高加熱溫度，以縮短干燥時(shí)間。產(chǎn)品的干燥率要求越高，相應(yīng)的干燥時(shí)間就越長(zhǎng)，其干燥后期的干燥時(shí)間主要取決于物料本身的特性，例如分子結(jié)構(gòu)、形狀、粒度等。

在干燥方面，三合一設(shè)備除了具有上述優(yōu)點(diǎn)外，其攪拌槳也具有加熱干燥功能，可增大設(shè)備傳熱面積，提高設(shè)備的干燥能力。攪拌槳位于設(shè)備的內(nèi)部，其與筒體外壁的盤管相比不僅減少了熱損失，并且還與物料直接接觸，提高了傳熱效率。經(jīng)三合一設(shè)備洗滌過(guò)濾后，具有一定含濕率的物料中，部分溶劑在一定的真空度下氣化且被真空系統(tǒng)抽走。同時(shí)，槳葉及加熱系統(tǒng)不斷給物料加熱，使物料內(nèi)部的溶劑通過(guò)壓力差或濃度差擴(kuò)散到表面，溶劑分子在物料表面獲得足夠的動(dòng)能，在克服分子間的相互吸引力后，被真空系統(tǒng)抽走。

三合一設(shè)備罐內(nèi)的物料不斷受到攪拌槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下軸向運(yùn)動(dòng)的作用，物料中的結(jié)塊不斷地被破碎，物料被逐層刮松，從而提高了干燥效率。三合一設(shè)備干燥工藝的核心部件攪拌槳，其槳葉形狀與結(jié)構(gòu)為特殊的S型設(shè)計(jì)，目前不能直接套用常規(guī)的攪拌釜槳葉模型進(jìn)行攪拌功率計(jì)算，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定設(shè)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)。

4 在線滅菌

生產(chǎn)過(guò)程中有些產(chǎn)品要求使用三合一設(shè)備進(jìn)行滅菌操作，并要達(dá)到一定的無(wú)菌指標(biāo)，例如食品、藥品等。三合一設(shè)備在線滅菌操作是指在不拆卸的情況下，對(duì)三合一設(shè)備內(nèi)部表面進(jìn)行原位滅菌。熱力消毒滅菌分干熱滅菌和濕熱滅菌兩大類。目前國(guó)內(nèi)外大都采用高壓水蒸氣濕熱滅菌法。水蒸氣比熱容大、穿透力強(qiáng)，水蒸氣滅菌可殺死所有微生物及其牙孢，具有操作簡(jiǎn)單、易于控制、滅菌徹底可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)滅菌操作，三合一設(shè)備罐內(nèi)達(dá)到無(wú)菌狀態(tài)，可為生產(chǎn)過(guò)程提供無(wú)菌潔凈的操作環(huán)境。相比于濕熱滅菌法，干熱滅菌法傳熱效果差、滅菌溫度高、滅菌時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)能耗高。另外，三合一設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)從耐高溫性能考慮，其設(shè)備造價(jià)成本也會(huì)有所增加。三合一設(shè)備在滅菌工藝操作中能對(duì)滅菌的時(shí)間、溫度、壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并能記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，更好地滿足驗(yàn)證與生產(chǎn)的要求。

5 過(guò)濾洗滌干燥機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：過(guò)濾、洗滌、干燥等過(guò)程，傳統(tǒng)的工藝通常都是由離心機(jī)、洗滌槽、干燥機(jī)或烘箱等單元設(shè)備單獨(dú)完成的。三合一設(shè)備從進(jìn)料到產(chǎn)品的排出全部過(guò)程是在一臺(tái)機(jī)內(nèi)完成的，大大縮短了工藝流程，減少了設(shè)備數(shù)量，使廠房和設(shè)備、工藝管線等的投資也相應(yīng)減少了，同時(shí)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了過(guò)程中人為因素的污染。離心機(jī)過(guò)濾不僅會(huì)破壞產(chǎn)品的晶型，而且不能滿足食品、藥品等的生產(chǎn)要求和環(huán)保要求。例如，不能滿足 《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范 （2010年修訂）》及附錄對(duì)設(shè)備的要求 （第七十一條）：設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型、安裝、改造和維護(hù)必須符合預(yù)定用途，應(yīng)當(dāng)盡可能降低生產(chǎn)污染、交叉污染、混淆和差錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，便于操作、清潔、維護(hù)，以及必要時(shí)進(jìn)行的消毒或滅菌。

缺點(diǎn)：三合一設(shè)備中過(guò)濾裝置的結(jié)構(gòu)為平板式，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中為避免攪拌槳刮壞過(guò)濾介質(zhì)，攪拌槳與過(guò)濾裝置之間存在一定的安全間隙。這樣在干燥結(jié)束出料后，在過(guò)濾介質(zhì)上就會(huì)有余粉殘留。目前國(guó)內(nèi)外普遍使用真空吸料或隔離保護(hù)人工余粉出料。真空吸料只適用于干燥出料后余粉松散的產(chǎn)品；隔離保護(hù)人工余粉出料雖然適用所有的產(chǎn)品，但人工操作較為繁瑣。以上方法都不能十分有效地完全解決余粉問(wèn)題，只能減少余粉的殘留。

6 結(jié)語(yǔ)

過(guò)濾洗滌干燥機(jī)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有20多年的制造使用經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于過(guò)濾洗滌干燥機(jī)工藝應(yīng)用的介紹并不多。本文對(duì)過(guò)濾洗滌干燥機(jī)過(guò)濾工藝、洗滌工藝、干燥工藝、滅菌工藝的原理進(jìn)行了分析，希望能有助于過(guò)濾洗滌干燥機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)已有設(shè)備制造廠家正在研發(fā)一種符合GMP要求的、具有結(jié)晶工藝功能的過(guò)濾洗滌干燥機(jī)，將結(jié)晶工藝引入過(guò)濾洗滌干燥機(jī)中，這是一種創(chuàng)新和挑戰(zhàn)。