沈善明

（上海三明蒸發(fā)干燥研究所，上海 200232）

熱敏性藥品的干燥

沈善明

（上海三明蒸發(fā)干燥研究所，上海 200232）

冷凍干燥過程中深度冷凍所得的冰晶，在后期還得利用20～30℃ 甚至更高的加熱溫度使之干燥，于是，產(chǎn)生為何不在20~30℃ 快速傳熱直接真空干燥藥品濕濾餅，從而部分替代冷凍干燥機(jī)，達(dá)到節(jié)省投資和節(jié)能減排目的。

冷凍干燥；冰晶升華；濾餅直接干燥

1 概述

節(jié)能減排已是世界性話題，我們國家的節(jié)能減排任務(wù)要比工業(yè)發(fā)達(dá)國家艱巨得多。由于我們國家的干燥技術(shù)落后，熱敏性藥品干燥設(shè)備選型往往存在高耗能高投資的情況。例如：節(jié)能的雙錐真空干燥機(jī)因沒能兼顧低的干燥溫度和快速干燥時間，于是，一些高熱敏性藥品只能去求助投資昂貴和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用大的凍干干燥。

眾所周知，單純的冷凍達(dá)不到干燥的目的，在凍干過程中，藥品中的水分被深度冷凍成冰晶后進(jìn)行干燥，整個凍干過程可分成二個階段。第一階段冰晶吸收熱量直接升華成水蒸汽，水蒸汽在冷凝器內(nèi)凝華成冰霜，在第一階段約可干燥去除90%水分。然后進(jìn)入第二階段，為了將剩余的10%左右水份除去，必須升溫至20～30℃進(jìn)行真空干燥。在此階段就必須借助凍干機(jī)的加熱系統(tǒng)，提供20～30℃甚至更高的溫度使水分干燥。于是，就產(chǎn)生某些熱敏性藥物能否直接采用20～30℃溫度進(jìn)行真空干燥，來替代價格昂貴的冷凍干燥的設(shè)想。

冷凍干燥具有將固體濕料或其水溶液在低溫和高真空條件下直接得到干燥固體的方便，特別對熱敏性物料更具破壞小的優(yōu)點(diǎn)，但是，冷凍干燥又存在如下的不足：

—能耗高；

—設(shè)備投資大；

—干燥時間長；

—生產(chǎn)能力小。

冷凍干燥過程中，物料干燥方式有瓶裝和盤裝兩種，瓶裝凍干的干燥水分能力極小，僅適用于價格昂貴和熱敏性極高的藥物，對于生產(chǎn)能力稍大的熱敏性藥物的冷凍干燥，一般采用料盤方式干燥，藥品濕餅需要用手工操作攤放在料盤中，干燥產(chǎn)品用手工卸出料盤。手工操作易產(chǎn)生操作性污染和藥品粉塵污染環(huán)境。

傳統(tǒng)雙錐真空干燥機(jī)（以下簡稱雙錐）屬間接真空加熱式動態(tài)干燥機(jī)，理論上講可進(jìn)行20～30℃低溫度干燥，應(yīng)該可作熱敏性藥品的低溫干燥?？呻p錐存在以下幾個問題：

(1)因結(jié)構(gòu)原因，大型化時加熱面積的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于容積的增加，如：容積為100L和5000L雙錐的加熱面積分別是1.1 m2和18 m2，折合到每立方米容積所含的加熱面積，就分別是11m2/m3和3.6 m2/m3。顯然100L雙錐單位容積所含有的加熱面積比5000L的大了3倍。這就說明，大型化雙錐很難供大型化生產(chǎn)干燥使用。

(2)現(xiàn)熱敏性產(chǎn)品干燥的熱源都采用熱水顯熱加熱，傳熱系數(shù)低，故影響干燥效率。

(3)雙錐依靠很厚的錐體壁進(jìn)行加熱干燥，由于不銹鋼的熱阻是碳素鋼熱阻的5倍，單位面積耗用的不銹鋼量多而傳熱效率卻很低。

(4)雙錐旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中設(shè)機(jī)械式摩擦密封件[1,2]，因密封件處于無潤滑干摩擦惡劣工作條件，摩擦磨損難免，摩擦產(chǎn)生的磨損異物又必然被吸入雙錐體內(nèi)去污染正在干燥的藥品。如果干燥的是供直接分裝粉針的藥品，其危害性之大可想而知。

由于雙錐存在上述問題，雙錐就很難發(fā)揮低溫真空干燥高熱敏藥品的應(yīng)有作用。

鑒于上述情況，為達(dá)到低溫快速干燥，只要能為干燥機(jī)提供足夠大的熱交換面積，就可以彌補(bǔ)大幅度降低干燥溫度帶來的問題，就能將熱敏性藥品濾餅直接進(jìn)行20～30℃左右的低溫加熱真空干燥。為了最大限度減少手工操作帶來的污染機(jī)會，要求此干燥設(shè)備能像雙錐一樣一次性投料和密閉卸干燥產(chǎn)品。更要在機(jī)械真空密封件上下功夫，絕不能產(chǎn)生磨損異物去污染藥品，將可能導(dǎo)致污染藥品的機(jī)會消滅在藥品干燥機(jī)的設(shè)計環(huán)節(jié)中。

替代凍干干燥的更安全、經(jīng)濟(jì)、高效動態(tài)真空干燥機(jī)的目的和方向有了，就緊跟著積極投入到開發(fā)研究中去。

2 開發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)、高效熱敏性藥品干燥機(jī)

針對雙錐存在的問題，開發(fā)出了我們命名為“單錐真空干燥機(jī)”。它的結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 單錐真空干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 單錐真空干燥機(jī)結(jié)構(gòu)

它由蒸汽進(jìn)口、蒸汽凝水出口、蒸汽旋轉(zhuǎn)活接頭、蒸汽凝水總管、左軸承座、左旋轉(zhuǎn)軸、蒸汽加熱夾套、內(nèi)筒體、人孔、內(nèi)加熱板、尾氣過濾板、尾氣抽氣管、右軸承座、右旋轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動鏈輪、驅(qū)動機(jī)、抽氣管固定座和抽氣口等組成。其特點(diǎn)是：內(nèi)筒體一端為橢圓形封頭另一端則為錐形體兩部分構(gòu)成，蒸汽夾套筒體兩端全由橢圓形封頭構(gòu)成，內(nèi)筒體內(nèi)設(shè)多塊薄形內(nèi)加熱板，左右旋轉(zhuǎn)軸設(shè)在內(nèi)外筒體的旋轉(zhuǎn)平衡中心，左右旋轉(zhuǎn)軸支承在左右軸承座上，驅(qū)動機(jī)驅(qū)動右旋轉(zhuǎn)軸上的鏈輪并推動筒體向一個方向旋轉(zhuǎn)；在平行于旋轉(zhuǎn)軸中心線上設(shè)寬度等于人孔直徑，并和上下兩人孔貫通的維修清洗通道，在維修清洗通道兩側(cè)設(shè)多塊垂直于清洗通道的內(nèi)加熱板，蒸汽和蒸汽凝水通過內(nèi)加熱板兩側(cè)蒸汽凝水聯(lián)通口和蒸汽加熱夾套聯(lián)通；由固定柱固定的尾氣抽氣管穿過右旋轉(zhuǎn)軸和右旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)的“O”形密封件進(jìn)入內(nèi)筒體，進(jìn)入內(nèi)筒體在略向上彎尾氣抽氣管末端設(shè)與內(nèi)加熱板平行的尾氣過濾板，尾氣最后經(jīng)抽氣口抽出；加熱蒸汽經(jīng)旋轉(zhuǎn)活接頭上的蒸汽進(jìn)口和蒸汽凝水總管進(jìn)入加熱夾套，蒸汽凝水則經(jīng)蒸汽凝水總管和蒸汽旋轉(zhuǎn)活接頭上的蒸汽凝水出口排出。

表1 傳統(tǒng)雙錐各種容積規(guī)格的加熱面積

表2 單錐各種容積規(guī)格的加熱面積

表3 傳統(tǒng)雙錐和單錐各種規(guī)格的F/V值

由結(jié)構(gòu)圖知，內(nèi)筒體一端采用橢圓形封頭，而另一端采用錐形體，兼可增加內(nèi)筒體的容積和內(nèi)加熱板的面積，又不失錐形體卸干燥產(chǎn)品時的快捷干凈。加熱外夾套兩端全采用受力好的橢圓形封頭，并使夾套內(nèi)有較大的容積儲存和緩沖低溫飽和水蒸汽，有利于穩(wěn)定加熱蒸汽的溫度。

3 單錐真空干燥機(jī)（以下簡稱單錐）與傳統(tǒng)雙錐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

3.1 加熱面積F(m2)和F(m2)/V(m3)比較

因增設(shè)了內(nèi)加熱板，單錐擁有的加熱面積比雙錐大幅度增加，傳統(tǒng)雙錐各容積規(guī)格的加熱面積如表1所示，而單錐各容積規(guī)格（扣除內(nèi)加熱板后的容積）的加熱面積如表2所示，將表1，2各換算到單位容積含有的加熱面積，就得到表3所示F/V值。無論是傳統(tǒng)雙錐或單錐等間接加熱干燥機(jī)，熱交換面積的大小能反映這干燥機(jī)的干燥能力。單位容積V(m3)擁有的加熱面積F（m2）能比較直觀地反映一臺間接加熱干燥機(jī)的能力和效率。

3.2 低溫飽和水蒸汽和熱水作熱源的比較

單錐在作≤100℃熱敏性產(chǎn)品干燥時，采用30~100℃低溫飽和水蒸汽作熱源。與常規(guī)雙錐的熱水加熱比較，飽和水蒸汽潛熱加熱不存在熱水顯熱加熱那樣進(jìn)出口溫度差。這幾度進(jìn)出口溫度差對加熱溫度本來已很低的熱敏干燥來說影響不能算小，所以，采用飽和水蒸汽加熱贏得了增加幾度溫度差的好處，飽和水蒸汽加熱的傳熱系數(shù)還比熱水加熱高不少。另外，可直接利用蒸汽加熱夾套作低溫飽和水蒸汽的發(fā)生器，免除了傳統(tǒng)雙錐熱水加熱所必需的熱水槽、熱水泵和熱水管道一整套累贅，并且還能節(jié)省不少設(shè)備投資。

3.3 真空密封件的改進(jìn)

傳統(tǒng)雙錐真空密封件中采用O形密封圈，由于該O形密封圈處于無潤滑干摩擦條件下的連續(xù)旋轉(zhuǎn)操作，密封圈磨損產(chǎn)生磨損異物污染藥品是難免的，為了排除密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生污染隱患，單錐采用無隱患式O形圈密封件結(jié)構(gòu)，雖然采用了同樣的O形密封圈，由于改變了密封件的結(jié)構(gòu)，當(dāng)產(chǎn)生磨損異物和漏氣時，磨損異物只能被吸往真空泵方向，異物不再會落入錐體內(nèi)去污染藥品。

作為干燥藥品用旋轉(zhuǎn)動態(tài)真空干燥機(jī)存在產(chǎn)生磨損異物污染藥品的結(jié)構(gòu)性污染隱患，事實(shí)上凡利用機(jī)械密封件的旋轉(zhuǎn)動態(tài)真空藥機(jī)設(shè)備，都可能存在類似問題，故這些藥機(jī)設(shè)備的密封件污染隱患問題都應(yīng)該得到妥善處理。

3.4 以最少不銹鋼材量提供最大的熱交換面積

傳統(tǒng)雙錐僅靠雙錐體壁面提供熱交換面積。由于雙錐體受力原因，雙錐體壁厚都在6~12 mm，容積規(guī)格越大壁厚越厚，而它的F/V值反而越小。對于熱敏性產(chǎn)品干燥機(jī)，從0.5~10 m3各種規(guī)格干燥機(jī)，它們的內(nèi)加熱板壁厚均為3 mm，只是各規(guī)格雙錐筒體壁厚的1/4~1/2，即單位熱交換面積所耗用的不銹鋼材量可節(jié)省1/2~3/4。單錐真空干燥機(jī)的F/V值比傳統(tǒng)雙錐大1~3倍，而1~3倍的加熱面積全為內(nèi)加熱板，雖然單錐不銹鋼筒體的壁厚與傳統(tǒng)雙錐一樣，但各種規(guī)格單錐真空干燥機(jī)總加熱面積平均不銹鋼用量就大幅度下降，只是傳統(tǒng)雙錐的二分之一左右。

4 單錐真空干燥機(jī)可以替代部分熱敏性藥物的冷凍干燥，對于要求較高的熱敏性藥品干燥仍可求助于冷凍干燥

單錐具有的加熱面積和熱交換條件均優(yōu)于冷凍干燥，單錐的F/V值可以達(dá)到10 m2/m3，單錐處于旋轉(zhuǎn)真空動態(tài)干燥條件，所以，在同樣的真空度和加熱溫度條件下，具有很大加熱面積單錐干燥停留時間要比冰晶升華短得多。更重要的是單錐一次性加料比料盤人工加料和布料簡單快捷，特別是干燥后產(chǎn)品可進(jìn)行密閉條件下一次性卸料，人工操作性污染機(jī)會要少得多，自然產(chǎn)品質(zhì)量更有保證。

我們期待單錐真空干燥機(jī)能早日為高熱敏性藥品部分替代凍干干燥，為我國的熱敏性藥物干燥貢獻(xiàn)一份力量。

單錐真空干燥機(jī)技術(shù)已申請專利（專利號：20101022678·1）。

[1] 沈善明. 制藥設(shè)備軸密封的防污染對策 [J]. 醫(yī)藥工程設(shè)計, 1997,18(2): 3.

[2] 沈善明. 真空旋轉(zhuǎn)密封件與雙錐真空干燥機(jī) [J]. 醫(yī)藥工程設(shè)計,2005, 26(6): 6.

Drying of Heat Sensitive Drugs

Shen Shanming
( Shanghai San Ming Distillation and Drying Research Institute Shanghai, 200232 )

The crystal produced from deep refrigeration in freeze drying process should be heated under 20~30 ℃ or more so as to be further dried. It may be possible for wet filtered drug cake to be directly dried in vacuum under 20~30 ℃ so that freeze drying machine can be partly replaced. In this way, the investment can be reduced in large scale and the objective of energy saving and emission reduction can be reached.

freeze drying; sublimation of crystal; direct drying of filtered cake

TQ051. 8+92

A

1008-455X(2010)-06-0001-04

2010-07-22

沈善明（1930-）男，高級工程師，主要從事化學(xué)工程設(shè)計和研究工作。

Tel：(021)54350296 E-mail: shenshanming@yahoo.com