第七章 药物干燥技术

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。
(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。
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。
3)干燥操作条件与方式的控制: 增大空气的流动速度，可提高水蒸气的扩 散速率，达到增大干燥速率的目的。 湿物料与空气的接触情况对干燥速率的影 响至关重要，增大湿物料与空气的接触面积， 可提高干燥速率；一般采取减小颗粒堆积厚度， 或使空气流动方向与湿物料表面垂直，或使颗 粒悬浮在空气中(如流化床干燥)等操作方式， 可大大提高干燥速率。
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)。
2)空气状态的控制: 描述空气状态的参数主要有湿度、相对湿 度、露点温度、湿球温度等。空气中一般含有 少量水分，因此通常所说的空气都为湿空气。 当空气的温度升高时，相对湿度降低，传质推 动力增大，干燥能力增强，并且温度升高，传 热推动力也增大，提供的热能增多，使水分的 气化速率提高；另外，空气的温度升高，吸收 水蒸气的能力增大，可以带出较多的水蒸气。
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。
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。
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。
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。
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.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。
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。
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。
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。
为了药物的安全性、有效性，为便于加 工、运输、贮存，必须将分离纯化所获得的产 物中的湿分除去，因此药物干燥技术是制药生 产中不可或缺的工艺步骤。 根据除去湿分的原理不同可分为: ①机械法 ②物理化学法 ③加热干燥法 ④冷冻干燥法
①机械法: 当固体湿物料中含液体较多时，可先用沉 降、过滤、离心分离等机械分离的方法除去其 中大部分的液体，这些方法能耗较少，但湿分 不能完全除去。该方法适用于液体含量较高的 湿物料的预干燥；
(3)辐射干燥: 以辐射方式将热辐射波段(红外或远红外 波段)能量投射到湿物料表面，被物料吸收后 转化为热能，使水分汽化并由外加气流或抽气 装置排除。 辐射干燥可比传导或对流干燥的生产强度 大几十倍，产品干燥程度均匀而不受污染，干 燥时间短，但电能消耗大。
• 红外线干燥除菌设备
(4)介电加热干燥(包括高频干燥、微波干燥): 将湿物料置于高频电场内，利用高频电场 的交变作用使物料分子发生频繁的转动，物料 从内到外都同时产生热效应使其中水分汽化。 这种干燥的特点是，物料中水分含量愈高的部 位获得的热量愈多，故加热特别均匀。
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。
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。
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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。
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。
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。
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。
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；