顶喷制粒工艺控制

顶喷制粒工艺控制

顶喷制粒（一步制粒）是一种应用较为广泛的常规制剂工艺，其原理是利用液体桥使粉末粘合，经干燥后固结成颗粒。制粒溶液的溶媒主要以水为主，在设备满足相关防爆要求时，也可使用有机溶剂，如乙醇、丙酮等。业内已有相当丰富的文章对底喷制粒工艺、设备和原理进行了详尽细致的阐述，本文重点将结合实践经验辅以技术工具来剖析顶喷制粒的工艺控制。

常规顶喷制粒工艺流程如下所示：

其中顶喷制粒中关键工艺参数包括：进风含水量、进风量、进风温度、喷液流速、物料温度、雾化压力等。下面逐一解析：

▪进风含水量（环境湿度）

进风含水量常用相对湿度、绝对湿度、露点温度来表示，这三者可相互换算得到。相对湿度，指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比，或湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比，也可表示为湿空气中水蒸气分压力

与相同温度下水的饱和压力之比。绝对湿度，指每单位容积的气体所含水分的重量，常用单位为g/kg或mg/L。露点温度，指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。目前已有便捷的空气焓湿计算APP可实现上述3个参数的换算。（图例：在海拔高度为10m，干球温度即气温为25℃，相对湿度为65%时，空气中含水量为

12.9208g/kg，露点温度为18.0℃）有文献报道，环境湿度增加，物料温度线性增加，原因是湿空气加热能力大于干空气。与湿空气条件下制得的颗粒相比，干空气条件下制得的颗粒偏细，主要原因是液-固之间的联结减少最终引起颗粒间固-固的联结也减少。在流化床进风处理单元可通过表冷除湿、冷冻除湿、转轮除湿或联用等方式来实现目标进风含水量的控制，以使其符合工艺要求。表冷除湿常规可控制进风含水量在10g/kg以内，冷冻除湿和转轮除湿常规可控制进风含水量在3g/kg以内，1g/kg以内也能实现但是经济效益相对较差且顶喷制粒工艺通常不需要控制到这么低的进风含水量。一般认为，在喷液制粒阶段，进风含水量控制在10g/kg以内即可，实现较好的制粒效果；在干燥阶段，可将进风含水量控制在5~8g/kg即可，提高干燥效率。

▪进风量

适宜的进风量是物料实现良好流化状态的前提。进风量太小，物料不能实现良好流化状态，导致喷液不均，干燥不充分，进而引起局部过湿以致塌床。进风量太大，物料长时间处于剧烈沸腾状态，导致过多细粉被吹到过滤袋上，易使过滤袋堵塞；与此同时，若过滤袋孔径不合适，细粉很可能经过滤袋逃逸，造成含量异常等问题；若沸腾高度超过喷嘴，湿颗粒粉末会包裹甚至堵塞喷嘴，引起喷液扇面发生变化，导致有些细粉不能参与制粒。那么多少的风量是合适的呢？一般经验是物料沸腾顶点不应超过喷嘴的高度，为使粒径分布尽可能窄，应尽量调整喷雾面积与湿床表面积一样大。通常建议物料沸腾高度在喷嘴平面以下5~20cm为宜，实际生产过程中可通过视窗观测流化床扩展室中物料的沸腾高度来进行适当调整。此外，需要指出的

是，随着喷液过程的进行，颗粒的重量会逐渐高于初始投料重量，因而在喷液过程中为了维持颗粒的沸腾高度，一般会逐渐增加进风量；同理，当喷液结束转入干燥阶段后，亦需逐渐减低进风量以避免颗粒剧烈沸腾，因颗粒被干燥时重量会逐渐降低。

▪进风温度

根据颗粒的成粒机理，进风温度对成粒效果有显著影响。若进风温度过高，雾化液滴还未充分接触到粉末即被过早干燥挥发，削弱了液滴对粉末的润湿和渗透能力，液体桥不易形成或桥接较为脆弱，将会导致成粒效果差、细粉过多、颗粒脆性大、松密度小、流动性差，压片时易引发片重差异大、粘冲、素片掀盖和顶裂等问题。此外，有些辅料高温下易软化甚至熔融，易粘附在流化床壁上或粘结在底部筛网上，堵塞网眼造成塌床。若进风温度过低，则湿颗粒不能及时干燥，相互聚结成大的团块，也会造成塌床；且在干燥后可能形成外干内湿的团块。

对

于溶媒为水的制粒溶液，常规推荐进风温度为50±5℃；对于溶媒为乙醇等有机溶

剂的制粒溶液，常规推荐进风温度为35±5℃。

▪喷液流速

物料温度直接指示了喷液流速是否合适，喷液流速决定了顶喷的生产效率。若喷液流速过快，则物料温度会迅速降低，粉末得到过多粘合溶液，不能被及时干燥，此时颗粒易结团或塌床，所得颗粒较粗。在喷液初期，若喷液流速过慢，物料温度降低会较为缓慢，粉末得不到足够的粘合溶液，无法有效结合成粒，所得颗粒偏细；在喷液后期，若喷液流速过慢，处于平台期的物料温度会有缓慢上升，此时制粒溶液会喷雾干燥，影响相对较小，因为喷液结束后本就需要转入干燥阶段。在生产前，通常要求进行喷液测试，通过建立蠕动泵转速-喷液流速的线性关系来指导过程中的流速调节，如果流化床配备有流量计则可省略测试步骤。为了兼顾生产效率和良好的工艺控制，常规产品一般推荐喷液阶段在30~50min内完成。

▪物料温度

众所周知，物料温度和干燥失重LOD是顶喷制粒工艺控制的关键，其他参数的调整都是为了他们服务。顶喷制粒工艺建立物料温度-LOD-时间关系曲线被认为是必要的，稳健的顶喷制粒工艺应该能重现基本一致的料温度-LOD-时间关系曲线。实际在产品开发初期或初次技术转移时，正是通过摸索不同的参数控制来实现目标物料温度

-LOD-时间关系曲线。良好的物料温度-LOD-时间关系曲线应当是，经预热后物料温

度达到高位平台，此时物料LOD反应了原辅料本身的含水情况，喷液初始阶段，物料温度在5min内迅速下降；随后物料温度降速趋缓，约在15~30min达到平台期（即物料温度基本稳定在低位），此时物料LOD阶段性反应颗粒的吸水量；喷液结束后，物料温度会较快升高实现干燥的目的，最终的物料LOD应当低于初始值，表明干燥

充分。

▪雾化压力

雾化压力可以微调物料温度，因其直接决定了液滴大小并略微影响液滴干燥速率。一般应用0.1-0.3MPa即可。事实上单个关键工艺参数如何控制及理论理解不是难点，实际的应用场景中我们需要掌握如何联用这些参数以实现目标物料温度的控制。

两个关键技术工具，流化床中含水量计算和空气焓湿计算APP（或查询焓湿图）是我们把握顶喷工艺温度控制的秘密武器。案例，已知进风量为2000m^3/h，喷液速度400g/min，制粒溶液固含量为20%，进风绝对湿度为10g/kg，空气密度为1.2kg/m^3（假设主要重量全部是水），可计算知流化床中绝对湿度约为18g/kg（大部分来源于喷液中的水，小部分是空气中引入的水）。使用空气焓湿计算APP，输入含水量18g/kg，海拔高度假定为10m，可知干球温度为23.25℃时，相对湿度为99.5%（最接近100%），即流化床中温度最好控制在23.25℃以上，确保流化床内相对湿度低于100%（相对湿度100%时将有水析出）。实践上，若发现开启喷液后物料温度下降过快，低于测算的下限，首先应该降低喷液速度，再考虑增加进风温度或进风风量，因为多数流化床的温度上升是相对缓慢的，为了避免塌床风险，降低喷液流速是最稳妥的选择。