噴霧干燥是最古老的干燥形式之一,也是在一個單元操作中將液體、漿料或低粘度糊狀物轉(zhuǎn)化為干燥固體(自由流動的粉末)的技術(shù)之一。噴霧干燥的原理,包括通過將進(jìn)料噴射到干燥的氣體介質(zhì)中,將進(jìn)料從流體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為干燥的顆粒形式,已經(jīng)闡述了很長時間。1872年題為“通過霧化改進(jìn)液體物質(zhì)的干燥和濃縮”的專利中詳細(xì)描述了第一個噴霧干燥形式的產(chǎn)品。當(dāng)時的噴霧干燥器是原始設(shè)備,在工藝效率、連續(xù)工藝性能和工藝安全方面存在問題,所有這些都阻礙了噴霧干燥工藝的成功利用。然而,這一工藝在20世紀(jì)20年代首次在牛奶和洗滌劑行業(yè)得到了重要應(yīng)用。當(dāng)時,噴霧干燥器設(shè)備經(jīng)歷了一定程度的發(fā)展,使其能夠用于奶粉生產(chǎn)。這是噴霧干燥方法的第一次工業(yè)應(yīng)用,即使在今天,它仍然是最重要的方法之一。噴霧干燥技術(shù)的真正繁榮是由第二次世界大戰(zhàn)推動的,在這場戰(zhàn)爭中,出現(xiàn)了運(yùn)輸大量食物的必要性,促使人們尋找減少食物重量和體積的新方法,以及尋找更好的保護(hù)技術(shù)。噴霧干燥被證明是滿足這些要求的理想技術(shù)。在戰(zhàn)后時期,噴霧干燥法的應(yīng)用也被導(dǎo)向了制藥行業(yè)。在接下來的幾年里,重點(diǎn)從噴霧干燥機(jī)的建設(shè)轉(zhuǎn)移到了產(chǎn)品特性上。近150年來對噴霧干燥方法原理的研究使該方法成為一種強(qiáng)大的技術(shù)工具,也是最常用的干燥方法之一。
在當(dāng)今代,噴霧干燥被廣泛應(yīng)用于我們?nèi)粘I畹脑S多方面,從食品、化妝品、藥品到化學(xué)品、織物和電子產(chǎn)品。典型的藥物實(shí)包括噴霧干燥的酶(如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和胰蛋白酶)、抗生素(如硫噻唑、鏈霉素、青霉素和四環(huán)素)和許多其他活性藥物成分、維生素(如抗壞血酸和維生素B12)以及用于直接壓縮的輔料(如乳糖、甘露醇和微晶纖維素)。這種方法仍然為感興趣的科學(xué)家提供了廣闊的研究和開發(fā)領(lǐng)域。最近的書籍和評論文章報道了噴霧干燥技術(shù)及其應(yīng)用的進(jìn)展。
6.1.1優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
噴霧干燥技術(shù)在許多行業(yè)中有許多應(yīng)用,原因有幾個。在最近的一篇綜述中討論了這種方法在生產(chǎn)純藥物顆粒和載藥聚合物顆粒方面的優(yōu)勢和挑戰(zhàn),以及這種技術(shù)和更先進(jìn)的設(shè)備為可再生和可擴(kuò)展的工藝鋪平道路的潛力,這些工藝對創(chuàng)新藥物產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室到臨床的轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。噴霧干燥相對于其他常規(guī)方法的主要優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)如下:
連續(xù)過程:這是一個連續(xù)的過程。只要液體進(jìn)料能夠連續(xù)供應(yīng)到干燥系統(tǒng),噴霧干燥的產(chǎn)品就會連續(xù)生產(chǎn)。在某些情況下,這一過程已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了數(shù)月而沒有中斷。
熱敏原料藥的速度和適用性:實(shí)際的噴霧干燥過程幾乎是即時的,因?yàn)檎舭l(fā)的大部分發(fā)生在毫秒或幾秒鐘的短時間內(nèi),這取決于設(shè)備的設(shè)計和工藝條件。這使得噴霧干燥非常適合于具有低降解風(fēng)險的熱敏產(chǎn)品。
通用性:該工藝用途廣泛,適用于各種行業(yè)及其原料和產(chǎn)品規(guī)格。事實(shí)上,任何可以泵送的原料——溶液、懸浮液、漿料、熔體、糊狀物和凝膠——都可以同樣進(jìn)行噴霧干燥??梢杂酶鞣N封裝輔料配制納米膠囊。此外,開放和封閉循環(huán)設(shè)計允許水性和有機(jī)溶劑的噴霧干燥。
自動化:噴霧干燥過程可以完全自動化,因?yàn)樵撨^程根據(jù)基本原理運(yùn)行,所有相關(guān)的過程變量都可以連續(xù)、同時進(jìn)行監(jiān)測和記錄。商業(yè)規(guī)模的噴霧干燥器由可編程邏輯控制器(PLC)或固態(tài)控制器控制。這些控制系統(tǒng)監(jiān)測排氣溫度或濕度,并提供輸入信號,該輸入信號通過設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)提供給過程的能量。
顆粒特性:通過選擇設(shè)備和操作工藝變量,可以控制所得產(chǎn)品的物理特性(如顆粒大小和形狀、結(jié)晶度、水分含量和流動特性)及其整體質(zhì)量??梢陨a(chǎn)具有獨(dú)特形態(tài)的噴霧干燥顆粒,主要是球形顆粒,具有均勻的尺寸和中空結(jié)構(gòu),從而降低產(chǎn)品的堆積密度。此外,該工藝允許設(shè)計具有受控藥物釋放特性的顆粒。能夠控制物理性質(zhì)使得噴霧干燥過程對于制藥等行業(yè)來說是可取的,在這些行業(yè)中,藥物的最佳吸收在很大程度上取決于顆粒大小。食品行業(yè)重視水分含量,水分含量決定了產(chǎn)品的保質(zhì)期。
成本效益:噴霧干燥器的初始安裝成本可能很高。然而,由于小型和大型干燥機(jī)的操作要求相同,而且它是一個簡單、一步到位、易于操作、易于擴(kuò)大規(guī)模的過程,因此噴霧干燥方法總體上是一個極具成本效益的過程。這使得噴霧干燥成為一種勞動成本效益高的工藝,尤其是對于大批量產(chǎn)品。實(shí)際的噴霧干燥過程幾乎是瞬間的,因?yàn)檎舭l(fā)的主要部分發(fā)生在幾毫秒或幾秒鐘的短時間內(nèi),這取決于設(shè)備的設(shè)計和工藝條件。這使得噴霧干燥非常適合于降解風(fēng)險較低的熱敏產(chǎn)品。
其他:?腐蝕性和研磨性材料可以很容易地容納,因?yàn)榕c其他造粒過程相比,機(jī)械部件和材料之間的接觸最小。
噴霧干燥器很少有活動部件。事實(shí)上,仔細(xì)選擇各種部件會導(dǎo)致系統(tǒng)沒有與產(chǎn)品直接接觸的運(yùn)動部件。與所有其他造粒工藝一樣,噴霧干燥也有一些局限性:
熱效率:噴霧干燥工藝在較低的入口溫度下熱效率較差,排氣流中含有熱量,這通常需要復(fù)雜的熱交換設(shè)備才能去除。由于需要在短時間內(nèi)為蒸發(fā)提供比熱,因此能耗很高,同時隨著空氣的耗盡會損失相當(dāng)多的熱量。
資本和管理費(fèi)用:由于所需設(shè)備及其連續(xù)運(yùn)行,噴霧干燥器的安裝成本可能非常高。無論霧化器類型和干燥器容量如何,主設(shè)備和輔助設(shè)備都同樣昂貴。此外,使用兩個流體噴嘴的噴霧干燥器需要壓縮氣體進(jìn)行霧化。在不考慮勞動力和維護(hù)成本的情況下,高能量和壓力需求已經(jīng)大大增加了管理成本。
維護(hù)問題:噴霧干燥器的維護(hù)主要涉及所用噴嘴的問題。一種流體噴嘴和兩種流體噴嘴在噴嘴口處特別容易堵塞和磨損。轉(zhuǎn)盤式霧化器由于與粉末直接接觸的運(yùn)動部件數(shù)量多,會受到內(nèi)部腐蝕。最后,粉末粘附在內(nèi)腔壁上的問題進(jìn)一步增加了清潔成本和利潤損失。
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