制藥行業(yè)烘箱的研究及改進方案

楊小榮

（常州奧凱干燥設(shè)備有限公司，江蘇常州 213131）

在藥品生產(chǎn)過程中，烘箱作為干燥設(shè)備有著廣泛的應用。由于其結(jié)構(gòu)特點，在使用中存在可能的質(zhì)量風險；制藥企業(yè)在生產(chǎn)中盡可能地從強化管理、嚴格操作、現(xiàn)場控制等方面著手，以降低風險。

1 烘箱在制藥行業(yè)的應用

近幾十年，沸騰干燥器、真空干燥器、一步制粒干燥器、微波干燥器等干燥設(shè)備相繼出現(xiàn)，其干燥的優(yōu)越性毋容置疑；但烘箱以其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格較低等特性仍在繼續(xù)使用，分析其主要原因大致有以下幾條：

● 中藥行業(yè)有些中藥材、草藥等塊狀、條狀等形態(tài)物料無法采用其它形式的干燥設(shè)備，烘箱干燥是最簡單、實用、可行的操作方法。

● 固體制劑制粒的有些物料質(zhì)地較重，在沸騰干燥床中難以“流態(tài)化 ”，沸騰效果不佳；因此，此類品種不適合采用沸騰干燥工藝，而在烘箱中的干燥卻能較好地實現(xiàn)。

● 對某些顆粒劑產(chǎn)品，需要粒度分布較小，顆粒形態(tài)略大、較扎實，如用沸騰干燥則細粉較多，采用過篩方法進行篩選，得率較少，既浪費人工又浪費時間，而采用烘箱卻可以滿足這一要求。

● 烘箱的工藝操作簡單、技術(shù)要求不高，對目前使用的烘箱來說，只要做到認真觀察，勤翻動物料，了解烘箱溫度的分布，適當進行上下、左右烘盤的替換，使之達到物料水分烘干的均勻效果是完全可能的。

2 目前藥品生產(chǎn)中使用的烘箱存在的問題

目前，國內(nèi)藥品生產(chǎn)使用的烘箱大部分為熱風循環(huán)烘箱。熱風循環(huán)烘箱的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1 所示。

圖1 中風機吹出的風經(jīng)上風道（12）、調(diào)節(jié)板（3）換熱器（4）受熱后，熱風通過左導流板孔（5）進入箱體內(nèi)并對烘盤（15）內(nèi)的物料進行加熱。物料揮發(fā)的水分被熱風帶出，經(jīng)右導流板（14）進入右循環(huán)風道（13）并再次吸入風機，進入循環(huán)狀態(tài)。

當循環(huán)熱風的含濕達到一定量時，程序指令調(diào)節(jié)板旋轉(zhuǎn)90°，打開排濕口（1），含濕空氣被排出。新風從新風口（2）進入左風道予以補充。間斷一定時間后，調(diào)節(jié)板復位，熱風繼續(xù)循環(huán)并繼續(xù)對物料進行熱交換。

2.1 熱風循環(huán)式烘箱存在的問題

由于其結(jié)構(gòu)特點，熱風循環(huán)烘箱存在不少的問題，主要有：

● 烘箱內(nèi)部循環(huán)熱風的過濾、凈化問題；

● 箱體內(nèi)部位的溫差較大，造成物料干燥不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量；

● 烘箱內(nèi)部無法完好清洗問題；● 熱風循環(huán)烘箱的干燥效率較低、能耗較大；● 勞動強度較大。

2.2 熱風循環(huán)烘箱的空氣凈化問題

圖1 熱風循環(huán)烘箱結(jié)構(gòu)簡圖

熱風循環(huán)烘箱的干燥物料除了塊狀、條狀的中草藥材外，絕大部分是顆粒和粉狀物，在熱風循環(huán)過程中難免會有少量的微?；蚍垠w被熱風攜帶進入循環(huán)風道內(nèi)，而這些風道內(nèi)所裝的過濾裝置經(jīng)一段時間的使用后，過濾器也會失效，而由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的原因，過濾器更換比較困難，風道內(nèi)壁也難以進行清洗；在換批或換品種時極易造成交叉污染。因此總體上說，目前的熱風循環(huán)烘箱不能完全符合GMP 的要求。

2.3 熱風循環(huán)烘箱內(nèi)部的溫差問題

根據(jù)圖1 所示，由于換熱器靠近左側(cè)物料，且加熱后的熱風進入箱體，如果溫度傳感器放置的位置不恰當，則傳感器無法準確表示熱風溫度。另外，如果導流板角度調(diào)節(jié)不好，由于熱空氣的快速上升，致使熱風從箱體左側(cè)進入向右側(cè)上方流動，這樣，就造成箱內(nèi)左上方區(qū)域溫度較高，而右下方區(qū)域溫度偏低。盡管熱風在不斷地循環(huán)，但一般說來，箱體內(nèi)的溫差會有8～12℃之大。藥廠在實際操作時，根據(jù)經(jīng)驗，會在干燥一定時間后將左右烘車、上下烘盤進行交換，使不同位置的物料獲取近似相同的熱量交換。

下面顯示的是空載箱體和滿載物料的二種狀態(tài)下，熱空氣流動的示意圖（見圖2、圖3）。

圖2 空載時箱體內(nèi)熱風流動示意圖

2.4 熱風循環(huán)烘箱內(nèi)部的清洗問題

由于熱風循環(huán)烘箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，箱體左右兩側(cè)風道及頂部風道的清洗很難達到理想效果及驗證要求，翅片式換熱器表面吸附的細粉在清洗過程中也同樣無法達到理想效果及驗證要求，最終造成風道與翅片換熱器表面吸附的未完全清洗的物料變質(zhì)后再脫落而形成污染源的隱患。

圖3 滿載時箱體內(nèi)熱風流動示意圖

2.5 熱風循環(huán)烘箱的干燥效率較低、能耗大

熱風循環(huán)烘箱內(nèi)的熱空氣在箱體內(nèi)反復循環(huán)，每次循環(huán)時帶走一定量的水分。由于烘箱中的物料存放于烘盤中，物料存放有一定的高度，一般在1～4 cm之間；循環(huán)熱風帶走的是物料表面蒸發(fā)的水分。對每一盤物料來說，其干燥的先后順序是先表面，后中間，最后才是底部（見圖4）?？赡艹霈F(xiàn)的情況就是，表面已經(jīng)干燥但中間和底部的物料還未干。對采用淀粉漿作為粘合劑的顆粒來說，要完全干燥一箱物料，需要5～9 h 的時間。而采用HPMC 乙醇溶液作為粘合劑的顆粒至少也要2～4 h。由此可知，熱風循環(huán)烘箱干燥的效率是較低的[1]。

2.6 熱風循環(huán)烘箱的操作較落后、勞動強度較大

熱風循環(huán)烘箱的操作幾乎完全由手工完成。操作人員除了將物料送進、取出之外，還要對干燥物料進行翻動。生產(chǎn)結(jié)束后，還要對箱體內(nèi)部以及烘車、烘盤、烘布、工器具等進行嚴格的清洗。整個操作周期較長，費時費力。

圖4 物料干燥揮發(fā)示意圖

3 改進熱風循環(huán)烘箱結(jié)構(gòu)使之符合GMP 要求

既然熱風循環(huán)烘箱是目前藥品生產(chǎn)中廣泛使用的設(shè)備，通過對設(shè)備的整體改進，從結(jié)構(gòu)的合理性、循環(huán)空氣的凈化處理、提高干燥效率、降低能耗、減輕勞動強度等方面著手，使烘箱能夠更加符合GMP 要求。

3.1 分體式潔凈烘箱[2]

分體式潔凈烘箱是將箱體內(nèi)的加熱器、過濾器移至箱體外，將該部分設(shè)備獨立設(shè)置。箱體與輔機之間通過風管連接，在箱體的進風口和出風口各安裝一個風閥加以隔離，使箱體和輔機成為兩個獨立體。箱體一個是物料區(qū)，潔凈的熱空氣和含濕物料進行熱交換；輔機是加熱、過濾、循環(huán)排濕系統(tǒng)，對含濕、含粉末的空氣進行過濾和再次加熱，部分濕空氣排出箱體。

分體式的設(shè)計，解決了箱體內(nèi)部的清洗問題；同時外置式加熱過濾系統(tǒng)通過對熱風溫度進行自動調(diào)節(jié)，有效解決了箱體內(nèi)部溫差大的問題（見表1 及圖5）；當然，熱空氣在箱體內(nèi)循環(huán)過濾的問題也可得到有效解決。

輔機可安裝在烘箱的上部；一般是安裝在頂層板的上方，即：技術(shù)夾層內(nèi)（具體位置可根據(jù)藥廠具體情況，以方便維修、更換部件為標準）；也可安裝在箱體旁邊的操作間內(nèi)。（也可將輔機安裝在箱體旁的非潔凈區(qū)房間，但此種情況對輔機的要求更高，輔機的結(jié)構(gòu)形式、風管的密封性等都有嚴格的要求；輔機、風道等需要進行驗證）

表1 分體式潔凈烘箱的驗證報告（均勻性驗證）

圖5 16 點測溫布線圖

兩種安裝方法可參見圖6、圖7[3]。

● 立面布置的分體式潔凈烘箱；

圖6 立面布置的分體式潔凈烘箱示意圖

圖7 平面布置的分體式潔凈烘箱示意圖

● 平面布置的分體式潔凈烘箱。

3.2 對流分體式潔凈烘箱[2]

分體式潔凈烘箱解決了熱風循環(huán)烘箱存在的一些問題，但此種形式的烘箱由于熱風與物料的接觸形式仍未改變，還是存在干燥效率低的問題。主要原因是該類烘箱的熱風是在物料表面；由于烘盤內(nèi)堆放物料會有一定的厚度，而熱風在烘盤之間的空間進行流動，熱風和物料的熱量傳遞僅僅是在物料的表面進行。要提高干燥速度，需要操作人員對物料的多次翻動才能實現(xiàn)。這樣既增加了操作人員的勞動強度，同時在翻動物料時也容易造成粉塵飛揚，污染操作環(huán)境。

提高干燥效率可采用的另一種方法，是強迫熱風的流動不是順著物料表面，而是正對著物料，由上向下穿透物料層面，使熱風在穿透物料過程中和所接觸的物料進行熱交換；這樣將會大大加快干燥速度，提高干燥效率[4]。

對流分體式潔凈烘箱就是這種既能達到潔凈要求、降低箱體內(nèi)溫差（見表2 及圖8），又能提高熱效率的具有多方面優(yōu)點的干燥設(shè)備。對流分體式潔凈烘箱主箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖8。

表2 對流分體式潔凈烘箱的驗證報告（均勻性驗證）

圖8 對流分體式潔凈烘箱主機結(jié)構(gòu)示意圖

對流分體式潔凈烘箱的特點是：由于箱體中烘車的上下前后均用板材和門板及硅橡膠加以密封，且在每層烘盤上下加裝斜板（導流板），使每層的熱風按斜板所設(shè)定的通道流通；熱風從烘盤上方直接穿過盤中的物料往盤的下方斜向流出。這種強迫氣流穿過的方式，有效地增加了熱交換的面積，干燥效率大大提高，能耗也可大大降低。據(jù)某藥廠提供的數(shù)據(jù)，干燥溫度75℃，水分從25%降至2%以下，某物料采用熱風循環(huán)烘箱干燥需要8～9 h，而采用對流分體式潔凈烘箱只需要2～3 h；可極大的提高干燥效率。熱風循環(huán)烘箱和對流分體式潔凈烘箱的干燥時間對比參見表3。

表3 熱風循環(huán)烘箱與對流分體式潔凈烘箱干燥時間對比表

圖9 16 點測溫布線圖

4 結(jié)論與展望

綜上所述，分體式潔凈烘箱和對流分體式潔凈烘箱能夠有效解決熱風循環(huán)烘箱存在的無法徹底清洗、空氣過濾的有效性、箱體內(nèi)溫差較大、干燥時間長，干燥效率低、能耗高等問題；當然這些改進還處于初期階段，隨著對烘箱結(jié)構(gòu)和原理的進一步研究，對其改進肯定還存有較大的提升空間。無論對于烘箱的結(jié)構(gòu)、熱風循環(huán)的的流通方式、空氣的過濾和加熱方式等的進一步優(yōu)化，還是自動化控制系統(tǒng)更多的應用，更多采用現(xiàn)代高科技手段以尋找出更優(yōu)化的解決方案將是今后烘箱技術(shù)不斷提高的主旋律，使烘箱這一傳統(tǒng)的干燥設(shè)備和干燥技術(shù)得到更大的提升，為我國的制藥工業(yè)發(fā)揮更積極的作用。

[1] 王志祥，楊崧，等.制藥工程原理與設(shè)備[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，2007.8.

[2] 藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010 年修訂版）,[S].

[3] 醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范（GB50457-2008）,[S]

[4] 潘永康主編.現(xiàn)代干燥技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998.2