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当以喷雾悬浮液或溶液的形式将包覆层引入立式混合机的混合物料层中时,如何实现粉末颗粒包覆层厚度的均匀?

在立式混合机的混合物料床中喷入雾化悬浮液或溶液时,均匀的涂层厚度源于产品翻转、喷雾技术、液滴尺寸、液体特性及固化过程之间的协调配合。决定性因素并非仅仅是所加入涂层材料的总量,而是每个颗粒都能足够频繁地经过喷雾区,从而逐步获得涂层,同时不会出现局部过湿,也不会使刚形成的涂层再次因摩擦而磨损。

产品循环与喷雾速率

在包衣过程中,喷雾速率必须与混合物料的实际翻转速率相匹配。悬浮液或溶液加入混合物料床的速度,不得超过混合运动将已湿润颗粒带出喷雾区,并与整批物料中湿润程度较低的颗粒相混合的速度。如果喷雾速率过高,多个液滴会在短时间内接连落在同一批颗粒或同一局部产品区域上,其后果是出现局部湿团、液桥、壁面黏附及团聚体,同时其他颗粒则可能暂时未获得涂层。

只有当液体以许多小份的方式落在运动中的颗粒上时,才能形成均匀的涂层。已湿润的颗粒随后必须迅速被带出喷雾区,反复与整体上更干燥或涂层程度较低的颗粒相混合,经过一段时间后才重新回到喷雾区。因此,混合动力学必须快于局部过湿的发生速度。

真正的目标在于:每个颗粒在整个加料时间内,都应经历多次受控的、经过活性喷雾区的过程。每经过一次,就会额外施加少量涂层材料,涂层由此在整个颗粒群体上逐步且在统计学意义上均匀地增长。颗粒与既定喷雾区之间的反复接触,被视为实现均匀涂层的重要前提。

喷雾喷嘴应安装在能够持续、以足够高的质量流量被混合物料流经的区域。若喷嘴位于静止的粉体层上方、位于混合较弱的边缘区域,或直接喷射到容器壁上,则更容易导致过湿、产品堆积及涂层厚度不均。因此,加料时间、填充率、转速、工具几何形状、喷嘴位置及产品运动,必须协同加以调整。

液滴与喷雾形态

液滴尺寸必须与颗粒尺寸、颗粒孔隙度、润湿性以及涂层悬浮液或溶液的黏度相匹配。较大的液滴可能同时覆盖多个颗粒并形成液桥,从而提高团聚及涂层厚度分布过宽的可能性。较小的液滴则将同等的液体量分布到更多的落点上,从而降低局部过量施加的风险。

"液滴应相对于待包衣颗粒较小"这一原则合理,但并不充分。对于极细或内聚性强的粉体而言,即便液滴较小,若颗粒表面长时间保持黏性,或溶剂蒸发过慢,同样可能引发团聚。对于多孔、吸湿或具有结构特征的颗粒而言,液体可能部分渗入孔隙结构,而非仅在表面形成涂层。因此,最终形成的涂层厚度不仅取决于液滴尺寸,还取决于液体的渗透深度、铺展行为及固化情况。

重要的调节参数包括液滴尺寸、液滴数量、喷雾角度、喷雾压力、喷雾距离、通量、喷嘴位置,以及液体施加时刻粉体的运动状态。一个喷雾形态良好的喷嘴,如果喷射至产品运动不足的区域,仍可能产生不理想的结果;反之,如果液滴过大,或液体黏度过高、雾化不均匀,单靠强烈的产品翻转也是不够的。

液体特性在很大程度上决定了雾化效果。较高的黏度、表面张力或密度通常会形成较大的液滴。较高的黏度还会减缓液体在颗粒表面的铺展速度,延长颗粒之间液桥存在的时间。有关颗粒包衣中接触铺展的研究表明,黏度及颗粒间的液体转移会影响涂层均匀度的形成过程。

对于高黏度的悬浮液或溶液,可能需要配备温控的储液罐、管路、泵及喷嘴。温度设定应确保液体能够稳定输送并可细微雾化,同时不会对活性成分、黏合剂或溶剂造成热损伤。对于基于悬浮液的包衣,还须确保固含量及分散状态在整个加料过程中保持稳定,否则储液罐内的沉降、相分离或加料期间的黏度变化,都会直接导致涂层厚度出现波动。

溶液、悬浮液与固化

对于溶液而言,施加后的涂层最初由溶解的涂层材料和溶剂组成。溶剂在铺展之后须受控地蒸发,以使涂层材料以连续涂层的形式保留下来。对于悬浮液而言,还额外包含悬浮的固体成分:液相在颗粒上铺展,同时溶剂蒸发或渗入颗粒床,固体成分则形成涂层或薄膜。因此,悬浮液的稳定性至关重要——沉降、絮凝或浓度波动,都会导致固体负荷在局部出现差异,从而造成涂层厚度不均。

温度控制及固化过程决定了液滴最终形成的是一层明确的涂层还是团聚体。如果溶液干燥过早,液体便无法在颗粒表面充分铺展,涂层随之变得粗糙、斑驳、不连续或不均匀;反之,如果液滴保持液态或黏性状态过久,颗粒则可能通过液桥相互黏结。较高的喷雾速率、较大的液滴以及不足的蒸发或干燥能力,尤其容易促成团聚。

因此,最佳的产品温度并非单一的固定设定值,而是一个工艺窗口,其取决于溶剂、黏度、悬浮液固含量、蒸发特性、颗粒温度、容器温度、填充率、气体或空气导流方式,以及混合强度。对于温度敏感的颗粒,还必须额外限定平均产品温度及局部表面温度所允许达到的上限。

在施加悬浮液时,还须防止喷嘴因固体沉积或喷嘴头部干涸而改变其喷雾形态。稳定的液体输送、合适的过滤、储液罐内受控的搅拌,以及必要时的喷嘴冲洗周期,都是在整个批次时长内保持恒定施加效果的重要前提。

正确选择混合强度

较高的工具转速可以加快液体的分布速度,但这并不自动意味着更有利。更强的混合强度会增加颗粒接触的频率及能量,这可能使刚获得涂层的颗粒发生更剧烈的碰撞,产生磨损,损坏正在形成的涂层,生成细粉,或因摩擦而使产品升温。晶体、颗粒料、喷雾团聚体、生物活性产品,以及涂层柔软或尚未完全固化的颗粒,对此尤为敏感。

混合强度过低同样存在问题:此时产品经过喷雾区的频率过低,液体无法足够快地分布,局部过湿现象随之增多,从而形成湿团、团聚体及涂层厚度的大幅波动。因此,最佳设定介于这两个极端之间——产品翻转必须足够快,以便将液体施加均匀分布于整批物料,同时又必须足够温和,以免再次磨损正在生长的涂层。

混合强度不应仅依据转速来评估,决定性因素还包括工具几何形状、填充率、圆周速度、实际产品循环情况、混合时间、喷嘴位置、喷雾速率、液体量,以及颗粒的机械敏感性。如需使用高剪切或解聚工具,应仅在需要分散高黏度液体或消解不需要的团聚体时,有针对性地、限时使用。持续过高的能量输入可能损坏涂层,并提高细粉比例。

涂层厚度的评估

一批物料中涂层材料的总量均匀,并不能证明每个颗粒上的涂层厚度也同样均匀,因此质量评估应涵盖多个层面。首先须检验平均施加的涂层量是否符合目标量,随后再对具有代表性的单独样品中涂层量的离散程度进行评估,例如通过合适标记成分的变异系数或相对标准偏差(RSD)来衡量。

要对涂层厚度进行直接评估,成像及颗粒相关的检测方法较为适用。根据产品特性不同,可采用光学显微镜、扫描电子显微镜、颗粒图像分析、横截面切片、重量法测定、化学萃取、色度测量、水分测定、溶出或释放试验以及筛分分析。筛分分析尤其有助于显示出不需要的团聚体,以及因机械应力而产生的细粉。

取样必须能够反映整个工艺过程。从混合腔体多个区域取样是合理的做法,但仅此并不充分,还应补充对排空开始、中段及结束阶段按时间分层采集的卸料样品进行检测。这样便能判断涂层在混合腔体内是否均匀,以及在卸料、输送或灌装过程中是否出现磨损、离析或其他变化。

实践操作方法

工艺开发始于对核心物料的表征,须统计颗粒粒度分布、颗粒形状、堆积密度、比表面积、孔隙度、湿度、流动性、内聚性、表面能、润湿性、温度稳定性,以及必要时的磨蚀性。对于涂层悬浮液或溶液,重要的指标则包括黏度、表面张力、密度、固含量、悬浮固体的颗粒尺寸、沉降稳定性、溶剂比例、蒸发特性、干燥机理,以及与核心物料的化学相容性。

随后须制定试验计划,首先应研究干态下的产品翻转情况:怎样的混合转速、填充率及工具几何形状能够产生稳定且温和的产品运动?只有在此之后,才对喷雾速率、液滴尺寸、喷雾压力、喷雾角度、喷嘴位置、液体温度、产品温度、固含量、混合转速、填充率及后混合时间进行系统性的变化研究。

并非每个影响因素都需要单独检验。一套结构化的实验设计(DoE)方法可以揭示各因素之间的相互作用,并减少所需试验的数量。例如,在产品温度较高的情况下,较高的喷雾速率可能是可行的,而相同的喷雾速率在较低温度下则可能导致团聚;同样,悬浮液较高的固含量可以减轻干燥负担,但可能使雾化效果变差,进而影响喷雾形态。

首先要确定一个工艺窗口,在该窗口内不出现可见的团聚体、不产生过度的壁面黏附、不发生不允许的温升,也不出现可察觉的涂层损伤。随后,须对平均涂层量、涂层量离散度、涂层厚度、颗粒粒度分布、磨损、湿度、卸料稳定性及可重复性进行评估。最终的设定参数并非仅依据外观最佳的样品来选定,而应依据其对原料波动的容忍度、可清洁性、产品保护、卸料稳定性,以及在生产规模下的可靠可重复性来确定。

立式混合机包衣工艺中的均匀涂层厚度

当涂层悬浮液或溶液以精细、可控的方式加入持续翻转的颗粒堆积层中,且不产生局部过湿或不必要的机械负荷时,即可形成均匀的涂层厚度。尤为重要的是温和的三维产品运动、与翻转速率相匹配的喷雾速率、受控的温度及必要时的真空控制,以及分阶段的涂层工艺曲线。

温和的产品运动

在对粉体颗粒进行包衣时,混合强度不能仅以尽可能快速地实现分布为导向。较高的机械应力可能磨损刚形成的涂层、破碎团聚体、损伤晶体、产生细粉,并改变粒度分布。对于敏感的涂层、晶体、喷雾团聚体、颗粒料或多孔颗粒而言,这一点尤为关键。

amixon® VM及HM系列立式混合机采用受控的三维产品翻转方式。混合物料在靠近壁面的区域向上输送,在中心区域在重力作用下重新下降,随后再次进入外部混合区域。工具圆周速度视结构形式及混合任务而定,通常约为0.8至3.5米/秒。产品运动过程中不存在明显的抛甩区、撞击区或挤压区。在合理设计的前提下,涂层、团聚体、晶体及喷雾干燥颗粒均可以较低的机械负荷得到处理。

较低的机械应力并不意味着产品只能以缓慢的速度进行混合。关键在于颗粒能够反复经过活性喷雾区,涂层液体由此逐步分布到众多颗粒上,涂层以多个小的施加阶段逐步生长,而不是使个别颗粒因大液滴或局部高液量而负荷过重。

喷雾速率与颗粒循环

喷雾速率必须与混合物料的实际翻转速率相匹配。悬浮液或溶液的加料速度,不得超过产品运动将刚湿润的颗粒带出喷雾区并分布至整批物料的速度。喷雾速率过高会导致局部湿团、液桥、壁面堆积及团聚,同时其他颗粒可能仍未获得涂层。

当每个颗粒在整个加料时间内都能多次受控地经过喷雾区时,便会形成均匀的涂层。每经过一次,只有少量液体落在颗粒表面,随后颗粒重新回到整批物料中,液体得以铺展、释放溶剂或使涂层固化,之后再次回到喷雾区。

因此,喷嘴必须安装在持续有产品流经的区域,不得喷射到静止的堆积层、容器壁面,或混合不良的边缘区域。加料时间、填充率、转速、工具几何形状、喷嘴位置、喷雾压力及喷雾角度,必须协同加以调整。目标是实现许多小液量的反复、细致分布式施加,而非一次性的、局部集中的液体施加。

悬浮液、液滴与固化

液滴尺寸必须与颗粒尺寸、孔隙度、表面能、润湿性以及悬浮液或溶液的黏度相匹配。较大的液滴可能同时湿润多个颗粒并形成液桥,从而促进团聚,并导致涂层厚度分布过宽。较细的液滴则将涂层材料分布到更多的落点上,降低局部过量施加的风险。

对于喷雾悬浮液而言,起决定作用的不仅是液相本身,固含量、悬浮成分的颗粒尺寸、沉降稳定性、絮凝倾向及黏度稳定性同样会影响涂层质量。如果悬浮液在储液罐内发生分层,或固体在喷嘴前沉降,喷雾流中的固体负荷便会出现波动,这将直接导致批次间差异及涂层厚度不均。充分搅拌的储液罐、合适的泵送技术、过滤以及既定的冲洗周期,均有助于保持稳定的喷雾过程。

施加之后,涂层必须受控地固化。对于溶液而言,溶剂须蒸发,以使溶解的涂层材料保留在颗粒表面;对于悬浮液而言,液体与悬浮固体须以适当的方式作用,使其在铺展及干燥后形成稳定的涂层。如果液体干燥过快,便无法在颗粒表面充分铺展;如果保持湿润或黏性状态过久,颗粒则可能相互黏结,形成不需要的团聚体。

温控与真空

amixon®设备可同步进行温控,并可在真空条件下运行,这大大拓展了包衣工艺的可能性。借助温控混合腔体以及必要时可温控的混合工具,可对产品温度进行有针对性的控制,从而影响涂层液体的黏度、在颗粒上的铺展情况、溶剂的蒸发,以及涂层的固化过程。

施加真空可支持在较低产品温度下蒸发水分或有机溶剂,从而加快所施加涂层的固化或干燥速度,这对温度敏感的颗粒、活性成分、香料、生物类产品或敏感的晶体结构尤为有利。实际的蒸发能力,取决于真空水平、溶剂种类、产品温度、传热面积、填充率、冷凝能力及产品运动。

温控与真空还使得分阶段包衣工艺成为可能。例如,可首先施加少量悬浮液,随后在受控温度或真空条件下进行明确的混合、铺展及干燥阶段;只有当已施加的局部涂层充分固化后,才计量下一份涂层材料。通过喷雾、分布、干燥或固化这一反复循环的顺序,可以形成比一次性整体加入更厚、同时也更均匀的涂层。

这种分阶段工艺降低了颗粒长时间保持过湿并相互黏结的风险,同时也使涂层的构建过程能够逐步受控。最佳的阶段数量、每阶段的液量、喷雾时长、中间混合时间、温度、真空水平及固化时长,均须使用原始产品加以开发确定。

有针对性地运用混合强度

混合强度并非设备固有的、一成不变的特性,而是一个可调节的工艺参数。同一台立式混合机既可以温和方式运行以实现涂层施加,也可以按需在局部提供较高的分散性能。当液体加入产生不需要的团聚体,或需要均匀分布高黏度悬浮液时,可投入使用可切换的切刀转子或高剪切元件。

这类强化处理工具应仅在局部、限时地发挥作用,其目的是消解关键性团聚体,或协助分布难以处理的液相,同时不会使整批物料长期承受高强度的机械应力。持续过高的能量输入可能损坏预期的涂层薄膜,产生磨损,导致颗粒破碎,并使产品出现不必要的升温。

混合程序可将加料曲线、转速、喷雾时长、温度、真空、中间混合时间、后混合时间及切刀转子的使用,作为明确的PLC配方存储。由此,每一批次均可采用相同的设定值运行,并可实现可追溯的记录。在受监管应用中,这有助于批次追溯、原因分析及可重复的工艺控制。

涂层质量的验证

仅凭施加涂层材料的平均量不足以作为唯一的证明。一批物料的平均涂层量可能符合要求,但涂层厚度仍可能存在较大的离散度。因此,应对涂层量、涂层厚度分布、团聚比例、细粉比例、磨损、残余水分、产品温度及卸料稳定性进行综合评估。

合适的检测方法取决于具体产品,可采用重量法测定、化学萃取、标记物分析、色度测量、光学显微镜、扫描电子显微镜、颗粒图像分析、横截面切片、筛分分析、水分测定,以及溶出或释放试验。取样应涵盖混合腔体的多个区域,以及排空开始、中段及结束阶段按时间分层采集的卸料样品,从而能够判断涂层在混合腔体内是否分布均匀,以及在卸料、输送或灌装过程中是否受到损坏或发生离析。

在技术中心进行验证

某一具体的悬浮液、溶液及颗粒配方能否实现预期的涂层质量,须通过试验加以确认。在amixon®位于帕德博恩总部的技术中心,配备有30余台不同规格的测试装置;此外,日本、印度、泰国、中国、韩国及美国也设有配套的技术中心。

试验采用原始产品,在贴近实际的填充率、批量大小、喷雾速率、液体温度、产品温度、压力及真空条件下进行,评估内容包括涂层量、涂层均匀度、团聚体形成、产品保护、颗粒破碎、温度变化、干燥或固化速度、残余水分、卸料稳定性、可清洁性及可重复性。

所记录的试验结果,为生产用混合机的技术设计以及后续的PLC配方制定提供依据,可显示出单阶段喷雾加料是否已经足够,还是需要采用包含反复喷雾、温控、真空干燥及后混合的分阶段工艺。