第七章 中药提取液的浓缩与干燥

第七章 中药提取液的浓缩与干燥 1．掌握影响药液浓缩的因素，常用的浓缩方法、原理及其选用；影响药物 干燥的因素，常用的干燥方法、原理及其选用。 2．熟悉中药常用浓缩、干燥设备的性能及使用保养。 浓缩通常是在沸腾状态下，经传热过程，利用气化作用，将挥发性大小不同的物质进行 分离，从液体中除去溶剂得到浓缩液的工艺操作。是中药制剂原料成型前处理的重要单元操 作。中药提取液经浓缩制成一定规格的半成品，或进一步制成成品，或浓缩成过饱和溶液使 析出结晶。 在实际生产中，除以水为溶剂提取中药成分外，还经常使用乙醇或其他有机溶剂，故浓 缩时必须回收溶剂蒸气，以免污染环境和浪费溶剂，甚至造成危险。因此，浓缩设备与蒸馏 设备常常是通用的。 二者目的不同，浓缩只能把不挥发或难挥发性物质与在该温度下具有挥发性的溶剂(如 乙醇或水)分离至某种程度，得到具有一定密度的浓缩液，并不以收集挥散的蒸气为目的； 而蒸馏是把挥发性不同的物质尽可能彻底分离，并以蒸气再凝结成液体为目的，即必须收集 挥散的蒸气。 蒸发是浓缩药液的重要手段，此外，还可以采用反渗透法、超滤法、膜蒸馏法等，使药 液浓缩。 一、影响浓缩效率的因素 生产中蒸发浓缩是在沸腾状态下进行的，故不能用自然状态下蒸发公式来解释影响 浓缩效率的因素。 发的效率常以蒸发器的生产强度来示。即单位时间、单位传热面积上所蒸发的 溶剂或水量。可用下式表示： U=W/A=K??tm/ r’ (7-1) 2 式中：U为蒸发器的生产强度[kg/(m?h)]；W为蒸发量(kg/h)；A为蒸发器的传热 22面积(m)；K为蒸发器传热总系数[KJ/(m?h??)]；?tm为加热蒸气的饱和温度与溶液沸点之差(?)；r’为二次蒸气的气化潜能(kJ/kg)。 由上式可以看出，生产强度与传热温度差及传热系数成正比，与二次蒸气的气化潜 能成反比。 依照分子运动学说，气化是由于获得了足够的热能，使分子振动能力超过了分子间 内聚力而产生的。因此，在蒸发过程中必须不断地向料液供给热能。良好的传导传热也 必须有一定的?tm。 提高加热蒸气的压力可以提高?tm，但是，不适当地提高?tm可能导致热敏性成分破坏，也不经济。借助减压方法适当降低冷凝器中二次蒸气的压力，可降低料液的沸点 和提高?tm，且可及时移去蒸发器中的二次蒸气，有利于蒸发过程顺利进行。 但是，?tm的提高也应有一定的限度。因为要维持冷凝器中二次蒸气过低的压力， 则真空度过高，既不经济，也易因料液沸点降低而引起黏度增加，使传热系数(K)降低。 操作过程中，随着蒸发时间的延长，料液浓度增加，其沸点逐渐升高，会使?tm 逐渐变小，蒸发速率变慢。 在蒸发过程中还需要控制适宜的液层深度。因为下部料液所受的压力(液柱静压头)比液面处高，相应地下部料液的沸点就高于液面处料液的沸点，形成由于液柱静压头引 起的沸点升高。沸腾蒸发可以改善液柱静压头的影响。一般不宜过度加深液层的深度。 提高K值是提高蒸发器效率的主要因素 1 K=1/α。+1/αi+ R+R （7-2） WS 2 式中：α。为管间蒸气冷凝传热膜系数[kJ/(m?h??)]；αi为管内料液沸腾传热膜 22系数[KJ/( m?h??)]；R为管壁热阻1／[kJ/( m?h??)]；R为管内垢层热阻1／[kJWS 2／(m?h??)]。 由传热原理可知，增大K的主要途径是减少各部分的热阻。通常管壁热阻(R)很小，W 可略去不计；在一般情况下，蒸气冷凝的热阻在总热阻中占的比例不大，但操作中应注意对 不凝性气体的排除，否则，其热阻也会增大。管内料液侧的垢层热阻(R)，在许多情况下S是影响的重要因素，尤其是处理易结垢或结晶的料液时，往往很快就在传热面上形成垢层， 致使传热速率降低。为了减少垢层热阻(R)，除了要加强搅拌和定期除垢外，还可以从设S 备结构上改进。 不易结垢或结晶的料液蒸发时，影响K的主要因素是管内料液沸腾传热膜系数(αi)。实验证明，对 自然循环蒸发器，在垂直管内沿管长方向各部分的传热情况也不相同， 一般可分3个区域：即饱和蒸气区、沸腾区、预热区。如图7—1所示 为自然循环蒸发器管内沸腾示意图。在沸腾区中膜状流动段，其传热膜 系数(αi)最大，而预热区和饱和蒸气区最小。所以，要提高αi，应使 沸腾区，尤其是其中的膜状流动段尽可能地扩大，而相对弛缩短预热区 和饱和蒸气区，这就要求料液在管内的液面要有一定的高度，能形成良 好的循环，具有适宜的循环速度，此时αi最大。液面过低不能造成循 环，若过高则加热管下部受静压力过大，扩大了预热区而使αi降低。 对于单程型升膜式蒸发器，为了缩短预热区，提高αi和维持操作的稳 定，应将料液预热后进人蒸发器。同样，降膜式、刮板式薄膜蒸发器， 也是利用料液预热至沸点后进入蒸发器，使其作膜状快速流动，而具有很大的αi值，从而提高蒸发效率。 由于中药提取液有的稀，有的黏；有的对热较稳定，有的对热极敏感；有的蒸发浓缩时 易产生泡沫；有的易结晶；有的需浓缩至高密度；有的浓缩时需同时回收挥散的蒸气。所以， 必须根据 中药提取液的性质与蒸发浓缩的要求，选择适宜 的蒸发浓缩方法与设备。 图7一l 自然循环蒸发器管内沸腾示意图 常压蒸发是料液在一个大气压下进行蒸发 段4．转变段5．膜状流动段6．蒸气流动段的方法，又称常压浓缩。若待浓缩料液中的有效成分是耐热的，而溶剂又无燃烧性，无 毒害，无经济价值，可用此法进行浓缩。 常压浓缩，若以水为溶剂的提取液多采用敞口倾倒式夹层蒸发锅；热敏性有效成分破坏 较多，故最好不采用；若是乙醇等有机溶剂的提取液，应采用蒸馏装置。可先采用外循环式 蒸发器作常压浓缩，制成流浸膏后，再作减压浓缩，这样较直接用减压浓缩，乙醇的损耗量 少，且可保证制品质量。 减压蒸发是在密闭的容器内，抽真空降低内部压力，使料液的沸点降低而进行蒸发的方 法，又称减压浓缩。其能防止或减少热敏性物质的分解；增大传热温度差(?tm)，强化蒸发操作；并能不断地排除溶剂蒸气，有利于蒸发顺利进行；同时，沸点降低，可利用低压蒸气 或废气加热。但是，料液沸点降低，其气化潜热随之增大，即减压蒸发比常压蒸发消耗的加 热蒸气的量要多。尽管如此，由于其优点较多，为了回收有机溶剂或其他目的，应用较普遍。 在实际生产中，减压浓缩与减压蒸馏所用设备往往是通用的，如图7—2所示为减压蒸馏装置，又称减压浓缩装置。料液需回收溶剂时多采用此种减压蒸馏装置。 使用时先开启真空泵，抽出蒸发锅内部分空气，将待浓缩液自进料口吸人，打开蒸气阀 门，通人蒸气加热；再开启废气阀，放出夹层内冷凝水，关闭；继续通人蒸气，保持锅内料 液适度沸腾状态，待浓缩液产生的蒸气(如乙醇蒸气等)经气液分离器分离后，进入冷凝器， 冷凝液流人接受器中。蒸馏完毕，先关闭真空泵，打开放气阀，恢复常压后，放出浓缩液。 对于以水为溶剂提取的药液，目前许多药厂使用真空浓缩罐进行浓缩，如图7—3所示。使用时先将罐内各部分洗干净，然后通人蒸气进行罐内消毒，开出料阀及放气阀，使空气逸 出，然后关闭两个阀门。开启水流抽气泵抽真空，真空度达O．08MPa左右时，抽入药液，至浸没加热管后，停止抽液，通入蒸气加热。料液受热后产生的二次蒸气进入气液分离器， 其中夹带的液体又流回罐内，而蒸气经水流抽气泵抽人冷却水池中，这样就形成了减压浓缩。 注意真空度不能太高，否则料液会随二次蒸气进入水流抽气泵，造成损失。浓缩完毕，先关出浓缩液。 闭水流抽气泵，再关闭蒸气阀，打开放气阀，恢复常压后，打开出料阀，放 薄膜蒸发是使料液在蒸发时形成薄膜，增加 气化表面进行蒸发的方法，又称薄膜浓缩。其 特点是蒸发速度快，受热时间短；不受料液静 压和过热影响，成分不易被破坏；可在常压或 减压下连续操作；能将溶剂回收重复利用。 薄膜蒸发的进行方式有两种：一是使液膜快速流过加热面进行蒸发。另一是使药液剧烈 地沸腾使产生大量泡沫，以泡沫的内外表面为蒸发面进行蒸发。前者在短暂的时间内能达到 最大蒸发量，但蒸发速度与热量供应间的平衡较难掌握，料液变稠后易粘附在加热面上，加 大热阻，影响蒸发，故较少使用。后者目前使用较多，一般采用流量计控制液体流速，以维 持液面恒定，否则也易发生前者的弊端。 薄膜浓缩常用的设备有以下几种： 图7—4所示为常用的升膜式蒸发器。其加热室的管束很长，而加热室中的液面维持较低，适用于蒸发量较大、有热敏性、黏度不大于0．05 Pa?s，以 及易产生泡沫的料液。高黏度、有结晶析出或易结垢的料液不宜选用。 操作时，待浓缩液经输液管，通过流量计，先进入预热器，自预热器上部流出，经列管蒸发器底部进 入蒸发器，被蒸气加热后，立即沸腾气化，形成大量泡沫，生成的泡沫及二次蒸气沿加热管高速上升，一 般为20～50m/s，减压下可达100～160 m/s或更高。料液在呈膜状高速上升的过程中，以泡沫的内外表面为蒸发面迅速蒸发。泡沫与二次蒸气的混合物自气沫出口进人气液分离器中，此时气沫分离为二次蒸气与 浓缩液，浓缩液经连接于分离器下口的导管流入接受器中，收集。二次蒸气自导管进入预热器的夹层中供 预热料液之用。多余的废气则进入混合冷凝器冷凝后，自冷凝水出口流出，未经冷凝的废气自冷凝器顶端 排出。中药提取液经此种薄膜蒸发器处理，一般可浓缩至相对密度1．05～1.10左右。 图7—5所示为降膜式蒸发器。它与升膜式蒸发器的区别是料液由蒸发器的顶部加入，被蒸 发的料液在重力作用及蒸气的拉拽作用下，沿管内壁呈膜状下降，在下降过程中被蒸发浓缩， 气液混合物流至底部，进入分离器，浓缩液由分离器底部放出。为保证料液呈膜状沿加热管 内壁下降，在每根加热管顶部必须装设降膜分布器。降膜式蒸发器适用于蒸发浓度较高、黏 度较大、蒸发量较小的料液，对热敏性料液的蒸发，降膜式较升膜式更为有利。不适用于蒸 发易结晶或易结垢的料液。 它是一种利用高速旋转的刮板转子，将料液分布成均匀的薄膜而进行蒸发的一种高效浓 缩设备。其结构主要是在一个直立的夹套圆筒加热器内安装有快速(每分钟300转以上)旋转的叶片(刮板)。 刮板有固定式及滑动式两种。固定式刮板系将刮板固定于旋转轴上，刮板外缘与简体内壁 的间隙一般为0．8～2．5mm；滑动式刮板靠轴旋转时产生的离心力使刮板与加热面内壁接 触，液膜厚度与料液黏度及转速有关，可达0．03mm。 图7—6所示为固定式刮板薄膜蒸发器示意图。料液由蒸发器上部经进料管、分液盘流 入器内。在离心力、重力及旋转刮板刮动下，料液在简体内壁形成旋转下降的薄膜，在布膜 过程中同时被蒸发浓缩。浓缩液由底部侧面出料口，借高速转动叶片的离心力甩出。二次蒸 气经上部分离器排出。 刮板式薄膜蒸发器在真空条件下操作(真空度约90kPa)，且料液在加热区停留时间短，故适于高黏度的热敏性物料蒸发浓缩。有的采用了离心式滑动沟槽转子，除了可强化传热外， 操作过程不易起泡和结垢，故适用于易起泡沫、易结垢料液的浓缩。 将刮板式薄膜蒸发器串联在升膜式或降膜式蒸发器之后，可使较稀的中药提取液浓缩至 100 Pa?s以上。其缺点是结构复杂，动力消耗较大，单位体积的传热面小。 它是一种综合了离心分离和薄膜蒸发二种原理的新型高效蒸发设备。将料液加到锥形盘的传 热面中央，借高速旋转的离心力将其分散成厚度为O．05～1mm的薄膜进行蒸发。其特点是液膜厚度薄，传热系数高，设备体积小，蒸发强度大，浓缩比高，物料受热时间短(约1秒)， 不易起泡和结垢，蒸发室便于拆洗等。适用于高热敏性物料的蒸发浓缩。如中药提取液、维 生素、抗生素、脏器生化制品及食品等。其缺点是结构复杂，价格较高。 图7—7所示为离心薄膜蒸发器原理图，加热 面为六组固定于转鼓并随空心轴旋转的锥形盘。每 组锥形盘是由上下2个不锈钢锥体和1个环组成 的，2个锥体中间走蒸气和冷凝水，外壁走料液， 用泵将滤过后的料液经进料管输送到锥形盘的中 央，由于离心力的作用，料液由锥形盘的中心均匀 地流至外沿，同时被加热蒸发，蒸发后的浓缩液汇 集于蒸发器的外侧，经出料管排出。加热蒸气由底 部进入蒸发器，经边缘的小孔进入锥形盘的空间， 冷凝水在离心力的作用下经边缘的小孔流出。二次 蒸气在蒸发器的中部用水流喷射泵抽真空引出。 它是根据能量守恒定律确认的低温低压(真空) 蒸气含有的热能与高温高压含有的热能相差很小， 而气化热反而高的原理设计的。将前效所产生的二 次蒸气引入后一效作为加热蒸气，组成双效蒸发器。将二效的二次蒸气引入三效供加热用， 组成三效蒸发器。同理，组成多效蒸发器。最后一效引出的二次蒸气进入冷凝器。为了维持 一定的温度差，多效蒸发器一般在真空下操作。由于二次蒸气的反复利用，多效蒸发器是节 能型蒸发器。单效蒸发器每蒸发水1000kg，耗蒸气1053kg，耗冷凝用水38000kg；而三效 蒸发器每蒸发水1000kg，耗蒸气376k，耗冷凝用12200kg。 多效蒸发器的类型，按加料方式可 分为4种，如图7—8所示；按热循环方 式可分为内热循环式与外热循环式2 种。 又称并流式，料液与加热蒸气走向一 致，随着浓缩液稠度逐渐增大，蒸气温 度逐渐降低。适用于随温度的降低黏度 增高不太大，或随浓度增大热敏性增加， 温度高溶解度反而变小的料液。 料液与加热蒸气走向相反，随着加 热蒸气温度逐渐升高，浓缩液稠度逐渐 增大。适用于顺流式相反的情况。 也有的称并流式，料液与加热蒸气走 向一致，料液分别通过各效蒸发器。适 用于从各效易于析出结晶的料液。 兼具顺流与逆流的特点。料液走向是先进入二效，流向三效，再反向流人一效。加热蒸 气由一效顺次走向三效，料液最后浓缩温度高。 该蒸发器在制糖业和部分大化工生产中已使用多年。由于泡沫多，易跑料液，产量较小 的医药、食品、化工生产中未能采用。 采用了特殊结构，使浓缩时料液温度低于沸点0.5? -1.0?，液体内部不蒸发，不产生 气泡，故不产生泡沫。即使由于操作不善，真空度突然上升引起泡沫时，由于采用了特殊结 构，使料液喷射，沿器壁将泡沫扫掉，不致引起跑料。但该设备不能制得相对密度为1．4 的中药浸膏。为了满足生产的需要，有人研制了“组合式中药液真空浓缩锅”和“双效组合 式真空浓缩锅”，并获得国家专利。 干燥是利用热能除去含湿的固体物质或膏状物中所含的水分或其他溶剂，获得干燥 物品的工艺操作。在药剂生产中，新鲜中药除水，原辅料除湿，以及水丸、片剂、颗粒 剂等制备过程中均用到干燥。干燥的好坏，将直接影响到中药的内在质量。中药制剂目 前采用的干燥设备有滚筒式干燥器、烘箱、喷雾干燥器、沸腾干燥器、减压干燥器及微 波干燥器等。这些设备分别用于中药半成品的干燥，如药液和浸膏等的干燥；或者用于 成品的干燥，如颗粒剂和片剂等的干燥。近些年来，喷雾干燥法在微胶囊、中药胶剂等 新制剂方面的开发应用正受到人们的注目。喷雾通气冻干新技术以及一些国际上新型干 燥设备的引入，必将能改善中药制剂生产工艺，提高中药生产的技术水平，进而提高中 药制剂的内在质量。 结晶水是化学结合水，一般用风化方法去除，在药剂学中不视为干燥过程。 如芒硝(NaSO?10HO)经风化，失去结晶水而成玄明242 粉(NaSO)。 24 指存在于细小毛细管中的水分和渗透到物 料细胞中的水分。此种水分难以从物料中去除。 因为毛细管内水分所产生的蒸气压较同温度时水的蒸 气压低；物料细胞中的水分被细胞膜包围和封 闭，如不扩散到膜外，则不易蒸发去除。 指存在于物料表面的润湿水分； 粗大毛细管中水分和物料孔隙中水分。此种水分 与物料结合力弱，易于去除。因为它所产生的蒸 气压等于同温度水的蒸气压。 某物料与一定温度、湿度的空气相接触时，将会发 生排除水分或吸收水分的过程，直到物料表面所产生的蒸气压与空气中的水蒸气分压 相等为止，物料中的水分与空气处于动态平衡状态，此时物料中所含的水分称为该 空气状态下物料的平衡水分。平衡水分与物料的种类、空气的状态有关。物料不同， 在同一空气状态下的平衡水分不同；同一种物料，在不同的空气状态下的平衡水分也不 同。 物料中所含的总水分为自由水分与平衡水分之和，在干燥过程中可以除去的水分只 能是自由水分(包括全部非结合水和部分结合水)，不能除去平衡水分。如图7—9所示。干燥效率不仅与物料中所含水分的性质有关，而且还决定于干燥速率。 干燥速率是指在单位时间内，在单位干燥面积上被干燥物料中水分的气化量。可用下式 微分形式表示： U=dw’/sdt (7-3) 22式中，U为干燥速率[kg／(m?s)]；s为干燥面积(m)；w’为气化水分量(kg)；t为干燥时间(s)。 物料干燥过程是被气化的水分连续进行内部扩散和表面气化的过程，所以，干燥速率取 决于内部扩散和表面气化速率，可以用干燥速率曲线来说明。图7—10所示，为干燥介质状态恒定时典型的干燥速率曲线，其横坐标为物料的湿含量C，纵坐标为干燥速率U。从干燥曲线可以看出，干燥过程明显地分成两个阶段，等速阶段和降速阶段。在等速阶段，干燥速 率与物料湿含量无关。在降速阶段，干燥速率近似地与物料湿含量成正比。干燥曲线的折点 所示的物料湿含量是I临界湿含量C，与横轴交点O 所示的物料湿含量是平衡水分 C。因此，当物料平 湿含量大于C时，干燥过程属于等速阶段；当物料O 湿含量小于C时，干燥过程属于降速阶段。 O 高速阶段在干燥的初期，由于水分从物料内部扩散 速率大于表面气化速率，物料表面停留有一层非结合水， 此时水分的蒸气压恒定，表面气化的推动力保持不变， 因而干燥速率主要取决于表面气化速率，所以出现等速 阶段。此阶段又称为表面气化控制阶段。凡能影响表面 气化速率的因素都可以影响等速阶段的干燥。例如：干 燥介质的温度、湿度、流动情况等。实践证明，空气流速增大，则干燥速率加快。 当干燥进行到一定程度(C)，由于物料内部水分的扩散速率小于表面气化速率，物料表O 面没有足够的水分满足表面气化的需要，所以干燥速率逐渐降低了，出现降速阶段。此阶段 又称为内部迁移控制阶段。 干燥速率主要与内部扩散有关。因此，物料的厚度、干燥的温度等可影响降速阶段的干 燥。此时热空气的流速、相对湿度等已不是主要因素。实践证明，某些物料在降速阶段，由 于内部扩散速率太小，物料表面就会迅速干燥，而引起表面呈现假干现象或龟裂现象，不利 于继续干燥。为了防止此种现象的发生，必须采取降低表面气化速率的。如利用“废气 循环”，使部分潮湿空气回到干燥室中。 这是影响干燥速率的最主要因素。湿物料的形状、大小及料层的厚薄、水分的结合方式 都会影响干燥速率。一般说来，物料呈结晶状、颗粒状、堆积薄者，较粉末状及膏状、堆积 厚者干燥速率快。 在适当范围内，提高空气的温度，可使物料表面的温度也相应提高，会加快蒸发速度， 有利于干燥。但应根据物料的性质选择适宜的干燥温度，以防止某些热敏性成分被破坏。空 气的相对湿度越低，干燥速率越大。降低有限空间的相对湿度可提高干燥效率。实际生产中 常采用生石灰、硅胶等吸湿剂吸除空间水蒸气，或采用排风、鼓风装置等更新空间气流。 空气的流速越大，干燥速率越快。但空气的流速对降速干燥阶段几乎无影响。这是因为 提高空气的流速，可以减小气膜厚度，降低表面气化的阻力，从而提高等速阶段的干燥速率。 而空气流速对内部扩散无影响，故与降速阶段的干燥速率无关。 在干燥过程中，首先是物料表面液体的蒸发，然后是内部液体逐渐扩散到表面继续蒸发， 直至干燥完全。当干燥速度过快时，物料表面的蒸发速度大大超过内部液体扩散到物料表面 的速度，致使表面粉粒黏着，甚至熔化结壳，从而阻碍了内部水分的扩散和蒸发，形成假干 燥现象。假干燥的物料不能很好地保存，也不利于继续制备操作。 干燥方式与干燥速率也有较大关系。若采用静态干燥法，则温度只能逐渐升高，以使物 料内部液体慢慢向表面扩散，源源不断地蒸发。否则，物料易出现结壳，形成假干现象。动 态干燥法颗粒处于跳动、悬浮状态，可大大增加其暴露面积，有利于提高干燥效率。但必须 及时供给足够的热能，以满足蒸发和降低干燥空间相对湿度的需要。沸腾干燥、喷雾干燥由 于采用了流态化技术，且先将气流本身进行干燥或预热，使空间相对湿度降低，温度升高， 故干燥效率显著提高。 压力与蒸发量成反比。因而减压是改善蒸发，加快干燥的有效措施。真空干燥能降低干 燥温度，加快蒸发速度，提高干燥效率，且产品疏松易碎，质量稳定。 在制药工业中，由于被干燥物料的形状是多种多样的，有颗粒状、粉末状及丸状固体， 也有浆状(如中药浓缩液)、膏状(如流浸膏)流体；物料的性质各不相同，如热敏性、酸碱性、黏性、易燃性等；对干燥产品的要求也各有差异，如含水量、形状、粒度、溶解性及卫生要 求等；生产规模及生产能力各不相同。因此，采用的干燥方法与设备也是多种多样的。下面 重点介绍制药工业中最常用的几种干燥方法与设备类型。 烘干法是将湿物料摊放在烘盘内，利用热的干燥气流使湿物料水分气化进行干燥的一 种方法。由于物料处于静止状态，所以干燥速度较慢。常用的有烘箱和烘房。 又称干燥箱，适用于各类物料的干燥或干热灭菌，小批量生产。由于是间歇式操作，向箱 中装料时热量损失较大，若无鼓风装置，则上下层温差较大，应经常将烘盘上下对调位置。 为了获得更好的效能，烘箱的自然气流改为强制气流——在烘箱上装备鼓风装置，如图 7—11所示。待干燥的物质放在隔板上干燥，自人口进入经鼓风机送来的空气在加热器加热。 干燥室用隔板隔成交叉的五层，热空气依箭头所示的路线通过，先从加热器的上部预热后， 通过上层到达加热器上部被第二次预热，再从第二层流向加热器的中部被第三次预热，以后 依次流过各层，经过几次的干燥及预热过程，最后自出口排出。排出的热湿空气如未饱和时， 仍有部分利用的价值，可利用气流调节器使其一部分回入进气道与新鲜空气混合后再被利 用。在物料干燥的最后阶段(降速阶段)，如果干燥室内湿度太低，致使物料出现假干现象， 可调节气流调节器的蝶形阀，使部分湿热空气返回到干燥室中，保证被干燥物料内外干燥程 度一致。 烘房为供大量生产用的烘箱，其结构原理与烘箱一致，但由于容量加大，在设计上更应 注意温度、气流路线及流速等因素间的相互影响，以保证干燥效率。图7一12所示，为比较实用的一种烘房结构示意图。 操作时先将待干燥的物料置烘架车上送入烘房，打开废水排出开关和蒸气加热开关排出 废水，关闭烘房门，进行加热，打开鼓风机使空气在烘房内循环加热1．5～2小时，停止鼓风，然后打开闸门，使烘房内湿空气自然排出。5～10分钟后，关闭闸门，再开鼓风机继续 循环加热。如此反复操作，直至物料干燥。关闭鼓风机及蒸气进口开关，取出物料。此种烘 房结构占地面积小，物料上下受热均匀，温度可达106OC左右，且温度高低可用蒸气开关调 节。 减压干燥又称真空干燥。它是在密闭的容器中抽去空气减压而进行干燥的一种方法。其 特点是适于热敏性物料，或高温下易氧化，或排出的气体有使用价值、有毒害、有燃烧性等 物料；干燥的温度低，干燥速度快；减少了物料与空气的接触机会，避免污染或氧化变质； 产品呈松脆的海绵状，易于粉碎；挥发性液体可以回收利用。但生产能力小，间歇操作，劳 动强度大。 如图7一13所示为减压干燥器，由干燥柜、冷凝器与冷凝液收集器、真空泵三部分组 成。将湿物料置浅盘内，放到干燥柜的搁板上，加热蒸气由蒸气入口引入，通入夹层搁板内， 冷凝水自干燥箱下部出口流出。冷凝液收集器分为上下两部，上与冷凝器连接，并通过侧口 与真空泵相连接，上部与下部之间用导管与阀相通。当蒸发干燥进行时，将阀门开启，冷凝 液可直接流人收集器的下部，收集满后，关闭阀门使上部与下部隔离，打开放气阀门恢复常 压，冷凝液经冷凝水出口放出，使操作连 续进行。 浸膏等黏稠物料干燥时，装盘量不能 太多，以免起泡溢出盘外，污染干燥器， 浪费物料。同时应控制真空度不能过高， 真空管路上的阀门应徐徐打开，否则也易 发生起泡现象。一般真空度为 3．3-6．6kPa。 喷雾干燥是流态化技术用于液态物料干燥的较好方法。它是将液态物料浓缩至适宜的密 度后，使雾化成细小雾滴，与一定流速的热气流进行热交换，使水分迅速蒸发，物料干燥成 粉末状或颗粒状的方法。因是瞬间干燥，特别适用于热敏性物料；产品质量好，能保持原来 的色香味，易溶解，含菌量低；可根据需要控制和调节产品的粗细度和含水量等质量指标。 喷雾干燥可制得180目以上极细粉，且含水量?5％。喷雾干燥不足之处是能耗较高，进风温度较低时，热效率只有30％一40％；控制不当常出现干燥物附壁现象，且成品收率较低； 设备清洗较麻烦。 喷雾干燥已广泛应用于制药工业、食品工业与塑料、洗涤剂、染料和陶瓷等其他工业领域。 目前有利用喷雾干燥制备微囊的报道，它是将心料混悬在衣料的溶液中，经离心喷雾器将其喷入 热气流中，所得的产品系衣料包心料而成的微囊；将中药胶剂改用喷雾干燥法直接制得颗粒状胶 剂，较传统块状胶工艺省去了胶汁浓缩、凝胶、切胶、晾胶等工序，大大缩短了生产周期，防止 了污染，且生产不受季节限制，挥发性碱性物质的含量降低。 喷雾干燥的效果取决于所喷雾滴直径。雾滴直径与雾化器类型及操作条件有关。当雾滴直径 为10um。左右时，每升料液所成的液滴数可达1．91×1012，其总表面积可达400-600m2。因表 面积很大，传热传质迅速，水分蒸发极快，干燥时间一般只需零点几秒至十几秒钟，故具瞬间干 燥的特点。同时，在干燥过程中，雾滴表面有水饱和，雾滴温度大致等于热空气的湿球温度，一 般约为50OC左右，故特别适用于热敏性物料，制品质量好。此外，干燥后的制品多为松脆的颗 粒或粉粒，溶解性能好，对改善某些制剂的溶出速度具有良好的作用。 图7—14所示为一种喷雾干燥装置示意图。药液自导管经流量计至喷头后，进入喷头的压缩 空气[(39?23～49．04)×104pa，即4-5kg／cm2]将药液自喷头经涡流器利用离心力增速成雾滴喷入干燥室，再与热气流混合进行热交换后很快即被干燥。当开动鼓风机后，空气经滤过器、预 热器加热至280OC左右后， 图7—14喷雾干燥示意图 第七章 中药提取液的浓缩与干燥129 自干燥室上部沿切线方向进入干燥室，干燥室内一般保持在120?以下，已干燥的细粉落人收集桶内，部分干燥的粉末随热空气流进入分离室后捕集于布袋中，热废气自排气口排出。 喷雾器是喷雾干燥设备的关键组成部分，它影响到产品的质量和能量消耗。常用喷雾器 有三种类型：?压力式喷雾器；?气流式喷雾器；?离心式喷雾器。目前我国较普遍采用的 是压力式喷雾器，它适用于黏性药液，动力消耗较小，但需附有高压液泵将料液压至 2020-20200kPa(20-200atm)后通入喷嘴，喷嘴内有螺旋室，料液在其中高速旋转，然后从出 口的小孔处呈雾状喷出。气流式喷雾器结构简单，适用于任何黏度或稍带固体的料液，但需 在151．96-607．8kPa(1．5-6atm)压缩空气流的推动下，使料液随气流通过喷嘴(由3个同 心套管组成)时呈雾状喷出。离心式喷雾器适用于高黏度或带固体颗粒料液的干燥。它是利 用高速旋转的离心盘(每分钟4000～20000转)将注于其上的料液从盘边缘甩出而成雾状。其 动力消耗介于压力式和气流式之间，但造价较高。 热空气与料液在干燥室内流向可分为3种类型：?并流型。气液两相同方向流动，有的 向下并流，有的向上并流，前者应用较多。可采用温度较高的热风，适用于热敏性物料的干 燥。?逆流型。气液两相作方向相反的流动，雾滴悬浮时间长，成品水分较低，适用于水分 大的料液。?混流型。气液两相先逆流后并流，混合交错流动，液滴运动轨迹较长，具并流 和逆流干燥特性，适用于不易干燥的料液。 沸腾干燥又称流床干燥。它是利用热空气流使湿颗粒悬浮，呈流态化，似“沸腾状”， 热空气在湿颗粒间通过，在动态下进行热交换，带走水气而达到干燥的一种方法。其特点是 适于湿粒性物料，如片剂、颗粒剂制备过程中湿粒的干燥和水丸的干燥；沸腾床干燥的气流 阻力较小，物料磨损较轻，热利用率较高；干燥速度快，产品质量好，一般湿颗粒流化干燥 时间为20分钟左右，制品干湿度均匀，没有杂质带入；干燥时不需翻料，且能自动出料， 节省劳动力；适于大规模生产和片剂生产的流水线作业。但热能消耗大，清扫设备较麻烦， 尤其是有色颗粒干燥时给清洁工作带来困难。 沸腾干燥设备目前在制药工业生产中应用较多的为负压卧式沸腾干燥装置，如图7— 15 图7—15负压卧式沸腾干燥装置图 所示。此种沸腾干燥床流体阻力较低，操作稳定可靠，产品的干燥程度均匀， 且物料的破碎率低。其主要结构由空气预热器、沸腾干燥室、旋风分离器、细粉捕 集室和排风机等组成。 (1)空气预热器 是用高效的蒸气散热排管，当吸人空气经过排管交换后成为热气流， OO热气流温度可调节在80C以上，有时达100C。 (2)沸腾干燥室一般长约2m，宽25cm，高50cm，室两边各有观察窗和清洗门，底部由两块多孔板组成，上铺一层筛网，孔板下面有几个进风阀门。使用时，将清 洗门、观察窗关闭，启动排风机抽真空时，热气流经多孔板高速进入，因此湿颗粒进入 沸腾室后，立即在多孔板上上下翻腾，快速地与热气流进行热交换，蒸发的水蒸气经扩 大层随热气流带走。由于颗粒在室内不停地翻腾，流动性很强，在沸腾室下部形成连续 的沸腾层，并向出口方向移动。湿颗粒流化干燥约20分钟，当沸腾层内温度持续在 O40C左右时，表示颗粒已干燥，打开出料阀门，干颗粒即由出口放出。亦有在出口处 装置电磁簸动筛，使干粒过筛后收集于适宜容器中。在沸腾干燥室的上方有长方形扩大 层，它比下面宽一倍，高一倍，借以降低运动速度，减低颗粒中细粉的上升速度，并使 逐渐上升的细粒在扩大层中继续干燥，再进入旋风分离器中。 (3)旋风分离器湿热空气呈切线方向进入旋风分离器，夹带的粗粉沉于分 离器底部，湿热空气与细粉再进入细粉捕集室内。 (4)细粉捕集室 主要由几组布袋滤器组成，室的一端连接排风机，另一端与旋风 分离器的风道相连，沸腾室中湿热空气经布袋滤器滤过排出，细粉则留在袋内，待操作 结束后由布袋底部放出。 (5)排风机 动力为7kW，风量为2250m3-1?h，压力为80kPa。 操作时，先开蒸气加热器，扣好布袋滤器，开动排风机，使沸腾床内部干燥， 然后加湿颗粒，调节好风量，保持一定温度。可以间歇或连续操作。 冷冻干燥是将被干燥液体物料冷冻成固体，在低温减压条件下利用冰的升华性 能，使物料低温脱水而达到干燥目的的一种方 法，故又称升华干燥。其特点是物料在高度真空及 低温 条件下干燥，故对某些极不耐热物品的干燥很 适合，如血浆、血清、抗生素等生物制品，天花粉 针和淀粉止血海绵等；能避免药品因高温分解变质； 干燥制品多孔疏松，易于溶解；含水量低，一般为 1％～3％，有利于药品长期贮存。但冷冻干燥需要 高度真空与低温，耗能大，成本高。 冷冻干燥的原理可以由水的相图(图7—16)来 说明。图中OA线是固液平衡曲线；OC是液气平衡曲 线(表示水在不同温度下的蒸气压曲线)；OB是固气平衡曲线(即冰的升华曲线)；D为三相点。由图可知，凡是三相点0以上的压力和温度下，物质可由固相变为液相，最后变为气相；在三相点0以下的压力和温度下，物质可由固相不 经过液相直接变成气 相，气相遇冷后仍变为 固相，这个过程即为升 O华。例如冰的蒸气压在C时 -4013．33Pa(0．1mmHg)， O在-60C时变为 1．33Pa(0．01mmHg)， 若将40OC冰面上的压 力降低至 1．33Pa(0．01mmHg)， 则固态的冰直接变为 OO水蒸气，并在-60C的冷却面上复变为冰。同理，如果将-40C的冰在13．33Pa(0．1mmHg) O时加热至-20C，也能发生升华现象。 冷冻干燥机组主要由冷冻干燥箱、冷凝器、制冷机组、真空泵组和加热装置等组成。如 图7—17所示。制品的冷冻干燥过程包括冻结、升华和再干燥3个阶段。 O(1)冻结先将欲冻干物料用适宜冷却设备冷却至2 C左右，然后置于冷至约 -40(13．33Pa)冻于箱内。关闭干燥箱，迅速通人制冷剂(氟里昂、氨)，使物料冷冻，并保持2-3小时或更长时间，以克服溶液的过冷现象，使制品完全冻结，即可进行升华。 (2)升华 制品的升华是在高度真空下进行的，冻结结束后即可开动机械真空泵，并利用 真空阀的控制，缓慢降低干燥箱中的压力，在压力降低的过程中，必须保持箱内物品的冰冻 状态，以防溢出容器。待箱内压力降至一定程度后，再打开罗茨真空泵(或真空扩散泵)，压 O力降到1．33Pa，- 60 C以下时，冰即开始升华，升华的水蒸气在冷凝器内结成冰晶。为 保证冰的升华，应开启加热系统，将搁板加热，不断供给冰升华所需的热量。 OC之间。制品(3)再干燥 在升华阶段内，冰大量升华，此时制品的温度不宜超过最低共熔点，以防的再干燥阶段所除去的水分为结合水分，此时固体表面水的蒸气压呈不同程度的降低，干燥 产品中产生僵块或产品外观上的缺损，在此阶段内搁板温度通常控制在?10 速度明显下降。在保证产品质量的前提下，在此阶段内应适当提高搁板温度，以利于水分的 蒸发，一般是将搁板加热至30?～35?，实际操作应按制品的冻干曲线(事先经多次实验绘制的温度、时间、真空度曲线)进行，直至制品温度与搁板温度重合达到干燥为止。为了减 少水蒸气在升华时的阻力，冷冻干燥时制品不宜过厚，一般不超过12mm。 红外线干燥是利用红外线辐射器产生的电磁波被含水物料吸收后，直接转变为热能， 使物料中水分气化而干燥的一种方法。红外线干燥属于辐射加热干燥。 红外线是介于可见光与微波之间的电磁波，其波长范围为0．76-1000μm。在工业上一般把0．76～2．5μm波长的红外辐射称为近红外，把5．6～1000μm波长辐射称为远红外。 红外线辐射器所产生的电磁波以光的速度辐射到被干燥的物料上，由于红外线光子的能 量较小，被物料吸收后，不能引起分子与原子的电离，只能增加分子热运动的动能，使物料 中的分子强烈振动，温度迅速升高，将水等液体分子从物料中驱出而达到干燥。远红外线干 燥速率是近红外线干燥的2倍，是热风干燥的10倍。由于干燥速率快，故适用于热敏性药 物的干燥，特别适宜于熔点低、吸湿性强的药物，以及某些物体表层(如橡胶硬膏)的干燥。又由于物料表面和内部的物质分子同时吸收红外线，因此物料受热均匀，产品的外观好，质 量高。此外，远红外电能消耗小，是近红外的50％左右，因此目前在制药、食品等行业中 已广泛应用。 如 图7—18所示，主要采用振动输送物料和 电加热方式。机组由加料系统、加热干燥 系统(主机)、排气系统及电气控制系统组 成。 该干燥机具快速、优质、耗能低的特 点。湿颗粒在机内停留6—8分钟，而通过 远红外辐射时仅1．5—2．5分钟，箱内气 相温度达68 OC，每小时能干燥干料120kg； O干燥时物料最高温度为90 C，由于加热时 间短，药物成分不易 图7-18 振动式远红外干燥机结构图 被破坏，也能起灭菌作用，颗粒外观色泽鲜艳、 均匀，香味好，成品含水量可达到2％左右， 达到优级品水平；全机总功率为50．6kW，平 均每度电能干燥药物3．5kg。 主要由干燥室、辐射能发生器、机械传动装置及辐射线的反射集光装置 等组成。 烘箱为注射剂安瓿连续自动化生产提供了有利条件，但有安瓿污染及气体燃烧后产生气 味等缺点。此种烘箱略加改造，在其左上方安装加料系统，右下方设有物料出口，可用于湿 颗粒的干燥。 微波干燥是把物料置于高频高变电场内，从物料内部均匀加热，迅速干燥的一种方法。 微波是一种高频波，其波长为1mm到1m，频率为300MHz到300kMHz，制药工业上微波 加热干燥只用915MHz和2450MHz两个频率，后者在一定条件下兼有灭菌作用。 物质在外加电场的作用下分子发生极化，如果外加电场为交变电场，则无论是有机分子 电介质，还是无机分子电介质均被反复极化，随着外加交变电场频率的提高，极化的分子电 场方向也交互变化，不断地迅速转动而发生剧烈地碰撞和摩擦，这样就将其在电磁场中所吸 收的能量转化为热能，使物体本身被加热和干燥。 物质不同，对微波的吸收程度不同。水的介电常数大，能强烈地吸收微波，因此含水的 物料采用微波加热干燥更为有利。中药饮片、水丸、蜜丸、袋泡茶等用微波干燥，不仅干燥 速度快，而且可提高产品质量。因为微波可穿透介质较深，热是在被加热物质内部产生的， 物料的内部和表面可同时均匀加热，热效率高，故干燥时间短，不影响产品的色香味及组织 结构。且兼有杀虫和灭菌的作用。 微波干燥设备主要由直流电源、微波发生器、波导、微波干燥器及冷却系统等组成。微 波发生器由直流电源提供高压，并转变成微波能量，加热干燥的微波管一般使用磁控管。微 波干燥器按物料和微波作用的形式可分为四种类型：?谐振腔式微波炉，干燥器的器壁可反 射微波，置于干燥器的被干燥物料，其各个方向均可以受热。?波导干燥器，微波从波导的 一端输入，而在另一端接有吸收微波剩余能量的水负载。微波在干燥器内无反射地从一端向 被干燥物料输送。?辐射型干燥器，微波能量可通过喇叭式装置直接辐射到被干燥的物料。 ?慢波型干燥器，微波沿螺旋线前进，这样沿轴方向速度减慢，从而提高了电场强度。适用 于不易加热或表面积较大的物料，能充分进行能量交换而达到干燥。 微波真空干燥：是微波能技术与真空技术相结合的一种新型干燥技术。微波真空干燥设 备采用的是辐射传能，是介质整体加热，无需其他传热媒介，因此它兼备了微波及真空干燥 的一系列优点：?高效率、能耗低。克服了真空干燥周期长、效率低的缺点，与常规干燥技 术相比可提高工效4倍以上。?物料受热均匀。微波加热是物料里外同时加热，里外温差很 小，可大大提高干燥质量。?易于即时控制。微波功率可快速调整且无惯性，易于即时控制， 便于工艺参数的调整和确定；便于连续生产及实现自动化。?设备体积小，安装维修方便。 内部装有监视器，可以观察干燥全过程。?产品质量好。所加工的产品质量有较大幅度的提 高。?微波设备具有消毒、杀菌功效，加工的产品安全卫生、保质期长。 鼓式干燥是将湿物料蘸附在金属转鼓上，利用传导方式提供气化所需热量，使物料得 到干燥的一种方法。又称鼓式薄膜干燥或滚筒式干燥。其特点是适于浓缩药液及黏稠液体的 干燥；可连续生产，根据需要调节药液浓度、受热时间(鼓的转速)和温度(蒸气)；对热敏性 药物液体可在减压情况下使用；干燥物料呈薄片状，易于粉碎。常用于中药浸膏的干燥和膜 剂的制备。设备分单鼓式和双鼓式两种：单鼓式薄膜干燥器，如图7—20所示，双鼓式薄膜干燥器，如图7—2l所示。 带式干燥是将湿物料平铺在传送带上，利用干热气流或红外线、微波等使湿物料中水分 气化进行干燥的一种方法。在制药生产中，某些易结块和变硬的物料，中药饮片大量加工生 产，茶剂的干燥灭菌等多采用带式干燥设备。带式干燥设备可分为单带式、复带式和翻带 式等。传送带可用帆布带、橡胶带、涂胶布带或金属丝网等制成。如图7—22所示为翻 板带式干燥器，在长方形干燥箱内装有若干无端循环金属丝网板传送带，物料由 加料器从传送带的一端均匀地加在带上，运行至另一端时，金属丝板翻下，物料即 落到下一层网板上，起到翻料作用，因此，干燥均匀，当物料运行至最下一层的卸 料口时，即干燥完毕。 吸湿干燥是将湿物料置干燥器中，用吸水性很强的物质作干燥剂，使物料得 到干燥的一种方法。数量小，含水量较低的药品可用吸湿干燥法。干燥器可分为 常压干燥器和减压干燥器，小型的多为玻 璃制成。常用的干燥剂有硅胶、氧化钙、 粒状无水氯化钙、五氧化二磷、浓硫酸等。 近年来，在国内外化工行业中，用流态 化技术、喷射技术、惰性载体技术对膏状物料 和黏稠物料干燥的研究，已引起了足够的重 视。干燥装置的发展趋势是设备的多功能化， 小型化，节能有效，融合先进技术于一体的 新型干燥机，如一步制粒机、旋转闪蒸干燥机、 热喷射气流干燥机、惰性载体干燥机等，这 些新的研究结果若用于中药制剂生产，将大大 改善中药加工的技术水平，提高生产率。