2015年药物化学考点解析—湿颗粒的干燥
1．干燥的概念和方法干燥是利用热能去除湿物料中水分或其他溶剂的操作过程，在制剂的生产中需要干燥的物料多数为湿法制粒所得的物料，但也有固体原料药以及中药浸膏等。
干燥方法可按不同的情况进行分类：①按操作方式，可分类为连续式干燥和间歇式干燥；②按操 作压力，可分类为真空干燥和常压干燥；③按热量传递方式，可分类为传导干燥、对流干燥、辐射干 燥、介电加热干燥等，其中传导干燥是将热能通过与物料接触的壁面以传导方式传给物料，使物料中 的湿分气化并由周围空气气流带走而达到干燥目的的操作；对流干燥是将热能以对流方式由热气体传 给与其接触的湿物料，物料中的湿分受热气化并由气流带走而达到干燥目的的操作，此时热空气既是 载热体，又是载湿体；辐射干燥将热能以电磁波的形式发射，入射至湿物料表面被吸收而转变为热能，将物料中的湿分加热气化而达到干燥目的的操作；介电加热干燥是将湿物料置于高频电场内，由于高 频电场的交变作用使物料中的水分加热、湿分气化而达到干燥目的的操作。目前在制药工业中应用最 普遍的是对流干燥。
(1)常压箱式干燥：是将湿颗粒平铺于干燥盘内(薄厚应适度，一般不超过lOcm)，然后置于搁板上。热空气以水平方向通过最下层湿颗粒的表面，然后流经加热器，使之每通过一次湿颗粒后得到 再次加热，以保证干燥室内上、中、下各层干燥盘内的物料干燥均匀。这样，每次都得到补充加热的空气依次流过以下各层搁板，最后由出口排出，也可部分地或全部地进入下一循环。
箱式干燥投资少，适用于小批量的生产或用于干燥时间要求比较长的物料以及易生碎屑或有爆炸 危险的物料，但是这种方法的缺点也是显而易见的，主要有劳动强度大，热能利用率低，操作条件不良，物料干燥不均匀；尤其是干燥速度过快时，很容易造成外壳干而颗粒内部残留水分过多的“虚假干燥”现象，给下一步的制片工艺带来不利影响，有时也会造成可溶性成份在颗粒之间发生“迁移”而影响片剂的含量均匀度。因此，下述的流化床干燥法已在国内很多药厂普遍使用。
(2)流化床干燥：这种方法与流化制粒的工作原理相同，但上宽下窄的流化室底部筛网上放置的 是待干燥的湿颗粒，这些湿颗粒在强热空气的吹动下，上下翻腾，处于流化状态(沸腾状态)，快速 地与热气流进行热交换，蒸发的水分则随着上升的热气流带走，这种传热、传质的过程，在流化室内 连续不断地进行，从而实现了湿颗粒的干燥；另外，由于颗粒在流化室内翻腾，流动性很强，在流化 室的下部形成连续的、进动性的流化沸腾层(逐渐向出口方向移动)，约20min左右，打开出口闸门，干颗粒即可由此放出，也可在出口处装备电磁振动筛，使干颗粒过筛后收集于适宜的容器中，这样就实现了连续化的流化干燥与制粒相互联接的自动化生产。
流化干燥法效率高，速度快，时间短，对某些热敏感物料亦可采用，操作方便，劳动强度小，自动化程度高，所得产品干湿程度均匀，流动性良好。与箱式干燥相比，由于在干燥过程中颗粒上下翻 腾，互相并不紧密接触，所以一般不会发生可溶性成份的“迁移”现象，片剂的含量均匀度较好。除了上述这些优点以外，也有其不足之处，比如设备不易清洗、细颗粒比例较高等等。
(3)喷雾干燥：喷雾干燥的蒸发面积大、干燥时间非常短(数秒一数十秒)，温度一般为50℃左右，对热敏物料及无菌操作时较适合。干燥的制品多为松脆的颗粒，溶解性好。喷雾干燥器内送人的 料液及热空气经过除菌高效滤过器滤过可获得无菌干品，如抗菌素粉针的制备、奶粉的制备都可利用 该干燥方法。
(4)红外干燥：红外干燥是利用红外辐射元件所发出来的红外线对物料直接照射加热的一种干燥方式。红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，其波长范围在0．72～1000pμm的广阔区域，波长在0．72～5．6μm区域的叫近红外，5．6～l000p。m区域的称远红外。
红外线辐射器所产生的电磁波以光的速度辐射至被干燥的物料，当红外线的发射频率与物料中分子运动的固有频率相匹配时引起物料分子的强烈振动和转动，在物料内部分子间发生激烈的碰撞与摩擦而产生热，因而达到干燥的目的。
红外线干燥时，由于物料表面和内部的物料分子同时吸收红外线，故受热均匀、干燥快、质量好。缺点是电能消耗大。
(5)微波干燥：属于介电加热干燥器。把物料置于高频交变电场内，从物料内部均匀加热，迅速干燥的方法。工业上使用的频率为915MHz或245MHz。
水分子是中性分子，但在强外加电场力的作用下极化，并趋向于外电场方向一致的整齐排列，改变电场的方向，水分子又会按新的电场方向重新整齐排列。若外加电场不断改变方向，水分子就会随着电场方向不断地迅速转动，在此过程中水分子间产生剧烈的碰撞和摩擦，部分能量转化为热能。微波干燥器内是一种高频交变电场，能使湿物料中的水分子迅速获得热量而气化，从而使湿物料得到干燥。
微波干燥器加热迅速、均匀、干燥速度快、热效率高；对含水物料的干燥特别有利；微波操作控制灵敏、操作方便。缺点是成本高，对有些物料的稳定性有影响。因此常用于避免物料表面温度过高或防止主药在干燥过程中的迁移时使用。
(6)冷冻干燥：是利用固体冰升华去除水分的干燥方法，详见第8章注射剂的有关内容。 2．干燥的基本原理及影响因素
(1)干燥的基本原理：在干燥过程中，水分从物料内部移向表面，再由表面扩散到热空气中。当热空气与湿物料接触时，热空气将热能传给物料，这个传热过程的动力是二者的温度差；湿物料得到热量后，其中的水分不断气化并向热空气中移动，这是一个传质过程，其动力为二者的水蒸气分压之差。换言之，当物料表面产生的水蒸气压Pw大于热空气中的水蒸气分压P时(P我-P>0时)，物料表面的水蒸气必然扩散到热空气中，在热空气不断地把热能传递给湿物料的同时，湿物料的水分不断地气化并扩散至热空气并由热空气带走，而物料内部的湿分又源源不断地以液态或气态扩散到物料表面，这样就使湿物料中的湿分不断减少而达到干燥的效果。显然，干燥过程得以进行的必要条件是被干物料表面所产生的水蒸气分压Pw大于干燥介质(热空气)的水蒸气分压P，即Pw-p>0；如果Pw-P=0，表示干燥介质与物料中水蒸气达到平衡，干燥即行停止；如果Pw-P<0，物料不仅不能干燥反而吸潮。
为了达到有效的干燥，必须选用适宜的空气。空气是绝干空气和水蒸气的混合物，可称为湿空气。因此，采用热空气作为干燥介质的目的不仅是为了提供热能，而且是为了降低干燥介质的水蒸气分压P以提高吸湿能力。
相对湿度(relative humidity，RH)是指在一定温度及总压下，湿空气中的水蒸气分压P与饱和空 气中的水蒸气分压Ps的比值，常用百分数表示：饱和空气的RH=100％，未饱和空气的RH<100％，绝干空气的RH=0％。因此相对湿度直接反映空气中湿度的饱和程度。
(2)物料中水分的性质：研究物料中水分的性质对提高干燥速率很有帮助。
①平衡水与自由水根据物料中所含水分能否被干燥除去，可划分平衡水和自由水，平衡水(e-quilibrium water)系指在一定空气状态下，物料表面产生的水蒸气压与空气中水蒸气分压相等时，物料 中所含的水分叫平衡水，是干燥除不去的水分；自由水(free water)系指物料中所含大于平衡水分的那一部分水称为自由水分，也称为游离水，是在干燥过程中能除去的水分。各种物料的平衡水量随空气中相对湿度(RH)的增加而增大(见图3-2)。 ②结合水分与非结合水分结合水分(bound water)系指主要以物理化学方式与物料结合的水分，它与物料的结合力较强，干燥速度缓慢。结合水分包括动植物物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中水分、可溶性固体溶液中的水分等。非结合水分(nonbound water)系指主要以机械方式结合的水分，与物料的结合力很弱，干燥速度较快。
(3)干燥速率及其影响因素：干燥速率是在单位时间内、单位干燥面积上被干物料所能气化的水分量。即水分量的减少值，其单位为kg／(m2·s)。
从物料含水量随时间变化的干燥速率曲线图(图3—3)可知：从A到B为物料短时间的预热段：在含水量从X’减少到Ｘ0的范围内，物料的干燥速率不随含水量的变化而变化，保持恒定(BC段)，称为恒速干燥阶段。
在含水量低于Ｘ0直到平衡水分Ｘ*为止，干燥速率随含水量的减少而降低，称为降速干燥阶段。恒速干燥阶段与降速干燥阶段的分界点称为临界点(c点)，该点所对应的含水量Ｘ0为临界含水量。
因为上述不同干燥阶段的干燥机理不同，所以干燥速率的影响因素也不相同。
在恒速干燥阶段，物料中水分含量较多，物料表面的水分气化并扩散到空气中时，物料内部的水分及时补充到表面，保持充分润湿的表面状态，因此物料表面的水分气化过程完全与纯水的气化情况相同，此时的干燥速率主要受物料外部条件的影响，取决于水分在物料表面的气化速率，其强化途径有①提高空气温度或降低空气中湿度(或水蒸气分压P)，以提高传热和传质的推动力；②改善物料与空气的接触情况，提高空气的流速使物料表面气膜变薄，减少传热和传质的阻力。
在降速干燥阶段，当水分含量低于Ｘ0之后，物料内部水分向表面的移动已不能及时补充表面水分的气化，因此随着干燥过程的进行，物料表面逐渐变干，温度上升，物料表面的水蒸气压低于恒速段 时的水蒸气压，因而传质推动力(pw一p)下降，干燥速率也降低，其速率主要由物料内部水分向表面 的扩散速率所决定，内部水分的扩散速率主要取决于物料本身的结构、形状、大小等。其强化途径有 ①提高物料的温度；②改善物料的分散程度，以促进内部水分向表面扩散。而改变空气的状态及流速 对干燥的影响不大。
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