中國粉體網(wǎng)訊 在生物制藥領域，如何確保儀器設備既滿足合規(guī)要求，又能實現(xiàn)粉料與液體溶劑的快速混合不團聚——這是擺在產(chǎn)品制備混合工藝中的一個重要課題。而粉料混合機是實現(xiàn)混合工藝流程的核心設備，通過定子、轉子間的間隙優(yōu)化設計及雙級葉輪結構組合，依托轉子高速旋轉實現(xiàn)吸料和分散混合，從而確保了混合均勻徹底，實現(xiàn)工藝需求。
背景
近年來，隨著國內(nèi)生物制藥、醫(yī)療美容等行業(yè)發(fā)展突飛猛進、生產(chǎn)工藝不斷升級，制備系統(tǒng)的設備也加速了技術革新。在制備生產(chǎn)混合工藝階段，采用傳統(tǒng)的攪拌混合方式基本均可實現(xiàn)較好的固、液混合效果，使固體顆粒很快濕潤或溶解[1]。但是，在處理一些特殊的物料過程中，采用傳統(tǒng)攪拌混合方式，效果并不理想，即便是增加了混合時間后，仍然還有一系列問題需要解決：如粉體結塊混合不充分、投放粉料過程中采用正壓輸送產(chǎn)生粉塵飛揚等。此時僅采用傳統(tǒng)的處理方式——用攪拌裝置進行攪拌混合往往無法保證各生產(chǎn)批次間的產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。
目前應用于該工藝段的旋轉動設備主要有攪拌系統(tǒng)、分散機以及粉料混合機等[2，3]。其中，粉料混合機由于其占地面積小，連續(xù)化生產(chǎn)效率高，對物料粉料的混合效果好，所以較為適合大批量制品的混合生產(chǎn)[4]。本文以勃拉粉料混合機MF200S為例，分別從單機設備的運行原理、本體設計結構優(yōu)化、以及以設備為核心的混合小單元系統(tǒng)運行流程進行了分析介紹。
粉料混合機運行原理
粉料混合機如圖1所示，設備以電動機為驅動單元，通過平皮帶傳動結構，帶動主軸轉子高速旋轉。在重力作用下，液體通過進液口進入混合機腔體內(nèi)部的導流結構；內(nèi)部的轉子高速旋轉會產(chǎn)生強大的離心力，將液體由出料口排出混合機。與此同時，液體在離心力及導流結構的作用下在轉子上方形成渦流，形成負壓區(qū)，由此便可通過轉子上方的腔體管路將粉體吸入中心腔體內(nèi)。在接觸液體的同時，粉體在一級葉輪離心力的作用下通過定子結構，快速地與液體進行溶解，從而實現(xiàn)粉、液的高效分散均質(zhì)。最后二級葉輪會將物料輸送出去。由于二級葉輪采用了特殊設計，此款混合機不僅能滿足基本工況應用，也可以實現(xiàn)高比例水粉混合、高粘度輸送。快速、充分無塵化的吸粉能力，是通過合理的一級導輪設計來實現(xiàn)的；而物料的瞬間分散、充分混合，以及高粘度輸送則是依靠一級葉輪與二級葉輪的共同作用來實現(xiàn)的。
圖1 粉料混合機結構圖
粉料混合機的關鍵結構為一級導輪、二級混合葉輪以及腔室隔離機械密封。為提升一級導輪的向心作用力，可以通過提升旋轉半徑以及設備轉子旋轉速度實現(xiàn)；為提升二級混合葉輪結構之間的相對運動，實現(xiàn)瞬間擠壓混合效率，減少定子和轉子間間隙和提高設備旋轉轉速是兩個有效手段。
關于一級導輪結構，結合機械結構及流體力學原理，可近似地將其理解為一個高速旋轉產(chǎn)生動能的機構將動能能量轉化為壓力能的設備公式（1）。在對一級導輪葉輪進行設計時，主要需關注以下幾個重要參數(shù)：流道曲線，進口孔徑、流體切入角度、功耗等。根據(jù)熱力學第二定律，在將動能轉化為壓力能的過程中，存在能量損失，損失的能量多以熱能的方式散播。如此一來，在醫(yī)療美容、制藥等物料對溫度敏感的行業(yè)中，一級導輪不僅會在能源上產(chǎn)生損耗，而且還可能會導致混合物料變性。因此，合理設計流道曲線即葉輪葉片的角度形狀，是有效降低能量損耗的有效途徑。
Ev=Ep+∆E （1）
Ev——電動機輸出能量；
Ep——壓力能，即有效能能量；
∆E——熱能，即損失能量。
定子與轉子一級導輪葉輪形成的機構，可理解為與離心泵的蝸殼和導輪的形式類似，從而可簡化為蝸殼設計。其曲線結構的設計在提供葉輪水力性能的同時，可有效降低流道內(nèi)阻力引起的功耗發(fā)熱。理論計算方面，在不考慮摩擦管阻功耗的影響下，流經(jīng)流道的粉體流量可按如下公式（2）計算：
Q=2πR1B1V1=2πR2B2V2（2）
其中B1、B2為相關液體流經(jīng)點處葉輪的高度，由于液體需要加速產(chǎn)生壓力，因此葉輪中心處的高度高于葉輪邊緣處的葉片高度，即B1＞B2。R1、R2為流道中任一點的半徑，故R2＞R1, V1、V2為半徑R1、R2處對應的液流圓周上的分速度，故V2＞V1。由上述公式可推斷，當轉速相同時，圓周分速度V隨半徑R的增大而增大，當外圓流量足夠大時，由于旋轉的液體形成水環(huán)密封，在中心渦流處形成強大的負壓，轉速越高負壓越大；在負壓的作用下，粉體不斷地進行補充，并與液體一同沿轉子中心位置向外輸送至定子、轉子處進行混合。
在優(yōu)化導輪相關參數(shù)時，需要綜合考慮流道曲線（減少管阻）、流道數(shù)量（輸出壓力）、流道高度等 [5，6] 。另外一個關鍵參數(shù)為葉輪直徑，在轉速不變的情況下直徑越大，葉輪邊緣線速度越高，但需要注意的是過高的線速度對葉輪的材料有著更高的要求，對材料的強度、力學性能也提出了考驗。因此，在設計一級葉輪時，我們通過三維軟件輔助設計，借助繪圖軟件進行了相關性尺寸調(diào)整，在目標需求范圍內(nèi)總輸出流量不變的情況下（即滿足輸出能力、吸粉能力的情況下），通過流態(tài)模擬分析，最終確認了適當縮小葉輪直徑是有效減少設備升溫、增強設備工作穩(wěn)定性的優(yōu)化選擇。功耗主要是由葉輪旋轉形成的流道流阻引起的。因此我們結合藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP），在導輪加工工藝上，采用五軸加工中心替代焊接方式，將導輪一次加工成型，確保了曲面一致性；通過對葉輪表面、定子內(nèi)表面進行機械拋光，并進行一次電解，確保表面粗糙度可控制在0.4 μm以下，以此減少流體對葉輪的摩擦。
圖 2 定子和轉子的結構形式
二級葉輪混合結構的定子、轉子設計結構如圖2所示。在轉子旋轉過程中，轉子軸向均勻布置的30組瓦狀齒與定子軸向的瓦狀齒形成柵格，對流經(jīng)兩者間隙的物料進行切割擠壓，使物料快速均勻細化，定子、轉子瓦狀齒徑向間隙為0.5 mm。在轉子上靠近中心位置以及邊緣位置，分別配置有5條均布推力葉片和斜角20條均布外排葉輪，確保了被吸入物料按設計流道通過，實現(xiàn)充分混合的目的。
關于機型密封結構，為有效形成MF200S混合機工作腔室與外界的隔離，采用了雙機械密封組合結構。由于設備屬于高速旋轉動設備，機械密封需要采用冷卻密封液。當設備運轉時，冷卻液進入動環(huán)、靜環(huán)間的間隙形成潤滑膜，同時流動狀態(tài)下的冷卻液可將熱量快速帶離機械密封腔室，以免出現(xiàn)機械密封動靜環(huán)摩擦生熱燒毀機械密封。為避免對MF200S混合機進行工作腔室內(nèi)在線滅菌（SIP）時產(chǎn)生的壓力頂開機械密封，機械密封承壓設計為2.5 bar。
混合單元系統(tǒng)工藝流程及試驗
3.1工藝流程
混合單元系統(tǒng)主要由以下設備及部件構成：一臺MF200S連續(xù)式混合機、一個液體混合罐、一個安裝于混合機上方的粉體罐，以及一套設備間相互連接的循環(huán)管路。以MF200S為核心的混合單元系統(tǒng)，會利用連續(xù)循環(huán)處理的方式，將需要與液體混合的固體均勻地添加到液料中。
被混合的固體物料通過稱量系統(tǒng)被投放到粉體罐，啟動MF200S混合機，開啟下料管路閥門，混合機高速旋轉的轉子帶動一級導輪，在中心形成真空，快速吸入粉料；同時，液相經(jīng)過泵送輸送進入混合機內(nèi)部，二者在二級混合葉輪的作用下瞬間就充分混合在一起。為防止混合后的物料通過物料管路進入混合罐后出現(xiàn)沉降，根據(jù)物料粘度的不同，還可在混合罐底部增設攪拌裝置，使混合的物料在混合罐內(nèi)始終處于運動狀態(tài)，這樣混合后的物料均勻度可以較高程度地保持穩(wěn)定性，減少因物料均勻度與濃度的不一致性導致后段處理難度增加的情況發(fā)生。根據(jù)工藝需求，如果需要被混合的物料多次經(jīng)過MF200S混合機，可以在本系統(tǒng)管路上增設循環(huán)管路，使物料結合工藝需求，完成多次的循環(huán)、混合。在單元系統(tǒng)中增設取樣閥或檢測裝置，即可實現(xiàn)經(jīng)對比確認物料達到預期的混合效果后，再通過二級混合葉輪的離心作用，將混合罐內(nèi)混合好的物料泵送排出。
3.2混合試驗
對混合系統(tǒng)的性能進行測試，測試的物料為卡波姆粉料，加注液體為離子純化水，溫度為15℃。采用實驗性混合單元進行測試，在初始階段，考慮到粉料通過一級葉輪真空作用，較液體先行進入二級混合葉輪，可能會發(fā)生物料未混合或者是結塊的情況，因此采用液體泵送先行將液體充滿MF200S混合機中，在系統(tǒng)接收到通料信號后，開啟MF200S上端粉料進口閥，使粉料進入。最終，得到的測試及檢測數(shù)據(jù)如表1所示。
日期：20230301 溫度22℃
表1 物料混合監(jiān)測
試驗結果與總結
通過混合單元的實際測試，發(fā)現(xiàn)用100 l溶劑溶解3.5 kg粉料，所得成品粘度為106 389 mpas。這證明設計實現(xiàn)了粉料的充分混合，能夠滿足用戶的使用需求。
隨著生物制藥領域的不斷深化發(fā)展，粉體混合系統(tǒng)的功能也需要隨著客戶的需求而不斷提升，工藝自動化的進程也需要進一步地加快。結合客戶現(xiàn)場測試的實際反饋，系統(tǒng)可進一步進行優(yōu)化的方向如下：
（1）關于控制系統(tǒng)方面，混合系統(tǒng)如應用于中試及生產(chǎn)，可以考慮采用配方方案提前輸入控制系統(tǒng)，將手動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)如閥門、取樣、記錄調(diào)整為由自動化系統(tǒng)一鍵完成。由于自動化程度越高，系統(tǒng)的復雜性也會使系統(tǒng)的故障類型不斷攀升，這就對控制反饋系統(tǒng)提出了更高的要求，同時也對系統(tǒng)使用維護人員提出了更高的要求。
（2）核心設備本體方面，核心設備MF200S拆裝配置尤其是機械密封處，需要增設防呆裝置，確保安裝的一致性。
（3）系統(tǒng)方面，如需要配置CIP/SIP功能，罐體需要考慮壓力容器設計，并配置有可供清洗液流入、排放的管道系統(tǒng)。
參考文獻
[1]丁成偉.離心泵與軸流泵[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.
[2]朱紅鈞．FLUENT 15.0流場分析實戰(zhàn)指南［M］．北 京：人民郵電出版社，2015．
[3]查國才．混合設備在固體制劑中的發(fā)展與應用［J］．醫(yī)藥工程設計，2007(05)：41-44.
[4]田耀華．制藥工業(yè)粉體混合設備選用探討［J］．機電信息，2006(17)：14-19.
[5]毛立科，許洪高，高彥祥.高壓均質(zhì)技術與食品乳化液[J].食品與機械 .2007(05)：146-149.
[6]陳海濤，張裕中．葉輪角度與流體黏度對高剪切罐內(nèi)流體影響的模擬研究[J]．食品與機械.2012,28(05)：131-134.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除
