Смесители. 
Грануляторы. 
Установки СГ, распылительные сушилки с псевдоожиженным слоем

Смесители.

Аппараты, в которых сыпучие материалы смешиваются между собой и с жидкостями называют смесителями.

Смесители классифицируют: по характеру процесса смешивания (конвективного или диффузионного) конструктивному признаку (барабанные смесители с вращающимся корпусом и червячно-лопастные), способу воздействия на смесь (гравитационные, центробежные), характеру протекающего в них процесса смешивания (периодический или непрерывный) и другим признакам.

По характеру протекающего процесса в отечественной химико-фармацевтической промышленности наибольшее распространение получили смесители периодического действия, которые в зависимости от типа рабочего органа подразделяются на смесители с вращающимся корпусом, червячно-лопастные, с псевдоожижением сыпучего материала, центробежного действия с вращающимся конусом.

Рисунок 4. Устройство смесительного барабана.

Рисунок 5. Смесители с вращающимся корпусом: а — шаровая мельница; б — V-образный смеситель; в — двухконусный; смеситель; г — кубический смеситель; д — турбула Смесители с вращающимся корпусом. К ним относятся барабанные смесители, применяемые для смешения сухих порошкообразных материалов. Барабанный смеситель (рис. 4) представляет собой цилиндрический корпус (1), вращающийся на опорных роликах (2) со скоростью 6—8 об/мин. Для лучшего смешивания материала на внутренних стенках барабана укреплены спиральные перегородки (3), а внутри него — несколько продольных полок (4) с перегородками. Барабанный смеситель является аппаратом периодического действия. Загрузка и выгрузка осуществляется с помощью шнека (5), который при загрузке вращается в одном направлении, а при выгрузке — в противоположном. Барабанные смесители бывают также с призматическим, кубическим или другой формы корпусом, вращающимся в цапфах на горизонтальном валу (рис. 5). Смесители просты по устройству, но требуют значительного времени для смешивания, исчисляемого часами. Поэтому аппараты этого типа вытесняются более эффективными смесителями.

Для смешивания порошкообразных веществ Мариупольским НПО «Минмедбиоспецтехоборудование» серийно выпускается установка модели СПМ-200. По принципу действия она подобна смесителю Т-200-«Турбула». Швейцарской фирмы WAB. В емкости установки материалу сообщается одновременно вращательное движение относительно двух взаимноперпен дикулярных осей. В результате частицы порошка описывают сложную пространственную траекторию. При таком движении частота соударений и внедрений частиц в общую массу материала очень велика.

Рисунок 6. Устройство червячно-лопастного смесителя.

Рисунок 7. Смесители с вращающимися лопастными рабочими органами: а — корытного типа с S-образными лопастями; б — с винтообразными лопастями; в — циркуляционный смеситель Червячно-лопастные смесители. На химико-фармацевтических заводах работают универсальные смесительные машины этого типа, выпускаемые отечественной промышленностью. В них можно смешивать сухие сыпучие материалы и увлажненные порошки, поэтому эти машины широко применяются в таблеточном производстве. Червячно-лопастные смеситель (рис. 6) состоит из корытообразного корпуса (1) и двух Z-образных роторов (2), вращающихся в противоположные стороны с различными угловыми скоростями: передняя составляет 17—24 об/мин, а задняя— 8— 11 об/мин. Привод ротора осуществляется от электродвигателя (3) через редуктор (4). Материалы, подлежащие смешиванию, загружают в корыто смесителя через крышку, которая имеет вынесенные в стороны грузы-противовесы, облегчающие ее подъем, а выгружают при опрокидывании корыта. Для охлаждения или нагрева обрабатываемого материала корыто смесителя снабжено рубашкой. Смесители с вращающимися лопастными рабочими органами представлены на рис. 7.

Вследствие небольшой скорости вращения роторов, процесс смешивания в аппаратах с вращающимися лопастными рабочими органами продолжителен.

Аппараты с псевдоожижением сыпучего материала. Данные смесители нашли широкое применение в таблеточном производстве. Они отличаются высокой эффективностью и малым временем смешивания, отсутствием вращающихся деталей, что обеспечивает высокую чистоту получаемого продукта. Кроме смешивания, в этих аппаратах выполняется ряд последующих технологических операций процесса приготовления таблеточной массы: гранулирование, сушка, опудривание.

Рисунок 8. Устройство смесителя центробежного действия Смесители центробежного действия с вращающимся конусом. В них достигается качественное смешивание сыпучих материалов при относительно небольшом расходе энергии, обусловленном малой длительностью смешивания и высокой производительностью единицы объема аппарата. Центробежный смеситель (рис. 8) состоит из корпуса (1), на котором установлена емкость (2). Двигатель (3) и привод вращают рабочий орган — открытый полый конус (4), обращенный большим основанием кверху. В нижней части конуса имеются два диаметрально расположенных окна (5). Конус охватывается соосно установленной с ним рамной мешалкой (6), получающей вращение от привода (7), находящегося на крышке (8). Материал, подлежащий смешиванию, подается через люк (9), перемещается по внутренней поверхности конуса снизу вверх под действием центробежных сил инерции, выбрасывается из конуса и образует взвешенный слой, внутри которого происходит интенсивное смешивание компонентов. В пространстве между конусом и емкостью смесителя материал пересекает зону, через которую проходят лопасти рамной мешалки. Они дополнительно смешивают материал и направляют часть его через окна (5) вновь в конус. После перемешивания готовая смесь выгружается через лоток (10) с шибером (11).

В смесителях этого типа достигается высокая однородность смеси, а продолжительность смешивания сокращается в несколько раз по сравнению с другими типами смесителей.

Гранулирование.

Гранулирование — процесс превращения порошкообразного материала в гранулы (зерна) определенной величины. Оно позволяет предотвратить расслаивание многокомпонентных таблетируемых масс, улучшить сыпучесть (текучесть) порошков и их смесей, обеспечить равномерную скорость, поступления их в матрицу таблеточной машины и большую точность дозирования и равномерное распределение активного компонента, а следовательно, большую гарантию лечебных свойств каждой таблетки. Задача гранулирования состоит в обеспечении тесного сближения частиц порошкообразного материала и формирования из них однородных и прочных гранул определенного размера.

Гранулирование выполняют следующими способами: влажное, — (продавливанием) влажных масс, во взвешенном слое с последующим распылительным высушиванием; сухое компактирование и др. Из всех используемых способов подготовки материала к таблетированию в нашей стране и во всем мире наибольшее распространение имеет влажное гранулирование. Это объясняется тем, что данный процесс универсален, не требует сложного и дорогого оборудования и позволяет получить продукт, максимально отвечающий всем условиям прессования.

Влажное гранулирование Производство гранулированных смесей в этом случае состоит из ряда последовательных периодических операций: смешивания сухих лекарственных веществ с вспомогательными веществами, наполнителями; перемешивания порошков с гранулирующими жидкостями; собственно гранулирования (протирания влажных масс); сушки и опудривания.

Операции смешивания и равномерного увлажнения порошкообразной смеси до заданных параметров различными гранулирующими растворами обычно совмещают и проводят в смесителях лопастного типа (см. рис. 7). Перемешивание требует больших мощностей, длительно по времени — от 15 мин до 1 ч и зависит от смачиваемости порошкообразной смеси и свойств гранулирующей жидкости. Нельзя допускать переувлажнения массы, которая забивает грануляторы, замедляет процесс сушки и дает твердые гранулы после высушивания, которые превращаются в мелкий порошок при последующем смешивании.

Формование гранул осуществляется протиранием (продавливание) увлажненных масс через прочные, сделанные, как правило, из специальных сортов стали сита с определенным размером отверстий. В зависимости от требуемого гранулометрического состава таблетируемого материала диаметр отверстий сита составляет от 1 до 5 мм.

Грануляторы.

Механизмы, с помощью которых осуществляется гранулирование протиранием масс через сито, называются грануляторами или протирочными машинами.

Рисунок 9. Устройство гранулятора Гранулятор (рис. 9.) содержит рабочую камеру (1), в которой через загрузочную воронку подается влажный материал, подлежащий гранулированию. В камере на двух параллельных валах (2) установлены шнеки (3), снабженные продольными стержнями (4) и лопастными колесами (5), смонтированными на противоположных концах валов. Шнеки перемещают и протирают материал через перфорированную пластину, образующую дно рабочей камеры.

Рисунок 10. Устройство гранулятора модели 3027.

Гранулятор модели 3027 (рис. 10), серийно выпускаемый МНПО «Минмедбиоспецтехоборудование», имеет два рабочих органа и используется для влажного и сухого гранулирования. Рабочий орган механизма для влажного гранулирования состоит из цилиндра, снабженного тремя спиральными лопастями эвольвентного профиля (угол подъема спирали 80°), расположенными под углом к оси цилиндра. Они ликвидируют комкование. Рабочий орган механизма для сухого гранулирования состоит из шнека и шести протирочных стержней, что позволяет перемещать гранулируемый материал в осевом направлении.

Установка работает следующим образом: в бункер (1) загружают влажную массу или брикеты, которые, попадая в рабочую зону, с помощью рабочих органов (2) механизма, вращающихся в противоположных направлениях, продавливаются через жестко установленную гранулирующую сетку (4). При этом важно, чтобы зазор между рабочим органом механизма и гранулирующей сеткой был оптимальным и находился в пределах 1,1 — 1,5 мм. Установлено, что чем больше этот зазор, тем больше пылевидных фракций будет в гранулометрическом составе полученного гранулята и тем медленнее он будет заполнять матрицу, т. е. снизится производительность роторного пресс-автомата и точность массы таблетки. Протертый гранулят по направляющему бункеру (3) падает вниз в передвижную емкость (5), герметизированную в процессе работы с корпусом гранулятора.

В зависимости от требуемых размеров гранул устанавливают одну из сменных сеток с соответствующим диаметром отверстий от 1 до 4 мм (интервальное изменение размера диаметра отверстий — 0,5 мм). Данную установку при необходимости обеспечения непрерывности процесса используют с элеваторами для загрузки бункера и отвода готового гранулята к месту потребления.

Смесители-грануляторы. В последние годы в фармацевтическую промышленность все шире внедряются аппараты и машины, в которых совмещаются несколько технологических операций. Так, процесс гранулирования все чаще комбинируется со смешиванием либо с сушкой. Перспективны смесители-грануляторы, предназначенные для смешивания сыпучих материалов с жидкостью и их гранулирования.

Рисунок 11. Устройство центробежного смесителя-гранулятора Центробежный смеситель-гранулятор (рис. 11) имеет корпус (1), ротор (2), с отбортованным перфорированным усеченным конусом (3), патрубки ввода компонентов (4) и (5), накопитель готового продукта (6), сетку (7), защищенную экраном (8) для предотвращения ее забивания гранулами, патрубки (9) для ввода воздуха. Гранулирующая жидкость поступает по патрубку (4) и растекается по поверхности ротора (2). Сыпучий компонент по патрубку (5) попадает на слой жидкого компонента и под действием центробежных сил внедряется в него. Возможна подача нескольких сыпучих и жидких компонентов. В этом случае патрубки для подачи сыпучих материалов располагаются по окружности для лучшего распределения компонентов в смеси. Готовая смесь, дойдя до конуса (3), под действием центробежных сил протекает через отверстия, диспергируется и захватывается потоком воздуха (газа), поступающего по патрубкам (9). Полученные гранулы оседают в конической части конуса, а воздух (газ) через сетку (7) удаляется из аппарата. Размер гранул зависит от режима работы ротора, напора воздуха и геометрии перфорации конуса.

Высокоскоростные смесители-грануляторы выпускаются фирмами: «Baker Perkine» (Англия) и «Machines collete» (Бельгия). Высокоскоростной смеситель-гранулятор (рис. 12) сделан в виде герметичной полированной емкости с закругленным дном. В емкости имеются две мешалки: одна — в виде центрального скребка (3), приводимого в действие через центральный вал (14), предназначена для сообщения обрабатываемому продукту регулируемого движения; другая (10) — для разрушения частиц неправильной формы. Обе мешалки работают с регулируемой частотой вращения, которая у второй мешалки примерно в 10 раз выше, чем у первой. В аппарате осуществляется смешивание и гранулирование. Смешивание в основном обеспечивается за счет энергичного принудительного кругового перемешивания частиц и сталкивания их друг с другом. Процесс перемешивания для получения однородной по составу смеси длится 3—5 мин.

При влажном гранулировании к предварительно смешиваемому порошку в смеситель (9) подается гранулирующая жидкость и в зависимости от состава смесь перемешивается еще 3—10 мин. Подбирая скорость вращения мешалок, добиваются получения гранулята необходимой дисперсности.

После завершения процесса гранулирования открывают разгрузочный клапан (11) и при медленном вращении скребка (3) готовый продукт высыпается из емкости в течение 30—90 с для сушки в кипящем (псевдоожиженном) слое.

Установки СГ, распылительные сушилки с псевдоожиженным слоем.

Сушка увлажненных гранулятов является одним из самых энергоемких процессов. В 'производстве таблетированных лекарственных форм для сушки гранулятов используются сушилки различных конструкций и принципов действия. Наиболее перспективна сушка в псевдоожиженном слое. Основными ее преимуществами являются: высокая интенсивность процесса; уменьшение удельных энергетических затрат; возможность полной автоматизации процесса; сохранение сыпучести продукта. В отечественной химико-фармацевтической промышленности применяются сушилки этого типа, разработанные ЛНПО «Прогресс» и предназначенные для сушки таблеточных гранулятов, не содержащих органических растворителей. Пензенским заводом «Дезхим-оборудование» выпускаются сушилки СП-30, СП-60, СП-100, где цифрами обозначена номинальная загрузка исходного материала в килограммах.

Гранулирование во взвешенном (псевдоожиженном) слое относится к влажному гранулированию, но является наиболее технически совершенным и перспективным, так как позволяет совместить операции смешивания, гранулирования, сушки и опудривания в одном аппарате и организовать непрерывное производство с высокой производительностью. Гранулирование в псевдоожиженном слое материала заключается в смешивании порошкообразных ингредиентов во взвешенном слое с последующим их увлажнением гранулирующей жидкостью при продолжающемся перемешивании. Существует несколько гипотез о механизме образования гранул. Одни из них основаны на предположении, что центрами гранулирования в мелкодисперсном порошке являются капельки гранулирующей жидкости, другие предполагают центрами частицы определенной величины, внесенные в дисперсный состав порошка. Но и в том и другом случае предусматривается наличие мелкодисперсного порошка, находящегося в псевдоожиженном состоянии, и гранулирующей жидкости, распыленной до необходимой степени дисперсности. Для гранулирования таблеточных смесей во взвешенном слое широко используются установки периодического действия, к которым относятся сушилки-грануляторы типа СГ-30 (503) и СГ-60(543), разработанные Ленинградским НПО «Прогресс».

Рисунок 13. Принцип работы аппарата СГ-30 для гранулирования таблеточных смесей Принцип работы аппарата СГ-30 (503) и его устройство представлены на рис. 13. Корпус аппарата (11) сделан из трех цельносваренных секций. Продуктовый резервуар (3) имеет форму усеченного конуса, расширяющегося вверх и переходящего затем в обечайку распыливателя (4), которая соединяется с обечайкой рукавных фильтров (5).

Резервуар с исходными компонентами на тележке (1) закатывается в аппарат, поднимается пневмо-цилиндром (2) и уплотняется с обечайкой распылителя. Поток воздуха всасывается вентилятором (8), приводимым в действие электродвигателем (7), очищается в воздушных фильтрах (12), нагревается до заданной температуры в калориферной установке (16) и проходит снизу вверх через воздухораспределительную беспровальную решетку, установленную в нижней части продуктового резервуара. При этом продукт приходит во взвешенное состояние — перемешивается. Затем в псевдоожиженный слой исходных компонентов из емкости (14) дозирующим насосом (13) подается через форсунку гранулирующая жидкость и происходит гранулирование таблеточной смеси. Сжатый воздух, подаваемый к пневматической форсунке по специальной системе (15), применяется не только для распыления гранулирующей жидкости, но и для дистанционного управления форсункой. В ходе гранулирования осуществляется автоматическое встряхивание рукавных фильтров. Встряхивающее устройство (6) электропневматически сблокировано с устройством, перекрывающим заслонки (10). При встряхивании рукавных фильтров заслонка перекрывает доступ псевдоожижающего воздуха к вентилятору, прекращая таким образом, псевдоожижение продукта и снимая воздушную нагрузку с рукавных фильтров. Встряхиванием фильтры очищают от продукта, находящегося в виде пыли, который затем гранулируется. В выходной части вентилятора размещен шибер (9) с ручным механизмом управления. Он предназначен для регулирования расхода псевдоожижающего воздуха. Через определенный промежуток времени отключается система распыления и начинается сушка гранулята. Аппарат работает в автоматическом режиме. Реле времени обеспечивает последовательность и необходимую продолжительность операций, а также цикличность и длительность процесса встряхивания рукавных фильтров и синхронной с ним работы заслонки. По окончании всего цикла гранулирования автоматически выключается вентилятор и прекращается подача пара в калориферную установку. Опускается продуктовый резервуар. Тележку вместе с резервуаром выкатывают, из сушилки, гранулят поступает на таблетирование.

Применение установок типа СГ дает ряд преимуществ: сокращение производственного цикла, в большинстве случаев он длится 25—45 мин (вместо 11 — 30 ч); уменьшение количества применяемого оборудования (с 5 до 2 видов) и соответственно сокращение производственных площадей почти на 50%; снижение трудоемкости процесса, так как отпадает ряд ручных производственных операций. Следует также отметить, что в псевдоожиженном слое гранулят получается более однородный по фракционному составу, чем приготовленный методом продавливания. Основная масса гранул (60—80%) имеет размер от 0,25 до 1,5 мм. Такой гранулометрический состав способствует более равномерной работе таблеточных прессов.

Однако специфика каждого лекарственного вещества такова, что по однажды отработанной технологии гранулирования с использованием установки СГ другое вещество в данном режиме гранулировать не удается. Требуется вновь отрабатывать режимы, определять количество, качество, скорость подачи гранулирующей жидкости и т. д.

Распылительные сушилки.

Использование распылительной сушки для гранулирования целесообразно особенно тогда, когда желателен кратковременный контакт продукта с теплоносителем — воздухом и имеется возможность проводить гранулирование непосредственно из раствора. Например, для таких термолабильных продуктов как экстракты из лекарственного растительного и животного сырья, энзимы, антибиотики и др. Сущность метода заключается в том, что раствор или водная взвесь компонентов распыляется форсунками в сушильной камере, через которую проходит нагретый воздух. При распылении образуется большое количество полидисперсных капель. Благодаря большой поверхности диспергированных частиц происходит интенсивный теплои массообмен с агентом сушки, при этом распыленные частицы быстро теряют влагу. Из обезвоженных во взвешенном состоянии капель взвеси образуются сферические пористые гранулы, которые падают на дно камеры и затем удаляются конвейером. Процесс сушки гранул занимает всего несколько секунд, причем максимальная температура частиц в процессе испарения влаги в зоне повышенных температур практически не превышает 200 °C. Распылительные сушилки характеризуются большим разнообразием конструкций, что является следствием различных свойств высушивающих веществ и требований, предъявляемых к готовому продукту.

Рисунок 14. Устройство распылительной сушилки. 1 — распылительная форсунка; 2 — патрубок для удаления воздуха и пыли; 3 — вывод готового продукта; 4 — патрубок для подачи горячего воздуха Для гранулирования используются односекционные, однонаправленные (прямоточное движение капель взвеси относительно потока теплоносителя) сушилки (рис. 14), снабженные пневматическими или чаще центробежными механическими форсунками.

Гранулирование распылительным высушиванием может осуществляться в двух вариантах:

• 1) распыление суспензий наполнителей (например, лактозы, кальция сульфата и др. с добавлением склеивающего вещества и разрыхлителя. Количество твердой фазы в суспензии может быть 50—60%. Полученные гранулы затем смешивают с тонкоизмельченными лекарственными веществами и, если необходимо, со вспомогательными веществами, не введенными в состав суспензии;
• 2) распыление растворов или суспензий, состоящих из лекарственных и вспомогательных веществ.

Распылительным высушиванием получают сферические гранулы размером 100—250 мкм. Они обладают хорошей сыпучестью и легко подвергаются прессованию.

Широкому внедрению метода распылительного гранулирования препятствуют относительная громоздкость аппаратуры, большой расход воздуха, сложность улавливания мелких частиц и как следствие — большие энергетические затраты. Поэтому такой метод гранулирования целесообразно использовать лишь при производстве очень дорогих препаратов.