淺談過濾洗滌干燥機的應用

辛丹丹

（浙江亞光科技股份有限公司）

0 引言

過濾洗滌干燥機 （業內俗稱 “三合一”）能實現物料的過濾、洗滌、干燥、滅菌、卸料等連續工藝過程，其操作方式屬于分批式操作 （間歇操作），廣泛應用于制藥、食品、農藥、化工等領域。過濾洗滌干燥機主要由承壓部分的立式罐體、加熱系統、攪拌系統 （攪拌軸、攪拌槳、機械密封等）、攪拌升降機構、傳動機構、過濾介質、出料閥、噴淋裝置、滅菌裝置、液壓泵站、主電控柜 （包括變頻器、CPU）等部件組成，實現了機、電、儀一體化。在一批物料的過濾、洗滌、干燥、固體卸料等基本操作過程結束后，過濾洗滌干燥機還能用溶劑再將需要進一步處理的物料溶解，連續地進行下一步操作過程。在生產中要使過濾洗滌干燥機每一步操作工藝都達到最佳，就要很好地了解和掌握該機工藝應用的特點，以便讓多個工藝應用更好地在過濾洗滌干燥機內連續完成。本文將詳細探討過濾洗滌干燥機的結構、特點及其應用。

1 過濾

將上游反應釜或結晶設備產生的固液混合物晶漿放料到三合一設備罐體內，以壓力差為推動力實現固液混合物的過濾分離。實際應用中有加壓壓濾、真空抽濾以及加壓抽真空組合形式過濾等。加壓壓濾采用潔凈的壓縮空氣、氮氣或其他惰性氣體，具體應根據固液混合物的特性選擇壓縮氣體。例如，固液混合物易被氧化或固液混合物中有易爆介質，就不能采用壓縮空氣，而應選用惰性氣體。根據實際經驗，制藥行業一般產品壓濾壓力0.2～0.3 MPa即可實現過濾，化工或食品行業一些產品需要較高的過濾壓力，有的壓力達到1.0 MPa。

由于從上游設備結晶得到的固液混合物其固含量往往較低，因此固體卸料可以在幾個批次加料過濾完成后一次性卸料。固體顆粒被截留在過濾介質上形成濾餅，對于三合一設備來說，大多數產品為濾餅，而通過過濾介質的濾液則排出后回收利用。

影響三合一設備過濾速率的因素有過濾介質的過濾精度、固液混合物中結晶體晶型、濾餅層的厚度等。三合一設備過濾介質的過濾精度范圍通常為 2～150 μm，屬于一般的過濾范疇。對于黏度高、粒度小的物料則要考慮采用超細微孔過濾。三合一設備的核心部件是過濾介質。過濾介質通常是以某些多孔物質構成的，例如濾布、金屬燒結網、不銹鋼編織網等。過濾介質過濾精度的選擇要根據物料的粒度分布來確定。如果過濾精度過高，則過濾介質致密度大，增加了過濾阻力，將會影響過濾速率，使生產周期加長。如果過濾精度過低，會有大量的顆粒物料流失，導致產品回收率低，這種情況在生產過程中是不允許的。所以，根據物料的粒度分布及專業廠家提供的試驗設備進行試驗測試，選擇適合的過濾精度是十分必要的。

過濾精度與過濾速率緊密關聯。通常，過濾速率可按式 （1）表示：

式中：V為濾液量，m3；θ為過濾時間，s；A為過濾面積，m2；ε為濾餅空隙率；a為顆粒比表面，m2/m3； Δpc為濾液通過濾餅層的壓降，Pa；L為濾餅厚度，m；μ為流體黏度，Pa·s。

在工藝條件相同的情況下，物料中結晶體晶型的不同會導致過濾速率有大小差異。式 （1）中的項反映了物料顆粒的形狀、尺寸等特性對過濾速率的影響。在晶型不好的情況下，濾餅空隙率ε越小，顆粒比表面a越大，則過濾時間越長。在實際生產中，采用三合一設備進行過濾時，常會遇到因上游設備物料晶型不穩定導致過濾速率相差幾倍的情況。

濾餅厚度L（即濾餅阻力R）也是影響過濾速率的因素。濾餅阻力如式 （2）所示：

式中，R為濾餅阻力，1/m。

從式 （2）中不難看出，當物料顆粒特性a和ε一定時，濾餅厚度L與濾餅阻力R成正比，濾餅厚度越大，濾餅阻力就越大。過濾進行一段時間后，由于濾餅層不斷增厚，會導致過濾速率降至很低。對于不同規格的三合一設備，都有其最經濟的濾餅層厚度范圍。最佳濾餅層厚度的確定不僅需要考慮過濾工藝，同時還要考慮后續的洗滌和干燥等工藝。如果濾餅層厚度超出常規的設計范圍，則會導致后續的干燥工藝干燥效率降低。適宜的濾餅厚度值如表1所示。

表1 過濾洗滌干燥機適宜的濾餅厚度值經驗表

實際應用中過濾工藝是一個復雜的過程，除了上述的影響因素外，物料的黏度、過濾時的工藝溫度等對過濾工藝均會有影響。在過濾過程中，不同物料要求的環境溫度也有所不同。有的物料需要在冷卻條件下進行過濾，否則產品會因操作環境溫度過高而溶解于漿液中；有的物料需要在加熱條件下進行過濾，否則產品會因物料黏度過大而導致過濾速率緩慢，甚至無法實現過濾。過濾溫度不同，對過濾速率和產品回收率均有不同的影響。對于不同特性的物料，三合一設備過濾工藝的應用還有待于進一步深入研究和探索。

2 洗滌

過濾工藝完成后，需要進行下一步工藝操作，即洗滌。三合一設備罐內裝有特制的噴淋裝置，可使清洗 （洗滌）液均勻分布于罐內。通過開啟攪拌系統、攪拌升降機構、傳動機構，可使槳葉進行旋轉運動和上下軸向運動，使物料得到充分的洗滌，將晶粒表面粘附的雜質洗滌干凈。洗滌所用的洗滌液和洗滌次數需按物料、生產工藝特點而確定。

不同的產品對于洗滌攪拌的轉速要求不盡相同，三合一設備的攪拌系統可通過自動控制實現變頻調速，滿足不同產品的洗滌工藝需求。實際應用中，一般產品15～20 r/min即可滿足物料的洗滌要求，但對于一些特殊的化工產品，攪拌轉速需要提高至40～50 r/min。

三合一設備洗滌工藝中常用的噴淋裝置有兩種，一種是固定式噴淋球，另一種是旋轉噴淋球。固定式噴淋球因球體本身不旋轉，無任何摩擦，更符合我國《藥品生產質量管理規范》的要求。旋轉噴淋球因球體自身旋轉噴灑效果更優，一些品牌的旋轉噴淋球能滿足美國FDA的使用要求。

3 干燥

三合一設備的干燥工藝可以采用熱風干燥或真空干燥。采用熱風干燥或真空干燥時都必須用潔凈的惰性氣體，因為干燥過程中會有粉塵產生，要考慮設備操作環境為防爆。目前，三合一設備主流的干燥工藝為真空干燥。影響真空干燥工藝的因素主要是真空度、干燥時間、攪拌槳特性等。

真空干燥過程是采用真空系統將罐內的惰性氣體抽走，使氣體分子數減少，隔絕空氣，主要適合于易氧化變質的物料，也適合于蒸發需要回收溶劑的物料、熱敏性物料。真空狀態下，可以減少物料染菌的機會，或者抑制某些細菌的生長，因此特別適合于無菌物料的干燥。

通常，當物料顆粒表面非常濕潤時，干燥過程處于表面汽化控制階段，干燥速度較快。當物料顆粒表面含濕量降至臨界含濕量之下時，干燥過程進入降速階段。隨著汽化的進行，物料顆粒表面濕度不斷降低，內部濕分向外轉移的速度小于表面蒸發的速度，物料顆粒的表面溫度逐漸升高，汽化表面向內移動，從而使干燥速率降低。三合一設備在干燥后期可以先采用一定時間進行真空干燥，然后再進行常壓干燥，常壓干燥后再采用真空干燥，反復循環 （即采用脈動式的真空干燥方法），可提高干燥效率、縮短干燥時間。

應按照物料的特性來控制三合一設備加熱系統的加熱溫度。對于熱敏性物料需避免加熱溫度過高，以防止物料變性；對于加熱溫度沒有要求的物料，則可以適當提高加熱溫度，以縮短干燥時間。產品的干燥率要求越高，相應的干燥時間就越長，其干燥后期的干燥時間主要取決于物料本身的特性，例如分子結構、形狀、粒度等。

在干燥方面，三合一設備除了具有上述優點外，其攪拌槳也具有加熱干燥功能，可增大設備傳熱面積，提高設備的干燥能力。攪拌槳位于設備的內部，其與筒體外壁的盤管相比不僅減少了熱損失，并且還與物料直接接觸，提高了傳熱效率。經三合一設備洗滌過濾后，具有一定含濕率的物料中，部分溶劑在一定的真空度下氣化且被真空系統抽走。同時，槳葉及加熱系統不斷給物料加熱，使物料內部的溶劑通過壓力差或濃度差擴散到表面，溶劑分子在物料表面獲得足夠的動能，在克服分子間的相互吸引力后，被真空系統抽走。

三合一設備罐內的物料不斷受到攪拌槳的旋轉運動和上下軸向運動的作用，物料中的結塊不斷地被破碎，物料被逐層刮松，從而提高了干燥效率。三合一設備干燥工藝的核心部件攪拌槳，其槳葉形狀與結構為特殊的S型設計，目前不能直接套用常規的攪拌釜槳葉模型進行攪拌功率計算，只能通過實驗來確定設計所需要的數據。

4 在線滅菌

生產過程中有些產品要求使用三合一設備進行滅菌操作，并要達到一定的無菌指標，例如食品、藥品等。三合一設備在線滅菌操作是指在不拆卸的情況下，對三合一設備內部表面進行原位滅菌。熱力消毒滅菌分干熱滅菌和濕熱滅菌兩大類。目前國內外大都采用高壓水蒸氣濕熱滅菌法。水蒸氣比熱容大、穿透力強，水蒸氣滅菌可殺死所有微生物及其牙孢，具有操作簡單、易于控制、滅菌徹底可靠等優點。通過滅菌操作，三合一設備罐內達到無菌狀態，可為生產過程提供無菌潔凈的操作環境。相比于濕熱滅菌法，干熱滅菌法傳熱效果差、滅菌溫度高、滅菌時間長、生產能耗高。另外，三合一設備設計時從耐高溫性能考慮，其設備造價成本也會有所增加。三合一設備在滅菌工藝操作中能對滅菌的時間、溫度、壓力進行監測，并能記錄相應的數據，更好地滿足驗證與生產的要求。

5 過濾洗滌干燥機的優缺點

優點：過濾、洗滌、干燥等過程，傳統的工藝通常都是由離心機、洗滌槽、干燥機或烘箱等單元設備單獨完成的。三合一設備從進料到產品的排出全部過程是在一臺機內完成的，大大縮短了工藝流程，減少了設備數量，使廠房和設備、工藝管線等的投資也相應減少了，同時降低了勞動強度，減少了過程中人為因素的污染。離心機過濾不僅會破壞產品的晶型，而且不能滿足食品、藥品等的生產要求和環保要求。例如，不能滿足 《藥品生產質量管理規范 （2010年修訂）》及附錄對設備的要求 （第七十一條）：設備的設計、選型、安裝、改造和維護必須符合預定用途，應當盡可能降低生產污染、交叉污染、混淆和差錯的風險，便于操作、清潔、維護，以及必要時進行的消毒或滅菌。

缺點：三合一設備中過濾裝置的結構為平板式，設備運轉中為避免攪拌槳刮壞過濾介質，攪拌槳與過濾裝置之間存在一定的安全間隙。這樣在干燥結束出料后，在過濾介質上就會有余粉殘留。目前國內外普遍使用真空吸料或隔離保護人工余粉出料。真空吸料只適用于干燥出料后余粉松散的產品；隔離保護人工余粉出料雖然適用所有的產品，但人工操作較為繁瑣。以上方法都不能十分有效地完全解決余粉問題，只能減少余粉的殘留。

6 結語

過濾洗滌干燥機在國內已經有20多年的制造使用經驗，但對于過濾洗滌干燥機工藝應用的介紹并不多。本文對過濾洗滌干燥機過濾工藝、洗滌工藝、干燥工藝、滅菌工藝的原理進行了分析，希望能有助于過濾洗滌干燥機的實際應用。目前，國內已有設備制造廠家正在研發一種符合GMP要求的、具有結晶工藝功能的過濾洗滌干燥機，將結晶工藝引入過濾洗滌干燥機中，這是一種創新和挑戰。