喂料机在制药连续式生产中的性能改善


作者:Sharon Nowak 日期:2017/10/24 来源:PHT《制药业》

能够实现精确喂料和连续补料的失重喂料机设备——对固体制剂连续式生产过程起着至关重要的作用。随着制药行业继续调研和采纳连续生产,失重式(LIW)喂料机的作用以及这种喂料机带来的精确喂料和连续补料能力将越发重要。

美国食品与药品管理局(FDA)最近批准了2种采用连续生产技术生产的固体制剂配方,这次里程碑式的批准让全球药业界注意到连续生产技术的优点。随着制药行业继续调研和采纳连续生产,失重式(LIW)喂料机的作用以及这种喂料机带来的精确喂料和连续补料能力将越发重要。补料方法的重要性、补料过程中的控制算法、补料设备反应时间以及补料料斗的尺寸都是重要的变量,但这些变量经常在设计连续生产系统时被忽视。本文概述了补料过程中一些重要的考虑因素。以及这些因素对失重式喂料机的精度的影响,其对整个连续生产过程的影响。

失重式喂料

失重式喂料机通过称量整个喂料机、料斗和料斗内物料的重量来控制喂料量(如图1所示)。通过控制喂料装置的速度就可以得到一个等于设定喂料速度的每单位时间系统失重量。作为失重式喂料过程的紧密组成部分,向经过称重的料斗内补充物料是必需的。多种制药生产过程均需要这种补料。这些生产过程包括连续挤出(热融和湿法制粒挤出)、连续直接压片和连续湿法制粒。

图1 安装在圆盘式重量传感器上的Coperion K-Tron公司失重式喂料机

喂料机补料。可以采用手动方式或自动方式补料。手动方式意味着由设备操作者将一定数量的散料投入到喂料机料斗内,随后生产过程继续。而自动方式意味着处于喂料系统控制下的补料设备从上游供料源将物料添加到喂料机料斗。

过去,在整个补料阶段全程采用恒定的电机转速,这个转速对应于与马上就要进入补料阶段之前失重喂料阶段的电机转速。举例来说,在系统感测到需要给供应料斗补料之前最近时刻的转速平均为60 RPM,则转速将在本次补料作业期间保持在这个60 RPM的速度。在补料完成后,物料稳定下来,喂料机感测到正在适当减轻的系统重量,则喂料机返回至失重模式,此时转速再次变成了控制参数。

这种技术存在2个相关问题,第一,在补料期间,喂料机只作为体积式喂料机工作。第二,在再次进入真正的失重模式时,喂料机速度有可能发生突然变化,导致在一定程度上延长的偏离设定流量时间段,直至喂料机稳定进入新的正确流速为止。

图2 失重补偿给料工作原理

如图2所示绘制了一幅料斗重量对时间的变化曲线图,图中显示出正在下降的重量信号,其斜率即为喂料速率(每单位时间内系统重量的变化量)。请注意,在进入补料作业阶段之前,料斗并没有完全倒空,主要用于确保在球斗中形成一直存在的物料供应流,让喂料过程可以不间断继续执行。另外,如果不存足够的物料在球斗中,则在补料过程当中,正在进入并且可能夹杂空气的物料形成的不断增大的压力有可能导致物料不受控制地猛冲流过喂料机。

即使有发挥着隔离作用的物料存在,随着料斗的注满,计量区域内的物料堆堆密度也将升高。在补料期间螺杆转速恒定的情况下,这种堆密度上升将导致喂料精度严重降级(喂料过多),因为将有越来越多的物料进入料斗,并将物料压实在料斗的下半部分区域。精度受到的影响会达到多少呢?这个答案取决于料斗尺寸/几何形状以及物料本身的可压实性。涉及数百种物料的实验室试验和现场使用经验表明,在实际使用当中,与顶部负荷相关的LIW喂料过多对于堆密度相对恒定的物料来说可能处在+/-1%的范围内。但是,对于粉末和其它堆密度变化显著的物料,这种变动范围可能高达+/-10~15%。当在连续生产当中处理可以压实的药品粉末时,这种变动有可能显著影响到精度。

采用智能补料算法,通过开发一种存储和趋势分析重量与速度关系的控制方法避免了这些问题。这种方法称为智能补料技术(SRT),其中抛弃了保持恒定转速的方式。在自动补料期间,不再将喂料机控制系统切换至恒定转速控制方式,而依靠在上一个喂料周期内获得的趋势分析数据。随着料斗清空,针对对应的电机速度进行趋势分析。当执行补料时,对应的料斗重量将采用相同的对应电机速度(如图3所示)。

图3 智能加料控制概念

补料窗口必须针对所进给的物料及其特性来进行评估。SRT使得螺杆转速能够在补料期间逐步降低以精密地抵消物料随着料斗重量增加而在计量区域发生的物料堆堆密度增大的影响。通过这种方法,可以在短暂的补料作业当中保持喂料精度。

智能加料技术

如图3所示说明了智能补料技术(SRT)方法。其中上图绘制了净料斗重量对时间曲线图。开始时,料斗是满的(净料斗重量等于补料完成重量),此时喂料处于有效阶段,喂料机正常工作。随着净料斗重量下降,控制器还会测定和存储一组最多可达100个的喂料系数,其中每个系数均为在与该喂料系数相关联的料斗重量点处物料的平均堆堆密度指数。低喂料系数表示要求采用更高的螺杆转速才能喂出给定重量的物料,这意味着物料堆密度已经降低。相反,较高的喂料系数反映了较高的物料堆密度,因为只需较低的转速就能输送相同的物料重量。

图3的中图显示了螺杆转速对时间曲线图。在失重式喂料阶段的早期部分