浅谈过滤洗涤干燥机的应用

辛丹丹

（浙江亚光科技股份有限公司）

0 引言

过滤洗涤干燥机 （业内俗称 “三合一”）能实现物料的过滤、洗涤、干燥、灭菌、卸料等连续工艺过程，其操作方式属于分批式操作 （间歇操作），广泛应用于制药、食品、农药、化工等领域。过滤洗涤干燥机主要由承压部分的立式罐体、加热系统、搅拌系统 （搅拌轴、搅拌桨、机械密封等）、搅拌升降机构、传动机构、过滤介质、出料阀、喷淋装置、灭菌装置、液压泵站、主电控柜 （包括变频器、CPU）等部件组成，实现了机、电、仪一体化。在一批物料的过滤、洗涤、干燥、固体卸料等基本操作过程结束后，过滤洗涤干燥机还能用溶剂再将需要进一步处理的物料溶解，连续地进行下一步操作过程。在生产中要使过滤洗涤干燥机每一步操作工艺都达到最佳，就要很好地了解和掌握该机工艺应用的特点，以便让多个工艺应用更好地在过滤洗涤干燥机内连续完成。本文将详细探讨过滤洗涤干燥机的结构、特点及其应用。

1 过滤

将上游反应釜或结晶设备产生的固液混合物晶浆放料到三合一设备罐体内，以压力差为推动力实现固液混合物的过滤分离。实际应用中有加压压滤、真空抽滤以及加压抽真空组合形式过滤等。加压压滤采用洁净的压缩空气、氮气或其他惰性气体，具体应根据固液混合物的特性选择压缩气体。例如，固液混合物易被氧化或固液混合物中有易爆介质，就不能采用压缩空气，而应选用惰性气体。根据实际经验，制药行业一般产品压滤压力0.2～0.3 MPa即可实现过滤，化工或食品行业一些产品需要较高的过滤压力，有的压力达到1.0 MPa。

由于从上游设备结晶得到的固液混合物其固含量往往较低，因此固体卸料可以在几个批次加料过滤完成后一次性卸料。固体颗粒被截留在过滤介质上形成滤饼，对于三合一设备来说，大多数产品为滤饼，而通过过滤介质的滤液则排出后回收利用。

影响三合一设备过滤速率的因素有过滤介质的过滤精度、固液混合物中结晶体晶型、滤饼层的厚度等。三合一设备过滤介质的过滤精度范围通常为 2～150 μm，属于一般的过滤范畴。对于黏度高、粒度小的物料则要考虑采用超细微孔过滤。三合一设备的核心部件是过滤介质。过滤介质通常是以某些多孔物质构成的，例如滤布、金属烧结网、不锈钢编织网等。过滤介质过滤精度的选择要根据物料的粒度分布来确定。如果过滤精度过高，则过滤介质致密度大，增加了过滤阻力，将会影响过滤速率，使生产周期加长。如果过滤精度过低，会有大量的颗粒物料流失，导致产品回收率低，这种情况在生产过程中是不允许的。所以，根据物料的粒度分布及专业厂家提供的试验设备进行试验测试，选择适合的过滤精度是十分必要的。

过滤精度与过滤速率紧密关联。通常，过滤速率可按式 （1）表示：

式中：V为滤液量，m3；θ为过滤时间，s；A为过滤面积，m2；ε为滤饼空隙率；a为颗粒比表面，m2/m3； Δpc为滤液通过滤饼层的压降，Pa；L为滤饼厚度，m；μ为流体黏度，Pa·s。

在工艺条件相同的情况下，物料中结晶体晶型的不同会导致过滤速率有大小差异。式 （1）中的项反映了物料颗粒的形状、尺寸等特性对过滤速率的影响。在晶型不好的情况下，滤饼空隙率ε越小，颗粒比表面a越大，则过滤时间越长。在实际生产中，采用三合一设备进行过滤时，常会遇到因上游设备物料晶型不稳定导致过滤速率相差几倍的情况。

滤饼厚度L（即滤饼阻力R）也是影响过滤速率的因素。滤饼阻力如式 （2）所示：

式中，R为滤饼阻力，1/m。

从式 （2）中不难看出，当物料颗粒特性a和ε一定时，滤饼厚度L与滤饼阻力R成正比，滤饼厚度越大，滤饼阻力就越大。过滤进行一段时间后，由于滤饼层不断增厚，会导致过滤速率降至很低。对于不同规格的三合一设备，都有其最经济的滤饼层厚度范围。最佳滤饼层厚度的确定不仅需要考虑过滤工艺，同时还要考虑后续的洗涤和干燥等工艺。如果滤饼层厚度超出常规的设计范围，则会导致后续的干燥工艺干燥效率降低。适宜的滤饼厚度值如表1所示。

表1 过滤洗涤干燥机适宜的滤饼厚度值经验表

实际应用中过滤工艺是一个复杂的过程，除了上述的影响因素外，物料的黏度、过滤时的工艺温度等对过滤工艺均会有影响。在过滤过程中，不同物料要求的环境温度也有所不同。有的物料需要在冷却条件下进行过滤，否则产品会因操作环境温度过高而溶解于浆液中；有的物料需要在加热条件下进行过滤，否则产品会因物料黏度过大而导致过滤速率缓慢，甚至无法实现过滤。过滤温度不同，对过滤速率和产品回收率均有不同的影响。对于不同特性的物料，三合一设备过滤工艺的应用还有待于进一步深入研究和探索。

2 洗涤

过滤工艺完成后，需要进行下一步工艺操作，即洗涤。三合一设备罐内装有特制的喷淋装置，可使清洗 （洗涤）液均匀分布于罐内。通过开启搅拌系统、搅拌升降机构、传动机构，可使桨叶进行旋转运动和上下轴向运动，使物料得到充分的洗涤，将晶粒表面粘附的杂质洗涤干净。洗涤所用的洗涤液和洗涤次数需按物料、生产工艺特点而确定。

不同的产品对于洗涤搅拌的转速要求不尽相同，三合一设备的搅拌系统可通过自动控制实现变频调速，满足不同产品的洗涤工艺需求。实际应用中，一般产品15～20 r/min即可满足物料的洗涤要求，但对于一些特殊的化工产品，搅拌转速需要提高至40～50 r/min。

三合一设备洗涤工艺中常用的喷淋装置有两种，一种是固定式喷淋球，另一种是旋转喷淋球。固定式喷淋球因球体本身不旋转，无任何摩擦，更符合我国《药品生产质量管理规范》的要求。旋转喷淋球因球体自身旋转喷洒效果更优，一些品牌的旋转喷淋球能满足美国FDA的使用要求。

3 干燥

三合一设备的干燥工艺可以采用热风干燥或真空干燥。采用热风干燥或真空干燥时都必须用洁净的惰性气体，因为干燥过程中会有粉尘产生，要考虑设备操作环境为防爆。目前，三合一设备主流的干燥工艺为真空干燥。影响真空干燥工艺的因素主要是真空度、干燥时间、搅拌桨特性等。

真空干燥过程是采用真空系统将罐内的惰性气体抽走，使气体分子数减少，隔绝空气，主要适合于易氧化变质的物料，也适合于蒸发需要回收溶剂的物料、热敏性物料。真空状态下，可以减少物料染菌的机会，或者抑制某些细菌的生长，因此特别适合于无菌物料的干燥。

通常，当物料颗粒表面非常湿润时，干燥过程处于表面汽化控制阶段，干燥速度较快。当物料颗粒表面含湿量降至临界含湿量之下时，干燥过程进入降速阶段。随着汽化的进行，物料颗粒表面湿度不断降低，内部湿分向外转移的速度小于表面蒸发的速度，物料颗粒的表面温度逐渐升高，汽化表面向内移动，从而使干燥速率降低。三合一设备在干燥后期可以先采用一定时间进行真空干燥，然后再进行常压干燥，常压干燥后再采用真空干燥，反复循环 （即采用脉动式的真空干燥方法），可提高干燥效率、缩短干燥时间。

应按照物料的特性来控制三合一设备加热系统的加热温度。对于热敏性物料需避免加热温度过高，以防止物料变性；对于加热温度没有要求的物料，则可以适当提高加热温度，以缩短干燥时间。产品的干燥率要求越高，相应的干燥时间就越长，其干燥后期的干燥时间主要取决于物料本身的特性，例如分子结构、形状、粒度等。

在干燥方面，三合一设备除了具有上述优点外，其搅拌桨也具有加热干燥功能，可增大设备传热面积，提高设备的干燥能力。搅拌桨位于设备的内部，其与筒体外壁的盘管相比不仅减少了热损失，并且还与物料直接接触，提高了传热效率。经三合一设备洗涤过滤后，具有一定含湿率的物料中，部分溶剂在一定的真空度下气化且被真空系统抽走。同时，桨叶及加热系统不断给物料加热，使物料内部的溶剂通过压力差或浓度差扩散到表面，溶剂分子在物料表面获得足够的动能，在克服分子间的相互吸引力后，被真空系统抽走。

三合一设备罐内的物料不断受到搅拌桨的旋转运动和上下轴向运动的作用，物料中的结块不断地被破碎，物料被逐层刮松，从而提高了干燥效率。三合一设备干燥工艺的核心部件搅拌桨，其桨叶形状与结构为特殊的S型设计，目前不能直接套用常规的搅拌釜桨叶模型进行搅拌功率计算，只能通过实验来确定设计所需要的数据。

4 在线灭菌

生产过程中有些产品要求使用三合一设备进行灭菌操作，并要达到一定的无菌指标，例如食品、药品等。三合一设备在线灭菌操作是指在不拆卸的情况下，对三合一设备内部表面进行原位灭菌。热力消毒灭菌分干热灭菌和湿热灭菌两大类。目前国内外大都采用高压水蒸气湿热灭菌法。水蒸气比热容大、穿透力强，水蒸气灭菌可杀死所有微生物及其牙孢，具有操作简单、易于控制、灭菌彻底可靠等优点。通过灭菌操作，三合一设备罐内达到无菌状态，可为生产过程提供无菌洁净的操作环境。相比于湿热灭菌法，干热灭菌法传热效果差、灭菌温度高、灭菌时间长、生产能耗高。另外，三合一设备设计时从耐高温性能考虑，其设备造价成本也会有所增加。三合一设备在灭菌工艺操作中能对灭菌的时间、温度、压力进行监测，并能记录相应的数据，更好地满足验证与生产的要求。

5 过滤洗涤干燥机的优缺点

优点：过滤、洗涤、干燥等过程，传统的工艺通常都是由离心机、洗涤槽、干燥机或烘箱等单元设备单独完成的。三合一设备从进料到产品的排出全部过程是在一台机内完成的，大大缩短了工艺流程，减少了设备数量，使厂房和设备、工艺管线等的投资也相应减少了，同时降低了劳动强度，减少了过程中人为因素的污染。离心机过滤不仅会破坏产品的晶型，而且不能满足食品、药品等的生产要求和环保要求。例如，不能满足 《药品生产质量管理规范 （2010年修订）》及附录对设备的要求 （第七十一条）：设备的设计、选型、安装、改造和维护必须符合预定用途，应当尽可能降低生产污染、交叉污染、混淆和差错的风险，便于操作、清洁、维护，以及必要时进行的消毒或灭菌。

缺点：三合一设备中过滤装置的结构为平板式，设备运转中为避免搅拌桨刮坏过滤介质，搅拌桨与过滤装置之间存在一定的安全间隙。这样在干燥结束出料后，在过滤介质上就会有余粉残留。目前国内外普遍使用真空吸料或隔离保护人工余粉出料。真空吸料只适用于干燥出料后余粉松散的产品；隔离保护人工余粉出料虽然适用所有的产品，但人工操作较为繁琐。以上方法都不能十分有效地完全解决余粉问题，只能减少余粉的残留。

6 结语

过滤洗涤干燥机在国内已经有20多年的制造使用经验，但对于过滤洗涤干燥机工艺应用的介绍并不多。本文对过滤洗涤干燥机过滤工艺、洗涤工艺、干燥工艺、灭菌工艺的原理进行了分析，希望能有助于过滤洗涤干燥机的实际应用。目前，国内已有设备制造厂家正在研发一种符合GMP要求的、具有结晶工艺功能的过滤洗涤干燥机，将结晶工艺引入过滤洗涤干燥机中，这是一种创新和挑战。