单元操作粉碎混合(1)课件

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1、第一节 粉碎与分级,一、固体的粉碎 （一）概述 固体的粉碎是将大块物料借助机械力破碎成适宜程度的颗粒或细粉的操作。粉碎的主要目的在于减少粒径，增加比表面积（m2/m3或m2/kg）。一般而言，当颗粒形状一定时颗粒的比表面积与其大小成反比，即颗粒越小，比表面积越大。 通常把粉碎前粒度D与粉碎后粒度d之比称为粉碎度或粉碎比（n）。,固体药物的粉碎操作对制剂过程有一系列的意义。 固体药物的吸收首先需要溶解，细粉有利于提高难溶性药物的溶出速度以及生物利用度； 有利于固体制剂中各成分的混合均匀，混合度与各成分的粒径有关； 有利于提高固体药物在液体、半固体、气体中的分散性，并可以提高制剂质量与药效，如混悬

2、剂、软膏剂、气雾剂等；,有助于从天然药物中提取有效成分等。显然，粉碎对药品质量的影响很大。但必须注意粉碎过程可能带来的不良作用，如晶型转变、热分解、粘附与凝聚性的增大、堆密度的减少、粉末表面上吸附的空气对润湿性的影响，粉尘污染、爆炸等。,（二）粉碎机理和粉碎能量 1粉碎机理 物质依靠其分子间的内聚力而聚结成一定形状的块状物。粉碎过程主要依靠外加机械力的作用破坏物质分子间的内聚力来实现的。被粉碎的物料受到外力的作用后在局部产生很大应力或形变。开始表现为弹性变形，当施加应力超过物质的屈服力时物料发生塑性变形，当应力超过物料本身的分子间力时即可产生裂隙并发展成为裂缝，最后则破碎或开裂。,被粉碎物质可

3、分塑性物质和弹性物质。塑性物质的破碎经过较长的塑性变形阶段；弹性物质的破碎几乎不经过塑性变形阶段，到屈服点后迅速破碎成碎块。被粉碎物料迅速恢复弹性，变形时以热能释放能量，所以粉碎操作经常伴随温度上升。,粉碎过程常用的外加力有：冲击力（impact）、压缩力（compression）、剪切力（cutting）、弯曲力（bending）、研磨力（rubbing）等1，参见图16-1。被处理物料的性质、粉碎程度不同，所需施加的外力也不同。冲击、压碎和研磨作用对脆性物质有效，纤维状物料用剪切方法更有效；粗碎以冲击力和压缩力为主，细碎以剪切力、研磨力为主；要求粉碎产物能产生自由流动时，用研磨法较好。,实

4、际上多数粉碎过程是上述的几种力综合作用的结果。一种物料，在大粒径时主要表现为弹性行为，小粒径时则主要表现为塑性行为，因此粉碎较大颗粒时，粒径受粉碎装置的特性以及外力的施加方式的影响较大；粉碎细粒时，粒径受物质本身性质的影响较大。,2粉碎能量的消耗 从理论上结晶性物料的强度可以用分子（或原子）间引力（attractive force）或排斥力（repulsive force）计算，但实际测定结果比理论值小得很多。实际物料中存在的裂缝或不规则结构，在这些断层附近应力集中，在较小力作用下裂缝迅速长大以至破碎。 随着粉碎过程的进行物料粒径越小，粒子内部裂缝数目越少，粉碎所需能量越大，越不易粉碎。,一般

5、来说粉碎过程所需要能量消耗于粒子破碎时新增加的表面能、未粉碎粒子的变形、粉碎室内的粒子的移动、粒子间和粒子与粉碎室间的摩擦、振动与噪音、设备转动等。 研究结果表明，粉碎所需要的总能量是新生表面能的1001000倍，即消耗于产生新表面的能量在总消耗能量中只占0.1%1%2。粉碎操作的能量利用率非常低，因此如何提高粉碎的有效能量是粉碎操作研究的主攻方向之一。,粉碎过程受物料的物性、形状、大小、设备、作用力、操作方式等复杂条件的影响，很难用精确的计算公式来描述能量的消耗。科学家们曾提出过不少经验理论与计算公式，本节介绍其中著名的三个能量学说。 （1）Rittinger学说：是在1867年提出，“粉碎

6、所需的能量与表面积的增加成正比”，Rittinger学说适用于数十m数百m粒度范围的细粉碎中，因为细碎中表面积的增加比较显著。而且适用于脆弱的物料的粉碎。,（2）Kick学说：是在1885年提出，“粉碎所需的能量与粒子体积的减少成正比”，Kick方程适用于数mm数十mm粒度范围的粗碎中，因为粗碎时体积的变化较为显著。此时的能量消耗只与粉碎比（D1/D2）有关，与粒径大小无关。即，粒径为600mm的粒子粉碎成300mm的粒径所需的能量与粒径为200mm的粒子粉碎成100mm的粒径所需的能量相同。 （3）Bond学说：是在1952年提出，“粉碎所需的能量与颗粒中裂缝的长度成正比”，或者说粉碎所需的

7、能量与粒径的平方根成反比。该理论介于Rittinger学说与Bond学说之间。,为了便于应用提出了功指数（work index）的概念。功指数是将粒度为无穷大（D1=）的粒子粉碎成D2=100m时所需的能量，功指数在一定程度上表示粉碎物料的难易程度，功指数小的物料可碎性或可磨性较高。近年来，功指数成了比较粉碎操作效率的最有用方法之一。功指数可由实验测定。 以上介绍三种粉碎能量的规律。对整个粉碎过程来讲，开始阶段由于体积的减少更为显著而遵循Kick法则，而最终阶段细粉碎过程中表面积的增加更为突出而遵循Rittinger法则，中间阶段遵循Bond法则。,（三）粉碎方式及设备 1粉碎方式 根据被粉碎

8、物料的性质、产品粒度的要求以及粉碎设备的形式等不同条件可采用不同的粉碎方式2。 （1）闭塞粉碎与自由粉碎 闭塞粉碎（packed crushing）是在粉碎过程中，已达到粉碎要求的粉末不能及时排出而继续和粗粒一起重复粉碎的操作。这种操作，粉末成了粉碎过程的缓冲物或“软垫”，影响粉碎效果，能量消耗比较大，常用于小规模的间歇操作，如图16-2a。,自由粉碎（free crushing）是在粉碎过程中已达到粉碎粒度要求的粉末能及时排出而不影响粗粒的继续粉碎的操作。这种操作，粉碎效率高，常用于连续操作，如图16-2c。,（2）开路粉碎与循环粉碎 开路粉碎是连续把粉碎物料供给粉碎机的同时不断地从粉碎机中

9、把已粉碎的细物料取出的操作。即物料只通过一次粉碎机完成粉碎的操作，如图16-2b。该法操作简单，粒度分布宽，适合于粗碎或粒度要求不高的粉碎。 循环粉碎是经粉碎机粉碎的物料通过筛子或分级设备使粗颗粒重新返回到粉碎机反复粉碎的操作，如图16-2c。本法操作的动力消耗相对低，粒度分布窄，适合于粒度要求比较高的粉碎。,（3）干法粉碎与湿法粉碎 干法粉碎是使物料处于干燥状态下进行粉碎的操作。在药品生产中大多采用干法粉碎。 湿法粉碎是指在药物中加入适量的水或其它液体进行研磨的方法。由于液体对物料有一定渗透力和劈裂作用而有利于粉碎，即降低颗粒间的聚结，降低能量消耗，提高粉碎能力。湿法操作可避免操作时粉尘飞扬

10、，减轻某些有毒药物或刺激性药物对人体的危害。,（4）低温粉碎 低温粉碎是利用物料在低温时脆性增加、韧性与延伸性降低的性质以提高粉碎效果的方法。对于温度敏感的药物、软化温度低而容易形成“饼”的药物、极细粉的粉碎常需低温粉碎。固体石蜡的粉碎过程中加入干冰，使低温粉碎取得成功。 （5）混合粉碎 两种以上的物料一起粉碎的操作叫混合粉碎。混合粉碎可避免一些粘性物料或热塑性物料在单独粉碎时粘壁和物料间的聚结现象，可将粉碎与混合操作同时进行。,2粉碎机 粉碎机类型很多，根据对粉碎产物的粒度它目的选择适宜的粉碎机。常用的典型粉碎机有：,（1）球磨机（ball mill） 是最普通的粉碎机之一，有100多年的历

11、史。球磨机的结构与粉碎机理非常简单。如图16-3a，由水平放置的圆筒（或叫球磨罐）和内装有一定数量的钢、瓷或玻璃圆球所组成。当圆筒转动时带动内装球上升，球上升到一定高度后由于重力作用下落，靠球的上下运动使物料受到冲击力和研磨力而被粉碎。 图16-3（b、c、d）分别表示球磨机内球的运动情况。粉碎效果与圆筒的转速、球与物料的装量、球的大小与重量等有关。,圆筒转速过小时（如图c），球随罐体上升至一定高度后往下滑落，这时物料的粉碎主要靠研磨作用，效果较差。转速过大时（如图d），球与物料靠离心力作用随罐体旋转，失去物料与球体的相对运动。,当转速适宜时（如图b），除一小部分球下落外大部分球随罐体上升至一

12、定高度，并在重力与惯性力作用下沿抛物线抛落，此时物料的粉碎主要靠冲击和研磨的联合作用，粉碎效果最好。可见圆筒的转速对药物的粉碎影响较大。临界转速是使球体在离心力的作用下开始随圆筒做旋转运动的速度。临界速度VC（critical velocity）可用方程16-2表示。 式中，r表示离心半径，g为重力加速度。一般采用的适宜转速为（0.50.8）VC。,（16-2）,根据物料的粉碎程度选择适宜大小的球体，一般来说球体的直径越小、密度越大粉碎的粒径越小，适合于物料的微粉碎，甚至可达纳米级粉碎。一般球和粉碎物料的总装量为罐体总容积的50 %60%左右。 该法粉碎效率较低，粉碎时间较长，但由于密闭操作，

13、适合于贵重物料的粉碎、无菌粉碎、干法粉碎、湿法粉碎、间歇粉碎，必要时可充入惰性气体。,（2）冲击式粉碎机（impact mill） 冲击式粉碎机对物料的作用力以冲击力为主，适用于脆性、韧性物料以及中碎、细碎、超细碎等，应用广泛，因此具有“万能粉碎机”之称。其典型的粉碎结构有锤击式（图16-4）和冲击柱式（图16-5）。,锤击式粉碎机的结构，有高速旋转的旋转轴、轴上安装有数个锤头、机壳上装有衬板、下部装有筛板。当物料从加料斗进入到粉碎室时，由高速旋转的锤头的冲击和剪切作用以及被抛向衬板的撞击等作用而被粉碎，细料通过筛板出料，粗料继续被粉碎。粉碎粒度可由锤头的形状、大小、转速以及筛网的目数来调节。

14、,冲击柱式粉碎机（也叫转盘式粉碎机），在高速旋转的转盘上固定有若干圈冲击柱、另一与转盘相对应的固定盖上也固定有若干圈冲击柱。物料由加料斗加入，由固定板中心轴向进入粉碎机，由于离心作用从中心部位被甩向外壁的过程中受到冲击柱的冲击，而且冲击力越来越大（因为转盘外圈速度大于内圈速度），粉碎的越细，最后物料达到转盘外壁环状空间，细粒由底部的筛孔出料，粗粉在机内重复粉碎。粉碎程度与盘上固定的冲击柱的排列方式有关。,（3）气流式粉碎机 气流式粉碎机的粉碎动力来源于高速气流。常用于物料的微粉碎，因而具有“微粉机”之称。气流式粉碎机的形式很多3，其中最常用的典型结构为如图16-6所示的：（a）圆盘式气流粉碎机

15、（b）跑道式气流粉碎机。,气流粉碎机的粉碎机理完全不同于上述各种粉碎机，物料被压缩空气引射进入粉碎室，7个气压10个气压的压缩空气通过喷嘴沿切线进入粉碎室时产生超音速气流，物料被气流带入粉碎室被气流分散、加速，并在粒子与粒子间、粒子与器壁间发生强烈撞击、冲击、研磨而进行粉碎。压缩空气夹带的细粉由出料口进入旋风分离器或袋滤器进行分离，较大颗粒由于离心力的作用沿器壁外侧重新带入粉碎室，重复粉碎过程。,粉碎程度与喷嘴的个数与角度、粉碎室的几何形状、气流的压缩压力以及进料量等有关。一般进料量越多，所获得粉碎物的粒度越大。 气流粉碎机的粉碎有以下特点： 可进行粒度要求为3m20m超微粉碎； 由于高压空气

16、从喷嘴喷出时产生焦耳汤姆逊冷却效应，故适用于热敏性物料和低熔点物料粉碎； 设备简单、易于对机器及压缩空气进行无菌处理，可适用于无菌粉末的粉碎；,和其它粉碎机相比粉碎费用高，但粉碎药物的粒度要求高时还是值得的。 3几种粉碎机的比较 根据粉碎机的类别比较粉碎机理以及应用范围如表16-1所示4。根据物料的性质与粉碎产品的要求选择适宜粉碎机。,二、粉体的分级（筛分） （一）概述 分级（classification）是将粒子群按粒子的大小、形状、比重、带电性以及磁性等粉体性质进行分离的方法。在制药工业中常遇到的分级是按粒度大小进行分离的操作。而通常指的分级就是“粒度分级”。 常用的粒度分级方法有：重力分级、惯性分级、离心分级、过筛分级等。,本节重点介绍过筛分级筛分法。筛分法是借助筛网孔径大小将物料进行分离的方法。筛分法操作简单、经济而且分级精度较高，因此在医药工业中应用最广泛的分级操作之一。,筛分的目的概括起来就是为了获得较均匀的粒子群。即或筛除粗粉取细粉，或筛除细粉取粗粉，或筛除粗、细粉取中粉等。这对药品质量