Trong quá trình sản xuất dạng bào chế rắn, máy sấy tầng sôi thường xuyên được lựa chọn. Máy sấy tầng sôi mang lại những ưu điểm như truyền nhiệt tuyệt vời, công suất sản xuất cao, phân bố nhiệt độ đồng đều, chế độ vận hành đa dạng, thời gian lưu trữ vật liệu có thể điều chỉnh, chi phí đầu tư thấp và bảo trì tối thiểu.
Sau hơn 30 năm sử dụng và cải tiến ở Trung Quốc, chúng đã chứng tỏ được vị thế độc tôn trong lĩnh vực sấy khô và vai trò quan trọng của chúng ngày càng được thể hiện rõ trong các ngành dược phẩm, hóa chất và thực phẩm.
1. Nguyên lý làm việc, quy trình và đặc điểm của máy sấy tầng sôi
1.1 Nguyên tắc làm việc Máy sấy tầng sôi, còn được gọi là sấy tầng sôi, sử dụng không khí sạch đã được lọc. Thông qua trao đổi nhiệt đối lưu trong bộ trao đổi nhiệt, nhiệt độ không khí tăng lên đến một giá trị nhất định trước khi đi vào ống phân phối không khí chính. Sau đó, không khí được phân phối bằng van vào máy sấy tầng sôi, trong khi vật liệu ướt đi vào từ máy cấp liệu. Do áp suất không khí, vật liệu chuyển sang trạng thái sôi trong máy sấy, đảm bảo tiếp xúc đầy đủ giữa không khí nóng và vật liệu, tăng cường quá trình truyền nhiệt và khối, đồng thời thúc đẩy quá trình bay hơi và tách ẩm trong vật liệu trong thời gian ngắn. Sau khi sấy khô, vật liệu được thải ra khỏi cổng xả và khí thải được thải ra từ đỉnh tầng sôi. Bột rắn được thu hồi bằng máy thu bụi lốc xoáy và túi lọc trước khi thải vào khí quyển.
1.2 Quy trình làm việc: Vật liệu được vận chuyển đến tầng sôi thông qua xe đẩy nguyên liệu và được bịt kín vào giường bằng vòng đệm dưới tác động của cơ cấu nâng xi lanh. Sau đó, không khí được dẫn động bởi quạt hút cảm ứng, được làm sạch bằng bộ lọc, làm nóng bằng bộ tản nhiệt và sau đó được phân phối vào tầng sôi (buồng sấy) thông qua tấm phân phối luồng khí (màn hình). Vật liệu trong phễu tạo thành trạng thái hóa lỏng (tức là tầng sôi) dưới tác dụng của không khí nóng và khuấy trộn. Trong tiếp xúc hai pha khí-rắn diện rộng, độ ẩm (hoặc dung môi) bên trong vật liệu bay hơi trong thời gian ngắn và bị cuốn theo khí thải, do đó làm khô vật liệu.
1.3 Đặc tính kỹ thuật (1) Hiệu ứng truyền nhiệt tuyệt vời, nhiệt độ tương đối đồng đều trong lớp, hệ số công suất nhiệt cao (hoặc hệ số truyền nhiệt thể tích) và công suất sản xuất lớn; (2) Do sự phân bố nhiệt độ đồng đều trong tầng sôi nên có thể tránh được hiện tượng quá nhiệt cục bộ của sản phẩm, khiến sản phẩm đặc biệt thích hợp để sấy khô một số vật liệu nhạy cảm với nhiệt (chẳng hạn như konjac, polyacrylamide, v.v.); (3) Hoạt động liên tục hoặc gián đoạn có thể được thực hiện trong cùng một thiết bị; (4) Thời gian lưu trú của vật liệu trong máy sấy có thể được điều chỉnh khi cần thiết, mang lại độ ẩm sản phẩm ổn định; (5) Tủ điện độc lập và điều khiển giao diện người-máy PLC, tích hợp tất cả các cài đặt thông số sấy, đảm bảo vận hành an toàn và thuận tiện; (6) Ít bộ phận truyền động cơ học hơn trong thiết bị sấy, dẫn đến chi phí đầu tư thiết bị thấp và khối lượng công việc bảo trì tối thiểu.
2. Đề xuất cải tiến máy sấy tầng sôi Sau khi được ứng dụng và phát triển lâu dài, máy sấy tầng sôi đã có những cải tiến đáng kể về cấu trúc và hiệu suất, đồng thời chất lượng của chúng không ngừng được cải thiện. Tuy nhiên, một số vấn đề vẫn tồn tại. Dựa trên thực tiễn sản xuất, các đề xuất cải tiến sau đây được đề xuất:
2.1 Đề xuất cải thiện việc sử dụng nhiệt không đủ Máy sấy tầng sôi về bản chất là thiết bị sấy đối lưu không khí. So với thiết bị sấy dẫn nhiệt, mức tiêu thụ năng lượng của chúng thực sự cao hơn. Tuy nhiên, với một số biện pháp nhất định, có thể đạt được mức tiết kiệm năng lượng đáng kể. Gợi ý: (1) Nâng cao hiệu quả bịt kín của thiết bị. Hiện nay, hầu hết các phễu sấy tầng sôi đều được kết nối với thân thiết bị bằng mặt bích phẳng nên khả năng bịt kín kém. Nên sử dụng mặt bích nâng cao trong thiết kế. Nhiều máy sấy bơm nhập khẩu sử dụng ống thép quấn có cánh tản nhiệt để trao đổi nhiệt. Trong khi ống thép có thể tiết kiệm chi phí vật liệu nhưng hiệu quả trao đổi nhiệt của chúng lại kém. Nên sử dụng ống đồng thay thế. (2) Tăng cường các biện pháp cách nhiệt. Thêm một lớp cách nhiệt vào lớp vỏ ngoài của bộ trao đổi nhiệt để giảm thất thoát nhiệt. 2.2 Đề xuất cải tiến thiết bị thu gom bụi
Điều kiện cơ bản để vận hành tầng sôi thành công là vật liệu có trạng thái hóa lỏng tốt, được duy trì bằng bộ lọc bụi hiệu quả cao. Hiệu suất loại bỏ bụi của bộ lọc bụi quyết định phần lớn hiệu ứng hóa lỏng. Hiện nay, các phương pháp loại bỏ bụi chính là thu bụi túi lắc và thu bụi phản lực xung.
Gợi ý: Sử dụng kết nối kẹp cho túi lọc, chọn vật liệu cứng, không dễ biến dạng cho thanh treo và thường xuyên kiểm tra và thay thế túi lọc.
2.3 Đề xuất cải thiện tấm phân phối luồng khí (Màn hình)
Tấm phân phối luồng khí trong máy sấy tầng sôi có hai chức năng: hỗ trợ lớp vật liệu và đảm bảo phân phối khí đồng đều. Kích thước, hình dạng, kiểu phân phối và tỷ lệ lỗ của các lỗ tấm phân phối đều có tác động quan trọng đến việc phân phối chất lỏng. Sự phân bố khí không đồng đều có thể gây ra hiện tượng "lưu thông" trong tầng sôi. Trong những trường hợp cực đoan, điều này có thể dẫn đến tình trạng “phân kênh” ở một số khu vực trong khi những khu vực khác vẫn trì trệ. Trong tình huống này, hầu hết khí bị đoản mạch thông qua các kênh nhất định trong lớp, làm xấu đi đáng kể sự tiếp xúc giữa khí và rắn – một tình huống cần tránh. Tấm phân phối được thiết kế tốt sẽ hạn chế tình trạng không bằng phẳng bên trong giường. Nghĩa là, khi độ giảm áp suất giảm và tốc độ luồng không khí tăng lên ở một số khu vực nhất định của giường, lực cản do tấm phân phối tạo ra sẽ có thể ngăn chặn sự gia tăng luồng không khí, do đó ngăn chặn sự suy giảm quá trình hóa lỏng.
Hiện nay, hầu hết các máy sấy tầng sôi đều sử dụng một loại tấm phân phối luồng khí duy nhất, thường là tấm đục lỗ thẳng đứng hoặc tấm lưới dệt. Điều này dễ dẫn đến hiện tượng hóa lỏng không đồng đều hoặc tạo ra vùng chết trong quá trình hóa lỏng nguyên liệu, không đảm bảo tính đồng nhất của thuốc trong các hạt. Hơn nữa, thiết kế một lỗ không thể đáp ứng yêu cầu của quy trình sản xuất các loại thuốc khác nhau. Mặt khác, để giảm rò rỉ thuốc, cấu trúc lưới nhiều lớp thường được sử dụng. Tấm phân phối luồng khí và tầng sôi thường được cố định bằng nhiều bu lông, khiến việc tháo lắp trở nên bất tiện, khó vệ sinh và dễ tích tụ cặn dẫn đến lây nhiễm chéo. Khuyến nghị: Sử dụng các mô hình động lực học chất lỏng có sự hỗ trợ của máy tính cũng như mô hình truyền nhiệt và khối lượng để thực hiện các tính toán và xác minh mô phỏng khí động học và nhiệt động lực học trên các thông số như khoảng cách lỗ, đường kính lỗ và tỷ lệ diện tích mở trong quá trình thiết kế tấm phân phối luồng khí, nhằm đáp ứng yêu cầu quy trình sản xuất của các vật liệu khác nhau. Về lắp đặt, phương thức kết nối phải có thể tháo rời để đảm bảo lắp đặt nhanh chóng và vệ sinh kỹ lưỡng.
2.4 Khuyến nghị cải thiện xử lý khí nạp
Cửa hút gió nóng thường được đặt trong phòng thiết bị phụ trợ, được lắp đặt cùng với các thiết bị sưởi ấm và bộ giảm thanh. Phòng thiết bị phụ trợ và khu vực sạch không có cửa ra vào hoặc cửa sổ trực tiếp. Mức độ sạch không khí trong phòng thiết bị phụ trợ thường tương đối thấp, điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng không khí nóng dược phẩm. Điều này đòi hỏi bản thân thiết bị phải có thiết bị lọc tốt; nếu không, không khí chưa được lọc sẽ làm ô nhiễm thuốc, khó đáp ứng yêu cầu GMP.
Hiện nay, nhiều hệ thống thiết bị gia dụng có cấu hình bộ xử lý không khí như sau: bộ lọc sơ bộ—bộ lọc hiệu suất trung bình—sưởi ấm bằng hơi nước (hoặc sưởi ấm bằng điện)—bộ lọc (phụ)hiệu suất cao. Mặc dù hệ thống xử lý không khí được trang bị bộ lọc sơ bộ, bộ lọc trung bình và bộ lọc hiệu suất cao nhưng bộ lọc hiệu suất cao có thể bị tắc hoặc hư hỏng theo thời gian. Hiện nay, nhu cầu thay thế chỉ có thể xác định được bằng trực quan, thiếu cơ sở lý luận. Việc thay thế sớm sẽ làm tăng chi phí, trong khi việc thay thế chậm trễ có nguy cơ làm suy giảm chất lượng không khí, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Khuyến nghị: Thêm màn hình hiển thị chênh lệch áp suất trước và sau bộ lọc hiệu suất cao, kích hoạt cảnh báo để nhắc nhở thay thế khi chênh lệch áp suất đạt đến một giá trị nhất định.
Hơn nữa, hầu hết các thiết bị đều thiếu thiết bị hút ẩm, dẫn đến vấn đề hút ẩm không khí dai dẳng, đặc biệt là vào cuối mùa xuân và mùa hè khi độ ẩm cao. Việc không hút ẩm có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sấy khô vật liệu. Khuyến nghị: Thêm thiết bị hút ẩm.
Nhiều thiết bị thiếu hệ thống phối hợp giữa quạt gió cảm ứng và van điều tiết, có khả năng gây ra luồng không khí ngược giữa lúc tắt quạt và đóng van điều tiết. Khuyến nghị: Liên kết việc khởi động/dừng của quạt với việc đóng và mở van điều tiết. Van điều tiết phải mở đồng thời khi quạt khởi động và đóng đồng bộ khi quạt dừng để ngăn không khí chảy ngược. 2.5 Đề xuất cải thiện việc tích hợp thiết bị và quy trình sản xuất
Quy trình sấy và thiết kế thiết bị không hợp lý có thể dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể. Để giải quyết triệt để những vấn đề này, cần phải nghiên cứu một cách có hệ thống về đặc tính sấy của sản phẩm để xác định các thông số của quá trình sấy tối ưu, chẳng hạn như nghiên cứu tính chất của vật liệu được sấy. Bản thân đặc tính của vật liệu là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình sấy khô; Hình dạng, kích thước, độ dày đóng gói, phương pháp liên kết độ ẩm và tính chất hóa học của vật liệu đều ảnh hưởng đến tốc độ sấy. Ngoại trừ một số công ty trong nước, hầu hết các nhà sản xuất thiết bị đều thiếu hiểu biết về công nghệ quy trình lập công thức và các điều kiện cần thiết để tiến hành thí nghiệm quy trình. Sự hiểu biết của họ về điều kiện sử dụng của các loại vật liệu khác nhau cũng chưa đầy đủ, dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển không đầy đủ và gặp khó khăn trong việc phát triển sản phẩm mới.
2.6 Đề xuất cải tiến hệ thống kiểm soát
Hiện nay, các thông số vận hành của thiết bị tầng sôi thường được thiết lập dựa trên kinh nghiệm của người vận hành. Tuy nhiên, hoàn toàn có thể đạt được khả năng kiểm soát thông minh và truy xuất nguồn gốc các thông số quy trình. Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về hệ thống điều khiển điện của thiết bị tầng sôi. Trong các hệ thống điều khiển điện, cần có một loạt thiết bị để phát hiện nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, chênh lệch áp suất, tốc độ gió, thời gian hoạt động, nồng độ bụi, v.v. và thu được dữ liệu cơ bản. Dữ liệu này sau đó được truyền và lưu trữ trên màn hình cảm ứng thông qua bộ phát. Màn hình cảm ứng lưu trữ và phân tích dữ liệu, sau đó hình thành lộ trình xử lý phù hợp để đạt được khả năng kiểm soát thông minh.
2.6.1 Kiểm soát nhiệt độ
Các phương pháp điều khiển hệ thống sưởi không khí nóng thông thường sử dụng chế độ "bật" và "tắt" đơn giản. Khi nhiệt độ đạt đến giá trị cài đặt, việc cung cấp hơi nước dừng lại nhưng bộ trao đổi nhiệt vẫn còn nhiệt dư khiến nhiệt độ không khí tiếp tục tăng và ngược lại. Điều này dẫn đến nhiệt độ dao động quá mức, ảnh hưởng đến chất lượng sấy của thiết bị. Khuyến nghị: Duy trì nhiệt độ không khí vào bằng cách kiểm soát tốc độ dòng hơi. Ban đầu, tốc độ dòng hơi phải cao hơn để nhanh chóng đưa nhiệt độ khí vào gần với giá trị cài đặt. Sau đó, tốc độ dòng hơi phải được điều chỉnh tự động để dần dần đạt đến giá trị cài đặt và cuối cùng, phải duy trì tốc độ dòng hơi ổn định để giữ nhiệt độ không khí đầu vào ổn định. 2.6.2 Kiểm soát luồng không khí
Hầu hết các thiết bị kiểm soát luồng không khí sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ chuyển đổi tần số nhưng thiếu các bộ phận đo lưu lượng không khí. Trong quá trình sản xuất, luồng khí chỉ có thể được điều chỉnh thủ công dựa trên trạng thái hóa lỏng của vật liệu, do đó không đảm bảo luồng khí ổn định và tương đối ổn định. Những thay đổi trong thành phần vật liệu và lực cản của túi lọc có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của luồng khí, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ sấy. Khuyến nghị: Lắp đặt các bộ phận đo lưu lượng gió trong ống dẫn khí vào để điều khiển tự động, tự động điều chỉnh tần số dựa trên lưu lượng luồng khí để duy trì luồng khí tương đối ổn định trong quá trình sản xuất.
2.6.3 Phát hiện độ ẩm trực tuyến
Thêm thiết bị phát hiện độ ẩm trực tuyến. Điều này cho phép người dùng điều chỉnh các thông số theo điều kiện thực tế, nâng cao hiệu quả sấy.
2.6.4 Khả năng lặp lại và truy xuất nguồn gốc của quy trình sấy tầng sôi
Trong sản xuất thực tế, người vận hành phải đặt lại và sửa đổi các thông số quy trình của thiết bị cho mỗi lần sản xuất. Điều này khiến không thể đảm bảo rằng cùng một sản phẩm được sản xuất bằng cách sử dụng cùng các thông số quy trình thiết bị, do đó ảnh hưởng đến khả năng truy xuất nguồn gốc. Theo GMP, thiết bị cần phải lưu trữ một lượng thông số quy trình sản xuất nhất định để đảm bảo khả năng lặp lại và truy xuất nguồn gốc của sản xuất. Mỗi người dùng đặt điều này theo số lượng loại sản phẩm. Máy sấy tầng sôi thường yêu cầu khả năng lưu trữ 50 quy trình sản xuất, nhưng hầu hết các thiết bị sản xuất trong nước hiện nay không thể đạt được điều này. Nên cải tiến, mở rộng hệ thống điều khiển PLC và các bộ truyền động cơ khí để các chức năng được hoàn thiện hơn. Ví dụ: cần cung cấp đủ bộ nhớ để lưu trữ nhiều quy trình sản xuất, cung cấp tính năng in tham số tại chỗ, lưu dữ liệu và kết nối dữ liệu với PC.
3. Kết luận
Bài viết này bắt đầu với nguyên lý làm việc của máy sấy tầng sôi, tóm tắt một số vấn đề trong quá trình sản xuất dựa trên các thông số vận hành của quá trình và đề xuất ngắn gọn các đề xuất cải tiến loại thiết bị này. Hy vọng rằng các nhà sản xuất thiết bị có thể phát triển thêm nhiều thiết bị sấy dược phẩm đáp ứng yêu cầu quy trình sản xuất dược phẩm, có các thông số hiệu suất tiên tiến, khả năng vận hành cao, thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và có các chỉ số kinh tế kỹ thuật tiên tiến.