本文從國(guó)內(nèi)外幾種藥用成品結(jié)晶過(guò)濾離心機(jī)的特點(diǎn)入手，對(duì)于應(yīng)用在藥品結(jié)晶過(guò)濾的濾餅過(guò)濾固定層型和旁側(cè)過(guò)濾型離心機(jī)在速率、適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對(duì)比，為藥用結(jié)晶過(guò)濾離心機(jī)的發(fā)展、開發(fā)和選用提供了有益的意見(jiàn)和思路。
在離心力場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)液-液、液-固、液-液/固分離設(shè)備的誕生已有一百多年的歷史，核工業(yè)發(fā)展繼之誕生了氣-氣分離的設(shè)備，利用離心力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)相分離的設(shè)備有很多分支，從懸浮液中過(guò)濾出固相物是液固離心分離機(jī)中一分支，在19世紀(jì)就出現(xiàn)了多種結(jié)晶過(guò)濾離心機(jī)。根據(jù)分離顆粒的大小來(lái)決定離心機(jī)卸料方式可分為：（1）濾餅過(guò)濾，濾餅成固定層間歇卸料離心機(jī)（下簡(jiǎn)稱濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)），如三足式人工卸料、吊袋卸料離心機(jī)、刮刀卸料離心機(jī)、翻袋離心機(jī)等等；（2）濾餅過(guò)濾，濾餅成移動(dòng)層連續(xù)卸料離心機(jī)，如臥式脈動(dòng)卸料、螺旋卸料、顛動(dòng)卸料、振動(dòng)卸料、離心力卸料離心機(jī)等等。在制藥工業(yè)晶體（或無(wú)定形固相）過(guò)濾中普遍采用濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)，這些機(jī)型，曾經(jīng)以通用設(shè)備面目出現(xiàn)，在化工、輕工、食品、制藥等生產(chǎn)中均可使用。20世紀(jì)90年代國(guó)外推出用于藥品生產(chǎn)的離心過(guò)濾機(jī)，在通用機(jī)型基礎(chǔ)上改型，符合GMP應(yīng)用于無(wú)菌操作工藝，如KraussMaffei的HZ-ph系列、Ferrum的HSZ-ph系列、Heinkel的HF系列、大川原的CRF系列以及Fima；Comi/Condor等公司生產(chǎn)的不同形式藥用離心過(guò)濾機(jī)。
1壓力狀態(tài)下濾餅過(guò)濾的理論基礎(chǔ)
目前國(guó)外推出以及國(guó)內(nèi)技術(shù)引進(jìn)或仿制的藥用離心過(guò)濾機(jī)其分離作業(yè)均以濾餅過(guò)濾方式進(jìn)行，它的設(shè)計(jì)建立在壓力狀態(tài)濾餅過(guò)濾理論基礎(chǔ)上，壓力狀態(tài)下濾餅過(guò)濾速率方程（濾餅層內(nèi)液相流動(dòng)為滯流＜1m/s＝：…………………（1）式中：V-在過(guò)濾θ時(shí)間后逸出液相量；A－過(guò)濾面積；θ－過(guò)濾時(shí)間；Rc－單位過(guò)濾面積的濾餅阻力；Rm－單位過(guò)濾面積的過(guò)濾介質(zhì)阻力；－過(guò)濾壓力；μ－液相粘度；
20世紀(jì)50年代J.A.Storrow等人在壓力過(guò)濾基本方程基礎(chǔ)上建立離心機(jī)濾餅過(guò)濾速率方程：…………………（2）式中：ρc－液相密度；ω－角速度；k－濾餅固有滲透率；h－轉(zhuǎn)子有效長(zhǎng)度
H.Grace在計(jì)入濾餅比阻、空隙率等因素在以上基礎(chǔ)上給出速率方程：…………………（3）
式中：α－濾餅比阻；W－濾餅中固相顆粒的總質(zhì)量；W＝πhρs（1－ε）（r32－r22）；ρs－固相密度；ε－空隙率
式（2）（3）迄今仍是濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)過(guò)濾理論基本方程之一。
2國(guó)外濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)的特點(diǎn)
國(guó)外推出濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)之所以有不同的機(jī)型，主要決定于卸料方式：（1）人工卸料，如上懸式，三足式等，這類離心機(jī)曾在制藥生產(chǎn)中廣泛使用，隨著工業(yè)發(fā)展相當(dāng)部分被自動(dòng)卸料機(jī)型替代；（2）自動(dòng)卸料，推薦為藥品結(jié)晶過(guò)濾的濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)代表機(jī)型有臥式刮刀卸料離心機(jī)、翻袋離心機(jī)及離心過(guò)濾和流化床干燥一體的氣體卸料離心機(jī)等。簡(jiǎn)要介紹他們的特點(diǎn)：
2.1刮刀卸料離心機(jī)
刮刀卸料離心機(jī)，利用轉(zhuǎn)子內(nèi)寬刮刀在一定角度內(nèi)回轉(zhuǎn)卸除固相，藥用刮刀離心機(jī)為全密閉結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)控制系統(tǒng)、殘余濾餅去除裝置如圖5所示、自動(dòng)在位清洗和在位消毒裝置如圖6所示，根據(jù)需要可穿墻安裝（工藝操作部分和驅(qū)動(dòng)部分隔離安裝，實(shí)現(xiàn)無(wú)污染和無(wú)菌操作）。
存在不足之處：由于卸料方式所決定，在刮削卸料時(shí)破壞固相晶形，對(duì)細(xì)顆粒固相在離心力場(chǎng)中結(jié)成較硬的濾餅時(shí)難做到較徹底的卸料，尤其沉積在轉(zhuǎn)子兩端面的濾餅層。
2.2翻袋離心機(jī)
翻袋離心機(jī)，工作部分是由帶孔轉(zhuǎn)子和帶有可翻轉(zhuǎn)濾袋的內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，卸料時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子推出濾餅同時(shí)翻轉(zhuǎn)濾袋完成濾餅的卸除如圖7所示。它的特點(diǎn)：徹底卸料，不破壞固體晶形，在進(jìn)料管和轉(zhuǎn)子間增設(shè)氣密裝置時(shí)可實(shí)現(xiàn)加壓過(guò)濾（≤6ban），配置機(jī)外熱循環(huán)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)固相在轉(zhuǎn)子內(nèi)干燥。但存在過(guò)濾介質(zhì)（濾袋）因反覆翻轉(zhuǎn)而疲勞,影響使用壽命和造成固相的污染。另它推料行程是轉(zhuǎn)子有效長(zhǎng)的2倍，結(jié)構(gòu)略顯龐大及采用低速卸除固相等以解決設(shè)備穩(wěn)定性等問(wèn)題。
2.3氣體卸料離心過(guò)濾機(jī)
集離心過(guò)濾機(jī)和流化床干燥為一體氣體卸料離心過(guò)濾機(jī)，這種機(jī)型在機(jī)內(nèi)進(jìn)行干燥，減少了一個(gè)周轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)，但對(duì)要過(guò)濾的懸浮液的性質(zhì)要求有一定的局限性。由于當(dāng)今的干燥設(shè)備在潔凈，高效，節(jié)能等方面有很大的發(fā)展和提高，采用過(guò)濾干燥一體機(jī)與選用過(guò)濾、干燥分體模塊化設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性（包含設(shè)備成本和使用成本）有待探討。另需說(shuō)明：在特定的條件下有它的優(yōu)越性。
3旁濾式離心過(guò)濾機(jī)的特點(diǎn)與分析
20世紀(jì)末我國(guó)為原料藥成品結(jié)晶（包括無(wú)定形固相）過(guò)濾開發(fā)了理論上無(wú)濾餅過(guò)濾的旁濾式離心過(guò)濾機(jī)（下簡(jiǎn)稱PL離心機(jī)，其意為取代當(dāng)時(shí)在制藥上廣泛應(yīng)用的三足式離心機(jī)、上懸式離心機(jī)等等而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作的設(shè)備。
3.1旁濾式離心過(guò)濾機(jī)工作原理
PL離心機(jī)工作原理：懸浮液進(jìn)入轉(zhuǎn)子后在離心力場(chǎng)中同時(shí)完成固相沉降和液相不經(jīng)濾餅直接從側(cè)面過(guò)濾介質(zhì)逸出，實(shí)現(xiàn)液/固分離。固相在轉(zhuǎn)子內(nèi)甩干后在回轉(zhuǎn)狀態(tài)下由推料裝置推出如圖9所示。
3.2旁濾式離心過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾速率和對(duì)物料適應(yīng)性二項(xiàng)分析
PL離心機(jī)工作原理決定了PL離心機(jī)在過(guò)濾速率和對(duì)物料適應(yīng)性，這兩個(gè)主要指標(biāo)均優(yōu)于濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)，對(duì)這二指標(biāo)分析如下：
3.2.1過(guò)濾速率
為與濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)比較，設(shè)定L離心機(jī)為一次性進(jìn)料，按在離心力場(chǎng)中壓力狀態(tài)下給出PL離心機(jī)過(guò)濾的速率方程：p4）式中：Z-過(guò)濾介質(zhì)（r5-r2）h面積的數(shù)量，兩者速率比，當(dāng)η=1時(shí)兩者速率相等，上式變成：5）經(jīng)測(cè)定過(guò)濾介質(zhì)為棉布或尼龍布時(shí)Rm=10-9m-1,因Rm值較小為簡(jiǎn)化比較，含Rm項(xiàng)略而不計(jì)，上式寫成：…………………（6）
當(dāng)PL離心機(jī)實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)面積的數(shù)量為Z1時(shí)：
Z1＝Z，PL離心機(jī)與濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)速率相等；
Z1＞Z，PL離心機(jī)速率大于濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)速率；
Z1＜Z，PL離心機(jī)速率小于濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)速率。
Z1值根據(jù)結(jié)構(gòu)允許等因素確定的。
已生產(chǎn)的PL離心機(jī)Z1p值，計(jì)算的Zp值及η值如表1，未生產(chǎn)設(shè)計(jì)上布置的Z1，計(jì)算的Z值及η值如表2。從表中η值看出在一次性加料條件下，PL離心機(jī)逸出液相的速率在濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)速率120％以上，在連續(xù)進(jìn)料的條件下其η值還要高，實(shí)踐證明以PL650為例高達(dá)200％以上。
表1衛(wèi)生產(chǎn)品PL離心機(jī)Z1、Z、h值
機(jī)型Z1pZpη
表2
機(jī)型Z1pZpη
3.2.2過(guò)濾固相顆粒大小的適應(yīng)性
由于過(guò)濾原理和卸料方式等所決定，生產(chǎn)規(guī)模用濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)在不加助濾劑的條件下可過(guò)濾固相顆粒當(dāng)量直徑國(guó)際定為≥5μm，原因是細(xì)顆粒比阻大限制了厚層濾餅的過(guò)濾作業(yè)和易結(jié)成堅(jiān)硬的濾餅增大卸料的難度。對(duì)PL離心機(jī)來(lái)說(shuō)，卸料難易不受顆粒大小的影響（PL離心機(jī)轉(zhuǎn)子壁無(wú)孔表面光潔，卸料過(guò)程中固相物對(duì)過(guò)濾介質(zhì)的壓力為負(fù)值），只要能過(guò)濾均能達(dá)到100％的卸除。再則理論上無(wú)濾餅過(guò)濾，在過(guò)濾過(guò)程中速率不受濾餅比阻的影響，因而相對(duì)于濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)PL離心機(jī)對(duì)固相顆粒大小有大的適應(yīng)性。
無(wú)濾餅過(guò)濾的前提是實(shí)現(xiàn)過(guò)濾過(guò)程中理論上的零泄漏（逸出的濾液中固相含量為零），在零泄漏的條件下，PL離心機(jī)可過(guò)濾的固相顆粒能否小于濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)所限定的顆粒值，能否滿足生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)量，這兩者是決定PL離心機(jī)適應(yīng)性的問(wèn)題。
懸浮液進(jìn)入PL離心機(jī)轉(zhuǎn)子，在離心力場(chǎng)中顆粒a的沉降力Fc，根據(jù)stokes定律：…………………（7）式中：ρs-固相密度；d－顆粒當(dāng)量直徑；
濾液通過(guò)濾板側(cè)面過(guò)濾介質(zhì)的流動(dòng)對(duì)顆粒產(chǎn)生的推動(dòng)力Fa:…………………（8）
式中：uL－液相流速,uL=βpr；β－過(guò)濾介質(zhì)特性參數(shù),β＝q0/p00－過(guò)濾介質(zhì)兩面壓差q0－在p0壓差下水通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的速率；r－在半徑r處的濾相壓力,pr＝1/2ρLω2（r2-r02）；us－固相顆粒切向移動(dòng)速度；固相顆粒在離心力場(chǎng)中只有徑向速度，切向速度為零，式（8）寫成：……………（8’）
顆粒d在液相中不沉積在過(guò)濾介質(zhì)表面的臨界條件：…………………（9）式中：f－過(guò)濾介質(zhì)表面與固相顆粒間的摩擦系數(shù)；
在r至r0區(qū)間液相通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的量：…………………（10）式中：A－r至r0區(qū)間過(guò)濾介質(zhì)總面積，A＝（r－r0）h1Z1；h1－過(guò)濾介質(zhì)面的寬度；Ф－懸浮液中固相體積百分?jǐn)?shù)；
根據(jù)式（7）（8）（9）的關(guān)系，式（10）寫成：
…………………（11）式（11）為液相從過(guò)濾介質(zhì)逸出量，進(jìn)料量為：…………………（12）式（12）V0=f（r）以圖11表達(dá)：按ab線進(jìn)料，即加料量從b到a遞減，在這條件下固相泄漏率為零，平均進(jìn)料量達(dá)大值是理想狀態(tài)。由于遞減的進(jìn)料方式控制困難，在應(yīng)用上被擯棄。實(shí)際采用ac線上方的de線，V0值處于恒定狀態(tài)。ac線進(jìn)料量在式（11）中表示r＝r2，固相泄漏始終保持為零，以青霉素鉀鹽在PL650離心機(jī)上過(guò)濾為例：按式<12>計(jì)算值～3500L/h，進(jìn)料量平均為3000L/h測(cè)定不出固相泄漏。
按de線進(jìn)料在式（11）表示r＞r2，出現(xiàn)固相泄漏。按de線的位置視允許固相泄漏和需要進(jìn)樣量二者綜合指標(biāo)而定，以氫氧化鋇水溶液加硫酸～20℃時(shí)析出硫酸鋇（d≈2μm）的水懸浮液在PL650離心機(jī)上過(guò)濾為例：按r＝r2計(jì)算，V0值為430L/h，當(dāng)實(shí)際進(jìn)料量為810L/h時(shí)，固相泄漏率為固相總量3.08％。以衣康酸生產(chǎn)中活性炭過(guò)濾為例：在r＝r2的條件下V0計(jì)算值為860L/h，在生產(chǎn)應(yīng)用上平均進(jìn)料量約為1200L/h，固相泄漏率為固相總量的1.25％。
以生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)可看出：（1）在ac線下方進(jìn)料可實(shí)現(xiàn)固相零泄漏；（2）對(duì)固相當(dāng)量直徑2～5μm的懸浮液過(guò)濾可以通過(guò)延長(zhǎng)加料時(shí)間（減少V0值）使固相加滿轉(zhuǎn)子（沉積到r2的位置）或在固相泄漏允許范圍內(nèi)加大進(jìn)料量。說(shuō)明PL系列離心機(jī)可滿足固相當(dāng)量直徑≥2μm懸浮液的生產(chǎn)規(guī)模的要求。
固相當(dāng)量直徑≥5μm的懸浮液過(guò)濾時(shí)，因進(jìn)料慣性影響（如圖12所示），固相在過(guò)濾介質(zhì)面呈弧線型沉積，過(guò)濾面的利用率為總面積50～75％（顆粒越大越接近下限），確定進(jìn)料量時(shí)應(yīng)考慮這因素。
PL離心機(jī)除過(guò)濾速率和適應(yīng)性優(yōu)于濾餅過(guò)濾離心機(jī)外，同時(shí)具備卸料徹底，不破壞晶形，密閉性能好等特點(diǎn)。
4結(jié)語(yǔ)
原料藥成品過(guò)濾離心機(jī)在當(dāng)今國(guó)際上推出藥用臥式刮刀卸料離心機(jī)、翻袋離心機(jī)等為能符合GMP及通過(guò)FDA認(rèn)證的機(jī)型。由于制藥、生物工程、精細(xì)化工等工業(yè)不斷發(fā)展，在離心過(guò)濾領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤瞥龇弦蟮男聶C(jī)型，離心過(guò)濾干燥一體機(jī)就是新推出的一種機(jī)型，另在一些藥品生產(chǎn)領(lǐng)域受某些條件的限制亦采用按特性要求改造的其它機(jī)型，如三足式刮刀卸料、吊袋卸料離心機(jī)等。
PL離心機(jī)為我國(guó)自主創(chuàng)新的機(jī)型，已開發(fā)的PL400、PL650兩種中小機(jī)型，其中PL650通過(guò)部級(jí)鑒定和小批生產(chǎn)，在青霉素鉀鹽分離、衣康酸脫色脫味的活性炭分離、茶皂素提取的液—固分離等應(yīng)用均取得好的效果。實(shí)踐證明旁側(cè)過(guò)濾原理的可靠，根據(jù)這原理制造的機(jī)型完全可替代當(dāng)今國(guó)外推薦的幾種濾餅過(guò)濾固定層離心機(jī)。若以原料藥單位產(chǎn)量為基數(shù)，PL離心機(jī)有相對(duì)低的使用成本和制造成本。
