顆粒劑連續制造工程設計實踐探討

李印秋,劉玉成,陳曉亭,徐芳樂,孫海青

(山東魯新設計工程股份有限公司,山東 淄博 255000)

顆粒劑系指原料藥物與適宜的輔料混合制成具有一定粒度的干燥顆粒狀制劑[1]。連續制造是產品制造的各道工序前后必須緊密相連的生產方式,即從原材料投入生產到成品制成時止,按照工藝要求,各個工序必須順次連續進行[2]。連續生產作為一種先進生產工藝,是固體制造行業近年來技術上的新焦點,有機會顛覆制藥行業的生產模式,不同于傳統的批量生產工藝,連續制造工藝在生產過程中,輸入物料持續進料、持續轉化,同時伴隨輸出物料的持續產出,具有生產步驟連續無間歇、生產效率高、設備占地面積小、產品質量實時監控、產量易于調節等特點,有助于提高產品質量,是提升生產效率和節省勞動力最實際有效的方法。

目前主流的顆粒劑生產模式是以單位時間內批量生產為劃分原則,即一道生產工序結束再轉移到下一工序。本文針對顆粒劑的生產工藝、結合法規以及工信部下發的《關于印發“十四五”智能制造發展規劃的通知》中對智能工廠、智能車間的國家發展規劃要求,對除草顆粒劑的工藝平面布置、設備選型以及連續化控制策略[3]進行工程設計實踐探討。

1 工藝敘述

固體原輔料先進行過篩,然后和液體原輔料按照工藝先后順序投入連續反應釜內進行反應和混合,然后進入干燥機進行初步干燥,再進入造粒機進行捏合制粒,最后進行干燥,水分達標后使用自動包裝機進行包裝,成品轉入倉庫。

2 設計需要解決的關鍵問題

1)實現連續制造的關鍵設備比如連續反應釜、干燥設備、制粒設備等的選型是能否實現連續化制造的關鍵;

2)合理的平面布局;

3)本項目年產量3萬t,年生產天數300 d,每天約100 t的固體物料進出生產線,如何結合平面布局實現大批量固體物料投料和輸送轉運是設計需要重點關注的問題;

4)固體制劑生產中產塵問題的解決和處理,是環保和職業健康關注的問題;

5)各設備、各生產單元之間如何實現緊密配合、協調運行的控制策略是核心。

3 設備選型

設備選型立足于市場能滿足和實現自動化連續化制造的設備。

3.1 連續反應釜

選用管式臥式反應釜,反應釜內配備漿葉攪拌器和45°角的物料推動桿,根據物料量以及反應和混合需要的時間、物料運行速度計算反應釜的長度,物料從一頭進料邊攪拌邊反應邊混合,同時45°角的推動桿固定在攪拌軸上隨著攪拌一起轉動,推動物料不斷向前運動,物料到出口時反應和混合結束,在反應釜內實現連續反應、連續進出料。

在前期研究的基礎上，在2016年-2018年機械制造基礎課程授課時大量采用案例庫中的實例，并根據學員反饋，對資源庫相關內容做了修訂。

3.2 槳葉干燥機

同連續反應釜,干燥機內配備反應攪拌器和45°角的物料推動桿,根據物料干燥需要的時間和物料量計算干燥機的長度,采用電加熱干燥,物料從一頭進料邊攪拌邊干燥,同時45°角的推動桿固定在攪拌軸上隨著攪拌一起轉動,推動物料不斷向前運動,物料到出口時干燥結束,在干燥機內實現連續干燥、連續進出料。

3.3 造粒機

采用擠壓一步造粒機,一步制粒工藝路線簡短,一步造粒機設備結構簡潔,屬于連續生產型設備,沒有批生產型設備1進1出的限制,適用于一些特定物料,工藝普適性正逐步擴大,隨著物料等工藝技術的提高,日益成為連續生產的理想解決方案,市場應用廣泛,綜合技術和商業的考量,是當前實現連續無人化制粒生產的最佳選擇。

3.4 沸騰流化床干燥機

顆粒干燥采用沸騰流化床干燥機,本設備采用熱風循環干燥,干燥分預熱段、干燥段和冷卻段,物料從設備一頭進料,經過預熱、干燥、冷卻后從另一頭出料,根據物料量和水分、干燥時間確定各段的設備長度,風從設備下面進風,穿過物料,從上面排風,經除塵器除塵后進入尾氣處理系統。

3.5 自動包裝機

本項目配備自動包裝線一條,可以實現自動放袋、自動包裝、自動封袋、自動摞盤和自動打包的連續化生產。

根據設備選型、生產能力和產量問題,進行物料衡算,配套10套連續反應釜、槳葉干燥機,12臺捏合制粒機和4臺沸騰硫化床干燥機,一條自動包裝線。

4 設備平面布置

結合設備和廠房尺寸、高度等要求,采用平面和豎向相結合的布置方式,物料輸送采用氣流、重力、機械相結合的方式,盡量利用廠房結構重力下料,既做到節能,又減少輸送路線的長度。

廠房軸線長度64 m,8跨,分成東西2部分,各4跨,東半部分用于上料和合成反應,西半部分用于制粒、干燥和包裝,各4層結構,軸線寬度30 m,4跨,高度23.9 m。東半部分從上到下依次為:4層布置過篩、3層布置連續反應、2層布置干燥、1層布置投料和上料系統;西半部分從上到下依次為:4層布置物料分配、3層布置制粒、2層布置連續干燥、1層布置自動包裝。

5 物料輸送系統

目前市場物料輸送系統主要有氣流輸送、提升輸送、管鏈機、皮帶機、絞龍、重力等方式,各自優缺點和使用范圍見表1。

表1 各種物料輸送特點對比表

本項目固體原輔料屬于干燥粉體,偶爾有結塊,物料輸送要求密閉,效率高,需要向多臺設備送料,但對輸送物料外觀是否破損沒有要求;反應后一直到制粒物料是濕料,黏性大,要求外觀不受運輸影響、轉運效率大;根據以上要求和物料性質,結合樓層布置本項目原輔料輸送采用管鏈機、反應后物料采用皮帶輸送機,設備與設備近距離銜接采用絞龍,樓層上下設備采用重力采用管鏈機、反應后物料采用皮帶輸送機,設備與設備近距離銜接采用絞龍,樓層上下設備采用重力,具體物料輸送工藝如下:

噸袋包裝的固體原輔料從倉庫叉車搬運至車間東面的1層上料間,通過電動葫蘆提升搬運至鋼平臺料倉上,人工輔助對準料倉進料口,切開噸袋下料口,物料進入料倉,然后通過料倉下料口進入管鏈機,提升至四樓振蕩篩,過篩后的物料通過管鏈機輸送到三樓中間料倉,中間料倉自帶稱重系統,通過失重法物料進入絞龍輸送進入連續反應釜,反應結束的物料通過重力下到2樓槳葉干燥器干燥,干燥后的物料重力下到皮帶機,通過皮帶機提升至西面的4樓,通過分配器和絞龍將物料輸送到制粒機上,捏合制好的顆粒重力進入2樓沸騰流化床干燥機進行干燥,干燥后的物料通過振蕩篩整粒后重力落入皮帶機,通過皮帶機轉運到1樓自動包裝機進行成品包裝。

整個過程物料輸送采用管鏈機、皮帶機、配合重力和絞龍,完成物料在設備與設備之間的連續轉運。

項目的示意豎向簡圖見圖1。

圖1 豎向布置簡圖

6 除塵設計

本項目本著不產塵或少產塵的原則進行設計,所以生產或物料輸送均采用密閉性設備或管路進行生產和物料輸送,產塵環節主要是物料輸送進入料倉時揚塵以及沸騰流化床干燥機的排風產塵。所有料倉的通氣口設置過濾器除塵,沸騰流化床干燥機的排風設計除塵器除塵,并在排氣末端設計6臺噴淋塔用于粉塵處理,4臺配套沸騰流化床干燥機排風除塵,2臺用于料倉的通氣工藝除塵,生產現場環境做到無塵化,環境和設備排風處理后達標排放。

7 控制策略[3]

本項目設備達到200多臺套,雖然生產和物料輸送等設備選型時已經考慮連續制造的需求,但是真正實現連續化制造,并且產品質量達標,還需要將每臺設備連接起來,做到各設備之間連接緊密、協調連續運轉,生產的控制策略必不可少,也是難度最大的。

7.1 過程動態

與批生產工藝不同,連續制造工藝是動態的系統,在正常運行期間,工藝過程處于受控狀態,但工藝不一定處于穩態。例如生產系統開始與結束、操作條件的切換、設備故障或物料屬性意外改變導致的重大偏差,工藝參數和質量屬性會發生較大變化。

使用科學合理的方法來表征工藝過程中的物料流動。例如輸入物料屬性、質量流量、工藝參數、設備設計和操作等,產品質量屬性的在線測量和/或工藝模型來確定。

本項目關鍵設備反應釜建立時間-質量表征模型、干燥器建立水分-時間-溫度-質量表征模型,制粒機建立時間-粒度分布-質量表征模型[4]。通過設立在線水分檢測儀、在線粒度分布檢測儀等質量監控手段,控制生產過程的質量。

7.2 過程監測和控制

對于連續制造工藝,過程監測及過程分析技術(Processanalytical Technology,PAT)的應用可以獲取生產運行期間工藝參數及物料(包括輸入物料、中間過程物料、輸出物料)質量屬性的實時信息,用于實現瞬時擾動和工藝偏差的有效檢出、主動工藝控制、物料分流以及實時放行檢驗。

主動工藝控制要求系統中的一些工藝參數能夠實時調整以降低產出不合格物料的風險。實施主動工藝控制的方法包括操作人員的行動措施、增加采樣頻次、前饋控制/反饋控制以及其他策略。設定適當的限度(例如,警戒限或行動限)對于維持工藝的穩健性也很重要,其可確保被監測的關鍵工藝參數和關鍵物料屬性保持在規定范圍內。

本項目所有的料倉設計了料位控制系統,高低料位報警,高高低低連鎖切斷進料閥停止進料或打開進料閥進料,所有運轉設備均設計遠程啟停、故障報警、監控頻率、電流,頻率、電流高報警,高高切斷上游設備,固體物料進設備采用失重稱控制進料量,液體物料采用質量流量計控制物料進料量。制粒過程通過在線水分監測和制粒時間作為判定終點。所有參數控制制定了警戒限和行動限,首選自動系統自動調節和控制,然后人為干預,出現偏差的物料通過旁路返回系統處理或進入備用系統待處理。

本項目自控系統以工業 4.0 智慧工廠為設計理念,搭建了L1-L4四層信息化層級,其中L2過程控制層為自動化中最核心的控制層,以DCS分布式控制系統為基礎,通過采用時間管理、 TCU溫度控制、PAT先進控制和優化控制算法實現各種控制參數的優化控制,傳遞給基礎自動化級實現對生產的直接控制和安全保護。

生產控制L3層設置MES生產信息管理系統,可以實現車間管理、在線調度、質量管理。主要任務是給L2級下達生產計劃,生產統計和報表等,是L4企業管理層ERP與L2過程控制層信息交換的橋梁。

整個工藝過程通過MES系統下發工藝任務,SCADA系統對各設備之間的邏輯進程進行數據采集和監控,設備的中間過程通過PAT技術進行監測,從而實現連續化、智能化的制造。

8 結束語

1)不同品種和劑型應用連續制造時,應進行具有針對性的工藝研究和科學的設計工藝設備[4],只有工藝適合,并且配套的設備、過程控制策略都具備時,才能考慮連續智能化制造。

2)相比于傳統制造生產線,智能制造生產線具有顯著優勢:可以實現生產步驟連續無間歇、生產效率高、設備占地面積小、產品質量實時監控、產量易于調節、自動化程度高等特點;可以最大限度取消人工操作;物料轉運密閉動態輸送,環境得到極大改善;過程應用PAT檢測技術進行防錯判斷,產品質量穩定均一;同樣的產量人員配備是傳統生產人數的1/10,人員只是巡檢,體力勞動大大下降;整線占地面積較傳統減少40%,生產效率是傳統生產線的2倍。