基于计算机数值模拟技术的中药流化床制粒工艺研究

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目的:分别构建中药流化床制粒工艺粒子流化、聚集和干燥过程的数值模拟理论预测模型,将中药制剂处方工艺研发由传统实验室试错法向科学化、数字化与智能化转变。方法:在粒子流化过程的数值模拟部分,采用Solid Works Premium软件构建流化床设备基本工况,采用ANSYS ICEM CFD软件划分工况网格;基于离散元法(Distinct Element Method,DEM)构建粒子静态模型,表征粒子的真密度、粒径分布、静摩擦力、动摩擦力、剪切模量和泊松比等相关物理性质,构建中药原辅料特性数据库;基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)构建粒子动态模型,耦合粒子静态模型与动态模型(DEM-CFD)用于模拟中药原辅料关键质量属性及工艺参数对粒子流化状态的影响。在粒子聚集过程的数值模拟部分,采用CFD构建粘合剂喷雾模型,表征粘合剂的粒径分布、密度、比热容、粘度、沸点和表面张力等相关物理性质,构建粘合剂特性数据库;采用CFD构建粒子聚集模型,自定义粒子聚集规则并将其编制成用户自定义函数(User Define Function,UDF)赋予至模型中,模拟中药原辅料关键质量属性及工艺参数对粒子聚集过程的影响。在颗粒干燥过程的数值模拟部分,采用CFD构建颗粒干燥模型并模拟工艺参数对颗粒干燥过程的影响。在真实实验数据采集与验证部分,分别采用高速摄像机、粒形粒径测定仪和水分快速测定仪采集粒子流化、聚集和干燥过程的粒子空间分布状态、粒径与粒径分布和含水量变化,将获得的实验数据与数值模拟结果进行比较以验证模型准确性。结果:粒子流化过程数值模拟结果表明:气流速度对粒子流化状态影响显著,优选的气流速度为15 m/s,可用于实际中药流化床制粒工艺进风风量的选择;物料粒径对粒子流化状态有一定影响,粒子的流化随粒径增大而变慢,提示在中药流化床制粒工艺过程中应控制初始物料的粒径或根据粒径变化适当调整进风风量;粒形对粒子流化状态的影响并不明显。在优选的气流速度下,不同中药原辅料均能达到较佳流化状态。粒子聚集过程的数值模拟结果表明:不同种类粘合剂的物理性质区别不大时,模拟结果的敏感性不强;增大粘合剂的质量浓度能促进粒子增长;粘合剂不同质量流量对颗粒粒径及粒径分布的影响十分显著,优选的质量流量为0.001 kg/s;喷液速度的模拟参数在5 m/s~10 m/s之间;流体相温度的模拟参数在35℃~45℃之间。颗粒干燥过程的数值模拟结果表明:在80℃模拟温度下,模拟干燥8 s颗粒含水量小于2%。真实实验验证结果表明:粒子的空间分布状态、颗粒粒径增长速率与含水量变化的实验与数值模拟结果具有较好的一致性。结论:各工艺阶段的数值模拟模型分别能对中药流化床制粒工艺粒子流化状态、颗粒增长趋势和水分变化趋势进行有效预测,可用于预测或判断中药流化床制粒处方工艺的适宜性,从而大幅度缩短研究周期,降低研发风险,实现处方合理设计、工艺科学控制与优化。
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