制药过程单元操作的数值模拟研究进展

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1、制药过程单元操作的数值模拟研究进展制药过程单元操作的数值模拟研究进展制药过程是指利用制药设备，通过一系列单元操作和单元反应将药物从原材料制成成品的过程。描述整个制药过程的参数繁多，只靠工程经验的积累来达到控制制药过程以保证药品质量的目的是不切实际的，目前最常用的方法是模型试验（中试、小试），但是模型试验成本较高、耗时久，而且对模型的放大很难做到和实际过程完全吻合，很多细节问题也无法深入研究。因此，将数值模拟技术用于制药过程的研究能够有效的解决这些问题。　　1数值模拟的概念　　数值模拟技术已经广泛应用于航空航天、化工、

2、生物医学、水利、能源等领域[1]。数值模拟的方法是指首先建立针对工程问题的物理及数学模型，然后采用有限元法、边界元法、有限差分法等方法，通过质量方程、运动方程、能量方程等对模型进行数值离散求解，整个过程采用数值模拟软件完成，最终可直观的呈现工艺过程的速度场、温度场等变化，能够为设备改进和工艺优化提供理论依据。目前最常用的数值模拟软件是ANSYS，ANSYS集成了计算流体力学CFD（putationalfluiddynamics）的Fluent，CFX（putationalfluidX），可以用于模拟固体、流体等的力学

3、、热量、质量、磁场等等传递守恒计算。除此ANSYS之外，还有MATLAB、EDEM等数值模拟软件。　　2数值模拟技术在制药过程单元操作中的应用　　在制药过程中，将物料的粉碎、输送、加热、混合和分离等一系列使物料发生预期的物理变化的操作称为单元操作，近年来，数值模拟技术逐渐开始应用于各种单元操作的研究。　　2.1粉碎与筛分　　粉碎与筛分是制药过程中的预处理单元，首先将固体原料适度的粉粹，再经过筛分分级使粒径均匀。本文由.L.收集整理　　粉碎是指用机械方法将大块固体物料制成适宜程度的碎块或细粉的操作，粉碎方式可分为切、磨

4、、气（液）流冲击等。粉碎方式的选择通常按照原料的性质，比如中药草原料含纤维素，韧性较强，具有抵抗变形、吸收冲击的能力，不易于粉碎，所以多选择切的方式来粉碎，沈培玉等[2]基于CFD技术，应用Fluent软件，研究了叶轮叶片形状、刀片偏角、叶轮转速对流场的影响，并对切割粉碎区内物料的压力、运动速度、剪切应变率等性能参数进行分析，得出转子为直叶片式叶轮，刀片的偏转角度为2°时产生的切割粉碎流场最有利于切割粉碎。块状非纤维物料可以通过采用磨或气（液）流冲击的粉碎方式以获得更细的颗粒。王晓峰等[3]通过离散相模型对粉

5、碎腔内的气、固两相三维定常流场进行了数值模拟，模拟的结果得到了粉碎过程中粉碎腔内的速度、压力和流线等特征，为超微粉碎设备的结构优化提供了理论指导。李翔等[4]利用Fluent软件对CXM型超细分级磨内部的气相流场进行数值模拟，采用标准k-ε湍流模型及多重参考系MRF模型，分析了风口环的结构参数与设备操作参数对粉碎效果的影响。牛助农[5]以现有的高压水射流技术为基础上，设计了一种新型的复合式水力超细粉碎装置。利用FLUENT软件对复合式水力超细粉碎装置内喷嘴至靶体处的水气固三相流动进行了数值模拟，结果表

6、明对加速管管径进行合理优化、适当增大工作压力可提高粒子粉碎度。可以看出，对粉碎的数值模拟研究通常是建立气（液）-固两（三）相流模型，通过对速度场、压力场的分析得出设备的最佳尺寸和结构。　　颗粒或粉末物料在筛分介质的运动状态具有类似于流动的极为复杂的力学特性，为提高筛分机械的设计水平、提高效率、降低能耗，因此需要深入了解物料在筛面上的运动状态及透筛分规律。筛分的数值模拟是主要通过研究颗粒透筛率来找到最佳的工艺参数。汪晓华等[6]利用MATLAB软件和离散元分析技术的PFC3D法，对平面圆筛机筛分过程进行数值模拟，结果表

7、明筛净率在筛面倾角为5.5°时有最佳值，并且与回转半径、回转速度成反比。李洪昌等[7]利用EDEM软件，对振动筛分级过程进行数值模拟，寻找振动筛的最佳工艺参数（振幅、频率、振动方向角），并且试验结果和模拟结果总体趋势基本吻合。　　2.2搅拌　　搅拌是使物料混合均匀，或者加速传热传质的单元操作。在制药过程的化学反应、提取等工艺中广泛应用。搅拌的数值模拟研究主要是对搅拌器的物理参数（轴功率、转速、介质密度、黏度等）和几何参数（桨叶数量、直径、形状等）进行数值模拟，寻找最佳工艺方案。李军庆等[8]采用CFD技术，根

8、据红霉素的生产工艺、流体传质特性以及实践经验，综合考虑混合传质效果和高效节能的要求设计出四套搅拌系统。对每套搅拌系统的流场、气含率、容积氧传质系数、剪应变和功耗进行数值模拟分析，最终确定了最佳方案。张庆文等[9]采用CFD数值模拟对柠檬酸发酵搅拌系统设计方案进行分析，综合考虑搅拌轴功率、流型、传质混合能力，并对其进行了数值模拟及传质混合能力分析