擠出滾圓工藝及其設備選型要素探析

文中華

（重慶力譜制藥機械有限公司，重慶401120）

0 引言

擠出滾圓工藝以其工藝穩(wěn)定、生產量大、質量可靠的優(yōu)點，被越來越廣泛地應用于醫(yī)藥、化工、飼料、食品等行業(yè)，已成為微丸生產的主要工藝之一。但是，擠出滾圓工藝受配方及設備的影響較大，要想得到較好的擠出滾圓生產系統，除了配方精良以外，選擇正確的生產設備及生產工藝至關重要。

1 擠出滾圓工藝所用設備

1.1 擠出機

擠出機是將混（捏）合好的軟材經擠壓后通過模板變成條狀物料的設備。擠出機的種類有很多，和擠出滾圓工藝相關的設備主要有：單螺桿擠條機、異向相切型擠條機、異向嚙合型擠條機、同向嚙合型擠條機、旋壓制粒機、搖擺制粒機、柱塞式擠出機等。我公司最新開發(fā)的一種溫升低、擠出孔小、生產量大的行星輥輪旋壓制粒機，是一種比較理想的擠出設備。

1.1.1 擠出機分類

按照工作原理不同，擠出機可分為動壓擠出機和靜壓擠出機。其中，動壓擠出機的擠出壓力是脈動壓力，依靠瞬間壓力將物料擠出模板變成條狀物料；靜壓擠出機是靠靜壓力將物料擠出成條。動壓擠出機可通過一定的方式轉換為靜壓擠出（螺桿類）機，以提高擠出物料出料的均勻性，特別適用于中藥制丸等需要出條均勻的場合。

按照擠出壓力高低不同，擠出機可分為高壓擠出機和低壓擠出機。其中，高壓擠出機的擠出壓力高，擠出孔板的長徑比大，可得到高致密度的條狀物料；低壓擠出機的擠出壓力低，擠出孔板的長徑比小，擠出的物料較為疏松。

醫(yī)藥生產行業(yè)一般使用低壓擠出機，擠出設備的選用應該根據物料的性質而定。

1.1.2 擠出機選型要素

在選用擠出機時，常根據物料的擠出滾圓工藝進行選擇，本文從以下幾個方面進行討論：

1.1.2.1 黏性

高黏性物料的擠出性能好，但需要較大的擠出壓力，最好采用單螺桿擠出機，產量小的場合也可用柱塞式擠出機；低黏性物料，如含油脂的物料、含蠟質的物料，或高含水率的物料，必須使用同向嚙合雙螺桿擠出機；黏性適中的物料，一般擠出機均可勝任。

1.1.2.2 含水（液）率

通常含水率在25%～30%的為一般物料，高于該含水率的物料稱為高含水（液）率物料，低于該含水率的物料稱為低含水（液）率物料。

含水率低，往往導致軟材的流動性不好，擠出需要很大的力量，可選用單螺桿擠出機或異向嚙合雙螺桿擠出機；含水率很高，物料易打滑，只能用同向嚙合雙螺桿擠出機；含水率一般的物料，可根據情況選用其他擠出機。

1.1.2.3 熱敏性

以耐熱50℃為熱敏性界限，低于此界限的為熱敏性物料，其余為正常物料。單/雙螺桿擠出機的擠出過程中會產生較大熱量，不適用于熱敏性物料的擠出，這時最好使用旋壓制粒機，其中的行星輥輪旋壓制粒機最為適合。

1.1.2.4 軟化點

以耐熱60℃為軟化點界限，低于此溫度發(fā)生軟化變軟的物料為低軟化點物料，其余為正常物料。低軟化點物料在擠出時會升溫軟化，在螺桿擠出機中，除同向嚙合雙螺桿擠出機外，均不能正常工作，可采用同向嚙合雙螺桿擠出機、柱塞式擠出機、普通旋壓制粒機、行星輥輪旋壓制粒機等設備。

1.1.2.5 塑性

采用干粉摩擦系數大的、與液體結合不好的物料（特別是無機鹽類）得到的軟材一般塑性不好，擠出過程中很容易因為摩擦升溫影響擠出效果。對于這種物料，螺桿擠出機均不適合（磨損大，會引起極大溫升），最好采用搖擺制粒機、普通旋壓制粒機、行星輥輪旋壓制粒機等。

1.1.2.6 致密性

為得到高致密性的物料，可使用高壓螺桿擠出機等；為得到較為疏松的物料，可采用旋壓制粒機、搖擺制粒機等。

1.2 行星輥輪旋壓制粒機

現有的擠出設備主要有螺桿類擠出機、旋壓制粒機、搖擺制粒機這幾類。其中，螺桿類擠出機溫升高，使用受到極大限制；旋壓制粒機產量大，溫升低，但不適用于大型化生產，且使用壽命有限；搖擺制粒機篩網易壞，擠出產物疏松、粉末多，基本不能滿足擠出滾圓工藝需求。

我公司研究人員通過分析各種常用制粒機的特點，發(fā)現旋壓制粒機的篩籃式擠出產量大，但其擠壓部件效率低；而飼料環(huán)模制粒機的擠壓部件效率相當高，其關鍵就在于用輥輪代替刮板，變滑動摩擦為滾動摩擦，生產量大。經過技術人員的不斷改進，最終研制成功了專利產品——行星輥輪旋壓制粒機。

1.2.1 工作原理

行星輥輪旋壓制粒機原理如圖1所示。行星輪安裝在行星架上，與擠出網板內壁緊貼在一起。行星輪隨行星架公轉，同時行星輪作自轉運動。這兩個運動都是由齒輪傳動機構強制驅動，不存在打滑現象。物料進入設備，受行星輪的碾壓作用，迅速由擠出網板擠出成條狀顆粒。

圖1 行星輥輪旋壓制粒機原理

1.2.2 結構優(yōu)勢

（1）輥輪與擠出網板緊密貼合，且輥輪自轉與公轉線速度一致，不存在打滑現象，為純滾動摩擦；（2）擠出孔板外面有加強層，擠出孔板不會變形，使用壽命長；（3）擠出孔板采用夾緊式結構，無需焊接，安裝、維護方便；（4）可采用標準沖孔板，不需要焊接打磨，損壞后可自行更換，運行費用低。

1.2.3 運行優(yōu)勢

（1）擠出效率高，能耗低；（2）標準沖孔板，下料簡單，沖孔板可以自己采購，配件消耗極低，節(jié)約大量配件費用。

1.2.4 特點

1.2.4.1 控制擠出升溫

因為酶制劑等行業(yè)所用的物料具有熱敏性特點，一般不能超過40℃，而一般的擠出機發(fā)熱嚴重，顯然不適合。而行星輥輪旋壓制粒機無物料輸送過程，輥輪直接碾壓擠出，升溫低，溶劑不易揮發(fā)。

水冷式行星輥輪旋壓制粒機（圖2）的具體溫度控制措施：（1）該機傳動箱及擠出端頭有冷卻夾層，可通入冷卻水進行冷卻。（2）該機旋壓輥輪內部可通入冷卻水，能有效降低擠出溫度。（3）該機安裝有溫度傳感器，用于檢測擠出物料的溫度，并根據溫度的高低，控制進料速度和擠出速度，以確保溫度不會過高而損壞物料。若物料溫度過高，超過設定值，設備會自動停機并報警。

1.2.4.2 產量大

（1）該機不存在滑動摩擦，可以高速運行而不影響擠出效果；（2）該機擠出面積大，擠出孔多，擠出網板360°周向出料；（3）擠出輥輪與擠出篩網之間基本為零間隙，對物料的擠壓作用極強，物料與輥輪接觸即被強制碾壓擠出，不存在物料在設備內長時間不能擠出的情況。以上特點使得該機優(yōu)于其他擠出機，經實際檢測，擠出效率比普通螺桿擠出機高50%～200%。

1.2.4.3 小孔擠出

要想物料順利擠出小孔，必須設置極高的動壓擠出壓力。螺桿類擠出機和普通旋壓制粒機的擠出部分與擠出板均存在較大間隙，依靠擠出部件與物料間的摩擦力而形成和孔板間的擠出力，由于物料較軟，擠出力一般不大，若孔徑小于0.5mm則很難擠出。而該機的擠出輥輪與孔板貼合緊密，基本為零間隙，而且輥輪與孔板之間為純滾動，可設置極高的擠出壓力，最小擠出孔徑可達0.1mm。

1.2.4.4 廣泛的物料適應能力

該機的擠出部位均采用機械傳動，對物料的摩擦依賴性小，各類物料均能順利擠出。

1.3 離心滾圓機

擠出機得到的條狀物料在離心滾圓機內隨轉盤高速旋轉，在滾圓機內存在以下幾種力的作用：物料與轉盤間的摩擦力、物料之間的摩擦力、物料與筒壁的摩擦力、滾圓齒對物料的切斷力。物料被切斷后，在幾種摩擦力的作用下，物料既做公轉運動，自身也做自轉翻滾運動，使得軟的條狀顆粒最終球化成球形微丸。

圖2 水冷式行星輥輪旋壓制粒機

離心滾圓機的關鍵在于滾圓盤，滾圓盤的關鍵在于切斷齒的形狀。滾圓盤齒的種類繁多，常用的有四棱臺型方格齒、斜四面體尖齒兩種。其中，方格齒（圖3）是比較通用的切斷齒，適用于物料不是很緊密、黏性不是很大的物料；尖齒（圖4）的切斷能力強，適用范圍廣，能有效切斷并球化高黏度物料。

圖3 方格齒

圖4 尖齒

1.3.1 離心滾圓機的選用原則

1.3.1.1 高黏度物料

選用尖齒滾圓盤，轉盤速度要快，以達到切斷物料并使其成丸的目的。

1.3.1.2 一般物料

采用方格齒滾圓盤，方便成丸而且不會產生太多細粉。

1.3.1.3 與水分結合力弱的物料

在離心力的作用下，水分會滲透到物料表面形成粘連，要求滾圓機上有添加干粉防粘的設施。

1.3.1.4 潤濕劑易揮發(fā)的物料

乙醇等易揮發(fā)物料作為潤濕劑，在滾圓機中易失去液體，造成物料干燥無法滾圓，要求滾圓機上有噴液設施，并密閉運行。

1.3.2 離心滾圓機的使用注意事項

1.3.2.1 分段的速度控制方式

在滾圓過程中，條狀物料進入滾圓機進行切斷，進而球化成丸，最后拋光。其每一階段需要的速度及時間是不一樣的，可設置多段速度及時間，以達到最優(yōu)的滾圓效果。

1.3.2.2 多級串聯組合方式

在大生產過程中，為提高生產效率和成丸效果，可設置多級滾圓串聯作業(yè)，每一階段滾圓可使用不同的齒盤，設置不同的滾圓速度和時間，以達到快速切斷、球化、拋光的目的。

1.3.2.3 提高圓整度

有些物料成球性能不好，可加入研磨球，增強物料變形能力，提高圓整度。

1.3.2.4 防止?jié)L圓過程中粘連

有些物料滾圓時液體會在離心力作用下滲透到微丸表面引起粘連，可增加干粉送入設施，保證滾圓過程中微丸表面保持干燥。另外，對吸潮物料，應保證環(huán)境的低濕度要求。

1.3.2.5 防止?jié)L圓過程中液體快速揮發(fā)

對采用乙醇等有機溶劑潤濕的物料，操作環(huán)境應保持恒溫恒濕，避免溶劑過快揮發(fā)，影響滾圓效果。滾圓過程中可增加噴槍噴入適量溶劑，保證微丸的濕潤程度，以便于成球。

1.3.2.6 滾圓機增加高速切刀

（1）適用于高黏度物料，幫助將物料切斷；（2）有些用戶需要得到極細的微丸顆粒，可使用高速切刀將物料打碎，進而球化。

1.3.2.7 熱熔滾圓

對某些低熔點物料，可在滾圓機夾套內通入熱水（油）對物料進行加熱。同時，吹入熱風，保證物料在易變形區(qū)域的溫度，以達到變形成微丸的目的。

1.3.2.8 增加清盤裝置、刮壁裝置

滾圓過程中的滾圓盤不可避免地會粘附物料，盤齒不再起作用，這時應及時清理滾圓盤。清理方法：采用高壓氣刀和高壓水刀。清理過程可自動進行，由相關程序控制即可。

2 擠出滾圓系統的設備配置

2.1 實驗系統

實驗系統的擠出滾圓設備配置，可根據一次投料量來進行選擇。一般來說，一次投料量在100g以下的，可選用迷你型擠出滾圓設備；一次投料量在500g以下的，可選用RE-150行星輥輪旋壓制粒機（圖5）和R-250離心滾圓機（圖6）的擠出滾圓組合。

圖5 RE-150行星輥輪旋壓制粒機

圖6 R-250離心滾圓機

2.2 中試系統

對于投料量在20～100kg/h的中試系統，推薦選用RE-250行星輥輪旋壓制粒機（圖7）和R-500離心滾圓機（圖8）的擠出滾圓組合。

圖7 RE-250行星輥輪旋壓制粒機

圖8 R-500離心滾圓機

2.3 生產線配置

2.3.1 系統組成

擠出滾圓系統是包含粉料輸送、粉料計量、液體計量、濕法混合、軟材輸送、擠出成條、滾圓、干燥、篩分等完整流程的系統，系統組合方式多樣，可根據不同物料性質、不同質量要求進行相應取舍。

2.3.2 全自動擠出滾圓生產線

全自動擠出滾圓生產線所用設備如圖9所示。

（1）軟材制備：在濕法混合制粒機內將粉料與液體混合成軟材；（2）擠出：制得的軟材放入螺旋送料機，再勻速加入擠出機，擠出成條；（3）計量：擠出的條狀物料由計量料倉收集，達到一定量后放入離心滾圓機；（4）滾圓：條狀物料在離心滾圓機內切斷球化成微丸；（5）設計全自動擠出滾圓生產線時，每臺設備都應考慮其工作的連續(xù)、穩(wěn)定性，盡量不要出現堵料等情況。

圖9 全自動擠出滾圓生產線

2.3.3 其他

與全自動擠出滾圓生產線配套，可在其前段引入配料系統、輸送系統、粉碎系統等設備；在其后段添加干燥設備、篩分設備，使之形成完整的生產流程，能夠直接生產出合格的產品。

3 特殊物料的擠出滾圓工藝

3.1 高黏度物料的擠出滾圓工藝

高黏度物料是擠出滾圓生產中難度最高的物料，通常高黏度物料不能使用擠出滾圓工藝。但是，我公司經過充分的實驗，結合其他行業(yè)的擠出制粒工藝，開發(fā)出了一套用于高黏度物料的擠出滾圓工藝，其流程如圖10所示。

圖10 高黏度物料的擠出滾圓工藝流程示意圖

3.1.1 工藝方法1（預切撒粉滾圓）

3.1.1.1 混合

若采用普通混合機，液體與干粉不易混合均勻，因此，可采用捏合機進行混合，也可使用螺桿擠出機反復擠壓（煉藥），使液體與干粉充分混勻。

3.1.1.2 擠出

高黏度物料需用壓力高的擠出機，如柱塞式擠出機、螺桿擠出機等，在高壓力下能較好地成型。高黏度物料擠出后極易粘在一起，因此，擠出孔的排列很關鍵，只能平行排列，使擠出物料不會交叉，擠出后的物料需由不粘物料的輸送帶輸送出去。

輸送過程中需吹風或表面噴灑干粉，以達到表面不粘連的目的。

黏性很大的物料可用切刀切成均勻的顆粒，然后滾圓，黏性不是很大的可直接滾圓。

3.1.1.3 滾圓

和常規(guī)物料的滾圓不同，黏性物料的滾圓要求滾圓盤上的切割齒要鋒利，轉盤速度要快，以達到將物料切斷球化的目的。滾圓盤有兩個作用：上面布滿的尖齒實際上是切斷刀，將條狀物料切斷；旋轉形成的摩擦力帶動物料做翻滾運動，最終球化成丸。

3.1.2 工藝方法2（二次造粒）

對于有些黏性物料，流化床或濕法混合制粒機可先噴入少量的液體潤濕成小顆粒，稍微干燥一下，再與液體混合成軟材。經此操作，物料黏性大為降低，擠出滾圓工藝得以順利進行。

3.1.3 工藝方法3（表面改性）

用適合的表面改性材料，將黏性粉末進行表面改性，使其不再具有強黏性，然后再按照常規(guī)擠出滾圓操作方式進行擠出滾圓即可。

3.2 熱敏性物料的擠出滾圓

酶制劑、菌類以及一些特殊物料均具有熱敏性，溫度稍高就會失去活性?？刂茻崦粜晕锪系臄D出滾圓溫度是關鍵。因此，合理選擇擠出機是該工藝能否順利進行的決定性因素。

螺桿類擠出機的輸送是依靠摩擦力來進行的，存在漏流的情況，發(fā)熱在所難免，即使加上冷卻設施也無多大效果，是不可取的。對于熱敏性物料來說，可采用搖擺制粒機、旋壓制粒機、行星輥輪旋壓制粒機。行星輥輪旋壓制粒機是該類物料的最佳選擇，該機以輥輪碾壓為主，摩擦力作用少，溫升最低。

用于熱敏性物料的擠出滾圓設備均應作降溫處理，濕法混合制粒機應做雙層夾套，混合作業(yè)時通入冷卻水進行冷卻；輸送軟材的螺旋送料機也應做夾套，通入冷卻水降溫；擠出機是最易生熱的設備，選用帶冷卻功能的行星輥輪旋壓制粒機，配合嚴格的溫度檢測，可保證擠出溫度在40℃以下；滾圓機也做雙層夾套，通入冷卻水降溫。

另外，混合時采用低溫液體黏合劑進行混合，是保證物料加工質量的有效措施。低溫液體的溫度以保證工作時設備外殼不結露為準（即控制在露點溫度以上）。

3.3 潤濕劑易揮發(fā)物料的擠出滾圓

醫(yī)藥行業(yè)中經常用到乙醇等有機溶劑作為潤濕劑。有機溶劑易揮發(fā)，要求混合、擠出、滾圓工藝速度要快，升溫要低，整個系統要密閉運行，以防溶劑揮發(fā)造成物料干燥無法滾圓。

混合機最好采用全密閉的高速濕法混合制粒機或連續(xù)混合機，混合速度快，密閉運行。為避免升溫造成溶劑揮發(fā)，擠出機最好采用全封閉的行星輥輪旋壓制粒機；滾圓機也要全密閉，而且要配置噴液槍，滾圓時可以適當補充液體以利于成球。

3.4 水分易滲出物料的擠出滾圓

很多無機物、礦物質原料與水分的親和力不強，在擠出及滾圓時均易滲到物料表面形成粘連。對于這種物料，混合是關鍵。普通混合方式雖然很快就能混合均勻，但一經擠出，水分馬上就滲透出來。若用槽型混合機、濕法混合制粒機等進行混合，應將混合時間延長，使水分與干粉充分揉捏均勻。最好采用捏合機進行捏合處理，以達到最好的混合效果。這種物料最好不要采用高壓擠出機，易滲出水影響擠出效果。此外，此類物料摩擦系數比較大，螺桿類擠出機易引起極大升溫。因此，此類物料采用搖擺制粒機、旋壓制粒機比較合理，最好使用行星輥輪旋壓制粒機。滾圓時，為防止水分滲出物料產生粘連，需增加加粉設施，少量干粉即可讓微丸表面干燥，不易結塊。

4 結語

本文介紹了各種擠出滾圓工藝所用的設備，分析了多種物料適用的擠出滾圓工藝，簡要闡述了擠出滾圓工藝中的實驗系統、中試系統、大生產自動生產線的設備選型，對擬采用這一工藝進行生產的相關企業(yè)具有極強的指導意義。

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