擠出滾圓工藝及其設(shè)備選型要素探析

摘

要：介紹了擠出滾圓工藝所用的不同設(shè)備，從設(shè)備選用原則與工作流程兩個(gè)方面，探討了擠出滾圓工藝的設(shè)備配置，同時(shí)闡述了特殊物料的擠出滾圓工藝，簡(jiǎn)要分析了擠出滾圓工藝中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、中試系統(tǒng)、大生產(chǎn)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)備選型，對(duì)擬采用這一工藝進(jìn)行生產(chǎn)的相關(guān)企業(yè)具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：擠出；滾圓；高黏度；熱敏性；表面改性；微丸

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引言擠出滾圓工藝以其工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)量大、質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、飼料、食品等行業(yè)，已成為微丸生產(chǎn)的主要工藝之一。但是，擠出滾圓工藝受配方及設(shè)備的影響較大，要想得到較好的擠出滾圓生產(chǎn)系統(tǒng)，除了配方精良以外，正確的設(shè)備選擇及生產(chǎn)工藝至關(guān)重要。1

擠出滾圓工藝所用設(shè)備1.1

擠出機(jī)擠出機(jī)是將混（捏）合好的軟材經(jīng)擠壓后通過(guò)模板變成條狀物料的設(shè)備。擠出機(jī)的種類(lèi)有很多，和擠出滾圓工藝相關(guān)的設(shè)備主要有：?jiǎn)温輻U擠條機(jī)、異向相切型擠條機(jī)、異向嚙合型擠條機(jī)、同向嚙合型擠條機(jī)、旋壓制粒機(jī)、搖擺制粒機(jī)、柱塞式擠出機(jī)等。我公司最新開(kāi)發(fā)的一種溫升低、擠出孔小、生產(chǎn)量大的行星輥輪旋壓制粒機(jī)，是一種比較理想的擠出設(shè)備。1.1.1

擠出機(jī)分類(lèi)按照工作原理不同，擠出機(jī)可分為動(dòng)壓擠出機(jī)和靜壓擠出機(jī)。其中，動(dòng)壓擠出機(jī)的擠出壓力是脈動(dòng)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(jī)是靠靜壓力將物料擠出成條。動(dòng)壓擠出機(jī)可通過(guò)一定的方式轉(zhuǎn)換為靜壓擠出（螺桿類(lèi)）機(jī)，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(chǎng)合。按照擠出壓力高低不同，擠出機(jī)可分為高壓擠出機(jī)和低壓擠出機(jī)。其中，高壓擠出機(jī)的擠出壓力高，擠出孔板的長(zhǎng)徑比大，可得到高致密度的條狀物料；低壓擠出機(jī)的擠出壓力低，擠出孔板的長(zhǎng)徑比小，擠出的物料較為疏松。醫(yī)藥生產(chǎn)行業(yè)一般使用低壓擠出機(jī)，擠出設(shè)備的選用應(yīng)該根據(jù)物料的性質(zhì)而定。1.1.2

擠出機(jī)選型要素在選用擠出機(jī)時(shí)，常根據(jù)物料的擠出滾圓工藝進(jìn)行選擇，本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(jī)，產(chǎn)量小的場(chǎng)合也可用柱塞式擠出機(jī)；低黏性物料，如含油脂的物料、含蠟質(zhì)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(jī)；黏性適中的物料，一般擠出機(jī)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(chēng)為高含水（液）率物料，低于該含水率的物料稱(chēng)為低含水（液）率物料。含水率低，往往導(dǎo)致軟材的流動(dòng)性不好，擠出需要很大的力量，可選用單螺桿擠出機(jī)或異向嚙合雙螺桿擠出機(jī)；含水率很高，物料易打滑，只能用同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)；含水率一般的物料，可根據(jù)情況選用其他擠出機(jī)。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(jī)的擠出過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大熱量，不適用于熱敏性物料的擠出，這時(shí)最好使用旋壓制粒機(jī)，其中的行星輥輪旋壓制粒機(jī)最為適合。1.1.2.4

軟化點(diǎn)以耐熱60℃為軟化點(diǎn)界限，低于此溫度發(fā)生軟化變軟的物料為低軟化點(diǎn)物料，其余為正常物料。低軟化點(diǎn)物料在擠出時(shí)會(huì)升溫軟化，在螺桿擠出機(jī)中，除同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)外，均不能正常工作，可采用同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)、柱塞式擠出機(jī)、普通旋壓制粒機(jī)、行星輥輪旋壓制粒機(jī)等設(shè)備。1.1.2.5

塑性采用干粉摩擦系數(shù)大的、與液體結(jié)合不好的物料（特別是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)）得到的軟材一般塑性不好，擠出過(guò)程中很容易因?yàn)槟Σ辽郎赜绊憯D出效果。對(duì)于這種物料，螺桿擠出機(jī)均不適合（磨損大，會(huì)引起極大溫升），最好采用搖擺制粒機(jī)、普通旋壓制粒機(jī)、行星輥輪旋壓制粒機(jī)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(jī)等；為得到較為疏松的物料，可采用旋壓制粒機(jī)、搖擺制粒機(jī)等。1.2

行星輥輪旋壓制粒機(jī)現(xiàn)有的擠出設(shè)備主要有螺桿類(lèi)擠出機(jī)、旋壓制粒機(jī)、搖擺制粒機(jī)這幾類(lèi)。其中，螺桿類(lèi)擠出機(jī)溫升高，使用受到極大限制；旋壓制粒機(jī)產(chǎn)量大，溫升低，但不適用于大型化生產(chǎn)，且使用壽命有限；搖擺制粒機(jī)篩網(wǎng)易壞，擠出產(chǎn)物疏松、粉末多，基本不能滿(mǎn)足擠出滾圓工藝需求。研究人員通過(guò)分析各種常用制粒機(jī)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)旋壓制粒機(jī)的篩籃式擠出產(chǎn)量大，但其擠壓部件效率低；而飼料環(huán)模制粒機(jī)的擠壓部件效率相當(dāng)高，其關(guān)鍵就在于用輥輪代替刮板，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，生產(chǎn)量大。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員的不斷改進(jìn)，最終研制成功了專(zhuān)利產(chǎn)品——行星輥輪旋壓制粒機(jī)。1.2.1

工作原理行星輥輪旋壓制粒機(jī)原理如圖1所示。行星輪安裝在行星架上，與擠出網(wǎng)板內(nèi)壁緊貼在一起。行星輪隨行星架公轉(zhuǎn)，同時(shí)行星輪作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)都是由齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)，不存在打滑現(xiàn)象。物料進(jìn)入設(shè)備，受行星輪的碾壓作用，迅速由擠出網(wǎng)板擠出成條狀顆粒。1.2.2

結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)（1）輥輪與擠出網(wǎng)板緊密貼合，且輥輪自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度一致，不存在打滑現(xiàn)象，為純滾動(dòng)摩擦；（2）擠出孔板外面有加強(qiáng)層，擠出孔板不會(huì)變形，使用壽命長(zhǎng)；（3）擠出孔板采用夾緊式結(jié)構(gòu)，無(wú)需焊接，安裝、維護(hù)方便；（4）可采用標(biāo)準(zhǔn)沖孔板，不需要焊接打磨，損壞后可自行更換，運(yùn)行費(fèi)用低。1.2.3

運(yùn)行優(yōu)勢(shì)（1）擠出效率高，能耗低；（2）標(biāo)準(zhǔn)沖孔板，下料簡(jiǎn)單，沖孔板可以自己采購(gòu)，配件消耗極低，節(jié)約大量配件費(fèi)用。1.2.4

特點(diǎn)1.2.4.1

控制擠出升溫因?yàn)槊钢苿┑刃袠I(yè)所用的物料具有熱敏性特點(diǎn)，一般不能超過(guò)40℃，而一般的擠出機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，顯然不適合。而行星輥輪旋壓制粒機(jī)無(wú)物料輸送過(guò)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(jī)（圖2）的具體溫度控制措施：（1）該機(jī)傳動(dòng)箱及擠出端頭有冷卻夾層，可通入冷卻水進(jìn)行冷卻。（2）該機(jī)旋壓輥輪內(nèi)部可通入冷卻水，能有效降低擠出溫度。（3）該機(jī)安裝有溫度傳感器，用于檢測(cè)擠出物料的溫度，并根據(jù)溫度的高低，控制進(jìn)料速度和擠出速度，以確保溫度不會(huì)過(guò)高而損壞物料。若物料溫度過(guò)高，超過(guò)設(shè)定值，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警。

1.2.4.2

產(chǎn)量大（1）該機(jī)不存在滑動(dòng)摩擦，可以高速運(yùn)行而不影響擠出效果；（2）該機(jī)擠出面積大，擠出孔多，擠出網(wǎng)板360°周向出料；（3）擠出輥輪與擠出篩網(wǎng)之間基本為零間隙，對(duì)物料的擠壓作用極強(qiáng)，物料與輥輪接觸即被強(qiáng)制碾壓擠出，不存在物料在設(shè)備內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間不能擠出的情況。以上特點(diǎn)使得該機(jī)優(yōu)于其他擠出機(jī)，經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，擠出效率比普通螺桿擠出機(jī)高50%～200%。1.2.4.3

小孔擠出要想物料順利擠出小孔，必須設(shè)置極高的動(dòng)壓擠出壓力。螺桿類(lèi)擠出機(jī)和普通旋壓制粒機(jī)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(jī)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(dòng)，可設(shè)置極高的擠出壓力，最小擠出孔徑可達(dá)0.1mm。1.2.4.4

廣泛的物料適應(yīng)能力該機(jī)的擠出部位均采用機(jī)械傳動(dòng)，對(duì)物料的摩擦依賴(lài)性小，各類(lèi)物料均能順利擠出。1.3

離心滾圓機(jī)擠出機(jī)得到的條狀物料在離心滾圓機(jī)內(nèi)隨轉(zhuǎn)盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，在滾圓機(jī)內(nèi)存在以下幾種力的作用：物料與轉(zhuǎn)盤(pán)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(duì)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，自身也做自轉(zhuǎn)翻滾運(yùn)動(dòng)，使得軟的條狀顆粒最終球化成球形微丸。離心滾圓機(jī)的關(guān)鍵在于滾圓盤(pán)，滾圓盤(pán)的關(guān)鍵在于切斷齒的形狀。滾圓盤(pán)齒的種類(lèi)繁多，常用的有四棱臺(tái)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(qiáng)，適用范圍廣，能有效切斷并球化高黏度物料。

1.3.1

離心滾圓機(jī)的選用原則1.3.1.1

高黏度物料選用尖齒滾圓盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)速度要快，以達(dá)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(pán)，方便成丸而且不會(huì)產(chǎn)生太多細(xì)粉。1.3.1.3

與水分結(jié)合力弱的物料在離心力的作用下，水分會(huì)滲透到物料表面形成粘連，要求滾圓機(jī)上有添加干粉防粘的設(shè)施。1.3.1.4

潤(rùn)濕劑易揮發(fā)的物料乙醇等易揮發(fā)物料作為潤(rùn)濕劑，在滾圓機(jī)中易失去液體，造成物料干燥無(wú)法滾圓，要求滾圓機(jī)上有噴液設(shè)施，并密閉運(yùn)行。1.3.2

離心滾圓機(jī)的使用注意事項(xiàng)1.3.2.1

分段的速度控制方式在滾圓過(guò)程中，條狀物料進(jìn)入滾圓機(jī)進(jìn)行切斷，進(jìn)而球化成丸，最后拋光。其每一階段需要的速度及時(shí)間是不一樣的，可設(shè)置多段速度及時(shí)間，以達(dá)到最優(yōu)的滾圓效果。1.3.2.2

多級(jí)串聯(lián)組合方式在大生產(chǎn)過(guò)程中，為提高生產(chǎn)效率和成丸效果，可設(shè)置多級(jí)滾圓串聯(lián)作業(yè)，每一階段滾圓可使用不同的齒盤(pán)，設(shè)置不同的滾圓速度和時(shí)間，以達(dá)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(qiáng)物料變形能力，提高圓整度。1.3.2.4

防止?jié)L圓過(guò)程中粘連有些物料滾圓時(shí)液體會(huì)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(shè)施，保證滾圓過(guò)程中微丸表面保持干燥。另外，對(duì)吸潮物料，應(yīng)保證環(huán)境的低濕度要求。1.3.2.5

防止?jié)L圓過(guò)程中液體快速揮發(fā)對(duì)采用乙醇等有機(jī)溶劑潤(rùn)濕的物料，操作環(huán)境應(yīng)保持恒溫恒濕，避免溶劑過(guò)快揮發(fā)，影響滾圓效果。滾圓過(guò)程中可增加噴槍噴入適量溶劑，保證微丸的濕潤(rùn)程度，以便于成球。1.3.2.6

滾圓機(jī)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(hù)需要得到極細(xì)的微丸顆粒，可使用高速切刀將物料打碎，進(jìn)而球化。1.3.2.7

熱熔滾圓對(duì)某些低熔點(diǎn)物料，可在滾圓機(jī)夾套內(nèi)通入熱水（油）對(duì)物料進(jìn)行加熱。同時(shí)，吹入熱風(fēng)，保證物料在易變形區(qū)域的溫度，以達(dá)到變形成微丸的目的。1.3.2.8

增加清盤(pán)裝置、刮壁裝置滾圓過(guò)程中的滾圓盤(pán)不可避免地會(huì)粘附物料，盤(pán)齒不再起作用，這時(shí)應(yīng)及時(shí)清理滾圓盤(pán)。清理方法：采用高壓氣刀和高壓水刀。清理過(guò)程可自動(dòng)進(jìn)行，由相關(guān)程序控制即可。2

擠出滾圓系統(tǒng)的設(shè)備配置2.1

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擠出滾圓設(shè)備配置，可根據(jù)一次投料量來(lái)進(jìn)行選擇。一般來(lái)說(shuō)，一次投料量在100g以下的，可選用迷你型擠出滾圓設(shè)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(jī)（圖5）和R-250離心滾圓機(jī)（圖6）的擠出滾圓組合。

2.2

中試系統(tǒng)對(duì)于投料量在20～100kg/h的中試系統(tǒng)，推薦選用RE-250行星輥輪旋壓制粒機(jī)（圖7）和R-500離心滾圓機(jī)（圖8）的擠出滾圓組合。2.3

生產(chǎn)線(xiàn)配置2.3.1

系統(tǒng)組成擠出滾圓系統(tǒng)是包含粉料輸送、粉料計(jì)量、液體計(jì)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(tǒng)，系統(tǒng)組合方式多樣，可根據(jù)不同物料性質(zhì)、不同質(zhì)量要求進(jìn)行相應(yīng)取舍。2.3.2

全自動(dòng)擠出滾圓生產(chǎn)線(xiàn)全自動(dòng)擠出滾圓生產(chǎn)線(xiàn)所用設(shè)備如圖9所示。（1）軟材制備：在濕法混合制粒機(jī)內(nèi)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(jī)，再勻速加入擠出機(jī)，擠出成條；（3）計(jì)量：擠出的條狀物料由計(jì)量料倉(cāng)收集，達(dá)到一定量后放入離心滾圓機(jī)；（4）滾圓：條狀物料在離心滾圓機(jī)內(nèi)切斷球化成微丸；（5）設(shè)計(jì)全自動(dòng)擠出滾圓生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，每臺(tái)設(shè)備都應(yīng)考慮其工作的連續(xù)、穩(wěn)定性，盡量不要出現(xiàn)堵料等情況。2.3.3

其他與全自動(dòng)擠出滾圓生產(chǎn)線(xiàn)配套，可在其前段引入配料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)等設(shè)備；在其后段添加干燥設(shè)備、篩分設(shè)備，使之形成完整的生產(chǎn)流程，能夠直接生產(chǎn)出合格的產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)過(guò)充分的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合其他行業(yè)的擠出制粒工藝，開(kāi)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。3.1.1

工藝方法1（預(yù)切撒粉滾圓）3.1.1.1

混合若采用普通混合機(jī)，液體與干粉不易混合均勻，因此，可采用捏合機(jī)進(jìn)行混合，也可使用螺桿擠出機(jī)反復(fù)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(jī)，如柱塞式擠出機(jī)、螺桿擠出機(jī)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(guān)鍵，只能平行排列，使擠出物料不會(huì)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(guò)程中需吹風(fēng)或表面噴灑干粉，以達(dá)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(pán)上的切割齒要鋒利，轉(zhuǎn)盤(pán)速度要快，以達(dá)到將物料切斷球化的目的。滾圓盤(pán)有兩個(gè)作用：上面布滿(mǎn)的尖齒實(shí)際上是切斷刀，將條狀物料切斷；旋轉(zhuǎn)形成的摩擦力帶動(dòng)物料做翻滾運(yùn)動(dòng)，最終球化成丸。3.1.2

工藝方法2（二次造粒）對(duì)于有些黏性物料，流化床或濕法混合制粒機(jī)可先噴入少量的液體潤(rùn)濕成小顆粒，稍微干燥一下，再與液體混合成軟材。經(jīng)此操作，物料黏性大為降低，擠出滾圓工藝得以順利進(jìn)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(jìn)行表面改性，使其不再具有強(qiáng)黏性，然后再按照常規(guī)擠出滾圓操作方式進(jìn)行擠出滾圓即可。3.2

熱敏性物料的擠出滾圓酶制劑、菌類(lèi)以及一些特殊物料均具有熱敏性，溫度稍高就會(huì)失去活性?？刂茻崦粜晕锪系臄D出滾圓溫度是關(guān)鍵。因此，合理選擇擠出機(jī)是該工藝能否順利進(jìn)行的決定性因素。螺桿類(lèi)擠出機(jī)的輸送是依靠摩擦力來(lái)進(jìn)行的，存在漏流的情況，發(fā)熱在所難免，即使加上冷卻設(shè)施也無(wú)多大效果，是不可取的。對(duì)于熱敏性物料來(lái)說(shuō)，可采用搖擺制粒機(jī)、旋壓制粒機(jī)、行星輥輪旋壓制粒機(jī)。行星輥輪旋壓制粒機(jī)是該類(lèi)物料的最佳選擇，該機(jī)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(shè)備均應(yīng)作降溫處理，濕法混合制粒機(jī)應(yīng)做雙層夾套，混合作業(yè)時(shí)通入冷卻水進(jìn)行冷卻；輸送軟材的螺旋送料機(jī)也應(yīng)做夾套，通入冷卻水降溫；擠出機(jī)是最易生熱的設(shè)備，選用帶冷卻功能的行星輥輪旋壓制粒機(jī)，配合嚴(yán)格的溫度檢測(cè)，可保證擠出溫度在40℃以下；滾圓機(jī)也做雙層夾套，通入冷卻水降溫。另外，混合時(shí)采用低溫液體黏合劑進(jìn)行混合，是保證物料加工質(zhì)量的有效措施。低溫液體的溫