CN1103242C - 以可重复方式分装超微细颗粒 - Google Patents

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Abstract

本发明系在干法基础上以可重复的方式用两级颗粒流化分装微细颗粒的分装设备。第一级配置是，带有自由空间的流化床或稀相流化床，其中稀疏的气-固悬浮充满整个室。第二级是稀相气-固悬浮流化床。第二级接收从第一级引出的悬浮颗粒，形成很均匀的稀相悬浮，经收集端口得到很精确数量的颗粒，放入收集器以供分装用。也可在多个第二级室中的每个都通过一单独导管，从大得多的第一级室引出悬浮颗粒。每第二级室可有多个收集端口。收集最好通过收集端口的定时开/关进行，使精确分装量与时间成正比。

Description

以可重复方式分装超微细颗粒
技术领域
本发明涉及以可重复方式精确分装非常少量的超微细颗粒。
制药工业(以及其它工业)经常需要以可重复的方式在干燥的状态下，精确分装非常少量(1mg或更小量级以下)的超微细(小于10μm)药物(或其它用途的)颗粒。例如，病人以吸入方式服用很微细颗粒。由于新药配方有更高的效力，就要求剂量比以前的分装方法所分装的剂量更小得多。市场上现有的设备一般只可分装5±0.5mg量级的剂量(即量级为5mg，误差为正/负0.5mg)。如果能够分装剂量为1mg或更少，而且分装误差小于±0.1mg，那将更为理想。
背景技术
本专利发明人尚未发现任何在干法下分装如此少量的超微细颗粒的可用技术。对于剂量大于5mg的情况，这些年来已开发了几种类型的颗粒给料系统(solids feeding systems)。其中包括为实验室和中试规模的气-固(gas-solids)反应过程(例如，燃烧、气化、催化反应和冶金过程)使用的给料器，这些系统的颗粒流量在1kg/h的量级。最常见的颗粒给料器是机械式给料器，诸如带式输送器或螺旋式输送器。然而，机械给料器在输送非常微细的颗粒时，由于粉末的粘着特性会妨碍颗粒的自由移动，从而导致粉末输送困难，故而一般效率低且不可靠。
流化床给料器(fluidized bed feeder)，作为非机械颗粒给料器，具有分装更小剂量的潜力和可重复性的特点。尽管已开发出一些类型的传统流化床给料器，但没有一个适用于前面所说的分装小剂量的超微细颗粒的能力。本专利发明人所知的任何现有工艺下的给料器都无法分装这里所论及的很小剂量的微细颗粒。
许多政府和工业部门已将微细颗粒(包括纳米颗粒)的处理视为21世纪的关键发展领域之一。
由于超微细颗粒的粘着特性，所有机械方法都被认为不适用于精确分装超细颗粒。现有传统颗粒给料器无法处理1mg以下量级的少量颗粒的药剂量分装。
本发明的公开
本发明的目的就是以可重复的方式，在干法下，精确分装非常少量的超微细颗粒，例如药物(粉)。
本发明采用两级颗粒流化(two-stage fluidization)。较为理想的第一级配置是一个上部带有自由空间的流化床(fluidized bed)，但也可以是一个气-固悬浮充满整个室的稀相流化床(dilute-phase fluidizedbed)；第二级是一个稀相气-固悬浮流化床(dilute gas-solid suspensionfluidized bed)。第二级接收从第一级的悬浮颗粒中引出的颗粒，形成非常均匀的稀相悬浮，进而可以从中获取非常精确的(颗粒)数量。因此，本发明具有第一级和第二级气-固悬浮或流化室，每一级室都有颗粒流化手段，一根导管连接第一级室与第二级室，以便悬浮颗粒可以从第一级室流向第二级室。通过例如文氏管这样的手段，在第一级室和第二级室之间产生一个压力差，以便将悬浮颗粒从第一级室通过导管传递到第二级室中去。为了精确分装，通过收集口(withdrawalports)将悬浮颗粒从第二级室取出，放入一个收集器(collection area)，从而完成分装。
如果需要，可以使用多个第二级室，每一个第二级室都通过一根单独的导管从一般要大得多的第一级室获取悬浮颗粒。因此，工业设置可以有一个相当大的第一级室，通过一些导管延伸到位于远处的许多第二级室。
同样地，每一个第二级室都可以有多个收集口，以增加分装点的总数。
这一新的流化分装系统的一个应用之处是制药工业，用来分装很小剂量的用药。这一技术也可应用于许多需要计量少量颗粒的工业过程中。
本发明的一个优点是使用节省成本的气动装置而非机械装置，获得对小剂量微细颗粒的精确分装。
尽管本发明对超微细颗粒和少量分装很适宜，但本发明也可处理较大的颗粒和剂量大于1mg的情况，直至其它较为传统的方法可以更有效地发挥作用的情况，例如，100-200mg的范围。然而，颗粒越小，使用传统方法分装就越困难。因此，不应把这一发明的应用范围解释为严格局限于仅仅分装很少量的、量级等于或小于1mg的超微细颗粒，尽管这可能是本发明最为有用之处。
尽管在本发明首选的配置下，第一级室阶段是一个上部带有自由空间的密相流化床，但是，第一级也可以是一个气-固悬浮充满全室的稀相流化床。
通过下面对本发明的详细描述，本发明的特点将会进一步变得更加明朗。
附图的简要说明
为了使这一发明更易理解，下面将结合附图，通过举例来详细描述发明的最佳实施例。其中：
图1是本发明分装系统的示意图；
图2是以截面图展示的分装系统文氏管区的第一实施例详细视图；
图3-图9是说明几种不同文氏管配置的不同视图；和
图10是一个稀相颗粒收集结构的详细示意图。
实现本发明的最佳方式
图1为一个较为理想的系统的示意图。该系统有一个第一级气-固流化室20，其中所载的颗粒通过某一适当的常规手段而被流化，进而形成颗粒悬浮，例如，通过从风箱50和一块孔板空气分布器51引入的流化气体G(空气分布器51夹在两个法兰之间)。一个较好的但并非任何情况下都必要的选择是，使用流化辅助手段，例如安置在流化床内的六个搅拌桨60，以便搅动密相，从而提高微细颗粒的流化质量。搅拌桨安置在轴64上，通过机械搅拌器62驱动。在流化床(main column)的外壁还可安装一个可产生不同频率的震动器70，例如一个风力涡轮，以协助流化粘性细颗粒。根据需要，也可以使用其它流化辅助手段，包括同时申请中的另一专利所叙述的“气体流化辅助手段”(Gaseous Fluidization Aids)。该申请中的专利于1999年8月13日提交，国际专利申请号为PCT/CA99/00742，在美国申请优先权，专利申请号为No.09/133,215。这些申请在此一并通过引用包括在内。
一根导管15将第一级室20的自由空间区41(即粉末床40上方的区域，该处为稀相颗粒悬浮，见图2)与第二级气-固流化室30连接，以便悬浮颗粒可以从第一级室流往第二级室。通过例如导管15中的文氏管10一类的手段，在第一级和第二级之间形成一个压力差，该文氏管被充以来自于一根气体输送管16的高速气体流J(例如其速度为10-50m/s)，以产生所需的文氏管效应，进而产生悬浮颗粒从第一级室到第二级室的流动。第二级室中的颗粒悬浮比第一级室的要更加均匀和稀疏得多，由于维持了一个稳定的稀疏颗粒流，通过一根收集导管31，颗粒被从第二级室30中提取到一个收集器34中，更为详细的描述如下。
由于在第二级室获得了一个稀疏的、非常稳定、非常均匀的颗粒悬浮，通过这一两级流化可以取得极为精确的分装。在生产中，一旦操作条件确定并经过校准后，就可获得精确、可靠、可重复的(分装)量，这时，就只需要为质量控制监控而对所采集的数量定期加以检查就可以了。
如上所述，可以使用多个“第二级”室30，每一个第二级室都通过一根独立的导管15从大得多的第一级室获取悬浮颗粒。为清楚叙述和解释起见，本说明将着重对只有单个第二级室的情况进行叙述，但应清楚地理解，多个第二级室的情况也是本发明所包括的。多个独立导管15将从第一级室周围的许多不同地方吸取(悬浮颗粒)，根据需要，这些导管可以处于同样的高度，也可以处于不同的高度。
同样如上所述，应该同样清楚的是，该第二级室30，或该多个第二级室30(倘若多于一个)，可以安装多个收集导管31。同样为了说明和解释清楚，本叙述将着重对只有单个收集导管的情况进行叙述。
尽管本说明特别地叙述了文氏管和其中产生文氏管效应的高速气体流，但应知道，只要满足以下条件，任何形式的导管对本发明都适用：导管中存在第一级流化室和第二级流化室之间的压力差，从而导致第二级室中的压力较低，进而产生从第一级室到第二级室的流动。例如，在第二级流化室30上端的区域可以抽真空(图中未示出)，以在导管中产生一个低压。另一可供选择的方法是，给第一级流化室增压，使其压力大于(一个或多个)第二级流化室的压力。
图3-图9给出了另外可供选择的配置的例子，这些配置可以与文氏管共同使用以从第一级室20中吸取悬浮颗粒。例如，图3和4显示了一根拥有末端平板14的导管15，该平板上面有数个小孔以从第一级室吸取颗粒。这块板子的作用是控制导入第二级室颗粒的质量流率。同时提供了一个中央开孔13，以安装高速气体输送导管16。这基本上是图1和图2所示结构的简化。
在图5-图6所示的可供选择的文氏管配置中，(数个)小孔12是打在导管15的壁上的，位于该导管稍稍延伸进入第一级室20的部位。第一种结构的有利之处在于可以使用一些不同数量、不同尺寸的小孔，而不必改变文氏管设备。
图7显示了一种将文氏管10的颈安放在第一级室20内的一种设置，这时(数个)小孔12位于颈上。
图8显示与导管15在第一级室20的内部相交的(数个)管子11，由此而导致的缩小的横截面区域产生了文氏管效应。管子11将悬浮颗粒吸入导管，(数个)管子的外端起小孔12的作用。
图9显示了一个与图8类似的配置。
在每种情况下，根据应用的具体情况，小孔12的直径最好是1-5mm左右。
较佳的选择是将文氏管置于自由空间内的高处。应该知道，只要导管可以从第一级室内之稠密颗粒床的自由空间吸取稀释颗粒，多种不同的位置对文氏管都适用。然而，在计量的量较大时，可能需要使导管从密相床或接近密相床处吸取，以增加流量。
最好将一个高效的旋风分离器80安置在第一级室20的出口处，以捕获流化气流F所带出的颗粒(F源于G)，使之不会流失。捕获的颗粒被收集在容器82里，如果需要，可以将其再引入位于第一级室底部的颗粒床的底部。或者，可以改为在自由空间内安装一个旋风分离器或一个恰当形式的颗粒过滤系统。
为了保证文氏管内部和密相流化床自由空间之间有足够的压降，以便颗粒可以从主流化床平稳流进文氏管，第二级室30的稀疏气-粒流(gas-particle fluidization flow)将不被送回到主流化床(也就是第一级室20)中去。而是选择让这一气-粒悬浮通过一个过滤器(图中未示出)以捕获微细粉末，同时将空气释放到大气中去。这一气-粒悬浮流由标有F′的箭头所示。在一个商用装置中，分离出来的颗粒可能被送回给第一级室。在第二级室的出口安装一个蝴蝶阀(butterflyvalve)32则更佳。这一阀门在系统运转时通常是开放的，但可以定期关闭，同时将另一空气(源)引入塔内，以迫使空气定期回流到密相床，从而净化文氏管，并防止小孔12被微细颗粒堵塞。
为了控制空气湿度，两个气流(G与J)最好首先通过二个单独的盛有干燥剂(诸如硅胶)的填充床吸附管(bed adsorption tubes)。
现在详细地叙述通过收集管31将悬浮颗粒收集至一个收集器34的方法。一旦收集管31打开，由于第二级室内的正压力，少量的悬浮粉末就会从第二级室中流出。通过调节收集管的开放时间，可以精确控制粉末的收集数量。通过增加收集管的数量，可以大大提高生产率。
图10给出了一个理想的颗粒收集系统示意图。颗粒的收集是通过一个三通道电磁阀33和一个定时器(图中未示出)来控制的。管道A和收集管31最初是打开的，而使用电磁阀关闭管道C，这样，来自管道A的反吹净化气体(back-purging gas)流入稀相流化床，从而阻止颗粒进入收集管31。
在收集程序开始时，管道C打开，同时三通道电磁阀33将管道A关闭。一旦净化气流停止，气-固悬浮便开始从稀相床30流入收集管31，并最终进入收集器(collection cell)34，稀相流化床与外界的小压差是造成这一流动的原因，可以通过在收集系列的终端施加一个吸力(真空)来加强这一流动。通过控制电磁阀的开放时间可以简单地获得预先想要分装的颗粒数量。如前所述，这可以很容易地加以控制和校准，以获得非常精确、可靠、且可重复的数量。
另一种可供选择的收集设备(图中未示出)是在连接稀相床(dilutephase column)和收集器的单管管道上安装一个双通道的电磁阀。这一电磁阀在不进行收集时是关闭的，在收集过程中是打开的。当收集频率很高时，不必进行净化。
以乳糖粉末为例的实验结果显示，在适当的操作条件下，借助于内部搅拌和(或)外部震动以及(或)其它流化辅助，乳糖粉末有可能获得高质量的流化；同时从稀相流化床中收集的乳糖量也可能具有很好的可重复性(稀相床通过文氏管的出口与主流化床相接)。
我们希望以上通过示例进行的最佳实施例说明可以得到对本发明的理解。对于本领域的技术人员来说，这一发明显然可以有许多不同的变化类型，无论是否已明确说明，这些明显的变化类型都在本发明之叙述和权利要求的范围之内。
工业应用性
本发明提出了一种经过改进的粉末分装方法。

Claims (13)

1.分装干颗粒的设备，包括：
一个第一级气-固流化室和至少一个第二级气-固流化室，每个第一级室和第二级室中都配有颗粒流化手段以在这些室内产生所述颗粒的悬浮；
为每个所述第二级室配备的一根导管，该导管是为颗粒从所述第一级室流向所述第二级室，从而在所述第二级室中形成颗粒悬浮而连接的；
在所述第一级室和每个所述第二级室之间产生压降的手段，以形成从所述第一级室到所述第二级室的所述颗粒流；以及
为每个所述第二级室配置的用于将悬浮颗粒从所述第二级室收集到至少一个收集器的手段。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征在于所述导管是为所述颗粒从所述第一级室流向所述第二级室而连接的，其中所述颗粒在所述第一级室中处于悬浮状态。
3.按照权利要求1所述的设备，其特征在于第二级室不止一个。
4.按照权利要求1所述的设备，其特征在于有多个手段用于将悬浮颗粒从每个所述第二级室收集到相应的多个收集器中。
5.按照权利要求1所述的设备，其特征在于所述将悬浮颗粒从所述第二级室收集到一个收集器的手段包括一个带有三个接头的三通道阀门，其中一个通道连接来自第二级室的收集管，一个通道连接反吹净化气体，另一个通道连接收集器；此三通道阀门的操作方法是，当阀门开关处于第一种位置时，反吹净化气流向第二级室，从而阻止颗粒进入收集管，当此阀门开关处于第二种位置时，反吹净化气不再流入，颗粒通过收集管流入收集器，由此以控制阀门处在第二种位置的时间的方法，来定量地收集预先决定的颗粒量。
6.按照权利要求1所述的设备，其特征在于所述第二级室为气-固悬浮充满整个室的稀相流化床。
7.按照权利要求6所述的设备，其特征在于所述第一级室有一个密相流化床，在所述床的上方有一个自由空间。
8.按照权利要求6所述的设备，其特征在于所述第一级室为气-固悬浮充满整个室的稀相流化床。
9.按照权利要求1所述的设备，其特征在于所述的提供所述第一级室和所述第二级室之间压降的手段是每一根所述导管中的一个文氏管，该文氏管中充满高速气体以产生文氏管效应。
10.按照权利要求1所述的设备，其特征在于所述的提供所述第一级室和所述每一个第二级室间压降的手段是给所述第一级室加压，使其压力大于每一个所述第二级室的压力。
11.按照权利要求1所述的设备，其特征在于所述将颗粒从所述第二级室收集到至少一个收集器的手段对每个收集器而言包括：一根连接所述第二级室和所述收集器的收集导管，其中所述第二级室与所述采集区之间有一个压降，且每个所述收集导管与收集器之间有一个阀，该阀的设置方式是控制从所述第二级室到所述收集器的颗粒流动。
12.按照权利要求11所述的设备，其特征在于所述阀门是一个定时电磁阀。
13.按照权利要求12所述的设备，其特征在于所述电磁阀是一个三通道阀，它的三个端口分别与所述收集导管、所述收集器和一个高压净化气体源相接，从而使得净化气体可以在不收集颗粒时从所述收集导管中回流至所述第二级室，防止悬浮颗粒进入收集导管，直至所述三通道阀在操作下将所述收集导管与所述收集器相接，并同时断开与所述净化气体源的连接。
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