JP4819008B2 - 流動層装置 - Google Patents

Description

本発明は、医薬品、農薬、食品等の細粒、顆粒等を製造する際に用いられる流動層装置に関し、特に粉粒体粒子のコーティング処理に用いられる流動層装置に関する。

流動層装置は、一般に、流動層容器の底部から導入した熱風等の流動化気体によって、流動層容器内で粉粒体粒子を浮遊流動させて流動層を形成しつつ、スプレーノズルからスプレー液（膜剤液、結合剤液等）を噴霧して造粒又はコーティング処理を行うものである。この種の流動層装置の中で、粉粒体粒子の転動、噴流、及び攪拌等を伴うものは複合型流動層装置と呼ばれ、その代表的なものとして、流動層容器の底部に回転体を配設した転動流動層装置、流動層容器の内部にドラフトチューブ（内塔）を設置した、いわゆるワースター式流動層装置がある。その内、後者のワースター式流動層装置は、粉粒体粒子のコーティング処理、特に微粒子のコーティング処理に広く用いられている（例えば、下記の特許文献１）。

一般に、ワースター式流動層装置は、流動層容器の中央部に円筒状のドラフトチューブを設置し、ドラフトチューブ内を上昇する気流に乗せて粉粒体粒子に上向きの流れ（噴流）を起こさせ、流動層容器の底部中央に設置したスプレーノズルからドラフトチューブ内の粉粒体粒子に向けて上向きにスプレー液をスプレーするものである。流動層容器の底部は多孔を有する気体分散板で構成され、この気体分散板を介して流動層容器内に噴出する流動化気体、さらにスプレーノズルから噴出する噴霧空気（アトマイズエアー）によって、流動層容器内の粉粒体粒子に、ドラフトチューブの内部を上昇し、流動層容器の内壁とドラフトチューブとの間の空間部を下降する方向に循環する流動層が形成される。

上記のワースター式流動層装置によれば、ドラフトチューブの内部に形成されるスプレーゾーンに大量の粒子を高速で送り込むことができるので、いわゆるスプレードライ現象（スプレー液のミストが粉粒体粒子に付着せずに乾燥して粉塵化する現象）や粒子同士の二次凝集が起こりにくく、粒子径の小さな微粒子（例えば粒子径が５０〜１５０μｍの粒子）に対しても収率の良いコーティング処理が可能である。そのため、ワースター式流動層装置は、例えば医薬品製造において微粒子から顆粒粒子までの徐放性コーティングなどに広く用いられている。

また、複合型ではない通常の流動層装置において、性状が均一で且つ比容積が小さい造粒物を容易且つ効率よく製造するために、流動層容器の底部から導入する流動化気体として空気脈動波を用いた造粒方法が提案されている（下記の特許文献２、３）。この造粒方法は次のようなものである。すなわち、加熱した空気脈動波を用いて粉体原料を流動化させると同時に、流動化した粉体原料の一部が空気脈動波の周期に応じて落下し、堆積し、上昇を繰り返すようにする。そして、この粉粒体原料に結合剤液を噴霧して、粉粒体原料を凝集させ、更に乾燥させて粒子を成長させる際に、落下堆積中の成長中の造粒途中物に、加熱された空気脈動波の振動による圧密作用を与えることにより、比容積が小さい造粒物を製造する。しかしながら、ここでの空気脈動波は、落下堆積中の成長中の造粒途中物に圧密作用を与えて比容積を小さくするという機能を有するものであり、このような空気脈動波を粉粒体粒子のコーティング処理、特に微粒子のコーティング処理に用いると、粒子同士の二次凝集やチャンネリングが生じて、コーティング処理の品質及び効率の低下につながる。
特開２００１―６２２７７号公報 特開平１０−３２９１３６号公報 特開平７−１９７２８号公報

流動層コーティングでは、流動層容器内での粉粒体粒子の良好な流動状態を確保することが重要である。しかしながら、特に５０〜１５０μｍの微粒核粒子を対象とするコーティング処理では、これら微粒子の流動性が悪く（微粒子はその粒子径から難流動性を示すものが多い）、流動層容器内での良好な流動状態を確保することが難しいために、所望の製品品質が得られなかったり、コーティング処理に長い時間を要したりする場合がある。

一般に、ワースター式流動層装置において、粉粒体粒子の流動状態を制御できる操作因子は流動化気体の給気量、スプレーノズルの噴霧空気量、フィルター部での捕捉粒子の払い落とし条件であり、そのうち、スプレーノズルの噴霧空気量とフィルター部での払い落とし条件は、通常、コーティングされる粉粒体粒子（原料粒子）の粒子物性に関係なく所定値に固定される。実際には、原料粒子の流動状態は、その粒子径、粒度分布、粒子形状などの粒子物性によって大きく左右されるが、これまでのワースター式流動層装置では、原料粒子の流動状態を監視して、流動化気体の給気量のみで流動状態をコントロールしているのが実状であり、そのために原料粒子の良好な流動状態を維持することが困難であった。

すなわち、図６に模式的に示すように、ドラフトチューブ２４の上端開口（図示省略）を通り抜けた粉粒体粒子Ｐは、流動層容器２１の内壁とドラフトチューブ２４との間の空間部を重力によって下降して流動層容器２１の底部（気体分散板２３）の付近に達した後、ドラフトチューブ２４内に発生するエゼクター効果（吸引効果）によって吸引されて再びドラフトチューブ２４の下端開口からその内部に流入する。ここで、ドラフトチューブ２４内のエゼクター効果は、主に気体分散板２３の中央領域２３ａを介してドラフトチューブ２４内に流入する流動化気体とスプレーノズル２５から噴出される噴霧空気によって発生する。しかしながら、流動性の悪い微粒子の場合、ドラフトチューブ２４内に流入する流動化気体と噴霧空気によるエゼクター効果だけでは、気体分散板２３の付近まで下降した粒子Ｐがドラフトチューブ２４の方向へ円滑に流動せず、気体分散板２３の周辺領域２３ｂ、特にその外周部で粒子滞留が起こり易い。そして、このような粒子滞留が発生すると、ドラフトチューブ２４の内部に流入する粒子数が減少して、コーティング処理の効率が低下するばかりでなく、ドラフトチューブ２４内のスプレーゾーンで粒子が過剰湿潤されてコーティング処理の品質低下につながる場合がある。

一方、上記の粒子滞留を防止する手段として、気体分散板２３の中央領域２３ａからドラフトチューブ２４内に流入する流動化気体の風量を増やして、ドラフトチューブ２４内のエゼクター効果を高めることも考えられるが、特に微粒子の場合、いわゆる吹き上げ現象が起こり易くなる（「吹き上げ現象」とは、ドラフトチューブの内部を通って上昇する粉粒体粒子が流動層容器の上方部まで吹き上げられて流動層に戻れなくなる現象をいう）。そして、このような吹き上げ現象により流動層容器の上方部に吹き上げられた粉粒体粒子の一部は、フィルター部や容器壁面に付着し、製品品質の均一性や、製品の収率に好ましくない影響を与える。また、上記の粒子滞留部に向けてエアーノズルから間欠的に圧縮空気を噴出して、滞留粒子の流動を促進することも考えられるが、粒子滞留を部分的に解消できるに止まり、また、再現性の得られる操作とは言えない。

本発明の課題は、特に微粒子を対象としたコーティング処理の品質及び効率が良く、高い製品収率が実現できる流動層装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、流動層容器と、流動層容器の内部に配設されたドラフトチューブと、流動層容器の底部に配設されたスプレーノズルとを備え、流動層容器の底部の多孔部を介して流動層容器内に流動化気体を導入し、流動層容器内の粉粒体粒子に、ドラフトチューブの内部を上昇し、流動層容器の内壁とドラフトチューブとの間の空間部を下降する方向に循環する流動層を形成し、ドラフトチューブの内部を上昇する粉粒体粒子に向けてスプレーノズルから上向きにスプレー液を噴霧する流動層装置において、流動層容器の底部の多孔部は、ドラフトチューブの下端開口と対向する位置に設けられた中央領域と、該中央領域の周辺の周辺領域とを有し、多孔部の中央領域には第１の給気経路を介して流動化気体が供給されると共に、多孔部の周辺領域には第２の給気経路を介して流動化気体が供給され、第１の給気経路に流動化気体を気体脈動波にする脈動波発生手段が設けられていると共に、第２の給気経路に流動化気体を気体脈動波にする脈動波発生手段が設けられ、多孔部の周辺領域の開孔は、第２の給気経路から供給される流動化気体が、多孔部から所定の間隙を隔てて上方に位置するドラフトチューブの下端開口を指向して流動層容器内に噴出するように構成され、第１の給気経路の気体脈動波の周波数が相対的に高く、第２の給気経路の気体脈動波の周波数が相対的に低い構成を提供する。ここで、気体脈動波は、所定の波形｛方形波（パルス波）、正弦波、三角波、鋸歯状波等｝、周波数及び振幅もった気体の波である。

本発明によれば、特に微粒子を対象としたコーティング処理の品質及び効率が良く、高い製品収率が実現できる流動層装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は、第１の実施形態に係る流動層装置（ワースター式流動層装置）の一構成例を模式的に示している。

流動層容器１の上部空間にフィルターシステム２が設置され、流動層容器１の底部に多孔部、例えばパンチングメタル等の多孔板で構成された気体分散板３が配設されている。また、気体分散板３と所定の間隙を隔ててドラフトチューブ４が設置され、さらにドラフトチューブ４の内部の粉粒体粒子に向けてスプレー液を噴霧するスプレーノズル５が設置されている。

ドラフトチューブ４は、図示されていない高さ制御機構によって高さ方向（鉛直方向）に移動調整可能に支持され、その下端開口部が気体分散板３と所定の間隙を隔てて対向する。

図２に模式的に示すように、気体分散板３は、ドラフトチューブ４の下端開口と対向する位置に設けられた中央領域３ａと、その周辺（外周側）の周辺領域３ｂとを備え、両領域３ａ、３ｂにはそれぞれ多数の開孔３ａ１、３ｂ２が設けられている。この実施形態において、中央領域３ａの開孔率（該領域の総面積に占める全開孔面積の比率）は周辺領域３ｂの開孔率よりも大きく設定されている。ただし、これに限定されるものではなく、両領域３ａ、３ｂの開孔率を同じにしても良い。また、各開孔３ａ１、３ｂ１の横断面形状は円形、半円形、楕円形、四角形、三角形等、任意の形状で良い。

図２（ｂ）に示すように、この実施形態において、周辺領域３ｂの各開孔３ｂ１は、それぞれ、気体分散板３の半径線に沿う方向に傾斜しており、気体分散板３を流動層容器１に装着した状態で、各開孔３ｂ１がドラフトチューブ４の下端開口を指向するようになっている。各開孔３ｂ１の孔中心線と気体分散板３の上面とがなす傾斜角θは、例えば５〜４５°である。この方向の傾斜に加え、各開孔３ｂ１の孔中心線を気体分散板３の半径線に対して円周方向に傾斜させても良い。一方、図２（ｃ）に示すように、中央領域３ａの各開孔３ａ１は、それぞれ、孔中心線が気体分散板３の上面と直交する向きに形成されている。

流動化気体、例えば流動化空気（熱風）は、気体分散板３を介して流動層容器１内に導入される。気体分散板３の中央領域３ａには第１の給気経路Ａ１を介して流動化空気が供給され、気体分散板３の周辺領域３ｂは第２の給気経路Ａ２を介して流動化空気が供給される。この実施形態では、給気源６から供給される流動化空気をヒータ７によって所定温度に加熱し、風量計８の下流側で第１の給気経路Ａ１と第２の給気経路Ａ２とに分岐させている。第１の給気経路Ａ１からの給気風量と、第２の給気経路Ａ２からの給気風量は、風量調節ダンパ９、１０によって個別的に調節できるようになっている。この実施形態では、第１の給気経路Ａ１からの給気風量と第２の給気経路Ａ２からの給気風量とが同じになるように風量調節ダンパ９、１０を調節している（第２の給気経路Ａ２からの給気風量が第１の給気経路Ａ１からの給気風量よりも小さくなるように風量調節ダンパ９、１０を調節しても良い）。また、第２の給気経路Ａ２に脈動波発生装置１１が介装されており、給気源６から第２の給気経路Ａ２に分岐された流動化空気は脈動波発生装置１１によって空気脈動波（例えばパルス状に振動を繰り返す波）に変換されて、気体分散板３の周辺領域３ｂから流動層容器１内に噴出する。この空気脈動波の周波数は、例えば、１Ｈｚ〜１０Ｈｚであることが好ましい。脈動波発生装置１１は、このような空気脈動波を生成できるものであればどのようなものでも良い。例えば、特開平１０−３２９１３６号公報や特開平７−１９７２８号公報に記載の装置を使用しても良い。

スプレーノズル５は、例えば、スプレー液（膜剤液等）を噴霧空気（アトマイズエアー）によって微粒化し、ドラフトチューブ４内の粉粒体粒子に向けて上向きに噴霧するものである。

図３に模式的に示すように、第１の給気経路Ａ１を通り、気体分散板３の中央領域３ａから流動層容器１内に噴出した流動化空気（一定圧一定風量）は、ドラフトチューブ４の下端開口からその内部に流入して、ドラフトチューブ４内に上昇空気流を生じさせる。さらに、この上昇空気流に、スプレーノズル５からの上向きの噴霧流が加わって、ドラフトチューブ４内に高速空気流が発生する。ドラフトチューブ４内の粉粒体粒子Ｐは、この高速空気流に乗ってドラフトチューブ４内を上昇する。そして、ドラフトチューブ４の上端開口（図示省略）を通り抜けると、空気の流動面積が急激に拡大されるため、空気流の流速が低下し、粉粒体粒子Ｐは重力によって流動層容器１の内壁とドラフトチューブ４の外側との間の空間部を下降する。

一方、第２の給気経路Ａ２を通り、気体分散板３の周辺領域３ｂから流動層容器１内に噴出した流動化空気（空気脈動波）は、周辺領域３ｂの開孔率が中央領域３ａよりも小さくなっている影響で、その風量が、中央領域３ａから噴出する流動化空気よりも小さくなる（第２の給気経路Ａ２からの給気風量が第１の給気経路Ａ１からの給気風量よりも小さくなるように風量調節ダンパ９、１０を調節した場合、周辺領域３ｂから噴出する流動化空気の風量はより小さくなる）。また、周辺領域３ｂの各開孔３ｂ１が上記のように形成されているため、空気脈動波は各開孔３ｂ１からドラフトチューブ４の下端開口を指向して噴出する。ドラフトチューブ４の外側の空間部を下降して流動層容器１の底部の付近に達した粉粒体粒子Ｐは、気体分散板３の周辺領域３ｂから比較的低風量でかつ所定の周波数をもった脈動状態で噴出する空気脈動波により分散作用を受けると共に、空気脈動波の噴出の指向性によりドラフトチューブ４の下端開口への流動が促進される。そして、空気脈動波により分散作用を受け、かつ、ドラフトチューブ４の下端開口への流動指向性を与えられた粉粒体粒子Ｐは、高速空気流の発生しているドラフトチューブ４内にエゼクター効果によって円滑に吸引されて、再びドラフトチューブ４内を上昇する。

上記のようにして、流動層容器１内の粉粒体粒子に、ドラフトチューブ４の内部を上昇し、流動層容器１の内壁とドラフトチューブ４の外側との間の空間部を下降する方向に循環流動する流動層が形成される。そして、ドラフトチューブ４内の上昇空気流に乗って上昇する粉粒体粒子に向けてスプレーノズル５から上向きにスプレー液（膜剤液等）が噴霧される。スプレーノズル５から噴霧されるスプレー液のミストによって、ドラフトチューブ４内の粉粒体粒子が湿潤を受けると共に、膜剤液中に含まれる固形成分が該粒子の表面に付着し、乾燥固化されて、該粒子の表面に被覆層が形成される（コーティング処理）。尚、流動層容器１内を上昇した流動化空気は、フィルターシステム２を通って、排気手段（排気ファン等）１３により装置外部に排気される。

この実施形態の流動層装置によれば、ドラフトチューブ４の外側の空間部を下降して流動層容器１の底部の付近に達した粉粒体粒子Ｐが、気体分散板３の周辺領域３ｂから噴出する空気脈動波により良好な分散作用を受けると共に、ドラフトチューブ４の下端開口への流動指向性を与えられ、粒子同士のチャンネリング等による粒子滞留が防止されるので、流動層容器１内での粉粒体粒子の循環流動が促進され、コーティング処理の品質及び効率が向上する。

また、空気脈動波の入力により、粉粒体粒子Ｐに物理的な外力が加えられるため、粒子表面の被膜の展延性や緻密性が高まり、コーティング処理の品質が向上する。

また、気体分散板２３の外周部での粒子滞留を防止するために、気体分散板２３の中央領域２３ａからドラフトチューブ２４内に流入する流動化気体の風量を過度に増やす必要がないので、粒子の吹き上げ現象も起こり難い。さらに、気体分散板３の周辺領域３ｂからは、比較的低風量でかつ所定の周波数をもった空気脈動波がドラフトチューブ４の下端開口を指向して噴出するので、流動層容器１の上部空間のフィルターシステム２で補足された粒子が、フィルターシステム２での払い落とし操作によって払い落とされたとき、該粒子は、気体分散板２３の周辺領域３ｂから噴出する気体によって吹き上げられて再びフィルターシステム２に補足されることなく、ドラフトチューブ４の外側の空間部に下降して流動層に戻ることができる。これらにより、製品品質の均一性や、製品の収率が向上する。

図４は、気体分散板３の周辺領域３ｂの変形例を示している。この例では、周辺領域３ｂの各開孔３ｂ１の部分にそれぞれフード３ｂ２が設けられている。開孔３ｂ１は、例えば略半円形の横断面を有している。フード３ｂ２は、開孔３ｂ１を上方から覆うように設けられ、気体分散板３の半径中心に向いた部分に開口部３ｂ３を有している。また、フード３ｂ２の内面は気体分散板３の上面と角度θをもって傾斜している。この傾斜角θは、例えば５〜４５°である。周辺領域３ｂの各開孔３ｂ１がこのように形成されているため、第２の給気経路Ａ２から供給される空気脈動波は各開孔３ｂ１からドラフトチューブ４の下端開口を指向して噴出する。尚、フード３ｂ２は、例えば、気体分散板３の素材となる金属板（ステンレス板等）をプレス加工することにより開孔３ｂ１と同時成形することができる。

図５は、第２の実施形態に係る流動層装置（ワースター式流動層装置）の一構成例を模式的に示している。第２の実施形態が上述した第１の実施形態と異なる点は、第２の給気経路Ａ２の脈動波発生装置１１に加え、第１の給気経路Ａ１にも脈動波発生装置１２を介装した点にある。給気源６から第１の給気経路Ａ１に分岐された流動化空気は脈動波発生装置１２によって空気脈動波に変換されて、気体分散板３の中央領域３ａから流動層容器１内に噴出する。

第１の給気経路Ａ１の空気脈動波の周波数と、第２の給気経路Ａ２の空気脈動波の周波数とは相互に異なっているのが好ましく、この実施形態では、第１の給気経路Ａ１の空気脈動波の周波数を相対的に高くし、第２の給気経路Ａ２の空気脈動波の周波数を相対的に低くしている。この条件の下で、第２の供給経路Ａ２の空気脈動波の周波数は、１Ｈｚ〜１０Ｈｚとし、第１の供給経路Ａ１の空気脈動波の周波数は、第２の供給経路Ａ２の空気脈動波の周波数よりも２５Ｈｚ〜３５Ｈｚ（特に３０Ｈｚ）高く設定することが好ましい。

ドラフトチューブ４内の粉粒体粒子は、気体分散板３の中央領域３ａから比較的高速でかつ比較的高い周波数をもった脈動状態で噴出する空気脈動波により高い分散作用を受ける。そのため、気体分散板３の中央領域３ａから噴出する空気脈動波（流動化空気）の風量をやや低めに設定し、及び／又は、スプレーノズル５の噴霧空気量を低容量にしても、ドラフトチューブ４内のスプレーゾーンにおける粉粒体粒子の良好な分散状態が得られ、粉粒体粒子に対してスプレー液ミストを均一に噴霧することができる。しかも、ドラフトチューブ４内の上昇空気流の風量が低下することにより、粉粒体粒子の吹き上げ現象も防止される。そして、粉粒体粒子の吹き上げ現象が防止されることから、コーティング処理の品質及び効率が良く、高い製品収率を図ることができる。

一方、ドラフトチューブ４の外側の空間部を下降して流動層容器１の底部の付近に達した粉粒体粒子は、気体分散板３の周辺領域３ｂから比較的低速・比較的低い周波数をもった脈動状態で、かつ、ドラフトチューブ４の下端開口を指向して噴出する空気脈動波により良好な分散作用を受けると共に、流動指向性を与えられて、粒子同士のチャンネリング等による粒子滞留が防止される。したがって、空気脈動波の周波数を調整することで、難流動性微粒子のコーティング処理にも有効となる。

例えば、第２の実施形態において、スプレーノズル５として、噴霧化空気の噴出圧力が０．２ＭＰａ以上、好ましくは０．２〜０．６ＭＰａで、噴霧化空気の空気流量が１０〜１８０Ｎｌ／ｍｉｎ、好ましくは１０〜１２０Ｎｌ／ｍｉｎである、中圧又は高圧で低風量のスプレーノズルを使用することができる。

また、上記の第１の実施形態及び第２の実施形態において、気体分散板３の中央領域３ａの開孔率と周辺領域３ｂの開孔率を同じに設定し、風量調節ダンパ９、１０の調節により、第２の給気経路Ａ２からの給気風量が第１の給気経路Ａ１からの給気風量よりも小さくなるようにしても良い。

第１の実施形態に係る流動層装置（ワースター式流動層装置）の一構成例を模式的に示す断面図である。 気体分散板の平面図｛図２（ａ）｝、気体分散板の半径方向に沿った周辺領域の部分断面図｛図２（ｂ）｝、気体分散板の半径方向に沿った中央領域の部分断面図｛図２（ｃ）図｝である。 流動層装置の底部周辺における粉粒体粒子の流動状態を模式的に示す断面図である。 気体分散板の周辺領域の変形例を示す部分断面図｛図４（ａ）｝、部分平面図｛図４（ｂ）｝である。 第２の実施形態に係る流動層装置（ワースター式流動層装置）の一構成例を模式的に示す断面図である。 従来の流動層装置の底部周辺における粉粒体粒子の流動状態を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 流動層容器
３ 気体分散板
３ａ 中央領域
３ａ１ 開孔
３ｂ 周辺領域
３ｂ１ 開孔
４ ドラフトチューブ
５ スプレーノズル
Ａ１ 第１の給気経路
Ａ２ 第２の給気経路
１１ 脈動波発生装置
１２ 脈動波発生装置

Claims (1)

1. 流動層容器と、該流動層容器の内部に配設されたドラフトチューブと、前記流動層容器の底部に配設されたスプレーノズルとを備え、前記流動層容器の底部の多孔部を介して該流動層容器内に流動化気体を導入し、該流動層容器内の粉粒体粒子に、前記ドラフトチューブの内部を上昇し、前記流動層容器の内壁と前記ドラフトチューブとの間の空間部を下降する方向に循環する流動層を形成し、前記ドラフトチューブの内部を上昇する粉粒体粒子に向けて前記スプレーノズルから上向きにスプレー液を噴霧する流動層装置において、
   前記流動層容器の底部の多孔部は、前記ドラフトチューブの下端開口と対向する位置に設けられた中央領域と、該中央領域の周辺の周辺領域とを有し、
   前記多孔部の中央領域には第１の給気経路を介して流動化気体が供給されると共に、前記多孔部の周辺領域には第２の給気経路を介して流動化気体が供給され、
   前記第１の給気経路に前記流動化気体を気体脈動波にする脈動波発生手段が設けられていると共に、前記第２の給気経路に前記流動化気体を気体脈動波にする脈動波発生手段が設けられ、
   前記多孔部の周辺領域の開孔は、前記第２の給気経路から供給される流動化気体が、前記多孔部から所定の間隙を隔てて上方に位置する前記ドラフトチューブの下端開口を指向して前記流動層容器内に噴出するように構成され、
   記第１の給気経路の気体脈動波の周波数が相対的に高く、前記第２の給気経路の気体脈動波の周波数が相対的に低いことを特徴とする流動層装置。

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