制剂制备技术与实验教程
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第三节 滤 过 技 术

一、概述
过滤系指使固液混合物通过多孔性介质,使固体沉积或截留在多孔性介质上,而使液体通过,从而达到固-液分离的操作。
(一)过滤机理与影响因素
1.过滤机理
根据固体粒子在滤材中被截留的方式不同,将过滤过程分类为介质过滤和滤饼过滤。
(1)介质过滤:
系指药液通过过滤介质时固体粒子被过滤介质截留而达到固液分离的操作。介质过滤又分为表面过滤和深层过滤。介质过滤的机理有:①表面(筛析)截留作用即表面过滤;②深层截留作用:分离过程发生在介质的“内部”,固体粒子通过过滤介质内部的不规则孔道时可能沉积在空隙内部搭接形成所谓“架桥”或滤渣层,这种过滤称深层过滤。
(2)滤饼过滤:
固体粒子聚集在过滤介质表面之上,过滤的截留作用主要由所沉积的滤饼起作用,这种过滤叫滤饼过滤。
2.过滤的影响因素
将滤渣层中的间隙假定为均匀的毛细管束,那么液体的流动遵循Poiseuille公式。
为了提高过滤效率,以防止孔隙被堵塞,保持一定孔隙率,减少阻力,可使用助滤剂,助滤剂是一种特殊形式的过滤介质,具有多孔性、不可压缩性,在其表面可形成微细的表面沉淀物,阻止沉淀物接触和堵塞过滤介质,从而起到助滤的作用。常用的助滤剂有纸浆、硅藻土、滑石粉、活性炭等。加入助滤剂的方法有两种:①先在滤材上铺一层助滤剂,然后开始过滤;②将助滤剂混入待滤过液中,搅拌均匀,可使部分胶体被破坏,过滤过程中形成一层较疏松的滤饼,使滤液易于通过并滤清。
二、常用过滤介质
能使工作介质通过又将其中固体颗粒或液滴截留以达到分离或净化目的的多孔物称为过滤介质。它是过滤机上关键组成部分,它决定了过滤操作的分离精度和效率也直接影响过滤机的生产强度及动力消耗。
工业上常用的过滤介质有:
(1)编织材料,由天然或合成纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网,是工业生产中最常用的过滤介质。此类材料价格便宜,清洗和更换方便,可截留的最小粒径为5~65µm。用聚酰胺、聚酯或聚丙烯等纤维制成的单缕滤网,质地均匀、耐腐蚀、耐疲劳,正在逐步取代其他织物滤布。
(2)多孔性固体,包括素瓷、烧结金属或玻璃,或由塑料细粉粘结而成的多孔性塑料管等。此类材料可截留的最小粒径为1~3µm,常用于处理含有少量微小颗粒的悬浮液。
(3)堆积介质,如砂、砾石、木炭和硅藻土等颗粒状物料,或玻璃棉等非编织纤维的堆积层。一般用于处理固体含量很少的悬浮液,如城市给水和待净化的糖液等。此外,工业滤纸也可与上述过滤介质合用,以拦截悬浮液中少量微细颗粒。高分子多孔膜的制造与应用有很大发展,应用于更微小的颗粒的过滤,以获得高度澄清的液体。适用于滤去0.1~1µm颗粒的膜称为微孔滤膜;适用于滤去0.01~0.1µm颗粒的膜称为超滤膜。微孔滤膜和超滤膜广泛应用于医药、食品和生物化学等工业。
三、常用滤器、特点及其注意问题
(1)砂滤棒:
以SiO 2、Al 2O 3、黏土、白陶土等材料经过1000℃以上的高温焙烧成空心的滤棒。配料的粒度越细,则砂滤棒的孔隙越小,滤速也越低。砂滤棒的微孔径约为10µm左右,相同尺寸的砂滤棒依微孔径不同,可分为细、中、粗号几种规格。
国内主要产品有二种。一种是硅藻土滤棒,主要成分为SiO 2、Al 2O 3,质地较松散,一般使用于黏度高,浓度较大滤液的过滤。另一种是多孔素瓷滤棒,系白陶土烧结而成,质地致密,滤速慢,适用于低黏度液体的滤过。
将砂滤棒的接口以密封接头与真空系统连接时,置于药液中的砂滤棒即可完成过滤作用。滤液在真空作用下透过管壁,经管内空间汇集流出。
砂滤棒易于脱砂,对药液吸附性强,吸留药液多,难于清洗,且有改变药液pH值的情况,但是砂滤棒价廉易得,滤速快,适用于大生产粗滤之用。砂滤棒使用后要进行处理。
采用砂滤棒的过滤方法一般只作为不精细的过滤使用。
(2)垂熔玻璃滤器:
这种滤器系用硬质玻璃细粉烧结而成。通常有垂熔玻璃漏斗、垂熔玻璃滤球和垂熔玻璃滤棒三种。规格有1~6号,3号多用于常压过滤,4号多用于减压或加压过滤,6号作无菌过滤。
垂熔玻璃滤器的特点是:①化学稳定性,除强碱与氢氟酸外几乎不受化学药品的腐蚀,对药液的pH值无影响;②过滤时无介质脱落,对药物无吸附作用;③易于清洗,可以热压灭菌。清洗时先用水抽洗,并以1%~2%硝酸钠硫酸浸泡处理。缺点是:价格较贵,脆而易破,操作压力不能超过98kPa。由于垂熔玻璃的孔径较均匀,常作为精滤或膜滤前的预滤用。
(3)微孔滤膜滤器:
微孔滤膜是用高分子材料制成的薄膜过滤介质。在薄膜上分布有大量的穿透性微孔,分成多种规格。微孔滤膜的特点是:①孔径小而均匀、截留能力强,不受流体流速和压力的影响;②质地轻而薄(0.1~0.155mm)而且空隙率大,滤速快;③滤膜是一个连续的整体,过滤时无介质脱落;④不影响药液的pH值;⑤滤膜吸附性小,不滞留药液;⑥滤膜用后弃去,药液之间不会产生交叉污染。由于微孔滤膜的过滤精度高,广泛应用于注射剂生产中。但是也存在易于堵塞以及有些纤维素类滤膜稳定性不理想的缺点。微孔滤膜的种类主要有醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜、醋酸纤维与硝酸纤维混合酯膜、聚四氟乙烯膜、聚碳酸酯膜、聚砜膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜等多种滤膜等。
微孔滤膜在医药方面的应用主要有以下几个方面:①滤除药液中污染的少量微粒,提高药剂的澄明度合格率;②用于对热敏药物的除菌过滤,可作除菌过滤用的孔径为0.22µm;③微孔滤膜针头滤器用于静脉注射,防止细菌和微粒注入人体内产生的不良反应。
四、常用过滤设备及特点
过滤设备,系指将适当的滤材应用于一个整体的设备中构成的一个单元。制药工业中的过滤设备按其操作的是否持续分为间歇式和连续式两种。
(一)板框压滤机
板框压滤机是工业生产中的实现固体、液体分离的一种间歇式压滤设备。板框压滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。滤板的表面有沟槽,其凸出部位用以支撑滤布。滤框和滤板的边角上有通孔,组装后构成完整的通道,能通入悬浮液、洗涤水和引出滤液。板、框两侧各有把手支托在横梁上,由压紧装置压紧板、框。板、框之间的滤布起密封垫片的作用。由供料泵将悬浮液压入滤室,在滤布上形成滤渣,直至充满滤室。滤液穿过滤布并沿滤板沟槽流至板框边角通道,集中排出。过滤完毕,可通入清洗涤水洗涤滤渣。洗涤后,有时还通入压缩空气,除去剩余的洗涤液。随后打开压滤机卸除滤渣,清洗滤布,重新压紧板、框,开始下一工作循环。
(二)转筒真空过滤机
转筒真空过滤机是一种连续操作的吸滤设备。设备的主体为一个能转动的水平圆筒,其表面有一层金属网,网上覆盖滤布,筒的下部浸入滤浆中。圆筒沿着径向分隔成若干扇形格,每格都用单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时,凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通,因而在回转一周的过程中,每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。
(三)膜分离与膜组件
膜分离法系指以压力为推动力,依靠膜的选择性,将液体中的组分进行分离的方法。常用的膜材料可分为三大类,分别为天然高分子材料类(纤维素衍生物如醋酸纤维、硝酸纤维等)、合成高分子材料类(如聚砜、聚酰胺等)、无机材料类(陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等)。膜材料可广泛应用于膜分离的各种不同阶段,是实现超滤、微滤、电渗析和反渗透的主要材料。
膜组件系指由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳这些部件的容器构成的一个单元。膜组件按其构成方式可分为管式膜组件、中空纤维式、平板膜组件、卷式膜组件等。卷式膜组件,是在多空支撑板的两面覆以平面膜,然后将三个边沿密封,使成膜袋,另一个开放的边沿与一根多孔的透过液收集管连接,再在膜袋外部铺一层网眼型间隔材料(隔网),将膜袋与隔网一并绕透过液收集管卷成柱状后,封装于耐压筒内制成。