热熔挤出(HME)的工艺放大

ruanlu

热熔挤出(HME)的工艺放大涉及增加HME设备的尺寸或产能，以满足对该产品不断增长的需求。工艺放大的计算涉及考虑几个因素，包括设备尺寸、材料性能、加工条件和产品质量要求。HME放大计算涉及的一些关键步骤包括:

l  确定期望的产能:这包括确定目标产能，考虑期望的产能、产品质量要求和可用设备。

l  选择合适的挤出机尺寸:根据所需的输出产能和材料特性，可以选择合适的挤出机尺寸。这包括考虑螺杆直径、工艺段长度，螺距以及螺杆组合等因素。

l  确定加工条件:加工条件，如温度、压力和螺杆转速，需要根据材料特性和所需的产能来确定。

l  计算所需的比能（Specific Energy）:比能是加工单位物料所需能量的量度。根据所需的产能、材料特性和加工条件，可计算出所需的比能。

l  评估设备性能:评估HME系统的性能时，应考虑比能、产量和产品质量等因素。

上述步骤提供了HME工艺放大所涉及的计算和考虑的大概步骤，但确切的计算将根据每种情况的具体要求和条件而有所不同。尽管对于缺乏经验的用户来说，机器内物料流动的复杂性可能使工艺摸索和放大理解变得复杂，但模块化双螺杆挤出系统设计本身在放大和工艺设计方面提供了极好的灵活性。根据所挤出材料的化学和物理性质，以及用于小试和大生产的挤出机的特性，不同的单元操作(如下所述)将在所考虑工艺的放大设计中占主导地位。

体积参考工艺放大Volumetric Scale-Up Strategy

首先需要挤出机的螺杆内外径比保持一致 (OD/ID, outer/inner diameter)。Leistritz的ZSE系列制药挤出机都保持一致的1.5内外径比（挤出机设计中1.4-1.66是理想的内外径比）。既保证了产能也避免了扭矩受限的发生。

对于具有几何相似型的挤出机，横截面的自由面积可由单一参数螺杆外径确定。由于挤出机的机筒长度也根据其长径比（L/D，机筒长度与螺杆直径之比，通常我们所说的40D机筒或25L/D工艺段长度）来确定，因此双螺杆挤出机的自由体积也就由螺杆外径来确定。

Q期望 = Q参考 x [(OD期望)/OD参考)] 3*

此种情况下，涉及工艺放大时，我们遵循以下几点：

1. 挤出机机筒长径比一致；

2. 螺杆构型保持匹配（混合螺纹，啮合螺纹和传输螺纹的位置和比例关系）；

3. 机筒组合保持不变（进料，排气等工艺位置）；

4. 机筒温度分区设定不变；

5. 机筒温度控温条件不变；

6. 挤出机螺杆转速恒定；

7. 计算确定合适的放大产能；

8. 模头尺寸保持一致，模头横截面设计随放大产能同比例增加，确保对压力的影响保持一致。

通过以上步骤我们会得到相对一致的以下条件：

a. 比能量SE一致；

b. 熔体挤出温度Tmelt一致；

c. 物料填充分布不变；

d. 总停留时间分布趋势RTD,E(t)不变

e. 螺杆旋转混合做功不变

举例说明，一台Leistritz ZSE18挤出机外径17.8mm，螺杆转速380rpm，产能6.8kg/h放大到一台Leistritz ZSE27挤出机，外径27mm，产能计算为Q=(27 mm/17.8 mm)3 × 6.8 kg/hr=23.7 kg/hr.

需要说明的是，停留时间分布是一个需要结合物料情况重点关注的参数。

当在不同大小和型号挤出机之间放大转移时，要求产量与自由体积的比率Q/Vfree保持恒定。因此，如果挤出机制造商的变化导致不同的几何形状（内外径比等），那么放大计算关系变为

Q期望 = Q参考 x [(Vfree期望)/Vfree参考)] 3*

并不是所有工艺都完全遵循此规律。螺杆直径相差越大，计算的偏差也越大。放大指数*号，会受到部分操作条件的限制而数值变低，具体如下：

挤出机限定性操作条件：

  

1.       热传导Heat Transfer：热传导效果随物料体积增加而减弱。大部分系统内的热量传递发生在与物料直接接触的机筒表面。随着物料体积增加，机筒表面积与物料体积的比值在降低，因此螺杆每转一圈能够得到的热量传递给物料的比例在降低。同时，常用聚合物都是热的不良导体，受限的热传导会导致物料不均和潜在的热降解，进而降低预期产能。此时的放大指数可能只有2次方。对于一部分热敏感物料的工艺放大也适用。

2.       混合效果Mixing Quality (Mass Transfer)：基于各种剪切螺杆元件的组成和和剪切的关键因素，是最复杂的变量。它是停留时间分布（residence time distribution）、填充度（degree of fill）、螺杆设计（screw configuration）、输出速率（output）和螺杆转速rpm的函数。需要合适的DOE评估确定物料的关键工艺边界条件。从螺杆输入给物料的能量必须可用于适当的放大。在一些高粘度挤出工艺中，设备性能会成为限制条件。

3.       模头设计Shaping or die design：模头设计的限定条件下，高剪切速率或压力升高可能增加熔体温度， (Δ T (C) =f Δ P (bar)

4.       下游工艺：下游设备的冷却/加工能力也会拖累整线的产能。

相同内外径比的挤出机放大时，不同尺寸设备的比扭矩基本一致。能够方便计算放大后机械能做功情况。

除此以外，工艺开发需要确保在一个产品生产稳定状态下进行，同时评估工艺条件对关键质量属性CQA的影响也是放大的前提。含量均匀度，检测指标，杂质和降解，API形态，物理属性，密度，粒径等的考察也至关重要。

xqliu

学习了，谢谢提供分享。

三岁小盆友

有热熔挤出机设备确认的相关标准吗