基于CFD-DEM耦合模拟的实验室规模片剂包衣工艺优化与机理研究

本研究针对片剂包衣过程中包衣均匀性控制难题，采用计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)耦合模拟技术，系统分析了干燥气流速率、喷雾速率等参数对片剂运动轨迹、包衣质量分布及溶剂蒸发的动态影响。研究发现气流速率显著改变片剂床倾角与速度分布，模拟结果与实验数据在温度场、包衣变异系数(CoV)等关键指标上高度吻合，为工业级包衣工艺的数字化优化提供了新范式。

　　

在制药工业中，片剂包衣是确保药物稳定性、掩味和控释的关键工序。然而传统包衣工艺面临两大挑战：实验室规模与工业生产间的"尺度鸿沟"导致参数放大困难，以及包衣均匀性这一关键质量属性(CQAs)的精准控制难题。现有研究多依赖经验性放大规则和小规模试验，不仅成本高昂，且难以揭示微观尺度下的热质传递机制。

奥地利研究团队在《International Journal of Pharmaceutics》发表的研究中，创新性地将计算流体力学(CFD)与离散元法(DEM)耦合，对O'Hara Labcoat IIX包衣机进行数字化孪生。通过模拟8组工艺参数下的片剂动力学行为，首次实现了从颗粒尺度运动到宏观包衣质量的全链条解析。

关键技术包括：1) GPU加速的CFD-DEM耦合算法，处理百万级颗粒相互作用；2) 基于真实几何的片剂建模；3) 多物理场耦合（动量、热量、质量传递）模拟；4) 工业级包衣参数验证（干燥气流速率2.5-4.5 m³/min，喷雾速率3-9 g/min）。

【Tablet coater】
采用24英寸全穿孔包衣锅，配置6根防滑杆和4片刀形挡板。空气动力学模拟显示气流入口（1-3点钟方向）与出口（7-8点钟方向）的特定布局会形成特征性涡流场。

【Results and discussion】

1. 气流速率效应：当干燥气流从2.5增至4.5 m³/min时，片剂床倾角增加35°，最大速度提升2.3倍，这解释了实验中观察到的包衣变异系数(CoV)降低现象。
2. 温度场匹配：模拟与实验的片剂床温度误差<2°C，但环境热损失忽略导致高温工况预测偏差达8%。
3. 干燥动力学：喷雾蒸发率与干燥空气温度呈指数关系，当温度从50°C升至70°C时，干燥时间缩短40%，损失干燥度(LoD)降低62%。

【Conclusion】
该研究建立了CFD-DEM在包衣工艺中的标准化应用框架：

1. 首次量化了气流速率对片剂运动的三维影响规律，提出"临界干燥时间<1 s"的工艺窗口；
2. 揭示了温度梯度与CoV的非线性关系，为功能性包衣开发提供理论支撑；
3. 开发的数字孪生模型可减少70%中试实验，显著加速工艺开发周期。

这项工作的突破性在于将传统"试错法"升级为预测性工程方法，特别是通过多尺度模拟破解了包衣均匀性这一行业痛点。研究团队特别指出，未来需在环境热交换模型精度上继续优化，以提升高温工况的预测可靠性。该成果为制药4.0时代的智能工艺开发树立了新标杆。