微孔高压CO2 雾化特性研究：CFD模拟与实验验证助力药物微粒精准制备

本研究针对药物雾化过程中微粒尺寸控制难题，通过实验与CFD建模相结合，系统分析了超临界CO2 (scCO2 )在微孔结构中的跨临界流动特性。研究发现喷嘴几何结构与操作参数协同影响激波形成与温度分布，为优化药物微粒的临界质量属性(CQAs)提供了量化依据，对实现"质量源于设计"(QbD)的制药4.0转型具有重要意义。

　　

在制药行业面临新药研发成本飙升的背景下，提高药物疗效的关键在于优化微粒制备工艺。传统喷雾干燥技术虽能生产微米至纳米级药物颗粒，但超临界流体辅助雾化(scCO₂
-assisted atomization)能产生更小的纳米颗粒，显著提升药物溶解速率和生物利用度。然而，该技术存在喷嘴设计缺乏理论指导、过程参数与微粒特性关联不清等瓶颈，亟需深入理解scCO₂
在微孔结构中的跨临界流动机制。

为攻克这一难题，爱尔兰高能计算中心的研究团队在《Journal of CO2 Utilization》发表了创新性研究。他们构建了基于Peng-Robinson真实气体模型的CFD模型，结合实验测量验证了80μm微孔喷嘴在70-140bar压力范围内的流动特性。研究采用SST k-ω湍流模型处理近壁区与自由流场的过渡，通过用户自定义函数(UDF)突破商业软件对超临界条件模拟的限制，并利用红外热成像技术非侵入式测量射流温度场。

在"2.2.4 湍流模型"部分，研究揭示了剪切应力传输模型对激波捕捉的优势。通过"3.2 流场"分析发现，120bar/326K的入口条件会产生740m/s的超音速射流，形成65-75°的喷雾锥角，激波位置与Ashkenas-Sherman经验公式预测误差仅7%。"3.3 中心线压力与温度分布"显示，Joule-Thomson效应使CO₂
温度骤降至195K，但通过喷嘴加热至323K成功避免了三相点穿越引发的干冰堵塞。

"4 建议与指南"强调，实验需关注泵送系统压力-温度耦合效应导致的瞬态过程，CFD模拟应采用渐进式压力加载策略。验证方面建议采用先进成像技术替代侵入式测温，这对保持自由射流物理特性至关重要。

该研究首次系统表征了制药用scCO₂
微孔雾化的流体动力学特征，其意义在于：①建立了可预测激波形成位置的量化模型，为喷嘴优化设计提供理论依据；②阐明温度/压力梯度对成核速率的调控机制，支持精准控制微粒尺寸分布；③开发的UDF框架可扩展至三元体系(CO₂
-溶剂-API)模拟，为连续制药工艺开发提供数字化工具。这些突破将加速制药行业从"质量检验"向"质量源于设计"的范式转变，对降低10亿美元级的新药研发成本具有重要价值。