為了增加產品的表面積、溶解度、吸收速度、反應速度等需求,藉由研磨設備內的零件進行撞擊、摩擦或擠壓,將大塊固體細化為更小的顆粒或粉末,就是「研磨」。乍看之下,研磨是很單純的產品處理技術,但在高端應用領域,研磨所造成的穩定性與功能性影響是不可忽視的。近年來便有研究指出,咖啡因、巴比妥類藥物在15分鐘以上的研磨後,其晶型可能改變,影響藥物溶解度,最終導致產品藥效降低,因此研磨時的機械力與熱能對產品的影響絕不容小覷。特別是在難溶性藥物(BCS II與BCS IV)的開發成為市場主流的現在,若忽視研磨對藥物的影響,可能拉長產品的研發時程。因此,深入了解各類研磨設備背後的原理,與產品研發、製程研究以及掌握產品品質息息相關。

本文將從兩大研磨類型進行探討,逐一概述常見的研磨設備,後續會再撰寫另一篇文章分享更多研磨技術的細節。

研磨類型:乾式與濕式研磨

  • 乾式研磨技術(Dry Milling):乾式研磨不需添加液體,主要用於結晶性或具延展性的原料,適合不耐濕或需保持原料乾燥的製程,常見的乾式研磨設備如下:

    A. 旋轉式篩分機(Rotary Sifter):滾筒型篩網旋轉時產生離心力,能夠溫和且高效地將產品導入篩網開口,粒徑可低至150 um。主要應用於原料解團聚(delumping)、雜質移除或均勻混粉(mixing)前的前處理。

  • B. 破碎機(Crusher):用於研磨流程前段,將塊狀或原始顆粒原料(3–15 cm)快速破碎至中等顆粒大小(約1–2 cm),為後續的研磨設備(如Conical Mill、Hammer Mill)建立穩定的進料條件。其主要作用力為壓碎力(Compression),以兩個相對移動面將物料擠壓致碎,原理穩定但粒徑控制相對較差。

破碎機(Crusher)
  • C. 錐式研磨機(Conical Mill)物料經旋轉刀葉推動,沿錐形篩網表面摩擦或擠壓通過,可將顆粒狀產品研磨至150 um。研磨後峰形趨右,可將產品粒徑縮減至比篩網孔徑更小的範圍,同時有粒徑縮減與整粒效果。其主要作用力為摩擦/磨耗力(Attrition),透過顆粒間或與機械壁面間的摩擦使其逐漸磨細。

錐式研磨機(Conical Mill)
  • D. 軸心式整粒機(Oscillating Mill)透過轉子均勻旋轉的方式,使顆粒大小更均勻接近篩孔尺寸,形成單一分佈(narrow distribution),粒徑可縮小至約250 µm。用於造粒後穩定劑型與調整粒徑分佈,以改善打錠、充填、混合等後續製程的均勻性與穩定性。

軸心式整粒機(Oscillating Mill)
  • E. 錘式粉碎機(Hammer Mill)利用高速旋轉的錘式金屬刀(具尖端與鈍端)對物料施加衝擊,適用於硬質、結晶狀及纖維狀產品進行磨細與粉碎時達到最佳效果,粒徑可低至30 um。其主要作用力為撞擊力(Impact),顆粒以高速撞擊研磨器具(金屬表面、錘頭、撞釘等),瞬間產生劇烈破碎,以達到微米級粒徑。

錘式粉碎機(Hammer Mill)
  • F. 氣流式粉碎機(Jet Mill):在氣流或旋轉運動下,樣品顆粒高速互撞,使其破碎,主要作用力為顆粒間碰撞(Collision),因此無移動部件,樣品接觸金屬面積少,污染風險低,適用於藥品API或電池領域的高純度石墨原料粉碎,也由於粒徑可降低至1 um,在微粉化(Micronization)的研磨應用中十分常見。

氣流式粉碎機(Jet Mill)
  • G. 針盤式研磨機(Pin Mill):透過兩個相對旋轉的針盤,樣品顆粒被迫通過針盤間的狹縫,使物料在高速運動下產生強烈剪切、衝擊與碰撞,其主要作用力為剪切力(Shear),這種設計特別適合粉碎硬質或結晶性物料,粒徑可降低至D90 10 µm,且產熱相對低,在微粉化(Micronization)的研磨應用上十分常見。

  • 濕式研磨技術(Wet Mill):樣品與液體混合成懸浮態後再進行研磨,因此被稱為濕式研磨,這類技術具有較佳的散熱效果與粒徑控制能力,並能將樣品粒徑研磨至奈米尺寸,適用於懸浮液、軟膏、奈米製劑等樣品處理,常見的技術有兩種:

  • A. 介質式研磨(Media Mill):

    奈米球磨(Nano Mill)是常見的介質式研磨技術,這類設備又被稱為球磨機,它利用研磨介質(如氧化鋯珠)在高速循環中與懸浮態樣品不斷碰撞,使懸浮液中的樣品粒徑降低至數十奈米級(nm),並透過冷卻系統在研磨期間控制溫度,確保熱敏性樣品不被破壞,主要應用於高價值藥物與高單價功能性材料的製備。

    奈米球磨技術依腔體設計可分為橫式與直立式,傳統奈米球磨設備多採橫式設計,並使用篩網將氧化鋯珠控制在研磨腔中,但橫式設計的氧化鋯珠用量大(80%研磨腔體積以上),且氧化鋯珠易堵塞濾網,並造成懸浮液溫度上升與金屬釋放的風險,因此有越來越多藥廠改用不使用篩網的直立式奈米球磨機,除了避免氧化鋯珠阻塞外,氧化鋯珠的用量也可降低至70%甚至60%,可降低成本與金屬釋放的風險。

針盤式研磨機(Pin Mill)
橫臥式腔體示意圖
  • B. 高壓均質技術(High Pressure Homogenizing):

    透過讓懸浮液在高壓下穿過狹窄通道而產生的高速碰撞及高剪切力,讓樣品達到破碎與穩定分散的效果,常用於乳化(Emulsification)、半固體劑型製程(Semi-solid Processing)或細胞破碎(Cell Disruption)等應用,目前最新一代的高壓均質機當屬微射流高壓均質機(Microfluidization High Pressure Homogenizer),藉由使用微米級狹窄通道與金剛石材質的超高壓均質腔,可生產奈米級均質液體,常應用於微脂體、微球藥物、疫苗佐劑、奈米混懸液、載藥型乳液均質,以及BCS II藥物的奈米化(Nanofication)等特殊應用,不僅如此,在電池與化工應用方面,此設備還可用於MLCC漿料分散、奈米碳管(CNTs)與石墨烯導電添加劑等的均質分散。

微射流高壓均質機運作原理

結語:製程優化,從選對研磨技術開始

研磨技術在高端製程中扮演關鍵角色,不僅僅是粒徑縮減,更牽涉到產品的穩定性、功能性與後續製程開發的順利與否。不同的研磨原理與設備,對應著各種物料特性與應用需求,選擇合適的技術不僅能提升品質,也能降低生產風險與成本。因此,導入研磨設備時,必須深入理解各種技術背後的物理邏輯與操作細節,才能在產品開發與製程規劃上做出最適合的決策。

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