高剪切造粒占日本制药制造商生产的颗粒和片剂等制药固体的31%，仅次于流化床造粒（34%）[1]。然而，需要干燥步骤来控制水分含量并确保长期稳定性[1]。最终产品中过量的残留水分可能导致活性药物成分（APIs）的水解[2]、[3]、[4]、[5]，并可能影响制药固体的配方性能，从而导致口服给药时的崩解和溶解问题[6]、[7]。这种干燥过程通常使用流化床进行。然而，干燥过程需要在低温下进行，以避免制药固体的热降解，这会导致干燥时间延长，并成为生产过程中的瓶颈[8]。此外，静态干燥器可能需要手动搅拌来提高干燥均匀性和效率，这可能会增加药物暴露和人为错误的风险。
旋转窑广泛应用于水泥生产、矿物加工、废物焚烧和退火等工业领域，以其加热均匀性和连续操作而闻名[9]、[10]。该系统中的自动搅拌是通过旋转圆筒实现的，圆筒倾斜以便于物料从进料端连续输送到出料端。真空旋转窑（VRK）可能适合干燥脆性制药固体，因为圆筒内的温和机械搅拌降低了物料损坏的风险，而真空条件降低了水的沸点，从而促进了低温干燥，最终防止了药品的热降解。圆筒内的压力可以精确控制，以实现无冻结风险的干燥，从而减少了升华的需要，从而降低了干燥过程的能耗和处理时间。VRK支持批量和半批量操作模式，物料进料和产品出料过程可以自动化，从而降低了药物暴露和人为错误的风险。在我们之前的研究[12]中，我们证明了配备电阻加热的桌面型VRK可以生产出与传统方法（如托盘干燥和流化床干燥）相当质量的颗粒。然而，由于VRK的干燥时间比流化床干燥长，我们旨在改进工艺，以便在60°C下30分钟内完成干燥。在VRK中，热量传递主要通过圆筒壁的传导进行；因此，提高壁面与粉末床之间的传热效率至关重要。由于温度梯度驱动了这一过程，增加冷却颗粒与加热壁面之间的接触频率至关重要。然而，在我们之前的研究中，内部粉末运动受到限制，这可能对干燥效率和混合均匀性产生了不利影响。
根据Mellmann[11]的研究，粉末在旋转圆筒内的横向运动显著影响干燥效率、混合性能和设备的适用性，这取决于具体的运动模式。这种运动受粉末特性、设备特性和粉末-设备相互作用等因素的影响。粉末特性包括填充水平（f）、内摩擦角（φ_i）和静态或动态安息角（Θ_0或Θ）。设备特性由弗劳德数（Fr）表示，而粉末-设备相互作用则由壁摩擦系数（μ_w）和圆筒直径与颗粒直径的比值（D/d）描述。基于这些因素，横向运动分为三种主要类型：滑动、级联和瀑布运动。
滑动运动是指整个粉末床作为一个整体滑动，没有内部流动，可以进一步分为连续滑动或间歇性滑动。这种运动类型对于混合和干燥效率较低，在工程应用中适用性有限。相反，级联运动促进了内部混合，被认为适用于旋转窑、旋转冷却器和混合器中的干燥和反应过程。在这种运动中，粉末床通过圆筒旋转不断升高，表面层根据旋转速度和颗粒大小从间歇性雪崩逐渐过渡到连续流动。根据表面流动特性，级联运动可以进一步分为三种亚型：塌陷、滚动和级联，其中级联运动的特点是表面呈拱形，表明流动更强。瀑布运动适用于球磨，但不适用于干燥。因此，级联运动在VRK的设计和操作条件优化中至关重要。在我们之前的研究[12]中，观察到的粉末运动属于滑动类型，我们认为过渡到级联运动是理想的。根据Mellmann[11]的定义，区分滑动和级联运动的关键壁摩擦系数为：其中ε是填充角，对应于圆筒横截面中固体所占圆形区域的一半中心角。尽管方程（1）包括了弗劳德数，但由于重力相对于离心力的主导作用，其贡献可以忽略不计。因此，当填充水平固定时，调整壁摩擦系数可以有效改变运动类型。然而，粉末-壁摩擦特性取决于粉末的特性。为了提供一个与粉末特性无关的通用解决方案，我们考虑在圆筒内安装内部结构来抵抗滑动。
因此，本研究的目的是进一步提高VRK的干燥性能和效率。在之前的研究中报道的VRK进行了改进：使用热水循环装置作为热源，并利用其高热容量来提高传热效率。此外，还在圆筒内添加了搅拌组件以改善粉末流动特性。使用含有热致变色颜料的颗粒进行了干燥测试，以可视化颗粒行为。进行了数值模拟，从多个角度评估了搅拌组件对粉末流动特性的影响。
