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造粒とは、粉末状または固体状の物質から粒状物を形成するプロセスであり、化学工業や製薬工業における様々な製造工程で用いられています。一般的に、造粒では微粒子を凝集させてより大きな顆粒を形成します。顆粒の大きさは、その後の用途に応じて0.2～4.0mmの範囲です。まれに、固体材料を細かく粉砕したり、すりつぶしたりして、より細かい顆粒やペレット状にすることもあります。
造粒プロセスは、1つまたは複数の粉末粒子を結合させて顆粒を形成し、錠剤化に必要な範囲内に収まるようにするプロセスです。これは、粒子同士を結合させることで粒子をまとめるプロセスです。結合は、圧縮または結合剤の使用によって形成されます。造粒は、錠剤やペレットの製造において、製薬業界で広く用いられています。この方法により、予測可能で再現性の高いプロセスが可能となり、品質が均一な顆粒を製造することができます。
造粒は様々な理由で行われますが、その一つは粉末混合物の構成成分の分離を防ぐことです。分離は、混合物の構成成分のサイズや密度の違いによって生じます。通常、小さく密度の高い粒子は容器の底に集まり、大きく密度の低い粒子は上部に集まります。理想的な造粒では、混合物のすべての構成成分が適切な割合で各顆粒に含まれ、顆粒の分離は発生しません。
多くの粉末は、その粒径が小さかったり、形状が不規則だったり、表面特性が特殊だったりするため、凝集性が高く、流動性が低い。このような凝集性の高い系から生成される顆粒は、より大きく、より等径（ほぼ球形）になり、これらの両方の要因が流動性の向上に寄与する。
粉末の中には、容易に圧縮可能な接着剤を混合物に添加しても圧縮が難しいものがあるが、同じ粉末を顆粒状にすると、圧縮が容易になる場合が多い。これは、顆粒内部における接着剤の分布に関係しており、顆粒の製造方法によって左右される。
例えば、グラニュー糖と粉砂糖で錠剤を作る場合、粉砂糖は錠剤に圧縮するのが難しく、グラニュー糖は圧縮しやすい。粉砂糖は粒子が小さいため、流動性や圧縮性に劣る。そのため、実用的な錠剤を作るには、これらの小さな粒子を長時間かけて非常にゆっくりと圧縮する必要がある。粉砂糖をグラニュー糖にしない限り、内容物の均一性や硬度の均一性といった錠剤特性に優れた錠剤を効率的に作ることはできない。
造粒技術には、湿式造粒と乾式造粒の2種類が用いられる。
湿式造粒では、造粒液を粉末床に添加し、インペラ（高せん断造粒機の場合）、スクリュー（二軸スクリュー造粒機の場合）[ 1 ]、または空気（流動床造粒機の場合）の影響下で造粒します。システム内での攪拌と配合成分の湿潤により、一次粉末粒子が凝集して湿式顆粒が生成されます。[ 1 ]造粒液（液体）には、乾燥によって除去できるように揮発性でなければならない溶媒またはキャリア材料が含まれており、用途に応じて無毒である必要があります。典型的な液体には、水、エタノール、イソプロパノールが単独または組み合わせて含まれています。液体溶液は、水系または溶剤系のいずれでも構いません。水溶液は、他の溶剤よりも取り扱いが安全であるという利点があります。
粉末に水を混ぜると、粉末粒子間に結合が形成され、粒子同士をしっかりと固定することができます。しかし、水が乾燥すると、粉末は崩れてしまう可能性があります。したがって、水だけでは結合を形成し、維持するのに十分な強さがない場合もあります。液体を用いた粒子の結合は、より恒久的な結合が確立されるまでの間、毛細管力と付着力の組み合わせによって成り立っています。
顆粒内の液体飽和状態は複数存在し得ます。振り子状態とは、接触点において分子が液体の橋で結合している状態です。毛細管状態は、顆粒が完全に飽和すると発生します。すべての空隙が液体で満たされ、表面の液体が細孔に引き戻されます。振り子状態と毛細管状態を連結する索状状態の変化は、空隙が液体で完全に飽和していない状態です。液体は、回転ドラム内で変形した粒子に結合するのに役立ちます。このような場合、結合剤（医薬品用接着剤）を含む液体溶液が必要です。ポリビニルピロリドン（PVP）であるポビドンは、最も一般的に使用される医薬品用結合剤の1つです。PVPは水または溶媒に溶解され、プロセスに添加されます。PVPと溶媒/水が粉末と混合されると、プロセス中にPVPが粉末と結合し、溶媒/水が蒸発（乾燥）します。溶媒／水が乾燥し、粉末がより密にまとまった塊を形成したら、造粒物を粉砕する。この工程により顆粒が形成される。
粉末の特性、錠剤製造の最終目的、および利用可能な設備によって、製造工程は非常に単純なものから非常に複雑なものまで様々です。従来の湿式造粒法では、湿った粉末をふるいに通して湿った顆粒を生成し、その後乾燥させます。
湿式造粒は従来、医薬品製造においてバッチ式プロセスであったが、将来的には医薬品業界ではバッチ式湿式造粒が連続式湿式造粒にますます置き換えられると予想されている。バッチ式から連続式技術への移行は、米国食品医薬品局によって推奨されている。[ 2 ]この連続式湿式造粒技術は、固体材料と水をさまざまな部分から供給できる二軸スクリュー押出機で行うことができる。押出機内では、特に混練要素において、スクリューの噛み合いによって材料が混合され、造粒される。[ 3 ]
乾式造粒法は、造粒物が水分や熱に敏感な場合があるため、液体溶液を使用せずに顆粒を形成するために用いられます。水分を使用せずに顆粒を形成するには、粉末を圧縮・高密度化する必要があります。このプロセスでは、一次粉末粒子が高圧下で凝集されます。乾式造粒には、揺動式造粒機またはロールコンパクターを使用できます。
乾式造粒は2つの方法で行うことができます。1つは、大型の錠剤（スラグ）を大型の打錠機で製造する方法、もう1つは、粉末を2つの逆回転するローラーの間で圧縮して、連続したシート状またはリボン状の材料を製造する方法です。
錠剤成形機を乾式造粒に使用する場合、粉末は製品を金型キャビティに均一に供給するのに十分な自然な流動性を持たず、密度がばらつくことがあります。ローラーコンパクター（造粒・コンパクター）は、 2つの加圧ローラーの間に粉末を均一に供給するスクリュー供給システムを使用します。粉末はこれらのローラーの間でリボン状または小さなペレット状に圧縮され、低せん断ミルで粉砕されます。製品が適切に圧縮されたら、錠剤圧縮の前にミルと最終混合を通過させることができます。[ 4 ]
一般的なローラー圧縮プロセスは、次のステップで構成されます。粉末材料を圧縮エリアに搬送します（通常はスクリューフィーダーを使用）。2つの逆回転するローラーの間で粉末を圧縮し、力を加えます。得られた圧縮物を粉砕して、所望の粒度分布にします。ローラー圧縮された粒子は通常、高密度で、鋭いエッジ形状をしています。[ 5 ]
プラスチックのリサイクルにおいて、造粒とは、リサイクルするプラスチック製品をフレークまたはペレットに細断し、後でプラスチック押出成形に再利用できるようにするプロセスです。最初の段階では、リサイクルするプラスチック製品が電動モーター駆動の切断室に供給され、そこで数種類の切断システムのいずれかを使用して材料が連続的に切断されます。一部のシステムでは、はさみのような切断動作、シェブロンまたはV型ローター、らせん状ローター、またはフライナイフが使用されます。[ 6 ] [ 7 ] 材料は、メッシュスクリーンを通過するのに十分なほど細かくなるまで、より小さなフレークに粉砕されます。湿式造粒ラインでは、切断室に水が連続的に噴霧され、破片や不純物が除去され、鋼製ブレードの潤滑剤として機能します。乾式造粒ラインでは水は存在しませんが、このような技術は一般的に湿式技術よりも品質の低い製品を生成します。[ 8 ]このプロセスは比較的単純ですが、摩擦によって生じる高温が材料を損傷し、その可塑性に影響を与える可能性があるため、慎重にパラメータを設定する必要があります。ハサミの刃の定期的なメンテナンスと研磨は不可欠であり、詰まりやジャミングの可能性もあるため、工程を注意深く監視する必要がある。[ 9 ]
多くの場合、造粒はプラスチックを新しい製品の製造に再利用するために必要な唯一の工程である。他の場合、新しいまたはリサイクルされたプラスチック材料をペレットに作り直す必要がある。材料は溶融され、細い棒状に押し出され、その後、水槽で冷却され、細かく刻まれて小さな円筒形のペレットになる。[ 10 ]
肥料にとって造粒は重要である。なぜなら、造粒された製品は輸送や保管がより経済的であり、言うまでもなく施用も容易だからである。[ 11 ] [ 12 ]