制药工艺学(化药工艺4).ppt
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1、第四章 化学制药工艺的放大,一、中试放大的研究内容,中试放大(又叫中间试验),目的是验证、复审和完善实验室工艺所研究确定的反应条件,及研究选定的工业化生产设备结构、材质、安装和车间布置等,为正式生产提供数据,以及物质量和消耗等。,一、中试放大的研究内容,概 述,1.工艺过程在生产过程中凡直接关系到化学合成反应或生物合成途径的次序、条件(配料比、温度、反应时间、搅拌方式、后处理方法和精制条件等)统称为工艺条件。由原料到成品之间的各个相互连接的单元操作过程及其质量监控是生产工艺过程。一个产品由若干个车间线完成生产。,2.辅助过程其它过程(包括动力供应、原料供应、包装、储运、三废处理等)则成为辅助过
2、程。,3.放大的概念,将实验室和中试车间试验取得的研究结果应用到大规模的工业生产中的过程就是放大。工艺的放大包括实验室、小量试制、中试工厂(车间)和生产车间4个步骤。,一、中试放大的研究内容,一、中试放大的研究内容,(1)实验室研究阶段:新药研究的探索阶段,目的是发现先导化合物和对先导化合物的结构修饰,找出新药苗头。任务通过实验找出科学合理的合成路线和最佳反应条件尽快完成化合物的合成;利用各种手段,确证化学结构;测定化合物的主要物理参数,了解化合物的一般性质。,一、中试放大的研究内容,(2)实验室小试:在实验室规模的条件下进行,提供足够数量的药物供临床前评价。考查工艺参数、设备与原料,转化率,
3、收率,成本估算等。目的是为中试做技术准备。要求收率稳定,质量可靠。确定操作条件,制成品、半成品、中间品、原料等建立相应的分析方法。,一、中试放大的研究内容,1)选择比较成熟的工艺路线 合成步骤短,总产率高,设备技术条件和工艺 流程简单,原材料来源充裕而且便宜。2)用工业级原料代替化学试剂 找出工业级原料生产的最佳反应条件和处理方 法,达到优质、价廉和高产的目的。,一、中试放大的研究内容,3)原料和溶剂的回收套用 溶剂中含有的反应副产物,反应不完全的剩余 原料,挥发性杂质等。4)安全生产和环境卫生 去掉有毒物质和有害气体参与的合成反应,提 出“三废”处理方案。,一、中试放大的研究内容,(3)中试
4、放大:把实验室小试研究确定的工艺路线与条件,放大50100倍的中等规模,进行工艺试验,工业化生产考查、优化,包括产品质量、经济效益、劳动强度等,确定最佳操作条件。目的是为车间设计、施工安装、中间质控,制定质量要求与规程提供数据和资料。,一、中试放大的研究内容,制定车间生产工艺:在大型设备和车间投入生产,试制若干批号后,制定出生产工艺规程。,(4)工业化生产阶段,一、中试放大的研究内容,中试放大的重要性,1.以便进一步研究在一定规模装置中操作参数和条件的变化规律,验证实验室工艺路线的可行性,并解决实验室阶段未能解决或尚未发现的问题。,2.为新药开发过程提供一定数量的样品,通常需要210kg数量。
5、,一、中试放大的研究内容,中试放大的重要性,3.确定工艺路线后,每步化学合成反应或生物合成反应不会因小试、中试放大和大型生产条件不同而有明显变化,但各步最佳工艺条件,则随试验规模和设备等外部条件的不同而有可能需要调整。,一、中试放大的研究内容,中试放大的重要性,4.为原料药的生产报批和新药审批提供最主要的实验数据。,5.为产品投产前的GMP认证打下一定的基础。,一、中试放大的研究内容,中试放大的研究的条件,1.小试工艺收率稳定,质量可靠。2.操作条件的确定。3.产品、中间体、原料分析方法的确定。4.小试用试剂不影响收率、质量。,一、中试放大的研究内容,中试放大的研究的条件,5.进行物料衡算及计
6、算所需原料成本。6.“三废”量的计算。7.工艺中的注意事项、安全问题提出,并有 防范措施。,一、中试放大的研究内容,中试放大研究的基本方法,中试放大的方法有:逐级经验放大法 相似放大法 数学模拟放大法,一、中试放大的研究内容,逐级经验放大法,主要凭借经验通过逐级放大(试验装置中间装置中型装置大型装置)来摸索反应器的特征。是制药工艺研究和药物合成科研中的主要方法。,前提条件,放大的反应装置必须与提供经验数据的装置保持完全相同的操作条件。,搅拌反应器构成:,一、中试放大的研究内容,一、中试放大的研究内容,搅拌器的选型原则?搅拌反应器的放大准则?,搅拌反应器放大设计的基础,常用的搅拌器:,一、中试放
7、大的研究内容,锥螺带(VCR),前进式(AR),最大叶片式,泛能式,叶片组合式,扭格子式,EKATO同轴,多臂行星式,真空乳化釜,新型立式搅拌,一、中试放大的研究内容,搅拌器的分类选型,一、中试放大的研究内容,搅拌器的分类选型,一、中试放大的研究内容,一、中试放大的研究内容,1.空心夹套,3.螺旋导流板夹套,2.半管夹套,5.内部夹套,常用的夹套:,一、中试放大的研究内容,常用的挡板:,一、中试放大的研究内容,常用的内冷管:,一、中试放大的研究内容,一、中试放大的研究内容,(1)几何相似放大。按反应器各部件的几何尺寸比例进行放大,放大倍数是实际反应器体积的倍数。当体积放大时,反应器的高度和直径
8、均放大。,一、中试放大的研究内容,式中:,反应器的高度,m;,反应器的内径,m;,下标“1”-模型反应器下标,“2”放大的反应器。,反应器的体积,m3;,若按几何相似放大法,当体积增加10倍时,生物反应器的直径和高度均放大101/3倍。,ha=1Di/4,hb=1ha/10=1Di/40,一、中试放大的研究内容,体积,椭圆形封头体积:,反应器的总体积:,一、中试放大的研究内容,一、中试放大的研究内容,(2)恒定等体积搅拌功率放大,是一般化学反应器的放大准则。以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大,是一般机械搅拌式化学反应器的放大准则。,一、中试放大的研究内容,根据,一、
9、中试放大的研究内容,(3)恒定混合时间放大,混合时间是指在反应器中加入物料,到它们被混合均匀时所需的时间。在小反应器中,比较容易混合均匀,而在大反应器中,则较为困难。,一、中试放大的研究内容,对于几何相似的反应器,,时,,从上式可以得出:,注意,经验放大法适用于反应器的搅拌形式、结构等反应条件相似的情况,而且放大倍数不宜过大。,一、中试放大的研究内容,例:某厂在100L的机械搅拌反应罐中进行对氨基苯酚生产试验,所用的原料为对硝基苯酚,并获得良好的试验效果,反应液的密度1020kg/m3。现拟放大至20m3生产罐。试验罐的尺寸为:直径D375mm,搅拌叶轮Di=125mm,高径比H/D2.4,液
10、深HL1.5D,4块挡板的W/D0.1;装液量为60L,使用两档圆盘六直叶涡轮搅拌器,转速n为350r/min。试用P/VL相等的原则进行放大计算。,一、中试放大的研究内容,对试验罐,有,同理,对放大罐,有,根据P/VL相等原则,,则有,一、中试放大的研究内容,由题设,知,n1350r/min,,Di1=125mm,按照几何相似原则放大,放大罐的,Di2=0.72m,用Di1和Di2的值代入,可求得出放大罐的搅拌转速:,一、中试放大的研究内容,一、中试放大的研究内容,相似放大法,根据相似理论,保持无因次准数(相似准数)相等的原则进行放大。基于对过程的了解,确定影响因素,用因次分析求得相似准数,
11、根据相似理论的第一定律,系统相似时同一相似准数的数值相同,计算后,进行放大。,一、中试放大的研究内容,数学模拟放大法,数学模拟放大是用数学方程式表述实际过程和实验结果,然后计算机模拟研究、设计,放大。,一般地,先对过程进行合理简化,提出物理模型,模拟实际过程。再对物理模型进行数学描述,从而得到数学模型。最后在计算机上研究各参数的变化对过程的影响。,一、中试放大的研究内容,中试放大的研究内容,1.生产工艺路线的复审,在中试放大阶段,只是确定具体工艺操作和条件以适应工业生产。但是当选定的工艺路线和工艺过程,在中试放大时暴露出难以克服的重大问题时,就需要复审实验室工艺路线,修正其工艺过程。,一、中试
12、放大的研究内容,2.设备材质与型式的选择,开始中试放大时应考虑所需各种设备的材质和型式,并考查是否合适,尤其应注意接触腐蚀性物料的设备材质的选择。,一、中试放大的研究内容,一般来讲,如果反应是在酸性介质中进行,就要用防酸材料的设备,如搪玻璃容器。如果是在碱性介质中反应,就得采用防碱材料的设备,如不锈钢设备。贮存浓盐酸应采用玻璃容器,贮存浓硫酸应采用铁制容器,贮存浓硝酸应采用铝制容器。,一、中试放大的研究内容,3.搅拌器型式与搅拌速度的考查,药物合成反应中的反应大多是非均相反应,其反应热效应较大。在实验室中由于物料体积较小,搅拌效率好,传热、传质的问题表现不明显,但是在中试放大时,由于搅拌效率的
13、影响,传热,传质的问题就突出地暴露出来。,一、中试放大的研究内容,因此,中试放大时必须根据物料性质和反应特点注意研究搅拌器的型式,考察搅拌速度对反应规律的影响,特别是在固液非均相反应时,要选择合乎反应要求的搅拌器型式和适宜的搅拌速度。,一、中试放大的研究内容,4.反应条件的进一步研究,实验室阶段获得的最佳反应条件不一定能符合中试放大要求。应该就其中的主要的影响因素,如放热反应中的加料速度,反应罐的传热面积与传热系数,以及制冷剂等因素进行深入的试验研究,掌握它们在中试装置中的变化规律,以得到更合适的反应条件。,例如:磺胺5甲氧嘧啶生产的中间体甲氧基乙醛缩二甲酯是由氯乙醛缩二甲酯与甲醇钠反应制得的
14、。ClCH2CH(OCH3)2 CH3OCH2CH(OCH3)2 实验室阶段甲醇钠浓度用20左右,在反应罐内显示10105Pa的压力时,反应温度才能达到为140。中试时在反应罐上安装了分馏塔,随着甲醇馏分流出,罐内甲醇钠浓度逐渐升高,同时反应生成物沸点较高,反应物可在常压下顺利加热到140,从而把原来加压条件改进为常压条件。,CH3ONa,一、中试放大的研究内容,一、中试放大的研究内容,5.工艺流程与操作方法的确定,在中试放大阶段由于处理物料增加,因而又必要考虑使反应与后处理的操作方法如何适应工业生产的要求,特别要注意缩短工序、简化操作。主要从加料方法、物料分离和输送等方面考虑。,一、中试放大
15、的研究内容,6.原辅材料和中间体的质量控制,1)原辅材料、中间体的物理性质和化工参数的测定。如比热、粘度、爆炸极限等。2)原辅材料、中间体质量标准的制定。,一、中试放大的研究内容,7.安全生产与“三废”防治措施的研究,小试时由于原料用量少,安全生产与“三废”问题不时很明显,但在中试阶段,原料用量多,安全生产与“三废”问题就会明显暴露出来,因此,在该阶段应就使用易燃、易爆和有毒物质的安全生产和劳动保护等问题进行研究,提出妥善的安全技术措施。,一、中试放大的研究内容,8.消耗定额、原料成本、操作工时与生产周期的计算。,1成品所消耗各种物料的千克数。,1成品所消耗各种物料价值的总和。,每一操作工序从
16、开始至终了所需的实际作业时间,从合成的第一步反应开始到最后一步获得成品为止,生产一个批号成品所需时间的总和。,二、物料衡算,物料衡算也反应了生产过程的实际情况和完善程度,如果对一个生产过程的物料衡算做的很完善,就表示我们对这个生产过程的了解比较深入。,根据质量守恒定律,以生产过程或生产单元设备为研究对象,对其进出口处进行定量计算,称为物料衡算。,二、物料衡算,物料衡算的理论基础,物料衡算有两种情况:针对已有的生产设备和装置,利用实际测定的数据,计算出一些不能直接测定的物料量。利用计算结果,对生产情况进行分析和判断,提出改进措施;也可用于检查原料利用率和“三废”处理情况。,二、物料衡算,物料衡算
17、的理论基础,为了设计一种新的设备或装置,根据设计任务,先作物料衡算,再经能量平衡求出设备或过程的热负荷,从而确定设备尺寸及整个设备流程。,二、物料衡算,确定物料衡算的计算基准,(1)以每批操作为基准,适用于间歇操作设备、标准或定型设备的物料平衡,合成药物的生产以间歇操作居多。,(2)以单位时间为基准,适用于连续操作设备的物料衡算。,(3)以每公斤产品为基准,以确定原材料的消耗定额。,二、物料衡算,每年设备操作时间,车间设备每年正常开工生产的天数,一般以330天计算,余下的36天作为车间检修时间。对于工艺技术尚未成熟或腐蚀性大的车间一般以300天或更少一些时间计算(270天)。连续操作设备也有按
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