制药工程反应设备 文档资料

1、制药工程设备,讲述,设备结构和原理、优点和缺点、适用场合、选型,及操作。,课程,内容：,在制药工业中，制药设备直接影响产品质量和成本。,教材,结构：,（一）、原理药生产设备,（二）、药物制剂生产设备,（三）、公用及辅助生产设备,第一章,绪论,制药工业的一般过程：,原料,生物,反应,化学,反应,分离,反应,产物,原料药,各种剂型,生物制药：通过生物反应和各种分离手段得到原料药的,制药过程。,化学制药：通过化学反应和各种分离手段得到原料药的,制药过程。,药物制剂：由原料药生产各种剂型的过程。,制药工业特点：,、产品质量、规格要求严格。,、设备要求严格,、生产规模变化范围大,、反应过程复杂，步数多,

2、、制药过程涉及多门学科,制药设备的分类,国家、行业标准按制药设备产品基本属性分,8,大类：,原料药机械及设备：,实现生物、化学物质转化，利用动物、植物、,矿物制取医药原料的工艺设备及机械。,制剂机械：,将药物制成各种剂型的机械与设备。,药用粉碎机械：用于药物粉碎（含研磨）并符合药品生产要求的机械。,饮片机械：对天然药用动物、植物、矿物进行选、洗、润、切、烘、,炒、锻等方法制取中药饮片的机械。,制药用水设备：采用各种方法制取制药用水的设备。,药品包装机械：完成药品包装过程以及与包装过程相关的机械与设备。,药用检测设备：检测各种药物制品或半制品质量的仪器与设备。,其他制药机械及设备：执行非主要制药

3、工序的有关机械与设备。,其中制剂机械按剂型分,14,类：,片剂机械。将原料药与辅料经混合、造粒、压片、包衣等工序制成各种,形状片剂的机械与设备。,水针剂机械。将药液制作成安瓿针剂的机械与设备。,抗生素粉、水针剂机械。将粉末药物或药液制作成玻璃瓶抗生素粉、水,针剂的机械与设备。,输液剂机械。将药液制作成大剂量注射剂的机械与设备。,硬胶囊剂机械。将药物充填于空心胶囊内制作成硬胶囊剂的机械与设备。,软胶囊（丸）剂机械。将药液先裹于明胶膜内的制剂机械与设备。,丸剂机械。将药物细粉或浸膏与赋形剂混合，制成丸剂的机械与设备。,软膏剂机械。将药物与基质混匀，配制成软膏，定量灌装于软管内的制,剂机械与设备。,

4、栓剂机械。将药物与基质混合，制成栓剂的机械与设备。,口服液剂机械。将药液制成口服液剂的机械与设备。,药膜剂机械。将药物浸透或分散于多聚物薄膜内的制剂机械与设备。,气雾剂机械。将药液和抛射剂灌注于耐压容器中，制作成药物以雾,状喷出的制剂机械与设备。,滴眼剂机械。将药液制作成滴眼药剂的机械与设备。,酊水、糖浆剂机械。将药液制作成酊水、糖浆剂的机械与设备。,我国医药工业现状,1.,我国药厂多，仿制品多、普药多，高新技术药品少，生物制品少。,2.,我国目前药厂生产工艺多为传统工艺，费时、费汽、污染严重，,企业面临高尖人才、资金短缺的状况。,我国药机厂现状,制造厂商多，传统制剂设备多，设备缺点是费时、费

5、能源、粉尘,飞扬严重，有严重污染产生。制作精良的制剂设备少，符合,GMP,规,范的设备少，具有多功能的制剂设备少。,GMP,历史,中国的,GMP,于,2019,年正式颁布。,国家药品监督管理局制定了分期、分批、按照剂型实施,GMP,认证工,作的规划。,2019,年底以前生物制品、血液制品必须达到,GMP,；,2000,年底以前粉针制剂、大容量注射剂必须达到,GMP,；,2019,年底以前小容量注射剂必须达到,GMP,；,20192019,年，口服液制剂、固体制剂、中成药制剂、滴眼剂、,滴鼻剂、外用擦剂、喷雾剂等剂型将在十五期间全部达到,GMP,要求。,制药设备,GMP,的提出,1.,药品生产质

6、量管理规范简称,GMP,（,good manufacturing,practice,）。在国际上，,GMP,已成为药品生产和质量管理的基本准则，,它是一套系统的、科学的管理制度。实施,GMP,，是在药品生产的全过,程中实施科学的全面管理和严密的监控，以获得预期的质量，可以防,止生产过程中药品的污染、混药和错药，保证药品质量的不断提高。,2. GMP,的控制范围，包括人事、厂房、设备、设施、生产工艺、,传递、分析、验证和库管等诸多方面，,GMP,是系统性很强的规范，严,格和严密是,GMP,的突出特点。,3.,制药设备是重要的生产手段，又是不可忽略的污染因素之一。制,药设备的规格、结构、材料、性能

7、对药品生产有着很大的影响，证实,了设备与,GMP,密切联系。因此就产生了把制药设备,GMP,内容具体化,的议题。,4.,怎样的设备才算贯彻了,GMP?,按照规范初步把设备,GMP,定义为：具有满足药物（药品）生产所,需的工艺功能和卫生、安全等配套功能，设备结构及其所用材料，不,窝藏、滞留物料，不对加工的物质形成污染、也不对生产以外的环境,产生污染或影响、且易于操作、维修、清洗的设备。,GMP,对制药设备有如下要求：,有与生产相适应的设备能力和最经济、合理、安全的生产运行；,有满足制药工艺的完善功能及多种适用性,；,保证药品加工中品质的一致性；,易于操作和维修；,易于设备内外的清洗；,各种接口符

8、合协调配套要求；,易安装、易移动，有利于组合的可能,；,进行设备验证（包括型式、结构、性能等）,设备的净化功能：,洁净是,GMP,的要点之一，对设备来讲包含两层意思,设备自身不对药物产,生污染，也不会对环境形成污染。要达到这一标准就必须在药品加工中，凡,有药物暴露的、室区洁净度达不到要求或有人机污染可能的，原则上均应在,设备上设计有净化功能。,例如：热风循环干燥设备，气流污染是最主要的，因此需考虑其循环空气的,净化；,洗瓶、洗橡胶塞等应考虑工艺用水的洁净度；,粉碎、制粒、包衣压片等粉体机械，应考虑其散尘的控制；,灌装设备的防尘需采取特殊的净化方法和装置，并应尽可能考虑在,密闭的设备中生产。,例

9、如,:,一步制粒器：将原来多台设备、敞口生产的多道工序合并在一个密闭的,内循环的容器内完成，就是制药过程与净化需求相结合的例子。,设备的清洗功能：,随着药品纯度和有效性的重视，,GMP,提倡的设备就地清洗功能,（,CIP,），将成为清洗技术的发展方向。,例如：冷冻冻干机的在位清洗和消毒系统,双锥干燥机的真空排气管与罐体回转密封处,设计的自清洗,装置,在生产中因物料变更、换批的设备，需采取容易清洗、拆装方便的,机构，所以,GMP,极其重视对制药系统的中间设备、中间环节的清洗及,监控，强调对设备清洁的验证。,例料液加热容器采用盘管机构：,不易清洗,染菌,纯水输送系统中，其泵体内发现的粘附物。,第二

10、章,制药工程化学反应设备,化学反应设备分类：,按反应物系相态可以把反应器分为均相与非均相两种类型。,按操作方式可以把反应器分为间歇式、半间歇式和连续式。,按反应器结构可以把反应器分为釜式（槽式）、管式、塔式、固,定床、流化床、移动床等各种反应器。,第一节,搅拌罐式反应器（,STRS),1,搅拌器,2,罐体；,3,夹套；,4,搅拌轴；,5,压出管；,6,支座；,7,人孔；,8,轴封；,9,传动装置,总体结构,主要包括搅拌罐、搅拌装置、密封装置,搅拌罐,由罐体和传热装置组成。作用是提供反应空间,和反应条件。,搅拌装置,由搅拌器、搅拌轴、传动装置组成。传动装,置又由电动机、减速器、联轴器及机座等组成

11、。,密封装置,防止罐内介质泄漏或外界空气进入罐内。,?,搅拌目的,使物料混和均匀,强化传热和传质。,包括均相液体混合；液,-,液分散；气,-,液分散；固,-,液分散；结晶；固,体溶解；强化传热等,?,搅拌液体的流动模型,液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的“流动模型”，简,称“流型”。,(a),轴向流,(b),径向流,(c),切线流,打漩现象,?,常用搅拌器的型式、结构和特点,在化学工业中常用的搅拌装置是,机械搅拌装置,，典型的机械搅拌,装置包括,1,、搅拌器：包括旋转的轴和装在轴上的叶轮；,2,、辅助部件和附件：包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、,挡板和导流筒等。,搅拌器是实现搅拌

12、操作的主要部件，其主要的组成部分是叶轮，,它随旋转轴运动将机械能施加给液体，并促使液体运动。,搅拌器,常用搅拌器及流型示意,?,桨式搅拌器,由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或,不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低，一般,为,20,80r,min,。桨式搅拌器直径取反应釜内径,Di/3,2/3,，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或,多个桨叶。,桨式搅拌器,适用于流动性大、粘度小的液体物料，,也,适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴,上装置数排桨,叶。,?,涡轮式搅拌器,涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮,又可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌

13、器速度较大，,300,600r,min,。,涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌,产生很强的径向流。因此它,适用于乳浊液、悬浮液等。,?,推进式搅拌器,推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用,以容积循环为主，剪切作用较小，,上下翻腾效果良好,。当需要有更,大的流速时，反应釜内设有导流筒。,推进式搅拌器直径约取反应釜内径,Di,的,1/4,1/3,，,300,600r,min,，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。,?,框式和锚式搅拌器,框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅,动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相,似时，通常称为锚式

14、搅拌器。,框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的,2/3,9/10,，,50,70r,min,。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过,程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层从,反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好,的热传导。这类搅拌器,常用于传热、晶析操作和高粘度液体、,高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌,。,?,螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器,螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做,成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断,地将粘于釜壁的沉积物刮下来。螺带的高度通常取罐底至液,面的高度。,螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超过,50

15、r/min,，产生以上下循环流为主的流动，,主要用于高粘度,液体的搅拌。,其他搅拌方法,?,绝大部分的搅拌与混合，是采用叶轮搅拌。此外,工业上较常见的或有发展前景的搅拌，主要还有,气流搅拌、射流混合和管道混合,?,气流搅拌,气流搅拌装置主要是鼓泡器。它是利用气泡在上升过,程中所造成的液体湍动，产生良好的搅拌作用。它所,产生的能量和效率低于机械搅拌，但可用于处理腐蚀,性料液和泥浆等，或用于浅槽搅拌，并可利用工厂多,余的气源。,用于搅拌的气体主要是压缩空气和水蒸气。用水蒸气,搅拌时可避免物料被氧化，并可对被搅拌物料直接加,热，但物料会被稀释。,?,射流混合,射流是在流体经一小孔、喷嘴或管道，流人较

16、大的容,器时产生的，射流的直径随着离开出口的距离增加而,增大，并在扩展的过程中使周围的流体被夹带进来而,产生混合。射流可以是层流，也可以是湍流，这取决,于雷诺数的大小。当喷嘴或孔出口处的,Re300,时，为,层流射流，,Re2100,时为湍流射流。对于黏性液体，层,流射流可推动器内液体运动，但因为黏性液体中分子,扩散速率低，喷出的液体与反应器内液体不会在分子,尺寸上混合。,化学工业上常用的文丘里管就是射流混合的应用实例。,?,管道混合,管道混合是使待混合的物料通过在管道内流动而混合,均匀。在混合过程中，通过平行地控制所有组分的流,量，确定混合物的组成，并使它保持在预定值上。,对于气体或低黏度液

17、体的混合，可利用湍流态下湍流,混合作用，达到均匀的混合。一般混合段的管长为管,径的,50,100,倍。在管内可安装促进物料混合的元件，,以使物料在静压力的推动下通过混合元件时改善混合,质量或缩短混合段的管长。工业上混合元件多为一些,不动装置，如三通混合、内部构件混合器和静力混合,器等。,三通混合元件,搅拌附件,挡板,挡板的作用是避免旋,涡现象，增大被搅拌液体,的湍流程度，将切向流动,变为轴向和径向流动，强,化反应器内液体的对流和,扩散，改善搅拌效果。,搅拌反应器的挡板结构,可有效,地防止,粘滞液,体在挡,板处形,成死角，,以防止,固体颗,粒的堆,积,。,在高粘度,物料中使,用桨式搅,拌器时，,

18、可安装横,挡板以增,加掺合作,用，挡板,宽度可与,搅拌叶同,宽。,对于低粘度液体挡板装在壁上。,对于中等粘度液体挡板离开,槽壁（或固,液相操作时）,对于高粘度液体挡板离开槽,壁并与槽壁成一定角度。竖,向挡板安装方式。,导流筒,导流筒的作用,导流筒作用,-,提高混合效率,一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅拌器对液体的直接,机械剪切作用；另一方面由于限定了液体的循环路径，确立了充分,循环的流型，使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，减,少了走短路的机会。,导流筒的组成,导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。常用于,推进式和涡轮式搅拌器。,导流筒示意图,传动装置,搅拌反应器传动装,置,1,

19、电动机；,2,减速器；,3,联轴器；,4,机座；,5,轴封装置；,6,底座；,7,封头；,8,搅拌轴；,填料密封,1,、原理,填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的,同时，形成极薄的液膜，一方面使搅拌轴受到润滑，另,一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体的渗入，达到,密封目的。,2,、特点,应允许填料密封有一定的泄漏量。使用过程中需要,经常调整填料压盖的压紧力。,轴封,机械密封,1,、原理,机械密封是依靠垂直于轴的两个密封元件的平面相,互贴合,(,依靠介质压力或弹簧力,),，并作相对运动达到密,封的装置。又称端面密封。,四个密封点：,A,动环和轴之间的密封,(,静密封,),，,B,动,环和

20、静环作相对旋转运动时的端面密封,(,动密封,),，,C,静,环与静环座之间的密封,(,静密封,),，,D,静环座与设备之,间的密封,(,静密封,),。,机械密封中，动环与静环的接触面是泄漏通道之外,，还有动环与轴之间、静环与支座之间的间隙也是泄,漏通道。,机械密封,2,、特点,功耗小、泄漏量低、,密封性能可靠、使用寿命,长的转轴密封。必须使冷,却润滑液在密封腔中不断,循环。,罐体尺寸确定,高径比,确定罐体高径比的考虑因素,由于搅拌功率在一定条件下与搅拌器直径的,5,次方成正比，,所以从减少搅拌功率的角度考虑，高径比可取得大一些。,若采用夹套传热结构，从传热角度看，希望高径比可取得大,一些；当容

21、积一定时，高径比大、罐体就高，盛料部分表面积大、,传热面积也就大。,要考虑物料的状态，对发酵类物料，为了使通入罐内的空气,与发酵物料充分接触，高径比应取得大一些。,夹套反应器罐体尺寸示意,直径及高度确定,装料系数,若物料在反应过程中产生泡们沫或呈沸腾状态，取装,料系数,0.6,0.7,；,若物料反应较平稳，则取装料系数,0.8,0.85,。,直径及高度确定,1,、,在初步确定,H/Di,后，可先忽略封头的容积，近,似计算出罐体的容积,。,得,2,、将上式计算的结果圆整为标准直径，再代入下式中可,计算出罐体的高度,V,),(,4,4,3,2,i,i,i,D,H,D,H,D,?,?,?,3,0,)

22、,(,4,?,?,i,D,H,i,V,D,?,2,0,2,4,4,i,k,i,k,D,V,V,D,V,V,H,?,?,?,?,?,?,?,传热装置,夹套,可拆卸的夹套,不可拆卸的夹套,蛇管,蛇管结构,蛇管的固定结构,工艺接管,进料管,进料管结构,出料管,下部出料管,上部出料管,塔式反应器,鼓泡塔反应器结构示意图,1,分布格板；,2,夹套；,3,气体分布器；,4,塔体；,5,挡板；,6,塔外换热器；,7,液体捕集器；,8,扩大段,第三章,生物反应器,发酵罐是工业发酵常用设备中最重要、应用最广泛的设备，是连,接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。在发酵罐中，通过,产物的合成，廉价的原料升了值，

23、因此可以说发酵罐是发酵工业的,心脏。发酵罐的定义是，为一个特定生物化学反应的操作提供良好,而满意环境的容器,发酵罐伴随着微生物发酵工业的发展已历经,300,年。早在,17,世纪，,人们已用带有温度计和热交换器的,1500L,的木制容器来制备乙醇和酒。,1900,1940,年出现了,200m3,的钢质发酵罐，在面包酵母发酵中开始使,用空气分布器和机械搅拌装置。,1940,1960,年，第一个大规模工业,生产青霉素的工厂于,1944,年,1,月,30,日在美国的,Terr Haute,投资，其发酵,罐的体积是,54m3,；抗生素工业的兴起引起发酵工业一场变革，机械,搅拌、通风、无菌操作、纯种培养等

24、一系列技术开始完善起来，并,出现耐高温在线连续测定的,pH,电极和溶氧电极，开始利用计算机进,行发酵过程控制。,1960,1979,年机械搅拌通风发酵罐容积增大到,80,150m3,，由于大规模生产单细胞蛋白的需要而出现了压力循环和,压力喷射型发酵罐，计算机开始在发酵工业上得到广泛应用,1979,年以后，随着生物工程和技术的迅猛发展，大规模细胞培养,发酵罐应运而生，胰岛素、干扰素等基因工程的产品走上商品化。对,发酵罐的严密性、运行可靠性的要求越来越高，发酵的计算机控制和,自动化的实际运用已相当普遍。,pH,电极、溶氧电极、溶解二氧化碳电,极等在线检测在国外已相当成熟。同时现代发酵工业为了获取更大的,经济利益，发酵罐更加趋于大型化：废水处理,2700m3,，单细胞蛋白,1500m3,，啤酒,320m3,，柠檬酸,200m3,，面包酵母,20m3,，抗生素,200m3,，,干酪,20m3,，酸乳,10m3,。,(,一,),发酵罐的类型,各种不同类型的发酵罐都可用于大规模的生化反应过程，它们在,设计、制造和操作方面的精密程度，取决于某一产品的生物化学反,应过程对发酵罐的要求。发酵罐的分类有以下几种：,按微生物生长代谢需要分类,这种方法将发酵罐分成好气和厌