制药工艺学题库及答案

制药工艺学题库及答案一、原料药合成工艺与反应工程1.单选题在氯霉素合成路线中，采用对硝基苯乙酮经溴化、氨化、乙酰化、还原、拆分等步骤，其中“乙酰化”一步使用醋酐吡啶体系而非醋酐酸催化，其根本原因是：A.吡啶可中和生成的HBr，抑制副反应B.吡啶可活化羰基，提高亲核性C.吡啶可与产物形成络合物，便于后处理D.吡啶可抑制酮α卤代副反应答案：A解析：醋酐与对硝基苯乙酮反应生成α溴代副产物的主要诱因是酸性条件下烯醇化后溴化；吡啶作为有机碱可即时中和释放的HBr，维持体系近中性，从而抑制α卤代副反应，提高乙酰化选择性。2.多选题下列关于7ACA（7氨基头孢烷酸）酶法裂解头孢菌素C（CPC）工艺的描述，正确的有：A.固定化D氨基酸氧化酶（DAO）与GL7ACA酰化酶可串联在同一反应器内B.反应需严格控制pH7.8–8.2，防止酰化酶失活C.酶裂解前需用NaNO2/HCl去除CPC侧链氨基保护D.反应结束后可用超滤膜回收固定化酶E.裂解液中生成的戊二酰7ACA需经脱羧才能得到7ACA答案：ABD解析：CPC经DAO氧化脱氨生成GL7ACA，再由GL7ACA酰化酶裂解侧链得7ACA；串联固定化酶可减少中间分离损失；pH>8.5酰化酶半衰期急剧下降；NaNO2用于化学裂解而非酶法；超滤回收酶粒为绿色工艺关键；GL7ACA无需脱羧，直接酰化酶裂解即可。3.计算题某抗真菌药关键中间体需经相转移催化（PTC）醚化反应，反应式：ArONa+RBr→ArOR+NaBr。已知：反应器体积2m³，装料系数0.8初始ArONa浓度1.5kmol/m³RBr过量10%（摩尔比）反应为拟一级，kobs=0.12min⁻¹（基于ArONa）要求转化率≥98%求：（1）所需反应时间；（2）若采用管式连续反应器（PFR），体积为多少可保持相同空时收率？答案：（1）t=–ln(1–X)/k=–ln(0.02)/0.12=32.5min（2）PFR空时τ=t=32.5min；体积VPFR=τ·Q，其中Q=2×0.8/32.5=0.0492m³/min∴VPFR=32.5×0.0492=1.6m³解析：拟一级动力学可直接套用积分式；PFR与间歇反应器空时相等，故体积与流量乘积等于空时。4.工艺设计题抗肿瘤药伊马替尼的吡啶环氯化需用NCS（N氯代丁二酰亚胺）。请设计一条连续流微反应工艺，要求：停留时间<30s选择性>95%处理量20kg/h（以伊马替尼游离碱计）给出关键参数（通道尺寸、温度、NCS当量、淬灭方式）并说明理由。答案：通道尺寸：内径1mm，长度3.8m，持液体积0.3mL，层流Re≈120温度：120°C，背压1.2MPa，防止溶剂（MeCN）沸腾NCS：1.05当量，预溶于MeCN形成0.8mol/L溶液，与0.5mol/L底液等体积泵入淬灭：出口立即与0°C的10%Na2SO3水溶液T型混合，停留<0.5s，终止氯化解析：微通道高比表面积利于传热，120°C下反应速率提高两个数量级，30s内完成；NCS略过量保证完全转化，Na2SO3快速淬灭避免过度氯化；层流状态下扩散混合足够，无需主动混合结构。二、生物制药工艺与发酵工程5.单选题在CHO细胞表达系统生产单抗，采用灌流培养（perfusion）而非批式流加（fedbatch）的首要经济驱动力是：A.降低培养基消耗B.减少下游ProteinA层析柱体积C.提高单位罐体积年产蛋白量D.简化GMP验证批次答案：C解析：灌流通过持续收获上清，可将细胞密度维持在80–120×10⁶cells/mL，日产量可达批式流加的10–20倍，从而显著降低固定资产折旧/克蛋白。6.多选题关于大肠杆菌胞内包涵体（IB）复性工艺，下列措施可提高活性回收率的有：A.在变性液中加入0.4mol/LL精氨酸B.复性缓冲液pH控制在9.5C.采用脉冲稀释复性，每次稀释倍数<2D.加入0.5mmol/L氧化型谷胱甘肽（GSSG）E.复性温度提高至37°C以加速折叠答案：ACD解析：L精氨酸可抑制聚集体形成；脉冲稀释维持低蛋白浓度，减少分子间碰撞；GSSG提供氧化环境促进二硫键正确配对；pH9.5过高易形成错误折叠中间体；37°C加速疏水聚集，反而降低活性回收率。7.计算题某50m³发酵罐生产纳豆激酶，批式流加工艺参数：初始体积20m³，比生长速率μ=0.35h⁻¹溶氧临界值0.5mg/L，kLa=0.18s⁻¹氧传质速率OTR≤120mmol/(L·h)时，菌体浓度上限多少？答案：OTR=kLa·(C–C)=0.18×(7.5–0.5)×3600/1000=4.54mmol/(L·h)实际OTR=120mmol/(L·h)，故需满足：OUR≤OTROUR=qO2·XqO2（典型芽孢杆菌）=5mmol/(g·h)∴Xmax=120/5=24g/L解析：通过氧供需平衡计算，kLa与临界溶氧决定最大菌浓；若继续提高菌浓，需提高kLa或富氧空气。8.工艺分析题给出某抗体Fc融合蛋白在灌流培养中收获液质量数据：乳酸峰值：8g/L铵离子：5mmol/L高甘露糖型糖基化比例：35%（目标<15%）请分析根本原因并提出三项可执行纠偏措施。答案：根本原因：高乳酸→胞内pH下降→高尔基体甘露糖苷酶活性降低→高甘露糖型增加纠偏措施：1.将灌流速率从1.2reactorvolume/day提高至1.8，降低乳酸累积；2.在培养基中减少葡萄糖浓度至4g/L，并补充2mmol/L丙酮酸，减少糖酵解通量；3.温度由37°C降至33°C，降低细胞代谢速率，提高糖基化酶正确折叠比例。解析：乳酸与铵为代谢副产物，高浓度影响糖基化酶活性；通过灌流稀释、底物替换及低温培养，可有效降低高甘露糖型比例至10%以下。三、下游分离纯化工程9.单选题在ProteinA层析洗脱阶段，采用pH3.5柠檬酸缓冲液后，立即用TrisHClpH8.0中和，其主要目的是：A.避免抗体低pH聚集B.防止ProteinA配基脱落C.减少宿主蛋白再吸附D.抑制蛋白酶活性答案：A解析：单抗在低pH（<3.8）下易发生可逆性聚集，快速中和可最大限度减少聚集颗粒形成，降低后续0.22μm过滤负荷。10.多选题关于连续流离心（discstack）去除CHO细胞，下列说法正确的有：A.离心机转速越高，细胞活率下降越显著B.进料黏度主要受细胞浓度及胞外蛋白影响C.采用间歇排渣比连续排渣更适合高密度>80×10⁶cells/mLD.冷却至4°C可降低细胞裂解释放DNAE.离心后上清浊度与Gforce呈线性负相关答案：BCD解析：高转速产生高剪切，但主要影响蛋白质变性而非细胞活率；高密度下间歇排渣可防止固体腔堵塞；低温降低酶活减少裂解；浊度与Gforce呈负相关但非线性，受进料流量影响更大。11.计算题某单抗亲和层析柱，柱床高20cm，线流速200cm/h，保留时间3min。已知：动态结合载量DBC10%=40g/L收获液抗体浓度5g/L每批处理收获液4000L求：所需柱体积与柱径。答案：保留时间τ=L/v=20/200=0.1h=6min，与题给3min矛盾，需重新核算：实际线流速v=L/τ=20cm/3min=6.67cm/min=400cm/h处理量Q=4000L，处理时间t=4000/(A·v)所需载量=4000L×5g/L=20kg柱体积V=20kg/40g/L=500L柱径D：V=A·L→A=500L/0.2L=2500cm²D=√(4A/π)=56.4cm解析：先由保留时间反推线流速，再按载量计算柱体积，最后求柱径；工业上常选标准60cm径柱，略放大。12.工艺设计题设计一套三柱连续层析（MCSGP）用于胰岛素原C肽捕获，要求：年处理发酵液8000m³，C肽浓度1.2g/L总回收率>90%，纯度>95%层析介质为反相C18，DBC=80g/L给出关键步骤（柱配置、切换时间、再生溶剂）并估算介质用量。答案：年蛋白量=8000×1.2=9600kg单柱循环数：每天24h，每循环2h，年运行330天→3960循环每柱每循环载量=9600/(3×3960)=0.808kg柱体积=0.808kg/80g/L=10.1L三柱总介质=30.3L配置：柱1：上样+洗涤柱2：洗脱+收集柱3：再生+平衡切换时间40min，梯度：30%B→70%B（B：0.1%TFA/乙腈），再生用90%B冲洗2CV，再平衡至5%B解析：MCSGP通过三柱错位操作实现连续上样，提高介质利用率至80%以上；反相C18对C肽选择性高，90%回收率可达。四、制剂工艺与稳定性13.单选题冻干单抗制剂中，加入0.01%聚山梨酯80（PS80）的主要功能是：A.提高玻璃化转变温度Tg′B.抑制冻干过程中冰界面诱导变性C.作为晶体相基质提高外观D.降低复溶时间答案：B解析：PS80为表面活性剂，可在冰蛋白界面形成保护层，防止疏水区域暴露聚集；对Tg′影响极小。14.多选题关于高浓度单抗（100mg/mL）皮下注射液，下列说法正确的有：A.需加入透明质酸酶以降黏度B.可使用柠檬酸缓冲液pH5.5抑制抗体聚集C.灌装时需氮气保护防止甲硫氨酸氧化D.预充式注射器硅油层需≤0.2mg/支以减少蛋白聚集E.加入5%海藻糖可提高黏度便于悬浮答案：ABCD解析：透明质酸酶降解皮下透明质酸，增加扩散降低黏阻；pH5.5远离抗体等电点，减少静电吸引聚集；海藻糖为冻干保护剂，对高浓度液体制剂反而增加黏度，不利注射。15.计算题某冻干制剂水分残留0.5%（w/w），Tg′为45°C，贮藏温度30°C，请用GordonTaylor方程估算水分提高至1.5%时的Tg′，并判断贮藏风险。已知：纯水Tg=–137°C干蛋白Tg=110°C水分质量分数w1=0.015答案：1/Tg′=w1/Tg1+w2/Tg2w2=0.9851/Tg′=0.015/(–137+273)+0.985/(110+273)=0.015/136+0.985/383=0.00011+0.00257=0.00268Tg′=1/0.00268–273=100°C–273=–173°C（明显错误，需用绝对温度）正确：Tg′(K)=(w1Tg1+kw2Tg2)/(w1+kw2)，取k≈1Tg′=0.015×136+0.985×383=2.04+377.3=379.3K=106°C水分1.5%时Tg′≈106°C，仍远高于30°C，无塌陷风险解析：GordonTaylor用于估算二元体系Tg，水分提高仅降低Tg′约4°C，远低于贮藏温度，风险可控；但水分>3%时Tg′将<30°C，需严格控制。16.工艺优化题某BCSII类药物（弱碱pKa6.2）采用热熔挤出（HME）制备无定型固体分散体（ASD），原工艺使用PVPVA64，发现40°C/75%RH下重结晶。请提出两项替代聚合物并给出理由，同时设计稳定化策略。答案：替代聚合物：1.HPMCASH：乙酰基/琥珀酰基取代，Tg>120°C，疏水性强，抗湿重结晶；2.CopovidoneVA73（PVPVA73）：VA含量提高，Tg增加，降低吸湿。稳定化策略：挤出温度180°C，确保药物完全无定型；加入5%柠檬酸三乙酯为增塑剂，降低加工温度，减少热降解；包衣采用OpadryambII，阻湿阻氧；铝铝泡罩包装，RH<30%，贮藏25°C。解析：BCSII药物溶解度低，ASD提高溶出；选择高Tg、疏水聚合物可提高抗湿性及重结晶阈值；增塑剂降低加工风险，阻湿包装为关键。五、绿色制药与连续制造17.单选题在连续流臭氧氧化降解API废水中，添加少量H2O2（0.2%）的主要作用是：A.提高臭氧溶解度B.产生·OH自由基强化氧化C.抑制溴酸盐副产物D.降低反应活化能答案：B解析：H2O2与O3反应生成·OH，氧化电位2.8V，远高于O3本身，可快速开环降解难降解杂环。18.多选题关于连续直接压片（CDC）生产线，下列说法正确的有：A.需采用失重式给料器控制API比例±1%B.混合器RSD<2%即可满足USP含量均匀度C.压片机需配置预压轮减少顶裂D.在线NIR可用于实时测定片剂硬度E.采用真空上料可减少粉尘交叉污染答案：ACE解析：失重给料器为CDC核心，控制精度±1%；混合终点RSD<5%即可；预压轮降低弹性复原；NIR测含量而非硬度；真空上料为封闭系统，降低OEL暴露。19.计算题某连续流硝化反应，微通道内径1mm，长度10m，反应液为65%HNO3/98%H2SO4=1:2（v/v），流量10mL/min，反应放热–120kJ/mol，目标转化率90%，绝热温升多少？若允许ΔT<20°C，需如何调整？答案：混合酸密度1.54g/mL，热容2.1J/(g·K)反应物浓度：硝酸10.7mol/L，硫酸18.4mol/L假设硝化苯摩尔流量0.1mol/min，放热12kJ/min持液体积=π×(0.05)²×1000=7.85mL停留时间τ=7.85/10=0.785min绝热温升ΔT=Q/(m·