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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、制药过程涉及多门学科,制
2、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：执行非主要制药工序的有关机械与设备。,其中制剂机械按剂型分14类：片
3、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。,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
4、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
5、备少。,GMP历史,中国的GMP于1999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。1999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；2002年底以前小容量注射剂必须达到GMP；20032005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
6、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、
7、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
8、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
9、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
10、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。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
11、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2080rmin。桨式搅拌器直径取反应釜内径Di/32/3，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
12、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。涡轮搅拌器速度较大，300600rmin。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1/41/3，300600rmin，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
13、。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/39/10，5070rmin。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
14、较低，通常不超过50r/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，流人较大的容器时产生的，射
15、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
16、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，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
17、）,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
18、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、
19、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0.60.7；若物料反应较平稳，则取装料系数
20、0.80.85。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,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，因
21、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。19001940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。19401960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
22、电极，开始利用计算机进行发酵过程控制。19601979年机械搅拌通风发酵罐容积增大到80150m3，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
23、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气两大类。抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸、维生素等产品是好气发酵罐中进行的；丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厌气发酵罐。它们的主要差别是由于对无菌空气的需求不同，前者需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的体积氧传递系数KL，后者则不需要通气。,(二)通风式发酵罐,1.标准通风式发
24、酵罐 通风式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备。它常用于面包酵母、抗生素及氨基酸的生产中，有关的重要因素是氧传递效率、功率输入、混合质量、搅拌浆形式和发酵罐的几何比例等。发酵罐最重要的几何比例是D/Dt，H/Dt，Ds/Di，Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，Dt为罐体直径，H 为罐体高度，Ds为搅拌浆到罐低的距离，Db为挡板的宽度)；还有搅拌浆的叶轮直径和各部分的比例。通用发酵罐的搅拌桨最广泛使用的是平叶涡轮搅拌桨，国内采用的大多数是六平叶式，共各部分尺寸比例已规范化。这种搅拌桨具有很大的循环液输送量，功率消耗大，因此特别适用于丝状菌的发酵，如青霉素发酵等，其最大叶端速度范围是38m/s。,
25、2.改良通风式发酵罐 几种改良通风式发酵罐是：(1)瓦尔德夫发酵罐，它装有一种独特的消泡装置。(2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐。上搅拌采用螺旋桨，用以加强轴向流动；下搅拌采用涡轮桨分散气体，可以提高氧传递效率。这种设计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长。(3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效地提高氧传递效率的发酵罐。它混合时间短，即使对十分黏稠的液体也有同样效果。它还消除了罐顶的空间，空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长。改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它的实际应用却远没有通风发酵广泛。,(三)气提式发酵罐 图4-27和图4-28是具有外循环冷却的气升环流发酵罐和Franckowaik气升环流发酵结构,
