实验室过渡至工厂放大关键问题梳理工艺研究关键

2019年03月03日 反应釜百科 48 views

实验室研发到工厂放大要遵循的几个原则和能够充分的预测工业放大中的问题并提出预备方案:

从实验室研究到工厂放大是每一个工艺必须经历的过程,是每一个工艺研究员必须考虑和经历的,实验室研究的最终目的就是为了生产铺路,由实验室到工厂生产,工艺放大反应起一个承上启下的作用,工艺放大反应有两个重要的目的:分析和解决实验室中遇到的工艺问题和进行放大生产。然而,由于放大过程中存在风险,所以参与项目的每一个研发人员都应该下面几个原则来准备和进行工艺放大:

A:参与项目的每一个研发人员要完全彻底的掌握工艺过程;

B:参与项目的每一个研发人员要确保工艺放大的安全;

C:研发人员要与进行工艺放大的研发人员讨论放大过程中可能出现的问题,其中包括工艺过程的控制点与延长时间、混合以及工艺外可能出现的问题;

D:研发人员和进行工艺放大的研发人员要保证原料的质量和数量可以合成出合格数量的产品;

E:工厂可用的设备要保证能满足工艺生产的要求;

F:在实验室研发的基础上编写生产工艺,并严格按照工艺放大并严格监控工艺过程;

G:通过在线观察反应的临界状态,尤其是在第一次做的时候尤为重要,观察放大与实验室反应现象的区别;

专业人员和良好的设备是实验室解决放大问题的关键。小试时解决反应中的问题要比放大时再去解决压力要小得多。从实验室到工艺放大综合考虑多方面因素,尽量避免是由于技术原因而导致实验失败。

放大反应中往往需要延长工艺操作的时间,这与小试的操作时间有关系,转移大量的溶剂和固体原料需要更多的时间。热传递的速率与反应釜的(表面积/体积)成正比。所以越大的反应釜需要越多的时间来达到反应的温度。大多数反应釜是圆柱形的,其表面积与半径成正比,而体积与半径的平方成反比。这最终会导致放大操作时间延长。

若反应的收率低或反应的速率慢,延长反应时间往往会使副产物增加。例如:在酯化反应中,酯化反应靠羧酸的催化,而通过共沸去水可以加速反应的进行,因为酸浓度的增加会有利于反应速率的进行。延长反应时间,产品可能会被高浓度的杂质所污染,从而导致结晶速度比预期的要慢,当操作时间过量的延长,也有可能导致热力稳定的非预料异构体产生。

在放大反应中第三个问题是混合困难。彻底均匀的混合不是一瞬间的事情。将原料投入反应釜中会产生集中混合或径相分散,如果搅拌不均匀,使得反应物的局部浓度过高,从而造成局部反应速率过快,放热较快,从而导致局部温度过高,这种往往会导致副产物的增加。在后处理和分离的过程中要特别注意非均相情况,如果搅拌不充分,就难讲杂质从一相萃取到另一相中。萃取后反应釜内的残留物可能会污染到产品,在处理时间不够可能导致两相不能完全分离,从而导致乳化现象,产品会被乳液污染。看不见的洗涤液可能悬浮在萃取相中,造成污染。

讨论从实验室研发到工厂放大要考虑的实际问题:

A:明确放大目标和安全因素

准备工艺放大的第一步是要有明确的目标,知道所需产品的质量和数量以及哪个更重要,该工艺是否满足放大的要求。

为了确保实验室研发和放大的安全性,必须全面评估该工艺过程中化学反应的危险性,并不是所有的反应都需要进行彻底的分析。例如:脂类的水解反应,在比较的碱性溶液中是不会发生危险,按照测试可以对反应放热多少热以及放大是否会产生危险做出评估。而还原反应是放热反应,实验室小试没有明显的放热反应,而在放大反应的时候,往往是剧烈的放热反应,若控制不好温度,反应过程中放出的热量会使溶剂剧烈沸腾,甚至由于反应放出的热量不能够及时的传递出去而导致爆炸的危险。

另外,操作工人的安全也是要考虑的一个重要因素,尤其要考虑投料和分离最终产品时操作人员的安全。比如工业上提取植物碱(例如金雀花碱)用到的醇类往往使用乙醇而不是用甲醇,是因为甲醇对人体的伤害要远远大于乙醇。

B:确定关键工艺步骤

在编写工艺规程前,应该与参与工艺研发的研发人员一起讨论。工艺规程应该考虑工艺过程中的每一个方面。如果加料的速度很重要,那如何控制加料速度;试剂应该加载反应液的上方还是下方;试剂加到低温的反应中是否会凝固成固体;反应温度、水分应控制在什么范围;反应终点怎么控制,是观察反应现象;TLC监控还是开发终控的HPLC方法;是否可以重结晶对中间体进行严格的控制,建立较为严格合理的质量标准;是否需要分离和干燥最终产品的专用设备等问题都要考虑到并讨论。

 C:限定设备的使用范围

工厂里大部分用于放大的设备都是多用途的,很少选用专用设备。事实上,工厂里用于放大的设备都限定了使用范围。例如,我们在做某个项目中有一步要无水无氧低温操作,而且使用到了正丁基锂,所以我们选用的设备首先要耐低温并耐强碱的腐蚀,所以要用到专用的反应设备,注意:要确保转移正丁基锂溶液的管子,密封塞、探测器能够满足生产的需要;再比如氢化反应往往要用到高压氢化反应釜,强酸体系不能用金属材质的反应釜作反应,否则容易腐蚀。

D:在放大反应中使用在线监控

在线监控对有效放大很重要,由于要避免对操作者身体产生伤害、对反应造成影响、避免污染产品和反应釜的限制,从反应釜中采集有代表性的样品很困难。尤其是反应是非均相的,要获得具有代表性的样品要注意更多的因素。当样品从反应体系去除后,就要进行适当的分离以及分析该反应。样品可能含有原料、产物、杂质和溶剂等关键组分要定量。

E:设计不完全反应和失控反应的应急处理方案

作为工艺开发的一部分,必须设计应急方案以应对在规定时间内没进行完全的反应。一般情况下是要延长反应时间直到反应完全。不加试剂也是必要的,所以必须设计放大时补加试剂的安全方案。处于安全考虑,如果没有及时开发出一种安全的操作条件或所进行的反应会放出大量热量的时候,必须对可能失控的反应要设计应急处理方案。在这种情况下,最好按照安全瓶,不管什么反应,即时反应液冲出反应釜也会被安全瓶吸收。

F:确定延长工艺过程或中断工艺过程带来的影响

在实验室中解决路线问题是进行成功放大的关键步骤之一。放大中的影响因素在实验室中试可以检测出来的。比如,在原反应釜中取一部分反应液,在原反应温度上保持两倍于通常反应的时间,用在线分析方法分析,确定反应终点。要模拟延长的浓缩过程中的时间,取萃取液的一部分浓缩汁所需容量或水含量,然后通过在该浓缩温度下的数据预测放大操作所需要的时间。要确定杂质是否会与产品一起结晶可以通过将一部分的浆液绝热保持,然后分析结晶物的方法来实现。加料过程的影响与实验室类似用这种方式渐变的确定工艺过程中的节点。

G:针对特定化学物研究路线

在投入资源和昂贵化学品的放大反应之前,应检查反应的部分以确认能否得到预计的收益和提供预计的产率和质量的产物。反应成分包括反应中用到的所有化合物:起始物料、试剂、溶剂。不同级别的试剂和溶剂、不同批次的商业原料和不同批次的中间体都应进行检测。有两种基本方法可以检测:分析检测物质和通过一次实验。

化学分析是检测反应物和生成物的手段。简单的分析包括pH的测量、滴定、红外光谱与标准谱的对照、熔点的测定、折射率的测定等。将这些数据与标准物相对比,从而得到化合物的质量。同城产物的质量应该高于最低标准。同样杂质的含量应该杜宇最低标准。最后将制备中每一步中得到的数据总结。分析产品的过程中产生危险主要是因为该化合物没有归纳为危险品。在实验中都能检测,可以保证产品的质量。如果其中有一步的检测方法不好,可以借用上一步的方法,然后修改操作方案或等到替代方法延至后续批次符合标准。直觉很多时候是有帮助的,但不能完全依赖直觉。如果有怀疑,要做实验,建立数据,用数据来说话。

H:检验放大反应的最大承受量

如果时间允许,反应的一些参数需要检测,这些参数包括可接受的操作、收率、产品质量。在工厂里试剂滴加的体积误差在5%以内,质量误差在1%-2%,这个范围是以后实验的可接受范围。如果达不到该范围,精确地加入反应物的方式就有待探究。如果时间允许,可以做破坏性实验。在这些试验里,试剂要被过量的加入或低于加入量以确保允许的误差。以确保与正常实验相似的条件、pH值、温度还有其他参数,通过监控和分析对比,可以得到一些有用的数据信息。

I:确保建立最终产品的分析方法

当放大反应结束时,接下来就要进行一系列的产品分析:纯度、杂质含量、残留溶剂、灼烧残渣、重金属残留、晶型测试等。收率、纯度、质量都可以用来计算反应平衡。

J:明确清洗工艺和废物处理工艺

清洗工艺目前变得越来越重要,它可以用来减少批次间产品中的污染物,尤其是在多功能反应釜中生成不同产品的情况。清洗工艺最佳方式是将反应产品溶解再转移。对于反应液要进行合理的处理,酸性或碱性的反应液一定要先进行中和之后再进行后处理、反应中所使用的溶剂基本做回收处理,然后用回收处理的溶剂看是否能够再利用,若不影响反应再建立其相应的质量标准。

K:书写技术转让书指南

很多时候,工艺研发的主要目的不是做到多大规模,而是怎样清除地阐述工艺从而使得其他人能够很好地重复这一工艺并得到最终产品。研发实验室,公斤级实验室、试验车间和工厂之间;研发实验室和定制工厂之间;同行之间都可能会有技术转让。技术转让书应该要高效并有效地转让工艺资料,接收方可以很容易的重复这一工艺。任何工艺的优化都要建立在重复原来工艺基础之上。技术转让书应该清楚的写明详细的工艺,标明关键操作步骤。

附:中试放大工作中的建议:

一个工艺在实验室小试成功了,这个只能代表他的工艺路线是通的,不代表他中试、工业化也能顺利,甚至中试工业化完全做不出来。小试和中试有很大的距离。

1、小试我们一般都是三口瓶、四口瓶,这个都是玻璃的,有什么现象清清楚楚,投料量也少,容易控制。但是生产就不行了,用的是搪玻璃、不锈钢反应釜,他是 不透明的,看不到里面的东西。怎么办?就要在做小试、中试的时候多观察物料的变化情况,以便在工业化的时候做到什么步骤里面的情况能够心中有数,尽量的多 增加计量点。

实例:有一个产品(不好意思,出于技术保密,所有物料产品不说名称,见笑),原药用到一个和水互溶的溶剂,合成结束后,脱去部分溶剂,加水析出。中试时怕 溶剂脱干以后出安全事故,溶剂接受罐又没有计量装置,开始3批收率都偏低。查找原因是溶剂脱出太少,造成加水量不足,有部分产品还在水里。解决方法,规定 脱出溶剂数量。

2、小试玻璃瓶温度计是可以升降的,即使够不着也可以看得到。但是反应釜就不同了,那个是定下来的。所以你要对你的设备心中有数。比如1000L的反应釜,最低多少物料锚能搅得到,多少物料能打到温度计套管。物料粘度怎么样,量大以后用不用加大电机功率等。

实例:有一个产品,结晶以后回收母液时候没有注意到溶剂脱出以后物料的量,里面液相温度显示不出,一直开汽加热,爆炸,所幸没有伤到人。解决方法:用热水加热。浓度低的产品用小釜多次吸入脱溶。

3、小试的时候物料少,后处理时间很短。但中试工业化就不同了,这个处理时间要延长很多,必须考虑。

实例:有一个产品用三乙胺水溶液做溶剂,反应完过滤。抽滤的时候,把物料都放在抽滤槽中,时间长了以后物料温度升高,三乙胺分层,产品随着滤液抽走。解决方法:冷却以后少量多次抽滤,减少物料的存留时间。

4、小试的时候玻璃瓶没有保温层,投料量也很小,反应过程中的吸放热不明显,但反应釜就不一样了,这个就不同了,有保温,物料量也多。所以在小试的过程中 要注意观察反应到底是吸热还是放热,如果不确定的话,中试的时候最好把能接的公用工程管道都接上,没有条件的时候也要在夹套预留一个管道,随时准备在罐头 上桶蒸汽或者冷却水。

实例:有一个产品,小试的时候滴加感觉没有放热,中试时,没有加装冷却管道,结果一批料滴了十多个小时。解决方法:加装冷却水管道。

5、做工业化设计的时候要考虑全面,不能一意孤行,要多听取别人的意见。有个教授做了一个设计,他考虑到反应放热比较大,在反应釜内增加盘管。但是物料特 别粘稠,加装盘管一个,盘管外侧的物料搅不动,收率低。解决方法:拆除盘管,改用深冷盐水。钛盘管,不知要多少银子。

6、在选择工艺路线的时候要考虑到工业化的难易程度,还要考虑老板的喜好,以及周边的环境。周边的环境主要指的是环保压力。有的工艺环保压力大一点,在一些发达地区实行就比较困难。

实例:有一个产品,当时考虑的是成本,选了一条高压路线。准备做中试的时候上报老板,老板认为没有做高压的经验,浪费了大量的精力。所谓屁股决定脑袋,不 同的位置肯定考虑问题的出发点肯定是不同的,保守一点的老板肯定不会选择风险大的工艺,他的身价性命全在上面啊,要理解。解决方法:换了一条路线。

7、中试的时候如果全部是技术人做,那就麻烦了。实验人员和车间操作人员所具备的技能是不同的,好的实验人员不一定是一个好的工人。如果 是技术人员带领不太熟练的工人,技术人员要多费心巡查,是不是该开的阀门没开,该关的阀门没关,一定要现场确认。如果是技术人员带领负责任的熟练工人、操 作骨干,恭喜你,你所做的只是把工艺规程做好,然后在操作室陪他们聊聊天,顺道解决一下他们的疑问,遇到麻烦的时候主动把责任承担起来,不要推到操作上。

实例:有一个产品,中试的时候没有在现场,别人带着几个才招聘来的工人做,物料打到沉降罐的时候没有检查罐底阀门。那钱,哗哗的,都进下水道了。

8、中试、工业化设计的时候要把设备高清楚,外径、高度、重量等等,还要考虑到阀门的安装是不是便于操作,放空口是不是对着操作面等。出了这些问题,安装以后你就等着被工艺骂吧。

实例:第一次做钢平台,反应釜说明书没有看仔细,釜孔留小了,所有的反应釜吊装时全部都是把夹套罐头割掉才能吊上来,那可是压力容器啊。当时感觉都没脸见人了。

9、要善于总结经验教训。面对一个陌生的东西,大家都可能犯错,但是犯错就要记住,尽量不要在两次都掉在同一个坑里。

10、总之,小试是打通工艺路线。工艺路线通了,大的方向已经没有问题了,中试工业化考虑的就全部都是细节问题。要多想、多问。中试的时 候出现小问题是正常的,如果一切正常的话我还感觉不正常了。出了问题要多想,原因很多,但根据我的经验,真正的原因只有一个,但不要怀疑一切。

11、绝对不要站在反应釜边上改工艺规程,有什么想法在实验室做完以后再拿到车间。很容易出事故的。

12、要善于和人沟通。自古文人相轻。文人这个东西啊,认识俩字会写自己名字就很容易觉得自己了不起,看不起别人。但是不要忘了老祖宗告诉我们,尺有所 长、智者千虑等等名言,别人也会有比我们强的地方的。比如车间操作工人,他所具备的技能你不一定会,当然也不要求你会,但你不能拿你的长处和他比,就看不 起他吧?在工艺实施的全部过程要和相关人员多沟通,多听取别人的意见,哪怕是错的,也是一条思路。

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