制藥工程基礎課件第2章

1、e-mail:yaors@163.com yaorisheng-jf@hfut.edu.cnPhone: 2901771(o)Workroom: room 709, Shenghua Building,第二章 制藥工程與工藝設計,第一節(jié) 制藥工程總體設計策略 一、設計目標 二、總體設計的任務與程序第二節(jié) 藥物生產工藝設計 一、概述 二、工藝設計第三節(jié) 工藝配管與設備安裝設計

2、 一、管道儀表流程圖的設計及制圖要求 二、管道儀表流程圖的設計內容 三、設備的安裝設計第四節(jié) 藥廠廠區(qū)布置 一、藥廠廠區(qū)布置的方法和原則 二、廠區(qū)布置設計的依據思考題,空氣凈化系統(tǒng)的流程圖1、新回風混合段；2、初效過濾段；3、一次表冷段；4、二次表冷段；5、風機段； 6、加熱段；7、加濕段；8、消音段；9、中間消毒段；10、中效過濾段；11、送風段；12、高效過濾段,Chapter 2 D

3、esign of Pharmaceutical Engineering & Process Flow,制藥工業(yè)是典型的流程工業(yè)Every industrial drug’s or pharmaceutical process flow is designed to produce economically a desired product from a variety of starting materials throug

4、h a succession of treatment steps流程工業(yè)特征 ①本步產物是下一步的原料，必須完成上一步才能進行下一步 ②各步驟之間靠“管道”及運載體連接和/或輸送,Chapter 2 Design of Pharmaceutical Engineering & Process Flow,制藥工業(yè)（Pharmaceutical Industry）包括用化學的、生物的以及物理的和各種集成的

5、方法生產醫(yī)藥原料和產品的制造業(yè)，或者說包括生產原料藥和藥劑的工業(yè)。工業(yè)設計是以工藝為核心、工程為基礎而展開的。,,設計是將經驗和技術進行物化的基礎，它是通過圖紙和文字展示技術的過程與形式。制藥工程設計將一些專利藥物產品及技術與已有成熟的工業(yè)工程技術結合，通過工藝設計、工程基礎設計（或管道走向研究和平面布置）和包括建筑、電氣、儀表、設備等設計在內的施工圖設計。,第一節(jié) 制藥工程總體設計,制藥工程總體設計: 基礎設計或由專利商承擔的工藝

6、包設計 。制藥工程總體設計: 根據批準的可行性研究報告或設計任務書，解決工程項目（裝置）建設的總體部署和重大原則問題，達到優(yōu)化廠區(qū)總平面布置、優(yōu)化輔助生產設施、優(yōu)化系統(tǒng)工程的設計方案、控制工程規(guī)模、確定工程設計標準、設計原則和技術條件，為開展設計創(chuàng)造條件，以實現對建設項目人財物和資源總耗量的控制目標。 對藥物制劑項目的工程總體設計通常是與GMP方案設計的精神是一致的，還有生物藥物等生產項目工程總體設計也是與它的GM

7、P方案設計相統(tǒng)一的。,第一節(jié) 制藥工程總體設計,一、設計目標 制藥工程設計的目標:制藥工業(yè)過程的目標:制藥工程總體設計可借助化工過程設計體系的“洋蔥模型”，并結合工程項目建設結束投入生產運行時所涉及安全、健康和環(huán)境等問題、藥品生產質量管理規(guī)范以及裝置設施和技術的可驗證要求開展設計工作。,第一節(jié) 制藥工程總體設計,制藥工程總體設計是一個獨立的設計，按照我國現行的行政法規(guī)，制藥工程總體設計或GMP方案設計是藥品生產驗證的基本依據之一，

8、因此，該階段的設計是必須的。,二、總體設計的任務與程序,(任何一個)工程總體設計的主要任務可以用一定、二平衡、三統(tǒng)一、四協調和五確定來描述。,Diagram,,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,對制藥工藝進行設計的目的是如何運用科學的方法和原材料實現上市藥品的商業(yè)和工業(yè)目標。從產品的形式來看制藥工藝有原料藥生產工藝和制劑生產工藝。工藝設計的依據是經批準的可行性研究報告、總體設計、工程設計合同書及設計基礎資料。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,工藝

9、專業(yè)將基礎設計或專利商的工藝包文件轉化為工程設計文件。內容包括： 工藝流程圖 工藝控制圖 工藝說明書 物料平衡表 設備表 工藝數據表 安全備忘錄 概略布置圖… 相關專業(yè)設計條件,,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,二、工藝設計（一）原料藥工藝設計的原則和方法為上市藥品提供安全、有效、穩(wěn)定、可靠的原料，以實現上市藥品的商業(yè)和工業(yè)目標 。技術方案可優(yōu)化，并符合相關技術標準和設計規(guī)范，其中

10、精烘包工序符合GMP規(guī)范；以實現原料和能量消耗降低、產品質量以及生產潛力提高，同時，保證生產過程的安全和環(huán)境改善、對環(huán)境的有害影響減少。依據開發(fā)的技術選擇合適的工藝路線 邊設計邊進行工藝工程方案的優(yōu)化 完成工藝設計。,,,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,二、工藝設計（一）原料藥工藝設計的原則和方法可采用：史密斯和林霍夫對全過程的開發(fā)和設計提出的“洋蔥”模型。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,（二）藥物制劑工藝設計的原則和方法

11、制藥企業(yè)一旦成功開發(fā)出一個新品種，就會開發(fā)出生產各性質（藥物的含量、硬度、溶解度、穩(wěn)定性）都在一定限度范圍內的藥物生產過程。這一開發(fā)過程就是憑借經驗將模式化的信息運用到大規(guī)模常規(guī)生產中。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,（二）藥物制劑工藝設計的原則和方法為上市藥品實現商業(yè)和工業(yè)目標。藥物制劑工藝的設計是在特定的藥劑處方和加工工藝條件下，選擇加工工序以及混配、成型和灌裝或包裝設備，結合工序進行凈化區(qū)域和級別劃分，使所選擇的工藝路線符合GM

12、P規(guī)范且總生產成本最低。,,,計邊進行工藝工程方案的優(yōu)化,完成工藝設計,依據開發(fā)的制劑技術選擇合適的工藝路線,邊設,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,二、工藝設計（二）藥物制劑工藝工藝設計的原則和方法也可采用：史密斯和林霍夫的“洋蔥”模型。藥品的特殊性決定了設計過程中還要注意以下一些原則性問題。（1）工作人員流程和物料流程 （2）合理的凈化級別區(qū)域與凈化程序 （3）車間與設備布置 （4）配管及其它,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,（三

13、）工藝設計的工作程序和方法（1）設計前期工作（2）工藝設計階段（3）開展工藝設計（4）向有關專業(yè)提出相關設計條件,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,①接受設計條件[項目建議書、可行性研究報告、裝置總平面布置圖、專利及專有技術資料、工藝設計基礎數據、開工報告、開工會議紀要和合同文件] ②消化設計基礎資料，確定設計基礎[采用的工藝技術路線及其依據，產品方案及裝置的設計生產能力、產成品的數量、年操作時數及裝置的操作彈性等；原輔料、催化劑、

14、化學品的規(guī)格要求及界區(qū)條件；產品、中間產品及副產品的規(guī)格；公用工程的各項規(guī)格要求及界區(qū)條件(溫度、壓力等)；其它設計基礎數據 ],①確定工藝流程方案，進行工藝計算，完成全流程的模擬計算，即完成物料平衡和能量平衡的計算工作，提出主流程工藝流程圖(PFD)；②在物料平衡計算的基礎上進行設備分析、計算，完成設備一覽表、設備工藝數據表和建議的設備布置圖；③在能量平衡計算的基礎上提出公用工程及能量的規(guī)格、消耗定額和消耗量；④提出必需的輔助系

15、統(tǒng)和公用系統(tǒng)方案，并進行初步的計算；提出初步的公用工程流程圖(UFD)；⑤提出污染物排放及治理措施；⑥進行初步的安全分析；⑦進行設備概略布置研究和危險區(qū)劃分的研究；⑧完成供各專業(yè)做準備和開展工作用的管道及儀表流程圖(A版PID)。,,,,,,1、參加項目建議書、可行性研究報告的編制工作，承擔有關工藝專業(yè)的研究，并編寫相應文件2、參加項目報價書、投標書技術文件的編寫，承擔有關工藝專業(yè)的研究并編寫相應文件3、參加有關投標書的技術

16、介紹、合同談判、編寫有關合同附件4、根據項目情況，參加引進技術項目的詢價書編寫，對投標書的評標，合同附件的談判5、大中型聯合裝置需要進行總體規(guī)劃設計時，對有關項目提出可供總體規(guī)劃參考的設計條件。,采用專利商提供的工藝包，工藝設計工程師的任務就是將專利商的文件轉換為工程文件，發(fā)送給有關專業(yè)開展設計，并提交給用戶供審查。 ①研究并消化工藝包和執(zhí)行的標準；②考慮工藝包中對主要系統(tǒng)的要求，提出必需的輔助系統(tǒng)和公用系統(tǒng)方案，提出初步的工藝

17、流程圖(PFD)；③準備基礎工程設計的設計條件、內容、要求和設計原則，編制設計統(tǒng)一規(guī)定，明確執(zhí)行標準；④編制工程規(guī)定和規(guī)定匯總表，并提交用戶批準；⑤初步的安全分析；⑥編制項目設計數據和現場數據；⑦編制設備清單；⑧完成供各專業(yè)做準備和開展工作用的管道及儀表流程圖(A版PID)。,①工藝介質的物性及操作參數、工藝控制及報警、聯鎖要求；②向電氣專業(yè)提出爆炸危險區(qū)域劃分條件表，以便電氣專業(yè)編制危險區(qū)域劃分圖。提出工藝對電氣系統(tǒng)的特

18、殊要求，如對電機自啟動的要求、局部特殊照明、與電氣設備有關的報警和聯鎖要求等，供電氣、儀表專業(yè)開展工作；③向總圖布置、電氣等專業(yè)提供建議的工藝設備布置圖；④設備工藝數據表，非標設備附簡圖；⑤向分析專業(yè)提出分析化驗條件表、取樣點匯總表；⑥編寫生產操作原則和安全規(guī)程指南；⑦三廢排放一覽表；⑧相關專業(yè)設計條件表，包括：公用工程條件表、消防條件表、電信條件表、通風、空調、采暖條件表、建、構筑物特性條件表、工藝安全生產和職業(yè)衛(wèi)生要求，

19、以及物性數據手冊；⑨向項目設計經理提供有關的條件。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,（1）設計范圍（2）設計基礎（3）工藝流程說明（4）工藝流程圖/凈化分區(qū)圖和人員－物料分流圖（5）工藝控制流程圖（6）物料和熱量衡算（7）工藝設備數據表 （8）工藝設備一覽表（9）原輔料、燃料消耗定 額及消耗量,（10）原輔料、燃料及產品、副產品的規(guī)格（11）公用工程規(guī)格、消耗定額及消耗量 （12）分析化驗要求（13）裝置界

20、區(qū)條件表 （14）三廢排放點、排放量、組成及建議的處理措施 （15）安全備忘錄 （17）建議的設備平面布置圖 （18）操作指南,（四）工藝設計的內容和深度,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,（五）工藝流程圖設計工藝流程設計： 生產工藝流程設計(成熟) 試驗性工藝流程設計(研究、柔性) 流程設計的作用與任務作用：工藝流程設計是整個工藝設計的中心 它依據的是確定的原料路線和技術方案

21、 它作為整個工程設計的基礎，決定后續(xù)的物料及能量恒算、工藝設備設計、車間布置設計、管道布置設計等單項設計,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,（五）工藝流程圖設計 在開展工藝流程圖設計之前，首先面臨的是工藝路線的選擇，再就是工藝流程方案的優(yōu)化。 在綜合考慮原料的來源、生產成本和環(huán)境污染等因素后確定合適的原料路線。 原料路線確定后，再根據工藝技術的先進、合理和可靠性確定適宜的工藝路線。,本體法一氯丙酮反應過程裝置流程

22、,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,工藝流程設計中的方案比較 藥物的合成、生物轉化、中藥提取分離，制劑（固體制劑：一步制粒、濕法制粒、粉體壓制）等均或因原料路線不同、或因采用的反應與加工體系不同、或因采用的過程工序不同、或因過程設備及控制技術不同，而有不同的工藝流程，相應的有不同的工藝流程方案供設計選用,例如：合成藥物（左）氧氟沙星和農用殺蟲劑吡蚜酮的中間體（CH3COCH2Cl)一氯丙酮在國內外工業(yè)生產中普遍采用的是丙酮和氯氣

23、反應合成法，按反應體系的不同分為：酸法、鈣法及本體法。其中本體法,因氯化反應器的不同又分為，攪拌釜、填料塔、降膜塔等；借助的是填料塔作氯化反應器，在塔內回流的丙酮與氯氣反應，實現了本體反應分離耦合工程技術與工藝。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,技術方案確定原則及方法①良好的技術經濟指標：產物收率、原料單耗、能量單耗、產品成本、設備投資、操作費用②對環(huán)境友好的工程：環(huán)境、安全、占地面積等③對不同的完整流程進行模擬和

24、環(huán)境評價④優(yōu)化每個流程的操作條件，進行成本核算注意：制藥過程集成的復雜性是雙重的。第一，是否能確定所有的流程結構；第二，是否能優(yōu)化每一個流程并進行合理的比較。 當優(yōu)化流程結構時，有許多方法能用來完成每個獨立的任務，也有許多方法能把所有獨立的任務相互連接起來。這就意味著必須對大量的流程進行模擬并優(yōu)化其操作條件。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,流程設計方法1. 建立一個不可簡化的流程2. 建立并優(yōu)化一個

25、可簡化的流程注意：①在實踐中不論使用哪一種設計方法，都不能代替對設計過程本身的理解。②設計的展開依然可以用“洋蔥模型”。 ③繪圖是設計的結果表現形式，設計具有實現技術集成的研究性和創(chuàng)造性。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,要求,關鍵,缺點,優(yōu)點,建立一個不可簡化的流程先選擇關鍵設備系統(tǒng)，再通過增加分離與再循環(huán)系統(tǒng)而向外擴展，最后是換熱網絡和公用工程（史密斯和林霍夫的洋蔥模型？）,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五

26、）工藝流程圖設計,要求,關鍵,缺點,優(yōu)點,建立并優(yōu)化一個可簡化的流程：提出一種超結構--包容所有可行的過程操作和所有可行的、相互影響的最優(yōu)設計備選流程。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計,（五）工藝流程圖設計工藝流程設計各個階段的設計成果都是用各種工藝流程圖和表格表達出來的。按照設計階段的不同，先后有方框流程圖(Block Flow Sheet)、工藝流程草(簡)圖(Simplified Flow Sheet)、工藝物料流程圖(Proces

27、s Flow Diagram)、工藝控制流程圖(Process and Control Diagram)和管道及儀表流程圖(Piping & Instrumentation Diagram)等種類。對于醫(yī)藥行業(yè)應根據其特有的生產潔凈區(qū)級別要求，除了生產平面布置圖外，還有人員－物料分流圖(Material and Personnel Flow Drawing)、工藝流程及環(huán)境區(qū)域劃分示意圖(Plant Schematic and

28、 Process Flow Diagram) 等。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,方框流程圖是在工藝路線選定后，工藝流程進行概念性設計時完成的一種流程圖、不編入設計文件。工藝流程草(簡)圖是一個半圖解式的工藝流程圖。它實際上是方框流程圖的一種變體或深入，只是示意出工藝流程中各裝置間的相互關系，供工藝模擬計算時使用，也不列入設計文件。工藝物料流程圖(PFD)和／或工藝控制流程圖(PCD)及初版的管道及儀表流程圖(PI

29、D)列入初步設計階段的文件中。各版的管道及儀表流程圖(PID)列入施工圖設計階段的設計文件中。通過工藝物料流程圖(PFD)或工藝控制流程圖(PCD)，可以比較清楚地了解設計的全貌。,對乙酰氨基酚的合成與精烘包生產工藝方框流程圖,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,阿司匹林的生產工藝流程框圖,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,阿司匹林的生產工藝流程示意圖,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,氯苯硝

30、化的物料流程圖,例：帶控制點的中藥提取工藝流程圖,水針劑車間人物流程方案圖,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,工藝流程設計的成果 初步設計階段(conceptual phase)帶控制點的工藝流程圖、凈化分區(qū)圖和人員－物料分流圖 初步設計階段的：在物料流程圖的基礎上，加上設備、 儀表、自控、管路等設計結果設計而成 施工圖設計階段(definition phase)帶控制點的工藝流程圖、凈化分區(qū)圖

31、和人員－物料分流圖以及設備平面布置圖。 施工圖設計階段的：根據初步設計的審查意見，結合施 工的實際要求，對初步設計階段帶控制點的工藝流 程圖進行修改和完善設計而成。,第二節(jié) 藥物生產工藝設計-（五）工藝流程圖設計,帶控制點的工藝流程圖的基本要求（1）表示出生產過程的全部工藝設備，包括設備圖例、位號和名稱（2）表示出生產過程的全部工藝物料和載能介質的名稱、技術規(guī)格及流向（3）表示出生產過程的全部物料管

32、道和各種輔助管道（如水、蒸汽、壓縮空氣等）的代號、材質、管徑及保溫情況。（4）表示出生產過程的全部工藝閥門以及阻火器、視鏡及疏水器等管件，不必繪出法蘭、彎頭、三通等一般管件。（5）表示出生產過程的全部儀表和控制方案，包括儀表的控制參數、功能、位號以及檢測點和控制回路等。,第三節(jié) 工藝配管與設備安裝設計（自學）,在藥物生產工藝設計中，尤其是原料藥的生產工藝設計中，最重要的任務之一就是流體管道設計。設備與設備、設備與管道、管道與裝置界區(qū)

33、邊界點之間都要靠管道來連接。工藝工程師要花費大量的時間來恰當地設計各種各樣的管道系統(tǒng)，綜合權衡建設投資和操作費用。 工藝管道及儀表流程圖又稱PID。它是Piping & Instrumentation Diagram的縮寫。管道及儀表流程圖在工藝包階段就開始形成初版，隨著設計階段的深入，不斷補充完善，直到施工圖設計階段完成，是施工圖設計階段的主要設計產品之一。它反映的是工藝設計流程、設備設計、管道布置設計、自控儀表設計的綜合

34、成果。,第三節(jié) 工藝配管與設備安裝設計（自學）,生產工藝流程中必須使用的工藝用水(包括作為原料的軟水、冷卻水、溶劑用水以及洗滌用水等)、蒸汽(原料用汽、加熱用汽、動力用汽及其它用汽等)、儀表空氣、壓縮空氣、氮氣等以及冷凍、真空等公用工程都是工藝流程中要考慮的配套設施。至于生產用電、給排水、空調采暖通風等公用工程都是與其它專業(yè)密切配合的，完成這些公用工程設計所對應的設計文件就是稱之為UID（Utility and lnstrument

35、Diagram）的公用工程管道及儀表流程圖。其中標識出與公用工程有關的設備、管線的設計參數及儀表控制方案，但在管道及儀表流程圖(PID)中已經標識出的公用物料儀表不再重復出現。,第三節(jié) 工藝配管與設備安裝設計（自學）,制藥設備的安裝設計以圖紙的形式表現為設備在生產車間的平立面布置圖，要求其技術除符合常規(guī)的技術標準外還必須符合GMP規(guī)范，所涉及的設備包括原料藥生產用化工設備和藥劑生產用的機械設備(大部分為專用設備)。設備的安裝設計目的在

36、于保證其在生產運行過程中符合企業(yè)工藝生產特點和GMP要求，并便于生產操作和維修保養(yǎng)，能防止差錯以及交叉污染。,第四節(jié) 藥廠廠區(qū)布置（自學）,對于藥物制劑車間以及一些中小型原料藥生產車間，其生產、輔助、生活三部分多數布置在一幢廠房內，就是一個車間布置。但是，考慮制藥企業(yè)自建供熱制冷、廢水以及其它廢棄物處理等公用工程，則需要分成許多單體獨立設置，在布置上形成一個界區(qū)。鑒于制藥企業(yè)的車間設計要與總體環(huán)境一致，故通常在做新廠設計時，要同步進行

37、藥廠廠區(qū)布置設計，廠區(qū)布置設計通常是在總體設計階段就已經給出基本方案，在工藝設計過程中逐步完善并形成最佳布置圖。,,思考與練習制藥工程總體設計的內容和程序如何？試述制藥工藝設計在制藥工程項目設計中的地位與作用，并描述工藝設計程序。管道儀表流程圖的繪制要求有哪些？藥廠廠區(qū)布置設計應遵循的原則有哪些？,We know and we have much more to do,我們需要有有機化學、生物化學、微生物學、物理化學和藥物化學等

38、基礎理論知識，需要有化工原理和制藥工程原理以及工程工藝學等專業(yè)基礎和技術知識，具有進行藥物合成所需的工藝工程設計、產品技術研究開發(fā)和設備操作等的基本能力。學會應用所學知識和掌握的基本能力去觀察、發(fā)現、分析和解決生產及工程技術開發(fā)過程中的實際問題。已學過的課程知識告訴我們藥物的（合成、成型加工）生產和貯運中的為什么。本門課程將要告訴我們在藥物的（合成、成型加工）生產和貯運中要怎么做，為什么要這樣或必須這樣做。,湖水不言，… …,,春