第三章物料衡算.doc

物料衡算 第一节　概述 物料衡算的作用和任务 物料衡算是医药工艺设计的基础，根据所需要设计项目的年产量，通过对全过程或者单元操作的物料衡算计算，可以得到的单耗(生产1Kg产品所需要消耗的原料的Kg数)、副产品量以及输出过程中物料损耗量以及“三废”生成量等，使设计由定性转向定量。　　在制药过程中经常遇到有关物料的各种数量和质量指标，如“量”(产量、流量、消耗量、排出量、投料量、损失量、循环量等)；“度”(纯度、浓度、分离度等)，“比”(配料比、循环比、固液比、气液比、回流比等)；“率”(转化率、单程收率、产率、回收率、利用率等)等。这些量都与物料衡算有关，都影响到实际上的物料平衡。　　因此，物料衡算是制药生产(及设计)的基本依据，是衡量制药生产(以及任何生产)经济效果的基础，对改进生产和指导设计具有重大意义。 二、物料衡算的类型 在医药生产中，我们按照物质的变化过程来分，可以将物料衡算分为两类：　　一类是物理过程的物料衡算，即在生产系统中，物料没有发生化学反应的过程，它所发生的只是相态和浓度的变化，这类物理过程在医药工业中主要体现在混合过程和分离过程。如流体输送、吸附、结晶、过滤、干燥、粉碎、蒸馏、萃取等单元操作。 图3-1　盐酸林可霉素结晶过程物料衡算 　　另一类是化学过程的物料衡算，即由于化学反应，原子与分子之间形成新的化学键，从而形成完全不同的新物质的过程。在进行计算时候，经常用到组分平衡和化学元素平衡，特别是当化学反应计量系数未知或很复杂以及只有参加反应的各物质的化学分析数据时，用元素平衡最方便，有时甚至只能用该方法才能解决(如非那西丁酰化反应见图3-2)。同时，在化学反应中，还涉及化学反应速率、转化率、产物收率等因素。 图3-2　非那西丁酰化工段物料衡算 　　此外，物料衡算还可以按照操作方式的不同，可以分为两类：　　一类是连续操作。如生产枸橼酸铋钾的喷雾干燥操作，需要向干燥器中输送具有一定速度、湿度和温度的空气，同时湿物料从反方向以速度通过干燥器，尽管物料在干燥器中不断被加热，所处的状态在不断改变，但对某一具体部位而言，其所处的状态是不随时间的改变而改变的。如物料在进口的温度和出口的温度是不随时间变化的，且始终是一个定值，如图3-3。 图3-3　干燥过程物料衡算图 　　WB是干空气的量，WS是绝干物料的量，C为物料的干基含量，Y为空气的绝对湿度。　　二类是间歇操作。在过程开始时原料一次性进入体系，经过一段时间以后立即一次性移出所有的产物，其间没有物质进出体系。在生物制药中，经常会用到有机溶剂沉淀的方法来 图3-4　沉淀段物料衡算示意图 　　分离，该方法是很典型的间歇操作。如硫酸软骨素的制备，经过提取后的滤液，加入95%乙醇搅拌，沉淀析出，取出即得产品，见图3-4。这种操作特点是操作过程的状态随时间的变化而改变。 物料衡算的基本理论 物料衡算是物料的平衡计算，是制药工程计算中最基础最重要的内容之一，是进行药物生产工艺设计、物料查定、过程的经济评估以及过程控制、过程优化的基础。它以质量守恒定律和化学计量关系为基础。简单地讲，它是指“在一个特定物系中，进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和必定等于离开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和积累起来的物料质量之和”，用公式3-1表示为： ∑G进料+∑G生成=∑G出料+∑G累积+∑G消耗　　　　　(3-1) 　　∑G进料——所有进入物系质量之和；　　∑G生成——物系中所有生成质量之和；　　∑G出料——所有离开物系质量之和；　　∑G消耗——物系中所有消耗质量之和(包括损失)；　　∑G累积——物系中所有积累质量之和。　　所谓“物系”就是人为规定一个过程的全部或它的某一部分作为完整的研究对象，也称为体系或系统。它可以是一个单元操作，也可以是一个过程的一部分或者整体，如—个工厂，一个车间，一个工段或一个设备。 物料衡算的基本方法和步骤 物料衡算是医药工程计算的基础，计算结果的准确性至关重要。在进行物料衡算时，所遇到的问题往往是比较复杂的，只有掌握一定的方法，遵循一定的规则，才能正确进行计算。（一）收集与计算所必需的基本数据　　在计算前，要尽可能收集足够的合乎实际的准确数据，通常称为原始数据。这些数据是整个计算的基本数据与基础。原始数据的收集根据不同计算性质来确定。若进行设计计算，则依据设定值，如年产量100吨诺氟沙星工艺设计一年以330天计等，这些数据则为设定值；若对生产过程进行测定性计算，则要严格依据现场实际数据，这些数据包括物料投量、配料比、转化率、选择性、总收率、回收套用量等。如盐酸林可霉素的真空薄膜浓缩蒸发，要求浓缩液效价8~12万μ/ml，它的发酵液碱化段，要求收率在97%~98%；当某些数据不能精确测定或欠缺时，可在工程设计计算允许的范围