攪拌形式對規(guī)模放大效果的影響研究

夏云空，張悅，楊宇，楊黎明，吳佳君，盧奎林

（成都蓉生藥業(yè)有限責任公司，四川成都 610000）

在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)工藝在場地變更、規(guī)模轉(zhuǎn)移后，廠房空間、設(shè)備類型等的變化對工藝性能影響非常大，根據(jù)可預(yù)見的（或不可預(yù)見的）要求，原材料、工藝、設(shè)備或制造地點和批次大小可能會發(fā)生變化，最終影響藥品或成品的質(zhì)量屬性[1]。原因是一些生產(chǎn)工藝的變量，如質(zhì)量、熱和動量的傳遞過程是依賴于量度的，而量度依賴于規(guī)模，即這些變量在小規(guī)模（實驗室或中試車間）上的表現(xiàn)與在大規(guī)模（生產(chǎn)）上的表現(xiàn)不同，包括異質(zhì)的化學反應(yīng)和大多數(shù)單元操作[2]。找到模擬這些過程的合適的模型，設(shè)計出合理的規(guī)模放大（scale-up）或規(guī)?？s?。╯cale-down）的轉(zhuǎn)移證明方案或參數(shù)變更方案，對生產(chǎn)規(guī)模變更后的工藝實現(xiàn)有重要意義。

目前，國內(nèi)血液制品制造企業(yè)的分離工藝主要采用低溫乙醇法，通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)沉淀反應(yīng)的五變因素進行血漿蛋白的分離[3]。該方法對緩沖液添加時攪拌的能力和制品分布的均一性要求很高，所以在工藝設(shè)計中，對攪拌效果的規(guī)模放大考察是決定產(chǎn)品能否達到生產(chǎn)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

緩沖液加入均一性的考察一般以離子濃度分布率為主。離子濃度分布率為在一定時間內(nèi)離子濃度（以電導(dǎo)率為基準）的增量（平均濃度變化的斜率），相同緩沖液等比變化的情況下，考察離子濃度分布率（單位時間內(nèi)電導(dǎo)率的增量），分布率越高說明濃度的分布速度越快，分布率越低說明分布速度越慢。

反應(yīng)罐的幾何形狀也是影響規(guī)模放大效果的關(guān)鍵因素[4]。本研究所用反應(yīng)罐均為圓柱形罐體，規(guī)模放大的幾何放大可比性適合；所用材質(zhì)均為316不銹鋼，規(guī)模放大的差異體現(xiàn)在規(guī)模和攪拌的形式不同（如圖1）。

圖1 反應(yīng)器的規(guī)模和攪拌形式

在根據(jù)反應(yīng)體積等比放大的添加速度下，對于不同容器在不同的攪拌形式下定量加液，測量罐體液位3個分布點（圖2）處的電導(dǎo)率值，考察其離子濃度分布率，并在加完緩沖液后考察離子濃度的變化穩(wěn)定性，對規(guī)模放大后緩沖液加液的效果是否符合工藝轉(zhuǎn)移一致性的要求進行研究。

圖2 反應(yīng)罐液位下電導(dǎo)檢測分布點示意圖

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

NaCl，藥用級，天津海光藥業(yè)股份有限公司；注射用水，自制。

2 000 L、4 000L和6 000 L反應(yīng)罐及防水套管，定制；M800 Water 4-CH多參數(shù)變送器，梅特勒托利多；Cond Sen. ISM 3/4 NPT.1C Ti 2電導(dǎo)傳感器，梅特勒托利多；SIN-R5000C無紙記錄儀，杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司。

1.2 方法

使用梅特勒-托利多的電導(dǎo)探頭對罐子進行布點（通道01為上分布點、通道02為中分布點、通道03為下分布點），以等比放大的緩沖液添加速度通過緩沖液分配系統(tǒng)加入10 L的NaCl（10%），在同樣攪拌功率條件下研究和評估規(guī)模放大后緩沖液離子濃度的分布效率。

2 000 L罐體、4 000 L罐體、6 000 L罐體分別加入1 500 L、3 000 L和4 500 L注射用水，開啟攪拌，攪拌速度為115 r/min，10%NaCl加液速度分別為20 L/h、40 L/h和80 L/h，罐溫20 ℃，加液時間分別耗費30 min、15 min和7.5 min，加液完成后繼續(xù)觀察電導(dǎo)率變化10 min，考察攪拌均一效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同體積反應(yīng)罐電導(dǎo)率變化曲線

2 000 L、4 000 L、6 000 L反應(yīng)罐的電導(dǎo)率變化曲線如圖3所示，其在加液過程中的電導(dǎo)率變化趨勢擬合結(jié)果見表1。從圖3可以看出，同一反應(yīng)罐上、中、下3個監(jiān)測點的電導(dǎo)率基本一致，說明溶液內(nèi)離子分布較均一，不同位點的濃度差異不大。線性擬合斜率整體反應(yīng)加液過程中單位時間電導(dǎo)率變化的增量，可以直接反應(yīng)離子濃度分布率和線性相關(guān)性，從表1可以得出，容器規(guī)模和攪拌形式與離子濃度的變化相關(guān)性強：在等比放大加液過程中，直立攪拌的4 000 L和6 000 L的離子濃度分布率高于2 000 L斜攪拌，分別提高20.03%和26.92%，說明直立攪拌的混勻效果強于斜攪拌；對于同樣是直立攪拌的反應(yīng)罐，6 000 L反應(yīng)罐的攪拌效果略強于4 000 L的反應(yīng)罐，提高了5.75%，說明直立攪拌在不同體積的容器中混勻效果差別不大。

圖3 不同體積反應(yīng)罐電導(dǎo)率變化曲線圖

表1 加液過程中所有分布點位的電導(dǎo)率線性擬合

2.2 離子強度均一性統(tǒng)計及分析

在本次實驗中，混合物為水和10%NaCl，故離子強度可以通過水的電導(dǎo)率反映。不同規(guī)模反應(yīng)罐加液過程中（統(tǒng)計節(jié)點為：2 000 L反應(yīng)罐0～30 min，4 000 L反應(yīng)罐0～15 min，6 000 L反應(yīng)罐0～7.5 min）和加液完成后（統(tǒng)計節(jié)點為：2 000 L反應(yīng)罐30～40 min，4 000 L反應(yīng)罐15～25 min，6 000 L反應(yīng)罐7.5～17.5 min）各分布點的平均電導(dǎo)率見表2。2 000 L反應(yīng)罐斜攪拌的模式在加液過程中反應(yīng)液上部電導(dǎo)率略高于中部和下部，中部和下部的強度比較一致；加液完成后，各分布點的電導(dǎo)率趨近一致，分布點的均一性保持穩(wěn)定。4 000 L和6 000 L反應(yīng)罐直立攪拌的模式使上、中、下分布點整體電導(dǎo)率一直保持穩(wěn)定，相比于斜攪拌模式，在加液過程中，上部整體電導(dǎo)率波動較大（圖3b和圖3c），但上部平均值和中、下部濃度平均值相差不大；加液完成后，下部檢測監(jiān)測點的電導(dǎo)率略高于中、上部（小于100 μS/cm，電導(dǎo)率變化很小，對制品的離子強度整體影響可以接受，不會對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響），分布點的均一性保持穩(wěn)定。

表2 不同規(guī)模反應(yīng)罐加液過程中和加液完成后各分布點的平均電導(dǎo)率（單位：μS/cm）

3 結(jié)論

攪拌形式發(fā)生變化和罐體規(guī)模放大后，在等比放大緩沖液加樣速度的情況下，規(guī)模放大整體攪拌的效果達到使用標準，罐體制品在攪拌的作用下能夠分布均勻，且在罐體規(guī)模放大后豎直式的上下雙攪拌形式效果更佳。