Технология лекарственных форм. Том 1-2 (1991 год)

Допущено Главным управлением подготовки и использования
медицинских кадров Министерства здравоохранения СССР

фармацевтических институтов и фармацевтических

Рецензенты: В. И. ЧУЕШОВ, проф., зав. кафедрой технологии готовых лекарственных средств Харьковского фармацевтического института;
В. А. ГОЛОВКИН, проф., зав. кафедрой технологии лекарств Запорожского медицинского института.

Технология лекарственных форм: Учебник Т 38 в 2-х томах. Том 2/Р. В. Бобылев, Г. П. Грядунова, Л. А. Иванова и др., Под ред. Л. А. Ивановой. - М.: Медицина, 1991.- 544 с: ил.- (Учеб. лит. Для студ. фарм. ин-тов). –

В учебнике рассмотрены теоретические и практические основы изготовления лекарственных форм в условиях химико-фармацевтических заводов и фабрик. Описана новейшая аппаратура, предназначенная для проведения отдельных и комплексных технологических процессов. Изложены современные позиции совершенствования технологии лекарственных препаратов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Готовые лекарственные средства в рецептуре аптек и среднем составляют 80%, их количество постоянно увеличивается и к 2000 г. должно достичь 95%. В связи с этим возрастает и роль предмета - технологии лекарственных форм промышленного производства, цель которого - научить студента в условиях фармацевтических производств готовить растворы, таблетки, капсулы, суппозитории, инъекционные лекарственные формы, галеновые и новогаленовые препараты, проводить их стандартизацию и анализ технологических показателей, определять влияние фармацевтических факторов на терапевтическую эффективность лекарственных препаратов и обеспечивать правильное их храпение.

В настоящее время производство препаратов сосредоточено в основном на предприятиях двух ведомств: Министерства медицинской промышленности СССР и Министерства здравоохранения СССР и министерств союзных республик. Предприятиями министерства медицинской промышленности выпускаются почти все группы препаратов. Фармацевтические фабрики являются предприятиями министерств здравоохранения. Их номенклатура ограничена выпуском главным образом галеновых препаратов. Некоторые препараты производятся предприятиями других ведомств.

Улучшение лекарственной помощи определяет необходимость увеличения количества и качества препаратов; повышение культуры обслуживания и ускорение их отпуска; значительное расширение ассортимента лекарственных форм, что позволит врачу выбрать наиболее рациональные из них; повышение качества лекарственных средств, внедрение прогрессивных технологий, контроль технологических процессов и продукта в целом, улучшение условий транспортировки и хранения.

Курс технологии лекарственных форм промышленного производства базируется на знании студентом таких предметов, как органическая, неорганическая, физическая и коллоидная, фармацевтическая химия, фармакогнозия и др.

Учебник подготовлен с учетом многолетнего опыта преподавания кафедры технологии готовых лекарственных средств и рекомендаций кафедры педагогики и медицинской психологии I ММИ им. И. М. Сеченова Основное внимание уделено теоретическим вопросам технологии лекарственных форм, которые не нашли отражения в руководстве к лабораторным занятиям по этой дисциплине (М., Медицина, 1986 г.).

В отличие от ранее издававшейся учебной литературы по технологии лекарственных форм в учебнике нашли отражение новые направления в фармации, обогатившие технологию промышленного производства более совершенными процессами, аппаратами и автоматическими линиями. Значительные изменения произошли и в области организации заводского изготовления, стандартизации и технологического анализа лекарственных препаратов.

В учебнике представлены сведения об организации промышленного производства всех групп лекарственных препаратов, специальном оборудовании для технологических процессов.

Впервые в учебный материал включены разделы о ферментах микробиологического синтеза и иммобилизованных ферментах, лекарственных системах с контролируемым и регулируемым высвобождением веществ.

Учебник состоит из 24 глав, отражающих современное состояние технологии таблеток, драже, гранул, растворов для инъекций, настоек, экстрактов, мазей, ректальных лекарственных форм и других. Наиболее полно представлены главы по вопросам приготовления таблеток и лекарственных форм, требующих асептических условий технологии, так как они имеют наибольший удельный вес в промышленном производстве. Например, таблетки составляют около 50% от общего ассортимента лекарственных препаратов и объемы из изготовления во всем мире ежегодно возрастают в среднем на 10-15%.

Кроме того, в технологии таблеток перспективными являются методы прямого прессования, раздельного прессования лекарственных веществ, получение многослойных таблеток, сухого компактирования путем вальцевания порошковых смесей. В ампульном производстве широкое применение находит вакуумный способ кассетного ампулирования, комбинация паро-конденсационного, ультразвукового и турбовакуумного методов мойки ампул, что также наиболее полно отражено в соответствующих разделах учебника.

Другие разделы учебника - суспензии, эмульсии, суппозитории, мази и т. д. - представлены в меньшем объеме, в них отражена лишь специфика промышленного производства. При рассмотрении технологии этих лекарственных форм следует базироваться на тех же теоретических положениях, что и при аптечном производстве (том 1). Так, например, в томе 1 подробно изложены характеристика вспомогательных веществ, теоретические вопросы стабилизации лекарственных форм как гетерогенных систем, классификация и характеристика ПАВ, используемых для этой цели и др.

Для лучшего усвоения учебного материала каждая глава заканчивается контрольными вопросами.

Авторы с благодарностью примут все критические замечания и пожелания.

Глава 1 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ СОВРЕМЕННЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ФОРМ

Научно-техническая революция поставила перед фармацевтической технологией ряд новых теоретических и практических вопросов, решение которых позволяет качественно изменить подход к созданию лекарственных препаратов. Уже не лекарственное вещество, а препарат (с рассмотрением сложных взаимоотношений между всеми его компонентами и их совокупного влияния на эффективность биологически активного агента) стал объектом изучения и окончательной оценки. Особая роль при этом отводится лекарственной форме. Лишь те лекарственные формы могут считаться рациональными, которые способны обеспечить оптимальное действие лекарственного вещества, его биологическую доступность. К современным лекарственным формам могут быть отнесены и традиционные (например, таблетки, суппозитории, мази и др.), если они обеспечивают рациональную фармакотерапию.

Основным направлением в развитии технологии лекарственных форм является совершенствование регулируемости и направленности действия биологически активных веществ. Разработаны системы с регулируемым высвобождением действующих веществ, которые обеспечивают быстрое достижение эффекта и длительное удерживание веществ на постоянном уровне терапевтической концентрации в плазме крови. Применение лекарственных форм этого типа дает возможность уменьшить курсовую дозу, устранить раздражающее действие лекарственных веществ на желудочно-кишечный тракт, уменьшить частоту проявления побочных эффектов.

Среди пероральных лекарственных форм с регулируемым высвобождением лекарственных веществ широкое применение находят таблетки с различными покрытиями; многослойные, содержащие слои с быстрым и медленным высвобождением биологически активных ингредиентов; быстро растворяющиеся и др (см главу 9) Капсулы, микрокапсулы, микродраже, содержащие вспомогательные вещества с определен ными физико-химическими свойствами и разными оболочками, позволяют регулировать высвобождение лекарственных веществ (см. главу 11). Спансулы представляют собой твердые желатиновые капсулы, наполненные микрокапсулами или микродраже, с различной скоростью высвобождения лекарственных веществ. Обычно смешивают несколько типов микродраже и микрокапсул (от 50 до 400 штук) в определенных соотношениях и наполняют ими капсулы

В медицинскую практику входят иммобилизованные препараты, в которых лекарственное вещество физически или химически связано с твердым носителем - матрицей с целью его стабилизации или пролонгирования действия. Иммобилизация лекарственных веществ на синтетических и природных матрицах уменьшает дозы и частоту введения лекарственных препаратов, защищает ткани от их раздражающего действия Иммобилизационные препараты благодаря наличию сополимерной матрицы способны адсорбировать токсические вещества, а в ряде случаев индуцировать выработку интерферона. В настоящее время используют иммобилизованные препараты ферментов, гормонов, мукополисахаридов, железопроизводных декстранов и альбумина, -у-глобулинов, нуклеиновых кислот, интерферона и др. Иммобилизованные ферменты рассмотрены в главе 19.

В последние годы проводятся исследования по разработке твердых дисперсных систем. Они состоят из лекарственного вещества, диспергированного путем сплавления или растворения (с последующей отгонкой растворителя) в твердом носителе - матрице. Лекарственное вещество находится в них в молекулярно-дисперсном состоянии, а это приводит к значительному увеличению скорости растворения плохо растворимых веществ.

Изменяя физико-химические свойства полимеров-носителей (молекулярную массу, растворимость), можно регулировать снабжение организма лекарственными веществами.

Среди лекарственных форм с регулируемой скоростью высвобождения лекарственных веществ наибольшего внимания заслуживают так называемые терапевтические системы, которые в зависимости от способа применения принято разделять на пероральные, транедермальные и др.

Широкое распространение получила пероральная система «орос», в которой высвобождение лекарственных веществ регулируется за счет действия осмотического давления.

Система «орос» представляет собой перфорированную покрытую оболочкой таблетку, которая состоит из ядра и полупроницаемой мембраны с отверстием. Вода проникает через мембрану внутрь таблетки, растворяет лекарственное вещество, находящееся в ядре. Раствор внутри мембраны насыщается и под действием осмотического давления выходит через отверстие мембраны. Объем растворителя, поступающего через мембрану, равен объему, удаляемому через отверстие. Важным критерием является выбор полимера, используемого для изготовления мембраны, которая не только регулирует скорость высвобождения лекарственных веществ, но и обеспечивает постоянный объем растворителя в процессе растворения ядра. Мембрана должна иметь достаточную механическую прочность, быть без трещин, иметь устойчивость к действию желудочного сока. Для изготовления мембран чаще всего используют целлюлозы ацетат, проницаемость регулируют с помощью пластификаторов. Размер отверстия мембраны составляет 250-300 мкм, для его получения используют лазерную технику. Луч лазера испаряет или прожигает материал мембраны, не затрагивая содержимого ядра таблетки. Например, система «орос» содержит 85 мг индометацина. Скорость высвобождения индометацина из лекарственной формы составляет 10 мг/ч. Отмечена относительно постоянная концентрация лекарственных веществ в плазме крови в течение 18 ч. Результаты клинического применения индометацина в виде осмотической системы показали большую эффективность при остео-артритах и ревматоидных артритах по сравнению с действием таблеток индометацина. Наблюдалось снижение проявлений побочных эффектов со стороны ЦНС и желудочно-кишечного тракта.

Для проведения системной терапии все большее применение находят трансдермальные терапевтические системы (ТТС)

ТТС представляет собой удобную для применения на коже форму, содержащую лекарственные и вспомогательные вещества.

Принципом создания ТТС является регулирование скорости поступления лекарственных веществ через кожу. С точки зрения физико-химических законов диффузии, кожа рассматривается как простая мембрана. Скорость высвобождения лекарственных веществ зависит от площади поверхности участка кожи, на котором находится лекарственное вещество, и от его концентрации.

Основным условием постоянного поступления лекарственных веществ в организм является регулируемая мембраной скорость их высвобождения. Обычно ТТС состоит из 4 слоев. Наружный непроницаемый слой предотвращает действие факторов среды на стабильность и скорость высвобождения действующих веществ. Второй слой представляет резервуар, содержащий препарат. Затем следует мембрана, регулирующая скорость высвобождения лекарственных веществ. Последний липкий слой содержит небольшое количество препарата, необходимое для немедленной адсорбции и создания терапевтических концентраций в плазме крови. Чаще всего ТТС имеет круглую форму, предназначенную для накладывания за ухо, где расположен участок кожи, имеющий благоприятные условия для адсорбции лекарственных веществ. ТТС «Transderm-Nitro» и «Nitro-Dur» представляют многослойную ламинированную систему мембран толщиной 0,2 мм Наружный слой состоит из алюминизиро-ванного полиэфира, который предохраняет ТТС от попадания влаги и предотвращает испарение нитроглицерина. Резервуар содержит нитроглицерин и лактозу в вязкой силиконовой жидкости. Мембрана изготовлена из сополимера этиленвинилацетата и проницаема для нитроглицерина. Адгезивный слой представлен силиконовым каучуком. Промышленность США освоила выпуск «Transderm-Nitro» двух размеров - 10 и 20 см2. Терапевтической дозой считают высвобождение нитроглицерина, равное 0,5 мг/см2 за 24 ч. В ФРГ разработана ТТС с клонидином, обеспечивающая постепенное высвобождение препарата в течение недели и способная заменить двухразовый прием обычных таблеток клонидина по 0,5 мг и однократный прием в сутки таблеток пролонгированного действия, содержащих 0,25 мг лекарственного вещества.

Номенклатура лекарственных веществ, вводимых в ТТС, во многих странах с каждым годом расширяется. Изучается возможность использования в ТТС гормонов. Созданы ТТС, содержащие производные бен-зодиазепина, препараты сердечно-сосудистого действия (р-блокаторы), анальгетики и др.

Большие перспективы в области лекарственной терапии связывают с направленной доставкой лекарственных веществ к органу, ткани или клеткам Направленная доставка позволяет значительно снизить токсичность лекарственных веществ и экономно их расходовать, так как, по имеющимся данным, около 90% применяемых в настоящее время лекарственных средств не достигает цели. Ряд авторов предлагают разделить существующие системы доставки на три большие группы с учетом размеров носителей, механизма действия и уровня доставки препаратов (см. ниже)

Носители лекарственных веществ первого поколения (микрокапсулы, микросферы) предназначены для внутрисосудистого введения вблизи определенного органа или ткани. Микрокапсулы рассмотрены в главе 11. Микросферы представляют собой матричные системы, в которых диспергировано лекарст венное вещество. При изготовлении микрокапсул и микросфер для направленной доставки препаратов предпочтение отдается синтетическим и природным биоразрушаемым материалам, таким как поли-(D,L)-лактоза, альбумин, фибриноген. Микрокапсулы и микросферы, содержащие цисплатин, 5-фторурацил, мето-трексат, митомицин С, вошли в арсенал противоопухолевых средств. . Носители лекарственных веществ второго поколения (нанокапсулы, наносферы, липосомы) размером менее 1 мкм объединяются в одну группу и носят название коллоидных носителей. Они распределяются преимущественно в тканях, богатых клетками ретику-лоэндотелиальной системы: селезенке, печени. Нанокапсулы получают полимеризацией мицелл. При определенных условиях (температура, значение рН среды, скорость перемешивания) солюбилизирован-ный раствор лекарственного вещества взаимодействует с раствором полимеризирующего агента. Нано-частицы, диспергированные в воде, могут давать прозрачные или опалесцирующие растворы, вводимые парентерально Наибольшее внимание привлекают нанокапсулы, изготовленные из полиалкил-2-цианакри-латов и природных полимеров, желатина, декстрана, альбумина сыворотки крови Разработаны методы получения нанокапсул с фенобарбиталом, диазепамом, преднизолоном, инсулином, простагландинами.

Наносферы представляют собой липидные частицы размером, не превышающим 0,2 мкм, которые включают адсорбированное вещество. При получении наносфер обычно используют соевое масло, лецитин, пальмитиновую кислоту Разработаны наносферы с цитостатиками, кортикостероидами. Ко второму поколению можно отнести и эритроциты. Если их нагрузить лекарственными веществами, а к поверхности присоединить антитела определенной специфичности, то эритроциты будут циркулировать в организме, доставляя биологически активные вещества к органу-мишени

Высокая степень избирательности достигается при использовании липосом в качестве носителей лекарственных веществ. Липосомы - искусственно получаемые, замкнутые, сферические частицы, образованные бимолекулярными липидными слоями, чаще всего фосфолипидами, в пространстве между которыми содержится среда формирования. Благодаря особенностям структуры липосомы могут использоваться для доставки как гидрофильных (заключенных в водное пространство), так и гидрофобных (заклк)' ченных в липидные бислои) лекарственных веществ В настоящее время разработаны методы, позволяющие создавать однослойные липосомы диаметром более 1000 А и многослойные, диаметром 2-10 мкм. В зависимости от размеров, физико-химических свойств и липидного состава варьируют фармакокинетические параметры липосом: скорость клиренса лекарственного вещества с участка инъекции, а также из плазмы крови; доставка к органу-мишени; распределение в органах и тканях. Липосомы можно вводить как перо-рально, так и парентерально, при этом в большинстве случаев отмечено повышение терапевтического эффекта и пролонгирование действия лекарственных веществ, что частично обусловлено их задержкой в системе циркуляции и замедленным разрушением ферментами плазмы. Известно, что липосомы захватываются способными к фагоцитозу клетками-макрофагами, лимфоцитами, фибробластами и могут использоваться для внутриклеточной доставки веществ, которые пассивно не проникают через цитоплазматиче-скую мембрану клеток.

Изучается возможность использования липосом для доставки ферментов, хелатирующих и химиотера-певтических агентов, при применении противовоспалительных, противовирусных и белковых препаратов (инсулина). Установлен гипогликемический эффект инсулина в липосомах на белых беспородных крысах с индуцированным сахарным диабетом. Получен выраженный статистически достоверный гипогликемический эффект при однократном введении инсулина. Снижение уровня глюкозы в крови начиналось через 1 ч после введения препарата, через 4 ч достигало максимального значения; действие продолжалось в течение 24 ч.

Учитывая сведения об избирательности захвата органами ретикулоэндотелиальной системы липосом, а также лимфоидно-макрофагальный характер туберкулезных гранулем, предложено использовать для химиотерапии туберкулеза липосомальные формы противотуберкулезных препаратов.

Изучено распределение включенного в липосомы меченного по водороду 3Н-изониазида в органах ин-тактных мышей и тотально пораженных генерализованным туберкулезом.

Как видно из табл. 1.1, наблюдалось значительное увеличение накопления лекарственного вещества в органах при введении его в виде липосомальной суспензии как у интактных, так и у инфицированных животных, причем включение липосомального изониазнда тканью пораженного легкого было выше по сравнению с включением такового тканью здорового легкого. Специфическая ткань легкого при туберкулезном воспалении обладает способностью к значительному включению липосомального изониазида.

Таблица 1.1. Распределение изониазида в органах мышей, введенного внутривенно (7,5 мкг/кг) в виде раствора и в виде липосомальной суспензии

Таблица 1.2. Бактерицидная активность липосомальных препаратов (введенных внутривенно) в тканях органов инфицированных мышей

В опытах подтвержден антибактериальный эффект липосомальных форм изониазида и стрептомицина. Из табл. 1.2 видно, что антибактериальная активность их при введении в липосомальной суспензии возрастала.

Носители лекарственных веществ третьего поколения: антитела и гликопротеиды.

Антитела - белки глобулярной фракции сыворотки крови человека и теплокровных животных, образующиеся в ответ на введение в организм различных антигенов (бактерий, вирусов, белковых токсинов и др.). Их используют наиболее часто в качестве элементов «узнавания», обеспечивающих высокий уровень избирательности действия лекарственных веществ при направленной доставке с использованием носителя (вектора), снабженного элементом «узнавания». Использование, например, ассоциации противоопухолевых лекарственных веществ с антителами обусловлено присутствием на поверхности злокачественных клеток антигенов, отсутствующих или редко встречающихся в здоровых клетках. Липосомы или нанокапсулы, содержащие противоопухолевые вещества, связывают ковалентными связями с моноклональными телами, которые затем и направляются к органу-мишени.

Подобный подход использован для повышения эффективности тромболитических препаратов за счет придания им сродства к тромбу. Последнее достигается использованием в качестве векторной молекулы фибриногена, а также поликлональных к нему антител.

Для будущих исследований большой интерес представляют гликопротеиды.

Гликопротеиды - полисахариды - белковые комплексы с ковалентной углевод-пептидной связью. Углеводная часть придает белку большую специфичность. Это своего рода векторные группы протеидов, «узнающие» участки других структур (макромолекулы, поверхности клеток). Рецепторы, взаимодействующие с гликопротеидами, локализуются в гепатоцитах, ретикулоцитах, макрофагах, фибробластах, щитовидной железе, лейкоцитах.

Носители третьего поколения открывают новые горизонты в области доставки лекарственных веществ.

Магнитоуправляемые системы могут быть использованы для транспорта и локальной доставки лекарственных веществ к органу-мишени, создания в органе лекарственного депо, обеспечивающего пролонгирование действия препарата. Необходимым этапом при разработке магнитоуправляемых систем является включение в полимерную матрицу частиц железа, хрома, углерода, марганца, кремния.

Рекомендовано в качестве ферромагнитного материала использовать суспензии карбонильного железа, ферритов магнетитовой жидкости на парафине жидком. На высвобождение лекарственных веществ существенное влияние оказывают расстояние между магнитом внешним и магнитом внутри лекарственной формы, их мощность, ориентация магнитных частиц.

Согласно прогнозу к 2000 г. можно ожидать значительного прогресса в разработке новых лекарственных форм и систем введения лекарственных веществ в организм человека. В таких системах высвобождение лекарственного вещества будет происходить путем программированного распределения (с учетом уровня вещества в крови). В наиболее перспективных системах будет осуществляться не только внешнее регулирование, но и саморегулирование на основе замкнутого цикла обращения при участии сенсоров. Принцип сенсорного регулирования может осуществляться за счет гормонов, углеводов, ферментов и т. д.

Таким образом, не только широкий ассортимент лекарственных веществ, но и многообразие их лекарственных форм позволит проводить эффективную лекарственную терапию с учетом характера заболевания и индивидуальных особенностей организма больного.

Глава 2 ВВЕДЕНИЕ В БИОФАРМАЦИЮ

Для научной и практической медицины и фармации второй половины XX столетия характерны возрастающая роль лекарственного лечения в комплексе лечебных мероприятий, значительное расширение ассортимента препаратов, использование лекарственных препаратов с сильным фармакологическим эффектом, а также выявление многих нежелательных и часто весьма опасных сторон их действия. Это нашло отражение не только в более глубоком и тщательном изучении возможных механизмов действия современных препаратов, но и в открытии и исследовании физико-химических закономерностей, влияющих на фармакологическое действие .лекарственных препаратов, а в конечном счете и на их терапевтический эффект, что и явилось теоретической основой фармации - биофармации.

Биофармация сложилась как самостоятельное направление фармацевтической науки в начале 60-х годов. Однако возникновение биофармации подготовлено всем ходом поступательного развития фармации, фармакологии, химии, биологии, научной и практической медицины и других дисциплин Толчком к возникновению биофармации послужили полученные в эксперименте на животных данные о значительном различии в биологической активности лекарственных препаратов в зависимости от применяемой технологии, используемых вспомогательных веществ, их физического состояния.

При назначении в одной из клиник США таблеток бисгидрооксикумарина - антикоагулянта, широко используемого в качестве препарата, действующего специфически на процессы свертывания крови, приобретенного от двух различных фармацевтических фирм, сделанного в виде таблеток, содержащих одинаковые дозы, неожиданно было обнаружено, что таблетки одной фирмы оказались в 2 раза активнее таблеток из другой фирмы. Химическим анализом не обнаружено никаких отклонений в содержании бисгидрооксикумарина в таблетках обеих фирм. Это был первый случай (получивший широкую огласку) точно установленной терапевтической неадекватности, неэквивалентности препаратов, содержащих одинаковые дозы одного и того же действующего вещества, но изготовленных разными предприятиями. Подобное явление обнаружено у многих антибиотиков (тетрациклинов, левомицетина, эритромицина), стероидных гормонов, сульфаниламидов и др.

Для специалистов, занимающихся производством и анализом лекарственных препаратов, это явление было неожиданным Все препараты соответствовали требованиям фармакопеи, и потому, согласно общепринятой концепции, должны были быть полностью равноценными. Наступил своего рода кризис доверия к тем оценочным тестам, которые были разработаны в соответствии с общепринятым положением - действие препарата определяется исключительно фармакологической активностью лекарственного вещества, обусловленной его химической структурой и дозой.

Фармация долгое время была оторвана от клиники, а поэтому унаследовала от разных эпох товароведческий подход к характеристике лекарственных препаратов как продукту, обладающему определенной массой, цветом, внешним видом, в лучшем случае количественным содержанием действующего вещества, и оказалась не в состоянии объяснить феномен их терапевтической неадекватности. Объяснение этому.,,,, как и многим другим проблемам современного лекарствоведения, дала новая отрасль фармации, медицины, биологии - биофармация, знаменующая рождение биологического этапа фармации.

Биофармацию можно определить как науку, изучающую биологическое действие лекарственных препаратов в зависимости от их физико-химических свойств, лекарственной формы, технологии приготовления. Впервые основные положения биофармации сформулированы в работах J. Wagnera. В нашей стране первые работы по биофармации опубликованы проф. П. Л. Сеновым, А. И. Тенцовой, И. С. Ажгихиным.

При выведении теоретических основ биофармации исходят из необходимости познания и изучения биологических реакций, происходящих в организме, как при введении лекарственных препаратов, так и при образовании их метаболитов.

Отправным пунктом биофармации является признание биологического значения фармацевтических процессов, протекающих при получении препаратов, и рассмотрение их в качестве сложных физико-химических систем, способных вступать в определенные взаимодействия с биологическими системами. Биофармация ни в коей мере не подменяет собой фармакологию. Она не изучает механизм действия биологически активного вещества, точки его приложения. Биофармация как бы принимает от фармакологии лекарственные вещества с установленным спектром действия, точками их приложения. Но это биологически активное вещество еще не пригодно для применения. Фармация призвана создавать особый продукт - лекарственный препарат в определенной лекарственной форме, удобной для приема, хранения, транспортировки. Для этого лекарственные вещества измельчают, растворяют, смешивают, придают им различные лекарственные формы, используя разнообразные вспомогательные вещества, применяя многочисленные механические приемы, машины, аппараты и т. д. При этом одни стороны биологического действия могут быть усилены, другие ослаблены, или вообще активность препарата сведена на нет. Изучение этих изменений, процессов, факторов, влияющих на терапевтическую эффективность лекарственных препаратов, и составляет главную задачу биофармации. А на основе полученных результатов биофармация призвана создавать рациональные, терапевтически адекватные препараты с минимумом побочных эффектов. В настоящее время можно выделить несколько направлений биофармацевтических исследований: изучение роли фармацевтических факторов, условий всасывания, транспорта, биотрансформации, распределения и выделения лекарственных веществ, биологической доступности препаратов и методов ее определения; разработка методов определения лекарственных веществ (или их активных метаболитов) в биологических жидкостях, как объективных показателей действительной эффективности лекарственных средств; изучение фармакинетики препаратов и зависимости между содержанием действующего вещества в крови или других жидкостях или органах и выраженностью клинического эффекта. Последнее направление развивается в рамках нескольких дисциплин: биофармации, клинической фармакологии, фармакологии.

Приведенный перечень далеко не исчерпывает область биофармацевтического поиска, хотя он отражает широкий спектр интересов биофармации.

Особое значение для биофармации представляет изучение фармацевтических факторов.

2.1. ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Термин «фармацевтические факторы» получил распространение в последние десятилетия в связи с клиническим подтверждением экспериментальных данных о существенной зависимости эффективности препаратов от методов их получения.

Понятие «фармацевтические факторы» распространяется не на все процессы, имеющие место при изготовлении лекарственных препаратов, а только на те, для которых установлено определенное их влияние на терапевтическую активность лекарственных веществ. В настоящее время все разнообразие таких факторов сводят к 5 группам:

1) химическая модификация препарата (соль, кислота, наличие эфирных связей, комплексные соединения);

2) физико-химическое состояние лекарственного вещества (форма кристалла, размеры частиц, наличие или отсутствие заряда на их поверхности и т. д.);

3) вспомогательные вещества, их природа, количество;

Исследование влияния химической модификации препарата показало, что кинетика высвобождения и всасывания во многом обусловлена характером лекарственного вещества.

Физико-химическое состояние лекарственного вещества оказывает значительное влияние на его биологическую активность. Известна способность химических соединений иметь различную структуру, характеризующуюся в каждом конкретном случае специфической совокупностью свойств. Характер растворителя, скорость кристаллизации, температура процесса, примеси, величина давления и другие переменные существенно влияют как на геометрическую форму образующихся кристаллов, так и на их состав.

Накоплено достаточное количество экспериментального материала о зависимости структуры веществ и их биологической доступности. Наиболее изучены полиморфные превращения для сульфаниламидов, стероидов, барбитуратов и антибиотиков. Считают, например, что 30-60% сульфаниламидов, 70% барбитуратов полиморфны, '/з всех органических соединений имеет по крайней мере две кристаллические формы. При исследовании зависимости всасывания хлорамфеникола пальматата установлены 4 полиморфные формы: А, В, С и аморфная, из них наиболее активна форма В. При назначении таблеток, содержащих смеси форм А и В, в плазме крови хлорамфеникола было тем больше, чем меньше количество формы А. Через 2 ч после назначения смесей полиморфных форм хлорамфеникола (пик концентрации наступает именно за этот период) только форма В обеспечивала надежную и самую высокую его концентрацию.

Биофармация всегда уделяла серьезное внимание степени дисперсности лекарственных веществ, исходя из общеизвестного положения об ускорении их всасывания с уменьшением размера частиц ингредиентов Многочисленными исследованиями установлены точ ные количественные характеристики зависимости между скоростью и полнотой всасывания лекарственных веществ, их концентрацией и размером частиц.

Если для получения таблеток использован гризео-фульвин с размером частиц 5 мкм и менее, то такой препарат в 2-3 раза эффективней обычного (размер частиц около 100 мкм). Через 3 ч после приема порошка альдактона со степенью измельчения до 30- 50 мкм в крови его определялось в 2 раза меньше, чем после приема микронизированного порошка. И таких примеров много.

Ни один фармацевтический фактор не оказывает столь сложного и значительного влияния на действу ющие вещества, как вспомогательные вещества, их природа, количество. И дело не только в том, что вспомогательные вещества присутствуют почти в каждом препарате. Являясь своеобразной матрицей активных веществ, постоянно контактируя с ними, вспомогательные вещества сами обладают определенными физико-химическими свойствами, которые в различных условиях могут проявляться по-разному и во всех случаях применения так или иначе воздействуют на систему: лекарственное вещество - организм.

Биофармация показала полнейшую несостоятельность эмпирического отношения к вспомогательным веществам, унаследованного фармацией от далекого прошлого. До самого недавнего времени во вспомогательных веществах видели только индифферентные формообразователи, значение которых сводилось к приданию соответствующей формы и объема лекарственного вещества с целью удобства его приема, транспортировки, хранения. Однако открытия последних десятилетий привели к осознанию биологической роли вспомогательных веществ. Они могут усиливать, снижать действие лекарственных веществ или изменять его характер под влиянием различных причин (комплексообразование, молекулярные реакции, интерференция и др.).

Применение тонких высокочувствительных методов анализа препаратов (газо-жидкостный, жидкостно-жидкостный, тонкослойная хроматография, ядерно-магнитный резонанс, рентгеноструктурный анализ, спектрофотометрия) позволило установить самые интимные взаимоотношения лекарственных и вспомогательных веществ. Такие обычно применяющиеся вспомогательные вещества, как желатин, крахмалы, поли-этиленоксиды, производные целлюлозы, неионактивные ПАВ, способны вступать в реакции взаимодействия (в частности, комплексообразования) с лекарственными веществами самой различной природы, образуя соединения, характеризующиеся иными, чем исходные вещества, свойствами. Например, при назначении амфетамина в виде таблеток, драже, гранул, суспензий, сиропов, включающих в качестве вспомогательного вещества карбоксиметилцеллюлозу, препарат практически не всасывается и не обеспечивает соответствующий фармакотерапевтический эффект Аналогичное явление имеет место при использовании в качестве вспомогательного вещества (склеивающего, скользящего, загустителя) полиэтиленгликоля-4000 (ПЭО-4000) Многим лекарственным веществам, в частности фенобарбиталу, ПЭО-4000 обеспечивает лишь весьма слабую способность к растворению и всасыванию. Магния стеарат и кислота стеариновая замедляют скорость растворения кислоты салициловой из таблеток, в то время как натрия лаурилсульфат ускоряет ее. Многие вспомогательные вещества разлагают кислоту ацетилсалициловую с выделением кислоты салициловой, которая оказывает сильное раздражающее действие на слизистую оболочку желудка. Следует подчеркнуть, что применение любого вспомогательного вещества - это индивидуальный случай и он требует проведения специальных исследований по выяснению влияния не только и не столько на технологические характеристики препарата, сколько на процессы всасывания и элиминации лекарственных веществ. Раскрыть всю гамму фармакологических свойств препарата, обеспечить оптимальное действие лекарственного вещества - такому требованию долж ны отвечать вспомогательные вещества.

Важным для прикладной и теоретической фармации вопросом является современная трактовка лекарственной формы, поскольку она является практически единственным фармацевтическим фактором, с которым врач сталкивается в своей повседневной работе. Однако до последнего времени лекарственная форма не представляла специального клинического интереса, поскольку эффективность препарата связывалась только с наличием в нем действующего ингредиента и его дозой. С развитием аналитических методов контроля препаратов и особенно определения действующих веществ в биологических жидкостях получены данные, указывающие на зависимость скорости всасывания лекарственных веществ, их концентрации в биожидкостях, характера распределения в тканях и органах, а также биотрансформации от вида лекарственной формы и пути ее введения. Это влияние настолько существенно, что биофармация подчеркивает необходимость его определения в каждом конкретном случае.

Следует особо подчеркнуть, что само понимание лекарственной формы в биофармации претерпело коренные изменения. Существовавшее до последнего времени представление о ней носило в значительной мере формальный характер. Лекарственная форма рассматривалась в основном с точки зрения ее соответствия чисто технологическим требованиям, т. е. как более или менее удобная для применения и обладающая соответствующими свойствами: массой, размером, консистенцией, видом поверхности. Такое обедненное представление не соответствует реальному значению и не раскрывает ее внутреннего смысла.

Биофармация утверждает: лекарственная форма всей совокупностью свойств (а не только активным веществом) воздействует на патологический процесс в организме и может считаться важной структурной единицей фармакотерапии. Это по существу означает качественно новую трактовку лекарственной формы, а следовательно, и новый подход к ее оценке. Выделяя лекарственную форму в особый фактор, биофармация подчеркивает сложный, реализуемый через различные механизмы характер этого взаимодействия, учет которого позволяет значительно повысить эффективность препаратов и уменьшить возможные и нежелательные их действия.

Фармацевтическая технология во многом обусловливает качество препарата, в том числе и его терапевтическую эффективность. В то же время именно в производственных процессах сосредоточены всевозможные явления, которые приводят к появлению терапевтически неадекватных препаратов.

Самая распространенная лекарственная форма - таблетки. При их изготовлении применяются различные технологические приемы, вспомогательные вещества и аппараты, которые могут вызывать изменения биологической активности препарата. Распространенной стадией технологического процесса является влажная грануляция с последующей сушкой, при которой наблюдаются изменения поверхностных и дезинтегрирующих свойств таблеток: дисперсности, прочности, растворения. При влажной грануляции часто имеют место деструктивные процессы типа гидролиза, окисления, изомерии Так, при таблетировании кис лоты ацетилсалициловой при использовании влажной грануляции происходит ее разложение с выделением кислоты салициловой Влажная грануляция приводит к деструкции алкалоидов раувольфии, многих антибиотиков, часто имеет место «цементация» таблеток (анальгин, амидопирин)

Величина давления, создаваемого при изготовлении таблеток, определяет не только физико-химические свойства последних, например прочность, но и способность их распадаться и высвобождать лекарственные вещества.

Таким образом, в каждом случае изготовления препарата должны быть подобраны фармацевтические факторы с учетом всестороннего их влияния на активность и побочные реакции лекарственного средства Следует применять только те вещества, те технологические процессы, создавать те лекарственные формы, которые будут обеспечивать получение терапевтически адекватных препаратов с требуемой активностью.

2.2. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДОСТУПНОСТЬ

Способность лекарственного вещества оказывать лечебное воздействие является лишь его потенциальным свойством, которое может значительно изменяться в зависимости от применения его в виде той или иной лекарственной формы. При использовании различного исходного сырья, вспомогательных веществ, технологических операций, оборудования могут быть получены препараты, отвечающие требованиям фармакопеи или нормативно-технической документации (НТД), содержащие одинаковое количество действующего вещества, но при этом имеющие разную скорость высвобождения лекарственного вещества из лекарственной формы и разную скорость и полноту всасывания. Если не учитывать перечисленных факторов, то это может привести к тому, что на различных заводах и производственных сериях будут получены неэквивалентные препараты. При назначении разных доз в организм больного будет поступать разное количество лекарственного вещества, т е. препараты окажутся терапевтически неадекватными.

Выявление терапевтической неадекватности препаратов обусловило изменение взглядов как на процесс изготовления, так и на оценку качества лекарственных препаратов. Стало очевидным, что нельзя только на основании показателей, принятых в НТД, включая количественное содержание действующего вещества, получить полную информацию о возможном изменении его активности в лекарственной форме. Для этого необходимо знать, как ведет себя лекарственное вещество в условиях организма, т. е. знать его биологическую доступность.

Биологическая доступность (БД) определяется долей всосавшегося в кровь лекарственного вещества от общего содержания его в соответствующей лекарственной форме, скоростью его появления в кровеносном русле, продолжительностью нахождения его определенной концентрации в организме Исследование биологической доступности дает ответы на вопросы какая часть дозы лекарственного вещества всосалась, как быстро происходило всасывание; как долго и в какой концентрации лекарственное вещество находилось в организме.

В 1974 г. понятие биологической доступности было признано XVII ассамблеей Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ)

Существенной трудностью исследования БД является отсутствие надежных методов, которые позволяли бы на основании опытов in vitro или на животных определить БД препарата для человека. Исследования in vitro и па животных дают полезную информацию о БД лекарственных препаратов, по они имеют ценность лишь в том случае, если подтверждена корреляция результатов опытов с данными, полученными на людях. Поэтому отдается предпочтение исследованию БД на людях (добровольцы или больные в условиях клиники).

Существуют два основных метода определения БД. Первый метод - фармакокинетический - основан- на измерении изменения концентрации лекарственного вещества в плазме крови во времени или путем определения общего количества лекарственного вещества или его метаболитов, выделившихся с мочой после введения одной или повторных доз.

Второй метод - фармакодинамический - основан на измерении фармакодинамических или биохимических реакций на лекарственное вещество или его активные метаболиты. Второй метод является более сложным, поэтому определение БД чаще проводится с помощью фармакокинетического метода.

Степень БД определяют в сравнении со стандартной лекарственной формой, которая хорошо всасывается. При этом используют одинаковые дозы стандартной и исследуемой лекарственной формы. БД выражается в процентах и может быть представлена в виде следующего уравнения:

где БД - количество всосавшегося лекарственного вещества после назначения: А - стандартной лекарственной формы, В - исследуемой формы.

Различают абсолютную и относительную БД. В качестве стандартной лекарственной формы при определении абсолютной БД применяют раствор для внутривенного введения, что дает наиболее четкие результаты, так как вся доза поступает в большой круг кровообращения.

На практике чаще приходится определять относительную БД, когда стандартом является хорошо всасывающаяся пероральная лекарственная форма (например, раствор). При фармакокинетическом методе определения БД производят последовательный забор проб биожидкостей (чаще всего кровь или мочу) в течение строго определенного времени и с помощью наиболее точных и чувствительных аналитических методов определяют в них концентрацию лекарственного вещества. На основании полученных данных (содержание веществ или их метаболитов) строят графики, отражающие кинетику того или иного лекарственного вещества во времени, и с помощью фармакокинетических методов рассчитывают БД.

ВОЗ выделила группы лекарственных веществ, требующих изучения БД. Они имеют крутую кривую зависимости между дозой и реакцией вследствие плохой растворимости, своего пролонгированного действия или из-за того, что покрыты оболочкой. К их числу в первую очередь относятся стероидные гормоны, сердечные гликозиды, препараты гипогликемического действия, противосудорожные, кумариновые антикоагулянты, некоторые антибиотики, химиотерапевтические препараты.

Сравнительная сложность определения БД на людях, требующая в ряде случаев решения этических вопросов, побудила исследователей искать другие пути.

Исследования in vivo невозможны для массовой оценки качества препаратов в производственных условиях. Необходимы более простые, но точные методы in vitro, при которых используют способность лекарственных веществ растворяться и высвобождаться из лекарственной формы. При разработке этого теста (он получил название «теста растворения») исследователи исходили из предположения, что всасывание большинства лекарственных веществ в желудочно-кишечном тракте происходит посредством диффузии ингредиентов через липофильные мембраны и с некоторым приближением может быть выражено известным уравнением Фика.

где ds/dt - скорость диффузии, см/мин; К - константа диффузии; С₁ - концентрация с внешней стороны мембраны, мг/мл; С₂ - концентрация с внутренней стороны мембраны, мг/мл.

Скорость диффузии лекарственного вещества пропорциональна его концентрации в месте всасывания

В практике имеет место весьма частая, хотя и не обязательная, корреляция между скоростью растворения (высвобождения в растворяющую среду лекарственного вещества) и степенью его БД. Таким образом, растворение в первом приближении характеризует БД препарата. Доступность, определяемую в опытах in vitro, ряд исследователей называют в отличие от биологической фармацевтической.

Впервые «тест растворения» введен в XVIII издание фармакопеи США - в 1970 г на 7 препаратов и в национальный формуляр - на 5 препаратов С этого времени в США работы по изучению скорости растворения интенсивно развивались, и уже в фармакопеях США последующих лет число препаратов, подвергаемых «тесту растворения», значительно возросло: в 1975 г. их было 20, 1981 г.- 71, 1983 г - 203, а в XXI издании (1985 г.) -700. Этот тест введен в 1980 г в Британскую, в 1982 г. - Японскую, в 1978 г. - Европейскую фармакопею, в 1977 г. - Компендиум медикаменторум стран СЭВ. В 1985 г. в нашей стране утверждена временная фармакопейная статья («ВФС) «Растворение», она включена в общую статью «Таблетки» ГФ XI. Под растворением подразумевают количество действующего вещества, которое в стандартных условиях за определенное время должно перейти в раствор из твердой дозированной лекарственной формы.

Существует несколько методов определения скорости растворения, которые классифицируют исходя из объема среды, ее подвижности, значения рН и других физических показателей. Чаще всего их классифицируют по методам с естественной и принудительной конвекцией растворяющей среды.

Многими фармакопеями мира, в том числе и нашей страны, принят для этой цели прибор типа «вращающаяся корзинка», описание которого дано в главе «Таблетки». В настоящее время внедряются приборы, автоматизирующие процессы определения скорости растворения, а также позволяющие проводить исследования препаратов в условиях, близких к условиям желудочно-кишечного тракта. Так, в приборе «Резомат -1» (ФРГ) высвобождение лекарственных веществ из лекарственной формы в раствор происходит в водной фазе (при изменении значения рН от 1,2 до 7,8), которая находится в гидростатическом равновесии с липидным растворителем - хлороформом. Водная фаза имитирует среду желудочно-кишечного тракта, липидный растворитель - всасывание через липидные мембраны. Определение содержания лекарственного вещества в той и другой фазе характеризует процессы его высвобождения и всасывания.

Фирма «Сарториус» (ФРГ) выпускает установку, включающую две модели, которые позволяют изучать скорости растворения и всасывания твердых лекарственных форм. При определении растворения моделируют условия функционирования желудочно-кишечного тракта. Для этого искусственный желудочный сок (рН 1,2), находящийся в камере растворения, через 30 мин превращают в искусственный кишечный сок (рН 6,5). Во время испытания камера вращается вокруг горизонтальной оси, имитируя перистальтические движения желудка и кишечника. Через заданные промежутки времени определенный объем содержимого автоматически проталкивается в коллектор для сбора фракций.

Модель всасывания состоит из диффузионной камеры с двумя отсеками, разделенными липидным барьером, представляющим мембранный фильтр. Имеются два типа фильтров: для изучения всасывания из желудка и из кишечника. В один из отсеков помещается искусственный желудочный или кишечный сок, в другой - искусственная плазма. В ходе диффузии лекарственного вещества в искусственную плазму определяют константу скорости диффузии, которая пропорциональна константе скорости всасывания. Константу скорости диффузии лекарственного вещества через мембрану можно рассчитать по уравнению.

Vd =	dM₁	=	dM₂	= KdF	M₁
	dt		dt		V

где Vd - скорость диффузии из искусственного желудочного или кишечного сока в искусственную плазму (обратная диффузия равна 0), см/мин; t - время, мин; М₁ - количество растворенного вещества в желудочном или кишечном соке, мг/мл; М₂ - количество вещества в плазме, мг/мл; V - объем желудочного или кишечного сока, мл; F - площадь мембраны, см²; Kd - константа скорости диффузии (мембрана определенной толщины), см/мин.

Константа скорости диффузии может быть подсчитана как через уменьшение концентрации лекарственного вещества в желудочном или кишечном соке, так и через изменение его концентрации в искусственной плазме.

Следует подчеркнуть, что любой метод и прибор ценны тогда, когда они дают результаты, коррелирующие с опытами in vivo. Исследования БД позволяют создавать терапевтически адекватные препараты, объективно оценивать влияние фармацевтических факторов на их биологическую активность, предвидеть кинетику в организме и в конечном счете повысить терапевтическую эффективность.

Таким образом, в комплексе фармацевтических дисциплин биофармация занимает особое место благодаря не только новизне идей, но и главным образом в связи со значением (для теории и практики современной фармации и медицины) фактов, полученных в ходе биофармацевтического эксперимента. Новая биофармацевтическая концепция заполнила глубокий вакуум между клинической медициной и фармацией. За недолгий период своего существования биофармация обогатилась множеством открытий и заняла прочное место в системе современного лекарствоведения.

1. Дайте определение биофармацин, охарактеризуйте основные направления биофармацевтическнх исследований и укажите их значение для теории и практики фармации и медицины.

2. Назовите предпосылки возникновения биофармацевтнческого направления в фармации

3. Назовите фармацевтические факторы, оказывающие влияние на терапевтическую эффективность препаратов. Приведите примеры.

4. Какие фармацевтические факторы и почему представляют интерес для врача?

5. Каковы причины возникновения терапевтической неадекватности лекарственных препаратов?

6. Что такое биологическая доступность лекарственных препаратов и каковы методы ее определения?

7. В чем состоит трудность определения биологической доступности препаратов и каковы пути решения этой проблемы?

8. Дайте анализ методов и приборов определения фармацевтической доступности лекарственных препаратов.

Глава 3ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

Промышленное производство лекарственных препаратов характеризуется высокой степенью развития, так как в его основе лежит широкое использование машин, аппаратов, поточных механизированных и автоматизированных линий. Оно предусматривает массовый, серийный выпуск препаратов по стандартным прописям, рассчитанным на среднего потребителя.

Одной из особенностей промышленного производства является профилизация его в рамках отрасли, что означает создание специализированных предприятий, рассчитанных на выпуск одного или ограниченного числа видов продукции. В настоящее время производство лекарственных препаратов сосредоточено на таких крупных специализированных предприятиях, как производственное объединение «Мосхимфармпрепа-раты» им. Н. А. Семашко, которое рассчитано на выпуск таблетированных и инъекционных форм. На производственном объединении «Мосмедпрепараты» им. Л. Я- Карпова выпускаются твердые желатиновые капсулы и суспензии с антибиотиками, на других химико-фармацевтических предприятиях изготавливают-v ся такие лекарственные формы, как мази, пасты, мягкие желатиновые капсулы, экстракционные препараты и т. д. Такая специализация предприятий дает возможность сконцентрировать внимание на разработке и внедрении в производство прогрессивных технологий данного вида продукции и совершенствовать качество препаратов. Главной тенденцией, характеризующей развитие фармацевтического производства, является постоянный поиск новых лекарственных средств с более высокой терапевтической активностью и меньшей токсичностью.

3.1. УСЛОВИЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВЫПУСКА ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

Для изготовления лекарственных препаратов на промышленных предприятиях необходимы определенные условия:

1) массовый спрос лекарственного препарата, что обеспечит рентабельность его производства;

2) стабильность исходных материалов и готового продукта, так как сырье для приготовления лекарственных средств в производстве, так же как и готовый продукт, до потребителя доходят через определенный промежуток времени, затрачиваемый на их доставку. Кроме того, необходимо иметь запасы готовой продукции для своевременного, бесперебойного удовлетворения спроса на нее. Все это время лекарственный препарат не должен ухудшать свое качество и терять терапевтическую активность. Эта проблема решается путем введения стабилизаторов, лиофилизации, микро-капсулирования, нанесения защитных оболочек, созданием специальных видов упаковки и т. д.;

30 стандартизация исходного сырья и лекарственных препаратов для обеспечения выпуска однородной продукции, отвечающей требованиям нормативно-технической документации, что достигается использованием современной техники, совершенствованием производства. В то же время фармацевтическая промышленность имеет несколько стандартов на один и тот же вид лекарственной формы, включающих нужный ингредиент в различной дозировке, предусмотренной для лечения индивидуального больного.

3.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ УКРУПНЕННОГО ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Организация производства лекарственных препаратов на фармацевтических предприятиях имеет свои особенности.

Для обеспечения высокого качества выпускаемой продукции и рентабельности производства, связанного с разнообразием технологических операций, на фармацевтических предприятиях широко применяется принцип разделения труда. Укрупненное фармацевтическое производство состоит из комплекса специализированных цехов. Цех - основное производственное подразделение предприятия, предназначенное для выполнения однородных процессов (дробильный, экстракционный, фасовочный и т. д.) или для выпуска однотипной продукции (таблеточный, ампульный, аэрозольный и др.). Каждый цех имеет несколько участков или отделений, где осуществляются однотипные операции, составляющие технологический процесс. Например, ампульный цех имеет участки: стеклодувный, моечный, растворный, розлива растворов в ампулы, запайки ампул, стерилизации и т д. Таблеточный цех - участки: смешивания ингредиентов, гранулирования, сушки гранулянта, прессования и др. При такой организации производства большое значение имеет планировка участков цеха.

Расположение машин должно учитывать организацию производственного потока, которая является одним из решающих условий высокопроизводительной работы цеха. В идеальном случае это создание поточных автоматизированных линий, представляющих собой контактную группу машин, аппаратов, выполняющих последовательно все технологические операции с автоматической передачей продукции по потоку. Так, поточная линия в ампульном цехе осуществляет мойку ампул, наполнение их раствором, запайку, проверку на качество запайки и чистоту раствора в ампулах и т. д.

Работа промышленных предприятий характеризуется строгой регламентацией и планированием производства, поскольку осуществляется переработка больших количеств материала и любая ошибка в технологии может привести к значительному материальному ущербу и браку продукции. Во избежание случайностей производственный процесс проводится в определенных стандартных условиях, предусмотренных точными инструкциями, объединенными в один сводный документ - регламент.

3.2.1. Производственный регламент

Регламент (от лат. regulo - упорядочивать, регулировать) представляет собой совокупность правил, определяющих порядок деятельности фармацевтического предприятия по выпуску готовой продукции.

Регламент разрабатывается на каждый выпускаемый продукт НИИ или экспериментальной лабораторией предприятия на основе научных исследований. Утверждается директором предприятия и вышестоящей организацией. В нем дается характеристика и указывается количество исходных материалов, полуфабриката и готового продукта, последовательность стадий технологического процесса, режим и время обработки материалов по стадиям, аппаратурная схема, методы анализа, правила по технике безопасности и другие условия производства. Регламент является законом производства и отступление от него недопустимо. За выполнением регламента следит отдел технического контроля (ОТК), в распоряжении которого имеется контрольно-аналитическая лаборатория и штат контролеров в отдельных цехах завода, в их функции входит контроль проведения производственного процесса. В случае отклонения от регламента ОТК имеет право прекратить производственный процесс.

3.2.2. Основные понятия

Технологический процесс представляет собой научно обоснованный комплекс действий, необходимых для получения готового продукта. Он состоит из отдельных, следующих одна за другой стадий производства.

Стадия производства - это звено технологического процесса - получение промежуточного продукта (полуфабриката). Например, процесс получения таблеток включает следующие стадии: смешивание (получение сложных композиций), гранулирование, прессование. Каждая стадия в свою очередь представляет собой сочетание ряда последовательных операций.

Технологическая операция - это элементарная часть производственного процесса или технологической стадии, выполненная за один прием машиной, отдельным аппаратом или работником. Так, в производстве таблеток технологическими операциями являются: измельчение отдельных ингредиентов, взвешивание, просеивание, увлажнение смеси, подлежащей гранулированию, и т. д.

В фармацевтическом производстве однотипные технологические (физические) процессы подразделяют на: механические, связанные с обработкой твердых материалов, подчиняющиеся законам механики твердых тел. К ним относятся: измельчение, просеивание, смешивание, дозирование, прессование; гидромеханические, применяемые при перемешивании жидкостей, эмульгировании, фильтровании, отсеивании, центрифугировании, очистке газов от пыли и др.; тепловые, подчиняющиеся законам теплообмена. Они протекают с изменением агрегатного состояния вещества - испарение, конденсация, плавление и связаны с нагреванием, охлаждением и др.; массообменные, характеризующиеся переходом одного или нескольких компонентов из одной фазы в другую через поверхность их раздела путем диффузии. Сюда относятся: растворение веществ, кристаллизация, экстракция, ректификация, сушка и др. Способы проведения этих процессов определяют эффективность и рентабельность производства.

По характеру протекания технологические процессы разделяют на периодические, непрерывные и комбинированные, или полунепрерывные. Периодические процессы осуществляются в аппаратах и машинах прерывистого действия и время от времени прекращаются для выгрузки полученного продукта и загрузки новой порции сырья. Непрерывные процессы характеризуются одновременным поступлением исходных материалов и выгрузкой готового продукта. Комбинированные - это такие периодические процессы, в которых одна или несколько стадий протекают непрерывно, например стадия прессования при таблетировании.

Исходные материалы, поступающие в производство для переработки, называются сырьем, а входящие в состав лекарственной формы в малоизмененном или неизмененном виде - ингредиентами. Конечный продукт технологического процесса - готовый продукт, а прошедший одну или несколько стадий обработки - промежуточный, или полуфабрикат. В процессе переработки исходных материалов могут образоваться отдельные фракции, не входящие в состав готового продукта, которые называют отходами производства. Если они представляют потребительскую ценность, т. е. в дальнейшем могут быть переработаны, то составляют побочный продукт. Отходы производства, которые не подлежат дальнейшей переработке и не представляют потребительской стоимости, являются отбросами. Их в настоящее время путем разработки рациональных технологий или переводом в побочный продукт сводят к минимуму. Использованные в технологическом процессе ценные растворители подвергают регенерации и вновь возвращают в производство. Готовый продукт, имеющий неудовлетворительное качество, - технологический брак, который может получиться вследствие использования неполноценного исходного материала и при нарушении технологии.

В процессе производства всегда имеют место материальные потери, образующиеся вследствие распыления, испарения, прилипания материала к стенкам аппаратуры и т. д.

3.2.3. Материальный баланс

Материальный баланс - это соотношение между количествами исходных материалов, полученного готового продукта, отходами производства и материальными потерями. Он лежит в основе производственного регламента, дает возможность оценить правильность организации технологического процесса, сравнить эффективность его проведения на разных производствах и может быть выражен уравнением, диаграммой или в виде таблицы.

Уравнение материального баланса имеет следующий вид:

где G₁ - масса исходных материалов; G₂- готового продукта; G₃ - побочных продуктов; G₄ - отбросов; G₅ - материальных потерь.

В случае отсутствия отходов производства уравнение материального баланса примет более простой вид:

Материальный баланс может быть составлен как в отношении всего технологического процесса, так и в отношении каждой отдельной стадии или производственной операции. Он может охватывать все материалы (общий, суммарный баланс) или каждый отдельный компонент.

Например, для приготовления 100 кг борной мази взято 5 кг кислоты борной и 95 кг вазелина. Получено 96 кг мази с содержанием кислоты борной 4,9%. Уравнение материального баланса будет иметь вид:

Материальный баланс можно представить в следующем виде.

Взято исходных материалов, кг

Получено, кг

Кислоты борной 5

Вазелина 95

Всего 100

Борной мази 96

Потери 4

Всего 100

Материальный баланс на каждый компонент составляют с учетом его процентного содержания в готовом продукте.

В данном случае для кислоты борной G₁ = 5 кг, величину G₂ следует рассчитать следующим образом:

Уравнение материального баланса для кислоты борной примет следующий вид: 5 = 4,704 + 0,296.

Для вазелина G₁ = 95 кг, G₂ = 91,296 кг, так как всего потери - 4 кг, из них потери вазелина 4 - 0,296 = 3,704 кг.

Уравнение материального баланса для вазелина будет

Таким образом, материальный баланс дает возможность определить абсолютную величину материальных потерь (трату Σ). Из уравнения материального баланса находят технологический выход (η) и расходный коэффициент (К_расх).

Технологический выход η - это отношение массы готового продукта (G₂) к массе взятых исходных материалов (G1), выраженное в процентах:

Технологическая трата (Σ) - это отношение массы материальных потерь (G₅) к массе исходных материалов (G₁), выраженное в процентах:

Чем меньше технологическая трата (Σ), тем рентабельнее производство.

Расходный коэффициент (К_расх)- это отношение массы взятых исходных материалов к массе полученного готового продукта. К_расх величина безразмерная.

К_расх =	G₁ – (G₃ + G₄)
	G₂

Расходный коэффициент всегда больше единицы, рассчитывается с точностью до 0,001.

Чем меньше К_расх, тем лучше организован технологический процесс. Умножая цифры прописи, составленной без учета материальных потерь, на расходный коэффициент получают рабочие прописи. Это необходимо для обеспечения выхода заданного количества готового продукта.

3.2.4. Энергетический баланс

Помимо материального баланса по сырью, в производстве составляется также энергетический баланс, представляющий соотношение количеств энергии, введенной в технологический процесс и выделенной по его окончании. Например, энергетический тепловой баланс представлен следующим уравнением

где Q - тепло, введенное в технологический процесс с исходным веществом, Дж; Q₁- тепло, подводимое извне, Дж; Q₂ - тепловой эффект, полученный за счет экзотермических или эндотермических реакций. Он может иметь знак «+» или «-», Дж; Q₃ - тепло, уходящее с готовым продуктом, Дж; Q₄ - потери тепла, Дж.

3.3. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МАШИНАХ И АППАРАТАХ

Промышленное производство препаратов характеризуется использованием машин и аппаратов, предназначенных для осуществления различных процессов.

3.3.1. Машины

Машина - это устройство, выполняющее механическое движение с целью преобразования энергии или материалов. В машине сочетаются три основных узла: двигатель, передаточный и исполнительный механизмы. Последние часто объединяются в одно целое, составляя рабочую машину (станок).

Двигатель - это устройство, обеспечивающее движение всех других механизмов машины. Иногда один и тот же двигатель обслуживает группу рабочих машин. Наиболее часто в качестве двигателя используются электромоторы трехфазного тока.

Исполнительный, или рабочий, механизм является основой рабочей машины. Он служит для непосредственного воздействия на предмет труда и производит в нем необходимые изменения, являющиеся целью обработки.

Передаточный механизм - это связующее звено между двигателем и исполнительным механизмом, которое осуществляет свою функцию путем передачи, регулирования, преобразования и распределения первоначального вращательного движения, создаваемого двигателем, и приведения этого движения в работу в соответствии с задачами исполнительного механизма. Передаточные механизмы различных машин имеют между собой много общего и являются сочетанием различных элементарных узлов, позволяющих изменять скорость движения, его направление или преобразовывать одну форму механического движения в другую.

Для приема и передачи вращательного движения с вала двигателя на вал рабочей машины служат шкивы и приводные ремни, образующие тягу или привод, а также зубчатые, червячные и другие передачи. Шкив - это колесо с гладкой поверхностью обода, надетое на главный вал машины и прочно с ним скрепленное. Шкивы двигателя и рабочей машины соединяются друг с другом с помощью ремня. Шкив двигателя, начинающий движение, называется ведущим, шкив рабочей машины, воспринимающий движение,- ведомым. Для сохранения одинаковой скорости вращения ведущего и ведомого валов используют шкивы равных диаметров. При наличии шкивов с разными диаметрами скорость движения изменяется обратно пропорционально их диаметру.

Зубчатая передана представляет собой пару цилиндрических зубчатых колес или шестеренок, с помощью которых осуществляется передача вращательного движения с одного вала на другой и изменяется его направление (рис. 3.1). При использовании шестереночной передачи, состоящей из 3 шестеренок, направление движения можно сохранить (рис. 3.2).

Для передачи вращательного движения ведущего вала на вал, расположенный перпендикулярно или под углом к нему, применяют коническую передачу (рис. 3.3). Для передачи вращения между перекрещивающимися валами применяют червячную передачу. В этом случае на ведущем валу монтируется червяк, а на ведомом - червячное колесо. Угол между осями червяка и червячного колеса обычно равен 90° (рис. 3.4).

К передаточным механизмам, преобразующим, вращательное движение тела в возвратно-поступательное, относятся шатунно-рычажные механизмы: шатунно-кривошипный, эксцентриковый, кулачковый.

Шатунно-кривошипный механизм (рис. 3.5) имеет поступательную пару (1), представляющую собой сочетание направляющего тела и ползуна призматической формы (2), кривошип (3), муфта которого соединяется с шарниром ползуна (4), и шатун - прямолинейный рычаг (5). При вращении ведущего вала кривошип (цилиндрическое тело, расположенное на торце шкива) описывает окружность вокруг его оси, а вслед за ним ползун совершает возвратно-поступательное движение. Амплитуда его равна диаметру окружности, которую описывает ось кривошипа.

Эксцентриковый механизм (рис. 3.6) представляет собой эксцентрик (1), соединенный с помощью эксцентрической тяги (2) с шарниром ползуна. Эксцентрик - круглый диск, насаженный на вал неподвижно и эксцентрично, т. е. центр диска не совпадает с центром оси вала. Вращаясь вместе с валом, эксцентрик описывает окружность вокруг его оси. Радиус этой окружности (расстояние от оси вращения вала до геометрического центра эксцентрика) называется эксцентриситетом. При вращении эксцентрика ползун (3) совершает возвратно-поступательное движение, амплитуда которого равна удвоенному эксцентриситету эксцентрика.

С целью возможного изменения эксцентриситета (а следовательно, и давления прессования) в таблеточных машинах ударного типа устанавливают сложный эксцентриковый механизм. Он состоит из основного эксцентрика (1), рабочего вала машины (2), на который насажен дополнительный эксцентрик (3).

Последний дает возможность изменять глубину опускания верхнего пуансона (рис. 3.7).

Кулачковые механизмы характеризуются наличием кулака (толкающего тела), который совершает вращательное движение и своей поверхностью толкает другое тело, скользящее по его поверхности. Примером может служить пазовый кулачковый механизм, обеспечивающий возвратно-поступательное движение нижнего пуансона в эксцентриковой таблеточной машине (рис. 3.8).

Пазовый кулачковый механизм представляет собой плоское колесо, расположенное на торцовой части вала. На поверхности колеса вырезан паз, очерчивающий поверхность кулака. В паз помещается каток, связанный посредством рычага с тягой нижнего пуансона.

3.3.2. Аппараты

Аппарат - механическое устройство, предназначенное для проведения различных технологических процессов. В отличие от машины аппарат не имеет двигателя и передаточных механизмов. Примерами аппаратов являются фильтры, экстракторы, отстойники и т. п.

1. Какие условия необходимы для осуществления производства лекарственных средств на укрупненных фармацевтических предприятиях?

2. Как организовать производство лекарственных препаратов на укрупненных фармацевтических предприятиях?

3. Что представляет собой технологический процесс? Какова его структура и виды?

4. Что является критерием правильности организации технологического процесса?

5. Какова цель составления материального баланса?

7. Каковы основные направления фармацевтического производства?

Глава 4 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

При тепловых процессах осуществляется передача тепла от одного вещества к другому. Вещества или среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, в которых они протекают, теплообменными. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание жидкостей) и др. Тепловые процессы протекают при различных температурах, однако тепло может передаваться самостоятельно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Горячими теплоносителями могут быть вода, водяной пар, горячие газы и т. п. В качестве охлаждающих средств чаще всего используют воду и рассолы.

Правильное и экономичное протекание технологического процесса требует подвода теплоты (ее затраты) или, наоборот, необходимо отводить выделяющееся тепло. Количество передаваемого тепла зависит от размера теплопередающей поверхности и может распространяться различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением (лучеиспусканием).

4.1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводностью называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении. При этом тепловая энергия передается .от одной частицы к другой вследствие их колебательного движения, без перемещения друг относительно друга.

Если тепло переносится путем теплопроводности через стенку, например, металлическую, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла Q прямо пропорционально площади поверхности F, разности температур по обе стороны стенки t₁ – t₂ времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

Q =	λ · F · (t₁ – t₂) · τ
	δ

где Q - количество передаваемого тепла, Дж; δ - толщина стенки, м; F - площадь поверхности теплового потока, м²; τ - время теплопередачи, с; λ – Дж / (m · c · ºC); λ - коэффициент теплопроводности; t₁ - температура поверхности нагревающейся стенки,°С; t₂- температура поверхности стенки, отдающей тепло,°С.

λ =	Qδ
	(t₁ – t₂) · F · τ

Коэффициент теплопроводности (или просто теплопроводность) представляет собой количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади поверхности при разности температур 1°С на единицу толщины стенки. Коэффициент теплопроводности зависит от свойств материала стенки н ее температуры. С повышением температуры теплопроводность большинства металлов и газов возрастает.

Числовые значения коэффициентов теплопроводности приводятся в специальных таблицах. Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов, используемых в теплообменных аппаратах: сталь нержавеющая- 17, алюминий - 200, медь - 350, серебро - 420.

4.2. КОНВЕКЦИЯ

Процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости называется конвекцией. Конвективный теплообмен происходит одновременно с теплопроводностью.

При передаче тепла конвекцией у поверхности стенки, вдоль которой движется теплоноситель и через которую проходит тепло, образуется пограничный ламинарный слой. Теплопроводность жидкостей и газов невелика, поэтому переход тепла через пограничную пленку затруднен. Чтобы ускорить теплопередачу, стремятся уменьшать толщину пленки, т. е. применяют движущиеся теплоносители. Повышение турбулентности потока теплоносителя приводит к уменьшению толщины ламинарного слоя и увеличению количества передаваемого тепла.

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона. Количество тепла Q, переданное от тепло-обменной поверхности к окружающей среде (жидкость, газ) или от окружающей среды к теплообменной поверхности, прямо пропорционально поверхности теплообмена F, разности температур поверхности и окружающей среды (θ_част. = t_ж - t_ст) и времени τ, в течение которого осуществляется теплообмен:

где F - площадь поверхности теплообмена, м²; θ_част - разность температур между основной массой теплоносителя и поверхностью стенки,°С; τ - время, с; α - коэффициент теплоотдачи, Дж / (m² · c ·°С).

α =	Q
	F · θ_част · τ

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от теплообменной поверхности с площадью 1 м² в окружающую среду или, наоборот, от окружающей среды к теплообменной поверхности с площадью 1 м² в единицу времени при разности их температур в 1 град.

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от характера движения теплоносителя (ламинарный, турбулентный), его скорости, физических свойств (вязкость, плотность, теплопроводность), размера и формы поверхности теплообмена.

4.3. ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ

Лучеиспускание свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля (по шкале Кельвина). В результате обмена тела с меньшей температурой приобретают дополнительное тепло за счет энергии тел с большей температурой, т. е. лучистая энергия переходит в тепловую. Лучистая энергия представляет собой энергию электромагнитных колебаний с различными длинами волн (тепловому излучению соответствуют длины волн от 0,4 до 40 мкм). Тела, поглощающие всю падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно черными, полностью отражающие - абсолютно белыми, пропускающие всю падающую на них энергию - абсолютно прозрачными. Поглощение и отражение лучистой энергии твердыми телами в значительной мере зависит от состояния их поверхности. Шероховатые поверхности обладают высокой поглощательной, гладкие - отражательной способностью. Большинство газов (паров) обладают значительной способностью испускать и поглощать лучистую энергию не поверхностным слоем, а объемом, поэтому излучение их зависит от толщины газового слоя.

Согласно закону Стефана-Больцмана, количество тепла Q абсолютно черного тела, излучаемого в единицу времени, пропорционально поверхности излучающего тела F и четвертой степени его абсолютной температуры Т:

Q = C · F · (	T	)⁴
	100

где С - коэффициент лучеиспускания, для абсолютно черного тела он равен 5,68 Дж/м² (с · К⁴).

Для других тел коэффициент лучеиспускания находят через коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела (C_s):

где величина ε, называемая степенью черноты тела, представляет собой отношение коэффициента лучеиспускания данного тела к коэффициенту абсолютно черного.

Лучеиспускательная способность тела тем выше, чем больше его поглощающая способность. Этим объясняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, а для абсолютно белого и абсолютно прозрачного тел лучеиспускательная способность равна нулю.

4.4. СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

В тепловых процессах распространение тепла в большинстве случаев осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением или хотя бы двумя из них. Такой процесс называют сложным теплообменом.

Если температура теплоотдающей стенки t_w и температура тепловоспринимающей жидкости и ее пограничного слоя у стенки t_f, то количество тепла, отдаваемое стенкой в единицу времени, за счет конвективного обмена составит

Введя обозначение коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием α_u:

α_u =	C_1-2[(T_w /100)⁴ – (T_s / 100)⁴]
	t_w– t_i

Общее количество тепла, отданное стенкой в единицу времени, составит

где α - коэффициент теплоотдачи, учитывающий распространение тепла конвективным теплообменом и тепловым излучением.

4.5. НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ

Нагревание широко применяется для ускорения многих массообменных процессов (растворение, сушка, выпаривание). В зависимости от температурных условий проведения процесса и экономических соображений используют различные источники тепла: дымовые (топочные) газы, электрический ток (прямые источники тепла), горячую воду, водяной пар, минеральные масла и другие промежуточные источники тепла.

Водяной пар как теплоноситель. Для промышленных целей водяной пар получают в паровых котлах, где происходит нагрев и испарение воды под давлением.

При подведении к воде тепла температура ее возрастает до температуры кипения, зависящей от давления, при котором идет подогрев. Если обозначить через t₀ начальную температуру воды, t - температуру кипения при данном давлении, то теплосодержание воды i (ккал[1] /кг) составит:

При дальнейшем подводе тепла происходит испарение кипящей воды, во все время парообразования температура воды и получающегося пара равна температуре кипения. В результате процесса получается насыщенный водяной пар, который может быть влажным и сухим. Известно, что на испарение 1 кг уже закипевшей воды расходуется определенное количество тепла, называемого скрытой теплотой испарения или теплотой парообразования - r (ккал/кг).

Полное теплосодержание 1 кг сухого насыщенного водяного пара определяется i = i + r или i = ct + r, которое при с = 1 кДж/кг ·°С приводится к виду i = 606,5 + 0,305 · t ккал/кг.

Таким образом, теплосодержание или энтальпия пара определяется количеством тепла в джоулях, которое содержится в 1 кг пара (Дж/кг) и зависит от давления, возрастая с его увеличением.

В процессе парообразования в котле пар увлекает с собой некоторое количество капельно-жидкой фазы. Кроме того, сухой насыщенный пар увлажняется за счет частичной конденсации вследствие отдачи тепла стенкам трубопровода. Влажный насыщенный пар обладает меньшим теплосодержанием. Если в 1 кг влажного пара - х кг сухого (х < 1), то (1 - х) кг - количество влаги (степень влажности пара).

На парообразование надо затратить: для получения х кг сухого пара из 1 кг воды х · i = x · (i + r) ккал; для нагрева (1 - х) кг воды от 0° до / t°С (1 - х) · i ккал. Полное теплосодержание влажного пара равно:

Если сухой насыщенный пар подвергается дальнейшему нагреванию без изменения давления, то он становится перегретым (температура выше точки кипения, соответствующей давлению пара). Во время подогрева давление пара остается постоянным, температура и его объем возрастают.

Если обозначить температуру перегретого пара через t_п, то разность между ней и температурой насыщенного пара t при соответствующем давлении t_п - t называется температурой перегрева. Теплосодержание перегретого пара (i_пep) будет определяться теплосодержанием сухого насыщенного пара и добавочным количеством тепла, пошедшим на перегрев:

где 0,48 кДж/кг ·°С - теплоемкость пара при средних величинах давления.

Перегретый пар, имея температуру выше температуры парообразования, при охлаждении конденсируется после того, как будет израсходован перегрев. Поэтому он легко транспортируется по паропроводу, понижая только свою температуру. Насыщенный водяной пар, соприкасаясь со стенкой трубопровода, немедленно конденсируется, отдавая скрытую теплоту.

Нагревание с помощью водяного пара является самым распространенным в фармацевтическом производстве. Достоинства этого метода: равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре; высокий коэффициент теплопередачи от конденсирующего пара; большое количество тепла, выделяющегося при конденсации единицы массы водяного пара и др.

Нагревание «острым» паром. При нагревании «острым» паром насыщенный пар вводится в обогреваемую жидкость по трубе или трубкам с мелкими отверстиями. Вначале поступающий греющий пар отдает нагреваемой жидкости всю теплоту и полностью конденсируется, затем обогреваемая жидкость закипает. Дальнейшее поступление насыщенного водяного пара бесполезно, так как каждый его килограмм, конденсируясь, испаряет 1 кг воды, т. е. в конечном результате общее количество жидкости не уменьшается. Поэтому острый насыщенный пар применяется не для испарения, а для обогрева воды или водных растворов и в случаях, когда разбавление жидкостей водой не имеет существенного значения.

Для нагревания и одновременного перемешивания жидкости пар вводят через барботер - трубу с отверстиями, расположенную на дне резервуара в виде спирали или кольца. С целью испарения острый пар применяют для жидкостей со сравнительно малой скрытой теплотой испарения (например, этанол). В этом случае теплота конденсации 1 кг пара испаряет несколько килограммов жидкости. Острым паром отгоняют высококипящие жидкости, не смешивающиеся с водой, что понижает температуру перегонки (ароматные воды). Расход острого пара при периодическом нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса:

D =	gc(t₂ – t₁) + Q_п · τ
	i- c_Bt₂

где g - количество нагреваемой жидкости, кг; D - расход греющего пара, кг; с - теплоемкость нагреваемой жидкости, кДж/(кг·°С); с_B - теплоемкость конденсата, кДж/ (кг·°С); t - энтальпия греющего пара, кДж/кг; t₁ , t₂- температура жидкости соответственно до и после нагревания,°С; Q_п - потери тепла аппаратом в окружающую среду, кДж/с; τ - продолжительность нагрева, с.

Нагревание «глухим» паром. «Глухой» греющий пар применяют в тех случаях, когда контакт между нагреваемой жидкостью и конденсатом пара недопустим (разбавление, взаимодействие и др.) Нагрев жидкости осуществляют через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, змеевиками и т. п. Греющий пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата с температурой, практически равной температуре насыщенного греющего пара.

Расход «глухого» пара при непрерывном нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса:

D =	gc(t₂ – t₁) + Q_п · τ
	I - c_Bt_B

где D - расход греющего пара, кг; g - поток нагреваемой жидкости, кг/с; c_Bt_B - теплосодержание конденсата, имеющего температуру t_B и отводимого из парового пространства нагревателя; остальные обозначения (см. выше).

4.6. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

К теплообменным аппаратам относятся устройства, в которых один теплоноситель отдает свое тепло другому при непосредственном соприкосновении (смесительные) или через поверхность разделяющей их стенки (поверхностные). В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают аппараты для теплообмена между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы), паром и газом (паровые подогреватели для воздуха), жидкостями (жидкостные холодильники) и др. Коэффициенты теплопередачи в теплообменной аппаратуре зависят от поверхности нагрева (охлаждения) и конструкции теплообменников.

Различают теплообменники с поверхностью, образованной стенками аппарата, т. е. паровые рубашки, трубчатые (кожухотрубные, «труба в трубе», змеевиковые погружные), с ребристой поверхностью теплообмена (калорифер) и др.

Паровые рубашки. Эти теплообменники используют для обогрева котлов, выпарных чаш, реакторов, шаровых вакуум-выпарных аппаратов. Греющий пар поступает в замкнутое пространство, т. е. отделен от обогреваемой жидкости (мазевая основа, сироп, водная вытяжка). Высота паровой рубашки должна быть не меньше высоты уровня обогреваемой жидкости. Теплопередача осуществляется через стенку с небольшой поверхностью.

Типовым аппаратом с паровой рубашкой может служить открытая чаша, работающая под атмосферным давлением (рис. 4.1). На паровой рубашке устанавливают манометр и предохранительный клапан. Допустимое избыточное давление не более 5 атмосфер (4,90 · 10⁴· Н · м²).

Рис. 4.2. Кожухотрубный теплообменник. Объяснение в тексте.

Трубчатые теплообменники. Кожухотрубный теплообменник является одним из наиболее распространенных (рис. 4.2). Представляет собой цилиндр, т. е. кожух (1), внутри которого расположен пучок труб (2). Концы труб закреплены в трубных решетках (3) путем развальцовки или сварки. Между трубными решетками образуется -камера (межтрубное пространство), в которую поступает греющий пар через штуцер (4) и выходит через штуцер (5). Нагреваемая жидкость поступает через штуцер (6) противотоком, проходит внутрь трубок (2), нагревается и выходит через патрубок (7). Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижными трубными решетками или с одной подвижной, а также одноходовыми и многоходовыми для повышения скорости движения теплоносителя в межтрубном пространстве и улучшения условий теплопередачи. Недостатком таких теплообменников является трудность очистки межтрубного пространства и малодоступность для осмотра и ремонта.

Теплообменник «труба в трубе» (рис. 4.3) включает несколько расположенных друг над другом элементов. Каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы (1) большого диаметра (кожух) и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра (2). Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно съемными коленами (3), наружные - патрубками (4). Холодная вода для нагрева поступает в трубу малого диаметра, греющий пар противотоком в трубу большого диаметра. Теплообменник обладает высоким коэффициентом теплопередачи. Недостаток - громоздкость и трудность очистки.

Секционный теплообменник «труба в трубе» может работать и как холодильник, в качестве хладоагентов используют соленые растворы.

Рис. 4.4. Змеевиковый погружной теплообменник.

Змеевиковый погружной теплообменник (рис. 4.4) имеет вид цилиндрического сосуда (1), в который погружена трубка (2), изогнутая в виде змеевика. Один из теплоносителей направляется по змеевику (соковый пар), другой омывает его снаружи, входя в случае противотока в нижний штуцер (3) и выходя через верхний (4). Для прямотока должно быть обратное направление одного из теплоносителей. При больших размерах цилиндра (1) теплоноситель, омывающий змеевик, имеет незначительную скорость движения, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи. Змеевиковые теплообменники просты в обслуживании, поэтому имеют большое распространение. Недостатки - громоздкость и трудности внутренней очистки змеевика.

Рис. 4.5. Пластинчатый теплообменник (калорифер).

Теплообменники с ребристыми поверхностями. Их применяют главным образом для теплообмена между газом и жидкостью или паром, а также между двумя газами. Поверхности теплообмена в них сделаны из труб с различными ребрами (поперечными или продольными) для увеличения теплоотдачи. Во всех случаях поверхность ребер должна быть параллельна направлению потока теплоносителя. Схема теплообменника с поперечными ребрами (пластинчатый калорифер) для подогрева воздуха приведена на рис. 4.5. Воздух движется с наружной стороны пучка ребристых труб (1), закрепленных в коробках (2). Горячий теплоноситель (пар, горячая вода) пропускается по трубам.

При выборе теплообменных аппаратов следует учитывать, что теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи, высокой температурой и давлением целесообразно пропускать по трубам, чтобы уменьшить потери тепла и давление на корпус аппарата. В холодильниках горячий теплоноситель необходимо пропускать с наружной стороны труб.

4.7. ПАРОЗАПОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Все аппараты, работающие с помощью насыщенного водяного пара, снабжаются специальными паро-запорными устройствами, с помощью которых пар не может пройти обогреваемый аппарат без полной конденсации. Для быстрого и автоматического удаления конденсата из парового пространства аппарата и потерь греющего пара применяют конденсатоотводчики (водоотводчики), отличающиеся принципом действия запорного элемента: поплавковые, термостатические, термодинамические. Открытие или закрытие клапана в них зависит от перепада давления между входом в конденсатоотводчик и камерой давления.

Рис. 4.6. Поплавковый конденсатоотводчик (конденсационный горшок).

Схема поплавкового конденсатоотводчика - конденсационного горшка изображена на рис. 4.6. Прибор состоит из чугунного корпуса (1), в который по штуцеру (2) поступает смесь пара и конденсата из обогреваемого аппарата. Внутри горшка находится поплавок (3), который плавает в жидкости и с помощью стержня (4) закрывает своим коническим концом (клапаном) (5) выход в крышке горшка. По мере накопления конденсата в кольцевом пространстве под поплавком, конденсат переливается в стакан, заполняет его, вследствие чего стакан тонет. При опускании стакана конический клапан открывает отверстие в крышке и конденсат под давлением пара вытесняется по трубке вокруг стержня (6) в выходной канал (7). Облегченный стакан всплывает и стержень (4) вновь закрывает выход из горшка до нового накопления воды в поплавке.

4.8. ОХЛАЖДЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ

В фармацевтическом производстве очень часто возникает необходимость в охлаждении паров, жидкостей, газов. С этой целью используют наиболее распространенные и доступные теплоносители - воду и воздух.

Воздух применяется для естественного и искусственного охлаждения, последнее - с помощью вентилятора. При естественном охлаждении потери тепла происходят через стенку аппарата в окружающую среду. В зависимости от климатических условий и времени года возможно охлаждение теплоносителя воздухом до температуры 20-25°С.

Вода - наиболее распространенный охлаждающий агент. Ее достоинства: доступность, высокая теплоемкость, большой коэффициент теплоотдачи. Достигаемая степень охлаждения зависит от начальной температуры воды, которая обычно составляет 8-12°С. Низкотемпературные агенты (смесь льда с различными солями, холодильные рассолы) используют для охлаждения до температуры ниже 5-10°С, обычно не получаемой при применении воды.

Конденсация (сжижение) паров различных веществ путем отвода от них тепла проводится в аппаратах, называемых конденсаторами, в которых пар охлаждается холодным теплоносителем и переводится в жидкое состояние. Конденсация применяется с целью ускорения процесса выпаривания растворов, а также для улавливания ценных экстрагентов и растворителей.

Различают два вида конденсации: поверхностную, при которой конденсирующие пары и охлаждающий агент разделены стенкой, а конденсация паров происходит на ее внутренней или внешней поверхности, и конденсацию смешением, при которой конденсирующие пары непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом.

Поверхностная конденсация осуществляется в поверхностных конденсаторах, которые в конструктивном отношении ничем не отличаются от трубчатых или змеевиковых теплообменников. Они служат для улавливания паров ценного экстрагента или растворителя, в них всегда используют принцип противотока. Вначале пар конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования. В период конденсации температура пара неизменна, равна точке кипения, при которой он входит в конденсатор. После того как весь пар перейдет в конденсат, он охлаждается до заданной температуры. Вследствие конденсации пара в межтрубном пространстве конденсатора создается значительное разрежение (вакуум).

Конденсация смешением осуществляется в конденсаторах смешения путем введения холодной воды в струю движущегося пара. В прямоточных конденсаторах вода и пар движутся в одном направлении, в противоточных - навстречу друг другу. Эффективность работы конденсаторов смешения находится в прямой зависимости от поверхности соприкосновения теплоносителей, поэтому холодную воду разбрызгивают при помощи различных устройств. Наибольшая поверхность контакта пара и воды достигается пропусканием воды через ситчатые тарелки, трубы с отверстиями и переливом струй воды через края каскадно расположенных перфорированных полок, тарелок. Конденсаторы смешения используют при упаривании водных вытяжек. На рис. 4,7 изображен прямоточный конденсатор смешения. Соковый пар вводится в верхнюю часть конденсатора через штуцер (1), охлаждающая вода через штуцер (2). Вода перетекает с полки на полку в виде тонких струй через отверстия и борта. Нагретая вода вместе с конденсатом и воздухом удаляется мокровоздушным насосом через патрубок (3).

1. Что такое тепловой процесс? Какими способами распространяется тепло?

2. Почему в качестве источника тепла широко используется водяной пар?

3. В каких случаях используется «глухой» и «острый» пар?

4. Какие типы теплообменников используют для конденсации паров?

5. Какие типы теплообменников используют для нагрева и упаривания жидкостей?

6. Что такое парозапорное устройство и с какой целью его используют?

Технология лекарственных форм. Том 1-2 (1991 год) - часть 9