小试到中试全流程剖析

环保化工平台网 2021-01-12 06:10:24

 

工艺研发感悟1----工艺意识


首先从事工艺需要的三点意识:


1、平行反。这点适合在工艺研发初期使用。因为最初阶段,主要是对反应条件的优化,其中包括试剂当量,温度,浓度,反应时间等等变量,基于每次只改变一次变量的原则,所需反应数将是庞大的,尤其是在所要考察的变量较多的情况下。此时平行反应的概念就显得尤为重要,它可以大大提高条件优化的效率,使你在短时间内得到最优条件。


2、stress test。也就是破坏性试验。这是在工艺初步完成优化之后,对工艺适用范围的一次检验。因为在实验室和在工厂中每一个单位操作所需时间都是有差异的,所以在去工厂放大之前,要在实验室中模拟工厂的放大条件。找到一个稳定工艺的范围而不是一个点。这样才能安全的去工厂生产。


3、spiking experiment。也就是强化实验。这是在上述两项都完成之后,对工艺性能的验证,例如spec设定是否合理,杂质是否能够除去等等。

在具备了这三点意识之后,就是微观的具体工艺如何优化的问题了。工艺研发的不同阶段,决定了工艺研发的目标不同。从研发早期到研发晚期,目标依次为:


1、提高反应效率
2、提高产品收率和质量
3、减少成本
4、提高规模化生产力
5、减少废物排放


在工艺研发之前,一定要明白自己研发工艺的目标,从而让自己的所有和工艺研发相关的活动紧紧围绕研发目标而设计,提高自己的工作效率。而为了明晰自己的研发目标,则需要对现有工艺有一个深刻的理解和判断,这些理解和判断由提问开始:


1、工艺开发的阶段是什么?早期以交货为主,晚期以工艺研发为主。
2、时间有多少?根据时间的长短,来安排工艺研发活动的优先级。
3、现有工艺有哪些缺陷?路线是否合适?收率怎样?是否涉及到毒性试剂或者毒性物质?后处理是否方便?成本怎样?等等。主要是找出工艺中主要存在的问题,根据优先级,逐条列出来。


在理解了上面这些问题之后,自己就有了一个清晰明确的目标,对原工艺也有了一个深刻的认识,接下来就是根据具体问题来设计具体的实验来解决这些问题。
这里需要重点强调一下实验设计的重要性。


很多人都强调高效的工作方式,但这种高效来自于做事的目的性。如果做事目的性强,每一个行动都能针对特定的问题,而没有重复和返工,这就是高效。所以在实验之前,一定要想清楚自己这个实验是要验证什么,从而在其中有针对性的设计操作来实现自己的假设。比如最近在做的一个反应,生成之前,需要转化率的spec,但平时在实验室反应都是100%转化,那能不能设100%呢?当然不能,所以自己这个实验的目的就是验证转化率在什么范围内,自己的工艺过程能够接受。反应结束后,PSC发现转化率100%,于是自己向反应体系中加入一定量的原料,HPLC监测显示是4%,也就是现在转化率是96%,然后按原工艺进行后续操作,拿到终产品后,发现纯度和之前一样,并通过对中间过程的监测发现,多于的原料在中间的后处理过程已经被除掉,所以这个实验可以定义为转化率为96%时,该工艺可以接受。

在有了理性的实验设计之后,就是对工艺的具体研发和优化。这里涉及到更多的是经验部分,需要的是耐心的观察和积累。多做,多看,多想,多积累。这部分因人而异,并且自己也只有两年的工艺经验,就不在这里卖弄了。在日后过些时日,再把自己的经验与大家分享。

 

有感悟,要成体系:工艺优化和工艺特性研究是两个阶段,要加入实验设计,风险评估,关键步骤和关键工艺参数,起始物料和中间体的控制,要有整体考虑。工艺研究透了,还要明了质量研究,两者相铺相成。

 

做工艺优化,首先必须明确两点,产品的批量和质量。因为批量关系到你的工艺如何实现的问题,场地,设备,人员?而质量是硬性指标,必须符合。然后脑袋里必须一点意识,那就是压缩。工艺优化的原则之一就是压缩。包括成本,工时,体积,三废等的压缩。因为做工艺优化无非就是三点目的,降低成本,提高产能,有时还要求提高质量。成本和质量之间有时需要考虑折中,因为高质量必然带来高成本。知道了这几点,然后就是运用各种知识和工具去实现优化目标的问题了。


工艺研发感悟2----数据整理


工艺研发过程中数据量是巨大的,如果不定期对这些数据进行分析整理的话,就相当于这些反应都白做了.有些人觉得整理数据很麻烦,宁愿多做实验.但麻烦归麻烦,整理还是要需要的.只有对数据做了整理,才能从数据分析中看出目前工艺研发的效果怎样, 问题在哪,后续还需要做哪些实验来填补.而在众多需要收集的数据中,有两类数据尤其重要: 


1、HPLC Assay


HPLC Assay是做工艺研发中非常重要的一个数据,可以说是必备工具之一.它可以很方便的从固体,液体中得到产品含量.而前提是要有对应产品的标准物质(纯度要求比较高,HPLC纯度最好>98%,研发初期阶段可以通过柱层析得到少量标准物质).将其配置成一定浓度的标准溶液就可以用了(具体的计算方法请参考网络上zhangfei的PPT).通过HPLC Assay,可以方便的监测反应液,萃取液,水相,过滤母液,湿滤饼等中产品的含量,为后续研发可以提供如下指导:


1、产品分布.监测反应液的Assay yield,萃取时每次萃取液的产品分布,水相的产品分布,过滤时母液的产品分布,反应收率等等.通过这一整套数据分析,可以清晰的看到所用工艺的效果以及后续如何改进.


2、质量守恒.通过检测反应液的Assay yield,然后对比分离收率,找出差值,然后分析样品损失在哪个阶段,核对数据是否吻合.如果不吻合,则提示产品有可能在某一个过程分解了.


2、qNMR


qNMR可以揭示出产品的实际含量.常规的HPLC分析只能监测出带有紫外吸收的杂质,而对于那些没有紫外吸收的杂质,例如无机盐,重金属以及硅胶之类的物质是监测不出来的.而对于这些杂质,却可以通过定量核磁来分析.如果产品的HPLC纯度和qNMR纯度数据一致,说明产品质量没问题,而如果这两个数据不一致的话,则预示着这个产品有问题.下面我举三个例子来说明这个qNMR监测的重要性:


1、我曾经遇到过一个问题,HPLC纯度(210 nm)98%,而qNMR显示只有85%.做了几批都是如此.经过深入研究分析发现,我得到的不是羧酸,而是它的钠盐.随后将分子量按钠盐修订后重新计算qNMR,得到的实际含量是98%,两个数据吻合.


2、另外一个例子也是HPLC纯度98%,而qNMR只有90%.反复思考不知道是何原因.后来发现所得产品是HPF6盐(反应中用到了HATU),通过做磷谱验证了我们的推测.随后经过重新换算,其qNMR也是98%.


3、最后一个例子是产品HPLC纯度很高,接近100%,随后做重结晶时,却总是无法重复早已开发好的结晶工艺.百思不得其解.后来把产品做qNMR,发现只有70%左右,重金属监测发现有大量的Al残留,正是残留的Al导致了结晶不成功.


3、溶解度数据


化合物的溶解度是工艺研发中一个非常重要的数据.有了化合物的溶解度,我们可以设计化合物的萃取体系,打浆体系,结晶体系以及清洗工艺.所以溶解度的测定对于工艺开发者来说是一项非常重要的技能.


通常溶解度的测定有两种方法:平衡法和动态法.


平衡法:是将被测物在恒温下搅拌,静置后分析上层清液的组成作为该温度下的溶解度.

动态法分两种:一种是在一定量溶质和一定量溶剂的条件下,逐渐改变体系的温度使溶质完全溶解;另一种是溶剂的量一定,在一定温度下,逐渐增加溶剂里溶质的含量至平衡.


在实验室条件下,我们推荐用平衡法来测,具体方法是:称取已达到过饱和溶液的上清液配成一定浓度的溶液,通过HPLC Assay的方法,得到所取溶液中所含溶质的量,然后换算成其对应的溶解度.


通常拿到一个项目时,不一定对每个中间体都做溶解度的测定,但对于关键中间体,对于那些被设定为quality control point的中间体,推荐去做较为全面的溶解度测定.因为通常对于这样的点,我们要设计一定的纯化方法来控制它的质量,对应的我们需要知道它在什么溶剂中溶解好,什么溶剂中溶解度差,进而为我们设计更为合理的打浆或者结晶体系提供数据支持.



工艺研发感想3----杂质研究


工艺研发中产品质量是我们要达到的第一目标.如果产品质量不合格,工艺其他方面做的再好,都是徒劳.说到产品质量,就离不开杂质研究.尤其是越到后期阶段,杂质研究就越深入.


说到杂质,可以分为一下几类:


1.基因毒性杂质(Genotoxic impurity).有些物质是已知的基因毒性杂质,例如:甲磺酸酯类,卤代烃类,磷化物类等等.有些物质则要通过实验进行验证.对于有基因毒性alert基团(硝基,氨基,卤代基团,重氮等等)的化合物,可以先进行in silico的评估,对于有潜在基因毒性的化合物,再进行实验验证.如果实验结果为阳性,则证明该化合物为基因毒性化合物,反之,则归于常规杂质.对于基因毒性杂质,ICH要求对其进行严格控制,具体的限定标准要根据dose量,试验周期等来计算,通常要求ppm级.


2.重金属残留物.工艺中我们经常要用到含金属的试剂,例如Pd催化剂,Cu催化剂,Al催化剂等等.尤其是Pd和Cu催化的cross coupling反应在现在工艺路线中经常被用到,所以它们的残留,也是工艺研发中经常会遇到的问题.


3.反应副产物(side product)以及降解产物(degradation product).这个就多讲了,主要涉及到的是由副反应以及产物不稳定降解产生的物质.


4.carryover impurity.这部分杂质主要是由于原料没有完全参与反应,进而被带入产品中.或者是前几步的原料由于没有被完全消耗,被带入到下一步产物中,然后在相应的反应条件下,参与反应,进而被带入到下下不反应,或者一直如此下去,一直被带到API中. 


杂质研究也有不同的研究阶段:


1.对于早期阶段,更多的关注点被放在了如何除去杂质,而不对杂质结构做过多的解析.

2.而如果项目进行到了晚期阶段,则要求对杂质做更深入研究:解析杂质,研究对应的除去方法,了解杂质在工艺中的行为以及工艺可以承受的杂质范围. 


对于杂质研究的早期阶段,很重要的一个思维就是模块化.将每一步的整个工艺切换成若干个模块,然后分别研究每个模块的效果.这一模块化思维对于研究杂质尤其适用.下面举例说明一下.一步反应的工艺为:反应结束后,加水淬灭,有机溶剂提取产品,浓缩结晶,过滤,烘干.我们可以把这个工艺分为这几个模块:反应,提取,浓缩,结晶,烘干.于是我们会对每个模块做样分析,通过数据收集,对比分析,我们就可以看出每个模块的杂质情况,除去情况,纯化情况,以及杂质的走向.进而根据这些数据开评估每个模块的效果,然后做相应的调整和优化.


而对于杂质研究的后期阶段,只做以上这些就不够了.首先我们要对主要的杂质进行结构解析,这就要求我们对反应机理有比较深刻的认识和理解,推测可能的副反应和副产物,能够分离的,分离出来做图谱解析,不能够分离的可以做MS验证.这是整个阶段中最难的一部分.有了上面的知识,我们就可以根据它的结构性质,设计相应的应对策略,跟踪它在工艺中的行为.同时做相应的spiking实验来检测工艺对于它的承受范围.


因为杂质在产品中的含量很少,对于它的分离难度会很大.我们有几个途径来实现它:


1.如果根据该反应机理,我们推测出了它的结构,我们可以通过其他合成途径来合成它.

2.如果我们无法推测它的结构,只能通过把它分离出来,做图谱解析来确定结构,我们就需要找到办法富集它:要么通过强化反应条件,增加它的含量,要么通过收集母液富集它.


由于自己尚未亲自做过晚期项目,所以以上很多讨论只是出于自己的思考,如有不对之处,还请大家指教.


工艺研发感想4----模块化研究


工艺研发是一个多学科交叉, 相当繁琐庞杂的过程, 它涉及到的有最初的条件筛选, 中间的后处理优化, 后期的杂质研究和工艺验证, 以及最后的放大生产. 这是一个系统化的过程, 中间各个阶段虽然没有明确的界限, 但又有着明显的先后顺序. 而且开发的不同阶段, 需要关注的侧重点也不同, 导致所采用的工具和方法也就有区别. 因此在开发过程中, 如果我们将这整个工艺开发过程作模块化处理, 将繁杂冗长的开发过程, 切割为若干模块, 对不同的模块进行分派和开发, , 最后这这些模块再拼接起来, 从而收获对整个工艺研发过程的深入理解. 根据工艺开发的先后顺序, 我们将工艺开发分为以下几个模块:


1. 反应条件筛选和优化

2. 后处理工艺优化

3. 杂质研究和工艺验证

4. 工艺转移和放大生产

5. 洗涤工艺研究和三废处理 


1. 反应条件筛选和优化


对于这个阶段, 涉及到的主要工作是对反应试剂, 催化剂, 溶剂, 反应温度, 配比, 反应时间等主要的反应参数做优化. 而由于要找到各个参数对反应条件的影响, 也能找到各个参数的影响趋势, 因此基本的逻辑是固定其他的反应参数, 而只改变一个变量, 因此对于反应参数多的反应, 要做几十个反应. 因此对于这个阶段, DoE工具或者平行反应对于提高工作效率就显得尤为重要. 最重要的不是投反应, 而是反应前的实验设计和实验后的数据分析. 在投反应前, 一定要事先设计好实验, 究竟要考察哪些参数, 所设计的实验是否可以达到目的. 而实验后, 数据的结果是否能很好的得到结论. 至于如何做数据分析, 我在之前的'数据整理'版块已经详细介绍过了, 这里就不赘述了.


2. 后处理工艺优化


首先我们先要界定都有哪些常用的后处理过程, 它们有: 萃取分相洗涤, 旋蒸, 打浆, 结晶和重结晶, 过滤, 烘干.


对于萃取分相洗涤, 需要注意的是是否容易分相, 是否有乳化现象. 判断是否容易分相的一个简单判断标准是, 在分液漏斗震荡后, 静止30秒, 是否可以得到清晰的两相. 如果可以, 则放大分相问题不大, 而如果不能, 就需要优化了, 否则在放大时, 发生乳化的概率很大. 而对付乳化常用的方法有以下几类:


一, 增大密度差. 例如加盐水

二, 减少和水互溶的溶剂的量. 比如里面有大量的四氢呋喃, 可以先旋掉大部分, 再做萃取分相

三, 物理方法. 开动搅拌桨, 稍微震荡一下, 不要太剧烈. 或者先过滤, 将引起乳化的小颗粒过滤掉, 这在实际放大过程中会引起不必要的操作, 不推荐.


对于旋蒸, 有几个需要注意的问题: 一个是实际放大时, 蒸馏时间要远远大于在实验室小试时的蒸馏时间, 因此产品在旋蒸条件下的稳定性测试 (产品会否分解, 会否和溶剂反应)一定要做. 二是放大时不允许做蒸干操作, 因此旋蒸过程中如果后续步骤打浆或者结晶中要用其他溶剂, 涉及到溶剂置换的话, 要设置溶剂置换的点 (具体说就是旋到什么程度, 做溶剂置换, 在哪个点, 完成溶剂置换过程). 三是旋蒸过程中, 釜壁会否有结皮现象 (结皮会引起受热不均匀, 易引起产品分解,从而造成产品质量不过关), 溶液中会否有固体析出, 析出固体会否结块, 如果析出固体太多, 会否有搅拌不动现象等等都是需要解决的工艺问题. 这类情况要具体问题具体分析.


对于打浆, 结晶和重结晶. 打浆主要是注意固体的颗粒度问题, 颗粒太细, 过滤时会比较慢, 同时容易出现串滤现象. 还有就是固体的粘度问题, 固体比较黏, 容易引起挂壁现象, 也容易引起结块儿 (结块一则影响搅拌, 一则会包夹杂质, 导致产品质量不过关). 结晶和重结晶. 这里面学问比较大, 也有很多专门的文献和书籍介绍, 我就不在这里卖弄了.


对于过滤. 首先需要关注的就是过滤速度. 对于评估过滤速度, 在实验室有一个公式, 它有滤饼厚度, 直径, 过滤时间等几个参数, 收集这几个参数, 然后会给出分数, 据此作出判断. 这需要化学工程方面的同事帮助. 其次就是是否会串滤. 串滤会严重影响收率, 同时给操作带来巨大麻烦. 然后就是关注过滤所用的设备: 通常有neusch和离心机两种. neusch通常是过滤, 搅拌, 烘干三合一或者过滤, 搅拌二合一, 因此过滤完后, 加溶剂洗涤, 它可以对滤饼进行搅拌, 这样溶剂可以和滤饼充分接触, 洗涤过程也有少量纯化作用, 它的确定是构造复杂, 清洗困难, 不适合多功能车间. 而离心机, 过滤时滤饼贴在滤布上, 然后一层一层铺开, 加溶剂洗涤时, 溶剂只是淋在滤饼表面上, 且停留时间比较短, 基本对滤饼没有纯化作用, 只是带带溶剂, 它的优点是过滤快, 构造简单, 易清洗.


对于烘干. 由于放大产品量大, 烘干时间要比在实验室长, 因此首要的是做稳定性测试. 其次要注意在实验室烘干后的产品是否有结块或者粘壁现象? 这通常是湿滤饼中产品融化导致的, 它会引起产品纯度不够或者溶剂残留不过.


3. 杂质研究和工艺验证


对于杂质研究, 这部分内容主要在杂质研究一篇中有所阐述. 而且自己接触这一块时间也不长, 这里就不详细展开了. 需要提醒的是杂质研究是工艺研发过程中的重中之重, 这部分研究做好做透了, 可以大大提升我们的产品质量. 使之质量可控有保证.


对于工艺验证, 这里指的是验证我们的工艺是否足够robust, 而不是指工艺能否能在工厂放大生产的可行性. 对于这一块, 其实和杂质研究有很大的相关性, 因此我把他俩放在了一起. 简单来说工艺验证就是验证我们工艺过程中所设的specifiction是否合理, 所设的点是否合理, 是否容易实现. 如果是, 那么说明我们的工艺足够robust, 如果不是, 那我们还需要对工艺做一些优化, 从而达到这个要求. 对于spec的设定, 主要是为了确保我们得到的产品质量符合要求. 因此spec设定多少, 需要有充足的实验数据支持. 例如反应转化率我们设定为>98%, 如果我们在生产过程中只能达到97%, 是否会对最终的产品质量有影响呢? 如果没有, 那这个98%设定的就不合理. 最佳情况就是spec设定在临界点处, (当然这个临界点指的是向上的临界点). 而实现方法就是尽可能多的做spiking实验, 在反应过程, 在后处理过程, 在纯化过程, 通过这些spiking实验, 找到我们所需要的临界点, 从而对我们的工艺有一个比较准确全面的认识.


4. 工艺转移和放大生产


对于工艺转移, 主要考察有以下几点:


一, 开发的工艺和中试或者工厂设备的匹配程度.


在工艺做好之后, 将工艺转移至中试或者工厂放大时, 要考虑我们所开发的工艺是否适合工厂的设备要求. 当然对于有经验的工艺开发人员, 在工艺研发之初就已经把设备因素考虑进去了, 这样可以大大提高工艺研发的效率. 如果有些细节部分不是和设备完全匹配的话, 这时就要结合设备的要求在实验室中对工艺做一些调整. 


二, 工艺是否能够在中试或者工厂完全重现.


通常实验在实验室小试和在工厂放大会有很大的区别, 尽管我们会做各种实验去评估放大因子, 但实际放大过程中, 还是经常出现和小试情况不匹配的问题, 我们称之为偏差. 当预生产批次出现偏差时, 这是一个很好的深入了解所开发工艺的过程, 所以对于偏差的处理就显得尤为重要. 很多人只是忙于生产, 所以跳过调查原因的环节, 只是寻找解决办法, 从而把出现的偏差弥补过来, 保证下面的生产顺利进行. 这样的做法我们不推荐, 因为它漏掉了一个很重要的环节: 寻找roote cause. 只有把引起偏差的原因找到, 再做下一批次时, 才不会再范同样的错误. 当然有时候, 交货任务确实很重, 这时可以先跳过原因寻找, 不过在完成生产之后, 一定要把roote cause找到, 从而把偏差关掉. 只有这样严格要求, 才不至于在生产中重复犯同样的错误. 那么如何去寻找roote cause呢?尤其对于一些很微小的原因引起的偏差确实不易发现, 这里推荐<practical process research & development >"中文版第十五章故障排除"里面的分析偏差的方法. 我认为找原因的思路很重要, 确定了思路后, 在相应的设计实验来验证. 按照文章中的方法, 绝大多数的偏差的roote cause都能找到.


对于放大生产. 在完成了上述的工艺转移之后, 就是按部就班的生产了. 这里有两点需要注意:


一, 对操作人员的培训. 在开始生产之前, 一定要由生产经理或者车间主任对将要参与生产的所以操作人员进行培训, 要细化的每一个操作, 不仅要知道如何操作, 还有让他们明白每个操作的意义, 以及不正确操作可能带来的影响. 这样做主要是减少实际生产过程中的误操作风险.


二, 对中间的分析样品留样, 以备将来追溯用. 设立专门的留样室, 由分析人员专人管理, 在送分析样品时, 也要送两份, 一份做分析检测用, 一份专做留样用. 可追溯性是对大生产的一个很重要的要求.


5. 洗涤工艺研究和三废处理


对于洗涤工艺研究, 很多研究人员容易忽视, 尤其是刚开从事工艺研究的人员. 但在实验室刷一个瓶子简单, 而放大到工厂后, 如果要刷, 那就意味着工作人员要钻进反应釜去刷了, 可以想象难度有多大. 因此我们在开发工艺的同时, 一定要开发一个合适的洗涤工艺. 这个洗涤工艺主要就是研究反应产物以及所用到的试剂的溶解性. 这里遇到问题最多的就是活性炭的处理. 对于有些反应需要用活性炭脱色或者除钯时, 反应处理完后附着在釜壁上的活性炭洗涤是一个大问题, 由于它溶解度差, 常规方法通常无法把它洗干净. 现在有一个改进方法, 市面上有商品化的碳柱, 将要处理的反应液流过碳柱, 即可达到目的.


对于三废处理. 由于现在对环保的要求, 三废处理也一直是各大药厂的一个很大开支. 至于如何做到合理的三废处理, 本人目前经验尚浅, 就不赘述了.


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