Процессы адсорбции в фармацевтической промышленности. Современные сорбционные установки

Введение Национальная безопасность в России подразумевает фармацевтическую безопасность, т.е. наличие лекарственных средств российского производства, что невозможно без внедрения наукоемких отечественных разработок в этой области. В настоящее время перед специалистами стоят задачи по разработке и внедрению новых активных фармацевтических субстанций, разработке новых составов лекарственных форм различной направленности действия, совершенствованию технологии производства лекарственных форм. Актуальность этой темы заключается в том, что необходимо обращать внимание на адсорбционные процессы и современные сорбционные установки в области фармакологии для определения фармацевтической безопасности в России. Цель работы: выявить характеристики, присущие процессам адсорбции в фармацевтической промышленности и современным сорбционным установкамЗадачи исследования:1.Рассмотреть процесс адсорбции2. Дать основные характеристики промышленным адсорбентам3. Определить применение адсорбционных процессов в фармацевтической промышленности4. Дать основные характеристики современным сорбционным установкамГлава 1. Общие сведения о процессе адсорбцииАдсорбция – процесс поглощения компонента (нескольких компонентов) из газовой смеси или жидкого раствора твердым материалом. Твердый поглощающий материал, используемый при адсорбции, называют адсорбентом, а поглощенный компонент – адсорбатом. Адсорбция в большинстве случаем обратима, обратный ей процесс – десорбция. Адсорбцию преимущественно применяют при малых содержаниях поглощаемого вещества в разделяемой смеси и при необходимости практически полного извлечения его. Адсорбция применяется для: - извлечения вредных примесей из газообразных и жидких технологических продуктов или полупродуктов (осветление растворов, осушка природного газа и т.д.); - извлечения высокоценных продуктов из технологических продуктов, газовых выбросов и стоков (ароматические углеводороды из коксового газа, летучие растворители из отходящих газов и т.д.)- очистки отходящих газов и стоков от токсичных, вредных и дурно пахнущих веществ (пары стирола). Адсорбция может быть физической и химической. Физическая адсорбция обусловлена действием сил Ван-дер-Ваальса между адсорбентом и адсорбатом. При химической адсорбции (хемосорбции) возникает химическая связь между молекулами адсорбата и поверхностным слоем молекул адсорбента. При поглощении адсорбентом паров в порах его происходит капиллярная конденсация адсорбата. Глава 2. Промышленные адсорбенты. Их основные характеристикиАдсорбенты – твердые материалы капиллярно-пористой структуры с большой удельной поверхностью пор. Удельную поверхность пор адсорбентов принято выражать в расчете на единицу их массы (на практике – м 2 /г). Поры делят по размерам на:- макропоры (размером более 2·10-4 мм); - переходные (размером от 6·10-6 до 2·10-4 мм); - микропоры (размером от 2·10-6 до 6·10-6 мм). В макропорах адсорбируется мало вещества из-за их небольшой удельной поверхности. Их роль в основном транспортная как каналов для перемещения адсорбата в переходные поры и микропоры. Поперечные размеры переходных пор, как правило, намного превосходят размеры молекул адсорбата. На поверхности переходных пор образуется мономолекулярный либо полимолекулярный слой адсорбата. Размер микропор близок к размеру молекул адсорбата, поэтому при адсорбции происходит их заполнение поглощаемым веществом.Поглотительная (адсорбционная) способность адсорбента – максимальная возможная масса поглощенного вещества в расчете на единицу массы (объема) адсорбента. Количество поглощенного адсорбата в расчете на единицу массы (объема) адсорбента называют его активностью, (равновесная активность – синоним понятия «поглотительная способность»). Основные промышленными адсорбентами являются:- активные угли;- минеральные адсорбенты (цеолиты, силикагели);- иониты (ионообменные смолы).Активные угли – продукты специальной переработки различных углей (древесного, каменного, костного). Для повышения активности и селективности углей они могут содержать различные добавки. Удельная поверхность активных углей составляет от 600 до 1700 м 2 /г. Наиболее распостраненными марками активных углей явбяются БАУ (древесный) и СКТ (каменноугольный). Применяются угли в гранулированном, порошкообразном, волокнистом (ткани) виде. Насыпная плотность их составляет от 260 до 420 кг/м 3. Активные угли наиболее эффективно поглощают пары органических веществ из газовых смесей, а также органические соединения из жидких сред. Недостатками активных углей являются их низкая механическая прочность и горючесть. У влажных углей равновесная активность резко падает. Одним из основных потребителей активных углей является сахарная промышленность, использующая их для получения белого сахара-рафинада. Высокоценные активные угли специального назначения получают из костей животных, а также из скорлупы орехов и косточек ягод. Силикагели – это продукты обезвоживания геля кремниевой кислоты. Удельная поверхность их составляет от 400 до 700 м 2 /г, выпускаются они в виде гранул размером от 0,2 до 7 мм. Насыпная плотность силикагелей находится в пределах от 400 до 800 кг/м 3. Силикагели применяются в основном для осушки газов, а также для извлечения кислых примесей из газовых смесей. Механическая прочность силикагелей значительно выше, чем у активных углей. Недостатками силикагелей являются их термическое растрескивание и низкая эффективность при улавливании органических паров.Цеолиты – это природные или синтетические минералы, по химическому составу они являются водными алюмосиликатами катионов первой и второй группы периодической системы. В промышленности в основном используются синтетические цеолиты. Цеолиты обладают молекулярно-ситовыми свойствами, т.е. способны поглощать молекулы, размеры которых больше размеров пор. Применяют для разделения углеводородов, осушки и очитки газов.Иониты – это природные и синтетические неорганические и органические вещества. Природные иониты – цеолиты, глинистые материалы, ископаемые угли.Синтетические иониты – плавленые цеолиты, ионообменные смолы и др. материалы. Иониты обладают подвижными ионами, способны обмениваться этими ионами с веществами, входящими в состав раствора – электролита. Иониты с кислыми активными группами называются анионитами, с основными активными группами – катионитами. Амфотерные иониты способны к катионному и анионному обменам с разделяемым раствором одновременно [2].Глава 3. Применение адсорбционных процессов в фармацевтической промышленностиАдсорбция лежит в основе клинического анализа крови на СОЭ (скорость осаждения эритроцитов). Так, при инфекционных заболеваниях в крови происходит обменная адсорбция: вместо ионов электролитов поверхность эритроцитов занимают молекулы белков. При этом заряд эритроцитов понижается, и они быстрее объединяются и оседают.Адсорбционная терапия применяется для удаления токсинов и вредных веществ из пищеварительного тракта. Такие адсорбенты, как гидроксид алюминия, оксид магния, фосфат алюминия, входят в состав препаратов альмагель, фосфалюгель. Активированный уголь давно применяется как адсорбент газов (при метеоризме), токсинов (при пищевых токсикоинфекциях), алкалоидов и тяжелых металлов (при травлениях).Хорошей адсорбирующей способностью обладает клетчатка. Содержание клетчатки у больных сахарным диабетом должно быть не меньше 25 г/1000 ккал: клетчатка замедляет всасывание сахаров, компенсируя повышение концентрации глюкозы в плазме после приема пищи.На основе оксида кремния создан препарат полисорб – неселективный полифункциональный энтеросорбент. Его применяют для выведения из организма патогенных бактерий и их токсинов, пищевых аллергенов, солей тяжелых металлов, радионуклидов, этанола, а также ядов различного происхождения [4].Глава 4. Современные сорбционные установкиДля очистки стоков фармацевтических производств в качестве опорной технологии часто рассматривается биологическая очистка. Однако применимость данной технологии к фарма-стокам ограничена: не все компоненты лекарственных препаратов обладают достаточной питательной ценностью для эффективного поддержания жизни биомассы, отдельные компоненты препаратов и даже полная композиция некоторых лекарственных средств могут быть не биоразлагаемы и/или губительны для микроорганизмов [1].Если предприятие выпускает широкий спектр препаратов, при этом не непрерывно, а чередуя выпуск разной продукции (частая ситуация на многих фармацевтических производствах), ситуация для биологической очистки становится еще хуже: при смене питательных субстратов старая культура лишается питательных веществ и погибает, а новая может не успеть вырасти. В некоторых случаях проблема может быть решена построением корректной системы усреднения стока вместо традиционного «усреднителя» (большой емкости, куда сливаются все стоки, и в которой, на самом деле, мало что усредняется), но не во всех случаях это возможно и/или эффективно.Таким образом, предприятиям фарм-отрасли следует с большой осторожностью относится к выбору биологической очистки в качестве опорной технологии: на многих предприятиях условия для корректной работы таких систем создать окажется затруднительно или принципиально невозможно.В этой связи предпочтительными для фармацевтической индустрии становятся современные физико-химические и мембранные технологии очистки стоков.Для небиоразлагемых соединений вариантов обработки принципиально несколько, и выбор зависит в первую очередь от природы компонетов препаратов: коагуляция, сорбция, мембранная фильтрация, окислительный «дожиг», или активация (как правило, озоном). В реальности обычно используется комбинация этих методов [3].Сорбционная доочистка биологически очищенных сточных вод активным углем применяется перед повторным их использованием для ирригационных, технологических и прочих нужд, перед узлом обессоливания или деаммонизации, а также при сбросе стоков в водоемы. В процессе адсорбционной доочистки активный уголь удаляет из воды биохимически неокисленные органические вещества, микроколичества ионов тяжелых Металлов, радиоактивных изотопов, хлорида ртути, солей серебра, хлорида золота, остаточный хлор, бактериальные и другие загрязнения.Марку активного угля выбирают с учетом структуры пор, прочности, зольности, рН водной вытяжки, насыпной плотности и фракционного состава.По фракционному составу угли промышленного изготовлений классифицируются на Два типа: гранулированные (размеры частиц более 1 мм) и порошковые (размеры частиц менее 0,25 мм).При доочистке от нефтепродуктов, ПАВ, детергентов, красителей и других веществ с крупными молекулами рекомендуется Применять угли марок БАУ, ДАК, ОУ; для снижения общего содержания органических веществ используют микропористые угли марок АГ-3, АГ-5, КАД.При перемещении угля прочностью на истирание менее 75% в адсорберах, системах транспортирования и регенерации потери за цикл составляют более 15%. Угли с зольностью более 8% не рекомендуется подвергать термической регенерации, так как при этом потери активной части составляют более 10%. Насыпная плотность, харастеризующая массу определенного объема сухого угля при нормальном его уплотнении, обусловливает порозность плотного слоя загрузки адсорбера. При насыпной плотности унас=0,35—0,5 г/см3 порозность угольной загрузки близка к 50%.Доочистка гранулированным углем осуществляется в адсорберах с плотным неподвижным или движущимся слоем загрузки либо с псевдоожиженным (кипящим) слоем загрузки при непрерывном фильтровании воды через уголь.Для доочистки больших объемов малоконцентрированных сточных вод применяют открытые фильтры с высоток угольной загрузки 1—2 м. Уголь укладывают на беспровальную решетку с колпачковым дренажным устройством или на слой гравия и мелкого щебня высотой 0,4—0,5 м, расположенный на обычной решетке с отверстиями 5—10 мм при шаге 10—20 мм. Для перегрузки фильтров используют гидротранспорт.Сточные воды с ХПК более 150 мг/л до- очищаются в колонных адсорберах открытого или напорного типа диаметром не более 5 м, высотой не более 12 м. Для равномерного распределения сточной воды по сечению колонны используют различные устройства: трубчатую систему, лотки, конические вставки, щебеночный или гравийный слой высотой 0,5 м.Для обработки малых объемов сточных вод можно применять напорные адсорберы Таганрогского завода «Красный котельщик» диаметром до 3,5 м и с высотой угольной загрузки до 2,5 м. Загрузка колонного адсорбера свежим углем производится в условиях противотока при скорости восходящего потока чистой воды 3—4 м/ч.В зависимости от конструкции адсорбера с неподвижной загрузкой отработавший уголь выгружается или через отверстие в нижней надгравийной зоне адсорбера при скорости восходящего потока 20—25 м/ч, или через верхнюю часть колонны при скорости восходящего потока 40—45 м/ч.При доочистке сточных вод в адсорберах с неподвижным слоем загрузки скорость потока воды v принимается 4—10м/ч, потери напора при этом составляют 40—- 60% высоты загрузки. При доочистке сточных вод с концентрацией взвешенных веществ более 10 мг/л значительно возрастают потери напора и ухудшается качество доочистки. Для обеспечения глубокой доочистки при одновременном полном использовании адсорбционной емкости угля в адсорберах с неподвижной загрузкой сточные воды пропускают последовательно через несколько групп параллельно работающих адсорберов. При полном использовании адсорбционной емкости угля в первых по ходу потока воды адсорберах их ставят на перегрузку и после заполнения чистым углем переключают в конец установки.Рис. 1. Адсорбер с движущимся слоем загрузки1 — подача сточной воды на очистку; 2 — отвод очищенной воды; 3 — подача чистого угля; 4 — сборный лоток очищенной воды; 5 — корпус адсорбера; 6 — уровень угольной загрузки в адсорбере; 7 — распределитель сточной воды; 8 — клапан выгрузки отработавшего угля; 9 — дозированная подача воды для выгрузки угля; 10 — отвод отработавшего угляРис. 2. Секционный адсорбер1 — подача сточной воды на очистку; 2 — эрлифт для выгрузки обработавшего угля; 3 — подача воздуха; 4, 5 — устройства для загрузки в адсорбер чистого угля; 6 — отвод очищенной воды; 7 — корпус адсорбера; 8 — подача воды; 9 — беспровальные решетки (площадь живого сечения i10%); 16 — Переток угля через эжекторные трубчатые устройства; 11 — гравийный слой; 12 — опорожнение адсорбераРис. 3. Адсорбер-флокулятор1 — тангенциальная подача воды на очистку; 2 — корцус адсорбера; 3 — периферийная камера; 4 — отвод смеси сточной воды с реагентами из центральной камеры в периферийную; 5 — отвод очищенной воды; 6 — сборный лоток очищенной воды; 7, 8 — подача коагулянтов и флокулянтов; 9 — подача угольного порошка; 10 — выпуск отработавших реагентовДоочистка сточных вод порошковым активным углем может производиться в адсорберах контактного типа, проточных адсорберах-флокуляторах или адсорберах с намывным слоем порошкового угля.При применении адсорберов-флокуляторов в камеру смещения вместе с порошковым углем для осаждения его подают коагулянты, например сернокислое железо и полиакриламид в дозе соответственно 40—60 и 0,5—1,5 мг/л. При использовании термической регенерации угля для его осаждения применяют только полиакриламид дозой 10—15 мг/л. Продолжительность перемешивания реагентов с водой в камере смешения составляет 3—5 мин. В периферийной камере обеспечивается хлопьеобразование и адсорбция при пребывании в ней сточной воды в течение 15—20 мин. Продолжительность пребывания сточной воды в отстойной камере, расположенной между центральной и периферийной, составляет 2 ч.В адсорберах с намывным слоем, выполненных в виде тканевых фильтров с предварительно намытым на подложку из перлита актирным угольным дорошком в количестве 2,5—10 кг/м2, скорость фильтрации принимается 2—4 м/ч.Расход угля в многоступенчатых установках определяется последовательно для кардоступени с учетом уменьшения коэффициента распределения по мере очистки. Коэффициент распределения определяется экспериментально как отношение а к равновесной ей величине С.При количестве отработавшего угля 0,5 т/сут восстановление его адсорбционной емкости производят обычно в установках термической регенерации. Они состоят из узла обезвоживания, узла сушки отработавшего угля, печи для регенерации, охладителя регенерированного угля и камеры дожига надтопочных газов.Отработавший влажный уголь гидротранспортом (при диаметре пульпопровода не менее 50 мм, скорости движения пульпы 0,8—1 м/с при Т : Ж—1: 6-1-1 : 8) подается на ленточный вакуум-фильтр для обезвоживания. Производительность фильтра 60—150 кг/(м2-ч) угля. Обезвоженный уголь подается в барабанную сушилку для сушки при температуре 150—200° С и затем в барабанную печь, работающую в режиме противотока. Продолжительность термообработки равна 20—30 мин при максимальной температуре в печи 800—950° С Расход природного газа составляет не более 1500 м3/г, расход водяного пара, подаваемого в печь, — 0,3—0,7 т на 1 т обрабатываемого угля. Регенерированный уголь разгружается в герметическую емкость, где охлаждается в течение 10—20 мин до температуры 50—70° С и замачивается. Отработавшие газы имеют температуру 300—500° С, содержат угольную пыль и количестве до 2% регенерируемого угля. Они очищаются от пыли и дожигаются при температуре 700—800° С. Расход свежего угля для компенсации потерь на истирание и сгорание за один фильтроцикл составляет 7—10% количества угля, поступающего на регенерацию [5].

Заключение

В работе рассмотрены адсорбционные процессы и современные сорбционные установки в области фармакологии для определения фармацевтической безопасности в России. Проведен обзор использования сорбционных процессов в технологии систем доставки лекарственных форм. Установлена возможность использования сорбционных процессов в системах доставки. Сорбенты выступают в роли носителей для различных лекарственных веществ при приеме per os, а также в роли дозаторов различных соединений в организме человека при использовании полимерных систем доставки в виде глазных пленок и стентов. Разработана модель сорбционной лекарственной системы, состоящая из сорбента-носителя, активного фармацевтического ингредиента и вспомогательных веществ, обеспечивающих десорбцию. Десорбция активного фармацевтического ингредиента может способствовать его модифицированному высвобождению.
Список литературы

Анализ сорбционных свойств // URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40726 (дата обращения: 11.12.2021).Общие сведения о процессе адсорбции // URL: https://www.belstu.by/Portals/0/userfiles/72/LK/LK-3-05.pdf (дата обращения: 10.12.2021).Очистка сточных вод фармацевтической промышленности // URL: https://tis-m.ru/ochistka-stochnyh-vod-farmacevticheskoj-promyshlennosti/ (дата обращения: 11.12.2021).Применение адсорбционных процессов в медицине // URL: https://studopedia.ru/4_79645_primenenie-adsorbtsionnih-protsessov-v-meditsine.html (дата обращения: 10.12.2021).Сорбционные установки // URL: https://vodalos.ru/spravochniki-stroitelya/spravochnik-proektirovshika/8/2/5/2 (дата обращения: 11.12.2021).