干式螺杆真空泵在原料药生产工艺中应用.doc

干式螺杆真空泵
在原料药生产工艺中的应用
一、概述
　　在制药装备行业中，常有真空蒸发、真空浓缩、真空结晶、真空输送、真空灭菌、真空干燥、真空包装和真空混合乳化等真空类设备。这些设备都必须配备真空泵，常用到的真空泵有液环式真空泵、水喷射泵、水蒸汽喷射泵等，目前干式真空泵在制药行业的应用越来越广泛。
采用溶媒结晶工艺的原料药，通常在结晶后进行过滤(固液分离)、洗涤和真空干燥。常见的真空干燥器有双锥干燥器和过滤洗涤干燥一体机(三合一)。固液分离的工艺不同，物料含湿量不同，含湿量(干基)通常在20%~200%。干燥后原料药成品的含湿量(干基)一般要求低于5%(结晶水除外)。湿物料所带溶媒通常是易燃、易爆、有毒、有害的危险化学品，它们在干燥过程中被真空泵组抽走。

原料生产工艺药流程图：

真空泵组有湿式和干式两大类。传统的湿式真空干燥系统由于受使用湿式真空泵工作时需要液体做工作液及湿式真空泵所能达到的极限真空的局限, 不仅能耗高、生产效率低、不能充分回收溶媒，而且产生大量的废水、废气；这不仅对化学制药企业形成成本压力，更对健康、安全和环保带来挑战。采用干式真空系统，不仅可以实现溶剂的全回收, 以及废水和废气的零排放，而且可以做到节能和生产效率的大幅提高。
二、有机溶剂的特性及其冷凝方式
原料药生产常用的溶媒是甲醇、丙酮、乙醇等有机溶剂或其它复合溶剂，它们的共同特点是低沸点、高饱和蒸汽压。对于抽滤和干燥工艺来说，通常有真空泵前和泵后冷凝两种方式，也称为进气侧冷凝和排气侧冷凝，都需要把介质冷却到工作压力对应的沸点之下。几种常用有机溶剂的蒸汽压曲线(见图1)。从曲线看出，在干燥工艺的极限压力范围(0.1 ~100 Pa)内，三种溶剂的沸点在-90℃与-30℃之间，必须采用深冷或冷阱冷凝。而在常压下(≤ 1.013×105Pa)，三种溶剂的沸点在56℃与78℃之间，只须用循环水即可冷凝。二者比较，排气侧冷凝回收的条件最简单，也是最经济的。

三、湿式真空系统
湿式真空系统普遍选用液环泵或液环罗茨真空泵组。液环泵的密封冷却液在运行中会溶解或吸收部分有机溶媒，在气液分离器中分成废气和高浓度有机废水(或废液)，这两部分都需要处理。针对湿式真空泵运行原理和有机溶剂的特性，有多种湿式干燥真空系统(流程见图2)，各系统的特点如下：

1、泵前冷凝溶剂型(见图a)
在泵前加冷凝器或冷阱，回收部分溶剂。优点：回收了部分溶剂，提高了真空系统效率。缺点：需要配置深冷或冷阱，投资和运行成本高。

2、废水直排型(见图b)
泵前、泵后没有处理，废水直排污水处理装置或委外处理。缺点：污水处理负荷大，耗水量大，成本高。

3、废水循环型(见图c)
密封液冷却循环使用，定期处理溶解饱和的废液。优点：耗水量降低。缺点：液环泵会出现气蚀现象和效率降低现象，废液处理成本高。

4、泵后回收溶剂型(见图d)
　　对废液进行蒸馏或膜分离回收溶媒，废液冷却循环再用。优点：回收大部分溶剂。缺点：回收系统占地面积大、能耗高(尤其是蒸馏回收)、投资和运行成本高。

从上述分析看出，虽然设计了多种湿式真空系统，以期回收溶剂，减少污染排放，但效果不佳。这是由溶媒特性和湿式真空泵本身特点所决定的，只有使用干式真空系统和配套的冷凝回收系统，才能彻底解决这个问题。

四、干式螺杆真空泵简介
　　干式真空泵是相对液环泵而言，泵的工作腔内不需要密封冷却液而得名。干式真空泵由于没有密封液，且排气压力大于大气压，就可以在排气侧对排出的气体进行冷凝。
干式真空泵有罗茨泵、爪式和双螺杆式等。干式螺杆真空泵具有运行效率高、寿命周期长和成本低的优点，已逐渐成为应用最广泛的干式真空泵(结构见图3)。

图3　干式螺杆真空泵结构图
　　干式螺杆真空泵的转子是一对间隙很小且互不接触的螺杆，通过同步齿轮变速后，推动气体向出口运动。它的优点是：
1、可以在大气压和极限真空下全速运行；
　　2、单级可以达到较高的真空度，极限压力2-5Pa；
　　3、泵工作腔内没有油或水接触工艺气体；
　　4、转子互不接触，减少了磨损；转子、壳体、过流部件可以采用特氟龙、哈氏合金等防腐涂层；
　　5、泵内气体通道短，可以快速排气；
　　6、既可以单独运行，也可以作为前级泵运行。
　　干式螺杆真空泵有等螺距和变螺距两种，又称外部压缩螺杆和内部压缩螺杆。变螺距螺杆泵与等螺距螺杆相比，排气温度更低，效率更高。

五、干式真空系统在原料药生产工艺中的应用
（一）在原料药结晶工艺中的应用

结晶是从均一溶液中析出固体晶体的过程，一般包含过饱和溶液的形成、晶核生成、晶种成形三个过程。从目前化学原料药生产看，存在的问题主要有结晶析出不彻底、纯度不够、晶型差或不一致、结晶时间过长、发生粘壁等现象。
工艺介绍：将前道工序制备的青霉素钠盐溶液通过真空上料进入到结晶罐中，在真空状态下通过蒸气加热、搅拌器搅拌、添加丁醇将青霉素溶液中的水分和丁醇抽到冷凝器中冷凝至集液罐，可重复利用。见示意图：（干式真空泵在结晶工艺中的流程图）

工艺要求：
1.结晶罐容积为7.5m3，工艺过程添加青霉素溶液4.5m3左右。
2.进结晶罐前青霉素溶液含水量20%左右，结晶后要求含水量1%左右。
3.真空上料2h，后加丁醇30min，之后开始结晶，过程要求低温快速，温度越低青霉素品质越好。反应时间越短越好。
真空度要求：真空度保持在-0.097MPa以上，高真空度可降低反应温度，缩短反应时间。
对干式螺杆真空泵累计试验生产4个批次的工艺参数表如下：

表1：结晶工艺参数表
生产批号
结晶时间（h）
产品品质
结晶温度（℃）
真空度（KPa）
溜出液体积（L）
1011511029
4.6
良好
36
-97
1830
1011511030
4.7
良好
37
-97
1820
1011511031
4.4
良好
33
-98
1790
1011511032
4.5
良好
34
-98
1795
该结晶工艺之前真空系统为2BE1252+大气喷射器，现改造为螺杆真空泵，试验数据对比表如下：

表2：液环泵与螺杆泵效果对比
真空系统
2BE1252+喷射器
ESDP1500螺杆泵
进料时间（h）
2
1.5
开始结晶时液温（℃）
31.5
16.6
结晶时间（h）
6
4.5
开始结晶到溜出液时间（min）
30
15
晶体品质
一般
良好
消耗功率（KW）
45
37
水消耗量（m3）
26.4
0.72
由上述两表可得出结论：干式螺杆真空泵可完全替代液环真空泵+大气喷射器，并且在功率消耗、水消耗、生产效率、产品质量等有明显优势。
经济效益分析：
结晶工艺的经济效益主要表现在节约用水、节约能耗、提高生产效率这三方面：
节约用水见表3

表3：用水量及费用
真空泵
用水量（m3）
液环泵2BE1252
26.4
螺杆泵ESDP1500
0.72
注：自来水按4.5元/吨计，污水处理费按30元/吨计，每次工艺节省水费用：886元。
节约能耗见表4
表4：能耗及费用
真空泵
能耗（KW）
液环泵2BE1252
45（每次工艺6h）
螺杆泵ESDP1500
37（每次工艺4.5h）
注：电费按1元/度，每次工艺节省电费：104元
生产效率提高更少工时内完成生产任务，相应降低人工成本，每次工艺约节省人工成本：300元。
综上：每次工艺4.5h，可节省费用300+104+886=1290元，每天进行两次工艺生产。
投资回收期：ESDP1500螺杆真空泵改造投入约为330000元，预计投资回收期330000/2580=128天。
环境效益：干式螺杆泵的应用还可减少水污染处理费用。
（二） 在有机溶剂抽滤工艺中的应用
1、在制药工艺中有很多的步骤需要将固、液混合物中的固体与液体分离，在这个分离过程中大多使用抽滤方式来实现。实验测试液体组成为95:5的丙酮、乙醇混合液，使用干式螺杆真空泵的工艺流程如下：

图5 干式螺杆真空泵在抽滤过程中的工艺流程图
2、对干式螺杆真空泵累计试验生产7个批次的抽滤时间、有机溶剂回收量统计如表1

表1 抽滤时间及丙酮回收量
生产批号 累计抽滤时间/min 丙酮回收量/L
1510008 90 115
1510009 70 85
1510010 70 90
1510011 115 120
1510012 85 95
1510013 105 110
1510014 95 90
平均抽滤时间每批90 分钟；平均回收丙酮量705升/630分*60 分/小时=67 升/小时。
统计正常生产条件下用水环真空泵抽滤的30批产品，平均抽滤时间为96分钟。
对比实际应用的统计数据，每批产品抽滤时间基本相当。证明干式螺杆真空泵可以满足制药工艺中有机溶剂抽滤的工艺要求。
（1） 经济效益分析：
干式螺杆真空泵应用的经济效益来源于有机溶剂回收、节约用水、节约能耗三个方面：
冷凝回收有机溶剂效益：冷凝回收的有机溶剂经过蒸馏后可返回生产使用，可相应减少工业丙酮的使用量，达到节约成本的效果。
溶媒回收效益见表2
表2 溶媒回收量及节约费用
真空泵 溶媒回收量及节约费用
抽滤每天运行8小时
SDP600螺杆真空泵 平均每小时可回收有机溶剂为67升，取样检测回收
的有机溶剂中丙酮含量平均为92.5%
节约成本：67升/小时*8小时*92.5%*90%*0.785公斤/升*（7-1.5）元/公斤=1926元/天
注：工业丙酮采购价格为7元/公斤；精馏回收丙酮的成本约1.5元/公斤；精馏回收回收率为90%；丙酮密度按照0.785g/mL计算。
节约用水见表3
表3 用水量及费用
真空泵 用水量及节约费用
SDP600螺杆真空泵 只需要夹套使用小量循环水降温即可，基本不耗水

注：水环真空泵耗水每小时1.5T，每天5小时；自来水费按4.5元/ 吨计，污水处理费按30元/吨计，则每天耗水费用259元。
节约能耗见表4
表4 用电量及费用
真空泵 用电量及节约费用
SDP600螺杆真空泵 功率15KW，水环泵功率22KW

注：每天8小时，电费按1元/度，每天节电56元。
（2）投资回收期：SDP600螺杆真空泵及冷凝收集装置的改造投入约为180000元，预计投资回收期180000/(1926+259+56)=52天。
（3）环境效益：干式螺杆真空泵的应用，可以带来巨大的环境效益。
采用干式螺杆真空泵，在真空泵后增加冷凝器常压冷凝回收有机溶剂，选择回收的冷凝器换热面积，挥发的有机溶剂气体可以大部分冷凝回收，大大减少了挥发性有机溶剂气体排放。
干式螺杆真空泵可以采用循环水冷却的工艺，大大减少了有机溶剂的废水排放。
回归到上述的应用实例，每天可减排有机溶剂（废气、废液）350kg，减排含溶剂废水10吨。

（三） 在减压干燥工艺中的应用
溶剂结晶工艺的原料药生产过程中，需要使用减压干燥，以去除湿料中所含的有机溶剂、水分。目前行业中普遍的做法是采用水环泵的真空机组来提供真空，粉料干燥时，溶剂蒸发后进入水环泵的工作液（水）中，再以气态（二次挥发）挥散到大气中，或随废水排放，增加废气废水处理压力，采用干式螺杆真空泵，可以显著的降低有机溶剂的排放，并收到良好的经济效益。
1. 工艺流程图

图6 干式螺杆真空泵在减压干燥过程的工艺流程图

2. 试验生产了7批，收集各数据统计如表4
统计用水环真空泵加罗茨真空泵组合用于减压干燥生产的30批产品，平均干燥时间为1033分钟。试验数据证明干式螺杆真空泵可以满足制药工艺中减压干燥过程的工艺要求，在达到同等干燥效果的前提下时间缩短一半，并且可以回收有机溶剂。

表4 统计表
产品批号 总干燥时间/min 丙酮残留《0.5% 冷凝溶媒体积/L
15031030 1099 合格 300
15031032 1021 合格 300
15031034 1029 合格 280
15031036 914 合格 290
15031038 911 合格 290
15031040 968 合格 340
15031042 933 合格 280

平均干燥时间982分钟，平均回收溶媒2070升/7批=295升/批

3. 经济效益分析：
干式螺杆真空泵应用的经济效益来源于有机溶剂回收、节水、节电、生产效率的提高四个方面。
（1） 冷凝回收有机溶剂效益：冷凝回收的有机溶剂经过蒸馏回收后可返回生产使用，可相应减少工业丙酮的使用量，达到节约成本的效果。见表5
（2）
表5 溶媒回收量及节约费用
真空泵 溶媒回收量及节约费用
减压干燥工序平均每批干燥约6小时，每天1批计；
SDP600螺杆真空泵 平均每批可回收有机溶剂量为295升
取样检测冷凝回收的有机溶剂中丙酮的含量平均为92.7%

节约成本：295升/天*92.7%*90%*0.785公斤/升*（7-1.5）元/公斤=1063元/天
注：工业丙酮采购价格7元/公斤；蒸馏回收丙酮的成本约1.5元/公斤；蒸馏回收率约为90%；丙酮密度按0.785g/ml计算。

（2）节水效益见表6
表6 用水量及费用
真空泵 用水量及费用
SDP600螺杆真空泵 只需要夹套使用小量循环水降温即可，因此基本不耗水

注：水环真空泵耗水按每小时1.5T，每天1批12小时；自来水费按4.5元/吨计，污水处理费按30元/吨计，则每天耗水费用621元。

（3）节约用电效益见表7

表7 用电量及费用
真空泵 用电量及费用
SDP600螺杆真空泵 功率15KW

注：水环真空泵功率22KW，每天1批12小时；电费1元/度，每天节约用电费用7*12=84元

（4）生产效率提高见表8
表8 干燥时间及费用
真空泵 干燥时间
SDP600螺杆真空泵 6小时
水环真空泵 12小时

注：水环真空泵干燥1批约12小时，螺杆真空泵干燥1批约6小时，干燥时间缩短一半，生产效率提高一倍。
（5）投资回收期：约180000/（1063+621+84）=102天。生产效率提高一倍，则投资回收期为51天。

4.环境效益：干式螺杆真空泵的应用，可以带来巨大的环境效益。
（1）采用干式螺杆真空泵，在真空泵后增加冷凝器常压冷凝回收有机溶剂，选择回收的冷凝器换热面积，挥发的有机溶剂气体可以大部分冷凝回收，大大减少了挥发性有机溶剂气体排放。
（2）干式螺杆真空泵可以采用循环水冷却的工艺，大大减少了有机溶剂的废水排放。

六、结论
实践证明，干式螺杆真空泵在原料药生产工艺中应用是有效可行的。不仅可通过降低产品的干燥时间缩短工艺周期、提高生产效率、降低用水量、节约能源、提高产品品质、回收溶媒产生明显的经济效益，同时可减轻废水、废气处理压力，收到显著的环境和社会效益。
随着国家节能减排、环保政策的逐步落实，不仅在新建项目原料药生产工艺中采用干式真空系统已经成为一种趋势，而且在技改项目中必将全面取代湿式真空泵系统。