原料药企业发展研究论文（精选7篇）
原料药企业发展研究论文 篇1
当前经济全球化、贸易自由化的进程越来越快, 由于地区间经济发展的不平衡, 以及产业梯度转移的深入实施, 污染转移问题日益受到人们的关注。经济学家、社会学家和环境学家等一直对自由贸易和环境问题的关系保持着密切关注。他们注意到在目前盛行的南北贸易模式中, 从表面上看发展中国家似乎呈现出比较优势, 而实际上却潜藏着“环境成本转移”和“专业化陷阱”等隐患。这种局面的继续和蔓延将不利于发展中国家甚至整个世界的可持续发展。当前, 我国原料药生产正处于承接国外向国内的产业转移, 同时也面临国内东部向西部的产业转移, 如何保持产业梯度转移中我国原料药企业可持续发展为人民所关注。
一、环境污染转移原因与影响
1、环境污染转移原因。
在全球化的过程中, 我国积极承接国际以及发达国家的产业转移, 但是国际产业转移中有很大一部分属于污染密集型产业, 这给我国的环境以及人民的身体健康带来了极大的危害。造成环境污染转移原因主要有以下几个方面:发达国家和发展中国家环境标准的差异;发达国家和发展中国家经济实力存在差距;发达国家和发展中国家的公众环保意识有明显差距;发达国家和发展中国家关于跨国环境污染的法律法规存在差距;环境成本的外部化。
无论是国际产业转移还是区际产业转移, 企业是转移的主体, 而企业投资区位选择及生产经营活动取舍, 主要考虑的是成本因素。这种成本, 除了直接的生产费用之外, 至少还应包括因环境外部性内在化而由企业承担的那部分开支。根据庇古模型, 环境外部性内在化过程也就是“边际私人净产值”不断趋近“边际社会净产值”的过程, 其实质是让生产污染的企业或个人而不是社会或他人来承担相应的污染治理费用。因此, 在一定程度上, 环境外部性内在化的过程也就是污染控制的实现过程。
2、环境污染转移的影响。
发达国家和发展中国家之间的经济贸易不但促进双方经济发展, 有时会导致“环境成本转移”, 甚至可能会导致发展中国家大量生产资源密集型产品陷入“专业化陷阱”, 虽然污染转移可能完全符合市场经济规则, 符合交换的自愿性和当事人共享“帕累托改进”的双赢性, 但不符合可持续发展原则, 造成发展中国家经济的不可持续性。并非所有的比较优势都会促进经济的发展, 一些缺乏动态比较优势的国家甚至会陷入经济停滞。除此之外, 环境污染转移的结果具有明显的不经济、非持续、低效率和不道德性。主要体现在:一是环境污染转移加剧了世界的不平衡, 在经济全球化下尤甚;二是其低效性表现在“重复落后”和“倒退现象”上, 即一个社会已经拥有更高效率包括对环境更珍视的技术, 却弃之不用, 硬要在落后地区采用更落后的技术, 包括重演已被发达国家淘汰的技术发展过程。造成发展中国家竞争优势减弱;三是把污染转移到劣势或弱势群体身上, 使其后代在恶劣的环境下生长, 从生存机会和事实上来讲都是不道德的行为。
有研究表明:发达国家经济增长与发展中国家非再生资源的出口是有联系的, 发达国家经济增长有以下特点:越来越多地消费发展中国家的非再生资源;非再生资源出口国的贸易条件恶化。
发展中国家由于陷入“专业化陷阱”, 其承担的环境成本没能内部化到产品价格中, 发展中国家因而出现福利损失和环境损失, 而发达国家的最终消费者无形中得到了补贴。发达国家得以以低于产品实际成本的价格进口消费非再生资源产品, 发展中国家被迫承担了不合理的环境成本。目前相当多的发展中国家由于收入差距和发达国家相去甚远, 陷入了“专业化陷阱”当中, 而目前的国际贸易体系对此还起到强化的作用。在国际上, 关税保护使制成品的关税一般高于初级产品和半成品, 由有效保护率 (其中ti表示半成品关税税率, tj表示最终产品的关税税率) 可知, 当tj一定, ti愈低, 最终产品的保护作用愈大, 对进口国愈有利;反过来会阻止产出国对初级产品的深层次加工, 造成出口国对自然资源的过度开发利用。因此, 从关税结构上看, 贸易自由化有利于发达国家, 不利于发展中国家, 这种干预的结果导致畸形贸易, 阻碍了资源对环境的有效配置。
二、对我国原料药企业可持续发展的启示
1、原料药企业面临的环境风险。
目前世界上原料药生产区域主要分布在西欧、北美、日本、中国和印度, 呈现向中国、印度、巴基斯坦等发展中国家转移的势趋。发生原料药生产转移的主要原因是欧美地区生产成本不具竞争优势, 一是短期内技术不难有大的突破, 另一方面欧美地区环保要求逐渐提高, 环保成本较高。伴随着国际原料药产业向中国、印度等亚洲国家转移, 我国国内的原料药生产也开始了新一轮的转移, 那就是走向西部。除了环保问题, 煤、电、油、运的紧张也是促使这些原料药企进行搬迁的原因之一。全球原料药产业链转移导致了中国基础型大宗原料药国际市场的销量大增, 甚至供不应求, 奠定了我国基础型大宗原料药生产大国地位。但同时也应看到:原料药生产一个很大的特点是原料生产种类多、量大, 原料利用率低, 一般10—40多公斤原料收1公斤产品, 有的产品甚至上百公斤原料生成1公斤成品。由于化学合成工艺比较长, 反应步骤多, 最终成品只占原料消耗的5%—15%, 而绝大部分辅助性原料等却转化为“三废”造成环境的污染。与此同时, 由于国内环保标准较低, 环保意识薄弱, 国外的原料药环保成本一般占到总成本的1/3, 而国内只占到1/6。产业转移的背后隐含着原料药企业难以承受的环保成本, 在原料药饱受能源、原材料涨价导致利润下滑的状况之下, 环保成本更为突出。以出口为利润主体的化学原料药产业, 可以说是我国医药制造工业中污染最为严重的产业, 其产品以出口为主, 在其他国家消费产品维护人体健康的同时, 却把资源消耗和碳排放的双重代价留在了中国。
2、原料药企业可持续发展的战略。
原料药企业可持续发展是我国实施可持续发展总体战略的一个重要组成部分, 对促进经济、社会和环境的可持续发展具有重要意义, 因此, 必须摒弃原料药生产国际、国内转移以牺牲生态环境为代价的经济增长模式, 将原料药企业可持续发展提到战略高度, 实现经济效益、社会效益、环境效益的统一。实现竞争优势导向的跨越式产业发展战略, 在充分发挥原料药现有比较优势的基础上, 通过培育技术创新、制度创新、结构创新等途径推动原料药产业竞争力的迅速提高, 实现扬长避短与优胜劣汰的有机结合, 从比较优势向竞争优势转变, 避免“环境成本转移”和“专业化的陷阱”的负面影响。
三、原料药企业可持续发展具体建议
1、加快对传统原料药生产结构的战略性调整, 切实抓好经济增长方式的转变。长期以来, 我国化学原料药一直是生产粗放、出口量大、技术含量低, 靠规模和低价格取胜。我国化学原料药走的这条粗放增长之路, 很难保持持续快速增长, 原料药将受到出口受阻、低碳经济发力、传统领域竞争加剧等多重挑战。随着环保压力的增大和低碳产品认证的推进, 高污染、高消耗的化学原料药产业也不可避免地面临产业转型或升级。在原料药企业的可持续发展过程中, 要充分运用科学技术手段, 切实转变经济增长方式, 从原来的数量规模型粗放增长方式向效益型的集约增长方式转变, 建立一个低消耗、资源节约型, 以促进资源的节约, 提高单位资源的利用率, 走资源节约型发展的道路, 大力推行清洁生产技术、节能降耗技术、废物综合利用技术, 新工艺, 加快产业升级进程。同时, 针对原料药项目转移过程中要严把环境影响评价关, 建立健全环境影响评价制度将有效防止高能耗、重污染的项目向西部转移。
2、延伸产业链, 自产原料制剂化与制剂原料自产化。制药企业从单一原料药生产向制剂出口加工延伸, 提升在国际制药工业产业链中的位置, 改变盈利模式, 参与全球竞争是制药企业发展的趋势。从全球的制药产业格局来看, 欧美和日本的大型原研药企处于产业链的最高端, 全球性仿制药企处于整个医药产业链的中段, 而中国制药企业在全球分工中相对处于低端, 向欧美、日本和印度制药企业提供原料药。我国生产的大量原料药技术含量相对较低, 毛利率也因同质化竞争被一再压缩, 而毛利率较高的制剂却需要从国外进口, 这也导致我国医药产业的利润水平大幅低于国外。原料药企业应该逐渐像国外那样转向生产附加值高的高端产品, 放弃一些低附加值、污染严重的原料药产品, 开发原料药的下游产品、制剂产品, 形成完整的产业链。
原料药企业几乎都面临着加快制剂发展的严峻考验与重要任务, 加快自产原料药的制剂化发展, 做足做强完整产业链, 这是加快转变生产方式、调整经济结构的必然。自产原料药制剂化好处有两方面:一是优化产品结构, 完善品种结构, 从根本上克服环境保护的巨大压力与低碳生产的瓶颈;二是把原料药的高附加值榨干吃尽, 大幅度提高产品的毛利率, 打造极强的产能协同效应和产业链优势, 提高企业竞争力。
3、应完善大宗原料药出口的管理机制, 要限制产能过剩, 避免反倾销调查。我国许多企业走“产能规模决胜”的不归路, 企业没有自己的核心产品, 同一种仿制药品大家都生产, 重复建设生产原料药造成了资源的极大浪费;同时, 原料药产量增长幅度大大超过需求量的增长。根据中国医药保健品进出口商会的统计, 目前涉及医药行业的对华贸易救济措施绝大多数为反倾销, 且数目和金额越来越多, 使得中国医药企业开展对外贸易的阻力不断加大, 在人民币升值压力的背景下, 中美之间关于贸易顺逆差、汇率操纵国、反倾销关税等各种摩擦的威胁时刻存在, 企业的国际贸易业务不可避免地会受到严重影响, 原料药的出口改为配额管理是抑制日益恶化的原料药产业低价竞争的一个重要办法。出口配额管理是我国商务管理部门针对部分重要产品、资源型产品的出口实行的一种管理方式, 例如煤炭、纺织品、稀土等产品皆实行出口配额管理。对重要产品实行出口配额管理, 有助于从国家及整个行业层面加强对出口产品的统筹管理, 制衡国内企业的异常经营行为, 避免国际市场恶性竞争出现, 确保国家及行业利益最大化, 同时有效保护出口企业的正当权益。原料药的出口改为配额管理其好处有以下几方面:拥有出口配额的原料药骨干企业, 可根据国际市场行情及企业生产库存情况灵活出口, 实现出口盈利最大化;加强出口企业的沟通协调, 避免淡季时蜂拥而出价格走低、旺季时竞相出口产供求关系被人为破坏;企业掌握了出口主动权, 辅之以协会等有关部门有力协调, 可有力制衡国际买家的联手打压, 提高国内企业的话语权;避免大宗原料药在国际市场上频频遭遇反倾销。
4、打破标准与认证等国际技术壁垒。世界各国特别是欧美等发达国家在与其相关的研发、生产、销售等领域均实施了严格的技术和行政监管, 设置愈加严峻的国际市场准入障碍。我国原料药进入国际市场面临越来越多限制与壁垒, 我国原料药企业要参与全球市场竞争必须要加快技术进步, 要快速实施新标准, 加快认证步伐以规避贸易壁垒、技术壁垒。世界各国的药典与标准等越来越严是大趋势, 获得欧洲EDQM或美国FDA的相关认证与审计, 意味着企业产品拥有了通往国际市场的“通行证”, 对以外向型为主的我国原料药来说至关重要。
参考文献
[1]曲格平:西部大开发与可持续发展[J].环境保护, 2000 (6) .
[2]Ekins p、Folke C:costanza, R.Trade environment and devel-opment:the issue in perspective[J].Ecological Economics, 1994 (9) .
原料药企业发展研究论文 篇2
据悉, 我国抗生素、维生素C等大宗原料药出口在国际上占绝对优势。但是由于近年来国内原料药行业规模不断扩大, 我国原料药低水平重复建设十分普遍, 产能过剩问题突出, 造成低价竞争、资源浪费, 进而形成恶性循环。
另外, 我国原料药企业一直面临着挥之不去的难题——环保压力。特别是2015 年1 月1 日实施的新环保法, 对企业违法的处罚力度加大, 这对原料药企业有相当大的影响。
“随着国家一系列政策的发布, 原料药行业仅仅依靠过去的规模和成本优势, 很难维持企业持续健康发展。”业内人士表示, 以往药企主要关注产能、价格等问题, 而今不得不向技术革新、质量提升和高端市场开发转变。
潘广成指出, 面临困境, 原料药企业需要不断调整产业结构, 增加高附加值、污染小的产品。
创新转型引领企业升级——
近年来, 为了更好地发展, 国内部分主流原料药企业纷纷各显其能, 加紧从多个角度拓展业务。据悉, 浙江医药、石药集团等均是目前原料药生产和出口发展较好的企业。从目前的转型情况来看, 已经取得不错的进展。
据了解, 近年来浙江医药大刀阔斧地从原料药到制剂转型, 据其2015 年半年度报告显示, 其制剂类产品等虽然面临国家药价改革、药品招标等新政策的影响, 但因其销售继续保持增长, 报告期内销售收入同比增长11.85%。
另外, 石药集团把创新驱动作为企业发展的灵魂, 近几年推进战略转型, 即从原料药向创新药转型。据石药集团2015 年三季度业绩显示, 主要创新药业务的销售于期内继续保持快速增长, 实现总收入约27.29 亿港元, 增长35.1%。
石药集团相关人士表示, 在原料药版块发展方向上, 对于产能过剩, 高耗能、高污染、长期不能改进升级的产品, 主动退出竞争;对于可以利用现代技术进行改造、长期来看有市场的产品, 积极进行改造升级, 降低成本, 增加规模, 扩大市场占有率, 使之成为可持续营利的产品, 增强企业的核心竞争力。
在转型的市场导向下, 我国原料药企业收入也呈现增长态势。据中国化学制药工业协会预计数据显示, 2015 年, 化学制药企业主营业收入1.15 万亿元, 其中原料药主营业收入4558 亿元, 同比增长10.07%, 化学药品制剂, 主营业收入6942 亿元, 同比增长9.14%。
“在新的市场环境下, 这一组数据放在我国整个行业来看, 2015 年原料药企业正在向好的方向发展。”潘广成表示, 不过作为原料药大国, 我国在制剂开发方面稍有欠缺, 加大制剂的生产和研发仍是目前重要的课题。
未来企业需要走国际化道路——
随着我国对医药领域的重视, 国家不断出台医药相关的政策, 医药行业总体技术实力得到了提高。
原料药企业发展研究论文 篇3
中国是世界上仅次于美国的第二大化学原料药生产国, 年产量约占世界年生产总量的22%。化学原料药已成为我国医药工业的支柱, 产值占整个医药工业的1/3左右, 是当前我国医药行业中最具国际竞争力的产品。随着原料药出口的增加, 中国原料药生产企业也面临着越来越多的来自世界各国的制药企业的质量审计。如何主动、有效地迎接客户质量审计, 笔者对此进行探讨。
二、外部质量审计
药品是国际贸易中主要的15类产品之一, 世界上任何国家都不能生产本国所需的全部药品, 为保证用药安全有效, 国际间通行药品质量认证。
1. 原辅料、包装材料厂家审计
药品质量与生产厂家所选用的原辅料和包装材料的质量之间商着极为密切的关系, 制药企业希望供货厂家能够足量地提供符合质量标准的物料, 且价格低廉;供货厂家也应强化质量管理和质量保证的措施, 双方间建立足够的置信度。当然, 制约企业的外部质量审计是质量保证不可缺少的手段, 这也是GMP规定的强制性手段。
在审计类型上, 不仅有对可能的新供应厂家的审计以及随后定期或不定期的监督性质量审计, 而且也有质量问题的调查审计, 这类审计是在供应厂家的物料出现质量问题, 需要找出原因以防止类似问题继续出现时进行的。在审计的步骤上, 应先制定审计的计划, 然后按文件规定的程序具体实施, 做出审计结论, 写出审计报告。
2. 合同生产厂家质量审计
国家对通过GMP认证的制药企业在异地生产、委托加工等方面给予政策倾斜, 今后会遇到合同生产厂家的质量审计问题。特别是近些年来在欧美等新药开发领先的国家, 出于新产品的引入、生产能力不足、地理位置造成的销售优势等原因, 而形成合同生产。药品质量的特殊性, 需要承担合同生产的质量职责, 自然要求合同厂家要符合GMP标准, 理所当然地要进行质量审计。
三、加强自检, 应对外国质量审计
1. 人员
人员配置及其相关培训对质量体系的规范进行具有较大影响, 因此客户审计时往往要进行考察。企业在准备审计时应注意:
(1) 是否有足够合适的人员从事原料药生产、质检等各环节工作, 并能提供组织机构图; (2) 人员是否有明确的岗位职责; (3是否有专人对文件、产品放行、产品标签等方面进行控制; (4生产、质检人员是否接受过GMP (及岗位操作等培训 (并记录在案) 。
2. 清洁卫生
这里的“清洁卫生”不仅有清洁卫生的一般含义, 而且含有在防止微生物、微粒污染方面要达到一定的要求。此项内容主要包括:生产环境卫生、生产工艺卫生、生产人员卫生等方面。按质量规范执行过程中还应注意: (1) 生产设备及区域定期进行清洁, 制定相应的操作规程并有执行记录; (2) 有用于与产品生产储存相关的设施设备的清洁剂、消毒剂及虫害防治剂等; (3) 原料药的非洁净区生产储存区域, 尤其是由动物提取的原料药的仓储、粗品加工等区域, 应加强虫害防治, 制定相应的操作规程并进行相应记录。
3. 生产及设施
在生产自检中应注意: (1) 产品生产过程应按照生产工艺进行; (2) 物料的进出传递应最大限度避免污染; (3) 产品混批应进行验证, 并有混批记录; (4) 生产设备、现场工具所处状态标志应明晰, 并标识正确; (5) 各仪器仪表均经过校验, 并处于校验有效期内; (6) 生产人员着装正确; (7) 生产操作记录应按时真实填写; (8) 洁净区空气净化系统应按要求定期进行测试、清洁、更换; (9) 生产用水的水质应按要求进行检测并记录; (10) 产品仓储分区明确 (待检区、合格区、不合格区) , 并明确标识。
4. 文件
文件系统能反映出一个企业质量体系的管理程度及生产过程的控制水平, 因此客户审计时对文件系统的检查往往较为细致。对文件系统的审计一般针对文件的受控性、全面性、时效性来进行。文件方面的检查一般分为现场文件检查和文件的系统检查。
(1) 现场文件检查主要针对现场记录进行检查, 主要看:现场操作记录、设备日志等现场记录是否及时填写;记录中是否出现偏差, 出现偏差后相关人员是否按照相关制度进行处理、解决;记录的传递/领取是否可控等; (2) 在对文件进行系统检查时, 主要关注验证资料、SOP及其记录、批记录等。验证的资料主要包括厂房设施、设备、工艺条件、清洗工艺、检验方法、水系统等; (3) 相关SOP及记录, 包括文件批号管理、设备校验、产品放行、不合格处理、偏差处理、客户投诉、改变控制、人员培训、取样制度、留样制度、稳定性试验及批记录等。通常审计中审计人员会随机或者按过去提供物料的情况抽取1-3批批生产记录进行检查。
5. 实验室
实验室的审计是客户审计活动中的重要组成部分。实验室审计的目的是:确认样品检测是否根据当前的检测方法进行, 检测数据是否真实可靠并可追溯。因此, 在企业自检时, 应重视对实验室规范化的检查, 包括: (1) 检测方法应是书面的、受控的、最新的; (2) 质量标准应是受控的, 并定期进行复审修订; (3) 标准品的存放应根据标准品的说明进行; (4) 试验试剂的配制存放应贴有标签, 说明其配制4开瓶时间、有效期等信息; (5) 实验仪器应定期给予校验并有校验记录; (6) 留样室应清洁, 留样样品的储存包装应与实际产品包装相同或使用模拟包装, 保存在与产品标签说明相符的条件下, 按规定对产品进行稳定性考察; (7) 检测原始记录、设备使用日志应及时填写, 检测记录应有复核人。
参考文献
[1]赵治华.原料药生产企业对客户质量审计的自检[J].医药质量, 2004 (8)
钢铁企业原料运输系统模型研究 篇4
1原料运输系统数学建模
1.1基本概念
任务:记一次连续运送预定重量的某种物料到某终点进入对应矿槽为一项任务;计算点:记每项执行中的任务的预测料尾出发点 (时间) 前移为△T1待执行任务的计算点;指令发出点:记计算点后移△T2为待执行任务的指令发出点;数据采集点:记执行中任务预测料尾出发点后移△T3为预测的数据采集点。1.2备选待执行任务项的确定
包括任务物料种类及到达终点的确定和任务物料运送量的确定两部分。
1.2.1任务物料种类及到达终点的确定
(1) 物料维持时间的计算。设 (i-k) 为第种物料到达第k个终点的任务。aik为第k个终点第i种物料在任务 (i-k) 执行点的预测存量。bik为第k个终点第i种物料的最小安全存量。∧ik为第k个终点对第i种物料的使用速率 (单位时间耗用量, 取期望值) 。计算dik= (aik-bik) /∧ik为第k个终点第i种物料的维持时间。
(2) 备选待执行任务的选取。将所有dik按从小到大排列, 逐个依次考虑选入备选待执行任务组。凡料尾未发出的执行中任务 (i-k) 或料尾虽已发出但其出发点与预测数据集点距离小于△T3的执行中任务 (i-k) , 其相应dik均不选取。所选取的任务数按其物料类型与执行中料尾未发出的同类型任务数之和, 不得超过线路结构所允许的该类型物料最大允许并行执行的任务数3。如dik≥T, 不予选取, 其中T为确定常数。通过以上步骤所选的dik其相应任务 (i-k) 构成备选持执行任务组。
2.2.2任务物料运送量的确定
(1) 高炉终点任务理论送料量的确定。炉顶TJ、TS、TK带运送方案分别按 (1) 中计算公式计算tik-1、tik-2、tik-3, 其中对TJ、TS带方案计算tik-1、tik-2时, 应以相应单排料仓中心卸料方式确定Cik、C'ik、aik;对TK带方案计算tik-3时, 应以双排料仓旁侧卸料方式确定Cik、C'ik、aik。比较tik-1、tik-2、tik-3的大小, 取tik-1=max{tik-1, tik-2, tik-3}以此值相应炉顶料带为该项任务的流程终点。tik-j为该备选待执行任务 (i-k) 的送料时间, Bitjk-j为送料量。
(2) 非高炉终点任务理论送料量的确定。设tik为备选待执行任务 (i-k) 的送料时间。t'ik为备选待执行任务 (i-k) 的料头到达前间隔时间 (取各可能流程的最大值) 。Bi为第i物料运送速率 (单位时间运送量, 实测数据) 。Cik为第k个终点第i种物料仓容。C'ik为第k个终点第i种物料仓容缓冲量。
2.3待执行任务组及其流程的确定
对备选待执行任务组采用多物种最大流算法在运送网络上确定待执行任务组及其流程, 该算法一般规定:所有任务发点最小发出量为1, 最大发出量为1;所有任务流程终点最小到达量为1, 最大到达量为1;网络中各有向弧上界容量为1, 下界容量为0;虚拟弧上界容量为1, 下界容量为1;各任务相应的物料弧流量允许取值为0或1;算法结果所得最大流即显示所确定的全部任务项的流程。
多物种最大流算法原理如图1所示。
S1, S2——任务发出点
t1, t2——任务流程终点
n, m——中间转运点
s——虚拟发点
t——虚拟收点
(a, b) ——a为弧容量下界, b为弧容量上界
确定待执行任务组及其流程时按如下优先序施行最大流算法。上一条算法如无解则自动进入下一条作计算:执行中任务流程不变, 但其中执行中料尾已发出任务所占用弧允许同类型物料流量通过 (规定其他类型物料在该弧流量为0) , 安排待执行任务组。如待执行任务组中有高炉终点任务, 且改变其同号炉顶流程终点时, 所得tik-h和原选定的tik-j之差不超过允许差界△t, 则改变同号高炉炉顶流程终点, 安排待执行任务组。执行中任务流程可改变。安排待执行任务组。在相应维持时间可以保证的前提下, 依待执行任务的dik从大到小顺序, 变更某个或若干个待执行任务, 安排新的待执行任务组。在相应维持时间可以保证的前提下, 依待执行任务的dik从大到小顺序, 删除某个或若干个待执行任务, 安排剩余的待执行任务组。在允许条件下减少某个或若干个前期已确定, 但在本期计算点尚未开始执行的执行中任务的运料量, 以使这些任务在本期确定的待执行任务执行点结束, 再安排待执行任务组, 如果需要有效实施此款, 须以计算点提前的相应措施相配合。在允许条件下减少某个或若干个执行中任务的运料量, 以使这些任务在本期确定的待执行任务执行点结束, 再安排待执行任务组。为使设备负荷均衡, 每次执行最大流算法时可对所有弧重新随机编号。
2.4作业暂停
2.5紧急中断处理
当系统运行过程中出现设备故障等突发事件时, 应立即中断原计算程序, 进入紧急计算, 重新计算正执行中任务的流程。
此时应将事件涉及不能运转的弧从网络中删除 (容量上界设为0) , 对于受事件影响的执行中任务, 在事件段之后部分的带上物料仍按原安排执行, 视作料尾已发出的执行中任务。事件段之前部分的带上物料及待发物料视作新的待执行任务, 以事件段紧前转运点为其发点, 原流程终点不变, 进入2.3中规定的优先序第1、2、3、5、7款逐条施行最大流算法。 (第7款改为:立即中止某个或某些执行中任务的发料, 在适当合理延迟后, 再安排待执行任务组) 。紧急计算过后, 相应修正各有关预测数据及网络构造资料, 转入原正常工作程序, 事故处理完毕后, 恢复原网络资料。
3原料运输系统功能模块设计
按照外供运输系统作业要求, 为本系统设计了五大功能模块:数据系统、监控系统、决策系统、查询系统和系统管理。
3.1数据系统
数据系统包括数据通讯与接收、基础数据两部分。数据通讯与接收子模块主要实现与数据采集系统获进行数据通信。其包括两个部分:发送端与接收端程序。发送端负责将数据按照已定义的协议组成传输包 (报文) , 存放在缓冲池中。利用SOCKET在线路两端建立连接, 将缓冲池中的数据包依次发送到目的地。接收端负责接收数据, 利用CRC或者HUSH摘要算法来校验数据的准确性, 如果错误通知发送端重发。将接收的数据落地存储在本机的数据接口文件中。基础数据模块属于数据系统的子模块, 负责建立和维护物料 (原料、熔剂、燃料) 代码、矿槽、高炉、烧结机、物流推移设备、计量设备、外供工艺流程几方面的静态数据, 为整个系统提供准确、可靠的基础数据参量。
3.2监控系统
监控系统的功能是对料场、用户及各项作业流程进行实时监控, 获取系统运行的动态信息, 如高炉的矿槽的料位、流程运行、作业量等数据。监控系统能及时反映和捕获外供现场的动态信息, 以便中控工作人员利用人机对话、决策模拟子系统等手段有序安排和调度外供作业, 确保生产正常进行。
3.3决策系统
决策系统由作业流程预测、当前作业流程决策两个模块构成。作业流程预测模块的输出包括:各项作业供料的目的地;使用的运输路线;输送时间;输送的原料量。并考虑以下约束条件:保证每个矿槽设定的下限料位;避免输送设备的冲突;尽可能把同种原料的各个小批供料作业集合成一个大的连续作业。当前作业流程决策模块的功能是确定当前作业的优选流程, 依据为当前作业的可选流程的优先级、约束条件、设备状态、负荷率及检修计划。
3.4查询系统
通过处理服务器的定时采样数据、基础数据库, 查询系统分类产生和保存故障日志历史数据库、外供作业流程历史数据库、设备状态库, 设备故障查询可以给出故障设备名称、故障类型、故障发生时间、故障修复时间、故障原因。外供作业流程可对作业流程历史数据库的查询, 给出作业所对应的作业流程号、作业时间、启动时间、结束时间、主从流程、物料源点、物料代码, 作业总量、作业分量及所属计量设备。
3.5系统管理
系统管理为整个系统提供完善的管理机制和便捷而丰富的操作手段。包括数据源管理、用户及权限管理、用户初始化、权限设定、密码修改五部分。
4结论
通过针对马钢港务原料厂外供系统的实地调研与相关资料分析, 并借鉴国内外大型原料厂先进的原料运输管理理念与运作模式, 结合当模糊决策技术, 完成了马钢原料运输智能决策系统的研究和开发。系统能够有效实现外供决策的智能化与动态化, 在满足实际需求的基础上, 减少了原料无效运输的时间, 降低了生产操作难度, 提高了生产效率。
摘要：本文针对马钢2#、3#高炉相继投产运行后导致的物流量加大, 物流供应操作工艺流程复杂度大幅上升等问题, 以动态规划和模糊决策为基本模型构建了钢铁企业原料运输系统数学模型, 阐述了该模型的基本概念、框架结构、执行流程等内容, 并设计了包括数据系统、监控系统、决策系统、查询系统和系统管理在内的五大功能模块。本文构建的原料运输系统在满足实际生产需求的基础上, 减少了原料无效运输的时间, 降低了生产操作难度, 提高了生产效率。
关键词：钢铁,原料运输,运输模型,动态规划,模糊决策
参考文献
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[4]冯梅, 成邀荣.钢铁企业仓库布局优化及物流量分配研究[J].武汉理工大学学报, 2010 (06) :28-32.
原料药企业发展研究论文 篇5
近年来,中国制造业面临的困难之一就是国际与国内市场上原材料价格的飞速上涨。根据中国国际电子商务网的统计数据显示,近年来铁矿石上涨幅度达90%、化工原料上涨幅度达50%、棉纱涨幅达40%、原油涨幅达32%。例如铁矿石作为钢铁生产最主要的原材料之一,其价格变化对于钢材价格影响巨大。根据人民网的统计数据显示,1—9月重点大中型钢铁企业销售利润率仅为2.99%,整个钢铁行业处于严重的高成本、低利润状态。原材料价格的剧烈波动对企业经营决策带来了极大的困难。企业面对原料价格的波动,通常采取对冲策略,而往往缺乏在价格波动条件下合理的采购策略。因此,在当前原材料价格不断上涨的经济环境下,研究原料价格随机波动的采购库存模型具有重要的现实意义。
然而,我们发现已有文献对于原料价格随机变化条件下的库存采购模型关注较少。Fabian等(1959)研究了价格波动的市场上原材料采购模型,却没有证明(S,s)策略的最优性。Kalymon (1971) 研究了单项产品多时期库存模型,假设未来价格的变化是服从马尔科夫随机过程。
Thorstenson和Hultman (1992)、Schwartz 和Smith (2000) 从价格波动影响因素的角度出发研究了库存模型。Gavirneni(2004)假设采购价格的变化都服从马尔科夫转移过程的周期性检查库存控制问题。Arnold等(2009)运用确定性最优控制方法解答了企业最优采购以及库存政策问题,当企业面临采购价格和持有成本的长期波动。Berling(2008)假设采购价格遵循均值回归Ornstein–Uhlenbeck随机过程,在确定性需求是确定条件下建立了一个周期性库存检查模型,忽略了需求本身的随机性变化。
总体而言,上述研究几乎都是采用成本最小化为目标函数。在库存控制模型中,目标函数采用成本最小化或利润最大化,对于企业库存的最优决策而言是有显著区别的。如Berling 等(2005) 以及Berling等 (2008, 2010)采用成本最小化的研究视角,实际上需要企业既定产出的约束条件。本文尝试从利润最大化的角度去构建库存决策模型,该目标函数暗含了既定产出的约束条件。在产品市场完全竞争的条件下,由于产品的价格是不变的,因此对企业来说,利润最大化问题包括了既定产出时成本最小化的解。另外,与已有研究不同,本文中的变量采用了向量形式,将单一原材料价格变化模型上拓展到了多种原材料的价格变化模型,运用随机控制方法获得相关研究结论。
2 模型
要素价格:论文假设企业生产要素的购买、产品的销售以及企业的优化行为都是在完全竞争的市场中完成。假设企业生产需要n个要素,要素价格PF是随机的,其变化满足以下的Ito过程。
其中,Y代表状态(State),其表示价格变动所有可以发生的状态,在这里我们假设:状态的个数有k个,则Y为一个k维向量;dwt代表一个k维的维纳过程,dt表示时间的变动。μt(Y)等于要素价格的均值;σt(Y)表示要素价格变动的标准差。
成本结构:假设企业的总成本包括采购成本(Purchasing cost)、持有成本(Holding cost)、订购成本(Ordering cost)和缺货成本(Shortage cost)。设企业的总成本函数为C(·),则总成本函数表达如下:
其中PF·K为采购成本,O(K)为订购成本,Q1·Kert为持有成本,h(K-K*)为缺货成本。
目标函数:在随机的情况下,企业的利润函数可以表示为:
其中,E代表在O-T期间企业利润函数的期望,K代表厂商所购买的要素,积分的上限表示时间T,其含义为经理人的任职期间,委托人把企业委托给代理人,代理人在其代理期间(0-T)是为了该企业的长期利润最大化。设企业的利润水平为∏,定义优化的边界条件为:
另外,状态的变化满足下面的Ito过程:
其中,n(Y,t)是一个k维列向量,S(Y,t)是一个k的矩阵,k×(n+k)代表一个dwt维的维纳过程,(n+k)表示时间的变动。
如果企业经营方式为委托-代理的形式,在这种情形下,库存优化模型与代理人的目标函数有关。一般来说,委托人与代理人的目标函数是不一致的,其根本原因是信息不对称的存在。尤其是代理人具有逆向选择和道德风险的可能,使得企业往往难以达到利润最大目标。现代激励理论认为,通过某种通过某种形式的制度安排,可以使代理人和委托人的目标趋于一致。由于缺货成本与持有成本在最优化下是线性关系,因此代理人所面临的优化目标中的成本函数可写为:
其中,τ表示缺货成本与持有成本线性关系系数,τ>0。另外,O′(K)>0,O″(K)≥0,O′(K>0)意味着订购成本是递增的。委托人的动态随机优化目标函数就可以表示为:
其中, 为时间的贴现率, 为产品价格, 为生产要素价格,其中要素价格的动态约束为:
其中,μ(Y)为要素价格波动率的趋势,σ(Y)为要素价格波动率的标准差,dt、dw的定义同上。另外,我们认为要素价格之间是相互独立的。定义J(K,0,T)=E∫∏(K,s)ds,且边界条件J=(K,T,T)=0,并令LJ+∏=φ,其中,
为了分析方便,在以下的分析中将不考虑状态,则式(9)变为
企业的最优行为使得LJ+∏=φ达到最大,因此随机优化的一阶条件为:
根据利润函数,我们可以得出:
JPF=K(1-erT) (12)
定义(1-erT)=ω(T),由式(7)和(12)可得:
由此可得企业在面对要素市场不确定时的优化行为,满足下式:
ω(T)·μ代表随着时间的流逝,企业所面临的由原材料价格上涨(下降)所带来的单位原材料的时间成本。我们定义ω(T)·μ为委托-代理企业代理人所面对的时间成本。从上式可以得出:
命题1 在完全竞争市场中的委托-代理企业经营方式下,企业的边际收益等于企业的边际成本与时间成本之和。
由要素价格的定义可知,要素价格是一个几何布朗运动过程,其具体如下所示:
PF,0其中,PF,0是在第0期要素的价格。把式(16)变型可得:
假设生产函数是对数形式的,即f(K)=Ln(K),订货成本函数是一次的,即O(K)=aK+b,则式(19)变为:
得企业在面对要素价格不确定时的最优库存为:
下面我们分析代理人的任期对其最优库存的影响。由于0<ω(T)=(1-erT)<1,假设T1>T2,则ω(T1)=(1-erT1)>ω(T2)=(1-erT2),由此可知当,μ<0时,μ>0时,由此我们可以发现:
命题2 在委托-代理经营方式下,如果原材料价格的趋势是下降的趋势,代理人的任期越长,则其最优的库存就会越多。如果原材料价格的趋势是上升的趋势,代理人的任期越长,则其最优的库存就会越少。
当原料价格为确定性的,则可以认为μ和σ都为0,则可以得出:PF=PF,0,把μ=0和PF=PF,O代入到式(21),可得:
式(22)等号的左侧是产出的边际成本,等号的右侧是产出边际收益(由于是产品市场是完全竞争的,因此PY等于产出的边际收益),这和经典的经济理论相一致。在要素的价格具有不确定性的时候,即σ≠0的时候,我们看到如果要素的价格的不确定性越大,则该要素的最优库存就越少。如果要素的价格具有一定的趋势,即μ≠0,则可以发现:
命题3 当μ>0,要素预期价格变化上涨,则企业相应减少该要素的库存。当μ<0,要素预期价格下跌,则企业相应增加该要素的库存。当μ→0,则要素预期价格变化的趋势基本不变,企业相应不改变该要素的库存。
在以上的结果中,我们认为变量都是向量,为了清楚表达在要素价格是随机的情况下,要素之间是如何相互替代的,我们假设企业使用两种生产要素进行生产,且生产函数是CD型,企业生产满足规模报酬不变的条件,则企业生产函数可表示为:
其中,A是技术进步(或者是生产效率因子),α为K1的产出弹性,1-α为K2的产出弹性。根据式(7),我们可得:
由此我们得到企业库存要素的比例。根据(24)式,我们得到以下两个的命题。
命题4 如果某个要素的价格波动变大(小),且其他要素的价格波动不变时,则代理人会增加(减少)其他要素的库存。如果某个要素价格是一个升高(下降)的过程,而其他要素价格基本不变时,企业将会减少(增加)该要素的库存。
命题5 如果某个要素的边际订货成本和边际存货成本大于(小于)其他的边际成本和边际存货成本时,企业将减少(增加)这个要素的库存。如果某个要素的产出弹性越大,则要素的库存量就会变小。
3 总结
原材料价格的随机波动极大增加了企业采购库存决策的难度。本文考虑了多种原料价格和需求同时随机变化的情形,从利润最大化角度构建了企业的采购库存模型。研究结果表明,在原料价格随机波动条件下,企业治理模型将对企业最优库存决策产生影响。在委托—代理模式下,代理人最优库存选择和一般经营模式是不同的,并且代理时间长短也会对代理人决策产生影响。因此,从企业经营的角度看,委托人要考虑代理人的任期对企业最优库存决策的影响。在价格波动的环境下,当企业运用多种互相替换的生产要素进行生产时,企业可以通过调整不同要素的比例来达到利润最大化目标。由于本文的模型是建立在完全竞争市场结构的假设条件上,而现实经济中,大多数市场是介于完全竞争与完全垄断之间的垄断竞争市场,下一步研究将把模型拓展到垄断竞争市场上,讨论竞争程度对于企业原料库存决策的影响。
参考文献
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原料药企业发展研究论文 篇6
关键词：生物燃料,微藻,提取,筛选,培养
随着经济建设的飞速发展,能源短缺已成为世界各国极为关注的焦点。作为重要能源之一的石油,更是因其不可再生性和资源的有限,使得原油价格的轻微浮动都能在国际能源、甚至政治层面掀起不小的波澜。由国家发改委能源局和国家统计局公交司以及英国BP公司联合发布的《BP世界能源统计2006》指出,截至到2005年底已探明的世界石油储量若按照目前81 088千桶的开采速度计算,全球石油储量仅可供继续生产40年[1]。因此,石油价格与日俱增,2008年7月,布伦特原油价格曾一路飙涨到147美元·桶-1。在2008年受到美国次贷危机的影响,国际油价下跌的前提下,以布伦特原油名义价格计算,石油平均价格仍然超过60美元·桶-1,比2004年的平均价格上涨超过60%。
生物燃料主要以玉米、大豆等农作物为主要生产原料,是摆脱对传统石化能源依赖、减少温室气体排放的替代能源,但其大量生产,导致了对农作物的大量需求;然而即便全部玉米都用于提炼,也只能满足12%的美国燃油需求。专家警告说,以农作物为原料生产生物燃料最大的隐忧在于“与粮争地”,大规模改种生物燃料植物,已经造成了美国和墨西哥玉米价格的上涨,并可能进一步导致发展中国家的粮食短缺。中国政府一直加大农业扶持力度,避免世界粮价上涨影响到国内经济发展,但是中国的粮食价格飙升也是不争的事实。
因此,积极寻找新的生物质能原材料,以缓解目前的粮食和能源危机已成为世界各国高度关注的问题。在众多的可提取生物燃料的材料中,微藻脱颖而出,其卓越特征是:微藻的一生都是在水中度过的,它的生长不会与其他的农作物争夺土地,可以起到缓解粮食危机的作用。
微藻是水生植物的一种,其特有的化学组成和结构注定了它是获得生物柴油和生物质油的优良原料来源[2]。同木质-纤维素材料(木材)相比,利用藻类作热解材料具有如下突出优点,即藻类的光合作用效率较树木高,具有环境适应能力强、生长周期短(一般高等植物需要几个月甚至几年才能完成一代生长发育,藻类繁殖一代的时间仅为2～5 d)、生物产量高的特点;自然水体(海洋、湖泊等)每年能提供非常丰富的藻类生物量;藻类在水中生长,因而不占用农业用地,其养殖过程可以实现自动化控制;藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解的化学组分,而木材则以木质素、纤维素等难热解成分为主,因此藻类所需热解条件相对较低[3],使生产成本降低;某些藻类如葡萄球藻(Grape sp.)、盐藻(Crypthecodinium cohnni)、小球藻(Chlorella vulgaris)在适当条件下培养后,所得藻粉具有很高的产烃能力;藻类易被粉碎和干燥,因而其预处理成本较低;藻类热解所获得的生物质燃油热值高,平均高达33 MJ·kg-1,是木材或农作物秸秆的1.6倍[4]。
NREL(美国国家可再生能源实验室)运用基因工程等现代生物技术改造成功的“工程微藻”,是一种称为“工程小环藻”的硅藻类(Cyclotella cryptica),在实验室条件下其脂质含量可增加到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高3～12倍),户外生产也可增加到40%以上。因此,利用“工程微藻”生产生物柴油具有重要的经济和生态意义[5]。利用“工程微藻”开发新能源具有以下几个方面的优势:①该微藻生产能力非常高,若养殖技术获得突破,生产能力还可极大地提高;②该微藻可大量养殖于天然海水中,不与传统农业争地;③微藻油脂产量比陆生植物单产高出30倍。有人估计,每公顷可生产30 t以上生物柴油;④生物柴油不含硫,燃烧时不污染生境;⑤生物柴油即使泄漏到环境中,也可被微生物降解,不会污染环境。这为开发新型、清洁的可再生能源提供了新动向。
根据NREL的数据,每公顷海藻的生物柴油生产系统的营运成本为12 000美元,其中包括了固定资产折旧、人工、电力、化工原料、维护保养及投资回报等所有经营成本[6]。据此可测算出,从工程海藻中提取生物柴油在美国的成本为134.4美元·桶-1。这在30～40美元·桶-1的低油价时代是没有竞争力的。但在国际原油价格高达100～140美元·桶-1的今天,人们看到了绿色燃料产业的希望和现实可能性。
1 藻种的筛选
微藻的分离、纯化方法主要有以下几种:(1)微吸管分离法[7],该方法是用微吸管将要分离的藻吸出,放在载玻片上,显微镜下观察,检查是否是单一藻种,如不是,按前面的方法反复操作。微吸管法操作技术难度大,适宜分离个体较大的藻类。(2)水滴分离法[7],将藻液稀释到每滴水有一个藻左右,然后用微吸管分离。水滴分离法简便、易行,适宜分离优势种类。(3)稀释分离法[8],该方法是用5支试管逐级稀释,最终得到单一藻种。该方法需要较多的容器分组培养,比较麻烦。(4)平板分离法,将适当藻液滴于一琼脂固体培养基上,均匀的涂布于固体培养基表面,封口培养,直至藻落出现为止。再经镜检,反复提纯分离,即可分离出较纯的藻种[7]。该法更符合底栖硅藻的生物学特性,技术要求不高,操作简单。
国内外的科学家利用各种方法筛选出了几种含油量较高的藻种,包括小球藻、异养小球藻、盐藻、角毛藻(Cheatoceros sp.)等,为低成本的生物燃料的生产提供了原料支持。
以异养方式培养微藻是对微藻光合自养传统培养方式的革新。微藻在无光条件下以异养方式利用有机碳源,尤其是较低价值糖类物质,可以达到高密度培养微藻以生产高附加值代谢产物的目的。
缪晓玲和吴庆余[9,10,11]通过调整碳、氮源的供给,获得异养小球藻细胞,该细胞不含叶绿素,蛋白质含量非常低,而粗脂肪含量却比自养藻提高了3.4倍。研究结果表明,异养藻细胞热解饱和烃气的产率是自养藻细胞的32倍。他们利用高脂肪含量的异养藻快速热解获得57.2%的产油率,比自养藻产油率提高了2.4倍。获得了与化石燃油相当的优质生物质燃油,热值分别是木材热解油和自养藻热解油的2和1.4倍,这种热解油具有化石燃油的相关特征。藻类的异养生长,不仅可提高细胞内脂类的含量,而且也是提高其生物量的有效途径。这种培养方式避免了光自养培养过程中光抑制或光限制等问题,降低了能耗,节约了成本,为工业化大规模高密度培养微藻奠定了基础[12]。
美国能源部的研究项目已经确切证实硅藻(Diatom)具有极高的生长能力,确定了硅藻在单位面积及单位时间上比陆生作物能提供更多的能量。硅藻含有多种脂质,包括膜壁极性脂质和无极性脂质,这些脂质包含游离脂肪酸和脂肪酸[13,14,15]。已确定硅藻中含有固醇、蜡、酰基脂质等化合物。学者们通过改变微藻生长所需的营养和其他必需生长条件,研究提高不同种硅藻的脂质含量[16,17,18,19,20]。
2 微藻的大规模培养
微藻培养系统的选择需考虑几个方面:藻的生理学特性、地产投资、劳工、能源、水、营养、天气(室外培养)以及最终产品的形式[21]、各种各样的大规模培养系统需要在其基本特性如光利用率、温度控制能力、藻承受的水压、维持纯种培养或无菌的能力,从实验室规模进行放大的难易程度等方面进行比较,最终的选择是在考虑所有这些方面的基础上获得有经济价值的产品的协调结果。目前微藻的大规模培养主要有3种方式:传统的敞开式跑道式培养,封闭式的光生物反应器培养和封闭式的发酵罐生产。
传统的敞开式跑道式培养具有设施简易、投资低、成本小等特点,但产量低、培养面积大、生长因子难控制、CO2补加困难、收获成本高、易被其他生物污染和产品质量低等缺点限制了这种开放式的培养方式。
封闭式的光生物反应器培养可以使藻细胞的密度提高了6～12倍,总体积相对减少,分离成本大大降低,各种生长因子及工艺可以采用自动化、集约化管理,提高了生产效率和产品质量,避免受其他生物和非生物物质的污染[9]。但是该种方法也有其不足的地方,国内外研究生产了各种各样的生物反应器,大部分都存在造价高这一特点。
封闭式的发酵罐培养可以大量培养隐甲藻(Crypthecodinium cohnni)等异养藻,可以节省一部分开支,但是对于其他的自养藻却很不利。而且发酵罐培养需要较高的操作技术,培养基的添加等也限制着该方法的应用。
为了节约生产成本,从20世纪80年代开始,就有人用塑料桶作为单胞藻培养的容器进行封闭培养[22],后来有人用塑料薄膜袋培养[23],由于塑料袋容易破裂,创造了薄膜袋浮式法培养单胞藻[24]。这几种方法也属于光生物反应器,优点就是设备投资少,制作工艺简单,可以节约资金,使生产出的燃料具有更低的生产成本,从而获得更大的市场竞争力。
3 微藻的采收
微藻生物量的采收过程是生产过程的一个限制因素,因为正常生产中的藻浓度相对较低,约为0.1～1.0 g·L-1,并且藻细胞很小,很脆弱,易受到损伤破裂。因此,用常规的动力离心、过滤及自然沉淀法不能有效地收集藻体。已有人运用化学絮凝法、过滤法、微气泡絮凝悬浮法收集微藻的尝试,但这些方法都有一定的优势和局限性。
微藻生长到指数生长期末期,微藻密度达到最高,应当采用一定的方法,将其从培养液中分离出来,根据微藻的特性选择不同的方法和试剂。同时也要考虑到经济因素,所以一般采用化学絮凝法、离心法和气浮法3种方法采收微藻。
3.1 化学絮凝法
絮凝沉淀是一种传统的生物分离方法,其絮凝机理主要有3种理论:(1)胶体理论,把细胞直接当作胶体溶液中的胶粒来解释絮凝过程。认为絮凝过程是由于细胞表面的极性基团引起的表面吸附使表面吸附自由能降低的过程[25]。(2)高聚物架桥理论,MEGGREOR[26]发现细胞表面分泌出许多高聚物,如蛋白质、多糖等,这些高聚物在细胞表面形成胞外纤丝,认为细胞的絮凝是由于这些胞外纤丝相互架桥交联而形成。(3)双电层理论,大多数生物细胞表面都带有一定的电荷,絮凝过程是加入电解质后,相同电荷排斥以及细胞表面水合程度不同而产生聚并;同时细胞表面的离子键和氢键参与了细胞的絮凝过程[27]。
壳聚糖具有优良的絮凝能力,与其结构性能密切相关。壳聚糖的化学名为聚(1,4)-2-氨基-2-脱氧葡萄糖,分子链上的许多游离氨基,其氮原子上还有一对未结合电子,使氨基呈现弱碱性。溶于稀酸后,这些氨基和质子结合而带有正电荷,从而使壳聚糖分子链上带有大量的正电荷。壳聚糖因此具有阳离子型高分子混凝剂的性能。可以同时发挥电中和凝聚及黏结架桥絮凝的双重作用;壳聚糖分子链上的阳离子活性基团与带负电荷的藻细胞相互吸引,降低及中和小球藻细胞的表面电荷,降低了藻细胞之间的相互排斥力,同时借助于壳聚糖分子链的黏结架桥作用而使小球藻细胞产生絮凝沉降,最终达到收获的目的[28,29,30,31,32,33]。
3.2 离心法
离心分离是生物分离中常用的一种强制式的机械分离方法,几乎所有的微藻都能用离心法来分离。目前在微藻分离中应用较多的是自动卸渣的碟式离心分离机,易于操作,并能连续工作,这对大规模的水量处理来说是必要的。日本天然β技术公司采用离心法采收盐藻,其盐藻养殖生产过程全部参数由计算机来显示和自动控制,当盐藻生长的生物量浓度达到一定量时,计算机自动控制,以连续进料,稳定转速离心分离藻体悬浮液,自动排出的盐藻乳液经喷雾干燥成藻粉产品,培养卤液循环使用。
3.3 气浮法
采用人为方式,向水体导入气泡,使其黏附于絮粒上,从而大幅度地降低絮粒整体密度,并借气泡上升的速度,强行使其上浮,由此实现固液快速分离,这就是开拓固液分离新领域的溶气气浮分离技术(DAF),简称气浮法[34]。
气浮法的基本原理就是利用气体与溶液中的悬浮物结合,从而增加悬浮物的浮力,使之与气泡一起发生上浮[35]。气浮分离技术,是在借鉴絮凝沉降、布气式泡载分离和选矿技术基础上发展而来的,主要应用于低浊、富含藻体或其他难以沉淀的悬浮颗粒(如油类、纤维、活性污泥、生物膜、动植物或微生物细胞)水体的净化[36]。
根据以上的方法来看,化学絮凝法需要寻找合适的絮凝剂,对于不同种类的微藻,需要的絮凝剂可能有所不同;离心分离法比较简单,只要有离心机并且规范操作,就可以将藻液分离;气浮法采收小球藻成本较低,又可连续化操作,适合大生产的需要,但是气浮法需要向藻液中鼓入大量的气体,采收效果受到絮凝剂用量、pH和充入的气泡密度等因素影响。
4 生物燃料的提取
目前,获得生物燃料的途径主要有3种:物理转化(physical conversion)、生物化学转化(biochemicalconversion)和热化学转化(thermochemical conversion)。这些现代生物燃料的不同转化途径在技术路线、生产成本以及获得的相应产品诸方面均有差异[37,38,39,40,41,42,43]。
4.1 物理转化途径
物理转化途径是要改变生物质的结构,得到棒状、粒状和块状等各种固体成型燃料。这一转化途径是借助机械性固化实现的,即在高压下通过生物质中木质素的塑化粘合把疏松的生物质压成密度极高的成型材料,以便利用、运输、贮藏和高效率的燃烧[41]。原料经挤压成型后,密度可达(1.1～1.4)×103 kg·m-3,能量密度与中质煤相当,燃烧特性明显改善,火力持久黑烟小,炉膛温度高。
4.2 生物化学转化途径
生物化学转化途径在目前的生物质能利用中用得最多、最广泛。生物发酵是古老而又新兴的一种生物质能转化技术——传统的有生物质水解发酵制乙醇技术和沼气技术,现代的有ABE(acetone butanol ethanol)发酵制生物丁醇技术和发酵制氢技术。
生物化学转化途径的另一种技术就是生产生物柴油的酯化反应法(transesterification reaction,又称为酯交换反应法)。通过酯交换反应制备生物柴油最早是由德国拜耳(Bayer)公司在1988年研制成功的[44]。其一般步骤是首先从含油种子中提取出植物油,与醇类物质(通常是甲醇或乙醇)混合,然后通过酯交换反应,即在催化剂(通常是氢氧化钠)的作用下,利用醇类物质让有机油做出化学性改变,使油分子中的甘油部分被醇类物质取代并最终在清洗和干燥过程中去除,最后便形成生物柴油[45,46]。
4.3 热化学转化途径
热化学转化途径包括:直接燃烧技术(combusion technology)、直接液化技术(direct liquefaction technology)、热解技术(pyrolysis technology)和气化技术(gasification technology)。
4.3.1 生物质直接燃烧技术
指将生物质如木材直接送入特殊燃烧室内燃烧,利用燃烧过程中产生的热气流或高压蒸汽发电或供暖。显然,直接燃烧是一种直观、原料处理系统简单、投资少的方法。但是直接燃烧生物质特别是木材,易产生对人体健康有影响的颗粒排放物,而且燃烧效率低,浪费了大量能量。
4.3.2 生物质直接液化技术
分为超临界萃取液化技术、高压液化技术和HTU(hydro thermal upgrading p rocess)液化技术[40]。超临界萃取液化技术是用达到超临界状态的流体作为反应介质萃取生物质,使其液化得到生物油燃料的工艺[40];高压液化技术是“将生物质、一定的溶剂和催化剂放入高压釜中,通入氢气或惰性气体,在适当的温度和压力下将生物质直接液化的技术”[37]。
4.3.3 热解
在无氧或缺氧条件的热力作用下,利用热能切断生物质大分子键,使生物质异构化和分解转化成小分子物质的过程[37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]。
4.3.4 气化
指生物质原料在高温缺氧状态下裂解然后和氧化剂发生不完全燃烧的能量转换过程,它可以将固体生物质原料转换成为使用方便而且清洁的小分子可燃气体[40,41]。
到目前为止,从微藻里提取生物燃料所使用的方法有:一种是利用高温高压液化技术或超临界CO2萃取技术[48]可以获得细胞中的油脂,再通过酯交换技术将其转变为脂肪酸甲酯,即生物柴油;HTU技术是另一种将生物质转化为液体燃料的工艺——将生物质材料置于装水的高压容器中软化成糊状,然后液化,经脱羧处理和去O2后获得生物原油[40]。这项技术的优点是:(1)可以对水分含量较高的生物质进行直接加工,从而降低了成本;(2)能获得优质生物油,并且经一定的催化工艺还可获得高质量的汽油和粗汽油[46]。也可以利用微藻直接热解制备生物燃料,所谓热解,即在隔绝空气条件下加热使微藻生物量降解成气体、液体和固体等多种产物的过程[49]。
按照热解反应温度、升温速率、反应时间等实验条件,可以将热解过程分为快速热解和慢速热解2种方式。慢速热解的主要产物是焦炭,副产物为生物油;快速热解的产物主要是生物油和可燃气体,具有较高的转化效率。采用快速热解可将高达80%左右的生物量转化为粗制生物质燃料[50]。采用热解的方法获得的液态生物油能量密度高,氮、硫含量低,且易于储运。
微藻的催化热解可得到芳烃含量高、具有高辛烷值的生物油[50]。缪晓玲和吴庆余[10]的研究表明,微藻热解油的C、H含量高于木质素材料热解油,而且氧的含量低,因此,微藻热解油的热值高,且较稳定。同时微藻热解油具有很好的流动性,可直接作为民用燃料和内燃机燃料,或经深加工作为汽油和柴油。也可以先将微藻用细菌降解,然后再进行热解,细菌降解后藻细胞中粗脂肪(氯仿沥青A)含量有所提高。由于藻细胞中类脂化合物是热解产生烷烃的主要分子来源[51],而细菌降解作用可提高细胞中粗脂肪(氯仿沥青A)含量,因而经细菌降解的样品热解后具较高的烷烃含量。
5 发展与展望
就目前状况而言,生物燃油作为车用燃料尚在成本、粘度、氮氧化物排放量和腐蚀性4个方面存在局限性:(1)目前生物燃油的生产成本要比传统燃料高,这就需要政府补贴企业并引导公众选择绿色的消费观念;(2)通常生物燃油具有稍高的粘度,会给冬天气温很低地区的引擎发动增加困难;(3)纯生物柴油的氮氧化物排放量要比传统柴油高约10%;(4)生物柴油会溶解旧式汽车中用于燃料输送系统里的腈橡胶[46]。现在投入商业化生产的生物燃油的原料像玉米、棕榈、柳枝稷(pan icum virgatum)等都属于“高投入低生物多样性(high-input low-diversity,HILD)”系统,以大量施用农药、化肥和使用灌溉浇水维持的大规模单作制特点[52]。
微藻室外大规模培养的多个推广性研究已得出结论:使用微藻生产低成本的生物燃油在技术上是可行的,但尚需要研发以获得高生产力[53]。有专家建议,生产源自微藻的生物燃油可满足相当一部分美国运输燃料的需求[53]。
HUNTLEY和REDAHE[54]2007年根据以前开放型池塘微藻生产的研究,预测微藻生物燃油生产成本相当于为原油价格39～127美元·桶-1。按照2006年美元计算,相当于50～265美元·桶-1。他们分别运行商业规模的2 hm2面积的生物反应器和开放型池塘微藻生产系统,评估生物燃油生产成本分别为84美元·桶-1(2003年)和93美元·桶-1(2006年)。如果美国政府现在对所有生物燃油补贴42美元·桶-1,微藻生物燃油已经比矿物燃油具有价格竞争力。10～20年后,当世界能提供的石油快要耗尽时,微藻生物燃油作为高价石油的替代燃料(如页岩油和沥青砂油)具有更大的价格竞争力。如果全球变暖加剧,微藻生物燃油的价格竞争力更强。
HUNTLEY和REDAHE[54]同时指出,上述评估没有考虑从微藻生物体的非油部分提取产品的价值。生产中如果使用现代化的石化产品加工设施提取和利用微藻的所有副产品,又将提高微藻燃油生产装置的经济生存能力。这些潜在的生物制品包括:特效有机物,如食品级β胡萝卜素、药品、色素;多种通用化合物,如多聚糖、碳水化合物、表面活化剂;发酵产品,如生物气体;还有高价值的油脂(除了大部分油脂生产生物燃油之外)。另外,微藻生物燃油生产获得的能源收入还可以通过其他生产收入渠道来补充,进一步提高其经济性。这些生产收入渠道包括:提取微藻高价值的油脂和蛋白质用于动物饲料;应用微藻处理农业和市政废水,提取废水中的营养物质而获得的潜在价值;通过替代石油(CO2排放指标),减少温室气体排放的价值。
由于全球原油储量枯竭的日期已远非遥不可及,而世界石油需求还在日渐上升,全球油价必呈逐步上涨趋势。但在油价涨到从工程海藻——生物柴油这一产业能盈利之前,必需找到一条切实有效的发展途径。具体措施和建议如下:(1)降低建设投资成本,如利用现有的生活和生产污水处理池进行前期批量生产;利用现有的农村水面和近海资源围栏养殖等。(2)降低生产成本,如培育和引进高含油率、高生长率的新型工程海藻等。(3)参考西欧国家和美国的经验,政府尽早开征燃油税,对普通柴油等非可再生燃料课以重税(30%～200%)[55。(4)中央及地方政府以补贴和减免税的形式加以扶持,以政策和财政的手段对使用海藻生物柴油的用户予以鼓励。
原料药设备发展与新技术 篇7
原料药机械及设备是中国制药装备8大类产品之一, 包括反应设备、塔设备、结晶设备、分离设备、过滤设备、萃取设备、蒸馏设备、换热器、蒸发设备、干燥设备、筛分设备、贮存设备及灭菌设备。众所周知, 我国是原料药生产大国, 但还不是原料药生产强国。其原因很多, 但很重要的一个原因就是原料药设备的生产和新技术应用与国际高端水平存在一定差距。所以, 要提高我国原料药生产质量水平, 除了要从软硬件上提高生产企业控制标准外, 还应根据全球化市场新变化, 加强原料药设备新技术的应用, 真正与国际接轨。
2 新技术应用
2.1 研究环保与节能
在2007年3月国家环保总局公布的6 066家工业污染源重点监控企业中, 医药企业占117家, 以发酵类原料药生产企业居多, 其中部分企业因为环保问题而遭停产[1]。所以, 挖潜降耗、提高经济效益将成为原料药生产企业未来一段时期内的重要工作。下面以几个实际应用实例来说明在环保与节能方面, 原料药设备的发展及其技术应用。
2.1.1 冻干设备
2.1.1. 1 液氮真空冷冻干燥机
冻干机的制冷系统可以为干燥箱和真空冷凝器提供冷源。其中, 以压缩机制冷冻干机较为常见, 但其心脏部件压缩机常因种种因素而导致很多故障, 需要经常性的维护。如今, 新型液氮真空冷冻干燥机解决了这一问题, 如图1所示, 其有效地降低了制冷系统的故障概率。
1—电气控制柜2—真空泵3—液氮调节阀组4—低温液氮换热器5—制冷泵6—加热泵7—冷凝器8—机架9—冻干前箱
液氮冻干机是利用液氮作为冷源给系统进行制冷的一种冻干机, 它与普通冻干机不同, 其冷源为液氮。而空气中含有78%的氮气, 因此, 液氮的制取十分方便, 可以说是取之不尽的一种环保能源。另外, 由于采用液氮制冷, 不再使用压缩机和水冷却器, 所以, 噪声低、运行可靠, 无需心脏部件的维护保养, 维修简单, 同时耗电减少50%以上[2], 这将会给企业带来长远的经济效益。
2.1.1. 2 冻干设备的新型灭菌——室温下的H2O2消毒
为了改善企业生产线的卫生状况, 达到一定的消毒条件以避免污染, Vapovac消毒设备公司为冻干设备提供了一种全新的灭菌工艺[3]——在现有真空系统的作用下, 使气态H2O2被输送到冻干机的管道中, 进行过氧化氢杀菌消毒。这种工艺与其它消毒工艺的显著区别在于, 气态H2O2灭菌过程是在室温与真空条件下进行的, 所以具有如下特点: (1) 与其他化学消毒方法相比, 减少了人力, 也降低了设备受到污染的风险, 并且不产生致癌或者导致基因突变的副产品; (2) 无需超压防爆容器, 相应降低了使用投入成本; (3) 无需附加使用任何气体分布设备, 消毒剂能够很好地分布在干燥机各个死角里, 实现了全方位的消毒工作 (这是普通的蒸汽消毒所未能实现的) ; (4) 与蒸汽消毒相比, 降低每个消毒周期中20%的成本和50%的消毒时间。
2.1.2 干燥设备
2.1.2. 1 新型螺旋干燥机——干燥与冷却的组合
为了能在狭小的空间里实现对药物“干燥+冷却”的生产工艺, 德国heinen公司设计生产了一种新型螺旋干燥机[4], 如图2所示, 它具有两套独立而又很好协调合作的系统:第一套负责干燥过程, 第二套负责冷却过程。这样就使得在整个持续的生产过程中, 设备中存在着两个完全不同的温度区域。整个干燥过程是自下而上地进行, 而这条自下而上的路径就是一条螺旋带。药物在完成干燥过程之后, 在顶端进入冷却区开始冷却。药物的冷却过程是在冷却系统的操纵下, 从上至下也是以螺旋状进行的。如此, 药物经过自下而上的干燥和从上至下的冷却, 最后离开设备, 被运输到包装流水线进行包装。在干燥机中, 大部分采用的空气都会被整个过程用作循环空气, 这样的做法使得整个设备的废气排放量被降到最低, 从而高效地利用了能源。另外, 系统处理空气的整套设备, 包括过滤器、润湿器、热交换器、鼓风机、自动控制阀门和活性炭过滤器等都是在独立的技术空间内操作的, 这样的设计减少了间歇和净化的时间, 也就意味着节约了生产成本。
2.1.2. 2 立式全自动压滤机——过滤分离与干燥的组合
随着产品粒度不断变细的趋势, 越来越多的制药企业在使用低消耗高产出的工艺, 其主要部分之一就是脱水方法的先进性, 以降低能耗及产品浪费和损耗的程度。芬兰Larox的全自动固液分离解决方案[5]显著降低了能耗、水耗、人力需求和废水处理费用, 并提高了产品回收率。Larox立式全自动压滤机与其他常规的脱水方式全然不同, 它并非采用离心、真空、热力或其他类似的方法, 而是把液压和可膨胀隔膜组合, 如图3所示, 使分离力量最大化, 从而以最小的能耗得到更有效的固液分离效果。与离心机、真空过滤机等相比, Larox立式压滤机可以大幅提高现有干燥机处理能力。例如, 滤饼水分降低3%就可以使干燥设备的处理量提高16%。如果无需提高产量的话, 可以大幅降低单位干燥能耗 (费用/t产品) 。
2.2 研究安全应用
在医药生产企业中, 许多原料在生产加工前呈粉状或散装物料的状态。而粉状物质与空气混合形成的含粉尘混合气常常是易于爆炸的危险品。为了防止生产过程中发生意外事故, 不允许有爆燃危险的原料随意“流动”。
图4为真空负压输送系统[6], 由于采用了模块式的结构设计, 使用非常灵活, 应用广泛。它既可以从筒状容器中抽取原材料, 也可以从集装容器中向各种不同的工艺设备输送原材料, 例如, 生产开始阶段的混合设备、过滤设备, 充填上料设备以及压片和包装设备。
图5为模块式粉质原材料真空和压力运输系统, 它是由粉质原材料运输系统和原料桶清空系统组合在一起的新系统, 能够使设备原材料的装卸与周围环境完全隔离。与其他多种不能承受压力冲击的隔离系统不同, 这一新的“复式解决方案”能够用于承受温度、压力或者真空负压冲击的反应釜中。即使是在有腐蚀性的环境中使用时, 也只需更换一个耐腐蚀的输出阀就可以了。
特点: (1) 系统完全没有电器部件, 因此决不会因为电火花而引起爆燃; (2) 系统没有任何旋转零部件, 如轴承等, 因此, 也没有摩擦, 所以不存在由于摩擦生热引起爆燃爆烧的情况; (3) 可增设专用惰性气体 (如氮气) 保护装置, 以满足不适合使用标准真空负压的输送设备; (4) 运输系统和原料桶清空系统组合 (包含CIP) , 使原料的装卸与周围环境完全隔离; (5) 上料系统模块式结构设计, 能使用户按需选择并达到最佳配置, 防止污染、保障安全。例如, 采用真空负压输送装置可将不同的原材料都输送到混合器中。
2.3 在线技术应用与自动化
制药生产过程中的“在线”与生产的实时性是分不开的。要真正做到“在线” (检测、控制……) , 必须依靠自动化技术及其应用, 以实现实时检测和过程控制等。
2.3.1 真正在线的CIP、SIP
随着药品生产质量日趋提高, 人们越来越注重药品生产过程中每个工序的可靠性与最终产品污染物的含量, 其中很重要的工序就是设备清洗及灭菌。而在位清洗 (CIP) 和在位灭菌 (SIP) 的提出给制药生产设备又提出了更高的要求。然而, 目前对有些设备被称为带有CIP或SIP是存在着误区或混淆视听的[7～8], 如单有清洗喷头或单有蒸汽进口, 而没有系统设计;设计不合理和没有控制程序、控制系统;没能根据URS (用户需求标准) 做DQ文件支持等。其实这些都无CIP/SIP意义。真正在线的CIP/SIP应具有控制过程、系统设计, 由URS来设计确认、模拟技术设计确定等。
2.3.2 准确监测灭菌过程的温度
为了保证自动化生产过程的高质量, 药品的生产必须符合非常严格的要求, 将由微生物污染带来的风险降到最小。而防止污染的关键是对车间和设备进行定期的清洗和杀菌, 通过在线消毒过程, 用121～135℃的蒸汽清洗15～30 min。但温度测量必须是卫生设计的, 不允许出现污染积聚物。图6所示带有插入式传感器的标准测量仪表具有精确的测量效果, 但同时也有几项重要的缺陷: (1) 必须被焊接到管道系统里, 焊接必须被抛光, 在大部分细小的焊点处会有微小颗粒污染的风险; (2) 会阻碍管道液体的流动; (3) 会导致测量值的不一致等。较为理想的解决方案是采用图7所示管夹式电阻温度计, 它是一种特殊的银制温度传感器, 通过持续的弹力反压在管路上, 被拟合为插入式测量。管夹式电阻温度计无需焊接, 安装简便;测量管道温度时不会影响管道内部, 不干扰生产过程, 能准确控制温度, 精度高, 测量结果具有较高的可重复性, 且易于清洗死角、费用低[9]。
2.3.3 在线腐蚀检测——实现腐蚀的可控性
腐蚀是原料药设备不可忽视的现象, 其每年都会给企业带来不小的经济损失, 仅德国由腐蚀而带来的经济损失总额就高达几千亿欧元[10]。但这些腐蚀损失中的一部分是可以避免的。遗憾的是, 在此之前还没有对腐蚀程度有一个明确清晰的等级划分, 也不能像压力或温度那样直接进行测量, 其原因就是未建立起有效的腐蚀检测方法。然而, 随着微电子技术的不断发展, 基于“因腐蚀而使电流变化—传感电极—检测”原理的SmartCET腐蚀传感器, 如图8所示, 可解决问题。该传感器是美国InterCorr公司的专利产品, 它被视为“电极被腐蚀了的电子部件”[10]。
腐蚀传感器可实现如下功能: (1) 精确的动态计算。设备管道腐蚀是一个动态的变化过程, 腐蚀程度不同, 系统传感参数就不同, 从而可通过精确的计算实现动态测量; (2) 腐蚀孔位置的确定, 保证测量的可靠性。孔洞性腐蚀是一种表现方式, 它表示在均质材料的局部有不均质的点。在SmartCET腐蚀传感检测技术中, 根据不同点测定所反馈的信息, 可以确定腐蚀点的缺陷结构, 从而实现腐蚀孔位置的确定。可见, 腐蚀传感器的使用, 可实现腐蚀的可控性。腐蚀检测已不再是理论上的科学技术, 而将成为原料药设备中实实在在的一个组成部分。
2.3.4 工况诊断和监控
设备的故障停机不仅增加生产成本, 而且将可能造成整批产品报废, 为企业带来严重的损失。所以, 设备工况诊断和监控技术在制药等流程工业生产企业中的应用不断增多。
工况诊断分析有3个层次:简单监控 (故障识别) 、定位分析 (故障位置的分析测定) 、诊断分析 (故障界定) [11]。例如, 对调节阀及设备管道系统的工况进行监控, 如图9所示。 (1) 利用传感器对压力和流量进行监控; (2) 根据第一层次得出的设备工作参数进行分析评判, 并进行状态注释说明; (3) 所有诊断信息都上传并予以可视化显示, 便于操作者有目的地采取维护保养措施。
所以, 故障诊断分析系统不只是一个闪烁发光的LED二极管系统, 工况诊断和监控技术将成为原料药设备的实用技术, 它可持续降低设备整个寿命周期内维护保养费用。同时, 也可以保证产品的高质量, 实现快速、高效的维护保养和维修, 提高设备利用率。
2.4 设计方法——应用模拟技术、虚实结合
在当今的工业设计中, CAD/CAM/CAE已经很普遍, 但是模拟技术、虚拟技术在原料药设备的设计和制造中的应用却还有待于进一步开发和深化。事实上, 模拟技术与虚拟技术的应用, 能使原料药设备方案的规划设计者和生产者获得多方面的收益。
2.4.1 虚拟模型——一目了然、适时检验
图10 (a) 为空气压缩机产品, 图10 (b) 为虚拟设计的空气压缩机[12]。通过交互的虚拟现实、可视化设计过程, 使规划非常易于理解, 提高了规划设计的质量。同时, 在进行规划设计时, 可进行多方案对比, 从中选出最佳方案。通过虚拟原型、利用详细的模块, 可以进行虚拟装配、适时检验, 以检查各零部件尺寸以及可装配性, 及早地发现问题, 准确地界定可能出现问题的范围, 及早考虑替代方案, 及时修改错误, 方便安全性能检测;通过虚拟原型, 可以进行虚拟试验, 而不用再去做更多的实物试验, 这样, 既节省了时间又节约了费用。可见, 模拟技术将逐渐成为设备规划设计的重中之重。
(a) 空气压缩机产品 (b) 虚拟设计模型
2.4.2 网络化工作方式——事半功倍
模拟技术使得工艺流程具有更好的直观性, 可以更方便地进行生产工艺流程分析, 因此设计者们在规划和设计过程中倾向于利用这种“虚拟的现实场景”与用户一起进行讨论, 如图11所示[13]。而且, 在这种虚拟的现实世界中也可以检测未来设备的性能, 对其进行优化改进, 以节约日后的设备维护保养和维修时间。虚拟现实的智能设计软件能使多位设计师同时参与项目的规划设计, 相互交换意见, 共同测试设备, 寻找维护保养战略。
另外, 面向对象的数据模型和模块化设计成为非常有效的整体设计技术, 集成规划设计使之很快适应不同的应用领域。
总之, 模拟技术、虚拟技术的应用, 使设计—调试整个过程更加快速和清晰可读、项目设计修改快速实现、新设备设计费用明显地降低, 其结果使规划项目设计速度可提高30%;项目设计费用可降低40%;项目的投资费用可降低30%[13]。
2.5 结构设计模块化
在医药工业领域, 对新设备的需求往往是由几个因素引起的。首先, 生产地域的集中化趋势日益明显, 随之而来的是对一些生产线进行必要的重新装备。其次, 含有高活性成分的新药不断问世, 这也要求对旧设备进行升级换代, 以适应新的生产需要, 同时又能满足GMP和FDA条例的规定。制药工艺的特点、GMP以及新的生产需要, 使制药装备产品正从简单的机电一体化向系统化、模块化的解决方案发展, 以适应用户的变化和最快最好的更新产品。
2.5.1 多功能模块化组合
模块化设计是协调顾客多样化需求、实现快速响应并降低产品成本的一种有效方法。图12所示为M5多功能系统, 它结合了医药工业最常用的研磨理念, 可以在几分钟内转换成不同功能的研磨机[14]。
M5多功能系统由标准组件 (计量单元、进出料单元、CIP单元、控制单元、机壳结构) 和功能单元 (螺旋气流磨、流化床对喷气流磨、冲击磨/分级轮组合、超细分级机) 组成, 通过标准组件和不同的功能单元的组合, 可构成不同功能研磨机。如标准组件+螺旋气流磨即可形成螺旋气流磨机组合, 如图13所示;标准组件+流化床对喷气流磨即可形成流化床对喷气流磨机组合, 如图14所示;标准组件+冲击磨即可形成超细冲击磨机组合, 如图15所示。
可见多功能模块化组合结构设计灵活机动、组合快速, 并能有效隔离和节省空间。
2.5.2 与工艺相结合的模块化
随着GMP贯彻的深入, 制药装备产品也正从简单的机电一体化向与生产工艺操作相结合的模块化装置方向发展[15], 以提高自身设备的技术档次。
图16所示为原料药结晶设备, 其特点在于搅拌形式是应用模块化方式研发的:不同的物料类型, 搅拌形式也不同, 然后通过模块化设计, 利用流体力学分析研究, 设计出特殊构造的桨叶, 以保障晶体的形成和不破碎, 保证设备的合理性和优化性。
图17所示为模块化CIP工作站, 是根据CIP工艺流程通过模块化设计组合而成。其规格形式多种多样, 涵盖范围广泛, 从生物发酵、中药材提取、原料药生产到血液制品设备均可清洗, 为制药企业设备的清洗验证提供了有效保障。
图18为药物配料系统集成模块, 是将浓配、稀配、过滤、灭菌、洁净液体的输送等工序组合在一个模块化的装置上, 使系统操作方便、物料密闭运行、减少双向污染、符合GMP要求。
图19为多功能提取浓缩模块化装置, 它集动/静态水提取、动/静态醇提取、热回流提取、索氏提取、渗流提取、水蒸汽蒸馏提取于一体, 可完成多种方式的提取过程, 是现代工艺技术与传统提取方式相结合的产物。
总之, 与工艺相结合的模块化设计, 使系统或装置能按工艺要求进行组合, 操作简化、使用方便, 密闭运行、防止污染, 并能达到环保、节能、符合GMP等要求, 是制药装备技术创新的方向。
3 结语