于帥 張揚(yáng) 王學(xué)重,*

(1 山東省分析測試中心，齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，濟(jì)南 250014；2 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640)

頭孢克肟(cefixime)，化學(xué)名(6R,7R)-7-[(Z)-2-(2-氨基-4-噻唑基)-2-(羧甲氧基亞胺)乙酰胺基]-8-氧代-3-乙烯-5-硫雜-1-氮雜雙環(huán)(4,2,0)辛-2-2-羧酸三水合物，是一種對于呼吸道感染、尿路感染、耳鼻喉感染具有卓越療效的第三代口服頭孢菌素類抗生素[1]，最早由日本藤澤公司研制開發(fā)，具有抗菌譜廣，半衰期長的特點(diǎn)，目前仍在市場中占據(jù)主要地位[2]。

頭孢克肟鹽與酸反應(yīng)結(jié)晶是工業(yè)生產(chǎn)制備頭孢克肟工藝中的關(guān)鍵步驟[3]，但工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)由于反應(yīng)速率快，攪拌不均勻?qū)е戮植窟^飽和度高，結(jié)晶后的產(chǎn)品常會出現(xiàn)較大的批間差異，成核速率與晶體生長速率難以控制，引起粒度分布不均勻，產(chǎn)品的儲存穩(wěn)定性差等問題，給實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的困難。同時(shí)，與傳統(tǒng)的蒸發(fā)結(jié)晶、冷卻結(jié)晶以及反溶劑結(jié)晶相比，反應(yīng)結(jié)晶由于同時(shí)存在反應(yīng)過程和結(jié)晶過程，成核速率極快，傳質(zhì)和相變過程更為復(fù)雜[4-5]，傳統(tǒng)基于亞穩(wěn)區(qū)寬度的晶體生長動力學(xué)模型并不適用于反應(yīng)結(jié)晶過程，但目前由于傳統(tǒng)離線測量實(shí)驗(yàn)方法對該過程測量時(shí)間的不匹配性，導(dǎo)致對該過程的理解仍不深入，影響對實(shí)際工業(yè)優(yōu)化的指導(dǎo)。

過程分析技術(shù)(process analytical technology,PAT)，是使用一系列工具，通過設(shè)計(jì)分析藥物生產(chǎn)過程來保證產(chǎn)物的可靠性，提高工作效率的方法。近年來，隨著對于過程分析技術(shù)研究的深入，PAT技術(shù)在藥物結(jié)晶領(lǐng)域的應(yīng)用得到了更大的重視。經(jīng)過近20年的應(yīng)用、改進(jìn)和推廣，PAT在傳統(tǒng)結(jié)晶過程的過程工藝條件和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)表征方面的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，證明是一種提高工藝可靠性及工作效率的方法，目前PAT在固體制造過程的各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)獲得了世界各國相關(guān)部門的大力支持，尤其在藥物制造領(lǐng)域[6-7]。在藥物結(jié)晶領(lǐng)域，該技術(shù)主要是應(yīng)用在線紅外或在線紫外來監(jiān)測溶液中溶質(zhì)的濃度變化[8-9]；應(yīng)用在線近紅外關(guān)聯(lián)藥物結(jié)晶過程中的固含量等信息；利用在線二維成像技術(shù)[10]實(shí)時(shí)觀測藥物結(jié)晶過程中晶體的生長與團(tuán)聚等；利用在線濁度來測量超溶解度曲線，進(jìn)而確定介穩(wěn)區(qū)；利用超聲技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)晶過程中的粒度變化等。目前PAT技術(shù)在冷卻結(jié)晶和反溶劑結(jié)晶中應(yīng)用較為廣泛，但是在反應(yīng)結(jié)晶中應(yīng)用并不多。

本文針對頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶過程，嘗試使用PAT技術(shù)了解和優(yōu)化反應(yīng)結(jié)晶過程，實(shí)驗(yàn)采用單因素法考察了反應(yīng)結(jié)晶過程的反應(yīng)溫度、養(yǎng)晶時(shí)刻、養(yǎng)晶時(shí)間、加料速率、攪拌速率等工藝條件對頭孢克肟粒度分布、白度、結(jié)晶度和雜質(zhì)含量的影響，探尋反應(yīng)結(jié)晶過程晶型轉(zhuǎn)變的規(guī)律，目標(biāo)是優(yōu)化該工業(yè)結(jié)晶過程，并解決目前存在的粒度分布、白度和儲存穩(wěn)定性的批間偏差。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

頭孢克肟鹽料液(廣州白云山醫(yī)藥集團(tuán)股份有限公司白云山化學(xué)制藥廠)；濃鹽酸(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；去離子水(實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī)LK-40-01S制備)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

結(jié)晶實(shí)驗(yàn)平臺[晶格碼(青島)智能科技有限公司(www.pharmavision-ltd.com)]，該結(jié)晶平臺具有溫度的在線測量和實(shí)時(shí)控制功能，包含：2L機(jī)械攪拌式反應(yīng)釜，超級恒溫水浴，在線紅外濃度測量儀，二維成像系統(tǒng)(2DVP-17V16X200)，探頭式濁度儀(TURBIDITYPROBE)；在線pH計(jì)等。

蠕動泵(BT100-2J，蘭格恒流泵有限公司)，真空干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將1500mL頭孢克肟鹽澄清料液(溶劑為體積比為水:丙酮=86:14的混合溶劑)加入到2L結(jié)晶反應(yīng)釜中，在一定溫度下保溫20min，攪拌速率控制在一定轉(zhuǎn)速，以一定加酸速率加入鹽酸(4%, wt%)至溶液渾濁，記錄初始變渾濁的點(diǎn)(析晶點(diǎn))的pH值，此時(shí)調(diào)整鹽酸加酸速率并繼續(xù)滴加至pH值低于析晶點(diǎn)一定值后停止加酸并養(yǎng)晶一定時(shí)間；按2mL/min加酸速率繼續(xù)加鹽酸溶液直至溶液pH=2.20后，并將攪拌速率調(diào)至100r/min，溶液線性降溫到5℃后，繼續(xù)保溫?cái)嚢?h。產(chǎn)物經(jīng)過濾，去離子水洗滌后放入真空干燥箱，在40℃下真空干燥10h，得到頭孢克肟固體顆粒。所有的研究都是在結(jié)晶實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行的，結(jié)晶平臺如圖1所示。

1.4 分析方法

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic representation of the experiment setup

在線分析方法：實(shí)時(shí)濃度由在線紅外濃度測量儀測量，實(shí)時(shí)圖像二維成像系統(tǒng)獲取，實(shí)時(shí)濁度值由探頭式濁度儀測量；實(shí)時(shí)pH值由在線pH計(jì)測量。

離線分析方法：顆粒粒度分布測量，進(jìn)樣門高度設(shè)定為1，進(jìn)料時(shí)間為10s，樣品顆粒粒度取3次測量的平均值；顆粒休止角測量，測試儀頂部進(jìn)料口加入10g待測顆粒，顆粒通過自由落體滑落到測量平臺，通過測試儀自帶量角器測量休止角；樣品雜質(zhì)含量測定，流動相為磷酸鹽緩沖液:乙腈=86:14，檢測波長254nm，流速1.0mL/min，進(jìn)樣量為20μL，雜質(zhì)定量方法為自身對照法；樣品白度測量；樣品紅外光譜測定，0.5mg待測樣品在紅外燈下研磨后與干燥后的KBr粉末壓片，測定波數(shù)范圍為400～4000cm-1；樣品XRD圖譜測定，管壓：40KV，管流：40mA，靶材：Cu，入射線波長：0.15418nm，狹縫DS=1/4°，測試溫度為25℃，測試角度范圍為5～60°；樣品SEM圖像獲取，分辨率：0.6nm(30kV STEM模式)，束流：10～40nA；放大倍率：12～2,000,000X；加速電壓：0.05～30kV，SE檢測器，樣品粘貼在帶有導(dǎo)電膠的鋁板，真空條件下噴鉑金后進(jìn)行測試；樣品差示掃描熱和熱失重測定，測試溫度范圍為250～600℃，升溫速率為10℃/min，N2流速40mL/min，樣品量2mg。

1.5 方案設(shè)計(jì)

采用單因素法考察結(jié)晶過程的反應(yīng)溫度、ΔpH、鹽酸滴加速率、攪拌速率實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab. 1 Experimental design table

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)時(shí)濃度測量

根據(jù)朗伯比爾定律[11]，溶質(zhì)在溶液中的吸光度與溶質(zhì)的濃度成相關(guān)關(guān)系，所以衰減全反射紅外光譜儀可以將吸光度值與溶液的濃度值關(guān)聯(lián)起來，在實(shí)驗(yàn)中起到實(shí)時(shí)預(yù)測體系濃度的作用。本實(shí)驗(yàn)以水-丙酮為溶劑，以頭孢克肟鈉鹽為溶質(zhì)，配制不同濃度的頭孢克肟鹽溶液，濃度范圍為0～110mg/g，梯度間隔為10mg/g，建模溫度為25℃(經(jīng)測試比對發(fā)現(xiàn)本體系中溫度對吸光度幾乎無影響)。圖2給出了實(shí)驗(yàn)測量的紅外吸收光譜，分析圖2可知，頭孢克肟鹽在1250和1370cm-1存在紅外吸收特征峰，發(fā)現(xiàn)在特征波長的紅外吸光度值隨頭孢克肟鹽濃度的增加而增加，所以選作建模用波段為1221～1259cm-1與1334～1383cm-1，光譜儀采用藍(lán)寶石ATR探頭以確保光程的統(tǒng)一性，實(shí)驗(yàn)中儀器設(shè)定分辨率為4cm-1，掃描次數(shù)為54，選取空氣為實(shí)驗(yàn)背景，并在建模前扣除背景。

圖2 不同濃度頭孢克肟鈉溶液(298.15K)紅外光譜圖Fig.2 ATR-FTIR spectrum of cefixime sodium solution different concentration at afixed temperature of 298.15K

研究使用了偏最小二乘法(PLS)建立了濃度預(yù)測模型[11]，光譜的預(yù)處理與模型的建立在Matlab PLS工具箱中實(shí)現(xiàn)，光譜預(yù)處理方法為一階求導(dǎo)，建模主元數(shù)為4，變量數(shù)為22。根據(jù)濃度預(yù)測公式Y(jié)predict=A×B{其中Ypredict為濃度預(yù)測值，A為選取紅外波段所對應(yīng)的吸光度，B為系數(shù)矩陣：B=[-0.193574170079，0.0210939709217，0.116683975727，0.110885072861，0.172947146328，0.255453548884，0.0881763491574，-0.0807526846678，-0.124507628026，-0.0705075428401，-0.0853931197226，1.95791285046e-05，-0.0748801248406，0.065141 7587433，0.131573611202，0.114144953299，0.04840 03993807，-0.169414930988，-0.0854748385721，-0.0648185307805，-0.0939223514679，-0.0203 989822544]'，本研究模型R2=0.9998。將模型輸出為m文件并將該預(yù)測模型文件嵌入課題組自主研發(fā)的在線紅外實(shí)時(shí)濃度預(yù)測界面以供調(diào)用，對頭孢克肟的反應(yīng)結(jié)晶過程進(jìn)行了濃度的在線測量。頭孢克肟鹽的濃度實(shí)時(shí)變化曲線如圖3所示，實(shí)驗(yàn)條件為25℃，滴酸速率5mL/min，攪拌速率250r/min。

2.2 在線測量析晶點(diǎn)

成核時(shí)刻的確定對于結(jié)晶研究是非常重要的。研究發(fā)現(xiàn)，探頭式濁度儀相對于肉眼具有更高的敏感度，并且可以克服結(jié)晶容器不易觀察的弊端。這里結(jié)合在線二維成像系統(tǒng)(圖4b)，能夠觀察成核之后頭孢克肟晶體生長過程尺寸和形狀的變化。

實(shí)驗(yàn)獲得的濁度數(shù)據(jù)如圖5所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液pH值調(diào)整為3.20左右時(shí)(改變實(shí)驗(yàn)條件后該值會變化)，實(shí)驗(yàn)測量的濁度值會發(fā)生突變，該時(shí)刻即是頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶的析晶點(diǎn)。

2.3 產(chǎn)物離線分析

圖6為某批次頭孢克肟產(chǎn)物的紅外、XRD、DSC與TG圖。頭孢克肟產(chǎn)物的紅外圖譜如圖6a所示，所有產(chǎn)物紅外圖譜峰位置相同，1900～1600cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)了3個(gè)峰，1731、1685和1648cm-1，分別為頭孢克肟3個(gè)不同C=O基的振動峰，1900～1600cm-1范圍內(nèi)的峰屬于頭孢克肟胺基與酰胺基N-H鍵。頭孢克肟產(chǎn)物的XRD圖譜如圖6b所示，所有產(chǎn)物的峰位置相同，主要強(qiáng)峰出現(xiàn)在5.90°、9.02°、15.12°、19.72°與22.77°處，說明不同工藝參數(shù)得到的晶體產(chǎn)物晶型相同。產(chǎn)物DSC與TG圖譜如圖6c～d所示，可以得出產(chǎn)物的分解溫度在240～250℃之間，同時(shí)頭孢克肟在100～120℃的熱失重為11%左右，根據(jù)分子量計(jì)算得產(chǎn)物為三水合頭孢克肟。

圖3 實(shí)驗(yàn)過程濃度變化曲線Fig.3 Concentration curve during the experiment

圖4 二維成像實(shí)時(shí)測量結(jié)晶過程圖片F(xiàn)ig.4 Real-time crystallization process images measured by the two-dimensional imaging system

圖5 實(shí)驗(yàn)過程中濁度變化曲線Fig.5 Turbidity curve in the experimental process

2.4 反應(yīng)溫度影響

對于反應(yīng)結(jié)晶過程，反應(yīng)溫度不僅影響反應(yīng)速率和副產(chǎn)物的含量，而且影響晶體成核、轉(zhuǎn)晶和晶體生長的速率。實(shí)驗(yàn)考察了10、15、20、25和30℃ 5個(gè)溫度梯度下的反應(yīng)結(jié)晶過程。預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在更低的溫度下(低于10℃)，聚集體晶體顆粒粒度小，會發(fā)生嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚后會影響產(chǎn)品的流動性，產(chǎn)物黏度會增大，不利于后期的過濾和干燥，同時(shí)過低的溫度會帶來不必要的能耗，而當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，生成的頭孢克肟容易發(fā)生分解。圖7為在幾個(gè)不同的反應(yīng)溫度條件下得到的頭孢克肟晶體的SEM結(jié)果。分析圖7可知，反應(yīng)溫度會影響頭孢克肟晶體的粒形，隨著反應(yīng)溫度的升高，組成聚集體的晶粒的厚度會逐漸降低，晶粒形貌會從塊狀晶體逐漸變?yōu)槠瑺罹w，同時(shí)聚集體的顆粒粒度會逐漸增大。白度是評價(jià)頭孢克肟產(chǎn)品的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，研究考察了反應(yīng)溫度對產(chǎn)品白度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)品白度會下降。綜合考慮白度、流動性等因素，優(yōu)化后的反應(yīng)溫度選擇為25℃。

2.5 養(yǎng)晶ΔpH值的影響

圖6 頭孢克肟產(chǎn)物表征Fig.6 Characterization of cefixime

圖7 不同反應(yīng)溫度所得最終產(chǎn)物的SEM圖Fig.7 SEM images offinal products under different reaction temperature

過飽和度是決定晶體生長過程的關(guān)鍵結(jié)晶過程條件，在反應(yīng)結(jié)晶過程中，可以使用ΔpH代替過飽和度ΔC，描述反應(yīng)結(jié)晶過程的推動力大小。ΔpH的表達(dá)式為：ΔpH=pH1-pH2。其中，pH1為析晶點(diǎn)的pH值(由濁度數(shù)據(jù)結(jié)合二維成像數(shù)據(jù)確定)，pH2為第一次養(yǎng)晶開始時(shí)的pH值。本研究分別考察了0.01、0.02、0.03、0.05和0.10 5個(gè)不同ΔpH值條件下的頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶過程產(chǎn)品的白度、粒度和休止角，分析結(jié)果如表2所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ΔpH是影響產(chǎn)物粒度和白度的關(guān)鍵因素。隨著ΔpH值的增加，產(chǎn)物的粒度逐漸減小，如圖8～9所示。原因在于ΔpH增大會加快成核速率，使得養(yǎng)晶初始時(shí)刻溶液中存在更多的晶核，這些晶核長大形成了聚集體中心(如圖4d所示)，由于形成聚集體的物料衡定，生成的晶核越多則就會導(dǎo)致最終產(chǎn)品的顆粒粒度也越小。分析表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，顆粒產(chǎn)物的粒度越小，對應(yīng)的白度越高。綜合考慮粒度和白度，研究選定了ΔpH=0.03，作為頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶的優(yōu)化后養(yǎng)晶ΔpH值。

2.6 養(yǎng)晶時(shí)間的影響

頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶中共有兩次養(yǎng)晶，第一次養(yǎng)晶時(shí)間對產(chǎn)品的結(jié)晶度具有關(guān)鍵的影響。從第一次養(yǎng)晶過程實(shí)時(shí)取樣得到的XRD譜圖分析(圖10，由于X射線衍射儀誤差的存在，允許峰位置偏移0.2°以內(nèi))可以發(fā)現(xiàn)，較長的養(yǎng)晶時(shí)間可以得到結(jié)晶度結(jié)晶度較高的產(chǎn)物，但是在第一次養(yǎng)晶時(shí)間達(dá)到1h后，產(chǎn)物的結(jié)晶度不會再發(fā)生明顯的變化，最終產(chǎn)物的結(jié)晶度較高是由于第二次加酸產(chǎn)生的新的小顆粒引起的。

表2 不同ΔpH條件下產(chǎn)物的白度、粒度和休止角結(jié)果Tab. 2 Whiteness, size distribution and angle of repose offinal products with different ΔpH

第二次養(yǎng)晶主要影響收率。由于頭孢克肟為兩性化合物，在高的pH和低的pH值下都會反生反應(yīng)(圖11)，第二次養(yǎng)晶發(fā)生在溶液pH達(dá)到頭孢克肟的等電點(diǎn)，即pH=2.20之后[3]，第二次養(yǎng)晶的目的是使得小顆粒最大限度地附著到已經(jīng)形成的球形顆粒上，以提高收率。同時(shí)，在線紅外可以實(shí)時(shí)監(jiān)測不同投料批次的初始濃度，并且可以結(jié)合實(shí)時(shí)的pH值來確定反應(yīng)的終點(diǎn)。以盡可能提高收率為目的，針對實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中母液中溶質(zhì)與溶劑配比具有波動的特性，在線紅外檢測濃度方法在實(shí)際生產(chǎn)中作用尤為重要。

圖8 不同ΔpH下反應(yīng)最終產(chǎn)物的粒度圖Fig.8 Particle size offinal products with different ΔpH

從“2.4”項(xiàng)可知，頭孢克肟的晶體生長方式為聚集結(jié)晶，首先形成1μm左右的細(xì)晶核，然后這些細(xì)晶在攪拌的條件下聚集長大為球形晶體。加酸形成細(xì)晶核后，需要給予足夠時(shí)間讓晶核聚集成頭孢克肟聚集體，否則會影響頭孢克肟的平均粒度及粒度分布。圖4給出了通過二維成相系統(tǒng)觀察到的反應(yīng)結(jié)晶中晶體聚集生長過程以及對應(yīng)的取樣SEM離線分析結(jié)果(圖12)?？芍Y(jié)晶過程中首先獲得形狀不規(guī)則的產(chǎn)品，隨著養(yǎng)晶的進(jìn)行，頭孢克肟晶體逐漸形成為形狀較為規(guī)整的類球形顆粒。隨反應(yīng)物鹽酸的加入，頭孢克肟鹽的濃度逐漸下降，但在結(jié)晶期間，當(dāng)pH值降低到3.2后的養(yǎng)晶過程中，pH值會發(fā)生回升。由于該過程中并無更多的H+加入，所以推測該過程為晶體的轉(zhuǎn)變過程，即由無定型向晶體轉(zhuǎn)變的過程。另一方面，線紅外的監(jiān)測數(shù)據(jù)說明了頭孢克肟結(jié)晶過程中的晶體由無定型向晶體的轉(zhuǎn)化過程是基于溶液過渡轉(zhuǎn)化機(jī)理[12]，由圖3在70～100min間的濃度測量曲線也發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶過程中體系的濃度也會有所回升，基于圖10和圖12的XRD和SEM分析結(jié)果，表明在這段時(shí)間發(fā)生了轉(zhuǎn)晶，發(fā)生轉(zhuǎn)晶后，無定型顆粒的表面會部分溶解(由頭孢克肟逆反應(yīng)生成頭孢克肟鈉鹽，反應(yīng)機(jī)理見圖11)，隨著養(yǎng)晶時(shí)間的增加，熱力學(xué)穩(wěn)定的頭孢克肟晶體會在無定型顆粒表面逐漸析出，一段時(shí)間后頭孢克肟固體表面全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。

圖10 養(yǎng)晶過程中晶體XRD變化圖Fig.10 XRD curves of crystal during crystal growing time

2.7 滴酸速率影響

滴酸速率影響反應(yīng)速率，是影響反應(yīng)結(jié)晶成核和晶體生長的重要過程條件。本文考察了不同滴酸速率對頭孢克肟產(chǎn)品結(jié)晶度的影響。盡管產(chǎn)物的結(jié)晶度并不能表明產(chǎn)物的雜質(zhì)含量低，但由于結(jié)晶度越高的產(chǎn)物中晶體形態(tài)固體的含量也會相應(yīng)地越高，由于其吉布斯自由能相對較低使得晶體結(jié)構(gòu)不易被破壞，因此結(jié)晶度高的產(chǎn)品將會具有更好的穩(wěn)定性。結(jié)晶度可以由X射線粉末衍射譜圖推導(dǎo)計(jì)算得到，本研究中以峰高為結(jié)晶度參照。

圖11 頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶機(jī)理圖Fig.11 Reaction mechanism of cefixime reactive crystallization

圖12 養(yǎng)晶過程中晶體變化SEM圖Fig.12 SEM images of crystal during crystal growing time

稀鹽酸反應(yīng)物中的H+與另一種反應(yīng)物頭孢克肟二鈉鹽溶液(pH值5.2左右)反應(yīng)，該過程并不會馬上產(chǎn)生固體，原因是首先進(jìn)入溶液的H+與頭孢克肟二鈉鹽反應(yīng)生成了頭孢克肟一鈉鹽，只有當(dāng)體系中所有的頭孢克肟二鈉鹽轉(zhuǎn)化為頭孢克肟一鈉鹽溶液(pH值3.1左右)后才會產(chǎn)生三水合頭孢克肟固體，反應(yīng)原理如圖10所示。研究考察了滴酸速率為1、2、4、5和8mL/min幾個(gè)實(shí)驗(yàn)條件得到的頭孢克肟晶體的XRD譜圖，如圖13所示，選取2θ在5～6.5°之間的峰進(jìn)行對比，通過最大衍射峰的峰高比較了結(jié)晶度，發(fā)現(xiàn)在較低的滴酸速率下可以得到結(jié)晶度較高的產(chǎn)物，但是滴酸速率在小于5mL/min時(shí)，產(chǎn)物結(jié)晶度差距并不明顯，綜合考慮結(jié)晶度與生產(chǎn)時(shí)間，得到最佳的滴酸速率為5mL/min。

2.8 攪拌速率的影響

攪拌是影響反應(yīng)結(jié)晶的一個(gè)重要工藝條件。在反應(yīng)結(jié)晶中，只有反應(yīng)物充分混合，才能保證反應(yīng)完全進(jìn)行，減少副產(chǎn)物的生成。通過提高攪拌速率可以改善反應(yīng)物的混合程度，但過快的攪拌速率一方面影響晶體的團(tuán)聚與生長，同時(shí)增加能耗和設(shè)備投入。本實(shí)驗(yàn)考察了不同的攪拌速率條件對頭孢克肟產(chǎn)品質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)攪拌速率是影響雜質(zhì)含量的主要因素，而反應(yīng)溫度、加酸速率等因素對雜質(zhì)含量的影響相對較小，雜質(zhì)含量結(jié)果如表3所示，考察的攪拌速率包括50、100、150、200、250和300r/min。從表3結(jié)果可知，當(dāng)攪拌速率增大后，結(jié)晶后頭孢克肟產(chǎn)品的最大雜質(zhì)含量呈現(xiàn)降低的趨勢。綜合考慮能耗與雜質(zhì)含量，最終選擇250r/min為較優(yōu)攪拌速率。

3 結(jié)論

本文通過在線過程分析技術(shù)對頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶過程進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。包括應(yīng)用衰減全反射紅外光譜儀(ATR-FTIR)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)晶過程濃度變化并推測和解釋頭孢克肟的轉(zhuǎn)晶過程，在線成像系統(tǒng)測量結(jié)合在線濁度儀確定成核時(shí)刻，在線紅外結(jié)合在線pH計(jì)確定結(jié)晶過程反應(yīng)終點(diǎn)。并通過離線手段測量了頭孢克肟固體的粒度分布、結(jié)晶度、白度與雜質(zhì)含量。確定了頭孢克肟在結(jié)晶過程中是由無定型形態(tài)轉(zhuǎn)化為晶體形態(tài)的，晶體的生長方式為聚集生長。

表3 不同攪拌速率與產(chǎn)物最大單雜對應(yīng)表Tab. 3 Impurity content of products under different stirring speed

研究發(fā)現(xiàn)在頭孢克肟反應(yīng)結(jié)晶過程中，ΔpH是影響產(chǎn)物粒度分布的主要因素，反應(yīng)溫度是影響產(chǎn)物白度的主要因素，第一次養(yǎng)晶時(shí)間是影響產(chǎn)物結(jié)晶度的主要因素，攪拌速率是影響產(chǎn)物雜質(zhì)含量的主要因素。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件為：反應(yīng)溫度25℃，攪拌速率為250r/min，滴酸速率先5mL/min(析晶前)，后2mL/min(析晶后)，ΔpH=0.03，第一次養(yǎng)晶時(shí)間1h，第二次養(yǎng)晶時(shí)間2h。最佳實(shí)驗(yàn)條件下得到的三水合頭孢克肟晶體結(jié)晶度高，粒度分布可以控制在60～90μm，白度大于70，最大單雜含量小于0.10%，休止角小于40°。該方法操作簡單，產(chǎn)品質(zhì)量易于控制，適用于工業(yè)生產(chǎn)。