Масштаб (химия)

Масштаб химического процесса относится к грубым диапазонам массы или объема химической реакции или процесса, которые определяют соответствующую категорию химического оборудования и аппаратуры, необходимых для его выполнения, а также концепции, приоритеты и экономики, которые действуют в каждом из них. Хотя конкретные используемые термины — и пределы массы или объема, которые к ним применяются, — могут различаться в зависимости от конкретных отраслей, эти концепции широко используются в промышленности и фундаментальных научных областях, которые их поддерживают. Использование термина «масштаб» не связано с понятием взвешивания; скорее, оно связано с родственными терминами в математике (например, геометрическое масштабирование , линейное преобразование , которое увеличивает или уменьшает объекты, и параметры масштабирования в теории вероятностей ), а также в прикладных областях (например, при масштабировании изображений в архитектуре, машиностроении , картографии и т. д.).

На практике масштаб химических операций также зависит от подготовки, необходимой для их проведения, и может быть разбит примерно следующим образом:

• процедуры, выполняемые в лабораторных масштабах , которые включают в себя виды процедур, используемых в академических учебных и исследовательских лабораториях при обучении химиков и на площадках для открытия химии в промышленности, ^[1]
• операции в масштабе пилотного завода , например, выполняемые химиками-технологами , которые, хотя и находятся на самом низком уровне производственных операций, в 200–1000 раз больше, чем лабораторные масштабы, и используются для получения информации о поведении каждого химического этапа в процессе , которая может быть полезна для проектирования реального химического производственного объекта;
• промежуточные наборы процедур лабораторного масштаба , в 10–200 раз превышающие лабораторные исследования, иногда вставляемые между двумя предыдущими;
• операции в демонстрационном масштабе и полномасштабном производстве , размеры которых определяются природой химического продукта, доступными химическими технологиями, рынком для продукта и производственными требованиями, где цель первого из них — буквально продемонстрировать эксплуатационную стабильность разработанных производственных процедур в течение длительных периодов (путем эксплуатации комплекса производственного оборудования при скоростях подачи, ожидаемых для коммерческого производства). ^{[ необходима ссылка ]}

Например, производство антибиотиков класса стрептомицина , которое сочетало биотехнологические и химические операции, включало использование ферментера объемом 130 000 литров , что примерно в миллион раз больше, чем микробные встряхиваемые колбы, которые использовались в ранних лабораторных исследованиях. ^{[2] [3]}

Как уже отмечалось, номенклатура может различаться в зависимости от производственной отрасли; в некоторых отраслях термины «пилотная установка» и «демонстрационная установка» используются взаимозаменяемо.

Помимо определения категории химических аппаратов и оборудования, необходимых для каждого масштаба, концепций, приоритетов и экономии, которые они обеспечивают, а также наборов навыков, необходимых практикующим ученым для каждого масштаба, определение масштаба позволяет проводить теоретическую работу до фактической эксплуатации завода (например, определять соответствующие параметры процесса, используемые при численном моделировании крупномасштабных производственных процессов), а также проводить экономический анализ, который в конечном итоге определяет, как будет осуществляться производство.

Помимо знаний в области химии и биологии, необходимых для масштабирования проектов и решений, задействованы различные аспекты технологического проектирования и математического моделирования, имитации и исследования операций .

• Лекарственная химия
• Химия процесса
• Опытный завод
• Химическая инженерия
• Технологическое проектирование
• Исследование операций

• R. Dach, JJ Song, F. Roschangar, W. Samstag & CH Senanayake, 2012, «Восемь критериев, определяющих хороший химический производственный процесс», Org. Process Res. Dev. 16 :1697 и далее , DOI 10.1021/op300144g.
• MD Johnson, SA May, JR Calvin, J. Remacle, JR Stout, WD Dieroad, N. Zaborenko, BD Haeberle, W.-M. Sun, MT Miller и J. Brannan, «Разработка и масштабирование непрерывной реакции асимметричного гидрирования под высоким давлением, обработка и изоляция». Org. Process Res. Rev. 16 :1017 и далее , DOI 10.1021/op200362h.
• М. Левин, ред., 2011, Масштабирование фармацевтического процесса: лекарственные средства и фармацевтика , 3-е изд., Лондон, Великобритания: Informa Healthcare, ISBN  9781616310011 .
• AA Desai, 2011, «Производство ситаглиптина: захватывающий рассказ о зеленой химии, интенсификации процессов и промышленном асимметричном катализе», Angew. Chem. Int. Ed. 50 :1974 и далее , DOI 10.1002/anie.201007051.
• М. Злокарник, 2006, Масштабирование в химической инженерии, 2-е изд., Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH, ISBN 9783527314218 . 
• MCM Hensing, RJ Rouwenhorst, JJ Heijnen, JR van Dijken и JT Pronk, 1995, «Физиологические и технологические аспекты крупномасштабного производства гетерологичных белков с помощью дрожжей», Antonie van Leeuwenhoek 67 : 261-279.
• Карл А. Тиль, 2004, «Биопроизводство: от спада к буму... к пузырю?», Nature Biotechnology 22 :1365-1372, в частности. Таблица 1, DOI 10.1038/nbt1104-1365, см. [2], доступ 15 февраля 2015 г.
• Максимилиан Лакнер, редактор, 2009 г., «Масштабирование сжигания», Вена, Австрия: Process Engineering GmbH, ISBN 9783902655042 .