化学プロセス開発とスケールアップ

化学プロセス開発と、ラボから実生産へのスケールアップには、化学工学的問題、安全性、コスト面などの課題があります。個人の経験や実績データもある程度は役立ちますが、研究開発には、機器の特性評価、プロセスの熱力学分析、撹拌やマストランスファーの確認に加えて、反応速度解析、潜在的な危険の確認など数多くの項目の検討が必要です。 プロセスのスケールアップは、ヒートトランスファーや除熱にも左右されます。反応熱量測定とPATツールによるインラインモニタリングの組み合わせにより、化学プロセスのスケールアップがスピードアップします。

プロセス開発とスケールアップにおける撹拌とマストランスファー

化学プロセスのスケールアップ検討では、撹拌プロセスを理解することが重要となります。 撹拌効率に影響を与える要素として、撹拌中の物質の物理的特性、撹拌器とリアクタの設計、撹拌方法、供給チューブの位置と操作条件などがあります。撹拌中のタンクリアクタ内で生じる化学反応には、複数の相や状態（液体、気体、固体）の試薬が含まれることがあります。 これらの反応には、最適なマストランスファーを促進するために界面の十分な接触が必要です。撹拌が不適切であったり、不十分であったりすると、低い反応速度、低い収率、不十分な選択性、または不純物濃度の上昇が生じ、製造コストが増加することがあります。

撹拌中の容器でのヒートトランスファーのスケールアップ

撹拌中のタンクリアクタの放熱は、化学プロセスのスケールアップと安全な操作にとってきわめて重要です。製薬/化学業界では、今でもバッチまたはセミバッチリアクタが最も頻繁に使用されるリアクタのタイプです。ヒートトランスファーの変動は、化学プロセスのスケールアップ、工場のリアクタの設計、冷却システム、安全性に関する考慮事項に影響を与えることがあります。

化学業界での効率的なスケールアップとプロセス制御

スケールアップできない反応プロセスを早期に発見できれば、プロセスを変更し、安全性を向上することができます。Lubrizol社が提供するウェビナーでは、熱量測定とin situプロセス分析を活用してプロセス開発とスケールアップを向上する方法に注目しています。Lubrizol社は、従来のプロセス開発を見直してスケールアップ/スケールダウンの時間を短縮し、複雑なプロセスを容易にしました。

化学反応は、濃度、添加速度、温度、溶媒、触媒、pHなどの複数のパラメータの影響を受けます。  さらに、反応は撹拌翼の種類や撹拌速度からも影響を受け、マストランスファーの違いから得られる結果が左右されることがあります。 有機合成化学のラボでは、各反応に影響を及ぼすパラメータの相互作用の検討が難しい「trial-and-error（試行錯誤的）」アプローチではなく、DoEを採用しています。 

チューリッヒ応用科学大学（ZHAW）とLonza SA社のケーススタディでは、実験計画法（DoE）を次に適用しています。    

• 反応パラメータの及ぼす影響の特定
• プロセスの変動の低減
• 化成品開発サイクルの短縮
• Quality by Design（QbD）アプローチの強化

化学プロセスの強化により可能になる迅速な意思決定

化学プロセス開発では、特に初期臨床デリバリー期間で、プログラムのタイミングにより、プロセスの理解が不十分なまま意思決定を求められることが頻繁にあります。これを容易にするために、Merck & Co社のPharmaceutical Process Development Intensification Laboratoryは、リソースの使用を抑えながらプロセスに関する基本的理解を深めるための方法を説明しています。 

関連アプリケーション

• 化学反応速度論
• 化学反応の不純物プロファイリング
• 連続フローケミストリー
• ヒートトランスファーとスケールアップ
• マストランスファーと反応速度
• 晶析と沈殿の入門ガイド

OptiMax HFCal、HFCal/RTCalを備えたRC1eなどのプロセス開発/スケールアップ自動合成機は、熱力学データをリアルタイムで提供します。 反応速度測定用のin situ リアルタイム FTIRと組み合わせることで、化学反応を理解、モデル化できるようになり、その結果、ラボからプラントへとプロセスのスケールアップを短時間化できるようになります。