专业的活性炭固化技术 ZetaCarbon ...

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2025-10-08                环球过滤分离技术网            guolvfenlitech6





3M 宋明宇
       在制药企业和生物制品企业中， 经常需要使用活性炭粉对产品进行脱色、 提高澄清度和降低热源。然而传统的活性炭粉的投加方法， 可能会遇到生产环境污染、设备清洗验证困难以及有效成分损失等问题。 一种全新的固定化活性炭技术可以有效地解决这些问题， 从而为生产企业带来更好的经济和社会效益。活性炭是一种多孔性的含炭物质,它具有高度发达的孔隙结构。 活性炭的多孔结构为其提供了极大的表面积， 从而赋予了活性炭特有的吸附性能， 当活性炭与杂质之间的距离足够小时， 活性炭就可以通过吸附作用去除杂质。

     活性炭的孔径分为 3 种： 微孔（孔径小于 2nm）、 介孔（孔径为 2~50nm） 和大孔（孔径大于 50nm）。 实际上在一种活性炭中， 不会只有一种类型的孔径， 而是存在不同比例的微孔、 介孔和大孔。 通常活性炭用碘吸附值、 亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率来表征活性炭的吸附性能。由于杂质的来源不同， 因此需要针对不同的杂质， 选择不同孔径的活性炭粉，用户通常会进行炭粉型号的筛选试验， 确定最佳的炭粉型号和操作参数。传统投加方法之弊端，在药物生产过程中， 通常都有投加活性炭粉的步骤， 主要起到脱色、 除杂质和降低内毒素的作用。 传统的炭粉投加方法是将称量好的炭粉从反应器的开孔中投加， 并保持一定时间的保温和搅拌， 然后通过脱炭过滤器将炭粉脱除。通常这种方式的生产环境较差， 操作人员不可避免地需要接触活性炭粉和药液， 且设备清洗和验证过程繁琐， 存在批次污染的风险。


      在活性炭的脱色过程中， 炭粉对药液中杂质起作用的范围是在两者的接触面上， 只有当活性炭粉和药液中杂质之间的距离足够小时， 活性炭的吸附作用才能发挥； 当两者之间的距离过大， 活性炭是不能有效吸附杂质的。 药物生产企业在使用活性炭粉时， 可以通过搅拌来增强炭粉与料液间的接触， 减小二者之间的距离， 提高脱色效果。 实际上这种接触仍然不充分， 活性炭粉与药液之间发生同向运动， 两者之间的相对运动速度较小， 接触面上药液杂质被活性炭粉吸附后， 颜色较浅， 但是接触面外的杂质不能有效扩散进入接触面， 导致脱色效果不佳。 于是药物生产企业只能通过增加活性炭粉投加量， 进一步增加炭粉与药液的接触面， 以此来保证达到预期的脱色效果。 但与此同时， 药物有效成分被过多的活性炭粉大量吸附， 降低了最终收率。
3M 公司提出了一种全新的活性炭使用概念， 即固定化活性炭技术。将活性炭固化在深层过滤器中， 并在过滤介质上加载正电荷，进一步增强脱色果， 这种全新的炭粉运用产品被称为 ZetaCarbon 滤芯， 可将脱色和过滤两个操作单元一步完成。这种技术能够将活性炭固定在 ZetaCarbon 滤芯的过滤介质表面， 待脱色的药液通过离心泵或压力进入过滤器时， 与含有固定化活性炭的过滤介质强制接触，从而提高两者之间的相对速度； 同时 ZetaCarbon 滤芯的过滤介质也具有一定的孔径精度， 药液只能在狭窄的孔道中通过， 进一步降低了药液与固定化活性炭的接触距离， 充分发挥活性炭的吸附能力。此外， 杂质中通常带有负电荷， ZetaCarbon 滤芯的过滤介质表面加载正电荷，如图 2 所示， 通过静电吸附作用， 杂质与过滤介质之间的距离被进一步减小， 有利于杂质从药液主体中脱除， 提高活性炭的利用率。

     活性炭滤芯的选型
     为满足不同生产企业的不同需求， 3M 公司通过对制药企业的大量实验研究，开发选择了 50 多种可以作为 ZetaCarbon 滤芯的活性炭， 并从中选出了具有广泛适用性的 5 种炭作为 ZetaCarbon 系列的 5 种标准型号， 在此基础上进而开发了 3种孔径精度和 3 种热源等级。 同时 3M 公司还提供不同过滤面积的 ZetaCarbon系列滤芯， 可根据不同批次量来选择最佳的过滤面积。 此外， 3M 公司还可以根据客户需求来定制 ZetaCarbon 活性炭滤芯， 最大程度地满足客户的需求。在 ZetaCarbon 系列滤芯的选型过程中， 首先通过炭粉筛选试验确定最佳的炭粉型号； 然后通过 47mm 的滤芯样品膜片进脱色/降低热源过滤试验， 确定最佳的孔径； 最后进行完整滤芯的在线生产试验进行确认。 通过这样一系列标准化试验， 逐级放大， 从而确保最佳的脱色/降低热源效果。

小结
ZetaCarbon 滤芯在欧洲及中国各大药企已被大量采用， 性能表现优异， 处理同等炭量可达到几倍乃至数十倍的脱色效果。 随着人们对药品生产安全和综合生产成本的进一步重视， 固定化活性炭技术将发挥越来越重要的作用， 从而为制药企业带来更多的经济效益。






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