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工艺合成化学的前景展望 精选

已有 2100 次阅读 2019-6-11 15:58 |个人分类:读书笔记|系统分类:观点评述

前几天收到CPhI的邀请,希望我谈一谈对机器自动化, 制剂和生物制药行业的市场特点,结构,动态,发展趋势以及中国在其中可能扮演的角色。这是一个很大的问题,再加上我的知识有限,我想把这些问题梳理清楚并不是一件容易的事情。在之前专题中我已经讨论过一些问题,包括中国医药行业的现状,仿制药和专利药的区别,中国生物药的发展现状,人工智能对药物发展的影响。在接下来的几个专题中,从我个人的角度来进一步仔细谈谈中国的化学工艺的发展状态,制剂的发展现状,化学药的发展前景,机器自动化对化学行业的影响以及中国未来化工行业的发展方向。希望通过这些专题的梳理,我们能够全面认识医药行业的现状。当然由于个人的知识和认识有限,讨论中难免有局限之处,并且随着技术的发展,所有的可能也可能面临过时的风险。我在这里希望能起到抛砖引玉的作用,为想了解这一行业的从业人员提供一个基本的概念,至于所讨论的结论是对是错,我想读者自然会有其自己的判断。


首先我们来看看目前的工艺合成化学发展的现状和发展前景。在日常生活中,我们时时刻刻都是离不开各种化学产品,例如药品,食品添加剂,化纤产品和特种材料,这些产品构成了我们生活中不可或缺的一部分。离开了这些产品,现代的文明生活是无法想象的。很多人一边骂着化学工业,一边在享受着化学工业带来的生活中的各种便利。由于我的专业是有机化学,所以我的重点也就集中于以有机合成为基础的工艺合成化学。有机合成工艺化学的特点在于能够实现大规模制备以小分子为基础的各种物质材料,这些物质材料可以用作工业原料(合成化纤用的丙烯和乙烯,引发剂BPO) ,药品(各种抗生素和抗癌药),食品添加剂(防腐剂苯甲酸,甜味剂糖精),农药(草甘磷,扑草净)肥料(各种氮肥)等各种精细化工产品。作为现代文明的一部分,这些产品一般都是先从实验室被开发出来,但是一般实验室的小量制备的成本太高,真正要推上市场,就必须实现大规模的工业生产,这样才能降低成本,实现大规模的使用,产生经济和社会效益,这也是我们为什么离不开化学工业的重要原因。


现代合成工艺的开端普遍认为是从合成氨开始的,德国化学家哈伯 (F. Haber,1868-1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。这个反应有几个挑战: 1) 该反应是一个放热反应,但是由于活化能的原因,在合成的时候需要大量的能量的输入;2)该反应的活化能很高,即使在高温下也需要高效的催化剂得催化才能发生; 3)该反应是一个可逆反应,转化率不能达到100%, 所以需要将产品氨气和氢气进行分离,然后回收氢气继续使用;4)氨气泄漏造成的污染。哈伯于1908年申请专利,即“循环法”,在此基础上,他继续研究,于1909年改进了合成。这是工业上普遍采用的直接合成法。合成氨工业在20世纪初期形成,开始用氨作火炸药工业的原料,为战争服务,第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务。我们知道,碳元素和氮元素是构成生物体的物质基础,通过光合作用生物体可以实现地球上碳元素的循环和利用,但是对于大量存在的氮气资源,只有很少一部分生物体可以利用。合成氨技术是人类首次突破自然界的固氮方式,实现了大规模从空气中攫取可利用的氮资源,从而大大扩展了生物体至少是人类的生存物质基础,促进了全球人口的问稳定和快速增长。目前工业上氨仍然是以哈伯法通过N2和H2在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成的,其中约有80%氨用来生产化学肥料。从这个例子我们可以看出合成工艺对于人类社会的发展是十分重要的,但是合成工艺的发展也仅仅只有100多年的时间,这就导致了其仍然有很多的问题值得解决。


从合成氨的例子,我们可以发现,合成工艺的合成技术是以有机合成化学理论为基础,利用各种催化剂和试剂,从便宜的商品化原料出发,得到高附加值的产物,同时再辅以各种分离纯化手段,最终得到可以推向的市场的产品。在这个过程中由于化学反应的特殊性,也就可能面临的问题也就是高能耗和高污染的问题。如果要从根本上解决这些问题,也必然有赖于化学技术的突破和改进,从合成工艺本身着手,不断的优化工艺。比如说解决合成氨中高能耗和污染的问题,就是抛弃哈伯工艺,模仿生物固氮技术,发展固氮酶类似物,这样就可以实现在温和条件下的将氮气转化为可利用的氮元素形式,在这方面科学家们已经取得了一定的进展,但是目前还没有办法实现工业化。


从理论上讲,似乎合成化学工艺的问题很容易解决,但实际上问题远远比我们想象的要复杂。虽然化工行业在国民生产中具有十分重要的角色,但是目前并没有受到足够的重视。这是由以下几个原因造成的:1) 由于化工行业的专业性比较强,人们对其并不完全了解,加上化工行业早期的粗放式发展和现在一些不良企业造成的污染和事故的轰动效应,使得一般人完全忽略了其内在的价值,而只关注了其问题。2)化学工业一般处于产业链的下游,缺乏话语权和定价权,更新换代升级困难,这就进一步阻碍了其发展,从而事故发生的更频繁。3)合成工艺化学行业存在一定的危险性,但是待遇由于各种原因又太低,这就导致高素质人才缺乏,从业人员素质堪忧,这就使得其管理上和技术上也远远落后于现代技术的发展。这些问题是每一个发展合成化学工艺的国家都不得不面对的问题,并且随着时间的推移会越棘手。但是发达国家通过产业转移,而延缓了面对这一问题的时间,把问题留给了发展中国家。相信随着环保和安全意识的不断增强,发展中国家将有足够的动力来解决这些问题。随着安全事故和污染事故的频发和国家监管的完善,化工生产厂家将不得不引进更加规范的管理制度和提高生产工艺的安全性。要实现这些目标,这就是的工厂有足够的动力去引进更多的高素质的人才,同时提高研发能力。而这些高素质的人才必将促进工厂的规范生产和工艺优化和研发能力的提高。但是要保证这一良性循环的前提是监管的严格执行,防止劣币驱逐良币。


所以,合成工艺化学目前仍处于潜伏期的一个行业,但是正在慢慢开始向上发展的行业,近来的火爆的人力资源需求也表明了这一点。同时这属于一个技术密集型的行业,也适合创业平台,但是对资金的高需求限制了其发展。相信未来随着各种制度和市场的完善,合成工艺行业必将会迎来一个新的发展阶段。




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