活性炭

活性炭的性能及在制药生产中的应用

摘要:目的　了解活性炭的性能,掌握其用法和用量,合理地应用在制药生产中以提高制剂质量。
方法　对活性炭的制备原料、制备方法、质量标准,以及活性炭在制药生产中的应用进行了综述。
结果　活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、良好的稳定性、极强的吸附能力,用于制药生产中吸附热原、杂质等。
结论　建议在制药生产中,考虑多方面的因素,采用优选工艺,活性炭才能发挥出显著的性能。
关键词:活性炭;制药生产

活性炭作为重要的工业原料得到广泛的应用。由于活性炭具有物理、化学性质稳定,耐酸碱,耐高温、高压,不溶于水和有机溶剂,可再生利用等诸多优点,已应用于制药、化工、食品、环保等各个领域。根据其物理吸附和化学吸附的双重特性,可选择吸附气相、液相中的各种物质,达到脱色精制、消毒除臭、去污提纯等目的。在临床应用中,常用活性炭抢救病人。在制药行业中,由于活性炭具有吸附热原、除杂、脱色、助滤等作用而被应用于生产。
1　活性炭的制造工艺
活性炭能够通过各种炭质材料经过炭化、活化处理制得,由于原料成分结构和活化工艺的不同,制得活性炭的吸附性能也各异。只有选择合适的原料和工艺条件,才能够制造出具有适用于各种特殊用途的细孔结构和表面特性丰富的活性炭。
1.1　活性炭的制备原料
活性炭的制备原料十分广泛,常见活性炭生产的原料有木材、木屑、椰子壳、果核、泥煤、褐煤、无烟煤、石油焦、聚氯乙烯、聚丙烯、各种树脂、旧轮胎等[1]。中国药典2005版一部收载的药用炭作为吸附药物未对原料做规定,但GB/T13803. 4-1999针剂用活性炭的国家标准规定其原料以木屑、木炭或其它木质材料为原料,采用化学法或物理法活化工艺制成的粉状活性炭[2]。由此可见,不同的活性炭制品,运用于不同的领域,其制备原料也就不同。由于注射剂需要高度的安全性,所以该领域必须使用优质原料。
1.2　活性炭的制备方法
活性炭的制备方法常用的为物理活化法和化学活化法[3],针剂用活性炭的国家标准中规定采用以上两种方法来生产。
1.2.1　物理活化法的制备方法　将原料先炭化,再在高温下利用水蒸气、二氧化碳等气体与之发生活化反应,形成众多微孔结构,故又称气体活化法。由于H2O在颗粒中的扩散速度快,所以工业上多采用水蒸气活化法。工艺流程如图1所示。

图1　物理活化法制备活性炭工艺流程简图
物理活化法实质是活化气体与含碳材料内部“活性点”上碳原子反应,通过开孔、扩孔和创造新孔形成丰富的微孔。炭化温度一般在600℃,活化温度一般在800~900℃之间[4]。其工艺特点是活化温度高、时间长,能耗高,但反应条件温和,对设备材质要求不高,对环境无污染。
1.2.2　化学活化法的制备方法　将原料与化学试剂(活化剂)按一定比例混合浸渍一段时间后,在惰性气体保护下将炭化和活化同时进行的一种制备方法。工艺流程如图2所示。

图2　化学活化法制备活性炭工艺流程简图
化学活化法实质是化学试剂镶嵌入炭颗粒内部结构中作用而开创出丰富的微孔。按活化剂不同分ZnCl2法、H3PO4法、KOH法。这三种方法中前两种工艺较成熟,活化作用体现在促进热解反应过程,形成基于乱层石墨结构的初始孔隙;填充孔隙,避免焦油形成,清洗除去活化剂后留下发达的孔结构[5]。ZnCl2法污染严重,H3PO4法需高温不易生产,且产品孔径偏小。KOH法制备的活性炭比表面积较高,微孔分布均匀,吸附性能优异,是目前制备高性能活性炭或超级活性炭的主要方法。
与物理活化法相比,化学活化法对温度要求低,活化产率高,通过选择合适的活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性炭,但对设备腐蚀性大,污染环境,其制得的活性炭中残留化学药品活化剂,应用受到限制。
在活性炭制备过程中,不同的原料中存在的独特结构形式会影响活化效果。对原料进行一些适当的前处理和后处理会对活性炭的成品质量有较大的提高,如原料本身带有碱性或者在活化处理时添加的活化剂使活性炭带有碱性,多用磷酸、盐酸等进行酸化处理。酸处理后须清洗干净,一方面去除酸碱性,另一方面去除活化剂残留的有害离子。
2　活性炭的质量标准
活性炭的质量随生产原料、生产工艺和后处理等的不同而异,质量要求也随应用的不同而异。一般按活性炭的用途制订相应的产品标准,包括产品质量标准和检验方法。
目前国际上主要的活性炭标准化组织及标准有:
美国材料试验协会(ASTM American Society forTesting andMaterials)及其标准,美国自来水工程协
会(AWWA AmericanWaterWorksAssociation)及其标准,美国食品医药管理局(FDA Codex)及其医药和食品级活性炭标准等。ASTM标准是目前最为活跃的活性炭标准,每五年修订一次,且根据实际发展需要,不断提出新的活性炭标准[6]。中国的活性炭品种经过约半个世纪左右,已从原来的几个发展到现在的近百个,但进入全国统一标准的为数不多,绝大部分仍然是行业标准、地方标准,有一部分是生产和使用企业相互约定的标准。我国的活性炭标准分为木质活性炭标准和煤质活性炭标准。对照两类活性炭国家标准的试验项目,这两类活性炭各有22个试验项目,其中方法基本相同的有7项,项目相同而方法差异较大的有4项,完全不同的有11项。造成试验项目不同的原因主要是由于活性炭用途不同:如木质活性炭中的味精精制用活性炭,除常规项目外,有铁含量的试验项目;糖液脱色用活性炭有焦糖脱色率,氯化物、铁含量、酸溶物等的试验项目;针用活性炭则有硫酸奎宁吸附值、未炭化物、氰化物、硫化物、氯化物、硫酸盐、酸溶物、铁含量、重金属含量等试验项目。而煤质颗粒活性炭类中的防护用活性炭除常规项目外,另有苯蒸气防护时间、氯乙烷蒸气防护时间、水容量等试验项目。这两类活性炭的试验项目各有针对性,在对活性炭的性能试验中可互相补充[7]。
3　活性炭在制药生产中的应用
由于活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、良好的稳定性、极强的吸附能力,因此在制药行业常用来吸附热原、除杂、脱色、助滤等,是制剂生产中最常用的辅料。
在药物制备过程中去除热原是当今生物技术领域中的一大难题,生产中避免热原污染制品及清除热原的工作显得尤为重要,提纯的中间品或成品如果发现被热原污染,应采取相应的措施去除,但又不能影响制品的生物活性和收率。张金等[8]采用活性炭吸附去除破伤风抗毒素制品中的热原,试验结果表明该方法操作快速、简便,对制品中热原吸附效果明显且重复性较好,吸附后进一步改善了制品的外观。刘莉等[9]通过活性炭在紫杉醇注射液中的应用研究得出在配制紫杉醇注射液的过程中,加入一定量的活性炭是提高注射液的澄明度、吸附热原等的行之有效的方法。加入0. 25%的活性炭,在35℃下进行吸附,既可以保证紫杉醇的含量,又能使注射液中有关物质、澄明度、细菌内毒素达到要求。陈前进等[10]研究了活性炭对生脉注射液人参皂苷Re的吸附作用,实验证明活性炭对人参皂苷Re有较强的吸附作用,随着炭量增加,吸附量明显增多,在不同pH下对人参皂苷Re的吸附作用无明显改变,温度对活性炭的吸附有一定影响,吸附作用随温度升高而增强。崔勤敏等[11]测定不同温度下红参提取液中加入不同量的活性炭吸附前后的HPLC指纹图谱,对其中的14个人参皂苷进行比较分析,结果表明活性炭对人参皂苷的吸附作用随加入量增加、温度升高而增强,但对不同皂苷的作用差异很大。于杰等[12]报道了活性炭在人参总皂苷注射液制备工艺中的作用,该工艺中二次用到活性炭,通过对使用方法、用量以及作用时间进行考察,从而确定活性炭在脱色除杂和除热原中的最佳工艺条件。得出在提取精制工艺中,活性炭加入人参茎叶提取液中,使其含量为1%,加热回流30min,对提取液有很好的脱色除杂效果;在成型工艺中,加入0·2%的活性炭,加热回流20 min,对注射液起到良好的除热原效果。
在多糖的加热浸提过程中,蔗糖等会发生焦糖化作用,形成色素,使提取液颜色加深,影响到多糖质量。脱去多糖颜色的方法比较多,工业上最常用的还是活性炭。陈存武等[12]在黄精多糖提取液的活性炭脱色研究中采用颗粒活性炭作脱色剂,实验结果表明,用2%的活性炭、在50℃的条件下脱色40 min时,提取液的脱色效果最佳。吴洪新等[13]研究了活性炭法用于菊苣菊粉脱色通过正交试验确定了脱色的最佳工艺条件是脱色温度60℃,脱色40min,活性炭添加量2%。
4　结束语
由于活性炭有着独特而优良的性能,在制剂生产中发挥着巨大的作用,但在使用中要掌握好用法和用量,否则不但会降低吸附力,而且会污染药液、影响制剂质量。
首先,要选择符合相应工艺要求的活性炭。在配制大、小容量注射液时注意一定要选用一级针剂用活性炭(767型针用炭)。活性炭在使用前应根据具体情况,进行必要的预处理,可大大提高活性炭的除热原能力。活性炭的用量没有严格的规定,每个产品应视原料质量、药液澄明度等而定。一般使用量是药液总量的0. 02% ~1%,分2~3次加入效果最佳,能使制剂质量明显提高。活性炭的临界吸附温度为45~50℃,当温度低于临界吸附温度时活性炭的吸附力较差。使用时除需冷藏或不便加热的药液外,一般采用加热煮沸后吸附20~30 min,冷至45~50℃时滤过脱炭。脱炭最好在短时间内完成,以后温度下降或在放置过程中发生可脱吸附作用。活性炭的吸附力还与溶媒的性质、药物的结构有关。活性炭在水中比在有机溶媒中的吸附力强,对极性基团多的化合物的吸附力大于对极性基团少的化合物,对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物,对分子量大的化合物吸附力大于分子量小的化合物。因此使用活性炭时要注意其对药物的吸附作用,特别是对小剂量药物如生物碱盐等的吸附,要通过加炭前后药物含量的变化,确定能否使用。例如,活性炭对人参皂苷Re有较强的吸附作用,因此在生产含有人参皂苷Re的制剂时,要严格控制用量,在保证澄明度的前提下,应尽量少加。此外,在主药含量低的药液用活性炭处理时,可先用活性炭处理溶剂后,再加主药;在配制主药量较大的药液时,常采用浓配法。利用活性炭吸附在高浓度时不溶解的杂质。综上所述,在制剂生产实际应用中,综合考虑多方面的因素,摸索出最佳工艺条件,活性炭才能发出最大的吸附性能,从而提高制剂质量。
参考文献
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作者：李娟,马珠凤,李元瑞