واکنش‌های شیمیایی جزء جدا نشدنی تولید دارو هستند. اما انواع واکنش‌ها متفاوت است و بر این اساس، به انواع مختلف راکتور نیاز داریم. در سینتیک شیمیایی، واکنش‌ها از طریق سرعت و مکانیسم‌هایشان با کمک کاتالیزورها طبقه‌بندی می‌شوند که چگونگی انجام واکنش را توصیف می‌کنند. کاتالیزور یک افزودنی در فرآیند شیمیایی است که سرعت واکنش را بدون خود واکنشی افزایش می‌دهد.

دو نوع واکنش وجود دارد:

• کاتالیز همگن (واکنش دهنده و کاتالیزور در یک فاز)
• کاتالیز ناهمگن (واکنش دهنده و کاتالیزور در فازهای مختلف)

بیایید انواع راکتورها را بر اساس چنین کاربردهای شیمیایی بررسی کنیم.

انواع راکتورها (جنبه شیمیایی)

برای تبدیل سیستماتیک واکنش دهنده‌ها به محصولات در طول چنین واکنش‌های شیمیایی به کنترل فوق العاده‌ای نیاز داریم. این قطعه کنترل کننده، راکتور نامیده می‌شود.
بنابراین، انتخاب نوع راکتور برای یک محصول خاص به نتیجه مورد انتظار توده واکنش بستگی دارد.
همچنین، شرایط عملیاتی مانند فشار، دما و سرعت اختلاط برای اجرای کارآمد فرآیند بسیار مهم است. بر این اساس راکتورها از انواع مختلف زیر انتخاب می‌شوند.

• دسته‌ای (Batch)
• پیوسته (Continuous)
• لوله‌ای (Tubular)
• کاتالیزوری (Catalytic)

راکتورهای دسته‌ای (Batch Reactors)

هنگامی که واکنش دهنده‌ها به راکتور اضافه می‌شوند، هیچ جزء سومی وارد نمی‌شود و همچنین تا زمانی که واکنش کامل شود، هیچ جزء خارج نمی‌شود که به فرآیند اجازه می‌دهد تا به صورت یک دسته اجرا شود تا زمانی که سطح مطلوبی از تبدیل فرآیند را ایجاد کند.
عملیات نیمه دسته‌ای (Semi-batch) شامل افزودن تدریجی یک یا چند واکنش دهنده در طول واکنش تا رسیدن به تبدیل مورد نظر است.
در غیر این صورت، واکنش دهنده ها به یکباره اضافه شدند و به تدریج محصول تبدیل شده را حذف کردند. در میان همه راکتورهای بنیادی، این نوع به طور مکرر در صنایع داروسازی استفاده می‌شود.

مزایای راکتور دسته‌ای

• ترکیب یکنواخت در سراسر راکتور
• معمولا حالت غیر ثابت (Non-steady)
• آنها از نظر ابزار دقیق و ساخت نسبت به نوع پیوسته راکتورها مقرون به صرفه‌تر هستند.
• اندازه راکتور به حجم ماده‌ای که قرار است به جای زمان واکنش شارژ شود بستگی دارد.
• برای نیروگاه‌های با ظرفیت کوچک که نیاز ۴ تا ۵ تن در روز را برآورده می‌کنند، راکتورهای دسته‌ای مقرون به صرفه‌تر از انواع دیگر هستند.

معایب راکتور دسته‌ای

• به دلیل مدیریت ضعیف واکنش‌های بسیار حساس به حرارت، به کنترل دقیق دما نیاز دارد.
• کیفیت هر دسته ممکن است متفاوت باشد.
• منابع قابل توجهی را مصرف می کند.

یک نمایش معمولی از راکتورهای دسته ای:

راکتورهای پیوسته(Steady-State)

برخلاف راکتور دسته‌ای، یک راکتور مخزن همزن پیوسته، واکنش را به طور همزمان انجام می‌دهد، یعنی افزودن واکنش دهنده و حذف محصول به طور همزمان.
سطح توده واکنش ثابت نگه داشته می‌شود به طوری که ترکیب داخلی جرم واکنش همان جرم تخلیه شده است. جدا از انواع دیگر راکتورها، این نوع شامل استفاده متداول‌تری در کارخانه های فرآیند شیمیایی است.

مزایای راکتور پیوسته
• با قرار گرفتن در حالت پایدار، ترکیب در هیچ نقطه‌ای با زمان تغییر نمی‌کند.
• پارامترهای کیفیت بهینه را می‌توان برای تبدیل محصول مورد نظر حفظ کرد.

راکتورهای لوله‌ای (Tubular/Plug Flow Reactors)

انواع لوله‌ای از راکتورها مانند راکتورهای جریان برق (PFR) دارای لوله‌های استوانه‌ای هستند که بیشتر واکنش را انجام می‌دهند.
واکنش دهنده‌ها در یک انتها وارد می‌شوند، واکنش نشان می‌دهند، محصول را در حین عبور از لوله برداشت کرده و در انتهای دیگر خارج می‌شوند.
آنها به دلیل جریان آشفته در ورودی، نسبت به CSTR برای همان حجم کارآمدتر هستند. آنها معمولا دارای مشخصات سرعت مسطح هستند که منجر به اختلاط شعاعی می‌شود.
زمانی که ذره سیال در جریان پلاگ می‌گذراند residence time نامیده می‌شود و برای همه ذراتی که از طریق PFR حرکت می‌کنند یکسان است.

مزایای راکتور لوله‌ای

• هیچ اختلاط محوری مجاز نیست، یعنی هیچ شانسی برای انتشار بین ذرات مختلف که از طریق راکتور عبور می‌کنند.
• ترکیب توده واکنش با گذشت زمان بدون تغییر است. بلکه با طول راکتور تغییر می‌کند.
• به حجم کمتری برای ایجاد همان تبدیل راکتورهای حالت پایدار پیوسته برای هر واکنش مرتبه مثبت نیاز دارد.
• هیچ قطعه متحرکی ندارد، بنابراین واکنش‌های بسیار تحت فشار و خورنده را تحریک می‌کند.

راکتورهای کاتالیزوری (Catalytic Reactors)

نیروی محرکه این نوع راکتورها شامل انتقال حرارت، انتقال جرم و بیشتر کاتالیزورها است. از جمله کاربردهای آن می‌توان به سنتز شیمیایی، پلیمریزاسیون، کراکینگ هیدروژنی و غیره اشاره کرد.
طبقه بندی رایج این راکتورها با الگوی حرکت کاتالیزورها به شرح زیر تعیین می شود:

1.  بستر ثابت (Fixed Bed)
2. بستر قطره‌ای (Trickle Bed)
3. بستر سیال (Fluidized Bed)

۱. راکتورهای بستر ثابت

یک بستر ثابت کاتالیزور برای انجام واکنش‌های فاز گاز کاتالیز شده ناهمگن استفاده می‌شود. آنها را می‌توان بر اساس نیاز بر روی لوله های منفرد یا چندگانه ساخت.
دو نوع راکتور در دسته بستر ثابت معمولا شامل بسترهای بسته بندی شده و راکتورهای چند لوله ای هستند.

۲. راکتورهای بستر قطره‌ای

راکتورهای بستر قطره‌ای که بیشتر برای واکنش های هیدروژناسیون استفاده می‌شوند، یک فاز جامد به عنوان کاتالیزور برای انجام واکنش‌های گاز-مایع دارند.

واکنش دهنده‌های مایع را از بالا وارد می‌کند و در تماس با بستر کاتالیزور جامد به سمت پایین جریان می‌یابد در حالی که واکنش دهنده‌های گاز را از جهت جریان متقاطع برای سطح تماس بهتر وارد می‌کند.

۳. راکتورهای بستر سیال

بستری از ذرات جامد با کشش گاز یا مایعی که در جهت رو به بالا با سرعتی به‌گونه‌ای جریان دارد که بستر جامد مانند یک سیال رفتار می‌کند، پشتیبانی می‌شود. این پدیده به عنوان بستر سیال شناخته می‌شود و راکتوری که برای آن استفاده می شود راکتور بستر سیال نامیده می‌شود.

این یک تصویر کلی از طبقه بندی اساسی راکتورها بود و نه یک تصویر جامع.

در زیر انواع راکتورها بر اساس مواد ساختمانی که معمولا در صنایع مرتبط با داروسازی نامیده می‌شوند، آورده شده است.

طبقه بندی دارویی

در کاربردهای علوم زیستی، انواع راکتورها به طور خاص بر اساس مواد ساخت و فرآیند مورد علاقه است.

راکتورهای فولادی ضد زنگ(SSR)
راکتورهای شیشه‌ای (GLR)

کاربرد و انتخاب این نوع راکتورها به دامنه فرآیند بستگی دارد. برای هر فرآیند شیمیایی، سه ماهیت وجود دارد:

راکتورهای فولادی ضد زنگ (SSR)

داروهای مختلف الزامات ایمنی و سطح سختگیری متفاوتی دارند. به عنوان مثال، داروهای فله نسبت به بیوسیمیلارها نیازهای سختگیرانه‌تری دارند.

بر این اساس، دو نوع راکتور رایج بر اساس پیکربندی آلیاژ مواد، یعنی SS304 و SS316 وجود دارد.
می‌توانید اطلاعات بیشتری را در دستورالعمل‌های ASTM برای این کار بیابید، اما اجازه دهید به‌سرعت به طور خلاصه ببینیم.
SS304 شامل تقریبا ۱۸٪ کروم و ۸٪ نیکل در حالی که ۳۱۶ حاوی ۱۶٪ کروم، ۱۰٪ نیکل و ۲٪ مولیبدن است. این مولیبدن ۲ درصد به زنده ماندن در محیطی که باعث خوردگی می شود کمک می کند.
از این رو، SS316 از SS304 پیشرفته تر است. با این حال، تمایز قابل مشاهده بین این دو امکان پذیر نیست و نیاز به گزارش آزمایش مواد از فروشنده یا آزمایش کننده دارد تا آن را به عنوان SS316L نتیجه گیری کند.
همچنین، اگر کربن مشکل دارد، اولویت به SS304L یا SS316L داده می شود. در این مورد، L مخفف محتوای کربن کم است. ۳۰۴ یا ۳۱۶ معمولی حاوی ۰.۰۹٪ کربن است، در حالی که نسخه “L” حدود ۰.۰۳٪ کربن دارد. کربن همچنین به خوردگی در حین عملیات در دمای بسیار بالا کمک می کند.
نکته اصلی این است که راکتورهای فولادی ضد زنگ برای عملیات خنثی یا قلیایی مناسب تر هستند. اگرچه گاهی اوقات، اسیدهای ضعیف مانند اسید استیک می توانند به طور رضایت بخشی در SS316L با مقدار pH کمتر از ۳ به دلیل تأثیر خوردگی کمتر آن نسبت به سایر اسیدهای قوی پردازش شوند.

راکتورهای شیشه‌ای (GLR)

هنگامی که با اسیدهای قوی مانند اسیدهای نیتریک، سولفوریک، هیدروکلریک یا فسفریک سر و کار داریم، راکتورهای فولاد ضد زنگ پایدار نیستند و از این رو در طول زمان خوردگی/از هم ادغام می‌شوند.
برای جلوگیری از آن، راکتورهایی با پوشش شیشه ای به ضخامت ۰.۲ میلی متر استفاده می شود زیرا شیشه به راحتی اسیدها را حفظ می کند. شیشه محافظت کاملی را در برابر اسیدهای قوی ارائه می دهد که از سایش و پارگی در طولانی مدت جلوگیری می کند.
راکتورهای شیشه ای برای عملیات قلیایی مناسب نیستند زیرا بوروسیلیکات که معمولاً در شیشه استفاده می شود به راحتی با محلول های pH بالا واکنش داده و تجزیه می شود.
قلیاها خورنده تر از اسیدها هستند، به خصوص در دماهای بالا. این ممکن است باعث ایجاد ترک در شیشه شود که ناخواسته است. با این حال، GLR ها تا مقدار pH 8.5 پایدارتر هستند، یعنی تا زمانی که از پایه های ضعیف استفاده نکنید.
راکتورهای فولادی ضد زنگ به دلیل رسانایی حرارتی افزایش یافته، اثر انتقال حرارت بهتری دارند. جدای از این مزیت، GLR ها عملکرد را در فشارهای بالا محدود کرده اند.
اگرچه تمیز کردن آسان، سبک وزن، مقرون به صرفه و مقاوم در برابر خوردگی است، اما بدنه ظریفی دارد که نیاز به رسیدگی دقیق دارد.

GLR ها با توجه به اهداف مناسب در رنگ های مختلفی مانند آبی، آبی روشن، سبز و سفید دیده می شوند. خصوصیات هر رنگ به طور خلاصه.
• آبی – هدایت حرارتی بالاتر، طیف وسیعی از پذیرش pH
• آبی روشن – بسیار مقاوم در برابر مواد قلیایی، آسان برای مشاهده بصری
• سبز – مناسب برای کار در دمای بالا تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد
• سفید – مشاهدات بصری آسان در واکنش های شیمیایی رنگارنگ مانند فتوشیمیایی ها.

مهمتر از همه، این نوع راکتورها (SSR و GLR) با توجه به MOC خود به ابزارهای تخصصی مختلفی مانند همزن، بافل، پروب دما، پروب pH، دریچه، منهول و غیره بر اساس الزامات CIP و SIP نیاز دارند.
امیدواریم که شما یک ایده کلی از پیچیده اما سیستماتیک بودن طبقه بندی راکتورها بر اساس کاربردهای مختلف داشته باشید.