药物片剂生产生命周期评估：不同制造平台的碳足迹比较与系统模型整合框架

本研究针对口服固体制剂(OSD)生产过程中的环境可持续性问题，采用"从摇篮到大门"(cradle-to-gate)生命周期评估(LCA)方法，系统比较了直接压片(DC)、连续直接压片(CDC)、辊压造粒(RC)和高剪切制粒(HSG)四种制造平台在不同生产规模下的碳足迹。研究发现API生产过程贡献了90%以上的碳排，而CDC在大规模生产时最具碳效率，DC则在小批量生产中表现最优。研究创新性地将LCA模型与CDC系统模型整合，为制药行业实现绿色制造提供了量化工具和决策依据。

　　

在全球气候变化日益严峻的背景下，制药行业面临着巨大的减排压力。令人惊讶的是，制药业的碳排放量甚至超过了汽车制造业，其中药物生产占据了英国国家医疗服务体系(NHS)近三分之一的碳足迹。口服固体制剂(OSD)作为最常用的药物剂型，其生产过程包括直接压片(DC)、连续直接压片(CDC)、辊压造粒(RC)和高剪切制粒(HSG)等多种技术路线，但以往缺乏对这些不同制造平台环境影响的系统量化比较。

活性药物成分(API)的合成过程复杂且资源密集，其全球变暖潜能值(GWP)可达基础化学品的25倍之高。尽管API贡献了制剂产品90%以上的碳足迹，但制剂生产工艺的选择和优化同样对整体环境影响至关重要。目前，制药工艺设计主要关注产品质量和生产率，往往缺乏对环境影响的定量考量，特别是新兴的连续直接压片(CDC)技术尚未有完整的生命周期评估(LCA)研究。

为了解决这一知识空白，来自阿斯利康全球产品开发部门的研究团队开展了一项系统研究，对四种主流OSD制造平台进行了全面的生命周期评估，并创新性地将LCA模型与连续制造系统模型相结合，为可持续制药工艺设计提供了新的方法论框架。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先建立了"从摇篮到大门"的LCA评估体系，功能单位为生产1kg包衣片剂；利用SimaPro 9.4软件和ReCiPe 2016评估方法计算全球变暖潜能值；采用分层方法估算缺失的生命周期清单数据，使用EcoInvent数据库和文献代理值；开发了基于设备物理原理的能耗模型；整合了包含 feeders、blenders 和 tablet press 的CDC系统模型(gPROMS Formulated Products平台)；并进行了蒙特卡罗模拟和敏感性分析验证结果稳健性。

^{2. 药物产品生产}

研究分析了DC、CDC、RC和HSG四种制造平台，使用统一的片芯配方(20% API、47.7%微晶纤维素、21.8%乳糖等)和包衣配方，确保平台间可比性。每种工艺都详细建模了关键单元操作参数，如批混合转速15rpm、HSG的干混5分钟+液体粘合剂添加6分钟、流化床干燥入口5°C/出口65°C等。

^{3. 生命周期评估方法}

采用功能单元为1kg包衣片剂，系统边界包括原料提取、设备能耗、设施间接排放、清洁过程和废物处理。API碳足迹采用1500 kgCO₂e/kg的代理值，其他辅料通过数据库和文献数据获取。设备能耗基于物理原理建模，设施间接能耗基于实际厂房数据计算。

^{4. 系统建模方法}

构建了CDC系统模型，包含6个feeders、2个blenders和1个tablet press，采用Reynolds模型计算片剂孔隙度和拉伸强度。模型监测API含量，记录超标时间(>2%偏差)，并将LCA计算嵌入系统模型中。

^{5. 结果与讨论}

^{5.1.1. API对基础配方的贡献分析}

API生产贡献了配方总碳足迹的89.5%，辅料和包衣仅占10.5%，凸显了API生产在制剂碳足迹中的主导地位。

^{5.1.2. 平台比较}

CDC在大批量(>170kg)生产中碳效率最高，而DC在小批量生产中表现最优。HSG因单元操作多、干燥能耗高而碳足迹最高。所有平台都显示批量越大，单位产品碳足迹越低。

^{5.1.3. 材料预处理/等级的影响}

干法工艺所需的高流动性辅料经喷雾干燥处理后，碳足迹仅增加1%，对总体影响微乎其微。

^{5.1.4. 过程贡献分解}

收率损失和废物处理贡献了工艺碳足迹的最大部分(因API碳足迹高)，其次是清洁过程，设备能耗贡献最小。

^{5.1.6. 批处理过程单元操作间等待时间的敏感性}

等待时间显著增加设施间接排放，HSG因设备数量多而受影响最大，CDC作为连续过程无此影响。

^{5.1.7. 清洁过程敏感性分析}

清洁时间和房间面积增加会显著提升非材料相关的碳足迹，房间面积的影响更大。

^{5.1.8. 加工用电来源的敏感性}

使用高化石燃料电力混合时，碳足迹增加60-77%，HSG因能耗高而受影响最大。

^{5.2. 系统建模}

^{5.2.1. API给料器偏差持续时间和幅度的影响}

较大的blender停留质量(1.2kg vs 0.4kg)能平滑给料波动，减少超标片剂，但可能延长偏差持续时间。

^{5.2.2. 处理粉末量的影响}

批量越大，单位产品碳足迹越低。小批量时，高停留质量系统因启动浪费比例高而碳足迹更高。

研究结论表明，CDC在大规模生产中具有显著的碳效率优势，但需要足够的批量来抵消启动和关闭损失。制剂生产的碳足迹主要受API生产和过程收率驱动，而非设备能耗。清洁过程和设施间接排放贡献了相当比例的非材料相关碳足迹。

该研究的重要意义在于首次提供了四种主流OSD制造平台的系统性LCA比较，填补了CDC技术环境评估的空白。创新性地将LCA与系统模型整合，实现了产品质量、生产率和环境影响的协同优化。研究成果为制药企业工艺选择和优化提供了量化决策工具，对行业实现碳中和目标具有重要指导价值。敏感性分析结果还表明，使用清洁电力和优化清洁流程可进一步降低制药过程的碳足迹。

研究方法论中对数据缺失问题的处理(如辅料代理值的使用)虽然可能引入不确定性，但通过统一的配方和平台比较框架，确保了结论的可靠性。未来研究可扩展至更多环境影响类别和实际生产数据的验证，进一步推动制药行业的绿色转型。