制藥工藝的優(yōu)化2

1、思考題思考題調(diào)查我校本科各年級體重情況，并給出平均體重數(shù)值。試驗設計試驗設計及優(yōu)選優(yōu)選方法化學制藥工藝研究思路化學制藥工藝研究思路確定工藝參數(shù)確定工藝參數(shù)1.化學反應類型的選擇2.合成步驟和總收率3.原輔材料供應4.原輔材料更換和合成步驟改變5.單元反應的次序安排6.技術(shù)條件與設備要求7.安全生產(chǎn)與環(huán)境保護工藝影響因素工藝影響因素確定工藝路線確定工藝路線 1)反應物濃度與配料比2)溶劑3)反應溫度和壓力4)催化劑5)攪拌6)反應時間與反應終點控制7)原料、中間體的質(zhì)量控制1.單因素平行試驗優(yōu)選法2.多因素正交設計優(yōu)選法3.多因素均勻設計優(yōu)選法 在實驗室工藝研究、中試放大研究及生產(chǎn)中都涉及化學反

2、應各種條件之間的相互影響等諸多因素。要在諸多因素中分清主次，就需要合理的試驗設計及優(yōu)選方法，為找出影響生產(chǎn)工藝的內(nèi)在規(guī)律以及各因素間相互關(guān)系，盡快找出生產(chǎn)工藝設計所要求的參數(shù)和生產(chǎn)工藝條件提供參考。 試驗設計及優(yōu)選方法是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎，安排試驗的應用技術(shù)。其目的是通過合理地安排試驗和正確地分析試驗數(shù)據(jù)，以最少的試驗次數(shù)，最少的人力、物力，最短的時間達到優(yōu)化生產(chǎn)工藝方案。試驗設計及優(yōu)選方法過程包括：試驗設計、試驗實施和對實驗結(jié)果的分析三個階段。 內(nèi)容內(nèi)容 1. 1.平分法平分法 2.0.6182.0.618法法 3.3.分數(shù)法分數(shù)法 4.4.拋物線法拋物線法單因素平行試驗優(yōu)選法 1

3、. 1.正交設計及優(yōu)選法正交設計及優(yōu)選法 2.2.均勻設計及優(yōu)選法均勻設計及優(yōu)選法 3.3.單純形優(yōu)選法單純形優(yōu)選法多因素試驗優(yōu)選法一一 單因素平行試驗優(yōu)選法單因素平行試驗優(yōu)選法1.1.平分法平分法v使用平分法的使用平分法的是在試驗范圍內(nèi)，不僅目標函數(shù)是在試驗范圍內(nèi)，不僅目標函數(shù)應是單調(diào)的，如圖應是單調(diào)的，如圖36，而且每做一次試驗，就能決，而且每做一次試驗，就能決定下一次試驗的方向。定下一次試驗的方向。v平分法對試驗的平分法對試驗的是，在試驗范圍的中點處安排是，在試驗范圍的中點處安排試驗，如圖試驗，如圖37所示。試驗時先考察范圍，然后在考所示。試驗時先考察范圍，然后在考察范圍的中間安排試驗，

4、若試驗的結(jié)果滿意，則停止試察范圍的中間安排試驗，若試驗的結(jié)果滿意，則停止試驗。若結(jié)果不好，可去掉中點以下的一半試驗范圍，或驗。若結(jié)果不好，可去掉中點以下的一半試驗范圍，或去掉中點以上的部分。在余下的范圍內(nèi)繼續(xù)取中點試驗，去掉中點以上的部分。在余下的范圍內(nèi)繼續(xù)取中點試驗，直到結(jié)果滿意為止。本法的特點是每次可劃掉一半的試直到結(jié)果滿意為止。本法的特點是每次可劃掉一半的試驗范圍，很驗范圍，很例例1 1v 已知加堿會加速某反應，且堿越多反應時間越短，但堿過多已知加堿會加速某反應，且堿越多反應時間越短，但堿過多又會使產(chǎn)品分解。某廠以前加堿又會使產(chǎn)品分解。某廠以前加堿1，反應，反應4h。現(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗?，F(xiàn)根據(jù)經(jīng)

5、驗確定堿量變化范圍在確定堿量變化范圍在144，得下面試驗結(jié)果，得下面試驗結(jié)果存在的問題？存在的問題？2. 0.6182. 0.618法法v大多數(shù)化學反應的目標函數(shù)為單峰函數(shù)大多數(shù)化學反應的目標函數(shù)為單峰函數(shù)(圖圖38)，即在試驗范圍內(nèi)只有一個最佳點，再大些或再小些試即在試驗范圍內(nèi)只有一個最佳點，再大些或再小些試驗結(jié)果都不好，這時可采用驗結(jié)果都不好，這時可采用0618法，也叫黃金分法，也叫黃金分割法。本法是在試驗范圍割法。本法是在試驗范圍(a，b)內(nèi)，將第一個試驗內(nèi)，將第一個試驗點點x1設在設在0618位置上，而第二個試驗點位置上，而第二個試驗點x2是是x1的對稱點。的對稱點。例例2 2v 游離

6、松香可由原料松香加堿制得，某廠由于原料松香的成分游離松香可由原料松香加堿制得，某廠由于原料松香的成分變化，加堿量掌握不好，游離松香一度僅含變化，加堿量掌握不好，游離松香一度僅含6.2，用黃金，用黃金分割法選擇加堿量：固定原料松香分割法選擇加堿量：固定原料松香100kg，溫度，溫度102106，加水，加水100kg，考察范圍，考察范圍913kg，試驗結(jié)果如下。，試驗結(jié)果如下。存在的問題？存在的問題？3.3.分數(shù)法分數(shù)法v 適用于目標函數(shù)為單峰函數(shù)的大多數(shù)化學反應。在預先確定了適用于目標函數(shù)為單峰函數(shù)的大多數(shù)化學反應。在預先確定了試驗總次數(shù)試驗總次數(shù)(包括試驗范圍及其劃分的精確度包括試驗范圍及其劃

7、分的精確度)或變量呈現(xiàn)非連或變量呈現(xiàn)非連續(xù)性變化時，分數(shù)法比續(xù)性變化時，分數(shù)法比0.618法更為方便。法更為方便。例例3 3試驗設計是數(shù)理統(tǒng)計中的一個較大的分支，它的內(nèi)容十分豐富。我們對正交試驗設計進行初步學習。正交試驗設計是利用“正交表”進行科學地安排與分析多因素試驗的方法。其主要優(yōu)點是能在很多試驗方案中挑選出代表性強的少數(shù)幾個試驗方案，并且通過這少數(shù)試驗方案的試驗結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)方案，同時還可以作進一步的分析，得到比試驗結(jié)果本身給出的還要多的有關(guān)各因素的信息。二二 正交試驗設計正交試驗設計正交試驗設計及優(yōu)選方法特點介紹：正交試驗設計及優(yōu)選方法特點介紹： 正交表是一種特別的表格，是正交

8、設計的基本工具。正交表是一種特別的表格，是正交設計的基本工具。我們只介紹它的記號、特點和使用方法。我們只介紹它的記號、特點和使用方法。 正交表的記號及含義正交表的記號及含義記號及含義記號及含義 正交表的行數(shù)正交表的行數(shù)（需要做的試驗次數(shù)）（需要做的試驗次數(shù)）n各因素的水平數(shù)各因素的水平數(shù)（各因素的水平數(shù)相等）各因素的水平數(shù)相等）t正交表正交表的代號的代號l正交表的列數(shù)正交表的列數(shù)（最多能安排的因素個數(shù)，（最多能安排的因素個數(shù)，包括交互作用、誤差等）包括交互作用、誤差等）sqsnlqtq如如 782l表示表示 782l表示各因素的表示各因素的水平數(shù)水平數(shù)為為2，做做8次試驗次試驗，最多考慮，最多

9、考慮7個個因素因素（含交互作用）的（含交互作用）的正正交表交表。 “l(fā)”表示正交表，表示正交表，“9”是行數(shù)，在試驗中表示試驗是行數(shù)，在試驗中表示試驗的條件數(shù)，的條件數(shù)，“4”是列數(shù)，在試驗中表示可以安排的因是列數(shù)，在試驗中表示可以安排的因子的最多個數(shù)，子的最多個數(shù)，“3”是表的主體只有三個不同數(shù)字，是表的主體只有三個不同數(shù)字，在試驗中表示每一因子可以取的水平數(shù)。在試驗中表示每一因子可以取的水平數(shù)。 正交表的特點正交表的特點1、正交表中任意一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等；、正交表中任意一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等；表示：在試驗安排中，所挑選出來的水平組合是均勻表示：在試驗安排中，所挑選出

10、來的水平組合是均勻 分布的（每個因素的各水平出現(xiàn)的次數(shù)相同）分布的（每個因素的各水平出現(xiàn)的次數(shù)相同） 均衡分散性均衡分散性2、正交表中任意兩列，把同行的兩個數(shù)字看成有序數(shù)、正交表中任意兩列，把同行的兩個數(shù)字看成有序數(shù) 對時，所有可能的數(shù)對出現(xiàn)的次數(shù)相同。對時，所有可能的數(shù)對出現(xiàn)的次數(shù)相同。表示：任意兩因素的各種水平的搭配在所選試驗中出現(xiàn)表示：任意兩因素的各種水平的搭配在所選試驗中出現(xiàn) 的次數(shù)相等的次數(shù)相等 整齊可比性整齊可比性這是設計正交試驗表的基本準則這是設計正交試驗表的基本準則 正交表具有正交性，這是指它有如下兩個特點：正交表具有正交性，這是指它有如下兩個特點： v正交表的正交性可以看出：

11、正交表的正交性可以看出：v正交表各列的地位是平等的，表中各列之間可正交表各列的地位是平等的，表中各列之間可以萬相置換，稱為列間置換；以萬相置換，稱為列間置換；v正交表各行之間也可相互置換，稱行間置換；正交表各行之間也可相互置換，稱行間置換；v正交表中同一列的水平數(shù)字也可以相互置換，正交表中同一列的水平數(shù)字也可以相互置換，稱水平置換。稱水平置換。常用正交表分類類回顧回顧 在實驗室工藝研究、中試放大研究及生產(chǎn)中都涉及化學反應各種條件之間的相互影響等諸多因素。要在諸多因素中分清主次，就需要合理的試驗設計及優(yōu)選方法，為找出影響生產(chǎn)工藝的內(nèi)在規(guī)律以及各因素間相互關(guān)系，盡快找出生產(chǎn)工藝設計所要求的參數(shù)和生

12、產(chǎn)工藝條件提供參考。試驗設計及優(yōu)選方法是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎，安排試驗的應用技術(shù)。其目的是通過合理地安排試驗和正確地分析試驗數(shù)據(jù)，以最少的試驗次數(shù)，最少的人力、物力，最短的時間達到優(yōu)化生產(chǎn)工藝方案。試驗設計及優(yōu)選方法過程包括：試驗設計、試驗實施和對實驗結(jié)果的分析三個階段?；仡櫥仡?1. 1.平分法平分法 2.0.6182.0.618法法 3.3.分數(shù)法分數(shù)法 4.4.拋物線法拋物線法單因素平行試驗優(yōu)選法 1. 1.正交設計及優(yōu)選法正交設計及優(yōu)選法 2.2.均勻設計及優(yōu)選法均勻設計及優(yōu)選法 3.3.單純形優(yōu)選法單純形優(yōu)選法多因素試驗優(yōu)選法1.正交試驗設計的基本概念正交試驗設計的基本概念

13、正交試驗設計是利用正交表來安排與分析多正交試驗設計是利用正交表來安排與分析多因素試驗的一種設計方法。它是由試驗因素的因素試驗的一種設計方法。它是由試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗的，通過對這部分試驗結(jié)果的分析合進行試驗的，通過對這部分試驗結(jié)果的分析了解全面試驗的情況，找出最優(yōu)的水平組合。了解全面試驗的情況，找出最優(yōu)的水平組合。 正交設計就是從選優(yōu)區(qū)全面試驗點（水平組合）中挑選出正交設計就是從選優(yōu)區(qū)全面試驗點（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗點（水平組合）來進行試驗。圖中標有有代表性的部分試驗點（水平組合）來進行試驗。圖中標

14、有試驗號的九個試驗號的九個“()”，就是利用正交表，就是利用正交表l9(34)從從27個試驗點個試驗點中挑選出來的中挑選出來的9個試驗點。即：個試驗點。即： (1)a1b1c1 (2)a2b1c2 (3)a3b1c3 (4)a1b2c2 (5)a2b2c3 (6)a3b2c1 (7)a1b3c3 (8)a2b3c1 (9)a3b3c2 上述選擇，保證了a因素的每個水平與b因素、c因素的各個水平在試驗中各搭配一次 。對于a、b、c 3個因素來說，是在27個全面試驗點中選擇9個試驗點，僅是全面試驗的 三分之一。 從圖中可以看到 ，9個試驗點在選優(yōu)區(qū)中分布是均衡的，在立方體的每個平面上 ，都恰是3個

15、試驗點；在立方體的每條線上也恰有一個試驗點。 9個試驗點均衡地分布于整個立方體內(nèi) ，有很強的代表性,夠比較全面地反映選優(yōu)區(qū)內(nèi)的基本情況。 根據(jù)以上特性，我們用正交表安排的試驗，具有均衡分散和整齊可比的特點。 所謂均衡分散，是指用正交表挑選出來的各因素水平組合在全部水平組合中的分布是均勻的 。 由 上圖可以看出，在立方體中 ，任一平面內(nèi)都包含 3 個“()”， 任一直線上都包含1個“()” ，因此 ，這些點代表性強 ，能夠較好地反映全面試驗的情況。 在這9個水平組合中，a因素各水平下包括了b、c因素的3個水平，雖然搭配方式不同，但b、c皆處于同等地位，當比較a因素不同水平時，b因素不同水平的效應

16、相互抵消，c因素不同水平的效應也相互抵消。所以a因素3個水平間具有綜合可比性。同樣，b、c因素3個水平間亦具有綜合可比性。（結(jié)合例（結(jié)合例1說明）說明）（1） 明確試驗試驗目的，確定試驗試驗指標標無交互作用的正交設計與數(shù)據(jù)分析無交互作用的正交設計與數(shù)據(jù)分析（2） 選選因素、定水平，列因素水平表 （3） 選擇選擇合適的正交表 （4） 表頭設計頭設計（5）編編制試驗試驗方案，按方案進進行試驗試驗，記錄試驗結(jié)記錄試驗結(jié)果。 極差分析法簡單明了，通俗易懂，計算工作量少便于推廣普及。但這種方法不能將試驗中由于試驗條件改變引起的數(shù)據(jù)波動同試驗誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開來，也就是說，不能區(qū)分因素各水平間對應的

17、試驗結(jié)果的差異究竟是由于因素水平不同引起的，還是由于試驗誤差引起的，無法估計試驗誤差的大小。此外，各因素對試驗結(jié)果的影響大小無法給以精確的數(shù)量估計，不能提出一個標準來判斷所考察因素作用是否顯著。為了彌補極差分析的缺陷，可采用方差分析?？樟校ㄕ`差）因素sssssst空列（誤列（因素tdfdfdf誤差誤差誤差因素因素因素dfssmsdfssms ，誤差因素因素msmsf均勻設計為我國數(shù)學家方開泰首創(chuàng)，可適用于多因均勻設計為我國數(shù)學家方開泰首創(chuàng)，可適用于多因素、多水平試驗設計方法。試驗點在試驗范圍內(nèi)充素、多水平試驗設計方法。試驗點在試驗范圍內(nèi)充，這就可以從全面試驗中挑選更少的試，這就可以從全面試驗中

18、挑選更少的試驗點為代表進行試驗，得到的結(jié)果仍能反映該分析驗點為代表進行試驗，得到的結(jié)果仍能反映該分析體系的主要特征。這種從均勻性出發(fā)的設計方法，體系的主要特征。這種從均勻性出發(fā)的設計方法，稱為均勻設計試驗法。稱為均勻設計試驗法。均勻設計表用均勻設計表用un(t )un(t )表示。表示。u u表示均勻設計，表示均勻設計，t t表示表示因素的水平數(shù)，因素的水平數(shù)， 表示因素數(shù)，表示因素數(shù)，n n表示試驗的次數(shù)。表示試驗的次數(shù)。均勻設計與正交設計一樣，也需要使用規(guī)范化的表均勻設計與正交設計一樣，也需要使用規(guī)范化的表格（均勻設計表）設計試驗。均勻設計還有使用表，格（均勻設計表）設計試驗。均勻設計還有

19、使用表，。均勻設計及優(yōu)選法均勻設計及優(yōu)選法v u5（54）表為五行四列表。行數(shù)為水平數(shù)（試驗次數(shù)），列數(shù)）表為五行四列表。行數(shù)為水平數(shù)（試驗次數(shù)），列數(shù)為安排的最大因素數(shù)。如果一個試驗按為安排的最大因素數(shù)。如果一個試驗按u5（54）表安排試驗，）表安排試驗，考察考察2因素時，依據(jù)因素時，依據(jù)u5（54）使用表，選?。┦褂帽?，選取1,2列安排試驗；列安排試驗；考察考察3因素選取因素選取1,2,4列安排試驗等。列安排試驗等。12341234512345241353142543215因素數(shù)因素數(shù)列號列號2341,21,2,41,2,3,4u5(54)u5(54)表的使用 均勻試驗設計的基本步驟（類似

20、于正交實驗）均勻試驗設計的基本步驟（類似于正交實驗）1. 確定目標、選定因素、確定水平；確定目標、選定因素、確定水平；2. 選用合適的均勻表；選用合適的均勻表；3. 按選定的均勻表設計表頭，確定試驗方案；按選定的均勻表設計表頭，確定試驗方案；4. 組織實施試驗；組織實施試驗；5. 試驗結(jié)果分析。試驗結(jié)果分析。v 均勻設計結(jié)果分析。因為均勻設計棄掉整均勻設計結(jié)果分析。因為均勻設計棄掉整齊可比性，所以不能用方差分析處理試驗齊可比性，所以不能用方差分析處理試驗結(jié)果。通常用多元回歸分析方法，找出影結(jié)果。通常用多元回歸分析方法，找出影響因素與指標（或收率）之間統(tǒng)計學關(guān)系響因素與指標（或收率）之間統(tǒng)計學關(guān)

21、系的回歸方程，或用關(guān)聯(lián)度分析方法，找出的回歸方程，或用關(guān)聯(lián)度分析方法，找出主要因素及其最佳值。主要因素及其最佳值。ooch2oh+hchok2co3根據(jù)文獻報道及初步預試驗，確定考察的因素及范圍：a 環(huán)戊酮：甲醛（mol/mol) 1.05.4b 反應時間/ 560c反應時間/h 1.06.5d 堿量 1570例題題 將各個因素平均分成將各個因素平均分成1212個等級（水平），構(gòu)成因素水平表個等級（水平），構(gòu)成因素水平表（上表），選擇（上表），選擇u u1313（13134 4）表，去掉最后一行得）表，去掉最后一行得u u1212（12124 4）。）。根據(jù)使用表的規(guī)定，選取根據(jù)使用表的規(guī)定，

22、選取1,6,8,101,6,8,10列，構(gòu)成列，構(gòu)成u12u12（124124）的）的試驗方案。試驗方案。123456789101112abcd1.051.0151.4101.5201.8152.0252.2202.5302.6253.0353.0303.5403.4354.0453.8404.5504.2455.0554.6505.5605.0556.0655.4606.570因素與水平因素與水平abcd收率收率1234567891011121(1.0）2(1.4）3(1.8）4（2.2）5（2.6）6(3.0)7(3.4)8(3.8)9(4.2)10(4.6)11(5.0)12(5.6)6

23、(30)12(60)5(25)11(55)4(20)10(50)3(15)9(45)2(10)8(40)1(5)7(35)8(4.5)3(2.0)11(6.0)6(3.5)1(1.0)9(5.0)4(2.5)12(6.5)7(4.0)2(1.5)10(5.5)5(3.0)10(60)7(45)4(30)1(15)11(65)8(50)5(35)2(20)12(70)9(55)6(40)3(25)0.02200.02830.06200.10490.04250.09870.10220.24240.09880.13270.12430.2777進行一元回歸分析：進行一元回歸分析：y=-0.032+0.

24、045a+1.1810-3b+6.0010-3c-1.4610-3dr=0.9283, f=10.88, s=0.04354, n=12方程式（方程式（1）說明，）說明，a，b，c越大，越大，d越小時，越小時，y的收率的收率最高。最高。相關(guān)概念相關(guān)概念v優(yōu)選法優(yōu)選法是根據(jù)生產(chǎn)和科學研究中的不同問題，是根據(jù)生產(chǎn)和科學研究中的不同問題，利用數(shù)學原理，合理安排試驗，以最少的試利用數(shù)學原理，合理安排試驗，以最少的試驗次數(shù)迅速找到最佳點的科學試驗方法。驗次數(shù)迅速找到最佳點的科學試驗方法。v試驗設計試驗設計又叫實驗設計，是數(shù)理統(tǒng)計學的一又叫實驗設計，是數(shù)理統(tǒng)計學的一個分支，研究如何制定試驗方案，以提高試個分支，研究如何制定試驗方案，以提高試驗效率，縮小隨機誤差的影響，并使試驗結(jié)驗效率，縮小隨機誤差的影響，并使試驗結(jié)果能有效進行統(tǒng)計分析的理論與方法。果能有效進行統(tǒng)計分析的理論與方法。相關(guān)知識框架初步相關(guān)知識框架初步優(yōu)選法優(yōu)選法試驗設計初步試驗設計初步單因素單因素雙因素雙因素單峰情形單峰情形多峰情形多峰情形多因素多因素均勻試驗設計均勻試驗設計0.6180.618法法分數(shù)法分數(shù)法對分法對分法縱橫對折法縱橫對折法單峰情形單峰情形從好點出發(fā)法從好點出發(fā)法平行線法平行線法雙因素盲