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农药制剂优化与提高利用率的探讨

时间:2018-08-27   编辑:中国农药网  浏览次数:

  毫无疑问,作为农药创新的重要组成部分之一,农药剂型的研发至关重要。近年来,我国农药剂型加工获得了长足的发展,归纳起来主要经历以下3个阶段:① 新中国成立至20世纪80年代,这是我国农药剂型加工发展的起步阶段,主要制剂以粉剂、可湿性粉剂等为主;② 20世纪80年代至20世纪末,这20年是我国农药剂型加工迅速发展的阶段,形成了以乳油等液体制剂为主的格局;③ 21世纪以来,环境友好型新剂型引领我国农药剂型加工的主要发展方向,农药剂型加工水基化、精细化成为发展主流,悬浮剂、水分散粒剂等大批新剂型逐渐占据主流并被广泛应用。

  党的十八大把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总布局,十八届三中全会重点强调了生态农业是实现中国梦的重要发展方式,绿色发展、农药减量(零增长)是新形势下国家意志对我国农药产业的必然要求。国家相关农药政策法规的日益规范以及对环保问题的逐渐重视,这对农药剂型提出了越来越高的要求。作为提高农药利用率诸多因素中的1个重要环节,农药制剂优化与内涵提升对现代农业生产中产品功能提升的作用显得尤为重要。

  1 背景与农药制剂的发展——时代促进农药制剂的发展

  国家政策不断出台:新修订的《农药管理条例》2017年6月1日正式颁布实施;农业农村部发布12种高毒农药5年内全部禁用,降低安全风险;到2020年农药使用量零增长行动方案;《农药乳油中有害溶剂限量标准》(HG/T 4576—2013);农药助剂禁限用名单(征求稿意见)等。以上政策将促使农药制剂向提高性能、注重绿色安全等方向发展,这也是农药制剂今后发展的必然之路。

  绿色已成为农业发展最重要的理念和导向,农药减施增效正成为行业上下的自觉行动;种植业结构持续调整,农药零增长行动深入推进,取得了农药用量连续3年负增长的显著成效;以绿色防控为代表的绿色生产方式得到越来越多的应用,病虫害防治专业化服务全面推进,高效施药机械加快推广,尤其是植保无人机飞防发展突飞猛进,进入百万亩规模化作业时代,这些都将对行业走向产生深刻的影响。农药制剂产品更安全、产业更集约、利用更高效、发展可持续,农药行业正沿着这一方向不断前行。

  一个农药的成功,一半在于剂型,这是大家的共识,而剂型与制剂的研究在大背景下需要在深度和广度上去融合。“农药剂型与制剂精细化”“农药有效利用率提高”已经成为制剂工作者目前及未来相当长一段时期内的主要研究与实践方向,时代在推动着农药制剂的发展,我们需要了解农药制剂发展的思路与方向,探讨农药制剂优化与提高利用率的具体方法及措施,这是非常重要的和符合当下及未来需求的。

  2 农药制剂的作用与重要性——农药活性成分的传送技术

  农药原药是初级产品、是原料,农药制剂是最终产品、是商品。原药与制剂开发同等重要,不应该有孰重孰轻之谈。剂型与制剂研究在农药开发过程中扮演了很重要的角色,随着超高效农药的诞生和人们对保护环境的重视以及可持续发展的需要,对农药剂型提出了更高的要求。通过对农药制剂加工,可使农药达到以下目的:① 满足农药可以使用的基本条件;② 把药剂均匀地分布在防治靶标上;③ 最大限度发挥农药的防治效果;④ 克服农药的不足之处和缺陷;⑤ 提高使用者的安全性;⑥ 降低对环境的压力;⑦ 改善操作性能,做到省力化;⑧ 提升现有药剂的功能,提升效果及扩大用途;⑨ 通过剂型改造以延长其使用寿命。

  农业的所有领域都需要持续创新,包括新化合物和新制剂。新的传送系统(包括制剂)在1个健康的研发体系中是至关重要的,近10多年来,世界农药制剂研究的思路发生了质的变化,提出了“New delivery technology”的理念。各大公司都先后转向中低含量的制剂产品的研发,以使产品具有优秀的传送功能。这些尤其集中在SC、WG和OD等环境友好新剂型产品的开发上,成为农药制剂技术发展的新动向。传送系统的技术突破可以显著改变活性成分的监管属性,如图1所示。例如通过限制非靶标移动,提高药效以减少使用量等,可以通过制剂创新设计新的解决方案,如开发传统农药的新剂型新制剂新用途,1个产品中使用2~3个有效成分,扩大防治谱和提升产品功能,通过不同助剂组合和功能性助剂复配添加,提升制剂稀释液的界面性能等,从而达到提高产品的实际应用性能,以实现有效成分的生物活性最大化。

  

  图1 农药传送系统技术突破

  农药制剂的作用在农药研究开发过程中非常重要。什么是农药传送系统?如表1所示,其包括的内容不仅仅是剂型研发,还有很多内容需要我们研究。农药研发是个大系统工程,而农药剂型的研发本身又是其中的1个系统工程,图表中组成部分都是一个个具体的研究方向,且又相互关联。

  表1 农药传送系统(What is Pesticide Delivery Systems)

  

  3 农药剂型发展现状与趋势——增效、安全、省力化是当下及未来的方向

  2017年登记产品3,919个,按剂型统计,悬浮剂:981个;水剂:413个;水分散粒剂:386个;可湿性粉剂:300个;可分散油悬浮剂:292个;乳油:206个;颗粒剂:136个;水乳剂:134个;悬浮种衣剂:116个;微乳剂:97个;悬乳剂:60个;可溶粒剂:55个;微囊悬浮剂:33个;可溶粉剂:28个;其他:264个(见图2)。

  

  图2 2017年农药登记制剂分布情况

  从以上登记情况分析,悬浮剂(SC)、水分散粒剂(WG)、可分散油悬浮剂(OD)等环境友好型剂型已经成为登记及研发的主要方向,这与2000年以前(EC与WP为绝对主体)相比发生了很大的变化。制剂水基化(SC)、制剂颗粒化(WG)、有效成分控制释放(CS)、使用更加简单和方便(GR)、剂型的多样化和功能化(FS),已经是目前农药剂型发展的现状,增效、安全、省力化是未来发展的方向。目前国内对SC、WG、OD的研发已经放在了重点与常态化位置,但这些研究多数是集中在“点”上的研究,也就是具体问题如配方筛选等上的研究,今后将要更加注重“点面结合”,建立更加全面的评价体系,系统考虑制剂型开发与应用实践相结合,做到精细化才能做好制剂,才能不断提高农药制剂产品的利用率。

  农药生产量大,农药使用量高,农药利用率低。农药折百生产量约140万吨,占全球农药折百使用量的约50%;农药制剂年生产近250万吨,国内种植业使用120万吨(折合原药30万~35万吨);2017年中国的农药利用率为38.8%(农业部2017年公布数据,2015年为36.6%,2013年为35%)。农药使用者不讲究用药技术、过量使用农药、使用禁药或者限制农药等行为,会加重农药在环境中的残留,提高农药利用效率真的刻不容缓。

  农药剂型技术是一门应用技术,剂型研究围绕着农户施用省力、安全,对施用作物生长安全,确保农产品食用安全,对需要防除的病、虫、草害具有高效性等几个要点展开。农药剂型正向增效、安全、省力化的方向发展。表2为农药剂型加工中增效、提高安全性及省力化的有关技术进展。

  表2 农药制剂"新技术"——精细化(增效、安全、省力化)

  

  虽然SC、WG、OD等是目前农药制剂研发的重点,但如果说EC、WP、ME等老剂型会淘汰也是不科学的,存在即是合理,剂型的多样化与活性成分的性质、应用对象、应用效果等有着密切的关系。老剂型优化改进、改变剂型研究、环保溶剂应用、助剂环境友好等同样也是今后农药制剂研究开发的重点。例如12.5%烯禾啶EC,如何从剂型角度考虑其体系的环境友好(包括有效成分的纯度)、对敏感作物(如谷物)的安全性,都是值得研究和探索的。农药制剂的设计与研发需要更加细化:从剂型、配方、加工方法、理化性能、生物活性的传递等各方面充分予以考虑。

  4 农药制剂研发与工艺需要进一步拓宽思路——精细化与评价方法升级

  要达到农药传送的目的,制剂开发有很多工作需要去做。农药制剂研究需要精细化,制剂加工需要精细化,原料选择、配方、检测、工艺、生产、评价等都需要精细化。农药制剂如何做到精细化研发?其实有很多国内外案例值得我们学习和借鉴。

  近年来,国内外环境友好新剂型的成功案例有很多值得我们探究,甚至一些传统的老剂型如EC、WP在性能上的经久不衰都给我们很多启示。很多事例验证,充分了解活性成分的理化性能、作用机理,以及可能出现的影响其物理、化学性能的不稳定因素,在产品开发调研阶段显得尤为重要。科学调研、充分论证、优化选择是有效开发出兼顾性能与长期稳定性产品的关键,否则,极有可能影响产品的质量。如果为了所谓的一时新颖与独特,将会为产品的质量与性能埋下很多隐患,产品的生命力也将会是短暂的。除了剂型选择与配方设计精细化,至少以下几个方面也需要不断在精细化上下功夫:原料选择精细化,配方筛选精细化,设备、工艺与参数精细化,制备加工方法精细化等。

  农药制剂研发过程中,还有一个重要的阶段——评价。评价与检测不是同1个概念,评估应该更为系统,互相递进。制剂产品评价分为常规评价、理化性能评价、界面性能评价、生物活性评价等,如果从1个制剂产品的质量角度,做好前两部分评价就可以了,但是如果想在其应用效果方面取得研发过程中的数据,需要进一步拓宽思路,需要将常规评价、理化性能评价进行细化与延伸,持续优化并递进,逐步形成完整的评价体系。如图3所示,评价分为至少3个层次(当然,还有安全性评价等),而且相互之间具有紧密的相关性,而我们在实际工作中需要遵循这样的原则去不断建设和完善评价体系,这是制剂研发系统中重要的环节和需要引起重视的部分。

  

  图3 农药制剂评价体系的升级

  下面通过几个案例进一步阐述农药制剂精细化与评价升级的重要性。

  (1)悬浮剂——低熔点悬浮剂

  存在问题:热贮加速试验中容易出现物理性状恶化,如絮凝、膏化或者从热贮状态转入到常温时出现膏化、絮凝等现象,在常温贮存过程中,也容易出现结晶、膏化。

  解决思路:① 奥氏熟化?深入思考其理论和实践;② 配方?一定需要做更多的设计;③ 工艺?考量内外因,做好提前规划。

  ◎ 建立多层屏蔽系统;

  ◎ 能够形成更强的空间位阻;

  ◎ 达到抑制奥氏熟化和阻止颗粒聚集的目的。

  重点——精细化:研发、中试、生产阶段的精细化是前提;建立全面、系统、符合实际的评价体系(如热贮应遵循40~45~54℃依次评价等)。

  思考与体会:完美的配方≠完美的产品。工艺很重要,加工过程中加速能量的传递(减少能量的聚集),及时降温,阻止颗粒熔化、溶解,这极其重要;在产品的粒径(也就是性能指标)方面做出合理评估和控制;确保整个生产环节降低“奥氏熟化”风险。

  (2)加工方法精细化——悬浮剂砂磨介质、料珠比、砂磨时间、增效因子等的选择

  方法与思路:

  ◎ 不同直径的砂磨介质与悬浮液体系粒径分布的关系;

  ◎ 不同粒径配比的砂磨介质与悬浮液体系粒径分布的关系;

  ◎ 不同砂磨时间与悬浮液体系粒径分布的关系;

  ◎ 砂磨介质同物料不同质量配比与悬浮液体系粒径分布的关系。

  思考与体会:应用效果与产品的细度、分布有关系,与体系的构成(增效设计)有关系;指标控制(评价)与作用方式有关系等,做到可控很重要。

  (3)制剂加工延伸——水分散粒剂升级与评价

  水分散粒剂加工方法一般分为干法和湿法:

  

  问题:原始粒径较大,崩解较慢,分散悬浮及二次分散悬浮较差。

  

  问题:润湿差,粉尘多,颗粒强度小,实际应用效果不理想(体系助剂的选择有局限,表现为界面性能数据方面)。

  解决方法:基于湿法起始,多种造粒方式实践与应用,解决存在问题,协同实际应用效果。

  ◎ 湿法砂磨—压力喷雾—流化床造粒相结合;

  ◎ 湿法砂磨—离心喷雾—流化床(挤压)造粒相结合;

  ◎ 湿法砂磨—挤压造粒相结合;

  ◎ 湿法砂磨—流化床造粒相结合等。

  思考与体会:“混合工艺”近年行业中都有尝试,这必将促进水分散粒剂向着性能提升、工艺多样化等方向发展。未来或许还有更多“混合工艺”在农药制剂行业中得到尝试,这也是制剂行业创新促使进步和提升效果的重要方面。WG工艺的升级,能够解决传统干法与湿法造粒存在的问题,“混合工艺”的应用可以将界面性能存在的缺陷进行弥补,如考虑低分子量助剂(有助于润湿、铺展、附着等)的加入,改变产品稀释液的表面张力、接触角等界面性能。当然,桶混助剂的应用也是一项不错的选择,其应用更为广泛与可操作。

  5 农药制剂研发精细化目标——提高利用率是落脚点

  影响农药利用率的因子很多,从农药方面分析,主要有农药本身特性、农药剂型、药液本身的粘附力、农药药效的持续时间等;从施药器械分析,主要有施药器械的种类(雾滴大小、雾滴粘附方式、施药过程的自然损耗)、施药方式(喷雾、烟雾、浸种、毒土、撒施、诱杀等)、药液漂移等方面;从作物本身分析,主要是茎叶覆盖率(叶面积系数)、作物叶面构造特点、作物叶片上附着物的多少或有无等,还有诸多影响因素,如病虫草害诊断的准确性、环境条件等,见图4。简而言之,农药、药械与施药技术这三者是影响利用率中人为可控因素的关键。

  

  图4 影响农药药效的因素

  从农药本身来看,影响农药利用率的要素就是农药制剂中隐藏于图4中冰山以下的那部分因素,与农药原药纯度、杂质情况、助剂类别、生产设备及加工工艺等密切相关。这些因素都会影响到农药产品品质,其所呈现出来的可用于测量的具体指标是:① 制剂分散后有效成分粒径;② 制剂稀释后药液的分散悬浮性能;③ 制剂对于作物的表面张力;④ 制剂与作物表面的接触角;⑤ 药液的蒸发、漂移、润湿、铺展、沉积、附着、吸收性能等。农药利用率的高低取决于农药雾滴在植物表面上的行为,而雾滴的特性与农药制剂有着直接的关系,如何提高农药的有效利用率,以便使农药的有效成分能够均匀到达靶标表面,形成最有效的剂量转移,降低农药在非靶标环境中的投放量,已经成为农药学科尤其是农药制剂专业亟待解决的问题。

  评价分为不同层面,也有不同的纬度,“冰山模型”和“洋葱模型”的基本评价部分是为了体现制剂产品的合格性、有效性和成本相关性,而进一步评价是体现产品的差异性、优异性、价值突出性。图5给了更直观的解释。

  

  图5 农药制剂“冰山模型”与“洋葱模型”

  基于提高农药利用率,需转变思路:将过去以分散、润湿、稳定等为主线的研究思路,进而转变为以药物的传递为主线开展研究,需要研发新的药物传导技术(New delivery technology)。重点:由偏重新剂型的研发转为对制剂组分的优选。

  制剂改良没有最好,只有更好,只要新分子实体没有出现质的优势,剂型改良就可以循序渐进。为了最大限度地降低药剂对环境的影响且提高对靶标的效果,有必要对药剂的分散、传导、作用机理做深入研究和实践。

  下面列举几个案例,分析其剂型选择和制剂的研发思路对应用效果的影响,实践证明,提高农药利用率在制剂开发整个过程中处处体现,并具有重要作用。

  (1)25 g/L五氟磺草胺OD——防治稗草优秀产品(商品名:稻杰)

  ◎ 活性成分理化性质——高熔点,原药为固体,在水中溶解度很小、稳定,难溶于一般的有机溶剂,非常适合制备:WP、WG、GR、SC、OD等;

  ◎ 剂型的选择——根据药物的性质与防治对象及药物传导的特点等结合起来考虑去筛选,首选OD,其次为SC、GR;

  ◎ 目标——标靶生物的利用率,OD:优良分散悬浮性、展着性、粘着性、渗透性、内吸性、抗雨水冲刷、防漂移等;质量稳定与增效充分结合;

  ◎ 制剂的性能与原药的活性相匹配——除草剂中的优秀代表,环境与生态要求、配方内增效、性价比、大面积推广等充分考虑,值得参考。

  (2)12%噻苯隆·敌草隆OD——棉花脱叶剂优秀产品(商品名:碧落)

  ◎ 传统剂型与制剂——540 g/L噻苯隆·敌草隆 SC、81%噻苯隆·敌草隆WG、50%噻苯隆WP等,稀释药液表面张力:55~70 mN/m(棉花叶面临界表面张力:63.3~71.8 mN/m);

  ◎ 存在问题——作用速度、脱叶效果等不稳定(与剂型、气候、环境、使用方法等有关系),传统剂型使用过程需要添加桶混助剂(种类很多,应用效果不一),不方便,应用效果有差异;

  ◎ 解决思路——改变剂型,开发OD,植物油体系,安全相容性好;大量表面活性剂,物化界面性能好;制剂开发过程中要解决活性成分稳定性(分散稳定性、分解率等);

  ◎ 目标——提高利用率,改善制剂药液性能(铺展、附着、渗透、滞留、沉积、抗低温抗蒸发、促进吸收等),方便使用,应用效果稳定。

  (3)46%氟啶虫酰胺·啶虫脒WG——防治蚜虫优秀产品(商品名:力作)

  ◎ 活性成分理化性质——氟啶虫酰胺9C类“唯一成员”,机理独特,与其他杀虫剂没有交互抗性;较高熔点、难溶于一般的有机溶剂,水中溶解度较大,原药为固体,适合开发固体制剂,如WG;

  ◎ 优点与问题——杀蚜虫效果好,持效期长;稀释倍数高(8,000倍以上),理化性能优异,表面张力等在稀释倍数下较高,在不同作物应用效果有差异;界面性能与活性成分作用方式及实际使用需要评价与优化;

  ◎ 解决思路——改变剂型?难,理化性质决定,SC、OD等较难开发,怎么办?桶混助剂应用(如植物油助剂添加量为用水量的0.5‰~1‰),可以显著改善界面性能,但桶混助剂选择类型、用量、使用方法等需要更为科学的应用指导,以使得在不同作物上表现出稳定的优异的应用效果;

  ◎ 目标及体会——达到提高应用效果的目的,农药制剂低倍数稀释可选择制剂中增效,高倍数可选择桶混增效。

  6 农药剂型与制剂研发启示——系统工程

  农药制剂研究开发是个系统工程,至少包含以下部分:配方设计、研发与理化性能评价、界面性能研究、药效与应用示范、中试与生产等,整个过程从完整的制剂研发角度看,每部分是相对独立但更重要的是相互关联,只有有机组合成一个系统才能挖掘出相互之间的信息传递,如何有效利用,还需要不断实践和总结。精细化与评价是系统工程中重要的内容,如图6。

  

  图6 农药制剂“精细化”系统基本模式

  创新制剂也有诗和远方:跳不出跟随的的圈子,就只能吃别人剩下的东西!建立自己的系统,挖掘产品特性,工作中要更加注重“点面结合”,系统考虑制剂开发与应用实践相结合,精细化是重要方式和手段,只有不断实践运用才能实现和达到农药制剂创新。

  做好制剂:做好—制剂,做—好制剂,是提高农药利用率的重要环节,尤为重要!

  (作者:中农立华生物科技股份有限公司研发中心主任 张小军博士 )

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