（化学工程专业论文）中空纤维更新液膜用于青霉素g提取的工艺研究.pdf

北京化t 大学硕l j 矽f 究生学位论文 中空纤维更新液膜用于青霉素g 提取的工艺研究 摘要 青霉素是一种重要的抗生素产品，我国的发酵生产能力已接近世 界先进水平，但产物分离和纯化的“下游工程”尚难以跟上其发酵技 术的发展步伐。目前，发酵液中青霉素提取方法主要是溶媒物理萃取 法，但该提取方法存在操作条件苛刻、青霉素降解损失较大、回收率 低、溶媒回收困难等问题，使得青霉素生产成本增高，经济效益下降。 因此开发新型高效的提取工艺以提高收率、减少能耗、降低成本，是 当前青霉素类抗生素药物工业生产中亟待解决的关键问题之一。 基于表面更新理论提出的中空纤维更新液膜( h f r l m ) 技术实 现了反应萃取和反萃过程的耦合，具有非平衡传质的特点，传质效率 高，溶剂用量少。 为了避免青霉素g 在中空纤维更新液膜萃取反萃过程中出现大 量降解损失的问题，本文首先系统地考察了不同微量有机溶剂( 萃取 剂) 及不同碱液环境( 反萃剂) 对于青霉素g 稳定性的影响。结果 表明，微量胺类萃取剂的存在对青霉素g 稳定性的影响不大；碱液 的p h 值越高，青霉素g 降解速度越快；青霉素g 在低温、p h6 o 左右环境下较为稳定。由h f r l m 循环实验研究表明青霉素g 在 h f r i 。m 提取过程中降解较少，有较好的稳定性，为h f r l m 工艺研 北京化t 人学硕l j 研究乍学位论文 究中获得理想的提取效果提供可能。 以串级操作为基础，进行了中空纤维更新液膜提取青霉素g 的工 艺研究，考察了料液相p h 、料液相中缓冲液浓度、料液相青霉素g 浓 度、反萃剂种类、反萃相浓度、两相流速、载体浓度等对中空纤维更 新液膜提取效果的影响。结果表明，在料液j f h p h 5 0 7 o 范罔内，p h 值对提取效果影响不大；提取过程的传质通量随着料液中青霉素g 的 初始浓度、液膜相中载体浓度、壳程流速等的增大而增大；o 2m o t l 一 的磷酸二氢钾缓冲溶液以及0 5m o l l 。1 的碳酸钾溶液可以使青霉素g 在操作时间内保持较好的稳定性，降解损失少，提取效果可达9 0 以 上。 对发酵液中青霉素g 的中空纤维更新液膜提取工艺进行了技术 经济评价，并与溶媒萃取工艺进行了比较。结果表明，中空纤维更新 液膜提取工艺的提取效率高、产量大、萃取剂消耗量较少、后续处理 简单、能耗低。 关键词：中空纤维更新液膜，青霉素g ，稳定性，提取工艺，技术经 济评价 北京化_ t 人学碜ll j 研究生学位论文 s t u d yo nt h er e c o v e r yt e c h n o l o g yo f p e n i c i l l i ng b yh o l l o w f i b e rr e n e w a ll i q u i dm e m b r a n e a b s t r a c t p e n i c i l l i ni saw i d e l yu s e da n t i b i o t i ca n da l s os e r v e sa sa ni m p o r t a n t r a wm a t e r i a lf o rs e m i s y n t h e t i cp e n i c i l l i n s b u ti t st r a d i t i o n a lr e c o v e r y t e c h n o l o g i e sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s l o we f f i c i e n c y , h i g h s o l v e n tc o n s u m p t i o n ，l o s so fp e n i c i l l i ni j le t c i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa n e wt e c h n o l o g yt or e d u c ep r o d u c t i o nc o s t an e wl i q u i dm e m b r a n et e c h n i q u e ，n a m e dh o l l o wf i b e rr e n e w a l l i q u i dm e m b r a n e ( h f r l m ) ，i sp r o p o s e db a s e do ns u r f a c er e n e w a lt h e o r y , w h i c ha l s o i n t e g r a t e s t h e a d v a n t a g e s o ff i b e rm e m b r a n ee x t r a c t i o n p r o c e s s ，l i q u i df i l mp e r m e a t i o np r o c e s sa n do t h e rl i q u i dm e m b r a n e s y s t e m s c o n s i d e r i n gt h es e n s i t i v i t yo fp e n i c i l l i ng t ot h es u r r o u n d i n g sw i t h s l i g h ta m o u n t o fo r g a n i cs o l v e n t ( e x t r a c t a n t ) a n da l k a l i n es o l u t i o n ( s t r i p p i n ga g e n t ) ，i nt h i ss t u d y , t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e ，p h ，o r g a n i c s o l v e n t s ，s t r i p p i n ga g e n t so nt h es t a b i l i t yo fp e n i c i l l i ng a r ei n v e s t i g a t e d i ti sp r o v e dt h a ts l i g h ta m o u n to fa m i n ee x t r a c t a n th a sn oi n f l u e n c eo nt h e s t a b i l i t yo fp e n i c i l l i ng ；i nt h ea l k a l i n es o l u t i o nw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o n ， p e n i c i l l i ng s h o w si t si n s t a b i l i t y ；p e n i c i l l i ngi ss t a b l ea tl o wt e m p e r a t u r e 北京化丁大学顾l j 研究生学位论文 a n dp h6 0 b a s e do nt h es e r i e so p e r a t i o n ，r e c o v e r yt e c h n o l o g yo fp e n i c i l l i ng b yh o l l o wf i b e rr e n e w a ll i q u i dm e m b r a n ei ss t u d i e d t h ee f f e c t so fp h ， c o n c e n t r a t i o no f p e n i c i l l i nga n db u f f e rs o l u t i o ni nt h ef e e dp h a s e ，k 2 c 0 3 c o n c e n t r a t i o ni nt h es t r i p p i n gp h a s e ，c a r t i e rc o n c e n t r a t i o ni nt h eo r g a n i c p h a s e ，f l o wr a t e so ft w os i d e so nt h er e c o v e r yr e s u l t sb yh f r l ma r e c o n s i d e r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a s st r a n s f e rf l u xi n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fp e n i c i l l i ngi n t h ei n i t i a lf e e d p h a s e ， c a r t i e rc o n c e n t r a t i o ni nt h el i q u i dm e m b r a n ea n df l o wr a t eo fs h e l ls i d e 0 2m o l l k h 2 p 0 4b u f f e rs o l u t i o ni nt h ef e e dp h a s ea n d0 5m o l l 1 k 2 c 0 3s o l u t i o na ss t r i p p i n ga g e n tc a nk e e pt h es t a b i l i t yo fp e n i c i l l i ng 一 _ 一一 一一 一一一 d u r i n gt h eo p e r a t i o np e r i o d a f t e re c o n o m i ce v a l u a t i o no fh o l l o wf i b e rr e n e w a ll i q u i dm e m b r a n e t e c h n i q u e ，h f r l mi sp r o v e dt oh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y , l o ws o l v e n ta n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，e t c a n dc o m p a r e dw i t hs o l v e n t e x t r a c t i o nf o rt h er e c o v e r yo fp e n i c i l l i ngh f r l mi sc o n s i d e r e dt oh a v e ag r e a t e re c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：h f r l m ，p e n i c i l l i ngr e c o v e r yt e c h n o l o g y , s t a b i l i t y , e c o n o m i ce v a l u a t i o n i v 北京化工大学硕上研究生学位论文 符号说明 传质面积，m 2 高效液相色谱峰面积，v s 料液中青霉素g 初始浓度，m o l l - 1 料液中青霉素g 浓度，m o l u 1 反萃相中青霉素g 浓度，m 0 1 l 1 载体浓度，m o l l - 1 纤维外径，m 纤维内径，m 膜器壳程内径，m 萃取分配系数 青霉素分子 青霉素酸根离子 基于料液相的青霉素g 的传质通量，m 0 1 m - e s 。1 基于反萃相的青霉素g 的传质通量，m 0 1 m - 2 s - 1 膜器长度，m 壳程的流量，m l - m i n 以 管程的流量，m l - m i n 。1 串级级数 膜器中中空纤维根数 料液相p h 反萃相p h 壳程流速，m s d i x 彳 觚 岛 q g 厶 以 盔 协 d 肿 f 以 五 工 厶 h 以 肌 溅 地 北京化工大学硕士研究生学位论文 管程流速，m s 。1 时间，m i n 中空纤维膜丝孔隙率 膜器入口 膜器出口 x 蜥 ， p s 伽 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 仰口? 年6 月y 日 毒 八 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名：乏必 一 日期：型l ! ：二 e lg q ：丝皇：笪：丝 北京化工大学硕上研究生学位论文 1 1 青霉素g 概述 1 1 1 青霉素g 简介 第一章文献综述 1 9 2 7 年，人们发现了青霉素( p e n i c i l l i n ) ，这是应用于临床的第一种抗生素。 青霉素属天然口内酰胺类抗生素，是目前生产量最大的抗生素。青霉素及半合成 青霉素是临床应用极为广泛的抗菌药物，由于其抗菌作用强、疗效高、毒性低等 优点，目前仍广泛应用于l 临床，而且在治疗很多感染疾病中仍为首选药物。青霉 素还是裂解生产6 - a p a ( 6 氨基青霉烷酸) 和7 - a d c a ( 7 氨基3 去乙酰氧基头 孢烷酸) 等半合成抗生素中间体及头孢菌素类抗生素的重要中间体和原料。由于 在商业生产和治疗中的重要性，直至在被发现8 0 年后的今天，青霉素仍然是世 界最重要的生化产品之一。 青霉素是能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗 生素。所有的青霉素都包含三个基本的官能团：一个噻唑环、一个卢内酰胺环和 一条侧链，其共同的化学结构如图1 1 所示： o r _ j l n h h 2 n 图1 1 青霉素的化学结构式 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r eo fp e n i c i l l i n 图1 26 - a p a 的化学结构式 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo f6 - a p a 由图1 - 1 可见，青霉素分子是由侧链酰基与母核( 如图1 2 所示) 两大部分组 成，母核为6 氨基青霉烷酸( 6 a m i o np e n i c i l l a n i ca c i d ，简称6 a p a ) 。青霉素 分子中含有6 个不对称碳原子，故具有旋光性。不同的侧链r 构成不同类型的青 霉素，可分为g 型、v 型及0 型等。若r 为苄基则为苄青霉素或叫青霉素g ；若r 北京化工大学硕士研究生学位论文 为苯氧甲基，则为苯氧甲基青霉素或叫青霉素v 。天然青霉素( 由发酵所得) 有 8 种，以青霉素g 疗效最好，应用最广。青霉素g 又称苄青霉素、盘尼西林，是一 种天然青霉素，是青霉菌分泌的一种有机酸，p k a = 2 7 5 ，其化学结构式如图1 3 所剥，青霉素g 分子中含有一仰内酰胺环和一个游离羧基，前者鄙内酰胺 类抗生素多：有的特征，后者使其呈弱酸性。 o h 2 c h5 c 6 - j l 一 图1 - 3 青霉素g 的化学结构式 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo fp e n i c i l l i ng 0 h 青霉素作为一种有机弱酸，在水溶液中存在电离平衡，如式( 1 - 1 ) 所示。 l i p 营h + + p 。 ( 1 - 1 ) 其中，h p 为青霉素分子，p _ 为青霉素酸根离子，k a = c ( h + ) c ( p 。) c ( h p ) 为青霉 素解离常数，1 9 k 。= 2 7 5 。在水溶液中，青霉素存在分子态和阴离子态( 酸根) ， 其物质的量之比随着p h 值的不同而变化，在p h = 2 7 5 时二者的组成相等，即各占 5 0 ；p h = 2 0 时，分子态占8 5 ；p h = 3 0 时，分子态占3 6 1 2 1 。 青霉素可以与金属或有机碱结合成盐【2 j ，常有钠盐、钾盐、普鲁卡因盐和苄 星盐。青霉素钠分子式是c 1 6 i - 1 1 7 n 2 n a 0 4 s ，分子量：3 5 6 3 8 ) 青霉素钾分子式： c 1 6 h 1 7 k n 2 0 4 s ，分子量：3 7 2 4 9 。青霉素盐的化学名称是( 2 s ，5 r ，6 r ) 一3 ，3 二 甲基6 ( 2 苯乙酰氨基) 7 氧代4 硫杂1 氮杂双环【3 2 0 】庚烷2 甲酸钠( 钾) 盐。钠盐、钾盐均为白色结晶粉末，遇酸碱或氧化剂迅速失效，在水中极易溶解， 乙醇中微溶。青霉素易被胃酸破坏，口服不易吸收，临床上以其钾盐或钠盐的形 式采用肌肉注射或气雾吸收。青霉素g 钾( 钠) 主要是通过破坏细菌细胞壁达 到杀菌作用，是治疗革兰氏阳性菌及部分阴性菌感染的首选药物。 1 1 2 青霉素g 稳定性 干燥的青霉素纯品很稳定，但在水体系中很不稳定，遇酸、碱和加热时更不 稳定，很易分解或异构化。因此，应尽量缩短青霉素在水溶液中的停留时间。温 度、酸碱性对青霉素g 稳定性的影响如表1 所示l 劐，青霉素g 钠盐水溶液在1 0 。c 以 - f 和p h 5 0 8 0 之间较稳定。 2 北京化工大学硕士研究生学位论文 在水溶液中，当p h 8 0 时，夕一内酰胺环水解，形成青霉噻唑酸或其它衍生物， 如式( 1 2 ) 所示。 不o 0 r l n h ( 1 2 ) 在p h2 0 左右，青霉素于室温下发生不完全水解，形成青霉酸，如式( 1 3 ) 所 3 北京化t 大学硕上研究生学位论文 o h r o h ( 1 3 ) 图l _ 4 青霉素降解反应 f i g 1 _ 4d e g r a d a t i o nr e a c t i o no fp e n i c i l l i n 随反应介质p h 值的不同，户内酰胺环开裂成不同的无活性产物【4 1 ，如图1 - 4 所示。这类反应对青霉素结构改造毫无价值，但对了解青霉素性质、提取过程、 产品加工和保存都有指导意义。 1 2 青霉素g 的提取方法 青霉素的大规模生产采用的是生物发酵法，其分离提纯过程包括过滤、提取、 共沸结晶等工序。常见的发酵液中青霉素的提取方法有吸附法、沉淀法、溶媒萃 取法、双水相萃取、反胶团萃取、超临界流体萃取和液膜法等。 1 2 1 物理法 1 2 1 1 吸附法 4 北京化工大学硕士研究生学位论文 吸附法是利用吸附剂与抗生素之间的分子间吸引力将抗生素吸附在吸附剂 上的方法。常用的吸附剂有活性炭、三氧化二铝、白土及大孔吸附剂等，其中以 活性炭应用得最早，也最为广泛。 m a h e s h 掣5 】在研究a m b e r l i t ex a d 1 6 和a m b e r l i t ex a d 7 两种树脂时发现， 在较低的p h 值下，青霉素v 可以吸附到中性的芳香族吸附剂上，并且随着p h 值的降低，青霉素v 的吸附量增加，而在较高的p h 值下，青霉素v 易溶于水， 几乎无法利用青霉素v 被吸附的特点来吸附提取。由于青霉素v 稳定性较差， 吸附法容易由于操作周期较长而造成青霉素的损失，所以目前对于它的研究只停 留在实验室阶段。 离子交换树脂吸附法是利用离子交换树脂和抗生素之间的化学亲和力，有选 择性地将抗生素吸附上去，然后用较少量的洗脱剂将它洗下来，从而达到浓缩和 提纯的目的。目前，离子交换树脂吸附技术主要用于从提取、结晶青霉素后得到 的废液中回收青霉素以及在青霉素水解生产6 - a p a 过程中去除苯乙酸以降低其 浓度等。 v y a s 掣6 j 运用离子交换的方法从青霉素生产过程产生的废液中分离青霉素， 用三种不同的阴离子交换树脂和七种不同的洗脱方式研究了青霉素的吸附和解 吸。在不同的洗脱条件下，青霉素的脱附能力随所使用的树脂种类不同而变化； 提高树脂中二乙烯苯( d v b ) i 拘含量，青霉素的吸附能力下降。谌竞清等【7 】进行了 强碱性树脂从水正丁醇溶液中吸附青霉素g 的研究，对凝胶型和大孔型树脂在 动态和静态条件下的吸附行为进行了对比。凝胶型2 0 1 x 4 氯型树脂能很好地吸 附青霉素g ，向混合洗脱剂中添加丙酮对提高洗脱效果有利。 但吸附法用于青霉素提纯，存在收率偏低、解吸困难等问题，并且其规模与 产量很难适应青霉素的大规模生产。 1 2 1 2 双水相萃取 双水相萃取技术是近年来发展起来的提取和纯化生物活性物质的新型分离 方法之一。一般而言，双水相系统汨p s ) 【8 】是指把两种聚合物或一种聚合物与一 种盐的水溶液混合在一起，由于聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶 性而形成互不相溶的两水相。 关怡新等1 9 】研究了p e g ( 聚乙二醇) 硫酸铵水双水相系统用于发酵液中青 霉素的萃取过程，并进行了小试实验，得到了青霉素g 的结晶，纯度为8 8 4 8 ， 总收率为7 6 5 6 。该流程可直接处理发酵液，免除了发酵液的预处理过程；且 在两相的界面上也未见乳化现象发生；将传统工艺中的3 次萃取减少为1 次双水 相萃取和一次醋酸丁酯反萃过程，降低了醋酸丁酯的用量。该工艺中，价格偏高 的p e g 的回收是制约该方法投入工业化生产的主要原因之一。 北京化1 = 大学硕上研究生学位论文 近年来，一种新型绿色溶剂离子液体的出现引起各国学者的广泛关注。 离子液体一般由有机阳离子和无机阴离子组成，现在多指在低于1 0 0 摄氏度时呈 液体状态的熔盐。改变阴阳离子组成，可以合成不同性质的离子液体，离子液体 几乎没有蒸汽压、不挥发。离子液体分为疏水性和亲水性两种类型，研究表明， 疏水性离了液体萃取红霉素得到很好的效剿1 0 j 。r o g e r s 等i l l l 采用亲水性离子液 体1 丁基3 甲基咪唑盐酸盐( b m i m c 1 ) 和水合磷酸钾( k 3 p 0 4 ) 可以形成上相富集 离子液体和下相富集磷酸钾的双水相体系( a t p s ) 。刘庆芬等【1 2 l 建立了由亲水性 离子液体1 丁基3 甲基咪唑四氟硼 b m i m b f 4 和n a h 2 p 0 4 形成的双水相体系萃 取青霉素g 的新方法，考察了n a h 2 p 0 4 浓度、青霉素浓度以及离子液体用量对 双水相形成和萃取率的影响。结果表明，离子液体双水相体系的p h 值在4 5 范 围内，萃取过程不发生乳化现象，并可以有效萃取青霉素，轻相中青霉素萃取率 可达9 3 7 。 1 2 1 3 三相一步法 陈继等【1 3 , 1 4 l 将高分子聚合物盐或两种高分子聚合物按比例加入青霉素发酵 液或其滤液中，形成双水相，再加入有机相形成三相，调整p h ，通过搅拌、离 心，一次完成提取、纯化及除杂过程，青霉素被提取到有机相中，色素、杂质及 杂蛋白等则被分配到双水相中，有效纯化有机相，降低乳化程度，简化青霉素萃 取的絮凝、破乳、冷冻脱水和脱色等工艺，综合利用多相体系的密度梯度、极性 梯度，对目标产物和杂质同时进行定向分离。研究结果表明，三相一步法用于萃 取青霉素发酵滤液和全发酵液，一次处理后醋酸丁酯的各项指标可达到现行滤液 萃取后的标准，超过现行的发酵液萃取标准。 1 2 1 4 反胶团萃取 反胶团是一种新型的生物活性物质分离方法，最初应用于具有鲜明等电点的 氨基酸、蛋白质类物质的分离。吴子生等1 1 5 j 报道了非蛋白质类活性物质青霉素g 在反胶团相转移提取中的特性和机理。结果表明，青霉素g 在c t a b 正辛醇： 氯仿( 4 ：1 ，v v ) 反胶团体系中的相转移提取遵循离子对静电作用和胶团溶解机理， 在室温及p h 值5 0 8 o 的条件下，提取率在9 0 以上，且保持了青霉素的稳定 性。 1 2 1 5 外场强化萃取 外场强化可以提高化工分离过程的分离效率。用电场来强化萃取过程，可以 改善液滴表面性质，提高其传质系数，同时还能促进分散的液滴凝并团聚，缩短 分相时间。w e a t h e r l e y 等【蛤1 8 】在实验室范围内研究了电场强化对二氯甲烷萃取青 霉素的影响。结果表明，该方法用于全发酵液的萃取可以提高界面传质速率，分 相困难的问题也可得到解决。在p h4 0 ，2 0 k v 电场作用下，青霉素的萃取率可 6 北京化工大学硕上研究生学位论文 以提高5 倍。 1 2 1 6 超临界流体萃取 超临界流体萃取( s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n ，s f e ) 是一种新型的提取技术， 它以超临界条件下的气体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出某些成分并进行分 离。g o r d i l l o 等【1 9 , 2 0 】对不同温度和压力范围内青霉素g 在超临界c 0 2 萃取技术中 的溶解度进行了考察，发现当压力高于1 5 0b a r 时，溶解度随温度和压力的上升 而增加，当压力低于1 5 0b a r 时，溶解度随压力的上升、温度的下降而增加，证 实了超临界流体作为一种有效的分离技术应用于青霉素生产的可行性。但由于其 溶解度较低，且分离过程在高压下进行，设备一次性投资大；萃取釜无法连续操 作，造成装置的时空产生率比较低；过程消耗指标不容忽视，因此，利用超临界 流体从发酵液中提取抗生素还有待进一步研究。 1 2 1 7 溶媒萃取法 溶媒萃取法( 液液萃取法) ：当抗生素以不同的化学状态( 游离酸或游离碱 状态) 存在于与水不溶性的溶媒中，由于其在溶媒及水中的不同溶解度，可以利 用分配系数不同以达到浓缩和提纯的目的。 在青霉素分子结构中有一个酸性基团( 羧基) ，青霉素的p k a = 2 7 5 ，所以将 青霉素g 的水溶液酸化至p h 2 0 左右，青霉素即成游离酸。这种青霉素酸在水中 溶解度很小，但易溶于醇类、酮类、醚类和酯类，利用这一特性，工业上可用溶 媒萃取法从发酵液中分离并提纯青霉素。青霉素的盐( 钾盐和钠盐) 易溶于水和 甲醇，难溶于酮类和酯类。 溶媒萃取分物理萃取和反应萃取两大类。目前在青霉素提取过程中普遍采用 的是碳键合氧给予体类型的萃取剂，即碳氢化合物和取代的碳氢化合物溶剂， 在p h 值为2 0 左右萃取青霉素，萃取收率服从分配定律，称为物理萃取。反应 萃取是带有化学反应的萃取过程，即指在溶剂与溶质之间存在确定的化学计量关 系的强溶剂化或离子反应的萃取过程，可分为中性络合萃取、阳离子交换萃取、 离子缔合萃取和协同萃取等。 物理萃取通常在p h = 1 8 2 0 时进行，由于青霉素极易分解，在该p h 范围内 只能停留几秒钟，而青霉素在p h = 5 0 8 0 时比较稳定，此时，以解离状态分散 在水溶液中。传统的c 0 型萃取剂无法在青霉素稳定的p h 区间内实现物理萃取， 而反应萃取可以很好地解决这一问题。另外，相对于物理萃取来说，反应萃取具 有选择性好等特点。常用于青霉素反应萃取的萃取剂主要是高分子脂肪胺类。 r e s c h k e l 等【2 1 】使用脂肪胺或季铵盐萃取剂在酸碱性温和的条件下提取青霉 素，结果表明青霉素酸( h p ) 和脂肪胺( a ) 反应萃取的机理是中和反应。c a s c a v a l 等【冽采用高相对分子质量胺类萃取剂a m b e r l i t el a 2 ( n 1 a u r y l n t r i a l k y l m e t h y l 7 北京化工大学硕士研究生学位论文 a m i n e ) 溶解在醋酸丁酯中反应萃取青霉素v ，在两相界面上可以形成疏水的复合 物。实验中发现水溶液的p h 值是影响反应萃取的重要因素，在p h 值低于5 0 时，青霉素v 的萃取收率为9 7 9 8 ，在p h 值为7 5 时萃取收率仅为2 0 。 苗勇等1 2 3 】对醋酸丁酯萃取青霉素的理论模型进行了探讨，并做了大量的实 验研究，针对传统的青霉素萃取工艺条件进行了优化，提出了室温三级萃取新工 艺。新的萃取操作工艺条件为p h ( 3 0 0 2 ) ，温度为常温2 0 。c ，相比蹦k = 1 3 1 4 ， 并采用三级萃取以保证萃取率。他们认为，适当提高萃取的p h 值，有利于萃取 体系选择性的提高，可以减小青霉素的损失：常温萃取可以极大地降低能耗；适 当降低相比，有利于提高产品质量，减少对杂酸的萃取。由于目前的方案对青霉 素稳定性的影响不大，对减小效价损失贡献较小，此外，新增工艺设备的投产还 受到场地占用、设备安装以及市场价格风险等因素的影响，因此用于工业生产目 前还未见报道。 方成开等【2 4 】开发了一种新型萃取剂7 0 4 5 及与之配套的新萃取工艺。新工艺 省去了废液( 萃余液) 蒸馏回收溶媒工序和废溶媒提纯工序，有机相只需经过简 单的再生处理就可直接返回萃取工序，可以大大节省能源。其次，新工艺中溶媒 耗损少，萃余液中残存溶媒量极低，可以大量节约溶媒。再者，新工艺使用7 0 4 5 煤油溶液，毒性比丁醇、醋酸丁酯的毒性低，沸点、闪点高，因此使用安全，但 有一定气味，引起人体不适。 现行的醋酸丁酯溶媒萃取工艺，由于使用破乳剂会增加生产成本。因此，如 果能开发出自身具有破乳能力的萃取剂就可以少使用或不使用破- l n ，节约大量 开支。y a n g 等【2 5 1 、王斌等【冽考察了脂肪醇类萃取剂在青霉素g 发酵滤液提取过 程中的应用。结果表明，脂肪醇类萃取剂( 如正己醇) 不但能够在p h 3 5 4 0 下 有效萃取青霉素，而且反萃也不困难，更有意义的是脂肪醇本身还具有破乳能力， 萃取过程不产生乳化，不用加破乳剂。此外，脂肪醇与醋酸丁酯还有协萃效应， 醋酸丁酯的加入，能阻止醇的多聚，使羟基活性增强。该混合萃取剂能够进一步 提高脂肪醇类萃取剂的萃取能力，也解决了脂肪醇因粘度大而流动性差的缺陷。 此外，中性磷类萃取剂也具有破乳能力，可以降低破乳剂的用量( 其破乳剂的用 量为纯醋酸丁酯体系的四分之一以下) | 2 7 - 2 9 j ，因此中性磷类萃取剂及脂肪醇类萃 取剂可作为青霉素提取用新型萃取剂。 1 2 1 8 液膜分离技术 ( 1 ) 液膜分离技术简介 液膜分离技术出现在2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 7 年b l o c h 掣3 0 l 采用支撑液膜 ( s u p p o r t e dl i q u i dm e m b r a n e ，s l m ) 研究了金属提取过程，使萃取与反萃可以在同 一个单元设备内进行。1 9 6 8 年美籍华人黎念之博士1 3 l j 首先提出乳化液膜 8 北京化工大学硕士研究生学位论文 ( e m u l s i o nl i q u i dm e m b r a n e ，e l m ) 的分离方法，从此，对液膜技术的研究开始越来 越多地受到关注，新的液膜技术也不断出现。到2 0 世纪7 0 年代初期，e lc u s l l e r 1 3 2 l 在液相膜中加入流动载体，使液膜的应用范围进一步扩大。经过4 0 多年的发 展，液膜技术的研究和应用日趋成熟和完善。液膜技术凭借其传质速率高与选择 性好等特点，成为湿法冶金、废水处理、气体分离、有机物分离、生物制品分离 与生物医学分离、化学传感器与离子选择性电极等领域分离、纯化与浓缩溶质的 有效手段。 液膜技术原理是在料液相和反萃相之间引入一层与料液相和反萃相不相混 溶的萃取相液膜，利用这一液膜实现分隔两相并对溶质分子进行选择性传递的作 用。溶质分子在传质推动力的作用下，从料液相主体扩散迁移到料液相与液膜相 的界面，进入液膜相；在液膜内经扩散到达液膜与反萃相的界面，再进入反萃相。 该方法也被称为同级萃取反萃过程。在这一过程中，促使溶质分子跨过液膜进 行传质的推动力是料液相与反萃相之间的浓度差或p h 梯度。 与传统的溶媒萃取相比，液膜技术具有如下几个优点： 可以实现萃取与反萃过程的内耦合，将萃取与反萃过程在同一设备中同步 进行，大大减少了设备的体积。 非平衡传质，传质推动力大，所需分离级数少。从理论上讲，只需一级即 可实现完全萃取。c u s s l e r 和e v a n s l 3 3 j 用胺类作载体的液膜提取c r ( v 1 ) ，4 m i n 内， 料液水相中的c r ( v i ) 从1 0 0m g l 1 降至接近0m g l - 1 ，而接收相中c r ( v i ) 的浓度 从0 上升至9 0 0m g l - 1 。 “上坡( u p h i l l ) 效应，或者溶质“逆其浓度梯度传递 的效应。 m a t u l e v i c i u s 与“矧认为，溶质从液膜低浓度侧向高浓侧传递的效应，是由于在 膜两侧界面上分别存在着有利于溶质传递的化学平衡关系，这两个平衡关系使溶 质在膜内沿其浓度梯度而扩散，界面两侧化学位的差异导致溶质透过界面而传 递。液膜的这一特性使其在从稀溶液中提取与浓缩溶质方面具有优势。 试剂消耗量少。流动载体( 萃取剂) 在膜的一侧与溶质络合，在膜的另一 侧将其释放。载体在膜中犹如河中的“渡船 ，将溶质从膜的一侧“渡”到另一 侧。膜载体的“渡船 功能表现为溶质的膜渗透速率与膜载体浓度不成比例。载 体在膜内穿梭流动，使之在传递过程中不断得到再生，其结果是所需膜载体的浓 度大大降低，并使液膜体系中膜相与料液相之比亦降低。液膜的这一特性对于所 用试剂十分昂贵( 如冠醚等) 或者处理量很大的场合( 如废水处理过程) 具有显 著的经济意义。 由于液膜具有传质速率高、选择性好等特点，使之成为分离、纯化的有效手 段，这一领域己成为传质与分离技术的一个研究热点【3 引。然而，传统液膜技术 9 北京化工大学硕士研究生学位论文 如支撑液膜的稳定性差和乳化液膜工艺复杂等问题，制约了该技术的工业化应用 进程。但考虑到液膜技术本身具有诸多优点，研究者一方面致力于液膜的改进， 以期增强液膜过程的稳定性：另一方面，许多学者也提出些新型的液膜构型， 如表1 2 所示，其中，中空纤维更新液膜( h o l l o wf i b e rr e n e w a ll i q u i dm e m b r a n e ， h f r l m ) 具有相间无泄漏、二次污染少、传质比表面积大、传质速率快、设备体 积小，操作简单等优点，是一种具有广阔应用前景的新型分离方法。 表1 2 新型液膜技术 t a b l e l 2n e wl i q u i dm e m b r a n et e c h n i q u e s 1 0 北京化工大学硕十研究生学位论文 ( 2 ) 液膜技术应用于青霉素提取的研究 液膜技术用于青霉素提取可实现萃取反萃取过程的耦合，传质效率高，溶 剂消耗量少。用于青霉素提取的液膜萃取技术主要有乳化液膜( e l m ) 、支撑液膜 ( s l m ) 等。图1 5 是利用乳化液膜技术提取青霉素g 的机理图： 翰洲一兰啦脚啪(tow刚 一一。 l n 翱盱n lp h j 啊 黼p h i p 图1 5 青霉素g 在乳化液膜中的传输机理 f i g 1 - 5t h et r a n s p o r tm e c h a n i s mo fp e n i c i l l i ng i ne l m 如图1 5 所示，青霉素酸根离子先由主体扩散到膜表面，在外水相和液膜界 面处，与萃取剂( a ) 发生如下的络合反应： a ( o 略) + h + ( a q ) + p ( a q ) ha h p ( o r g ) ( 1 - 4 ) 生成的络合物a h p 再扩散通过膜相到达内水相界面处，在内水相界面解络成 氢离子和青霉素酸根离子进入内水相。无负载的萃取剂分子再反向扩散回到外水 相膜界面处。基于液膜技术非平衡传质的特点，料液中青霉素的浓度能够降至比 较低的值。外水相通常用柠檬酸和柠檬酸钠缓冲液调节p h 值在5 0 8 0 以防止青霉 素的降解。 与传统的溶媒萃取技术相比，液膜技术应用于青霉素的提取具有如下优势： 可以把反应萃取的概念引入到液膜过程，采用载体促进迁移提高传质效率；非平 衡传质，传质效率高；溶剂相用量较少，可以选用一些选择性好的萃取剂；可采 用溶解性较小的萃取剂，溶解损失少，回收简便；操作条件温和，青霉素损失少； 萃取与反萃在同一设备中进行，设备体积小，操作简单。 在大多数利用e l m 进行青霉素g 提取的研究中，仲胺a m b e r l i t el a - 2 北京化1 二大学硕上研究生学位论文 f n 1 a u r y l n t r i a l k y l m e t h y l a m i n e ) 被认为是较好的载体，一般采用煤油、醋酸丁酯 或正癸醇为稀释剂，e c a4 3 6 0 j 、s p a n 8 0 或鼢风蛆a r 9 5 5 1 为表面活性剂。研究 者们对e l m 提取青霉素过程的传质机理、界面反应动力学、操作条件郴4 0 j 和数 学模型【5 1 。5 3 】等方面进行了大量研究。l e e 等【5 4 5 6 】分别考察了膜相表面活性剂组成、 溶剂的组成、乳液w o 的比率、料液青霉素浓度、萃取剂浓度、反萃剂浓度对青 霉素萃取率、传质系数、乳液溶胀等因素的影响，得到了最佳配比条件。在工业 应用方面【5 卜5 9 j ，有学者采用一套o l d s h u e r u s h t o n 型的连续操作逆流萃取柱对传质 界面积、两相流率、表面活性剂组成和w o 进行了研究，并建立了相应的模型。 朱澄云等1 6 0 j 用乳状液膜法从发酵液中提取青霉素g 时，在最佳条件下，提取率可 达7 6 5 ，浓缩比为6 。吴汉奇等1 6 1 j 采用w o 型乳状液膜提取模拟发酵液中的青霉 素，结果表明，青霉素提取率随表面活性剂和载体浓度的增加而明显增加。但表 面活性剂浓度增加使液膜易产生再乳化，而再乳化和搅拌是夹带溶胀产生的主要 原因，乳状液膜溶胀及操作的复杂性是影响其工业化应用的关键因素之一。 m a r c h e s e 等1 6 2 】最先把支撑液膜技术应用于青霉素的提取，探讨了其传质机 理。台湾清华大学化工系进行了支撑液膜法提取青霉素新工艺的研究【6 3 , 6 4 l ，将溶 解于正癸醇的l a 2 充满在多孔的聚丙烯膜孔中，利用胺类与青霉素问的络合反 应，把青霉素从料液侧选择性地传递到另一侧。目前，由于支撑液膜的不稳定性 问题，其研究还停留在实验室阶段1 6 5 。 此外，在本组前期研列叫中，通过大块液膜实验验证了液膜过程在青霉素g 提取过程中的可行性和优势。还有研究者对其它液膜技术如大块液膜【6 7 1 、中空 纤维包容液膜旧 6 9 】提取青霉素进行了研究。 1 2 2 化学法 1 2 2 1 沉淀法 沉淀法是利用抗生素可与某些无机、有机离子或分子形成复合物而沉淀，或 是利用本身的等电点沉淀析出，然后将沉淀物在适宜的条件下再进行分离精制， 是用于抗生素分离过程最简单经济的方法之一。在青霉素提取过程中，可以通过 加入无毒的弱酸或部分有机强酸到青霉素发酵滤液或盐溶液中调节p h 值进行分 离1 7 0 , 7 1 1 。酸性相对较弱的酸常选择解离常数在( 1 。3 6 6 ) x 1 0 5 的一元脂肪酸，如乙 酸、丙酸等，或二元脂肪酸，如丁二酸等。强酸的解离常数至少为1 7 x 1 0 4 ，如 硫酸、盐酸、磷酸、柠檬酸等，酸化过程中强酸的存在可以使青霉素沉淀完全。 为了获得较高的收率，通常先加入弱酸，然后缓慢加入强酸或部分强酸与弱酸同 时加入，大部分青霉素沉淀后，加入剩余的强酸。 徐兵吲提供了一种青霉素v 的提纯工艺，该方法采用青霉素v 发酵滤液加 1 2 北京化工人学硕士研究生学位论文 入有机酸或无机酸调节p h 值在3 5 以下，得到青霉素v 一次酸化沉淀；然后加 入碱性物质调节p h 值为4 5 8 0 ，将青霉素v 沉淀溶解得到青霉素v 碱化液； 经活性炭脱色、过滤，滤液进入喷雾干燥设备干燥，得到较纯的青霉素v 盐固 体。为了得到质量较好的青霉素v 盐，通常将青霉素v 碱化液进行二次酸化沉 淀处理。此方法得到的低成本的青霉素v 或盐可作为制备6 - a p a 的原料。 利用沉淀法直接从发酵液中回收分离和提纯青霉素的优点很多，如可节省溶 媒用量，收率高；操作费用降低；设备简单，工艺路线短等，但是在青霉素酸化 过程易形成黏性的油状物，过滤处理存在一定的问题，使得产品指标无法达到要 求。 1 3 青霉素g 的提取工艺 1 3 1 溶媒萃取工艺 1 3 1 1 溶媒萃取工艺简介 目前，在众多对于青霉素提取方法的研究中，溶媒萃取法是应用最为广泛、 工艺条件最为成熟、工业化程度最高的提取工艺，国内普遍采用该工艺对发酵液 中青霉素进行提取。 工业上萃取操作包括三个步骤【7 3 】：1 混和：料液和萃取剂充分混和形成乳浊 液，青霉素自料液转入萃取剂中。2 分离：将乳浊液分成萃取相和萃余相。3 溶 媒回收。混和通常在搅拌罐中进行；也可以将料液和萃取剂以很高的速度在管道 内混和，湍流程度高，即管道萃取；也可利用在喷射泵内涡流混和进行萃取的喷 射萃取。分离通常采用离心机( 碟片式或管式) 。近来也有将混和和分离同时在 一个设备内完成的，例如各种对内微分接触萃取机如p o d b i e l n i a k 萃取机、 a l f