青霉素G的提取工艺.doc

青霉素G的提取工艺的研究 学院： 环境与化学工程学院 班级： 09级生物化工 姓名： 李建章 学号： 090110050049 指导老师：张晓宇 青霉素G的提取工艺的研究1927年，人们发现了青霉素(penicillin)，这是应用于临床的第一种抗生素。青霉素属于天然-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80多年后的今天，青霉素仍然是世界最重要的生化产品之一。图11青霉素的化学结构式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。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，pKa=2.75其化学结构式如图11所示，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。青霉素作为一种有机弱酸，在水溶液中存在电离平衡，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。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。但本设计是通过溶媒萃取工艺以及中空纤维更新液膜提取工艺进行介绍。一、青霉素G的提取分离工艺方法一：溶媒萃取工艺（1）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。（2）工业萃取操作步骤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Podbielniak萃取机、Alfa-Laval萃取机等1。目前，工业上在青霉素萃取过程中常引入离心萃取机，不需要对发酵液进行过滤等前处理，可直接进行混和、分离操作。以国内大量使用的Decanter离心萃取机2为例，萃取机本身具有除去菌丝的结构，其最大的优点在于无需板框过滤，而直接进行全发酵液溶媒萃取。工作原理是萃取机由圆柱圆锥型转鼓、螺旋输送器、差速驱动装置、进料系统、润滑系统及底座组成的。转鼓与螺旋输送器通过摆线针形行星齿轮的带动以一定的差转速同时高速旋转，形成一个大于重力场数千倍的离心力场，发酵液从重相进料管进入转鼓的逆流萃取区后受到离心场的作用，在此与从中心管进入的轻相相接触迅速完成相间的物质转移和液液固分离。固体残渣沉积于转鼓内壁，借助于螺旋转子与转鼓的差速，形成相对运动而将残渣推向转鼓锥端，并连续排出转鼓，而萃取液则由转鼓柱端经调节环进入向心泵室，借助向心泵的压力排出。20世纪80年代初一些西方国家率先将离心萃取机应用于青霉素生产。目前，已有英国(比切姆公司)、日本(明治公司)及德国等十几个国家用此设备进行青霉素G、v的生产。采用该萃取机，发酵液不经过过滤而直接进行溶媒逆流萃取，通过它既能萃取青霉素，又能将轻相(萃取液)、重相(萃余液)组分相分离，从而达到减少厂房面积，简化工序，节省设备的目的。采用该离心萃取机对发酵液中青霉素的提取工艺中收率可达到75。（3）溶媒萃取原理溶媒萃取法(液液萃取法)是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。（4）注意点1. 在青霉素分子结构中有一个酸性基团(羧基)，青霉素的pKa=275，所以将青霉素G的水溶液酸化至pH20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。2. 适当提高萃取的pH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。3. 青霉素发酵液经絮凝、过滤除去不溶性杂质后，滤液中加入醋酸丁酯把青霉素萃取到酯相，萃取液纯度达到60-70。酯相低温脱色后加入Na2C03或K2C03水溶液进行反萃，青霉素又返回到水相，进行酸化脱除酯溶性杂质。反萃液中加入丁醇共沸结晶，结晶后纯度可达90以上，晶体经洗涤、干燥去除溶剂成为青霉素钠盐或钾盐产品。（5） 经验分析1. 乳化和去乳化。在青霉素萃取时，常发生乳化。乳化是液体分散在另一不相混和的液体中的分散体系。产生乳化后会使有机溶媒相和水相分层困难，即使采用离心分离机也往往不能将两相分离完全。发酵液废液中如夹带溶媒微滴，就意味着发酵单位的损失，溶媒相中夹带发酵液微滴，会给后期精制造成困难。在青霉素工业中，发酵液中有大量蛋白存在，这些蛋白质分散成微粒，呈胶体状态，能在界面上形成保护膜，是一种乳化剂。由于蛋白质是憎水性的，故发酵液和有机溶媒所形成的乳浊液大都是wo型乳浊液。在青霉素工业中常用转型法来进行破乳过程，即在wo型乳浊液中加入亲水性乳化剂，则乳浊液有从wo型转变成ow型的趋向，但条件不允许形成ow型乳浊液，因而在转变过程中，乳浊液就破坏。在青霉素提取工艺中常用的去乳化剂是溴代四烷基吡啶，其可由丁醇合成，价廉，既易溶于水，又易溶于丁酯，因此它既能破坏wo型，也能破坏ow型乳浊液。与溴代十五烷基吡啶相比，乳浊液破坏比较完全，能降低青霉素随废液的损失，用量为0.03-0.05。2. pH。在萃取操作中正确选择pH值很重要。一方面pH影响分配系数因而对萃取收率影响很大。另一方面pH对选择性也很有影响，在低pH条件下萃取，青霉素G降解严重，提取过程中其损失高达10-15。其原因主要是由于青霉素G以盐形式存在时是稳定的，而以游离酸形式存在时是不稳定的，溶媒萃取法正是通过添加酸到盐中使之变成游离酸形式，再用醋酸丁酯萃取游离酸例如青霉素在pH2.0萃取时，醋酸丁酯萃取液中青霉烯酸可达青霉素之12.5，而在pH3.0萃取时，则可降低至4。此外pH还应选择在尽量保持青霉素稳定的范围内。滤液中的蛋白质在强酸性条件下变性而导致萃取过程严重乳化3,影响两相分离；有机溶剂的挥发造成环境污染，且存在潜在的爆炸危险。3. 温度。温度对于青霉素的萃取有很大影响。一般来说，青霉素在温度较高时都不稳定，故萃取应维持在低温下(10以下)进行，各种贮罐都用蛇管或夹层通盐水冷却。在保证萃取效率的前提下，尽量缩短操作时间，如缩短在中间贮罐的停留时间，可减少青霉素的破坏。青霉素在水溶液中固然不稳定，但在丁酯中也要发生破坏，青霉素在丁酯中0-15C放置24小时不致损失效价，在室温放置则要破坏，2小时损失1.96，4小时损失2.32，8小时时损失2.78，24小时损失可达5.32。4. 带溶剂。所谓带溶剂是指这样一种物质，它们能和抗生素形成复合物，而易溶于溶媒中，且此复合物在一定条件下又容易分解。青霉素作为一种酸，可用脂肪碱作为带溶剂，这样能够提高萃取率，且可以在较有利的pH范围内操作。这种正负离子结合成对的萃取，称为离子对萃取，即通常所说的反应萃取。方法二：中空纤维更新液膜提取工艺（1） 简介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4。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，许多学者也提出一些新型的液膜构型，然而，传统液膜技术中空纤维更新液膜(HollowFiberRenewalLiquidMembrane，HFRLM)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。（2）液膜技术原理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pH梯度。虽然液膜技术用于产物的分离提取过程具有许多优点，但研究者们提出的各种液膜技术大都存在缺乏长期稳定性、操作复杂、传质阻力大等缺点，如乳化液膜工艺复杂、支撑液膜稳定性差、中空纤维包容液膜膜器制作困难等，使得液膜技术难以得到大规模的工业化应用。从液膜技术原理可以看出，在液膜传质过程中，萃取相仅起到分隔料液相与反萃相，实现溶质分子选择性传递的作用5。（3）注意点1. 液膜应稳定，以避免因液膜破损而引起的料液相与反萃相之间的泄漏；2. 液膜应尽可能薄，以减小传质阻力；3. 在传质结束后，料液相、萃取相与反萃相之间应当易于分离；4. 液膜应当对溶质分子有良好的选择性；（4）经验分析1.必须保证传质的动力学过程很快，待分离物质从某一相溶剂中萃取后，能立即被另一相溶剂反萃，从而始终保持相界面有较高的浓度梯度，起到高效率分离的效果。2.该技术采用疏水性的中空纤维膜，膜的微孔中事先用有机萃取相浸润，料液相与反萃相分别在中空纤维膜的两侧流动，在管内相流体中加入一定量的有机萃取相，与管内相流体形成极为细小的微滴。在流动的过程中，萃取相微滴与管内相密切接触，并由于表面张力和膜的浸润性影响，使其粘附在膜的壁面上，利用管内相流体流动所形成的剪切力，形成一层极薄有机相液膜。溶质从料液相被萃取到有机相微滴和壁面的有机相液膜中，其中有机相微滴在流动过程中迁移到壁面的有机相液膜处；溶质扩散通过有机相液膜和存留在中空纤维膜的微孔中的有机相，到达反萃液相。从管内流出的多余有机相经过简单的澄清，待分相后即可循环回管内入口重新使用。与此同时，管程流体中的有机相液滴还可及时有效地补充因溶解或乳化夹带等流失的液膜相，HFRLM技术的两相泄漏率小于0.01，解决了长期困扰液膜技术难以大规模工业化应用的稳定性问题，可长周期稳定运行。3. 中空纤维更新液膜技术借鉴了纤维膜萃取器的原理，保持了支撑液膜技术所具有的传质效率高的特点，综合了膜萃取技术无相间泄漏，二次污染少的优点，利用中空纤维膜萃取过程传质比表面积大，传质速率快的特点，并引入了液滴与壁面有机相薄膜之间的更新融合方式。且该技术所需的设备体积小，操作简单，无二次污染，可大大节省空间，降低产品所需的能耗以及设备投资等，从而使产品生产成本降低，具有较好的应用前景。4. 从2004年起，有人先后以含铬废水和含铜废水为研究体系，采用中空纤维更新液膜技术对其进行了处理，结果表明，本技术可以对废水中的重金属离子进行有效地分离和富集，过程的总体积传质系数比中空纤维膜萃取过程高5-7倍，废水中重金属的去除率在99以上6，处理后的废水达到国家排放标准。整个过程中两相泄漏率在0.01以下，稳定性较好7，在实验研究方面积累了大量经验。之后，又对HFRLM技术用于柠檬酸模拟发酵液的在线提取过程进行了研究，结果表明，提取率可达98以上，浓缩倍数达9倍以上，效果较好，既可实现同步分离与富集，还可节约水资源，并不会产生二次污染，实现清洁生产。另外，针对青霉素G的提取也进行了初步的实验研究8参考文献1 邬行彦抗生素生产工艺学M.北京: 化学工业出版社,1991:200-211.2 刘学文, 李秋元, 李艳平. Decanter萃取机在青霉素生产中的应用J. 中国医药工业杂志, 1994, 25(2):85-89.3 Chen J, Liu H Z, Wang B, et al. Application of spontaneous suction phase dispersing (SSPD) extractors in the extraction of penicillin G J. Appl. Biochem. Biotechnol, 2002, 97; 660-671.4 GoTo M, Yamamoto H, Kondo K. Effect of new surfactants on zinc