红霉素提纯

组员：余含冯华杰李奇蒙苑金磊目录一、红霉素简介1234二、红霉素的生产流程三、提取红霉素的方法选择四、工艺流程设计一.前言在传统的红霉素提取工艺路线中，需要耗费大量的溶剂。吸附技术由于低能耗、低溶剂消耗等优点，在抗生素分离中，应用日趋广泛。但由于缺乏必要的热力学和动力学数据，大孔树脂吸附技术在红霉素分离和纯化上的应用还是一个凭经验的过程。测定红霉素在大孔树脂上的吸附相平衡和吸附动力学性质，对红霉素吸附过程进行模拟研究以及对整个过程进行优化设计是采用吸附技术分离提纯红霉素必须解决的几个基础问题，有着重要的科学研究价值。本文以红霉素为研究对象，系统地研究了大孔吸附树脂对其的吸附行为，考察了温度、初始浓度等因素对大孔树脂吸附性能的影响。在红霉素吸附机理研究的基础上，完善了大孔树脂吸附法分离提取红霉素的工艺路线。二.红霉素简介•红霉素为大环内酯类广谱抗生素，通过红霉素链霉菌发酵而得。其抗菌谱与青霉素抗菌谱类似，主要应用于呼吸道感染、皮肤感染等症的治疗。红霉素同时也是第二代及第三代红霉素半合成衍生物的原料药。三.红霉素分离提纯简介•最近有一种采用以合成纤维为骨架的离子交换纤维，从含有红霉素的液体中分离提纯红霉素的新方法。本发明方法利用其特殊的纤维状物理形态使其与红霉素具有较大的接触面积，对流体具有较小的阻力，利用离子交换纤维的功能集团使吸附、解吸速度快，较现有的大孔吸附树脂洗脱容易和彻底，再生速度快，亲和力强，达到分离提纯的目的。应用本发明方法也解决了大孔树脂吸附红霉素后再生过程较困难这一难题，从而降低成本。•方法如下：(1)预处理：将弱酸性阳离子交换纤维和强碱性阴离子交换纤维用去离子水洗至pH值在7.5～8.0，待用；(2)红霉素分离：在室温下，按红霉素发酵液(ml)：分离材料(g)＝4～18∶1的比例浸泡上述步骤(1)处理得的作为分离材料的离子交换纤维，静置30～90分钟，然后将所得发酵液滤出；(3)红霉素洗脱：将氨水加热至一定温度，取大约1.5～3倍体积的氨水浸泡上述已吸附了红霉素的离子交换纤维30～120分钟，滤去氨水；加入乙酸丁酯，其量为离子交换纤维量的1.5倍；(4)红霉素提纯：取上述丁酯液，在室温下，按所述乙酸丁酯液(ml)：分离材料(g)＝4～18∶1的比例浸泡上述步骤(1)处理得的作为分离材料的离子交换纤维，静置30～90分钟，然后将丁酯液滤出；在流出的丁酯液中加入硫氰酸，将结晶盐真空抽干便得到硫氰酸红霉素盐；在硫氰酸红霉素盐中加入有机溶剂，将所得结晶湿粉用蒸馏水洗涤后，用离心机甩干，烘干即得红霉素。四.红霉素分离提纯的特点•①目标产物浓度低。在发酵液中,红霉素的浓度很低,约占0.4%、0.8%。众所周知,分离对象的初始浓度越低,分离提纯的成本就越高;•②红霉素的性质不很稳定,且发酵液容易被污染,这就对能够采用的分离技术手段造成了严格的限制;•③红霉素发酵液中杂质的浓度相对较高,其中一些杂质的性质和红霉素很相似,用一些常规的分离技术无法将它们分离以获得高纯度的红霉素产品:•④红霉素往往直接作为医药用品,需要符合特殊的质量和安全要求。五.研究内容&结论•通过间歇搅拌吸附实验，研究了大孔吸附树脂(HZ816)对红霉素的吸附性能，吸附平衡数据的拟合相关性分析显示，红霉素在HZ816树脂上的吸附等温线符合Langmiur吸附等温线方程及Freundlich经验方程。•吸附热力学研究表明：大孔吸附树脂对红霉素的吸附过程是自发进行的(△G＜0)，熵总为正值，吸附为一吸热的物理吸附过程(△H＞0)。通过间歇吸附动力学实验，采用一级动力学Lagergren吸附方程、颗粒内扩散模型以及液膜及孔内扩散模型，研究了红霉素在大孔吸附树脂HZ816中的动力学行为，考察了温度、初始浓度等因素对红霉素在大孔吸附树脂中吸附动力学的影响。•实验结果表明：红霉素在大孔树脂上的吸附过程同时受到液膜扩散阻力和孔内扩散阻力的影响，液膜扩散系数kf随着温度升高而增大，随着浓度增大而增大；孔内扩散系数Dp随着温度升高而增大，随着浓度增大而减小。通过固定床吸附实验，以大孔吸附树脂HZ816为吸附剂，研究了红霉素在固定床上的吸附性能，考察了流动相流量、流动相浓度等因素对固定床操作特性的影响，并采用Hall模型和基于液膜及孔内扩散模型的动力学模型，研究了固定床上红霉素在大孔吸附树脂中的吸附动力学。实验结果表明，Hall模型和考虑液膜、孔内及轴向扩散作用的动力学模型均能较好地描述红霉素在大孔吸附树脂上的动力学行为，模型参数液膜扩散系数kf随着上柱流量升高而增大，随着上柱液浓度增大而减小；孔内扩散系数Dp随着流量升高而减小，随着浓度增大而减小；轴向扩散系数Dz随着流量升高而增大，而浓度对其影响不大。•通过间歇搅拌脱色及固定床脱色实验，研究了大孔阴离子交换树脂(D293)对红霉素发酵液的脱色性能。发酵液经树脂脱色处理后，脱色率为68﹪，红霉素损失率不超过2﹪。该过程的脱色、再生最佳条件为：•1)脱色：流量:1.0BV\hr；温度：室温；发酵液pH值为7.0左右；2)再生：流量:1.0BV\hr；温度：室温；再生溶剂：6BV50﹪乙醇盐酸(1mol\L)溶液。•通过间歇搅拌吸附、洗脱及固定床吸附、洗脱实验，研究了大孔吸附树脂(HZ816)对脱色后红霉素发酵液的吸附性能。该工艺的吸附、洗脱最佳条件为：•(1)吸附：流量：3.0BV\hr；温度：室温；发酵液pH值为9.4左右；(2)洗脱：流量：0.5BV\hr；温度：室温；再生溶剂：2BV醋酸丁酯，洗脱率为94.18﹪..……六.有机—无机杂化纳滤膜的制备及其在红素分离方面的应用1.摘要研究中以聚乙烯醇为有机材料，正硅酸乙酯和纳米二氧化硅为无机材料，以KH-560作为偶联剂，DL—苹果酸为交联剂，采用溶胶—凝胶法和共混法，制备了聚乙烯醇(PVA)/SiO_2杂化纳滤膜。探讨了PVA浓度、SiO_2含量、偶联剂和交联剂含量及交联温度和交联时间对杂化纳滤膜性能的影响。系统分析了PVA/SiO_2杂化纳滤膜的结构和分离性能，同时还研究了PVA/SiO_2杂化纳滤膜的热稳定性能、耐酸碱性能、耐溶剂性能、溶胀性能和机械性能，得到了满意的结果。利用四动态膜性能测试仪测试了PVA/SiO_2杂化纳滤膜的纯水通量、红霉素通量和截留率及各种电解质的通量和截留率。•通过截留不同分子量的标准物质PEG来确定PVA/SiO_2杂化纳滤膜的孔径，并用付立叶红外光谱仪、示差扫描量热分析仪、透射电镜和X射线衍射仪对纳滤膜进行了结构表征。针对红霉素发酵液中红霉素的提取分离进行了研究，并对各种操作条件对PVA/SiO_2杂纳滤化膜分离提纯红霉素的影响进行了系统的分析，取得了有意义和科学价值的研究结果。研究结果表明，制备出的PVA/SiO_2杂化纳滤膜性能优良，杂化在一定程度上改善了PVA有机纳滤膜的性能。用溶胶—凝胶法制备的PVA/SiO_2杂化纳滤膜对红霉素发酵液的三次循环截留率可达87.23％，通量是16L·h(~-1)·m~(-2)。结果表明PVA/SiO_2杂化纳滤膜在红霉素的提纯分离方面有着良好的应用前景。2.意义•红霉素在临床上的应用近年来日益拓宽，除了用于抗革兰阳性菌，还可用于抗部分革兰阴性菌、细胞内病原体（支原体、衣原体和军团菌等）和分泌β-内酰胺酶的细菌（流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌等）引起的获得性感染[1]；另一方面，易被小儿接受的阿齐红霉素、克拉红霉素和罗红霉素获得成功[2]，新剂型（如红霉素肠溶微丸胶囊）的开发[3]，使红霉素原料用量大幅度增加，20世纪60年代发展起来的采用大孔树脂从发酵液中分离提取红霉素的技术[4]，受到科技界和产业界人士的关注。用吸附法或离子交换法实现分离提取红霉素时，由于红霉素是由红霉内酯（erythromolide）与去氧氨基己糖（desosamine）和红霉糖（cladinose）缩合而成的碱性苷，分子较大，用一般树脂分离是困难的，这是采用大孔树脂分离提取的原因之一。3.大孔树脂和红霉素提取方法发展简史•王格慧[5]在其论文中指出，1850年，Thompson和Way报导了用硫酸铵或碳酸铵处理土壤时，绝大部分的氨被吸收而析出钙盐，从此开始了对离子交换的研究；1906年，R.Gans应用天然合成的硅酸盐（如：海绿砂、Na2Al2SiO3等）进行水的软化和糖的净化处理，离子交换开始用于工业水的软化。马建标和李晨曦[6]在其著作中介绍道，1935年，Adams等观察到某些合成树脂具有交换离子的能力，发表了由甲醛与苯酚、甲醛与芳香胺的缩聚高分子材料及其离子交换性能的研究报告，开创了合成离子交换树脂的方向。1944年，D,Alelio发明用苯乙烯和丙烯的衍生物合成质量比较优良的离子交换树脂，奠定了离子交换树脂的基础；随后，Dow化学公司的Bauman及其同事开发了苯乙烯系磺酸型强酸性阳离子交换树脂，Rohm&Hass公司的Kunin及其同事采用苯乙烯－二乙烯苯共聚物为骨架，开发了强碱型阴离子交换树脂；。•20世纪50年代，Corte和Meyer、Meitzner和Oline、何炳林与钱庭宝先后合成出大孔离子交换树脂。与凝胶型树脂相比，大孔网状树脂改善了吸附物质在树脂微孔结构中扩散的障碍，具有交换速度快、机械强度高和抗有机污染等优点，使得大孔树脂在更多的领域中得到了应用，这是离子交换技术发展的一个里程碑。1977年何炳林[7]以“吸附与吸附树脂”、1990年李伯庭[8]以“大孔吸附树脂在天然产物分离中的应用”、1991年顾觉奋[9]以“大孔网状吸附剂在抗生素分离纯化中的应用”、1997年马振山等[10]以“大孔吸附树脂在药学领域的应用”、2000年侯世祥等[11]以“大孔吸附树脂在中药复方分离纯化工艺中的应用”为题的综述文章，基本上概括了大孔吸附树脂的性质、影响因素与应用现状。•红霉素是1952年由麦夸尔（McQuire）等在菲律宾群岛发现的红霉素链霉菌的培养液中分离出来的碱性抗生素，一般采用溶媒萃取法、离子交换法、吸附法、沉淀法等实现分离提取[12]。•4.大孔树脂的筛选•20世纪60年代，Samsonov和Fleer[4]系统地用磺酸型阳离子交换树脂、磷酸型阳离子交换树脂与羧酸型阳离子交换树脂进行了分离提取红霉素的研究，研究结果表明，溶胀系数（Sc）≧2.5的SBS-2、SBS-3和SDV-3磺酸型阳离子交换树脂对红霉素有高的吸附容量，并且钠型磺酸离子交换树脂总是优于氢型；钠型磷酸离子交换树脂（Sc=3）对红霉素表现出低的吸附容量（62mg/g树脂），是钠型磺酸离子交换树脂的一半；在羧酸型阳离子交换树脂KFU（Sc=2.8）、KB4-P2（Sc=3）和KFUH（Sc=2.65-3.1）三者中，钠型KFUH对红霉素显示出最佳的选择性吸附（1000mg/g树脂）；表明钠型羧酸离子交换树脂优于钠型磺酸离子交换树脂，钠•型磺酸离子交换树脂又优于钠型磷酸离子交换树脂。之后，ShigeoFujita[13]、王兴昌[14]、严希康等[15]、陈骏等[16]先后对不同型号的大孔离子交换树脂或大孔网状吸附树脂进行了筛选研究。在离子交换树脂中，DiaionPK-204、DiaionPK-208与Dowex50W-X4离子交换树脂分离提取红霉素效果突出[13]，吸附量分别为12.0mg/mL、11.6mg/mL及11.7mg/mL。在大孔吸附树脂中，华东化工学院E系列中以ED-D型号的树脂分离提取红霉素效果明显[15]，吸附量为7.46х104U/mL，国外生产的XAD-16型号树脂分离提取红霉素效果最突出，吸附量为11.83х104U/g。5.影响因素•5.1溶液pH值•大孔树脂分离提取红霉素时，红霉素溶液pH范围因树脂而异，各文献报道不一，有的为6左右[4]，有的9~9.5[15]，有的9.2左右[16]。最佳pH确定，首先要考虑pH过高（pH10以上）或过低（pH5以下）对红霉素的稳定性极为不利，其次要兼顾分离材料本身结构特征对红霉素的吸附性能，要在实验研究基础上决定最佳pH值。•5.2大孔树脂结构大孔树脂的理化性质