抗生素结晶工艺优化

文章编号:100128751(2001)0520207204

抗生素结晶工艺优化方法

赵茜　陈永泉　李秉滔3　综述

(华南农业大学大学食品科学系,3林学院,　广州510642)

　　摘要:　从4个方面综合论述了目前抗生素结晶工艺优化研究中采用的方法:(1)抗生素结晶溶剂的选择;(2)

抗生素结晶体系介稳区测定;(3)晶种的制备;(4)抗生素结晶过程过饱和度的控制。

关键词:　抗生素;　结晶;　工艺;　优化中图分类号:　TQ460.2　　　文献标识码:　A

　　结晶是从蒸汽、溶液或熔融物中以晶体状态析出固体物质的过程,在化工行业(包括制药)中,最常见的是溶液结晶过程。由于结晶涉及到物相变化,所以又是一个物体形态转变的相变过程。我国从公元前黄帝时代就开始在运城盐湖用湖水制盐;在唐代名著《天工开物》一书中,已详细记载了从甘蔗中制作砂糖的“糖霜制作图”;在国外用海水制盐已有数千年的历史[1]。结晶是制备纯物质的有效方法。由于只有同类分子或离子才能排列成晶体,故结晶过程有很好的选择性,析出的晶体纯度较高,此外,结晶过程成本低,设备简单,操作方便,因此广泛用于抗生素的精制中。目前我国抗生素工业结晶的技术与设备尚停留在国外20世纪50～60年代水平,在许多企业中存在着结晶器形式单一、结晶工艺粗略、手工方式操作等缺点或弱点,使产品的微观形态与国外产品相比存在较大的差距,如晶形不完整、粒度分布过宽、晶体粘结较严重等,此外许多企业还广泛存在着结晶收率偏低、产品成本相对偏高等问题(王静康.医药结晶技术进展.全国抗生素微生物药物分离、纯化、合成及质量分析学术研讨会.1999年,上海)。抗生素结晶产品的质量(包括纯度、晶型、粒度等)主要是由结晶工艺决定的,要提高我国抗生素工业结晶水平,对抗生素的结晶工艺进行优化研究是很有必要的。

1　抗生素结晶的几种常用方法

在抗生素工业中常采用4种结晶方法[2]。(1)将热过饱和溶液冷却。使溶液冷却降温以维持一定过饱和度,不用除去溶剂,优点是能耗小,设备构造及操作较简单,但生产速率和产率相应较低,难以自动控制。此法适用于溶解度随温度降低而显著减小的情况。若是溶解度随温度升高而显著减小的情况,则采

收稿日期:2000204228

用加温结晶。如工业生产中冷却与反应结晶结合,将四

环素酸性滤液用氨水调pH至4.8,冷却至10℃,2h后四环素碱结晶析出。

(2)将部分溶剂蒸发。使溶液在加压、常压或减压下加热蒸发除去一部分溶剂,以达到或维持溶液过饱和度,使晶体长大。主要适用于溶解度随温度降低变化不大的物系或具有逆溶解度的物系。如工业生产中蒸发与冷却结合,将制霉菌素乙醇提取液真空浓缩10倍,冷却至5℃,放置2h,得到制霉菌素结晶。

(3)化学反应结晶。加入反应剂或调节pH产生新物质,当该新物质的浓度超过它的溶解度时就有结晶析出。如工业生产中青霉素的乙酸丁酯提取液加入乙酸钾—乙醇溶液反应得到青霉素钾盐结晶。

(4)盐(溶)析结晶。加一种物质于溶液中,以使溶质的溶解度降低形成过饱和溶液而结晶。这种物质可以是另一种溶剂或能溶于溶液中的另一种溶质。如工业生产中盐酸林可霉素结晶液中加入丙酮得到盐酸林可霉素结晶。再如将冷却与盐析结合,丝裂霉素粗品溶于甲醇中,加入2倍体积的苯,5℃放置过夜,得到丝裂霉素结晶。

2　抗生素结晶工艺优化方法

2.1　抗生素结晶溶剂的选择

溶剂对结晶产品的晶形(型)、纯度、色泽等有很大

影响[3,4],对于抗生素等结晶药品来说,晶形(型)和纯度是至关重要的,因此,结晶溶剂的选择非常重要。以红霉素的溶析结晶过程为例,红霉素在异丙醇、正丙醇、丙酮、乙醇中结晶的晶形、红霉素A含量、杂质含量都互不相同[5]。结晶溶剂的选择有如下基本原则:安全无毒或低毒,结晶体晶形好、易于分离,不利于杂质析出。

作者简介:赵茜,女,生于1971年,博士,主要从事食品与生化物质分离纯化的研究。

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2.2　抗生素结晶体系介稳区宽度测定

国外医药抗生素分册2001年9月第22卷第5期

溶质从溶液中结晶析出是一个新相(固相)形成的过程,是一个同时有热量和质量传递的过程。在一定的条件下,任何一种物质溶解在某溶剂中,都有一个最大限度,这个限度就是溶解度,也称饱和浓度。超溶解度是指溶液能够自发产生晶核的浓度。当溶质浓度小于或等于饱和浓度时,无晶体析出。溶质浓度大于饱和浓度并达到一定的过饱和度时,有晶体析出。结晶包括3个过程:(1)形成过饱和溶液;(2)晶核形成;(3)晶体生长。对于某一个结晶物系,需要知道它的溶解度和超溶解度数据,以便对结晶过程进行控制。图1是常用的物系介稳区宽度表达方法[1]。在稳定(不饱和)区内,不发生结晶现象。在不稳定区内,结晶能自发进行。在介稳区内,结晶不能自动进行,但加入晶种后,晶种会生长。

温恒速冷却水,使结晶器内待测物系以恒速降温,并作低速搅拌,同时打开激光器照射待测溶液,注意观察结晶器中透明度的变化,当发现溶液中出现白色浑浊,且有大量微晶闪烁时,此温度即为超溶解点。饱和温度与此时测得的温度之差即为介稳区宽度。检测工具越精确,则越能及早发现首批晶核的出现,测得的介稳区宽度越窄,越接近真正的介稳区宽度值。2.3　晶种的制备

[1]

早年由Griffith提出的“加晶种的控制结晶”,其含义是:在分批操作的结晶过程中,为了控制晶体的生长,获得粒度较均匀的晶体产品,必须尽一切可能防止意外的晶核生成,小心地将溶液的过饱和度控制在介稳区内,不使出现初级成核现象,并向溶液中加入适当数量及适当粒度的晶种,让被结晶的物质只在晶种表面上生长,用温和的搅拌,使晶种较均匀地悬浮在整个溶液中,并尽量避免二次成核现象。在整个结晶过程中,加入晶种并小心地控制溶液的温度或浓度,这种方式的操作称之为“加晶种的控制结晶”。以冷却结晶过程为例,加晶种和不加晶种的溶液冷却时的结晶情况,其结果可用溶解度、超溶解度曲线表示(图2)。

图1　　介稳区宽度的表达方法

C:浓度;T:温度;∃Cmax:介稳区宽度;∃Tmax:介稳区宽度

(最大过冷度)

对于一定的系统,溶解度曲线的位置是固定的,而超溶解度曲线的位置是不固定的,它的位置受有无晶

种、晶种表面积、产生过饱和的速度(冷却、蒸发速度)、搅拌速度等因素的影响[1]。冷却或蒸发的速度越慢、晶种越小、机械搅拌越激烈,超溶解度曲线越向溶解度曲线靠近。介稳区宽度是选择合适结晶过饱和度的依据,为了控制好结晶过程,有必要对其进行测定。2.2.1　溶解度的测定[6]　将溶剂加入容器中,再加入

图2　　冷却速率及加晶种对结晶操作的影响

图2(A)表示不加晶种而迅速冷却的情况。此时溶

液的状态很快穿过介稳区而达到超溶解度曲线上的某一点,出现初级成核现象,溶液中有大量微小的晶核骤然产生出来,属于无控制结晶。

图2(B)表示不加晶种而缓慢冷却的情形。此时溶液的状态也会穿过介稳区而到达超溶解度曲线,产生较多的晶核(初级成核),过饱和度因成核而有所消耗后,溶液的状态当即离开超溶解度曲线,不再有晶核生成。由于晶体生长,过饱和度迅速降低。此法对结晶过程的控制作用有限。由于初级成核速率随过饱和度的

大量的溶质,然后将此溶液置于恒温水浴中恒温搅拌3h以上,再在水浴中静置1d,容器底部的溶质晶体证

明与之相接触的液体为此条件下的饱和溶液。为防止微晶核的干扰,将上清液过滤,然后吸取此饱和溶液测定浓度即可。

2.2.2　超溶解度的测定[7]　一种简单的测定方法是:

将饱和溶液倒入结晶器中,在结晶器的夹套中通以恒

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以免形成巨大的过饱和度,使操作失败。而随着晶体的长大,晶体表面增大,则应逐步提高能量传递速率以维持一定的过饱和度。

以盐酸林可霉素的溶析结晶过程为例,在传统的结晶操作过程中,沉淀剂的流加是通过一个高位槽来完成的,此种流加方式的特点是流加速率随高位槽液位的降低而降低,这样,随着结晶过程的进行,结晶系统的过饱和度先急剧增高,然后逐渐降低。这种流加方式虽然操作简单,但存在一个重大缺点:结晶系统不能维持在一个恒定的较适宜的过饱和度下结晶,难以避免二次成核的产生,亦会导致成品晶体质量不佳。

图3为盐酸林可霉素溶析结晶最佳操作程序实现装置[10]。电远传流量计测得的流量信号经过A󰃗D转换后输入单片机,单片机将输入值与计算值比较,比较后输出信号给步进电机,控制步进电机的转速和方向,若小于计算值,则输出较多的脉冲数,步进电机带动阀门旋转增大阀门开度,反之,则减小阀门开度。过饱和度随时间变化的关系见图4。采用最佳流加操作程序

加大而增长非常迅猛,其晶核的生成量不可能恰好适

应需要,故所得晶体的粒度分布范围往往很宽。

图2(C)表示加有晶种而迅速冷却的情形。溶液的状态一旦越过溶解度曲线,晶种便开始长大,而由于溶质结晶出来,在介稳区中溶液的浓度有所降低,但由于冷却迅速,溶液仍可很快地到达不稳区,因而终于不可避免地会有细小的晶体产生。

图4(D)表示加有晶种而缓慢冷却的情形。由于溶液中有晶种存在,且降温速率得到控制,在操作过程中溶液始终保持在介稳状态,而晶体的生长速率完全由冷却速率加以控制,因为溶液不致进入不稳区,所以不会发生初级成核现象。这种“控制结晶”操作方法能够产生预定粒度的、合乎质量要求的均匀晶体。目前许多工业规模的分批结晶操作即采用这种方式。

上面的讨论是针对冷却结晶过程,但加晶种的控制结晶法同样适用于蒸发结晶、溶析结晶及反应结晶等过程。

由于加入的晶种是晶体生长的核心,因此晶种质量可以决定成品质量。传统的晶种制备方法(球磨法,粉碎法等)制得的晶种有以下缺点:(1)数目难以准确控制(总是伴随着二次成核现象),磨(粉)碎的晶体表面携带的粒子在投种过程中会因碰撞、冲击脱落产生大量微细晶核,使数目难以控制;(2)晶种外观差,尺寸分布范围很大。晶种上的缺陷很容易引入以其为核心长大的晶体,实验表明,晶体中的位错大都是从晶种上延伸出来的。因此由传统制种法制得的晶种培养长大的晶体当然也存在粒度分布范围大,外观差的缺点。

一种制备晶种的新方法——溶剂超声波协同成核法,通过在溶液中加入成核溶剂降低溶质的溶解度、溶液的粘度和界面张力,间接提高过饱和度,并利用超声波的分散效应和空化效应加速溶质分子之间的碰撞,促进成核。这种方法先后在蔗糖、味精、葡萄糖的晶种制备中获得成功[8],接着又被成功应用于盐酸林可霉素的晶种制备[9],采用该法制备的晶种具有粒度均匀,晶面完整的优点。

2.4　抗生素结晶过程过饱和度的控制

图3　　盐酸林可霉素溶析结晶最佳操作程序实现装置

　1:高位槽;　2:阀门;　3:电远传流量计;　4:搅拦浆;　　5:结晶罐

为尽量避免结晶过程中的二次成核,保证产品质量,结晶过程的过饱和度应控制在介稳区内。要使结晶过程在一个恒定的过饱和度下进行,就需要建立结晶的最佳操作程序。所谓结晶的最佳操作程序,就是指结晶过程中在维持恒定过饱和度的情况下,能量传递速率(冷却速率、蒸发速率、沉淀剂流加速率等)随时间变化的关系。在每次操作之始,物系中只有为数很少的由晶种提供的晶体表面积,因此能量传递速率应该很低,

图4　　流加方式过饱和度随时间变化的曲线

1:传统流加方式;　2:最佳操作程序

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能够控制结晶过程在恒定的过饱和度下进行,得到的盐酸林可霉素晶体与采用高位槽从高到低的自然流加方式得到的晶体相比,不仅粒度分布较窄,中间粒度较大,外观好,晶体的纯度也比后者高[10]。3　结束语

本文从结晶工艺角度论述了提高抗生素结晶产品质量的方法,而结晶产品的质量与结晶设备的类型也有很大的关系,因此结晶设备的选择也很重要,在结晶操作中应根据所处理物系的性质、希望得到晶体产品的粒度及粒度分布范围、生产能力的大小、设备费用和操作费用等考虑选择结晶设备[11],只有将优化结晶工艺与优化结晶设备结合起来,才能生产出高质量的产品。

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