现代分离技术在红霉素提取中的应用

现代分离技术在红霉素提取中的应用
冯长根 陈 涛 曾庆轩
(北京理工大学爆炸灾害预防与控制国家重点实验室,北京100081)
摘 要 综述了近年来国内外现代分离技术溶剂萃取法、膜分离技术、盐析沉淀法、大孔树脂吸附法及离子交换技术在红霉素分离提取领域的研究应用进展,并对这些现代分离技术的发展前景做了简要探讨。

关键词 红霉素 提取 溶剂萃取 膜分离技术 大孔树脂 离子交换
收稿日期:2006-11-06
作者简介:冯长根(1953~),男,博士,教授,博导,主要从事应用化学领域的研究。

c gfeng@wuma com cn
Application of Modern Separation Technologies
in Erythromycin Extraction
Feng Changgen Chentao Zeng Qingxuan
(National Key Laboratory for Prevention and C ontrol of Explosive Disasters,Beijing 100081)
Abstract The recent research and application of at home and abroad about modem separation technologies,for exa m
ple solvent extraction process,membrane separation technology,salt-induced phase separation processes,macroporous rosin adsorption process and ion exchange method in Erythromycin extraction are reviewed in detail Besides,the foreground of these modem separation technologies was discussed
Keywords erythromycin e xtraction solvent extraction me mbrane separation macroporous resin ion exchange 红霉素是弱碱性大环内酯类抗生素,具有抗菌作用强、效率高、毒性低等优点。

近年来,随着红霉素衍生物的广泛使用及新剂型(如红霉素肠溶微丸胶囊)的开发,使得红霉素原料用量大幅度增加。

因此,从发酵液中分离提取红霉素的技术越来越受到人们的关注。

红霉素的分离提纯具有以下特点:
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;
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;
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:
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。

上述特点决定了红霉索分离提纯工艺的复杂性及重要性,同时也对研究开发适用于红霉素分离提纯的新方法、新工艺提出了更高的要求。

本文将对近年来国内外分离提取红霉素的工艺做一综述。

1现代分离技术的应用
红霉素的提炼过程包括以下3个方面: 发酵液的预处理和过滤: 提取过程; 精制过程。

其中,提取过程极其重要。

目前工业上应用的提取方法主要有溶剂萃取法、离子交换法及大孔树脂吸附法等
[1]。

膜分离技术,做为一种新型的分离、浓缩、提纯及净化技术,近年来在红霉素提炼过程中的应用也得到了迅速的发展
[2]。

1 1 溶剂萃取法
溶剂萃取法在制药工业中的应用,至今已有60多a 的历史,近10a 来世界各国为发展溶剂萃取新概
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念和新技术进行了大量的研究,比较活跃的领域有化学反应萃取、液膜萃取、反胶束萃取、超临界萃取等[3],但多数尚处于实验室和中试阶段。

这些新技术在红霉素的提取中均有所应用。

1 1 1 化学反应萃取法
在化学反应萃取过程中,红霉素分子与萃取剂发生配合,生成中性溶剂;配合物。

相对于物理萃取过程,由于发生了化学反应,分配系数明显增大,选择性和萃取容量增加。

2000年,李洲等[4~5],研究了一个萃取红霉素的中性配合体系:以高脂肪醇(FA)做萃取剂,煤油为稀释剂,探索了不同操作条件,如水相中红霉素浓度、pH值、有机相中萃取剂浓度以及萃取温度等工艺参数对红霉素萃取分配系数的影响。

现场试验和结果表明:萃取收率平均可达96 08%,反萃取收率平均为94 96%,成盐收率平均为82 10%,3步累计平均收率78 62%,稍优于现有生产指标,而且新萃取体系的溶剂损失大幅度降低,节约了生产成本,可供工业生产试用。

1 1
2 固定床溶剂萃取法
2001年,曹正芳等[6]采用固定床溶剂萃取法从发酵液中提取红霉素,研究了溶液的pH值、操作温度、发酵液流速以及洗脱液流速对分离过程的影响。

用此种方法可以有效的克服乳化,减少红霉素和溶剂的损失。

在相比(o/w)为1/25时,萃取率可达95%左右,用纯乙酸丁酯洗脱,洗脱率达到95%;而传统的溶剂萃取法,只有相比为1/1时才能达到同效。

1 1 3 反胶束萃取法
1997年,Nitin W等[7]以AOT-异辛烷反胶束系统从水溶液中提取红霉素,在温和的实验条件下可取得较高的收率。

2003年,李夏兰等[8]也采用AOT-异辛烷反胶束系统提取了乳糖酸红霉素。

在室温、pH值、盐浓度都相同的条件下,仅以异辛烷作萃取剂,萃取效率只有5 12%;而加入AOT0 05mol/L后,萃取效率显著增加到94 4%。

将反胶束萃取剂循环使用3次,萃取效率都在87%以上,能循环使用。

1 1 4 预分散萃取法
1997年,胡熙恩[3]在文章中报道:1994~1996年Lye和Stuckey将预分散萃取技术应用于红霉索萃取。

以癸醇为内相,制备胶状液膜(CLA),考察了红霉素的预分散溶剂萃取工艺,讨论了不同的操作条件如:相比、离子强度、pH值、搅拌等对萃取与反萃取的影响。

与传统的萃取技术相比,预分散溶剂萃取技术优势明显,如:传质界面大;传质速度快,萃取时10-2s 就可达到平衡;由于预先已将溶剂分散和乳化,可以防止或降低溶剂在萃取设备中乳化,操作相比小,溶剂相对水相料液体积比可高达1 100~1 500;萃取效率高,红霉素单级萃取率超过90%,使普通的萃取设备相当于无穷级萃取。

以上总结了近年来在溶剂萃取法中出现的一些新技术、新工艺。

这些方法具有非常诱人的前景,但目前尚处于研究开发阶段,同时存在处理量小、成本高等缺点,决定了他们还难以应用于大规模工业化生产。

1 2 膜分离技术
膜分离技术作为一门新型的分离纯化技术,近年来在抗生素提炼中的应用研究十分活跃。

用于红霉素提炼中的膜分离技术主要涉及超滤、液膜分离和反渗透等[9]。

1 2 1 超滤
2004年,Li等[10]利用超滤与溶剂萃取相结合的方法,从发酵液中提取红霉素。

这种新工艺不需要加入价格昂贵、对人体有毒害的破乳剂[11],静置分层快,不需离心分离,萃取收率比原工艺高2 9%,达到93 17%:而且超滤对原料液有一定脱色作用[12],不需要活性炭或树脂脱色,就可降低产品色级,提高产品质量,降低生产成本。

1 2 2 反渗透
1994年,刘昌盛等[13]将反渗透技术应用于红霉素提取。

选用丹麦DDS公司的Module20UF/RO系统,板框型装置,总过滤面积0 72m2,在压力为4 0MPa时,发酵液可浓缩5倍,料液浓度2000u/mL 左右,达到后续操作要求,且红霉素基本上无损失。

1 2 3 液膜分离
1996年,Kawasaki等[14]利用支撑液膜技术,1-癸酸做载体,从红霉素的稀碱性水溶液中提取红霉素A,液膜与料液之间的分配系数可达122,且透过液膜的传质通量高,同时起到了很好的分离和浓缩效果。

2002年,Habaki等[15]采用W/O/W型乳化液膜渗透新技术从发酵液中分离提取红霉素。

结果表明,将Span 80溶于庚烷做膜相,25 ,料液pH值为
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8 5~9 5,抽提相pH值为5 5~6 5时,红霉素在反萃相与料液相中的分配比(浓缩比)可达3 4,且透过系数在分离过程中恒定。

总之,目前膜分离技术在红霉素提取过程中的应用研究非常活跃,但实际应用还不够广泛。

主要原因有以下几个方面[16]:
作为一种迅速发展起来的新型分离技术,膜分离过程本身仍存在许多技术问题有待攻克;
发酵液是一种复杂的介质,粘度、浓度和颗粒大小都不一样,甚至会有多种与主产品高度相似的副产品,对膜分离的选择性要求很高;
医药行业对卫生要求极其严格,膜容易被污染;
试验中采用的膜组件应由自制转向标准化,这样才有利于试验结果的可靠性提高。

1 3 盐析沉淀法
2001年,Le等[17]研究了利用盐析法从发酵液中提取红霉素,首次将有机溶剂乙腈和发酵液混和,形成均相混和溶液后,向其中加入NaCl、Na2SO4等无机盐,使混和液分为两相,此时红霉素从发酵液中转移到有机相;对有机相进行减压蒸馏,结晶即得红霉素。

同传统的溶剂萃取法相比,盐析沉淀法萃取速度快,提纯效率高,不需要加破乳剂,单级萃取效率超过98 5%,红霉素的化学效价超过930u/mg,产率超过70%,是一种效果不错的提取新方法。

1 4 大孔树脂吸附法
近年来,国内外报道的抗生素中有不少采用大孔树脂吸附法作为其提取精制手段。

大孔树脂吸附法由于具有选择性能好,能耗低,溶剂损耗小,操作完全等优点,在红霉索的大规模分离过程中也获得了广泛的认可[18]。

2002年,陈骏[19]报道,国外生产的XAD-16型树脂分离提取红霉素效果突出,吸附量达13 5万u/g 湿树脂,而华东理工大学生产的P T4型树脂吸附量为12 2万u/g湿树脂,达XAD-16吸附量的90%以上,但售价却只有其1/4,是红霉素工业生产中的一个新的应用对象。

2003年,Ribeiro等[20]试了一系列中性树脂(Am befiite XAD-4,XAD-7和XAD-16)和一种阴离子树脂(IRA-410)对红霉素的选择吸附性能。

其中,中性树脂对红霉素的吸附在5h内可达到平衡,XAD-4, XAD-7和XAD-163种树脂对红霉素的最大吸附量分别为:0 5,0 6和0 7m mol/g吸附剂;IRA-410和XAD-7型树脂对红霉素的吸附过程可以很好的符合Freundlich和Langmuir方程。

此外,通过比较红霉素与几种吸附树脂之间亲合因子和浓缩因子数值的大小,发现XAD-16和IRA-410型树脂对红霉素具有更好的选择吸附性能,吸附过程为物理吸附。

2004年,胡秀峰等[21]对大孔树脂在红霉素提取中的应用进展进行了综述,指出大孔树脂由于在性能方面存在局限性导致它在红霉素提取应用中受到很大程度的制约,提出了解决这些局限性的建议:增大吸附剂的比表面积,使吸附量增加,并加快吸附速度。

而增大比表面积的有效方法之一,就是从吸附剂的物理形状着手,改球状、粉状为纤维状。

2006年,宋应华等[22]研究了大孔吸附树脂XAD-7HP、X AD-16及HZ-816对红霉素的平衡吸附及热力学性质,结果表明吸附过程为吸热的物理吸附过程。

1 5 离子交换法
红霉素是弱碱,在适宜的温度和酸度条件下,在水中会以阳离子的形式存在,因此可以用离子交换法从发酵液中提取红霉素。

20世纪60年代,Sa msonov等[23]首次系统的研究了用阳离子交换树脂分离提取红霉素的技术,受到科技界和产业界人士的关注。

近年来,新型功能材料离子交换纤维由于具有比表面积大、交换与解吸速度快,应用形式灵活等优点,在红霉素的提取中也得到了应用。

2004年,胡秀峰[24]初步研究了LZ-NH型弱酸阳离子交换纤维对红霉素的静态分离效果。

在相同的实验条件下,LZ -NH型离子交换纤维对红霉素的收率达13 01%, 1300-I大孔树脂则为8 89%;离子交换纤维再生时间为2h,而树脂则需要12h制备好的离子交换纤维分离红霉素不需要预处理,但树脂使用前必须经过预处理。

因此,用弱酸型阳离子交换纤维分离提取红霉素为抗生素的提炼提供了一条有效的新途径。

2存在的问题
以上综述了现代分离技术在红霉素提取中的应
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用。

目前,这些技术仍处于实验室研究阶段,未应用于大规模生产,但从实验结果及研究报道看,这些新技术较传统方法有着巨大的优势和潜力。

当然,这些技术也存在一些不足,比如在工业生产中应用广泛的溶剂萃取法存在的问题是提炼成本高,耗用溶媒多,收率和产品的效价不高;膜分离技术虽然分离选择性高,能耗低,所生产的抗生素质量稳定,但由于存在1 2 3节所列举的问题,它的实际应用受到了制约。

离子交换和树脂吸附技术用于红霉索提纯,其规模与产量较难适应红霉素的大规模生产,而且多种易挥发洗脱剂的使用可能对人体和环境造成不良影响。

3展望
随着商业竞争的加剧和生产规模扩大,红霉素产品的竞争优势最终归结于低成本和高纯度,因此成本和质量的控制成为红霉素分离提取过程发展的动力和方向。

笔者认为,在进行红霉素提取新工艺开发研究时,可以从以下几个方面进行考虑:
(1)开发清洁、高效的新型分离技术
清洁、高效的新型分离技术的产生取决于分离理论的突破及新型分离材料、设备的研究成功。

相信随着研究的深入和技术难关的不断攻克,本文综述的这些新技术会在不久的将来真正应用于红霉素的大规模工业化生产。

(2)多项分离技术的集成化
将多种分离纯化技术相互交叉、渗透与融合后应用于红霉素的提取。

例如将膜分离技术与萃取技术相结合,发展出超滤/萃取技术;将萃取与离子交换相结合,发展出溶剂浸渍树脂和萃淋树脂分离技术等等,可以大大缩短工艺流程,提高分离效率。

(3)减少分离纯化步骤
工业生产中,红霉素需要经过多步分离纯化手段才能得到最终产品。

过程中的每一个分离步骤都会带来一定的产品损失。

为了提高总收率,可以考虑尽量减少分离纯化步骤,从而经过最少的纯化步骤,达到理想的回收率和产品纯度。

总之,开发清洁、高效的集成化工艺是未来红霉素分离提取技术的发展方向。

研究工作者只有通过努力降低红霉素的生产成本,提高红霉素的收率和质量,才能提高国产红霉素的国际市场竞争力,实现其重要的社会效益和经济效益。

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