双水相萃取应用作业

双水相技术在青霉素的领域的应用

（12级生物工程 杨申雨 豆志伟 苗春雷 高佳林 刘泽培）

一、药品青霉素的特性 青霉素是人类最早掌握的抗生素，也是目前生产量最大应用最广泛的抗生素之一。青霉素是一大类抗生素的总称，是指从青霉菌培养液中提取的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。然而，青霉素不耐酸碱，过酸过碱都可使其结构发生变化而失去抗菌性。此外，青霉素为窄谱抗生素，其抗菌作用很强，低浓度时起抑菌作用，高浓度时具有强大的杀菌作用。但只对革兰氏阳性菌及少数革兰氏阴性菌效果好，对大多数阴性菌则无效。青霉素的抗菌机制主要抑制细菌细胞壁的合成，从而破坏其对菌体的保护作用。细菌细胞壁的主要成分由粘肽组成，青霉素能制止粘肽的合成，而对已形成的细胞壁无破坏作用。因此其对生长旺盛(即细胞壁生物合成时期)的敏感菌特别有效，而对代谢受到抑制的静止期细菌则效果较差。

二、双水相的特点 双水相系统萃取成为新兴生物技术产业研究的热点，主要是该技术对于生物物质的分离和纯化表现出特有的优点和独特的技术优势 ：(1)分相时间短. (2)含水量高，在接近生理环境的体系中进行萃取，不会引起生物活性物质失活或变性；(3)界面张力小 (4)不存在有机溶剂的残留问题，且高聚物对人体无害；(5)大量杂质能与所有固体物质一同除去，使分离过程更经济；(6)易于工艺放大和连续操作 ，与后续提纯工序可直接相连接，无需进行特殊处理；(7)操作条件温和，整个操作过程在常温常压下进行。(8)多种因素都可以对被萃取物质在两相的分配产生影响，故而可以利用多种手段来提高选择性和回收率。

三、华药青霉素的生产状况 华北制药厂是国内生产青霉素的主要企业之一，它采用了以醋酸丁酯为萃取剂的溶媒萃取工艺，它属于酸式萃取，其酸性可以破坏青霉素活性。溶媒萃取对青霉素的分离提纯的关键设备是离心萃取机，90年代前华药采用的罐式萃取，其萃取时间长，故而酸性溶液对青霉素活度的破坏作用大。自1989年华药采取Decanter离心机萃取工艺取代传统的罐式萃取工艺进行研究，青霉素混合液在数秒即将达到充分混合后高速离心分离，使青霉素快速转移到醋酸丁酯相中，大大缩短了青霉素在酸性条件下的混合、分离时间，减少了青霉素的酸性降解，分离效率较之罐式萃取工艺也大大提高。

四、国外研究生产状况 尽管华北制药采用的溶媒萃取工艺应用了Decanter离心机，使得青霉素的提取工艺得以改善，分离效率也得以大大提高。但其低收率高能耗，迫使人们寻找更好的提取工艺，双水相就是其中之一。自20世纪80年代中期以来，各国学者开展了进一步的研究

工作，各类用于计算生物物质在双水相系统分配系数的模型也时有报道,诸如Baskir晶体吸附模型[1]、Hayne模型、Pitzer模型[2]、Grossman自由体积模型等,但结果均难以令人满意。上世纪80年代末，外国已经开始研究双水相在青霉素萃取中的应用，并且其已经在研究中取得进展，如Yang等用聚乙二醇(PEG)3350/K2HPO4处理青霉素发酵液时, 青霉素G的分配系数可达13~14.5, 收率可达93%一97%, 纯物质的分配系数则更大。[3]同时发酵液中苯乙酸的分配系数为0.25,细胞碎片和固体残渣沉积在相界面和下相底部。可见,只采用一步ATPP就可以将青霉素与杂质得到充分的分离,且此条件下不存在青霉素的降解和乳化现象。这就为其实现工业化提供了可能性。 现在，国外对双水相萃取青霉素技术的研究主要集中在：新型、高效、廉价的双水相体系的开发。如利用低分子有机物与无机盐形成双水相体系、离子型双水相体系、双水相体系与其他技术相结合等来分离提纯青霉素及其他药物。又如，Madhusudhan等已经研究出了采用双水相萃取和沉淀结合的方法从酿酒酵母中分离纯化乙醇脱氢酶[4]；Porto等采用PEG/柠檬酸盐双水相体系从产气荚膜梭状芽胞杆菌发酵液中提取分离蛋白酶[5]。这些双水相体系的引入，必将可以大大降低成本，简化操作流程，提高产品收率，进一步实现工业化的大规模生产。

五、国内目前的状况 我国对双水相的研究起步比欧美国家晚，但是目前我国也已经着手于研究利用双水相技术萃取青霉素并且也取得了瞩目的成就。刘庆芬等建立了由亲水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼和磷酸二氢钠形成的双水相体系萃取青霉素G的新方法。[6]结果表明，离子液体双水相可以有效萃取青霉素，轻相中青霉素萃取率可达

93.7%。离子液体双水相体系的pH值在4～5内，在该条件下萃取过程不发生乳化现象。而朱自强等用8％的PEG2000与20％的(NH4)2SO4组成的双水相系统直接处理青霉素G发酵液，分配系数高达58.39，浓缩倍数为3.53，回收率为93.67％，青霉素G对糖的分离因子和对杂蛋白的分离因子分别为13.36和21.9，比传统的溶媒萃取法大18.86％，而且此工艺中仅用了一次双水相和一次醋酸丁酯萃取。[7]陈玉瑾研究利用双水相萃取法在不复杂的设备, 并在温和条件下进行简单的操作就可获得较高收率和有效成分的新型分离技术，双水相萃取法分离黄酮类化合物的分离分析中取得了较好的效果,有望成为一种新型的黄酮类化合物的分离纯化方法。[8]目前，我国双水相萃取青霉素的研究方向主要集中于寻找廉价的高分子聚合物以及高分子聚合物的回收利用以及双水相体系的理论等方面。

六、调研的目的和意义 传统的提取青霉素的方法与双水相技萃取技术

相比有很多的缺陷与不足，为了提高药物的质量以及活度，降低青霉素的药用副作用，提高青霉素的药用性能，为了有更好的经济效益，降低生产成本，减少环境污染，故而作此调研以便了解双水相萃取技术目前的研究状况，以及将其投入青霉素工业生产的可行性进行分析，使青霉素可以更好的造福于人类，减少青霉素对人体的过敏反应。

七、老工艺的不足和缺陷（新旧对比） 传统发酵法生产青霉素主要采用乙酸丁酯萃取技术对发酵液中的青霉素进行分离纯化。通常，溶剂萃取技术需要被分离物质以分子态的形式存在，然而分子态的青霉素在室温下却很不稳定。因此，需要控制萃取的操作环境，这大大增加了生产成本。在实际生产过程中，醋酸丁酯会破坏青霉素活度，并且有一部分残留在药品中，从而影响人体健康。此外，醋酸丁酯萃取技术在实现分离青霉素的同时，还会引起醋酸丁酯残留在水相当中导致较为严重的环境污染。可见，青霉素的分离、富集和纯化过程是控制生产成本、减少环境污染的重要环节。而采用双水相萃取分离技术来提取青霉素，可以避免类似问题，而且其分离时间短，分离环境含水量高，不会破坏青霉素活性，故而利用双水相萃取法提取青霉素会大大提高青霉素生产中的效益。

八、展望 对于应用溶媒萃取体系提纯青霉素的过程, 工艺上已经相当成熟, 但该方法存在低收率高能耗而且其发展前景几乎已经无路可寻的缺点。因此为了提高青霉素收率, 降低能耗, 以便获得更高的效益，必须对其生产工艺进行改变。双水相萃取技术便是最好的选择之一。然而尽管双水相技术有着许多诱人的优点,但是其所需的高聚物价格昂贵且难以回收重复利用，以及人们对双水相的研究尚不完善等缺点使得它仍然难以应用于工业化的大规模生产。所以，选择价格低廉、容易回收的高聚物将有利于其实现工业化大生产。另外，体系的易乳化问题，导致萃取过程极不稳定，操作十分不方便，条件难以控制。这需要人们进一步研究双水相技术，添加防乳剂、控制萃取条件等来避免乳化的产生。参考文献

[1]Peng Q H,Li Z C,Li Y G.Experimen t s correlation and prediction of prot ein partit ion coef ficient inaqueou s t wo phasesystems containing PEG an d K 2 HPO 4 K H2 PO4[J].Flu id Phase E qu ilibria,1995,107:303~315.

[2]Pitzer K S.Thermodynamics of electrolyt es I Theoreti calbasi s and general equat ions equations[J].PHys Chem.,1973,77:268~277.

[3]Wu-Yung Yang,I-Ming Chu.Extracation of penicillin-G by aqucous two-phase partition[J],Biotechnology Techniques,1990,4,3;191-194

[4]Madhusudhan,KarlstomG,TjerneldF.Macromolecues,1993,26:4478

[5]Porto,T,GierenH,PapeU,RathsHC,Biotechnol.Bioeng,1997, 55:339

[6]刘庆芬,胡雪生,王玉红等.离子液体双水相萃取分离青霉素[J].科学通报,2005,50(08):756-761.

[7]朱自强,关怡新,李勉.双水相系统在抗生素提取和合成中的应用[J].化工学