Выделение и очистка продуктов биотехнологии (стр. 15 )

Наиболее ярким представителем антибиотиков, где до сих пор успешно применяется экстракционный метод выделения и очистки антибиотиков, является пенициллин. После предварительной обработки культуральной жидкости и отделения осадка она направляется на экстракцию, которая осуществляется с помощью бутилацетата при рН 2; коэффициент распределения при этих условиях может достигать величины 30. Добавляемая при этом серная кислота доводит рН раствора до 2 и этим самым подавляет степень диссоциации пенициллина в водной фазе, превращая его в недиссоциированную пенициллиновую кислоту, которая легко переходит в органическую фазу. Затем бутилацетатный экстракт обрабатывается слабым раствором щелочи и пенициллин в виде соли снова переходит в водную фазу.

Экстракция повторяется еще раз для более полной очистки и концентрирования антибиотика.

Представителем антибиотиков, которые выделяются и очищаются с помощью переносчиков, являются антибиотики тетрациклиновой группы (тетрациклин, окситетрациклин). Наличие в группе этих антибиотиков одной основной и двух кислых групп позволяет использовать в качестве переносчиков этих соединений вещества основного и кислого характера. В качестве кислых переносчиков можно использовать сульфокислоты, фенолы, жирные кислоты, а в качестве жидких анионитов - четвертичные аммониевые основания с длинной углеводородной цепью (С10 - С30).

Схематически химические реакции при этом можно представить следующим образом:

R • СОО-Na+ + окситетрациклин + ↔ РСОО • окситетрациклин+ + Nа+.

R • N??? +Hal - + окситетрациклин - ↔ RN??? окситетрациклин + Hal-.

Проведенные исследования ( и др., 1962) говорят о том, что максимальная степень экстракции (95-97%) достигается при применении 5% цетазола в растворителе, взятом в количестве 15% от объема нативного раствора при рН водной фазы 9,5-10,2. Весьма существенным фактором, определяющим процесс извлечения антибиотика, является длительность контактирования двух жидких фаз. Исследования тех же авторов показали, что при оптимальном значении рН равновесие в системе достигается уже в течение первой минуты перемешивания. Важным моментом является последующая реэкстракция окситетрациклина из органической фазы. Использование для этой цели соляной, фосфорной, лимонной кислот хотя и позволяло получать растворы с концентрацией антибиотика 40 000—50 000 ЕД/мл, но эти растворы имеют интенсивную темную окраску. Реэкстракция окситетрациклина 4-5% раствором щавелевой кислоты позволяет получить растворы с концентрацией антибиотика 35 000-45 000 ЕД/ мл со светлой окраской реэкстракта. Вероятно, это явление можно объяснить различной степенью диссоциации окрашенных примесей и свойством щавелевой кислоты взаимодействовать с ними.

Аппаратура экстракции антибиотиков. Современное производство антибиотиков развивается в условиях усилившегося внедрения нового прогрессивного технологического метода выделения - очистки - ионообменного. В связи с этим в аппаратурном оформлении экстракционного метода особенно актуален рациональный выбор конструкций аппаратов и режима их работы с применением экономических показателей.

В химической промышленности используется много принципов экстракции и типов аппаратов, пригодных для экстракции антибиотиков. Если в прежние годы выбор экстракторов производился интуитивно, то в последнее десятилетие благодаря работам Пратта, и , и выбор экстракторов может быть сделан довольно строго путем рациональной оценки достоинств и недостатков каждого типа экстракторов.

Своеобразие физико-химических свойств антибиотиков - пенициллина, тетрациклина, эритромицина, бацитрацина и их нативных растворов позволяет выбирать лишь исключительно строгие режимы их экстракции.

Описание конструкций экстракторов. Процесс экстракции слагается из двух элементов, проводимых либо в одном, либо в разных аппаратах:

1) эмульгирования одной жидкости в другой и их взаимного движения, при которых происходит экстракция, и

2) разделения жидкостей.

Современные центробежные жидкостные экстракторы непрерывного действия по способу их работы делят на прямоточные и противоточные. В прямоточных экстракторах раствор и экстрагент, подводимые непрерывными потоками, смешиваются в отдельном аппарате смесителе или в смесительном устройстве экстрактора-сепаратора, затем транспортируются к сепаратору или сепараторному барабану экстрактора-сепаратора. В противоточных экстракторах-сепараторах экстрагент и раствор движутся противоточно в роторе аппарата.

При раздельном непрерывном экстрагировании и сепарировании в качестве прямоточных смесителей-экстракторов применяют:

1) аппарат емкостью 10—20 л с мешалкой или центробежный насос;

2) трубчатый экстрактор, известный под названием трубы Питерских, длиной порядка 10 м, в котором создан развитый турбулентный режим движения жидкости;

3) струйный смеситель типа инжектора.

Смеситель с мешалкой наименее эффективен, поскольку, в отличие от двух других экстракторов, длительность пребывания частиц жидкости в нем различна. Кроме того, концентрация антибиотика в растворе из-за работы мешалки выравнивается во всем объеме и не отличается от концентрации удаляемого раствора. Это уменьшает движущую силу процесса ( и ). Для разделения полученных эмульсий применяют тарельчатые сепараторы антибиотических жидкостей САЖ-3М (СССР), снабженные сдвоенными центробежными насосами с напором 1 ат. Производительность сепараторов 2,5 м3/час. За рубежом применяют сепараторы PSBS (ГДР), «Де-Лаваль» (Швеция) и др. При меньших объемах производства используют сверхцентрифуги СГС-100.

Сорбционные процессы. Сорбционные методы выделения и очистки антибиотиков находят самое широкое распространение в промышленности. Они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими методами и поэтому являются исключительно перспективными. Первые сорбционные методы выделения и очистки антибиотиков были основаны на применении молекулярных сорбентов (активированного угля, окиси алюминия и т. д.). Молекулярные сорбенты, такие как активированный уголь, обладают универсальной сорбционной способностью, т. е. одинаково хорошо сорбируют выделяемое вещество и целый ряд других примесей. Исключительно большие возможности синтеза ионообменных сорбентов, сорбентов с различной избирательностью и особенно со специфической избирательностью по отношению к отдельным антибиотикам быстро выдвинули их на первый план.

Молекулярные же сорбенты в настоящее время находят применение на последних стадиях доочистки и удаления пигментных примесей.

Ионообменные сорбенты принадлежат к классу высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых имеют сетчатую или пространственную структуру и в большинстве случаев представляют собой аморфные вещества. Отдельные атомы этих гигантских молекул соединены друг с другом ковалентными связями. Такая структура ионообменных сорбентов и связанное с этим отсутствие растворимости в известной степени нарушают общепринятое представление об электролитах и ионообменных процессах между ними. Диссоциация растворимых в воде кислот или оснований вызывает изменение концентрации водородных ионов. Ионообменные сорбенты также содержат кислотные и основные группы, но их погружение в воду не вызывает изменения в ней концентрации водородных ионов.

Катиониты представляют собой особый класс солей и кислот, которые характеризуются многовалентностью и, обладая громоздкой структурой, практически лишены подвижности. Катион, входящий в состав ионита, подвижен, и только сила электростатического притяжения препятствует ему отделяться в растворитель, поэтому вокруг адсорбента создается ионная атмосфера. Катионы в ионной атмосфере неравноценны по силе их электростатического сцепления с анионом адсорбента, поэтому процесс ионного обмена представляет собою многоступенчатую реакцию.

Ионы водорода или гидроксильные группы ионита свободно диффундируют в фазе сорбента. Вся остальная часть этого нерастворимого электролита, отдельные атомы и группы которого соединены между собою ковалентными связями, лишены подвижности, представляя собой гигантский анион (в случае катионита) или катион (в случае анионита). Таким образом, процесс ионного обмена можно рассматривать как взаимодействие двух электролитов, один из которых (сорбент) содержит практически неподвижный анионный (или катионный) комплекс. Процесс ионного обмена слагается из диффузии ионов растворенного электролита к поверхности зерна сорбента, диффузии ионов растворенного электролита внутрь сорбента, вытеснения подвижного иона из сорбента и диффузии вытесненного подвижного иона из фазы сорбента в раствор.

Классификация сорбентов. Иониты в зависимости от наличия в них ионогенных групп можно разделить на два класса: 1) ионообменные сорбенты, содержащие в своей структуре кислотные группы - катиониты (нерастворимые кислоты); 2) ионообменные сорбенты, содержащие в своей структуре основные группы - аниониты (нерастворимые основания). Разграничение ионитов на кислоты и основания не исключает возможности существования ионитов амфолитов, ионогенные группы которых могут вести себя как кислоты или как основания, в зависимости от рН среды. Существуют также иониты, содержащие одновременно кислотные и основные группы. Все применяемые для сорбции антибиотиков материалы могут быть отнесены к одному из следующих классов: к молекулярным сорбентам, минеральным ионитам или к ионообменным смолам. Среди последних наибольшее значение имеют карбоксильные смолы и сульфокатиониты, а также аниониты различной степени основности.

Самыми распространенными молекулярными сорбентами, применяемыми в производстве антибиотиков, являются активированный уголь и окись алюминия.

Полимерные смоляные сорбенты могут быть синтезированы на основе процессов полимеризации или поликонденсации. Первые из них обычно обладают большей механической прочностью. Тем не менее ряд полимерных сорбентов, полученных путем поликонденсации, также с успехом применяются как в лабораторной практике, так и в промышленности.

Основные требования, предъявляемые к ионитам. Обычно качество ионитов отражают условной оценкой сорбционных свойств ионита (полная емкость сорбента, емкость сорбента при различных рН среды, скорость установления сорбционного равновесия, объем десорбирующего раствора и полнота десорбции); физических свойств ионита в определенных условиях (набухаемость и прочность зерен, теплостойкость и химическая стойкость и т. д.). Весьма желательно, чтобы ионит, применяемый для извлечения ценных ионов из раствора или для очистки того или иного вещества, обладал максимальной емкостью. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы в синтезируемом сорбенте содержалось возможно большее число ионогенных групп на единицу веса, полностью ионизированных в данных конкретных условиях сорбции. Следует при этом помнить, что ионизация оксифенильных групп становится заметной при рН выше 9, ионизация карбоксильных групп при рН выше 5, сульфогруппы полностью ионизированы в кислой среде, амино - и иминогруппы вступают в реакцию ионного обмена в кислой среде, четвертичные аммониевые основания проявляют свойства ионообменного сорбента в нейтральных и даже слабощелочных средах. Иониты, применяемые для хроматографического анализа, должны содержать однотипные кислотные или основные группы. В этом случае легко достигнуть четкого разделения смеси соответствующих антибиотиков или других биологически активных веществ.