Выделение и очистка продуктов биотехнологии (стр. 17 )

На практике чаще всего применяют сочетание охлаждения и испарения. Такой процесс на рис. 21 представлен линией АВ"С".

Кристаллизация и растворение. Обычно процессы кристаллизации и растворения считают равновеликими и взаимносвязанными, и если бы они были по природе диффузионными, то тогда скорость кристаллизации должна равняться скорости растворения при данной температуре и при одинаковых движущих силах, т. е. при одинаковых отклонениях от равновесных насыщенных состояний; все грани кристалла должны расти и растворяться с одинаковой скоростью. Такие условия редко достигаются на практике. Кристаллы обычно растворяются быстрее, чем растут, и различные грани обычно растут или растворяются с различными скоростями, хотя это не всегда наблюдается. Некоторые авторы считают, что кристаллы растворяются быстрее, так как открытые твердые поверхности неодинаковы в каждом случае. Когда кристалл растет, грани его плоские, а когда он растворяется, грани его обычно испещрены ямками, что приводит к увеличению площади контакта между твердой и жидкой фазами. Растворимость кристаллов зависит от их размеров. Растворимость весьма малых кристаллов значительно повышается, и при слишком малых размерах кристаллов мелкие кристаллы будут исчезать из системы, а крупные расти (рис. 22). Это явление вызывает некоторые затруднения в начальной фазе кристаллизации. Первые кристаллы (зародыши) не могут образовываться из-за весьма малых размеров, имеют высокую растворимость. Величина кристаллов зависит от поверхностного натяжения раствора, которое может изменяться в зависимости от содержания присутствующих примесей. Чем больше поверхностное натяжение, тем сильнее его действие в направлении уменьшения общей межфазной поверхности на границе твердое вещество - жидкость. Это условие ведет к образованию кристаллов больших размеров, так как их удельная поверхность (на единицу веса) меньше удельной поверхности мелких кристаллов.

Следует заметить, что крупные кристаллы не могут обладать большой чистотой, вследствие агломерации содержат включения маточного раствора, в то время как мелкие кристаллы отличаются однородностью, но большая поверхность затрудняет их промывку.

Рост кристаллов. Как только в пересыщенной или переохлажденной системе образовались устойчивые зародыши, т. е. частицы больше критического размера, они начинают расти, превращаясь в кристаллы видимого размера. Рост кристаллов зависит от очень многих причин. Остановимся на некоторых из них.

Кривые образования зародышей кристаллизации напоминают по форме кривую, показанную на рис. 23. Целый ряд таких кривых для многих систем был получен Таmmаnn. Для всех изученных систем было установлено, что оптимальная температура зарождения центров кристаллизации была гораздо ниже той, которая требовалась для максимального роста кристаллов. При температуре ниже оптимальной вязкость увеличивалась до такой величины, которая препятствовала кристаллизации, в то время как выше оптимальной температуры зарождению центров кристаллизации препятствует интенсивное молекулярное движение жидкости.

Влияние перемешивания. Скорость роста кристаллов при данной температуре в постоянных условиях пересыщения может значительно изменяться при перемешивании жидкости или вращении кристалла относительно жидкости. Скорость роста значительно увеличивается на первых стадиях, но вскоре достигаются такие условия, когда дальнейшее перемешивание не оказывает никакого влияния (рис. 24). Из целого ряда подобных исследований был сделан вывод, что диффузия не является единственным и наиболее важным фактором, который следует рассматривать при изучении процесса кристаллизации. Следует также отметить, что в кристаллизаторе, в котором кристаллы поддерживаются во взвешенном состоянии путем перемешивания, большие кристаллы будут расти быстрее, чем маленькие, так как для первых окажутся благоприятными более высокие относительные скорости реакции между твердым веществом и раствором.

Форма кристаллов. Форма кристаллов зависит от очень многих факторов: например, свойства растворителя, рН раствора, наличия примесей, степени пересыщения или переохлаждения, скорости охлаждения, температуры кристаллизации, интенсивности перемешивания и т. д. Быстрое охлаждение раствора часто вызывает предпочтительный рост кристалла в одном направлении, что приводит к образованию иголок.

Наиболее частым случаем, вероятно, следует считать изменение формы кристалла в присутствии примесей в кристаллизирующемся растворе. Изменение формы под влиянием примесей представляет собой, в сущности, поверхностное явление: молекулы примесей или ионы притягиваются к различным граням кристалла и поглощаются на поверхности физически или химически. Это явление уменьшает площадь, пригодную для зарождения центров кристаллизации на поверхности для осаждения растворенного вещества, и рост на той грани замедляется.

Кристаллизация тетрациклинов. Наличие в молекуле антибиотиков тетрациклиновой группы 2 кислых и одной основной группировок делает возможным получение их в виде основания, соли какой-либо кислоты, а способность к комплексообразованию с тяжелыми металлами позволяет осаждать их даже из нативных растворов в виде кальциевых солей. Растворимость этих соединений в воде различна и находится в зависимости от рН водной фазы. Кривые растворимости тетрациклина и окситетрациклина представлены на рис. 25 и 26. Из этих кривых следует, что наименьшую растворимость тетрациклин и окситетрациклин имеют при значениях рН от 4,0 до 7,0. Это свойство антибиотиков тетрациклиновой группы позволяет их осаждать из водных растворов в виде нерастворимых кристаллических соединений. Например, осаждение основания окситетрациклина производят следующим образом. Реэкстракт с предыдущей стадии обрабатывают активированным углем в количестве 1% для удаления остатков экстрагента и пигментных веществ. Уголь отделяют, а к прозрачному фильтрату при перемешивании добавляют 10% раствор едкого натра до получения устойчивого значения рН водной фазы 4,2-4,5. Выпавший кристаллический осадок основания окситетрациклина отфильтровывают от маточника, промывают водой и высушивают в вакууме при 50°.

Высокая гидрофильность хлоргидрата окситетрациклина препятствует выделению его из водных растворов даже больших концентраций. Поэтому для получения кристаллического хлоргидрата окситетрациклина необходимо применять органический растворитель, в частности метиловый спирт.

Из литературных данных известно, что растворимость основания окситетрациклина в метаноле при 20° составляет 7500 ЕД/мл. Известно также, что растворимость основания окситетрациклина в метаноле возрастает в присутствии хлористого кальция. Вероятно, это повышение растворимости основания окситетрациклина в присутствии хлористого кальция можно объяснить способностью антибиотиков тетрациклиновой группы к образованию комплексных соединений с тяжелыми металлами (типа хелатов). Химически это можно представить следующим образом:

Отмечено, что растворимость основания окситетрациклина в метиловом спирте сильно возрастает с увеличением концентрации хлористого кальция. Однако с повышением концентрации окситетрациклина возрастает вязкость раствора, вследствие чего уменьшается скорость его фильтрации и ухудшаются условия кристаллизации. С другой стороны, растворимость гидрохлорида окситетрациклина в кислом метаноле уменьшается с повышением концентрации хлористого кальция. Сопоставление этих данных привело к выводу, что оптимальным условием для получения кристаллического гидрохлорида окситетрациклина является концентрация основания 100000-120000 ЕД/мл в 7-9% растворе хлористого кальция в метаноле. При подкислении такого раствора соляной кислотой происходит быстрая кристаллизация гидрохлорида, растворимость которого в метанольном растворе данного состава минимальна.

Процесс кристаллизации осуществляется следующим образом. Техническое основание окситетрациклина растворяют в 8% метанольном растворе хлористого кальция до получения указанной выше концентрации. К раствору, обработанному активированным углем, при 3-5° прибавляют концентрированную соляную кислоту. Смесь перемешивают в течение 30 мин при этой же температуре, после чего выпавший кристаллический осадок гидрохлорида окситетрациклина отфильтровывают и на фильтре промывают охлажденным метанолом. Осадок сушат в вакууме при 35-38° и получают гидрохлорид окситетрациклина в виде кристаллов лимонно-желтого цвета с активностью 900 ЕД/мг. Аналогичным образом протекает и осуществляется процесс кристаллизации двух представителей антибиотиков тетрациклиновой группы (тетрациклина, хлортетрациклина) с небольшими деталями и изменениями в каждом частном случае.

Следует указать также, что процесс кристаллизации как в случае получения основания, так и в случае получения гидрохлорида окситетрациклина является процессом кристаллизации с химической реакцией.

Кристаллизация пенициллина. Исключительно высокая гидрофильность калиевой и натриевой солей пенициллина не позволяет проводить кристаллизацию их из водных растворов. Кристаллизация калиевой соли пенициллина осуществляется из бутилацетатного экстракта добавлением насыщенного водного раствора ацетата калия. При этом пенициллин, находясь в бутилацетате в виде пенициллиновой кислоты, реагирует с ацетатом калия; в результате химической реакции образуется калиевая соль, которая вследствие малой растворимости в бутилацетате выпадет в осадок. В данном случае кристаллизация протекает с химической реакцией. Выпавшие кристаллы промываются бутанолом для удаления ацетата калия и высушиваются. Натриевая соль пенициллина кристаллизуется методом азеотропной отгонки растворителя. В вакуум-выпарной аппарат к водному раствору пенициллина добавляется бутанол, который с водой образует азеотропную смесь, состоящую из 68 частей бутанола и 32 частей воды. Отгонка азеотропной смеси бутанола с водой производится при 20° и остаточном давлении 10 мм рт. ст., при полном удалении воды из кубового остатка, при охлаждении кристаллизуется Nа-соль пенициллина, которая затем также промывается бутанолом и высушивается.

СУШКА АНТИБИОТИКОВ

Вследствие нестабильности антибиотиков даже в слабо увлажненном состоянии их выпускают в хорошо высушенном состоянии - с остаточной влажностью 0,5-2,0%. В зависимости от агрегатного состояния антибиотика в конце очистки и его стабильности при повышении температуры применяют четыре метода сушки: