結(jié)晶及其在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、結(jié)晶及其在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用（濟(jì)寧化工設(shè)計(jì)院）概述結(jié)晶和重結(jié)晶都是制備純物質(zhì)的有效方法。通常只有同類分子或 離子才能有規(guī)律的排列成晶體，所以結(jié)晶過(guò)程有很好的選擇性。通過(guò)結(jié)晶，溶液中的大部分雜質(zhì)會(huì)留在母液中，再經(jīng)過(guò)濾、洗滌等就可以得到純度高的晶體。許多抗生素、維生由于結(jié)晶過(guò)程成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，所以在生物合成產(chǎn)品的精制中就用得很廣泛。結(jié)晶的基本原理結(jié)晶是指溶質(zhì)自動(dòng)從過(guò)飽和溶液中析出形成新相的過(guò)程。這一過(guò)程不公包括溶質(zhì)分子凝聚成固體，并包括這些分子有規(guī)律地排列在一定的晶格中，這種有規(guī)律的排列與表面分子化學(xué)鍵力的變化有關(guān)，因此結(jié)晶過(guò)程也是一個(gè)表面化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。當(dāng)溶液的濃度等于溶質(zhì)的溶解度時(shí)，

2、該溶液成為飽和溶液，溶質(zhì)的濃度超過(guò)溶解度時(shí)的溶液則稱為過(guò)飽和溶液，溶質(zhì)只有在過(guò)飽和溶液中才有可能析出。眾所周知，溶解度與溫度有關(guān)，一般物質(zhì)的溶解度隨溫度升高而增大，也有不少數(shù)例，如紅霉素的溶解度反而隨溫度的升高而降低。溶解度與溫度的關(guān)系，可以用飽和曲線和過(guò)飽和曲線來(lái)表示，參見(jiàn)圖1.圖中S-S線為飽和溶解度曲線，在此曲線以下的區(qū)域?yàn)椴伙柡蛥^(qū)，成為穩(wěn)定區(qū)。T-T線為過(guò)飽和溶解度曲線，在此曲線以上區(qū)域成為不穩(wěn)定區(qū)。而介于S-S線和T-T線之間的區(qū)域成為亞穩(wěn)區(qū)。在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的任一點(diǎn)溶液都是穩(wěn)定的，不管采用什么措施都不會(huì)有結(jié)晶析出。在亞穩(wěn)區(qū)內(nèi)的任一點(diǎn)，若不采取措施，溶液也可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，若加入品種，溶

3、質(zhì)就會(huì)在晶種上長(zhǎng)大，溶液的濃度隨之下降到S-S線。亞穩(wěn)區(qū)中各部分的穩(wěn)定性并不一樣，接近S-S線的區(qū)域較穩(wěn)定，而接近T-T線的區(qū)域極易受刺激而結(jié)晶。因此有人提出將亞穩(wěn)區(qū)再一分為二，上半部為刺激結(jié)晶區(qū)，下半部為養(yǎng)晶區(qū)。在不穩(wěn)區(qū)內(nèi)的任一點(diǎn)溶液都能立即自發(fā)結(jié)晶，在溫度不變時(shí)溶液濃度會(huì)自動(dòng)將至S-S線。因此，溶液需要在亞穩(wěn)區(qū)或不穩(wěn)區(qū)才能結(jié)晶。在不穩(wěn)區(qū)結(jié)晶生長(zhǎng)很快，來(lái)不及長(zhǎng)大，濃度即將至飽和溶解度，易形成大量細(xì)小的晶體，這是工業(yè)結(jié)晶不希望的。為了得到顆粒較大而又整齊的晶體，通常需加入晶種并把溶液濃度控制在亞穩(wěn)區(qū)的養(yǎng)晶區(qū)內(nèi)，讓晶體慢慢長(zhǎng)大，因?yàn)樵陴B(yǎng)晶區(qū)內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生晶核的可能性很小。晶體的產(chǎn)生雖取決于固體物質(zhì)與

4、溶液之間的平衡關(guān)系。若溶液未達(dá)到飽和，則固體溶解；如果溶液飽和，則固體與飽和溶液處于平衡狀態(tài)，其溶解速度等于沉淀速度。只有當(dāng)溶液濃度超過(guò)飽和濃度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，才有可能析出結(jié)晶，因此過(guò)飽和度是結(jié)晶過(guò)程的推動(dòng)力和首要條件。結(jié)晶的步驟結(jié)晶是從均一的溶液中析出固相晶體的過(guò)程，通常包含三個(gè)步驟：即過(guò)飽和溶液的形成，晶核的生成與晶體的成長(zhǎng)。1、 過(guò)飽和溶液的形成上以述及結(jié)晶的首要條件是溶液要過(guò)飽和，制備過(guò)飽和溶液的方法一般有以下4種。（1） 、冷卻結(jié)晶：這是最簡(jiǎn)便而常用的結(jié)晶方法，使溶液冷卻降溫成為過(guò)飽和溶液而析出結(jié)晶。例如制霉菌素的濃縮液，將其在5條件下冷卻4-6h，即能結(jié)晶完全，析出晶體。此法一般適用

5、于溶解度隨溫度的降低而顯著下降的物質(zhì)。（2） 、蒸發(fā)結(jié)晶：在常壓或減壓下加熱蒸發(fā)，除去部分溶劑，使溶液達(dá)到過(guò)飽和而析出結(jié)晶。為了避免產(chǎn)物在高溫下易破壞，生物合成藥物一般多采用減壓蒸發(fā)。例如赤霉素的乙酸提取液在減壓下濃縮，除去溶劑后即有結(jié)晶析出。（3） 、鹽析結(jié)晶：在溶液中添加某些物質(zhì)，從而使溶質(zhì)在溶劑中的溶解度降低而析出。加入的物質(zhì)既可以是固體，也可以是液體。常用的有氯化鈉、硫酸銨等鹽類和甲醇、乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑。例如在巴龍霉素硫酸鹽的濃縮中加入10-12倍體積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的乙醇，即可得硫酸巴龍霉素的結(jié)晶。（4） 、化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶：調(diào)節(jié)溶液的pH值或加入反應(yīng)劑，生成溶解度更小的新物質(zhì)，使

6、其濃度超過(guò)它的溶解度而析出結(jié)晶。氨基酸等一些兩性化合物，常利用它們?cè)诘入婞c(diǎn)時(shí)溶解度最小的原理，只需調(diào)節(jié)溶液的pH值就可獲得結(jié)晶。如6-氨基青霉烷酸（6-APA）的鈉鹽水溶解度，用鹽酸調(diào)節(jié)至pH3.8-4.1（等電點(diǎn)附近）時(shí)，即可從水溶液中結(jié)晶出來(lái)。許多抗生素也常加入某些成鹽劑（反應(yīng)劑），使生成難溶性鹽或復(fù)鹽的形式從溶液中析出結(jié)晶。例如在濃度為10-20萬(wàn)單位/mL的青霉素鉀鹽的水溶液中加入鹽酸普魯卡因溶液，即可制得普魯卡因青霉素結(jié)晶。又如在紅霉素乙酸丁酯提取中加入硫氰酸鈉溶液，并調(diào)節(jié)溶液pH值為5左右，即生長(zhǎng)紅霉素硫氰酸鹽結(jié)晶。上述方法在工業(yè)生產(chǎn)上可單獨(dú)使用，也可結(jié)合起來(lái)使用，以強(qiáng)化過(guò)飽和度而

7、獲得較多的結(jié)晶。此外，在抗生素工業(yè)生產(chǎn)中還采用共沸蒸餾結(jié)晶法來(lái)制取青霉素鈉（鉀）鹽。例如在高濃度的青霉素鈉鹽萃取液中，加入能和水形成共沸的正丁醇，在減壓條件下進(jìn)行共沸蒸餾，使青霉素鈉鹽結(jié)晶析出。由于共沸點(diǎn)的溫度較低，水分的蒸發(fā)可在較溫和的條件下進(jìn)行，因而減少了青霉素的破壞損失，不但結(jié)晶收率高，而且晶體粗大疏松，容易過(guò)濾，便于洗滌，提高了成品質(zhì)量。2、 晶核的生成晶核的形成是一個(gè)新相產(chǎn)生的過(guò)程，需要消耗一定的能量。在溶液中分子的能量或速度具有統(tǒng)計(jì)分布的性質(zhì)，在過(guò)程和溶液中也是如此。當(dāng)能量在某一瞬間、某一區(qū)域由于布朗運(yùn)動(dòng)暫時(shí)達(dá)到較高值時(shí)會(huì)析出微笑的顆粒，即結(jié)晶中心成為晶核。晶核不斷生成并繼續(xù)成長(zhǎng)為

8、晶體。一般自動(dòng)成核的機(jī)會(huì)較少，常需要借助外來(lái)因素促進(jìn)生長(zhǎng)晶核，如機(jī)械振動(dòng)、攪拌等。晶核生長(zhǎng)的速度與過(guò)飽和度及溫度有關(guān)，在一定溫度下成核速度隨過(guò)飽和度的增加而加快，但當(dāng)超過(guò)某一值時(shí)，反而會(huì)使溶液的分子運(yùn)動(dòng)減慢，粘度增加，成核也收到阻礙，在過(guò)飽和度不變的情況下，溫度升高，成核速度也會(huì)加快。但溫度對(duì)過(guò)飽和度的相互消長(zhǎng)成都來(lái)決定。實(shí)際情況是成核速度開(kāi)始隨溫度升高而升高，達(dá)最大值后，溫度繼續(xù)升高，成核速度反而降低。在工業(yè)生產(chǎn)上，結(jié)晶過(guò)程要求有適當(dāng)?shù)某珊怂俣龋珊怂俣冗^(guò)快，必將導(dǎo)致生成細(xì)小的晶體，影響產(chǎn)品質(zhì)量。3、 晶體的形成在飽和溶液中，晶體一經(jīng)形成，立即開(kāi)始長(zhǎng)成晶體，同時(shí)還在不斷的生成新的晶核，因此，

9、所得到晶體的大小，決定于晶核生成速度與晶體成長(zhǎng)速度兩者的對(duì)比關(guān)系。若晶體成長(zhǎng)速度大大超過(guò)晶核生成速度，過(guò)飽和度主要用來(lái)是晶體成長(zhǎng)，則可得到粗大而有規(guī)則的晶體；反之過(guò)飽和度主要用來(lái)生成新的晶核，則所得到的晶體顆粒參差不齊，晶體細(xì)小，甚至呈無(wú)定形。在工業(yè)生產(chǎn)中通常都希望得到顆粒粗大而均勻的晶體，可以使后續(xù)的過(guò)濾、洗滌和干燥操作比較方便，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也可以提高。影響晶體大小的因素主要有溶液的過(guò)飽和度、溫度、攪拌速度等。一般來(lái)說(shuō)過(guò)飽和度增加，所得晶體細(xì)小。溫度的影響比較復(fù)雜，當(dāng)溶液快速冷卻時(shí)，達(dá)到過(guò)飽和度較高，所得晶體較細(xì)，而緩慢冷卻常得到粗大顆粒。攪拌能促使成核加速擴(kuò)散，提高晶核成長(zhǎng)的速度，但超過(guò)一

10、定的范圍后，效果就不顯著。相反攪拌越快，晶體越細(xì)。若要獲得比較粗大和均勻的晶體，一般溫度不宜太低，攪拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度，應(yīng)小于晶體成長(zhǎng)速度。做好將溶液控制在亞穩(wěn)內(nèi)結(jié)晶，使其在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不斷成為晶體。此外，加入晶種也能控制晶體的形狀、大小和均勻度。但首先晶種應(yīng)有一定的形狀、大小且比較均勻。加入晶種還可以降低溶液的過(guò)飽和度，誘導(dǎo)結(jié)晶，提前生成晶核。所以在工業(yè)生產(chǎn)中如遇到結(jié)晶液濃度較低而結(jié)晶發(fā)生困難時(shí)，可加入適量晶種，促使結(jié)晶順利地進(jìn)行。多糖、蛋白質(zhì)、酶和核酸等生物高分子物質(zhì)，由于分子量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易定向聚集，比一般小分子物質(zhì)較難形成結(jié)晶，

11、長(zhǎng)需加晶種誘導(dǎo)，且所需的時(shí)間和能量業(yè)較多。4、重結(jié)晶重結(jié)晶就是將晶體用合適的溶劑溶解后再結(jié)晶，以提高純度。雖然從理論上說(shuō)通過(guò)結(jié)晶可以得到純的產(chǎn)物，單實(shí)際上，通過(guò)一次結(jié)晶得到的產(chǎn)品總含有一下雜質(zhì)。只是因?yàn)橐恍┤芙舛扰c產(chǎn)品相近的雜質(zhì)也會(huì)部分的結(jié)晶下來(lái)。有些雜質(zhì)還會(huì)被結(jié)合到產(chǎn)品結(jié)晶的晶格中去，或因洗滌不完全，不能除去結(jié)晶夾雜的母液，是晶體沾染了雜質(zhì)。因此需要重結(jié)晶來(lái)進(jìn)一步提高產(chǎn)品的純度。重結(jié)晶的關(guān)鍵是選擇合適的溶劑。用于重結(jié)晶的溶劑一般應(yīng)具備下列條件：（1） 對(duì)需重結(jié)晶的產(chǎn)物有一定的溶解度，但不宜過(guò)大，當(dāng)外界條件改變時(shí)其溶解度明顯減少；（2） 對(duì)色素、降解產(chǎn)物等雜質(zhì)有較好的溶解度；（3） 無(wú)毒或低毒

12、，沸點(diǎn)低便于回收套用。常用于重結(jié)晶的溶劑油蒸餾水、丙酮、甲醇、等低級(jí)醇、石油醚、乙酸乙酯等。若該產(chǎn)物結(jié)晶溶于某一種溶劑二難于溶于另一種溶劑，且該兩種溶劑能互溶，則可以用兩者的混合溶劑來(lái)重結(jié)晶。重結(jié)晶的操作方法是該產(chǎn)物先溶于溶解度較大的溶劑中，然后緩慢加入第二種溶劑稍呈渾濁，即結(jié)晶剛開(kāi)始為止，冷卻放置一段時(shí)間，便結(jié)晶完全。例如將維生素B12粗品結(jié)晶溶解于少量的蒸溜水中，濾去不溶雜質(zhì)，然后加入水溶液體積810倍的丙酮至呈現(xiàn)渾濁為止，冷卻靜置兩天，可得純度較高的產(chǎn)品。又如工業(yè)生產(chǎn)上為了提高紅霉素粗堿的純度，可以將紅霉素粗堿溶于1:7的丙酮中，經(jīng)過(guò)濾后，加入紅霉素丙酮濾液體積的1.52倍的蒸溜水，在溫

13、室下靜置過(guò)夜，即可制得紅霉素精制品。通過(guò)重結(jié)晶紅霉素的效價(jià)一般可提高10%；（4） 我國(guó)對(duì)結(jié)晶設(shè)備的研究及在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用晶體的成長(zhǎng)就像一個(gè)嬰兒，從胚胎到嬰兒需要有一個(gè)良好的母體環(huán)境才能健康成長(zhǎng)。他的母體就具有一定的流體力學(xué)環(huán)境的結(jié)晶器。因此晶體設(shè)備可根據(jù)結(jié)晶方法及操作大致分為兩類，一是類似蒸發(fā)的設(shè)備，用于將溶液濃縮獲得結(jié)晶的場(chǎng)合；二是類試反應(yīng)器的設(shè)備，適用于其他方法獲得結(jié)晶的場(chǎng)合。由于結(jié)晶過(guò)程中，一般均需改變?nèi)芤旱臏囟?，故結(jié)晶設(shè)備均附有熱交換裝置，同時(shí)一般還附有機(jī)械攪拌或泵，以使溶液流動(dòng)，也使晶體能懸浮在溶液中而獲得大小均勻的晶體。從操作方法上看，結(jié)晶設(shè)備有間歇和連續(xù)兩種。由于結(jié)晶操作的質(zhì)

14、量直接影響成品產(chǎn)量，用于抗生素的結(jié)晶操作的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，用于抗生素的結(jié)晶設(shè)備一般為不銹鋼玻璃設(shè)備，內(nèi)壁要求十分光滑，使晶體不易粘壁，并易于清洗或滅菌?？股厣a(chǎn)中最常用的結(jié)晶設(shè)備是帶攪拌的結(jié)晶罐，罐體上附有夾套，以便根據(jù)工藝需要改變罐內(nèi)溫度。在制備晶核或需要獲得微粒晶體時(shí)，常采用高轉(zhuǎn)速（1000-3000r/min），在一般結(jié)晶過(guò)程，則采用低轉(zhuǎn)速（50-500r/min）。連續(xù)結(jié)晶一般采用多臺(tái)設(shè)備串聯(lián)的流程。在青霉素鉀鹽的結(jié)晶過(guò)程中，為了獲得長(zhǎng)針形的純度較高的晶體，采用共沸結(jié)晶的方法。青霉素鉀鹽在乙酸丁酯中的溶解度很小，但在水中的溶解度很大，因此要求在結(jié)晶過(guò)程中盡量將乙酯中夾帶的水分除

15、去。利用乙酸丁酯和水能形成共沸物的特性，可以在真空下將其共沸物蒸出，以減少丁酯中的水分而利于結(jié)晶。為了增加結(jié)晶的時(shí)間，使丁酯中的水分逐漸較少，以獲得晶形較大的晶體，故在丁酯中故意加入適量的水。如在生產(chǎn)中可往丁酯內(nèi)加入2%-2.5%的水，將其放在結(jié)晶罐中，然后在96kPa的真空下，加入20%的醋酸甲乙醇溶液，邊加邊加熱，在25左右時(shí)首先是丁醇-水共沸物蒸出（丁醇時(shí)乙酸丁酯中的雜質(zhì)），在30左右時(shí)蒸出丁醇-丁酯-水的三元共沸物，在35左右蒸出的是丁酯-水的共沸物，最后溫度升至38-40，丁酯中的水分可降至0.6%左右。隨著水分不斷去除，結(jié)晶過(guò)程逐步完成。在共沸結(jié)晶中除了結(jié)晶罐外，還要附有冷凝器，冷

16、凝液接受罐和真空泵等設(shè)備。但過(guò)去生產(chǎn)的青霉素，使用的是一種老式尖底結(jié)晶罐，罐內(nèi)有死區(qū)，最終產(chǎn)品的結(jié)晶度底，純度也不高；而現(xiàn)在生產(chǎn)的青霉素，晶形完美，純度高。新型結(jié)晶器為W型底，是帶有導(dǎo)流筒及特殊攪拌槳的精餾結(jié)晶器，它提供了一個(gè)均勻有序的流動(dòng)環(huán)境，保證了晶體在自由環(huán)境下長(zhǎng)大。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助控制，可以調(diào)整操作參數(shù)，生產(chǎn)出完美晶形的產(chǎn)品。新型結(jié)晶技術(shù)的使用，使青霉素產(chǎn)品的藥效顯著提高，可使單次投料增加5%的效率，青霉素G鉀鹽結(jié)晶的收率達(dá)到93%，青霉素G鉀鹽的結(jié)晶收率達(dá)到92%，質(zhì)量可達(dá)到當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平，可提高結(jié)晶器容時(shí)生產(chǎn)能力30%以上，并可大幅度降低結(jié)晶過(guò)程的溶劑消耗，降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)固了我國(guó)青霉素在國(guó)際市