青霉素的提取工藝

關(guān)于青霉素的提取工藝

青霉素簡介發(fā)現(xiàn)化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)式理化性質(zhì)抗菌作用和臨床應(yīng)用中空纖維更新膜技術(shù)青霉素G的提取實(shí)驗(yàn)發(fā)酵過程的工藝控制青霉素的生產(chǎn)工藝流程發(fā)酵液的預(yù)處理青霉素的提煉工藝過程液膜技術(shù)第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素簡介

青霉素簡介

第3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天簡介青霉素（Penicillin）又被稱為青霉素G、盤尼西林、配尼西林、青霉素鈉、芐青霉素鈉、青霉素鉀、芐青霉素鉀。青霉素是抗菌素的一種，是指從青霉菌培養(yǎng)液中提制的分子中含有青霉烷、能破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁并在細(xì)菌細(xì)胞的繁殖期起殺菌作用的一類抗生素，是第一種能夠治療人類疾病的抗生素。青霉素類抗生素是β-內(nèi)酰胺類中一大類抗生素的總稱。第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素的發(fā)現(xiàn)

青霉素的發(fā)現(xiàn)者是英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明。1928年的一天，弗萊明在他的一間簡陋的實(shí)驗(yàn)室里研究導(dǎo)致人體發(fā)熱的葡萄球菌。由于蓋子沒有蓋好，他發(fā)覺培養(yǎng)細(xì)菌用的瓊脂上附了一層青霉菌。這是從樓上的一位研究青霉菌的學(xué)者的窗口飄落進(jìn)來的。使弗萊明感到驚訝的是，在青霉菌的近旁，葡萄球菌忽然不見了。這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)深深吸引了他，他設(shè)法培養(yǎng)這種霉菌進(jìn)行多次試驗(yàn)，證明青霉素可以在幾小時(shí)內(nèi)將葡萄球菌全部殺死。弗萊明據(jù)此發(fā)明了葡萄球菌的克星—青霉素。

第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)青霉素類包括天然青霉素和半合成青霉素。本類基本結(jié)構(gòu)均含有母核-6-氨基青霉烷酸（6-APA）和側(cè)鏈（CO-R）。母核由噻脞環(huán)（A）和β-內(nèi)酰胺環(huán)（B）拼合而成，為抗菌活性重要部分，β-內(nèi)酰胺環(huán)破壞后抗菌活性消失。側(cè)鏈則主要與抗菌譜，耐酸，耐酶等藥理特性有關(guān)。青霉素分子結(jié)構(gòu)球棍模型第6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)式青霉素化學(xué)本質(zhì)：鹽酸巴氨西林。其化學(xué)名為1-乙氧甲酰乙氧6-〔D(-)-2-氨基-2-乙酰氨基〕青霉烷酸鹽酸鹽。分子式：C16H18N3O4S·HCl分子量：384.5青霉素它不能耐受耐藥菌株(如耐藥金葡)所產(chǎn)生的酶，易被其破壞，且其抗菌譜較窄，主要對革蘭氏陽性菌有效。青霉素G有鉀鹽、鈉鹽之分，鉀鹽不僅不能直接靜注，靜脈滴注時(shí)，也要仔細(xì)計(jì)算鉀離子量，以免注入人體形成高血鉀而抑制心臟功能，造成死亡。第7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天抗菌作用和臨床應(yīng)用

青霉素作為第一個(gè)應(yīng)用于臨床的β-內(nèi)酰類抗生素，至今己有近70年的歷史。他是通過干擾細(xì)菌細(xì)胞壁的形成達(dá)到抗菌作用。臨床主要用于治療有革蘭氏陽性菌引起的疾病，如腦膜炎，肺炎等。青霉素還是合成青霉素類及頭孢類抗生素的重要中間體和原料。但每次使用青霉素前必須做皮試，以防過敏。

第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素理化性質(zhì)1.不耐熱，一般保存于冰箱中，但青霉素鹽的結(jié)晶純品，在干燥條件下可于室溫保存數(shù)年。2.水溶液不穩(wěn)定，20萬u/ml水溶液于30℃放置24h效價(jià)下降56%。3.肌肉注射吸收快而安全4.作用快,維持時(shí)間短

第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天新型提取技術(shù)：中空纖維更新液膜

2004年張衛(wèi)東等將中空纖維包容膜技術(shù)與纖維膜萃取器技術(shù)結(jié)合起來，提出新型的”中空纖維更新液膜“。采用中空纖維更新液膜實(shí)現(xiàn)了從發(fā)酵濾液中同步分離和富集青霉素的新型提取工藝。與現(xiàn)行的醋酸丁酯溶劑萃取工藝相比，萃取和反萃取在同一設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，省去了冷卻和溶劑的蒸餾回收提純過程，極大的簡化了工藝流程，所需設(shè)備體積小，溶劑消耗量小，后續(xù)處理簡單。新工藝降低了生產(chǎn)能耗，提高了提取效率，降低了生產(chǎn)成本，具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。第10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中空纖維更新液膜原理：

該技術(shù)利用疏水性中空纖維膜與有機(jī)相間的親和力，依靠在管程流體中預(yù)先加入分散的有機(jī)相小液滴與纖維壁面的浸潤性和界面張力，在纖維管內(nèi)側(cè)形成一層極薄的有機(jī)相液膜，利用流體流動(dòng)過程中形成的剪切力，形成了管程流體內(nèi)的有機(jī)相小液滴與所形成的液膜層的更新融合過程，從而極大提高了過程的傳質(zhì)效率，并有效解決了液膜過程缺乏長期穩(wěn)定性的問題。另一方面，中空纖維更新液膜過程采用反應(yīng)萃取機(jī)理代替?zhèn)鹘y(tǒng)溶媒萃取過程中的物理萃取機(jī)理，通過在有機(jī)液膜相中添加流動(dòng)載體DOA（二辛胺）的方式，可極大的提高過程的傳質(zhì)效率，放寬了過程的操作條件，可以在青霉素較穩(wěn)定的pH值(pH5~7)和溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操作，最大程度上避免青霉素的降解損失。第11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素的提取實(shí)驗(yàn)中空纖維更新液膜中空纖維更新液膜實(shí)驗(yàn)采用9.43mg/ml的青霉素溶液，用磷酸鹽緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值到5.0，料液相總體積為500ml。有機(jī)相采用22%的TBP-3%異辛醇-煤油，總體積用量為30ml，反萃相用0.1mol/l的Na2co3溶液用10%的硫酸調(diào)節(jié)PH到7.01，總體積為200ml，青霉素G通過蠕動(dòng)泵流經(jīng)中空纖維膜器的殼程有機(jī)相和反萃相的混合液經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌虾罅鹘?jīng)中空纖維膜器的管程，兩側(cè)流體采用循環(huán)逆流操作，操作溫度為室溫18?C第12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中空纖維更新液膜提取工藝流程圖：采用中空纖維更新液膜實(shí)現(xiàn)了從發(fā)酵濾液中同步分離和富集青霉素的新型提取工藝以碳酸鉀溶液作為接收相，DOA（二辛胺）+異辛醇+煤油作為有機(jī)相，在常溫條件下提取模擬發(fā)酵濾液中的青霉素第13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天如圖所示，采用中空纖維更新液膜技術(shù)提取青霉素G，由于中空纖維更新液膜的傳質(zhì)強(qiáng)化作用，可在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到90min時(shí)實(shí)現(xiàn)液膜過程的逆濃度梯度傳遞，傳質(zhì)速率較快，實(shí)驗(yàn)結(jié)果所用時(shí)間較長是為了避免殼程非理想流動(dòng)等情況的影響，所用膜器的尺寸較小，填裝因子較低，傳質(zhì)面積較小，僅為5.48?10?2m2，若采用長1m，內(nèi)徑0.1m的商用中空纖維膜器，傳質(zhì)面積可高達(dá)60m2，則可極大地提高處理速率。第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素的生產(chǎn)工藝流程菌種孢子制備（包括罐內(nèi)）種子制備發(fā)酵發(fā)酵液預(yù)處理提取及精制成品檢驗(yàn)成品包裝

青霉是生產(chǎn)青霉素的重要菌種，且目前發(fā)現(xiàn)的幾百種，其中產(chǎn)黃霉素，點(diǎn)霉素等都能產(chǎn)生大量的青霉素。菌種選育方法：菌種自然選育，誘變育種，雜交育種，原生質(zhì)體融合第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天發(fā)酵過程的工藝控制：

第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

生產(chǎn)原理：

第19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天發(fā)酵液的預(yù)處理

發(fā)酵液中的雜質(zhì)很多，其中對提取影響最大的高價(jià)無機(jī)離子（鈣，鎂，鐵離子等）和蛋白質(zhì)。因此要先除雜。1.單級(jí)萃?。喊ㄒ粋€(gè)混合器和一個(gè)分離器。料液F和溶劑S加入混合器中經(jīng)接觸達(dá)到平衡后，用來分離得到的萃取液F和萃余液R。2.多級(jí)錯(cuò)流萃?。毫弦航?jīng)萃取后，萃余液在于新鮮萃取劑接觸，在進(jìn)行萃取。此方法萃取較完全。3.多級(jí)逆流萃取：在第一級(jí)中加入料液，并逐漸向下一級(jí)移動(dòng)，而在最后一級(jí)中加入萃取液，并逐級(jí)向前一級(jí)移動(dòng)。第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素的提煉工藝過程過濾萃取洗滌共沸結(jié)晶過濾干燥成品反萃取青霉素提純工藝流程簡圖：第21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天醋酸丁酯萃取工藝流程圖在青霉素提取工藝中，應(yīng)用最廣泛的是溶劑萃取法，工藝流程圖見圖1。大多采用醋酸丁酯為萃取劑，以D925m為破乳劑，以10%H2SO4調(diào)節(jié)濾液的pH值，料液pH值為1.8~2.2，相比為1/2~1/2.5，溫度5℃[14]，反萃取過程采用碳酸氫鉀或碳酸鉀水溶液為反萃取劑第22頁,共30頁，2024年2月25日，星期天液膜技術(shù)1.液膜技術(shù)將萃取和反萃過程耦合起來，具有非平衡傳質(zhì)的特點(diǎn)，并可利用其載體促進(jìn)遷移的傳質(zhì)機(jī)理，具有傳質(zhì)推動(dòng)力大、試劑消耗量少、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低能耗，減少環(huán)境污染，現(xiàn)已成為傳質(zhì)與分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，雖然如支撐液膜、乳化液膜等技術(shù)在青霉素提取中已有一定的研究。2.典型的液膜技術(shù)：⑴萃反串級(jí)技術(shù)；（2）乳化液膜技術(shù)（3）支撐液膜；（4）其他新型液膜技術(shù)包括流動(dòng)液膜技術(shù)，液體薄膜滲透萃取技術(shù)，中空纖維包容液膜技術(shù)等等。3.優(yōu)點(diǎn)：（1）傳質(zhì)催動(dòng)力大，所需分離級(jí)數(shù)少；（2）溶劑相用量很少，是得一些昂貴的萃取劑也得以應(yīng)用；（3）可以實(shí)現(xiàn)”逆濃度梯度傳遞“。第23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天醋酸丁酯溶媒萃取工藝與中空纖維更新液膜提取工藝比較

新、舊2種提取工藝物料衡算比較（以日處理360t發(fā)酵液為基準(zhǔn)）原料/產(chǎn)物舊工藝用量/產(chǎn)量（t）新工藝用量/產(chǎn)量（t）發(fā)酵液360.0360萃取劑損失量13.1~16.3（醋酸丁酯）7.0（7%DOA+30%異辛醇+煤油）反萃液36.0140.0（0.5M碳酸鉀溶液）提取過程中洗滌用水36.00.0青霉素G9.810.4第24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中空纖維更新液膜提取工藝經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)優(yōu)點(diǎn)：(1)提取效率高、產(chǎn)量大：新工藝提取青霉素G總收率約為

80%。(2)萃取劑損失量較少：新工藝中采用的混合萃取劑均微溶于水，其損失量小于發(fā)酵濾液量的1.0%。(3)后續(xù)處理簡單：新工藝所采用萃取劑（7%DOA+30%異辛醇+煤油）中的3種物質(zhì)均微溶于水，完成提取過程后，只需經(jīng)過簡單的分相處理即可重復(fù)利用。(4)過程能耗低：可在常溫條件下操作，可極大減少能量消耗。且不需要對循環(huán)使用的萃取劑進(jìn)行蒸餾提純以及對萃余液中的溶劑進(jìn)行蒸餾回收過程，故能耗大大降低。

第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中空纖維更新膜技術(shù)的應(yīng)用舉例：1.利用中空纖維更新液膜處理含鉻銅鈷廢水；2.中空纖維更新液膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)同級(jí)萃取-反萃的方法；3.中空纖維更新液膜在己內(nèi)酰胺精制中的應(yīng)用；4.利用中空纖維更新液膜技術(shù)從稀溶液中提取檸檬酸等等。缺點(diǎn)：中空纖維膜器使用壽命有限、清洗較困難，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致設(shè)備投資增大。第26頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中空纖維超濾膜4寸中空纖維超濾膜型號(hào)U中空纖維超濾膜第27頁,共30頁，2024年2月25日，星期天青霉素——生產(chǎn)車間第28頁,共30頁，2024年2月25日，星期天參考文獻(xiàn)：[1]江濱、李桂東、韓濤《發(fā)現(xiàn)與發(fā)展——造福人類的青霉素》《醫(yī)藥歷史》2000年[2]吳金川，何志敏，姚轉(zhuǎn)義.反膠團(tuán)酶反應(yīng)-膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程，1999,27（2）：27~30[3]侯太平，劉世貴.膜技術(shù)對肉毒發(fā)酵液純化重視應(yīng)用研究[J].膜科學(xué)和技術(shù)，1996,16（4）：13~16[4]MaheshV,