结晶及其在医药生产中的应用

结晶及其在医药生产中的应用（济宁化工设计院）概述结晶和重结晶都是制备纯物质的有效方法。通常只有同类分子或离子才能有规律的排列成晶体，所以结晶过程有很好的选择性。通过结晶，溶液中的大部分杂质会留在母液中，再经过滤、洗涤等就可以得到纯度高的晶体。许多抗生素、维生由于结晶过程成本低，设备简单，操作方便，所以在生物合成产品的精制中就用得很广泛。结晶的基本原理结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出形成新相的过程。这一过程不公包括溶质分子凝聚成固体，并包括这些分子有规律地排列在一定的晶格中，这种有规律的排列与表面分子化学键力的变化有关，因此结晶过程也是一个表面化学反应的过程。当溶液的浓度等于溶质的溶解度时，该溶液成为饱和溶液，溶质的浓度超过溶解度时的溶液则称为过饱和溶液，溶质只有在过饱和溶液中才有可能析出。众所周知，溶解度与温度有关，一般物质的溶解度随温度升高而增大，也有不少数例，如红霉素的溶解度反而随温度的升高而降低。溶解度与温度的关系，可以用饱和曲线和过饱和曲线来表示，参见图1.图中S--S线为饱和溶解度曲线，在此曲线以下的区域为不饱和区，成为稳定区。T--T线为过饱和溶解度曲线，在此曲线以上区域成为不稳定区。而介于S--S线和T--T线之间的区域成为亚稳区。在稳定区内的任一点溶液都是稳定的，不管采用什么措施都不会有结晶析出。在亚稳区内的任一点，若不采取措施，溶液也可以长时间保持稳定，若加入品种，溶质就会在晶种上长大，溶液的浓度随之下降到S--S线。亚稳区中各部分的稳定性并不一样，接近S--S线的区域较稳定，而接近T--T线的区域极易受刺激而结晶。因此有人提出将亚稳区再一分为二，上半部为刺激结晶区，下半部为养晶区。在不稳区内的任一点溶液都能立即自发结晶，在温度不变时溶液浓度会自动将至S--S线。因此，溶液需要在亚稳区或不稳区才能结晶。在不稳区结晶生长很快，来不及长大，浓度即将至饱和溶解度，易形成大量细小的晶体，这是工业结晶不希望的。为了得到颗粒较大而又整齐的晶体，通常需加入晶种并把溶液浓度控制在亚稳区的养晶区内，让晶体慢慢长大，因为在养晶区内自发产生晶核的可能性很小。晶体的产生虽取决于固体物质与溶液之间的平衡关系。若溶液未达到饱和，则固体溶解；如果溶液饱和，则固体与饱和溶液处于平衡状态，其溶解速度等于沉淀速度。只有当溶液浓度超过饱和浓度达到过饱和时，才有可能析出结晶，因此过饱和度是结晶过程的推动力和首要条件。结晶的步骤结晶是从均一的溶液中析出固相晶体的过程，通常包含三个步骤：即过饱和溶液的形成，晶核的生成与晶体的成长。1、过饱和溶液的形成上以述及结晶的首要条件是溶液要过饱和，制备过饱和溶液的方法一般有以下4种。（1）、冷却结晶：这是最简便而常用的结晶方法，使溶液冷却降温成为过饱和溶液而析出结晶。例如制霉菌素的浓缩液，将其在5℃条件下冷却4-6h，即能结晶完全，析出晶体。此法一般适用于溶解度随温度的降低而显著下降的物质。（2）、蒸发结晶：在常压或减压下加热蒸发，除去部分溶剂，使溶液达到过饱和而析出结晶。为了避免产物在高温下易破坏，生物合成药物一般多采用减压蒸发。例如赤霉素的乙酸提取液在减压下浓缩，除去溶剂后即有结晶析出。（3）、盐析结晶：在溶液中添加某些物质，从而使溶质在溶剂中的溶解度降低而析出。加入的物质既可以是固体，也可以是液体。常用的有氯化钠、硫酸铵等盐类和甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂。例如在巴龙霉素硫酸盐的浓缩中加入10-12倍体积的质量分数为95%的乙醇，即可得硫酸巴龙霉素的结晶。（4）、化学反应结晶：调节溶液的pH值或加入反应剂，生成溶解度更小的新物质，使其浓度超过它的溶解度而析出结晶。氨基酸等一些两性化合物，常利用它们在等电点时溶解度最小的原理，只需调节溶液的pH值就可获得结晶。如6-氨基青霉烷酸（6-APA）的钠盐水溶解度，用盐酸调节至pH3.8-4.1（等电点附近）时，即可从水溶液中结晶出来。许多抗生素也常加入某些成盐剂（反应剂），使生成难溶性盐或复盐的形式从溶液中析出结晶。例如在浓度为10-20万单位/mL的青霉素钾盐的水溶液中加入盐酸普鲁卡因溶液，即可制得普鲁卡因青霉素结晶。又如在红霉素乙酸丁酯提取中加入硫氰酸钠溶液，并调节溶液pH值为5左右，即生长红霉素硫氰酸盐结晶。上述方法在工业生产上可单独使用，也可结合起来使用，以强化过饱和度而获得较多的结晶。此外，在抗生素工业生产中还采用共沸蒸馏结晶法来制取青霉素钠（钾）盐。例如在高浓度的青霉素钠盐萃取液中，加入能和水形成共沸的正丁醇，在减压条件下进行共沸蒸馏，使青霉素钠盐结晶析出。由于共沸点的温度较低，水分的蒸发可在较温和的条件下进行，因而减少了青霉素的破坏损失，不但结晶收率高，而且晶体粗大疏松，容易过滤，便于洗涤，提高了成品质量。2、晶核的生成晶核的形成是一个新相产生的过程，需要消耗一定的能量。在溶液中分子的能量或速度具有统计分布的性质，在过程和溶液中也是如此。当能量在某一瞬间、某一区域由于布朗运动暂时达到较高值时会析出微笑的颗粒，即结晶中心成为晶核。晶核不断生成并继续成长为晶体。一般自动成核的机会较少，常需要借助外来因素促进生长晶核，如机械振动、搅拌等。晶核生长的速度与过饱和度及温度有关，在一定温度下成核速度随过饱和度的增加而加快，但当超过某一值时，反而会使溶液的分子运动减慢，粘度增加，成核也收到阻碍，在过饱和度不变的情况下，温度升高，成核速度也会加快。但温度对过饱和度的相互消长成都来决定。实际情况是成核速度开始随温度升高而升高，达最大值后，温度继续升高，成核速度反而降低。在工业生产上，结晶过程要求有适当的成核速度，成核速度过快，必将导致生成细小的晶体，影响产品质量。3、晶体的形成在饱和溶液中，晶体一经形成，立即开始长成晶体，同时还在不断的生成新的晶核，因此，所得到晶体的大小，决定于晶核生成速度与晶体成长速度两者的对比关系。若晶体成长速度大大超过晶核生成速度，过饱和度主要用来是晶体成长，则可得到粗大而有规则的晶体；反之过饱和度主要用来生成新的晶核，则所得到的晶体颗粒参差不齐，晶体细小，甚至呈无定形。在工业生产中通常都希望得到颗粒粗大而均匀的晶体，可以使后续的过滤、洗涤和干燥操作比较方便，同时产品质量也可以提高。影响晶体大小的因素主要有溶液的过饱和度、温度、搅拌速度等。一般来说过饱和度增加，所得晶体细小。温度的影响比较复杂，当溶液快速冷却时，达到过饱和度较高，所得晶体较细，而缓慢冷却常得到粗大颗粒。搅拌能促使成核加速扩散，提高晶核成长的速度，但超过一定的范围后，效果就不显著。相反搅拌越快，晶体越细。若要获得比较粗大和均匀的晶体，一般温度不宜太低，搅拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度，应小于晶体成长速度。做好将溶液控制在亚稳内结晶，使其在较长的时间内，只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不断成为晶体。此外，加入晶种也能控制晶体的形状、大小和均匀度。但首先晶种应有一定的形状、大小且比较均匀。加入晶种还可以降低溶液的过饱和度，诱导结晶，提前生成晶核。所以在工业生产中如遇到结晶液浓度较低而结晶发生困难时，可加入适量晶种，促使结晶顺利地进行。多糖、蛋白质、酶和核酸等生物高分子物质，由于分子量大，结构复杂，不易定向聚集，比一般小分子物质较难形成结晶，长需加晶种诱导，且所需的时间和能量业较多。4、重结晶重结晶就是将晶体用合适的溶剂溶解后再结晶，以提高纯度。虽然从理论上说通过结晶可以得到纯的产物，单实际上，通过一次结晶得到的产品总含有一下杂质。只是因为一些溶解度与产品相近的杂质也会部分的结晶下来。有些杂质还会被结合到产品结晶的晶格中去，或因洗涤不完全，不能除去结晶夹杂的母液，是晶体沾染了杂质。因此需要重结晶来进一步提高产品的纯度。重结晶的关键是选择合适的溶剂。用于重结晶的溶剂一般应具备下列条件：（1）对需重结晶的产物有一定的溶解度，但不宜过大，当外界条件改变时其溶解度明显减少；（2）对色素、降解产物等杂质有较好的溶解度；（3）无毒或低毒，沸点低便于回收套用。常用于重结晶的溶剂油蒸馏水、丙酮、甲醇、等低级醇、石油醚、乙酸乙酯等。若该产物结晶溶于某一种溶剂二难于溶于另一种溶剂，且该两种溶剂能互溶，则可以用两者的混合溶剂来重结晶。重结晶的操作方法是该产物先溶于溶解度较大的溶剂中，然后缓慢加入第二种溶剂稍呈浑浊，即结晶刚开始为止，冷却放置一段时间，便结晶完全。例如将维生素B12粗品结晶溶解于少量的蒸溜水中，滤去不溶杂质，然后加入水溶液体积8~10倍的丙酮至呈现浑浊为止，冷却静置两天，可得纯度较高的产品。又如工业生产上为了提高红霉素粗碱的纯度，可以将红霉素粗碱溶于1:7的丙酮中，经过滤后，加入红霉素丙酮滤液体积的1.5~2倍的蒸溜水，在温室下静置过夜，即可制得红霉素精制品。通过重结晶红霉素的效价一般可提高10%；（4）我国对结晶设备的研究及在医药生产中的应用晶体的成长就像一个婴儿，从胚胎到婴儿需要有一个良好的母体环境才能健康成长。他的母体就具有一定的流体力学环境的结晶器。因此晶体设备可根据结晶方法及操作大致分为两类，一是类似蒸发的设备，用于将溶液浓缩获得结晶的场合；二是类试反应器的设备，适用于其他方法获得结晶的场合。由于结晶过程中，一般均需改变溶液的温度，故结晶设备均附有热交换装置，同时一般还附有机械搅拌或泵，以使溶液流动，也使晶体能悬浮在溶液中而获得大小均匀的晶体。从操作方法上看，结晶设备有间歇和连续两种。由于结晶操作的质量直接影响成品产量，用于抗生素的结晶操作的质量直接影响产品质量，用于抗生素的结晶设备一般为不锈钢玻璃设备，内壁要求十分光滑，使晶体不易粘壁，并易于清洗或灭菌。抗生素生产中最常用的结晶设备是带搅拌的结晶罐，罐体上附有夹套，以便根据工艺需要改变罐内温度。在制备晶核或需要获得微粒晶体时，常采用高转速（1000-3000r/min），在一般结晶过程，则采用低转速（50-500r/min）。连续结晶一般采用多台设备串联的流程。在青霉素钾盐的结晶过程中，为了获得长针形的纯度较高的晶体，采用共沸结晶的方法。青霉素钾盐在乙酸丁酯中的溶解度很小，但在水中的溶解度很大，因此要求在结晶过程中尽量将乙酯中夹带的水分除去。利用乙酸丁酯和水能形成共沸物的特性，可以在真空下将其共沸物蒸出，以减少丁酯中的水分而利于结晶。为了增加结晶的时间，使丁酯中的水分逐渐较少，以获得晶形较大的晶体，故在丁酯中故意加入适量的水。如在生产中可往丁酯内加入2%--2.5%的水，将其放在结晶罐中，然后在96kPa的真空下，加入20%的醋酸甲乙醇溶液，边加边加热，在25℃左右时首先是丁醇-水共沸物蒸出（丁醇时乙酸丁酯中的杂质），在30℃左右时蒸出丁醇-丁酯-水的三元共沸物，在35℃左右蒸出的是丁酯-水的共沸物，最后温度升至38-40℃，丁酯中的水分可降至0.6%左右。随着水分不断去除，结晶过程逐步完成。在共沸结晶中除了结晶罐外，还要附有冷凝器，冷凝液接受罐和真空泵等设备。但过去生产的青霉素，使用的是一种老式尖底结晶罐，罐内有死区，最终产品的结晶度底，纯度也不高；而现在生产的青霉素，晶形完美，纯度高。新型结晶器为W型底，是带有导流筒及特殊搅拌桨的精馏结晶器，它提供了一个均匀有序的流动环境，保证了晶体在自由环境下长大。应用计算机辅助控制，可以调整操作参数，生产出完美晶形的产品。新型结晶技术的使用，使青霉素产品的药效显著提高，可使单次投料增加5%的效率，青霉素G钾盐结晶的收率达到93%，青霉素G钾盐的结晶收率达到92%，质量可达到当前国际先进水平，可提高结晶器容时生产能力30%以上，并可大幅度降低结晶过程的溶剂消耗，降低生产成本，稳固了我国青霉素在国际市场上的优势地位。另外，我国目前还要有一种新型塔式液膜结晶装置，它由填料及管板组成，具有在塔内一次完成结晶、过滤、洗涤、干燥等功能，时国际工业界惯用的特种提纯设备，目前已成功用于年产4200t高纯二氯苯的生产，分离出纯度达99.9%色谱级的产品。与进口专利设备相比，成本仅是进口的1/5--1/10.因此，这种设备已经成为国内提取高纯和超纯乌海的关键设备。新型反应结晶器时制取微细