青霉素提取工艺

青霉素的提取工艺青霉素（Benzylpenicillin/Penicillin）又被称为青霉素G、peillinG、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾。青霉素是抗菌素的一种，是指从青霉菌培养液中提制的分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素。青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称。（图1.青霉素分子式）化学特性青霉素又称盐酸巴氨西林。其化学名为1-乙氧甲酰乙氧6-〔D（-）-2-氨基-2-乙酰氨基〕青霉烷酸盐酸盐。是一种有机酸，性质稳定，难溶于水。可与金属离子或有机碱结合成盐，临床常用的有钠盐、钾盐。青霉素盐如青霉素钾或钠盐为白色结晶性粉末，无臭或微有特异性臭，有引湿性。干燥品性质稳定，可在室温保存数年而不失效，且耐热。遇酸、碱、重金属离子及氧化剂等即迅速失效。极易溶于水，微溶于乙醇，不溶于脂肪油或液状石蜡。其水溶液极不稳定，在室温中效价很快降低10%，水溶液pH为5.5～7.5。青霉素价格较为便宜，因而也证明了生产并提取青霉素是有着较为成熟的工业方法的。（图2青霉素的售价）青霉素的提纯青霉素提纯工艺流程简图：（图3）因为青霉素水溶液不稳定，故发酵液预处理、提取和精制过程要条件温和、快速，防止降解。在提炼过程中要遵循下面三个原则：○1时间短○2温度低○3pH适中1.预处理发酵结束后，目标产物存在于发酵液中，浓度较低，只有10－30kg/m3，并且含有大量杂质，如高价无机离子（Ca,Mg,Fe离子），菌丝，未用完的培养基，易污染杂菌，产生菌的代谢产物，蛋白质等。因此必须对其进行的预处理，其目的在于浓缩目的产物，去除大部分杂质，利于后续的分离纯化过程，是进行分离纯化的第一个工序。2.过滤发酵液在萃取之前需预处理，可在发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白（比如明矾），或者调解发酵液pH至蛋白质的等电点以沉淀蛋白，然后经真空转鼓过滤（以负压作过滤推动力）或板框过滤（浮液用泵送入滤机的每个密闭的滤室，在工作压力的作用下，滤液透过滤膜或其它滤材，经出液口排出，滤渣则留在框内形成滤饼，从而达到固液分离目的），除掉菌丝体及部分蛋白。青霉素在常温下易降解，因而发酵液及滤液应冷至10℃以下，过滤收率一般90%左右。（1）菌丝体粗长10µm，采用鼓式真空过滤机过滤，滤渣形成紧密饼状，容易从滤布上刮下。滤液pH6.27-7.2，蛋白质含量0.05-0.2%。需要进一步除去蛋白质。（2）改善过滤和除去蛋白质的措施：硫酸调节pH4.5-5.0，加入0.07%溴代十五烷吡啶PPB，0.7%硅藻土为助滤剂。再通过板框式过滤机。滤液澄清透明，进行萃取。3.萃取青霉素的提取采用溶媒萃取法。这是利用抗生素在不同的pH值条件下以不同的化学状态（游离态酸或盐）存在时，在水及水互不相溶的溶媒中溶解度不同的特性，使抗生素从一种液相（如发酵滤液）转移到另一种液相（如有机溶媒）中去，以达到浓缩和提纯的目的。青霉素分子结构中有一个酸性基团(羧基)，青霉素的pKa=2．75，所以将青霉素G的水溶液酸化至pH2．0左右，青霉素即成游离酸。这种青霉素酸在水中溶解度很小，但易溶于醇类、酮类、醚类和酯类，利用这一特性，工业上可用溶媒萃取法从发酵液中分离并提纯青霉素。在酸性条件下青霉素转入有机溶媒中，调节pH至2.0左右，再转入中性水相，反复几次萃取，即可提纯浓缩。选择对青霉素分配系数高的有机溶剂。工业上通常用醋酸丁酯和戊酯。萃取2－3次。从发酵液萃取到乙酸丁酯时，pH选择1.8-2.0，从乙酸丁酯反萃到水相时，pH选择6.8-7.4。发酵滤液与乙酸丁酯的体积比为1.5-2.1，即一次浓缩倍数为1.5-2.1。为了避免pH波动，采用硫酸盐、碳酸盐缓冲液进行反萃。发酵液与溶剂比例为3－4。几次萃取后，浓缩10倍，浓度几乎达到结晶要求。萃取总收率在85％左右。所得滤液多采用二次萃取，用10%硫酸调pH2.0~3.0，加入醋酸丁酯，用量为滤液体积的三分之一，反萃取时常用碳酸氢钠溶液调pH7.0~8.0。在一次丁酯萃取时，由于滤液含有大量蛋白，通常加入破乳剂防止乳化。第一次萃取，存在蛋白质，加0.05-0.1%乳化剂PPB。萃取条件：为减少青霉素降解，整个萃取过程应在低温下进行（10℃以下）。萃取罐冷冻盐水冷却。在萃取过程中，青霉素的降解受温度、酸度影响很大,这是决定操作工艺条件的主要因素,许多学者对其进行了研究,已详细考察了不同pH条件下水溶液的温度对青霉素降解半衰期的影响,如图4所示。他们认为:青霉素的稳定区间是pH5～8,在pH6.0最为稳定,在酸性或碱性条件下降解都很快。将该数据进行曲线拟合可以得到不同温度下青霉素降解半衰期与水溶液pH的关系曲线。（图4.水中青霉素降解与pH的关系(25°C)(图5.青霉素降解半衰期与pH的关系）a:pH4.0,b:pH5.0,c:pH6.0,d:pH6.25,e:pH6.5,f:pH7.0,g:pH8.0,h:pH9.0）可以看出,在pH值一定的条件下,温度越低青霉素越稳定。因此工厂都采用低温操作,萃取在pH2.0、温度5°C下进行。但是这既增加了能耗,也增加了乳化的可能性。另一方面,青霉素在醋酸丁酯中却很稳定。据报道，室温下,其半衰期达75h以上。从图5可以看出,在半衰期不变的情况下,pH值越高,允许的操作温度也越高。也就是说,只要能提高操作pH值,就可以在较高温度下进行萃取操作。工厂采用的操作条件下半衰期只有2h,如果其操作pH值提高,就可以在常温下操作。这取决于pH对萃取率的影响。为研究温度、酸度对萃取率的影响,用模拟料液在不同温度和平衡pH值下进行了实验研究,用分光光度法进行分析。结果表明青霉素的萃取率受pH影响很大;提高萃取的平衡pH值,萃取率将明显下降。另一方面,在相同pH下随操作温度升高萃取率也稍有升高(图6)。（图6.温度、pH对青霉素萃取率的影响）4.脱色萃取液中添加活性炭，除去色素、热源，过滤，除去活性炭。5.结晶萃取液一般通过结晶提纯。青霉素钾盐在醋酸丁酯中溶解度很小，在二次丁酯萃取液中加入醋酸钾-乙醇溶液，青霉素钾盐就结晶析出。然后采用重结晶方法，进一步提高纯度，将钾盐溶于KOH溶液，调pH至中性，加无水丁醇，在真空条件下，共沸蒸馏结晶得纯品。直接结晶：在2次乙酸丁酯萃取液中加醋酸钠－乙醇溶液反应，得到结晶钠盐。加醋酸钾－乙醇溶液，得到青霉素钾盐。共沸蒸馏结晶：萃取液，再用0.5mol/LNaOH萃取，调pH至pH6.4-6.8下得到钠盐水浓缩液。加2.5倍体积丁醇，16－26℃，0.67-1.3KPa下蒸馏。水和丁醇形成共沸物而蒸出。钠盐结晶析出。结晶经过洗涤、干燥后，得到青霉素产品。