大孔樹(shù)脂在抗生素提取與精制中的應(yīng)用

李文飛，黨彩麗，袁巧玲，劉軍海

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中 723001）

大孔樹(shù)脂在抗生素提取與精制中的應(yīng)用

李文飛，黨彩麗，袁巧玲，劉軍海

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中 723001）

介紹了大孔樹(shù)脂的分離原理，綜述了大孔樹(shù)脂在抗生素提取與精制中的應(yīng)用，著重探討了當(dāng)今研究熱點(diǎn)、存在問(wèn)題及其改進(jìn)方向，并展望了其發(fā)展前景。

大孔樹(shù)脂；抗生素；提取與精制；應(yīng)用

Abstract：The separation principle of the macroporous resin is introduced，the application of macroporous resin for extraction and refinement of antibiotics are summarized，the research focus，existing issue and improving trend are discussed emphatically.And the prospects of macroporous resin are discussed.

Key words：macroporous resin；antibiotics；extraction and refinement；application

本文綜述了大孔樹(shù)脂分離原理及其在抗生素提取與精制中的應(yīng)用，探討了當(dāng)今研究熱點(diǎn)及改進(jìn)方向，以期為大孔樹(shù)脂在抗生素應(yīng)用提供參考。

1 大孔樹(shù)脂的分離機(jī)理及吸附劑選擇原則

大孔樹(shù)脂是具有三維空間立體孔結(jié)構(gòu)，孔徑與比表面積都比較大的高分子聚合物，能夠借助分子間的引力，從溶液中吸附各種有效成分。

大孔樹(shù)脂的吸附能力，不但與樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)及物理性能有關(guān)，而且與溶質(zhì)（吸附物）及溶液的性質(zhì)有關(guān)。吸附劑根據(jù)類似物質(zhì)容易吸附的原則來(lái)選擇。一般非極性吸附劑適宜于從極性溶液中吸附非極性有機(jī)物質(zhì)；高極性吸附劑反之。一般來(lái)說(shuō)，大孔樹(shù)脂的吸附能力隨表面積的增大而增大；但表面積增大時(shí)平均孔徑就相應(yīng)減小，這樣，被吸附物質(zhì)的分子大小受到限制。對(duì)于像抗生素這樣的分子來(lái)說(shuō)，一般使用表面積相對(duì)較小的吸附劑，以使抗生素分子能很快地通過(guò)大孔道擴(kuò)散到內(nèi)表面，一般認(rèn)為孔徑等于溶質(zhì)分子直徑的6倍時(shí)，吸附效果最好［1］。解吸是吸附的逆過(guò)程，通過(guò)改變洗脫液組成濃度或溫度改變樹(shù)脂對(duì)有效成分的吸附力，從而分離有效成分及回收溶劑使之循環(huán)使用。

2 大孔樹(shù)脂在抗生素提取與精制中的應(yīng)用

常見(jiàn)抗生素分為β－內(nèi)酰胺類、氨基糖甙類、大環(huán)內(nèi)酯類、井岡霉素、氯霉素類等。近年來(lái)大孔樹(shù)脂在抗生素工業(yè)中的應(yīng)用得到快速發(fā)展。采用大孔樹(shù)脂提取抗生素，一般經(jīng)發(fā)酵液過(guò)濾、樹(shù)脂柱吸附、解吸、洗滌、反萃取、脫色、結(jié)晶、干燥等步驟。

2.1 用于β-內(nèi)酰胺類抗生素的提取與精制

β－內(nèi)酰胺環(huán)是一種種類很廣的抗生素，其中包括青霉素及其衍生物、頭孢菌素、單酰胺環(huán)類、碳青霉烯等，是目前研究與應(yīng)用最多的一類抗生素。

青霉素鈉生產(chǎn)工藝多采用丁醇共沸脫水、結(jié)晶而得。濾出晶體后的母液中仍含有不同量的青霉素鈉，回收丁醇時(shí)，青霉素易被破壞，產(chǎn)生固體殘?jiān)锥氯厥掌?。采用大孔?shù)脂則不存上述問(wèn)題。據(jù)報(bào)道［2］，使用大孔吸附樹(shù)脂從青霉素結(jié)晶母液中回收青霉素，青霉素鉀鹽的平均總收率62%，純度在95%以上。青霉素的脫附能力隨所使用的樹(shù)脂種類的不同而變化，提高樹(shù)脂中二乙烯基苯（DVB）含量，青霉素的吸附能力下降。因此，通過(guò)改變DVB含量，控制青霉素的吸、脫附能力，從結(jié)晶母液中回收青霉素，如能在生產(chǎn)上得到應(yīng)用，青霉素分離提取的總收率將得到進(jìn)一步提高，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。但由于操作周期較長(zhǎng)，造成青霉素部分損失，所以要加大研究力度，進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝或者開(kāi)發(fā)新工藝，以減少生產(chǎn)過(guò)程的操作時(shí)間。

樹(shù)脂類型的不同對(duì)β－內(nèi)酰胺類抗生素提取有著不同的影響。據(jù)康輝［1］報(bào)道，用苯乙烯系XAD－1600型號(hào)樹(shù)脂提取，解吸液頭孢菌素C收率較高，平均達(dá)到91%以上；苯乙烯系XAD－1600樹(shù)脂與苯乙烯系XAD－16樹(shù)脂相比，在相同條件下，得到的解吸液質(zhì)量色譜純度可提高2%，收率可以提高近4%?？梢?jiàn)，XAD－1600樹(shù)脂提純分離效果更為明顯；尤其適于頭孢菌素C分離，對(duì)提高產(chǎn)品收率與質(zhì)量都有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

大孔樹(shù)脂用于β－內(nèi)酰胺類提取與精制的優(yōu)勢(shì)明顯，能獲得較好的分離效果，具有誘人的發(fā)展前景。目前有關(guān)這方面的研究以精制工藝優(yōu)化為主，對(duì)吸附后樹(shù)脂再生工藝的研究涉及不多。而大孔樹(shù)脂再生對(duì)生產(chǎn)有著重要的影響，現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程中再生時(shí)間長(zhǎng)，操作復(fù)雜，步驟較多，樹(shù)脂易結(jié)塊等問(wèn)題應(yīng)引起人們的注意。

2.2 用于氨基糖甙類抗生素的提取與精制

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的大孔離子交換樹(shù)脂，不僅具有吸附容量大、吸附迅速、解吸容易、再生處理方便等特點(diǎn)，而且具有離子交換選擇性好的特點(diǎn)，在卡那霉素、鏈霉素、慶大霉素等氨基糖甙類的提取分離中得到了廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)［3］報(bào)道了大孔弱酸性樹(shù)脂對(duì)卡那霉素的吸附行為，表明大孔弱酸性樹(shù)脂對(duì)卡那霉素的交換容量比普通的732凝膠樹(shù)脂高22%；硫酸小諾霉素系氨基糖甙類抗生素，是通過(guò)生物發(fā)酵提取分離而制得。小諾霉素生物發(fā)酵提取混合液中含有C1a與C2b兩種組分，其中，C1a為小諾霉素。C2b的純度直接影響硫酸小諾霉素的成品質(zhì)量。郭慧玲［4］研究確定了硫酸小諾霉素最佳工藝參數(shù)：C1a洗脫溶劑乙醇的濃度為6%，小諾霉素提取混合液的上樣量為0.03（10億/L），C1a洗脫速度為1 L/min。大孔樹(shù)脂的預(yù)處理及pH值對(duì)其吸附性能有重要影響。如用YPR－2型號(hào)大孔吸附樹(shù)脂吸附小諾霉素，pH值為7時(shí)吸附能力很差，pH值為10～12時(shí)較弱，在pH值為14時(shí)吸附力最強(qiáng)。

2.3 用于大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的提取與精制

大孔樹(shù)脂分離大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的作用原理主要是離子交換作用，改善大環(huán)內(nèi)酯類抗生素在樹(shù)脂大孔結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散障礙，可以大大提高大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的收率和選擇性，與傳統(tǒng)的溶媒萃取法相比，大孔樹(shù)脂法摒棄了大量溶媒，避開(kāi)了高速離心機(jī)，因而生產(chǎn)成本大大降低，安全性也得到提高。

白霉素是一種具有16元環(huán)多組分的弱堿性大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。顧覺(jué)奮［5］報(bào)道了國(guó)產(chǎn)CAD245型非極性樹(shù)脂作吸附劑分離純化白霉素的優(yōu)化工藝：吸附劑pH值8.5，流速1/6 min－1，解吸先用1%氨水洗柱1∶1（體積比），流速1/15 min－1，采用丙酮解吸收率可達(dá)96%，成品效價(jià)1 346 kU/g。此工藝方法簡(jiǎn)便，解吸收率高，而且洗脫液耗量少，僅為樹(shù)脂柱床體積的3倍量，很具工業(yè)推廣價(jià)值。

紅霉素為弱極性、弱堿性物質(zhì)，可用非極性或弱極性的大孔樹(shù)脂提取。在紅霉素生產(chǎn)中，一般先利用大孔樹(shù)脂吸附法制成紅霉素硫氰酸鹽或其乳酸鹽等中間體復(fù)鹽，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成紅霉素堿、紅霉素肟或其他紅霉素類產(chǎn)品。如宋應(yīng)華［6］用大孔吸附樹(shù)脂從紅霉素發(fā)酵濾液中提取、分離紅霉素，篩選到的HZ816型吸附樹(shù)脂對(duì)紅霉素的靜態(tài)吸附容量可達(dá)722 00 kU/g。與紅霉素C相比，紅霉素A在吸附過(guò)程中存在著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。可見(jiàn)，具有較大比表面積的弱極性大孔樹(shù)脂對(duì)紅霉素具有優(yōu)異的吸附性能，但大孔樹(shù)脂吸附紅霉素的效果受發(fā)酵液流速與濃度影響顯著。另外，紅霉素的穩(wěn)定性易受pH值的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中，要兼顧分離材料本身結(jié)構(gòu)特征，選擇適宜pH值，并嚴(yán)格控制紅霉素C的含量，提高紅霉素產(chǎn)品的安全性。

采用新型分子模版技術(shù)改性大孔樹(shù)脂，用于抗生素提取具有良好的效果。如魯力等［7］報(bào)道的新型改性LX－18型大孔樹(shù)脂對(duì)紅霉素的吸附量達(dá)到1.3×108U/L，對(duì)發(fā)酵液中色素的選擇分離率在95%以上。同傳統(tǒng)的醋酸丁酯萃取工藝比較，具有工藝簡(jiǎn)便、分離成本較低和廢水污染較輕的特點(diǎn)。

目前大環(huán)內(nèi)酯類抗生素提取國(guó)內(nèi)多采用溶劑萃取法，缺點(diǎn)是收率低，成本高，易污染環(huán)境，有逐漸被淘汰趨勢(shì)。大孔樹(shù)脂提取相對(duì)分子質(zhì)量較大的大環(huán)內(nèi)酯類，具有吸附速度快、機(jī)械強(qiáng)度高和抗有機(jī)污染強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是樹(shù)脂的再生需堿水浸泡和水洗等工序，能耗較大，仍需進(jìn)行深入的研究。

2.4 用于井岡霉素的提取與精制

井岡霉素分子是由吸水鏈霉菌井岡變種產(chǎn)生的水溶性抗生素——葡萄糖甙類化合物，具有很強(qiáng)吸濕性，在pH值為4～5的水溶液中比較穩(wěn)定，能被多種微生物分解失活，一般加工為水劑、水溶性粉劑或粉劑，低毒殺菌劑。

采用大孔樹(shù)脂提取井岡霉素，具有交換容量大、回收率高、成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。楊志鈞［3］研究表明，強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂比弱酸性樹(shù)脂交換容量大，而大孔強(qiáng)酸性樹(shù)脂比凝膠強(qiáng)酸性樹(shù)脂交換容量大；其中大孔強(qiáng)酸性樹(shù)脂HD－8通過(guò)工藝優(yōu)化，每升樹(shù)脂對(duì)井岡霉素吸附能力為15.34 g/h。用氨水與乙醇混合溶液洗脫，井岡霉素洗脫率可達(dá)98.8%，遠(yuǎn)比單獨(dú)采用氨水或乙醇洗脫率高。這是由于井岡霉素分子結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)亞氨基，帶一價(jià)正電荷，且電荷強(qiáng)度極弱，所以與弱酸性樹(shù)脂結(jié)合力很弱，其交換容量較強(qiáng)酸性樹(shù)脂低得多。

大孔強(qiáng)酸性樹(shù)脂比凝膠強(qiáng)酸性樹(shù)脂吸附量大，主要是因?yàn)榇罂纂x子交換樹(shù)脂不僅具有離子交換的功能，而且可以通過(guò)范德華力吸附部分井岡霉素。井岡霉素為極性的弱堿性抗生素，而大孔強(qiáng)酸性樹(shù)脂是堿性水溶性抗生素理想的提煉工藝，該工藝具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.5 用于其他

大孔樹(shù)脂用于處理氯霉素生產(chǎn)中堿解廢水，不僅使回收物得到循環(huán)利用，而且減少了污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。如翟志才［8］研究表明，NG－100超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂對(duì)氯霉素生產(chǎn)中產(chǎn)生的堿解廢水中的DL－氨基物具有較好的吸附性能，處理后可使水中的CODCr由720 mg/L降至89.3 mg/L，CODCr去除率高于98%；水中的DL－氨基物幾乎除盡。

大孔樹(shù)脂處理高濃度有機(jī)廢水具有吸附效果好、脫附再生容易、性能穩(wěn)定、適用范圍寬、實(shí)用性好等特點(diǎn)，該法可用于處理抗生素生產(chǎn)中的含酚、苯胺、有機(jī)酸、硝基物、染料中間體等廢水，可有效去除水中的污染物，并通過(guò)脫附回收實(shí)現(xiàn)廢物的資源化。

3 展望

大孔樹(shù)脂種類型號(hào)繁多，根據(jù)不同的抗生素性質(zhì)選擇合適的大孔樹(shù)脂及其分離與精制工藝的優(yōu)化是目前的研究熱點(diǎn)；但對(duì)于樹(shù)脂再生方面的研究目前尚不是很多，有待進(jìn)行深入研究。另外，一些技術(shù)問(wèn)題也應(yīng)引起研究人員的注意，如樹(shù)脂型號(hào)的選擇，樹(shù)脂自身的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量要求有時(shí)對(duì)抗生素液的純化效果和安全性起著決定性作用等。面對(duì)這些問(wèn)題，一方面可通過(guò)改變幾何形狀以增大吸附劑比表面積，使吸附量增大，加快吸附速度；另一方面，可利用化學(xué)改性引進(jìn)活性功能基，強(qiáng)化吸附選擇性。比如一些吸附樹(shù)脂可以在苯環(huán)上分別接上磺酸基和季胺基交換基團(tuán)，主要是為了增強(qiáng)樹(shù)脂的親水性能，大大提高對(duì)抗生素的吸附性與選擇性［9］。此外，改變大孔樹(shù)脂的應(yīng)用形狀，能以多種形式使用（如紗線、織物、纖維束、膜等），滿足不同的使用要求。相信隨著改性樹(shù)脂的發(fā)展及其提取抗生素工藝的日益成熟，大孔樹(shù)脂必將越來(lái)越多用于抗生素的生產(chǎn)。

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Application of Macroporous Resin for Extraction and Refinement of Antibiotics

LI Wen－fei，DANG Cai－li，YUAN Qiao－ling，LIU Jun－h(huán)ai
（SchoolofChemical&EnvironmentalSciences，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong 723001，China）

TQ424.3

A

1003－3467（2010）21－0025－03

2010－09－15

李文飛（1986－），男，主要從事化學(xué)工程與工藝研究工作，電話：15029889487。