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红霉素(Erythromycin,简称EM)属大环内酯类广谱抗生素,由于其毒副作用小、疗效确切以及衍生物在临床上应用广泛等特点,而成为主要的抗生素产品之一。但由于红霉素发酵液中存在与红霉素A(医用红霉素主要抗菌活性成分)相似的杂质组分,采用常规的分离技术难以获得高纯度的红霉素A产品,成为制约红霉素工业化生产的瓶颈之一。
本文针对红霉素A和红霉素C组分的分离难点,以提高红霉素A组分的纯度和收率为目标,对分离纯化过程进行了系统的研究以及模拟计算,提出了间歇柱层析分离工艺路线,以解决红霉素A和红霉素C组分分离的关键技术难题。
本文的主要内容和结论如下:
(1)为避免发酵液中色素、蛋白质等杂质对分离纯化过程的影响,通过发酵液絮凝一吸附法去除色素、蛋白质等。以色素、蛋白质去除率和红霉素损失率为指标,得出适用于本文的预处理条件:即以PA308为吸附剂,采用固定床操作,pH 6.01、发酵液处理量68BV时,蛋白质去除率为53.3%,色素去除率为79.7%,红霉素的损失率为4.03%;再生剂体系为0.5mol/L NaOH和1.5mol/L NaCl时,对树脂进行再生效果较好,再生后的树脂对红霉素发酵液进行预处理能力基本不变。
(2)通过间歇吸附平衡实验,以红霉素碱粗品(其组分含量为:红霉素A 87.2%,红霉素B 1.4%,红霉素C 7.6%,下同)为研究对象、吸附剂对红霉素A组分的选择性系数为主要指标,得出适合的吸附剂和吸附条件:以SP825树脂为吸附剂,离子强度0.4mol/L、pH 7.0时,对红霉素A组分的选择性系数较高(KAC为2.24),表现出较好的吸附选择性。
(3)研究了SP825树脂对红霉素A的吸附相平衡,考察了温度、离子强度和pH对吸附平衡的影响。结果表明:Langmuir和Freundlich吸附等温线方程较好地描述了红霉素A在SP825树脂上的吸附相平衡关系,并计算了吸附过程的热力学参数,发现该吸附过程属于吸热的物理过程。
(4)通过间歇吸附动力学实验,考察了上述因素对动力学过程的影响,采用液膜与孔内扩散模型对红霉素A在SP825大孔吸附树脂上的吸附过程进行了模拟,计算得到了动力学参数,即液膜扩散系数k,和孔内扩散系数Dp,并对该模型进行了误差分析,其相对误差为10%左右,说明液膜与孔内扩散模型较好地描述了红霉素A在SP825树脂上的吸附行为。
(5)通过固定床连续实验,研究了红霉素A在SP825树脂上的吸附性能,考察了上柱流速、pH和离子强度等因素对红霉素A吸附过程的影响,采用液膜、孔内及轴向扩散模型对固定床吸附过程进行了模拟,计算得到了动力学参数,并进行了模型的误差分析。结果表明:上柱流速、pH和离子强度对吸附过程存在不同程度的影响;轴向扩散对吸附过程的影响较小;模型的相对误差为10%左右,说明液膜、孔内及轴向扩散模型较好地描述了固定床内红霉素A在SP825树脂上的吸附行为。 (6)在前述研究的基础上,采用较优的吸附条件,以红霉素碱粗品为原料,研究了固定床吸附和解吸过程。结果表明:吸附过程中红霉素A和红霉素C组分表现出了明显的竞争吸附特性;采用乙酸乙酯为洗脱剂,以0.86BV/hr流速洗脱、沈脱剂用量2.34BV时,对红霉素A的洗脱选择性(KAC为1.29)和收率(94.7%)均较好。
(7)在固定床吸附和解吸过程研究的基础上,构建了适用于红霉素A和红霉素C组分分离的层析工艺过程。分别考察了上柱量、洗脱方式等对红霉素A和红霉素C组分分离过程的影响。比较筛选得出较优上柱量和洗脱方式:上柱量为0.779g/8g树脂、采用阶跃式梯度沈脱方式,即洗脱剂a中乙酸乙酯浓度为2%、用量为5倍床层体积(即5BV);乙酸乙酯洗脱剂用量为2.5BV时,红霉素A含量为95.8%、总收率为96.2%。
本文针对国内高产菌种的红霉素发酵液中存在较多红霉素C组分以及红霉素A和红霉素C组分的分离难点,提出了一条分离纯化红霉素A的新工艺,研究成果为红霉素A生产工艺的开发和设计提供了理论和实验基础。该技术与絮凝、成盐、结晶等技术组合可形成先进的红霉素提取分离生产工艺,能够显著提高红霉素产品的质量和收率,具有广阔的发展前景。