結晶及其在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應用

1、結晶及其在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應用（濟寧化工設計院）概述結晶和重結晶都是制備純物質的有效方法。通常只有同類分子或 離子才能有規(guī)律的排列成晶體，所以結晶過程有很好的選擇性。通過結晶，溶液中的大部分雜質會留在母液中，再經(jīng)過濾、洗滌等就可以得到純度高的晶體。許多抗生素、維生由于結晶過程成本低，設備簡單，操作方便，所以在生物合成產(chǎn)品的精制中就用得很廣泛。結晶的基本原理結晶是指溶質自動從過飽和溶液中析出形成新相的過程。這一過程不公包括溶質分子凝聚成固體，并包括這些分子有規(guī)律地排列在一定的晶格中，這種有規(guī)律的排列與表面分子化學鍵力的變化有關，因此結晶過程也是一個表面化學反應的過程。當溶液的濃度等于溶質的溶解度時，

2、該溶液成為飽和溶液，溶質的濃度超過溶解度時的溶液則稱為過飽和溶液，溶質只有在過飽和溶液中才有可能析出。眾所周知，溶解度與溫度有關，一般物質的溶解度隨溫度升高而增大，也有不少數(shù)例，如紅霉素的溶解度反而隨溫度的升高而降低。溶解度與溫度的關系，可以用飽和曲線和過飽和曲線來表示，參見圖1.圖中S-S線為飽和溶解度曲線，在此曲線以下的區(qū)域為不飽和區(qū)，成為穩(wěn)定區(qū)。T-T線為過飽和溶解度曲線，在此曲線以上區(qū)域成為不穩(wěn)定區(qū)。而介于S-S線和T-T線之間的區(qū)域成為亞穩(wěn)區(qū)。在穩(wěn)定區(qū)內的任一點溶液都是穩(wěn)定的，不管采用什么措施都不會有結晶析出。在亞穩(wěn)區(qū)內的任一點，若不采取措施，溶液也可以長時間保持穩(wěn)定，若加入品種，溶

3、質就會在晶種上長大，溶液的濃度隨之下降到S-S線。亞穩(wěn)區(qū)中各部分的穩(wěn)定性并不一樣，接近S-S線的區(qū)域較穩(wěn)定，而接近T-T線的區(qū)域極易受刺激而結晶。因此有人提出將亞穩(wěn)區(qū)再一分為二，上半部為刺激結晶區(qū)，下半部為養(yǎng)晶區(qū)。在不穩(wěn)區(qū)內的任一點溶液都能立即自發(fā)結晶，在溫度不變時溶液濃度會自動將至S-S線。因此，溶液需要在亞穩(wěn)區(qū)或不穩(wěn)區(qū)才能結晶。在不穩(wěn)區(qū)結晶生長很快，來不及長大，濃度即將至飽和溶解度，易形成大量細小的晶體，這是工業(yè)結晶不希望的。為了得到顆粒較大而又整齊的晶體，通常需加入晶種并把溶液濃度控制在亞穩(wěn)區(qū)的養(yǎng)晶區(qū)內，讓晶體慢慢長大，因為在養(yǎng)晶區(qū)內自發(fā)產(chǎn)生晶核的可能性很小。晶體的產(chǎn)生雖取決于固體物質與

4、溶液之間的平衡關系。若溶液未達到飽和，則固體溶解；如果溶液飽和，則固體與飽和溶液處于平衡狀態(tài)，其溶解速度等于沉淀速度。只有當溶液濃度超過飽和濃度達到過飽和時，才有可能析出結晶，因此過飽和度是結晶過程的推動力和首要條件。結晶的步驟結晶是從均一的溶液中析出固相晶體的過程，通常包含三個步驟：即過飽和溶液的形成，晶核的生成與晶體的成長。1、 過飽和溶液的形成上以述及結晶的首要條件是溶液要過飽和，制備過飽和溶液的方法一般有以下4種。（1） 、冷卻結晶：這是最簡便而常用的結晶方法，使溶液冷卻降溫成為過飽和溶液而析出結晶。例如制霉菌素的濃縮液，將其在5條件下冷卻4-6h，即能結晶完全，析出晶體。此法一般適用

5、于溶解度隨溫度的降低而顯著下降的物質。（2） 、蒸發(fā)結晶：在常壓或減壓下加熱蒸發(fā)，除去部分溶劑，使溶液達到過飽和而析出結晶。為了避免產(chǎn)物在高溫下易破壞，生物合成藥物一般多采用減壓蒸發(fā)。例如赤霉素的乙酸提取液在減壓下濃縮，除去溶劑后即有結晶析出。（3） 、鹽析結晶：在溶液中添加某些物質，從而使溶質在溶劑中的溶解度降低而析出。加入的物質既可以是固體，也可以是液體。常用的有氯化鈉、硫酸銨等鹽類和甲醇、乙醇、丙酮等有機溶劑。例如在巴龍霉素硫酸鹽的濃縮中加入10-12倍體積的質量分數(shù)為95%的乙醇，即可得硫酸巴龍霉素的結晶。（4） 、化學反應結晶：調節(jié)溶液的pH值或加入反應劑，生成溶解度更小的新物質，使

6、其濃度超過它的溶解度而析出結晶。氨基酸等一些兩性化合物，常利用它們在等電點時溶解度最小的原理，只需調節(jié)溶液的pH值就可獲得結晶。如6-氨基青霉烷酸（6-APA）的鈉鹽水溶解度，用鹽酸調節(jié)至pH3.8-4.1（等電點附近）時，即可從水溶液中結晶出來。許多抗生素也常加入某些成鹽劑（反應劑），使生成難溶性鹽或復鹽的形式從溶液中析出結晶。例如在濃度為10-20萬單位/mL的青霉素鉀鹽的水溶液中加入鹽酸普魯卡因溶液，即可制得普魯卡因青霉素結晶。又如在紅霉素乙酸丁酯提取中加入硫氰酸鈉溶液，并調節(jié)溶液pH值為5左右，即生長紅霉素硫氰酸鹽結晶。上述方法在工業(yè)生產(chǎn)上可單獨使用，也可結合起來使用，以強化過飽和度而

7、獲得較多的結晶。此外，在抗生素工業(yè)生產(chǎn)中還采用共沸蒸餾結晶法來制取青霉素鈉（鉀）鹽。例如在高濃度的青霉素鈉鹽萃取液中，加入能和水形成共沸的正丁醇，在減壓條件下進行共沸蒸餾，使青霉素鈉鹽結晶析出。由于共沸點的溫度較低，水分的蒸發(fā)可在較溫和的條件下進行，因而減少了青霉素的破壞損失，不但結晶收率高，而且晶體粗大疏松，容易過濾，便于洗滌，提高了成品質量。2、 晶核的生成晶核的形成是一個新相產(chǎn)生的過程，需要消耗一定的能量。在溶液中分子的能量或速度具有統(tǒng)計分布的性質，在過程和溶液中也是如此。當能量在某一瞬間、某一區(qū)域由于布朗運動暫時達到較高值時會析出微笑的顆粒，即結晶中心成為晶核。晶核不斷生成并繼續(xù)成長為

8、晶體。一般自動成核的機會較少，常需要借助外來因素促進生長晶核，如機械振動、攪拌等。晶核生長的速度與過飽和度及溫度有關，在一定溫度下成核速度隨過飽和度的增加而加快，但當超過某一值時，反而會使溶液的分子運動減慢，粘度增加，成核也收到阻礙，在過飽和度不變的情況下，溫度升高，成核速度也會加快。但溫度對過飽和度的相互消長成都來決定。實際情況是成核速度開始隨溫度升高而升高，達最大值后，溫度繼續(xù)升高，成核速度反而降低。在工業(yè)生產(chǎn)上，結晶過程要求有適當?shù)某珊怂俣?，成核速度過快，必將導致生成細小的晶體，影響產(chǎn)品質量。3、 晶體的形成在飽和溶液中，晶體一經(jīng)形成，立即開始長成晶體，同時還在不斷的生成新的晶核，因此，

9、所得到晶體的大小，決定于晶核生成速度與晶體成長速度兩者的對比關系。若晶體成長速度大大超過晶核生成速度，過飽和度主要用來是晶體成長，則可得到粗大而有規(guī)則的晶體；反之過飽和度主要用來生成新的晶核，則所得到的晶體顆粒參差不齊，晶體細小，甚至呈無定形。在工業(yè)生產(chǎn)中通常都希望得到顆粒粗大而均勻的晶體，可以使后續(xù)的過濾、洗滌和干燥操作比較方便，同時產(chǎn)品質量也可以提高。影響晶體大小的因素主要有溶液的過飽和度、溫度、攪拌速度等。一般來說過飽和度增加，所得晶體細小。溫度的影響比較復雜，當溶液快速冷卻時，達到過飽和度較高，所得晶體較細，而緩慢冷卻常得到粗大顆粒。攪拌能促使成核加速擴散，提高晶核成長的速度，但超過一

10、定的范圍后，效果就不顯著。相反攪拌越快，晶體越細。若要獲得比較粗大和均勻的晶體，一般溫度不宜太低，攪拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度，應小于晶體成長速度。做好將溶液控制在亞穩(wěn)內結晶，使其在較長的時間內，只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不斷成為晶體。此外，加入晶種也能控制晶體的形狀、大小和均勻度。但首先晶種應有一定的形狀、大小且比較均勻。加入晶種還可以降低溶液的過飽和度，誘導結晶，提前生成晶核。所以在工業(yè)生產(chǎn)中如遇到結晶液濃度較低而結晶發(fā)生困難時，可加入適量晶種，促使結晶順利地進行。多糖、蛋白質、酶和核酸等生物高分子物質，由于分子量大，結構復雜，不易定向聚集，比一般小分子物質較難形成結晶，

11、長需加晶種誘導，且所需的時間和能量業(yè)較多。4、重結晶重結晶就是將晶體用合適的溶劑溶解后再結晶，以提高純度。雖然從理論上說通過結晶可以得到純的產(chǎn)物，單實際上，通過一次結晶得到的產(chǎn)品總含有一下雜質。只是因為一些溶解度與產(chǎn)品相近的雜質也會部分的結晶下來。有些雜質還會被結合到產(chǎn)品結晶的晶格中去，或因洗滌不完全，不能除去結晶夾雜的母液，是晶體沾染了雜質。因此需要重結晶來進一步提高產(chǎn)品的純度。重結晶的關鍵是選擇合適的溶劑。用于重結晶的溶劑一般應具備下列條件：（1） 對需重結晶的產(chǎn)物有一定的溶解度，但不宜過大，當外界條件改變時其溶解度明顯減少；（2） 對色素、降解產(chǎn)物等雜質有較好的溶解度；（3） 無毒或低毒

12、，沸點低便于回收套用。常用于重結晶的溶劑油蒸餾水、丙酮、甲醇、等低級醇、石油醚、乙酸乙酯等。若該產(chǎn)物結晶溶于某一種溶劑二難于溶于另一種溶劑，且該兩種溶劑能互溶，則可以用兩者的混合溶劑來重結晶。重結晶的操作方法是該產(chǎn)物先溶于溶解度較大的溶劑中，然后緩慢加入第二種溶劑稍呈渾濁，即結晶剛開始為止，冷卻放置一段時間，便結晶完全。例如將維生素B12粗品結晶溶解于少量的蒸溜水中，濾去不溶雜質，然后加入水溶液體積810倍的丙酮至呈現(xiàn)渾濁為止，冷卻靜置兩天，可得純度較高的產(chǎn)品。又如工業(yè)生產(chǎn)上為了提高紅霉素粗堿的純度，可以將紅霉素粗堿溶于1:7的丙酮中，經(jīng)過濾后，加入紅霉素丙酮濾液體積的1.52倍的蒸溜水，在溫

13、室下靜置過夜，即可制得紅霉素精制品。通過重結晶紅霉素的效價一般可提高10%；（4） 我國對結晶設備的研究及在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應用晶體的成長就像一個嬰兒，從胚胎到嬰兒需要有一個良好的母體環(huán)境才能健康成長。他的母體就具有一定的流體力學環(huán)境的結晶器。因此晶體設備可根據(jù)結晶方法及操作大致分為兩類，一是類似蒸發(fā)的設備，用于將溶液濃縮獲得結晶的場合；二是類試反應器的設備，適用于其他方法獲得結晶的場合。由于結晶過程中，一般均需改變溶液的溫度，故結晶設備均附有熱交換裝置，同時一般還附有機械攪拌或泵，以使溶液流動，也使晶體能懸浮在溶液中而獲得大小均勻的晶體。從操作方法上看，結晶設備有間歇和連續(xù)兩種。由于結晶操作的質

14、量直接影響成品產(chǎn)量，用于抗生素的結晶操作的質量直接影響產(chǎn)品質量，用于抗生素的結晶設備一般為不銹鋼玻璃設備，內壁要求十分光滑，使晶體不易粘壁，并易于清洗或滅菌。抗生素生產(chǎn)中最常用的結晶設備是帶攪拌的結晶罐，罐體上附有夾套，以便根據(jù)工藝需要改變罐內溫度。在制備晶核或需要獲得微粒晶體時，常采用高轉速（1000-3000r/min），在一般結晶過程，則采用低轉速（50-500r/min）。連續(xù)結晶一般采用多臺設備串聯(lián)的流程。在青霉素鉀鹽的結晶過程中，為了獲得長針形的純度較高的晶體，采用共沸結晶的方法。青霉素鉀鹽在乙酸丁酯中的溶解度很小，但在水中的溶解度很大，因此要求在結晶過程中盡量將乙酯中夾帶的水分除

15、去。利用乙酸丁酯和水能形成共沸物的特性，可以在真空下將其共沸物蒸出，以減少丁酯中的水分而利于結晶。為了增加結晶的時間，使丁酯中的水分逐漸較少，以獲得晶形較大的晶體，故在丁酯中故意加入適量的水。如在生產(chǎn)中可往丁酯內加入2%-2.5%的水，將其放在結晶罐中，然后在96kPa的真空下，加入20%的醋酸甲乙醇溶液，邊加邊加熱，在25左右時首先是丁醇-水共沸物蒸出（丁醇時乙酸丁酯中的雜質），在30左右時蒸出丁醇-丁酯-水的三元共沸物，在35左右蒸出的是丁酯-水的共沸物，最后溫度升至38-40，丁酯中的水分可降至0.6%左右。隨著水分不斷去除，結晶過程逐步完成。在共沸結晶中除了結晶罐外，還要附有冷凝器，冷

16、凝液接受罐和真空泵等設備。但過去生產(chǎn)的青霉素，使用的是一種老式尖底結晶罐，罐內有死區(qū)，最終產(chǎn)品的結晶度底，純度也不高；而現(xiàn)在生產(chǎn)的青霉素，晶形完美，純度高。新型結晶器為W型底，是帶有導流筒及特殊攪拌槳的精餾結晶器，它提供了一個均勻有序的流動環(huán)境，保證了晶體在自由環(huán)境下長大。應用計算機輔助控制，可以調整操作參數(shù)，生產(chǎn)出完美晶形的產(chǎn)品。新型結晶技術的使用，使青霉素產(chǎn)品的藥效顯著提高，可使單次投料增加5%的效率，青霉素G鉀鹽結晶的收率達到93%，青霉素G鉀鹽的結晶收率達到92%，質量可達到當前國際先進水平，可提高結晶器容時生產(chǎn)能力30%以上，并可大幅度降低結晶過程的溶劑消耗，降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)固了我國青霉素在國際市