復合萃取劑提取林可霉素機理及填料萃取塔中試研究

高燦，常宏委，陸瑩瑩，申龍，高瑞昶

（天津大學化工學院，天津 300072）

復合萃取劑提取林可霉素機理及填料萃取塔中試研究

高燦，常宏委，陸瑩瑩，申龍，高瑞昶

（天津大學化工學院，天津 300072）

以中試填料萃取塔為設備研究了復合萃取劑（正辛醇和煤油）萃取林可霉素的宏觀特性及傳質(zhì)強化。使用斜率法確定萃合物的結(jié)構(gòu)和反應平衡常數(shù)以指導改進設備和強化傳質(zhì)；為了提高林可霉素萃取效果，考察了溶液pH值、相比（W/O）、填料類型、分布盤的使用等因素對提取林可霉素效果的影響。結(jié)果表明：以正辛醇為萃取劑萃取林可霉素的過程中，反應平衡常數(shù)K為0.072；復合萃取劑中正辛醇最佳含量為0.8（體積分數(shù)）；萃取林可霉素的最佳pH值為10～11，最佳相比（W/O）為3；規(guī)整填料和散裝填料萃取效果有限，分布盤可以大大加強傳質(zhì)，同時加裝分布盤的填料萃取塔的單位體積處理量是混合澄清槽的12.8倍，萃取劑循環(huán)量大大減少。研究結(jié)果對復合萃取劑的萃取機理和填料萃取塔提取林可霉素的實際應用具有一定指導意義。

林可霉素；宏觀特性；分布盤；填料萃取塔

林可霉素是從美國的尼布拉斯加林肯市附近土壤中分離到的一種鏈霉素——林肯鏈霉素林肯變種鏈霉菌產(chǎn)生的一種林可胺類堿性抗生素。其衍生物種類多、臨床效果好、產(chǎn)品附加值高。林可霉素的結(jié)構(gòu)式如圖1所示。實際中應用的是林可霉素的鹽酸鹽形式，即鹽酸林可霉素，商品名為潔霉素，結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

目前關(guān)于林可霉素生產(chǎn)的研究方向是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低提取成本，加強和改進萃取工藝以減少萃取劑的損耗。現(xiàn)在主要應用的生產(chǎn)工藝是：林可霉素發(fā)酵液經(jīng)過調(diào)節(jié)pH值后過濾除去大部分蛋白質(zhì)，對過濾后的發(fā)酵液進行萃取和反萃，利用丙酮進行結(jié)晶，得到潔霉素粗品。也有廠家小規(guī)模實驗吸附提取林 可霉素，但是處理量小，間歇操作，很難適合大生產(chǎn)連續(xù)操作的要求，因此溶劑萃取工藝仍是生產(chǎn)廠家普遍采取方法。萃取劑一般為正丁醇[1]、長鏈醇[2]、混合醇[3]、中性磷酸酯類[4]、環(huán)烷酸[5]等，雖有一定效果，但都存在溶劑損耗的問題，增加了生產(chǎn)成本和廢水COD值。萃取設備[6]有箱式混合澄清槽、填料萃取塔[7]、篩板塔及振動篩板塔、轉(zhuǎn)盤萃取塔[8]?；旌铣吻宀鬯枞軇┝看螅惶盍纤昂Y板塔傳質(zhì)效果較差，理論級數(shù)不多；轉(zhuǎn)盤萃取塔和振動篩板塔操作復雜。作者在前人的基礎(chǔ)上，研究了以正辛醇和煤油組成的復合萃取劑萃取林可霉素的宏觀特性，成功地實現(xiàn)了中試填料萃取塔林可霉素的提取，相對于混合澄清槽設備大大提高單位體積處理量，降低了萃取劑循環(huán)量。

圖1 林可霉素結(jié)構(gòu)式

圖2 潔霉素結(jié)構(gòu)式

1 儀器與材料

1.1 實驗材料

欲提取林可霉素的發(fā)酵液來自河南某制藥公司，發(fā)酵液效價3500～4500 U/mL；成品林可霉素鹽酸鹽，河南天方藥業(yè)；正辛醇，天津光復精細化工研究所；煤油，天津光復精細化工研究所。

1.2 實驗設備

填料萃取塔，天津大學；分布盤，天津大學。具體參數(shù)如表1和表2所示。自動旋光儀，上海精科WZZ-2S。

表1 中試填料塔參數(shù)

表2 分布盤參數(shù)

其中規(guī)整填料為金屬波紋填料，空隙率0.95，比表面積為250 m2/m3。散裝填料為金屬鮑爾環(huán)，空隙率為0.928，比表面積為239 m2/m3。兩塔的操作方式均為連續(xù)逆流操作，通過π形管調(diào)節(jié)分相界面。

1.3 實驗方法

原料液和萃余液中的林可霉素含量使用自動旋光儀測量，萃取液中林可霉素的含量由物料平衡計算得到。

（1）在室溫條件下，正辛醇和煤油組成的復合萃取劑，以林可霉素標準品配制原料相，與萃取劑充分混合達到萃取平衡，之后分層，測量萃余液效價。

（2）在室溫條件下，以林可霉素標準品配制效價為4000 U/mL的原料液，調(diào)節(jié)pH值為10.5，配制不同正辛醇濃度的萃取劑，等體積與原料液充分混合，測得分配系數(shù)，若不考慮林可霉素的自身締合，萃取反應式為式（1）。

式中，L為林可霉素；B為正辛醇；下角標w為水相，o為油相。

忽略林可霉素的水解以及自身締合，分配系數(shù)表示為式（2）～式（4）。

式中，K為化學平衡常數(shù)；B為萃取劑中正辛醇的初始含量。

（3）在室溫條件下，以林可霉素標準品配制效價為4000 U/mL的原料液，調(diào)節(jié)pH值為10.5，以正辛醇和煤油為復合萃取劑，等體積與原料液充分混合、分離，之后取萃取相進行反萃，以萃取劑反萃前后的濃度差為萃取容量，萃取容量的計算公式為式（5）。

式中，σ代表萃取容量；C1萃取結(jié)束后萃取劑中林可霉素的含量，U/mL；C2反萃后萃取劑中林可霉素的含量，U/mL。

（4）中試實驗采用效價為4038 U/mL的原料液調(diào)節(jié)pH值為10.5，以1.5 m3/h的流量泵入規(guī)整填料塔和散裝填料頂部的進料分布器，兩塔萃取劑的流量為0.5 m3/h。每隔1 h取萃余液測量林可霉素含量。萃取率的計算公式為式（6）。

式中，C0為原料液中林可霉素的含量；Ct為萃余液中林可霉素的含量。

（5）單位體積處理量采用式（7）計算。

式中，Φ為設備的單位體積處理量；VP為設備的進料量即處理量；VB為設備體積。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 分析方法及萃取平衡特性

2.1.1 分析方法選擇與校準

采用自動旋光儀測量林可霉素水溶液效價，此法具有測量方便迅速等特點，便于工業(yè)應用。以鹽酸林可霉素標準品配制已知效價的鹽酸林可霉素標準溶液，測量其旋光度。驗證自動旋光儀測量法的精度與誤差，其結(jié)果如圖3所示。

由結(jié)果可以看出，擬合出來的直線方程為y=5840.5x，R2=0.9916。由實驗數(shù)據(jù)擬合得到的方程具有良好的線性。其中在效價較低（0～500 U/mL）時測量點會稍微偏離擬合直線，效價在1000 U/mL以上直線擬合度較好，說明工業(yè)中可以使用自動旋光儀測量林可霉素的含量。

2.1.2 萃取林可霉素的平衡特性

選定正辛醇和煤油組成的復合萃取劑，主要考察了原料的pH值，萃取相比（W/O）對萃取平衡特性的影響。結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 鹽酸林可霉素標準曲線

圖4 萃取相比對平衡特性的影響

圖5 原料相pH值對平衡特性的影響

由圖4可知，萃取相比（W/O）在1～3之間對分配系數(shù)影響不大，當萃取相比（W/O）在3～4之間分配系數(shù)下降較快，之后繼續(xù)增大相比，分配系數(shù)下降趨勢變小。由此可知，萃取相比（W/O）為3較為合適，既保證了較高的分配系數(shù)又減少了萃取劑的使用量，為中試實驗中萃取相和原料相進料比提供依據(jù)。

由圖5可知，隨著pH值的增加，分配系數(shù)也不斷增加，當pH值大于11時分配系數(shù)略有下降。分析原因為：在堿性條件下，林可霉素以分子態(tài)存在，有利于萃取過程，當pH值過高時（pH ＞11），林可霉素分子之間發(fā)生聚合，導致溶質(zhì)與萃取劑（正辛醇）形成萃合物的阻力增大，從而使分配系數(shù)降低。因此原料相pH值調(diào)到10～11之間較為合適。本實驗中所有原料相的pH值均為10.5。

2.1.3 斜率法測定絡合物

本實驗采用界面發(fā)生反應的絡合萃取模型，探討了正辛醇萃取林可霉素的絡合過程。將實驗數(shù)據(jù)進行雙對數(shù)作圖，結(jié)果如圖6所示。

由結(jié)果可以看出，直線的斜率、截距以及R平方值分別為：2.003、-2.629、0.996。由實驗數(shù)據(jù)擬合得到的方程具有良好的線性。從而得到正辛醇萃取林可霉素的反應式為式（8）。

反應平衡常數(shù)K=0.072。正辛醇萃取林可霉素的過程為溶劑化過程，林可霉素分子中含有4個羥基，其中兩個羥基與林可霉素分子中的O和S原子形成分子內(nèi)氫鍵，其余兩個羥基與兩個正辛醇分子形成分子間氫鍵，生成的大分子絡合物更易轉(zhuǎn)移到有機相中，從而實現(xiàn)林可霉素的提取。但是化學反應常數(shù)K為0.072，證明此反應正向進行的程度不大。要實現(xiàn)反應正向進行，需要及時將油水界面處的絡合物轉(zhuǎn)移到萃取相主體以加大反應正向進行的程度，在萃取過程中可以通過加強液滴油水界面的擾動以促進絡合反應的產(chǎn)物（萃合物）向萃取相主體的轉(zhuǎn)移。以上結(jié)論與萃取強化傳質(zhì)理論——表面更新理論[9]認為液滴聚并之后在分散成小液滴，可以產(chǎn)生新的表面，從而強化傳質(zhì)是一致的。萃取機理的研究從化學反應的角度解釋了液液萃取傳質(zhì)理論——表面更新理論，同時為萃取設備的改造提供了一定指導。

圖6 萃合物組成的確定

2.2 萃取塔中試實驗結(jié)果

2.2.1 萃取劑組成對萃取傳質(zhì)的影響

正辛醇為長鏈醇，水溶性?。?5 ℃，0.59%）；對林可霉素提取具有一定選擇性，但是正辛醇黏度較大，需要加入煤油調(diào)節(jié)表面張力和黏度以達到最佳的萃取效果。萃取劑經(jīng)過萃取過程提取林可霉素、酸水反萃實現(xiàn)萃取劑再生，萃取劑反萃前后的林可霉素的濃度差是萃取劑性能的一個重要方面。以萃取劑反萃前后的林可霉素的濃度差為萃取容量，研究了復合萃取劑中正辛醇的體積分數(shù)對萃取容量的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，正辛醇體積分數(shù)在0～0.8之間時，萃取劑的萃取容量隨正辛醇含量的提高而增加；當正辛醇體積分數(shù)大于0.8時，萃取容量反而降低。這是因為煤油對林可霉素沒有萃取作用，隨著正辛醇含量的增加，萃取效果提高，從而使得萃取相中林可霉素的含量升高。由于正辛醇的表面張力和黏度大于煤油，當辛醇含量高于0.8時，萃取劑表面張力和黏度增大，使反萃效果降低，導致萃取容量的減小。所以辛醇體積含量為0.8時較為合適，之后萃取塔中試試驗，將采用此萃取劑。

2.2.2 填料形式對萃取傳質(zhì)的影響

填料形式對液滴的聚并-分散有一定影響。規(guī)整填料和散裝填料對液液萃取效果的影響如圖8所示。

圖7 萃取容量與正辛醇含量的關(guān)系

圖8 規(guī)整填料塔和散裝填料塔萃余液效價

林可霉素萃取過程為擴散控制，正辛醇與林可霉素分子形成絡合物，此反應過程較快。萃取劑液滴表層中很快可以達到萃取平衡，這時需要更新萃取劑液滴的表面，以強化萃取過程。散裝填料對于萃取劑液體群的分散-聚集-再分散的效果比規(guī)整填料好（規(guī)整填料塔穩(wěn)定后萃余液效價1500 U/mL，散裝填料塔穩(wěn)定后萃余液效價1100 U/mL）。但是就最終萃余液穩(wěn)定后的效價而言，沒有分布盤的規(guī)整填料塔和散裝填料塔的效果均不理想，塔釜排出的廢液中效價仍為1100 U/mL以上，規(guī)整填料塔和散裝填料塔的萃取率分別為68.75%和72.5%，未經(jīng)改裝的散裝填料塔和規(guī)整填料塔并不能應用于實際生產(chǎn)。

2.2.3 分布盤對萃取傳質(zhì)的影響

將規(guī)整填料塔內(nèi)每隔2 m左右填料加裝一個分布盤，加裝分布盤的規(guī)整填料塔實驗結(jié)果如圖9所示。

平衡時的萃余相效價約為300 U/mL，達到生產(chǎn)排放標準（雜質(zhì)含量較低），萃取率為92.5%。分布盤在規(guī)整填料萃取塔中對傳質(zhì)有重要作用，當規(guī)整填料塔中加入分布盤，分散相會在分布盤下有一定厚度液層的集聚，通過分散液滴再混合加強液滴內(nèi)部擴散傳質(zhì)，同時通過分布盤上的小孔達到再次分布，使新形成的液滴的表面得到了更新，加快了萃取劑和原料液之間的跨相傳質(zhì)速度，從而提高了萃取效果。分布盤可以更好地促進液滴分散-聚合再分散和萃取劑液滴表面的更新，從而強化了傳質(zhì)作用。為填料萃取塔萃取林可霉素的工業(yè)應用提供了設計依據(jù)。

2.3 填料萃取塔和混合澄清槽的對比與結(jié)果

以已經(jīng)投產(chǎn)的混合澄清槽（每個混合澄清槽長6 m、寬2 m、高3 m，十個混合澄清槽串聯(lián)使用，處理量為24 m3/h）和中試規(guī)模的填料萃取塔進行對比，比較正辛醇循環(huán)量和設備的單位體積處理量，結(jié)果如表3所示。

圖9 安裝分布盤的規(guī)整填料塔實驗數(shù)據(jù)

表3 填料萃取塔和混合澄清槽的比較

由表3可知，填料萃取塔比混合澄清槽占地面積小，萃取塔的單位體積處理量是混合澄清槽的12.8倍，萃取劑循環(huán)量是混合澄清槽的1/12，從而可以大大降低萃取劑的損耗。因此填料萃取塔是一種比混合澄清槽效率更高，生產(chǎn)成本更低的設備。

3 結(jié) 論

（1）正辛醇萃取林可霉素的過程為溶劑化過程，絡合比為2∶1。每一分子林可霉素可以與兩分子正辛醇形成絡合物，其反應平衡常數(shù)K為0.072，正辛醇和煤油的最佳配比為4∶1，正辛醇萃取林可霉素的萃取機理表明使用填料塔萃取林可霉素的過程中需要加強液滴的聚并-再分散以強化傳質(zhì)。

（2）通過對比規(guī)整填料和散裝填料的效果以及對規(guī)整填料塔的一系列改進，證明了分布盤在強化萃取塔傳質(zhì)中是完全有效的。安裝分布盤的萃取塔可以完全達到澄清槽工藝（萃余液效價300 U/mL以下）的水平。

（3）通過中試填料塔和已經(jīng)投產(chǎn)的混合澄清槽進行對比，中試填料塔的單位體積處理量是混合澄清槽的12.8倍；同時大大減少溶劑的循環(huán)量進而減少溶劑損耗，為填料萃取塔提取林可霉素的工業(yè)生產(chǎn)提供一定的指導。

[1] Bergy M E，Herr R R，Mason D J. Lincomycin：US，3086912[P]. 1963-01-02.

[2] Wu Zhichun，Wan Gang，Zhao Jin，et al. Extraction equilibrium of lincomycin with long-chain alcohols[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，1998，6（4）：366.

[3] 武斌，朱家文，陳腐葵，等. 混合醇萃取用以降低林可霉素產(chǎn)品中B組分含量的工藝研究[J]. 中國抗生素雜志，2002，27（6）：366.

[4] 盧志生，蔡繼傳，賀協(xié)群. 用中性有機磷（膦）類萃取劑從發(fā)酵液中提取抗菌素：中國，1037343[P]. 1989-11-22.

[5] 朱屯，李洲，等. 溶劑萃取[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[6] 費維揚. 萃取塔設備研究和應用的若干新進展[J]. 化工學報，2013，64（1）：44-51.

[7] 朱璇雯，劉成，張敏華. 填料萃取塔的研究現(xiàn)狀及進展[J]. 化工進展，2013，32（1）：22-26.

[8] Marzieh Amanabadi，Hossein Bahmanyar，Zohreh Zarkeshan，et al. Prediction of effective diffusion coefficient in rotating disc columns and application in design[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2009，17（3）：366-372.

[9] 唐曉津. 分散-聚并脈沖篩板萃取塔傳質(zhì)強化與模型化的研究[D].北京：清華大學，2004.

Study of extracting Lincomycin with composite extractant and the pilot test on packed extraction column

GAO Can，CHANG Hongwei，LU Yingying，SHEN Long，GAO Ruichang
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The macroscopic property and mass transfer enhancement of extracting Lincomycin with composite extractant (n-octanol and kerosene) in packed extraction column was studied in this paper. The structure of extracted complex and reaction equilibrium constant were determined by the slope method，which could contribute to the improvement of equipment and mass transfer enhancement. In order to improve the extraction efficiency，factors such as pH of the solution，volume ratio of the water phase to the organic phase，packing type，and distribution plates were considered. The results showed that in the extraction process of Lincomycin with n-octanol，the reaction equilibrium constant was 0.072，the optimum content of n-octanol in composite extractant was 0.8 (volume fraction)，the optimum pH of the extraction solution ranged from 10 to 11，the optimum volume ratio of the water phase to the organic phase was 3. Limited extraction efficiency was found to present in both structured packing and bulk packing extraction column. Distribution plates could significantly enhance the mass transfer in packed extraction column，with a maximum unit volume treatment capacity of 12.8 times compared to the extraction tank，and the circulation volume of extractant could be greatly reduced. The results can be used for guiding practical application of packed extraction column in Lincomycin extraction.

lincomycin；macroscopic property；distribution plates；packed extraction column

TQ 028

A

1000-6613（2014）01-0247-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.01.045

2013-07-17；修改稿日期：2013-08-22。

高燦（1987—），男，碩士研究生，研究方向為化工分離。

聯(lián)系人：高瑞昶，副教授，研究方向為特殊精餾。E-mail gaoruichang@ tju.edu.cn。