渦輪萃取塔在林可霉素萃取中的應用研究

李芷琪，毛龍飛，呂和平，葉蕊芳

（1.大連理工大學盤錦校區(qū)石油與化學工程學院，遼寧盤錦124221；2.天方藥業(yè)有限公司，河南駐馬店463000；3.華東理工大學藥學院，上海200237）

科研與開發(fā)

渦輪萃取塔在林可霉素萃取中的應用研究

李芷琪1，毛龍飛1，呂和平2,3＊，葉蕊芳3

（1.大連理工大學盤錦校區(qū)石油與化學工程學院，遼寧盤錦124221；2.天方藥業(yè)有限公司，河南駐馬店463000；3.華東理工大學藥學院，上海200237）

林可霉素是一種高效廣譜抗生素，有著廣泛的應用。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，大多采用多級混合澄清槽從發(fā)酵液中萃取林可霉素，但混合澄清槽存在占地面積大、溶劑儲存量大、操作費用高，操作環(huán)境差等問題。渦輪萃取塔是一種高效的萃取塔，有著占地面積小、溶劑儲存量低、萃取效率高等優(yōu)點。在直徑50 mm小型渦輪萃取塔中對林可霉素進行了研究：在不同相比、不同轉數(shù)條件下，研究了林可霉素的傳質情況及液滴直徑大小分布特征。實驗結果表明：在相同流量的情況下，隨著轉速增高，分散相滯留率隨之增高，林可霉素的萃取效果越好。在相同轉速、輕相流量不變的情況下，重相流量越低，林可霉素的萃取效果越好。研究結果表明：渦輪萃取塔用于林可霉素的萃取是可行的。

渦輪萃取塔；林可霉素；滯留率；萃取率

林可霉素是有林肯鏈霉菌深層發(fā)酵產(chǎn)生的林可胺類抗生素，主要采用溶媒萃取的方式提取產(chǎn)物。目前林可霉素生產(chǎn)的提取設備大多為多級混合澄清槽，由于混合澄清槽設備體積龐大，占地面積大；占用大量的生產(chǎn)空間和區(qū)域；溶媒儲存量非常大，生產(chǎn)資金占用量大，且混合澄清槽在高溫中運行，溶劑揮發(fā)嚴重，損耗大；現(xiàn)場由于溶劑的揮發(fā)，操作環(huán)境差，危害操作人員的身體健康，且設備不能完全密封，容易引起安全隱患；混合澄清槽運行過程中，設備的清潔、維護困難，需要耗費大量的時間和勞動力。

萃取塔類設備由于具有設備占地面積小，溶劑的儲存量、循環(huán)量及損耗量低，生產(chǎn)環(huán)境友好、易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)勢，在萃取行業(yè)應用廣泛。無攪拌型萃取塔一般只適用于分離要求不高的場合，對于需要理論級數(shù)較高的體系，一般均采用具有機械攪拌型萃取塔。攪拌型塔式萃取設備主要有：scheibel塔、轉盤塔（RDC）、偏心轉盤塔（ARDC）、立式混合澄清塔、渦輪萃取塔（Kühni）、往復板式塔等。

上世紀90年代開始，國內有研究報道用塔式萃取設備替代目前仍在使用的混合澄清槽來提取林可霉素。研究的萃取塔包括填料塔、往復篩板塔，往復振動篩板萃取塔等，如上海醫(yī)藥工業(yè)研究院關于往復篩板萃取塔用于林可霉素萃?。?］；河北工業(yè)大學化工學院關于往復振動篩板萃取塔的放大設計模［2］；天津大學化工學院關于復合萃取劑提取林可霉素機理及填料萃取塔中試研究［3］。以上研究從使用的萃取設備來說，均屬于無機械攪拌類設備。對填料萃取塔來說，盡管隨著填料的不斷研究與發(fā)展，許多新型、高效的填料不斷出現(xiàn)以及再分布器的不斷改進，但林可霉素的提取分離需要的理論分離級數(shù)較多，填料塔難以滿足林可霉素的分離要求。對于往復篩板萃取塔、往復振動篩板塔來說，同樣也存在相同的弊端。所以，無機械攪拌類萃取塔難以滿足林可霉素發(fā)酵液的分離與提取。

隨著液-液萃取技術的不斷發(fā)展，新型的萃取設備也在工業(yè)化進程中不斷被研究。渦輪萃取塔是一種機械攪拌型萃取設備。于20世紀60年代由瑞士Kühni公司提出，在70-80年代在歐洲得到廣泛應用，主要應用于石油化工、制藥、濕法冶金及廢水處理等分離過程。渦輪攪拌萃取塔是一種旋轉攪拌型塔式萃取設備，一連串的篩板將塔體沿軸向分隔成若干個級，每兩塊固定的篩板之間有一個固定在轉軸上的渦輪混合器，通過渦輪混合器在隔室中的轉動以產(chǎn)生特征流型。由于渦輪混合器相對于一般的轉盤對液體具有更強的剪切作用，因此渦輪攪拌萃取塔的攪拌作用要比轉盤塔劇烈得多，可以使液滴得到充分分散，從而有利于傳質［4,5］。Florian Buchbender等對Kühni塔中液滴運動可進行了準確的描述［6］。Alireza Hemmat等設定一系列分散和連續(xù)相速度和攪拌速度來測定Kühni塔的傳質系數(shù)［7］，表明連續(xù)相速度幾乎沒有影響Koda的值，而Koda顯著影響攪拌速率和分散相的速度。目前由華東理工大學主持設計制作的渦輪萃取塔從直徑100 mm至1 800 mm，已有近百套裝置在國內諸多行業(yè)得到運行。塔高從幾米到20多米；攪拌隔室從最少10個到42個不等。目前國內兩家著名企業(yè)各有近20套渦輪萃取塔裝置正在正常使用中。

渦輪萃取塔在國內抗生素行業(yè)目前還沒有應用的實例。本研究擬通過小試實驗裝置的研究，為工業(yè)裝置的設計與應用提供依據(jù)。萃取技術的發(fā)展目前還需要依賴于實驗室的研究，從小試、中試規(guī)模摸索工藝條件，然后再放大到工業(yè)裝置中。由于萃取系統(tǒng)涉及的領域范圍之大，到目前為止還沒有一套完整的設計方法可不依賴于實驗數(shù)據(jù)進行放大的。因此，本研究擬針對林可霉素發(fā)酵液的性質和萃取要求，通過工藝參數(shù)與操作參數(shù)的調整來實現(xiàn)渦輪萃取塔在林可霉素萃取中的應用，并通過林可霉素的應用逐步推廣到其他抗生素的萃取操作中。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

林可霉素發(fā)酵液（華東理工大學）、異辛醇（化學純，上海凌峰化學試劑）、林可霉素標品（天方藥業(yè)），草酸、硫酸鋅、亞鐵氰化鈉、氫氧化鈉、硼砂、甲醇、乙腈、磷酸、氨水。

pH測試儀、抽濾瓶、真空泵、全自動高效液相色譜儀（島津LC—20A）。

1.2 萃取裝置-小試渦輪萃取塔

小試渦輪萃取塔，采用全玻璃塔體，全塔透明，能看清塔內兩相的分散與凝聚，考慮輕重兩相都能作為分散相，所以兩相物料都通過分布器進塔；考慮到調節(jié)并測定轉速的要求，采用變頻調速，并在軸上安裝測速裝置。渦輪萃取塔主體分為有效段、下澄清段與上澄清段。由具有一定開孔率的多塊塔板組成隔室，組成隔室的塔板，以不銹鋼管連接。每個隔室中間裝有一個渦輪攪拌槳。上澄清段的上部有輕相液出口，下部有重相物料的進口。下澄清段有輕相進料口，下端為重相是萃余液出料口。上、下澄清段均設有界面控制裝置連接口，以方便連續(xù)相的轉換。為方便操作本實驗裝置可實行全自動控制，實驗自控裝置采用PID調節(jié)，主要控制輕相與重相的流量調節(jié)，界面控制及轉速的調節(jié)。塔的具體結構參數(shù)見表1。

表1 小試渦輪萃取塔結構參數(shù)Table1 The structure parameter of Turbine extraction tower

1.3 實驗方法

1.3.1 林可霉素檢測方法

采用高效液相法進行檢測，檢測條件色譜柱：4.6 mm×150 mm，C18（ODS-3），檢驗波長214 nm，進樣體積為20μL，流速：1.0 mL/min，流動相：0.05 mol/L硼砂緩沖液（pH=6.0）B：甲醇溶液為4∶6。

標準樣品的配制：取林可霉素標準品用0.05 mol/L硼砂緩沖液配制成1 mg/mL的標準樣品，再稀釋成0.2，0.4，0.6，0.8 mg/mL的標準樣品。

樣品的檢測：先將待測樣品原液，萃余液以及萃取劑進行稀釋合適倍數(shù)，再將樣品與標準樣品一起通過高效液相色譜儀測定不同林可霉素濃度的峰面積。通過標準樣品繪制標準曲線，再通過濃度與峰面積的線性關系求得樣品中的濃度。

1.3.2 林可霉素萃取

將酸化和絮凝處理后的發(fā)酵液濾液調節(jié)效價3 500 U/mL，pH=10.5加入渦輪萃取塔中進行萃取，萃取時塔體溫度為45℃。萃取流程如圖1所示，發(fā)酵液與萃取劑異辛醇分別輸送到重相（分散相）儲槽（V101）和輕相（連續(xù)相）儲槽（V103）中。發(fā)酵液與萃取劑異辛醇分別通過發(fā)酵液和異辛醇輸送泵（P102，P104）輸送到萃取塔內（T105），異辛醇作為輕相在萃取塔的下部進入；發(fā)酵液作為重相，從萃取塔的上部通過各自的分布器進入塔內。塔頂溢出的輕相，作為萃取相進入萃取相貯槽（V106）；重相萃余相在塔的底部流出，進入萃余相貯槽（V107）。

圖1 渦輪萃取塔萃取林可霉素實驗流程圖Fig.1 Flow Diagram Experiment

2 實驗結果與分析

2.1 不同通量的萃取效果

以異辛醇為連續(xù)相，發(fā)酵液為分散相，觀察相同轉速下，不同通量時的塔內流動特征，并測定平衡后萃余液中林可霉素的含量并計算萃取率。以有效操作體積置換2到3倍視為達到實驗平衡，連續(xù)相流量為1.5 L/h、分散相流量為8.2 L/h時，穩(wěn)定操作1 h以上，連續(xù)相流量為1.5 L/h、分散相流量為12.1 L/h時，穩(wěn)定操作1.5 h以上。表2為轉速為350 r/min時不同相比的萃取率。

表2 相同轉速不同通量的萃取率Table2 The extraction rates of different fluxs

從表中數(shù)據(jù)比較可得，在該渦輪萃取塔中，相同的350 r/min的轉速下，異辛醇流量為1.5 L/h時，發(fā)酵液流量為8.2 L/h時的林可霉素萃取率高于12.1 L/h的萃取率，即相比（A/O）為1:5.5的林可霉素萃取率大于相比為1:8.1時的萃取率。當發(fā)酵液流量減小，即溶劑（異辛醇）增加時，分散相的液滴可以與更多的溶劑接觸，并增加了接觸的時間，因此，萃取效果越好。

2.2 不同轉速的萃取效果

以異辛醇為連續(xù)相，發(fā)酵液為分散相，觀察相同流量下，不同轉速的塔內流動情況，并測定平衡后的萃余液中林可霉素含量并計算萃取率。

圖2是不同轉速下的萃取率。

圖2 轉速對萃取率的影響Fig.2 Effect of the rotate speed for extraction rate

當相比1∶8.1時，林可霉素萃取率隨轉速的增大而增大，但增加幅度不大，最高的300 r/min下的萃取率為55.52%，繼續(xù)增大轉速時塔體下部出現(xiàn)液泛。當相比1∶5.5時，300、325、350、375 r/min的林可霉素萃取率隨轉速的增大而增大，并且成線性關系。最高轉速375 r/min下的萃取率可達73.70%。

圖3顯示了當1∶5.5相比時，不同轉速下塔體內的液滴的分布狀態(tài)。

當轉速為300 r/min的情況下，分散相液滴較大、數(shù)量少，滯留量較低，因此萃取率較低。轉速為325 r/min時，發(fā)酵液液滴變小，液滴分布較密、可以看出液滴被渦輪甩到塔壁上，再在塔板上凝聚，進入到下一個隔室，液滴分布情況良好。轉速為375 r/min時液滴的分布情況較325 r/min時更好，液滴大小分布均勻，液滴在連續(xù)相中的分布更為密集，滯留量遠高于低轉速時的滯留量，發(fā)酵液與萃取劑充分接觸，因此萃取效果較為明顯。

圖3 不同轉速液滴分布特征Fig.3 The droplets distribution of different rotate speeds

2.3 分散相滯留率與萃取效果的關系

分散相滯留率是指分散相所占的體積與有效段的總體積之比值，是萃取塔設計中的一個重要參數(shù)。實驗采用置換法測定了1∶5.5相比時，不同轉速下的分散相滯留率，并計算其特征速度。

表3 不同轉速下的分散相滯留率和特征速度Table3 The holdup and characteristic speeds of different rotate speeds

由表3可見，分散相滯留率隨攪拌速度加快而增加，且在低速區(qū)，攪拌速度的變化對滯留率的影響較小，當攪拌速度達到375 r/min時，攪拌速度對滯留率的影響加劇。隨著滯留率的增加，萃取率也呈增加趨勢，這是因為滯留率增加，表明分散相（發(fā)酵液）在連續(xù)相（萃取劑）中接觸面積增加，同時接觸時間也增加，表現(xiàn)在特征速度下降，所以林可霉素可以較為充分地由分散相傳質到連續(xù)相中。

圖4表示的是轉速與滯留率的關系，其中實線表示的是由實際測量值生成的關系曲線，虛線表示的是由轉速較低水平時的不同轉速梯度下分散相體積生成的趨勢線?？梢钥吹?，實際線與趨勢線具有明顯的不同之處，即在轉速較高時出現(xiàn)了明顯的飛躍點。

在多次的實驗中發(fā)現(xiàn)這種飛躍現(xiàn)象跟流型的變化具有高度的一致性。在低轉速下，滯留率低，表明分散相在渦輪塔中與連續(xù)相相接觸面積小，接觸時間短，，萃取效率低，在這種低轉速范圍內即使渦輪的轉速梯度增加（300到350 r/min），其滯留量的增加效果仍然不明顯。Godfrey等（1996）從實驗中觀察到，在低攪拌速度下，液滴的破裂更多地發(fā)生在塔板孔口而不是依靠渦輪的剪切力，液滴徑相混合較少，分散相在塔中停留時間取決于液滴穿過塔板時間，隨液滴不斷破裂變小，液滴在塔中停留時間不斷增加，因此低轉速時分散相滯留率較低，隨著轉速增加，滯留率會有所增加，但對液滴的流型沒有本質的改變，所以滯留率增加不明顯。

圖4 轉速與滯留率的關系Fig.4 The relationship between rotate speed and retention rate

當轉速逐漸升高到達某一特定值，渦輪的剪切力對液滴的分散起主導作用，分散相液滴被渦輪帶動沿徑向甩出，因此，徑相返混加劇，液滴的分散由低轉速依靠塔板孔口的分散轉變?yōu)橐揽繙u輪剪切力的分散，分散相滯留率明顯增加，出現(xiàn)飛躍點（圖3），對流效率明顯上升，接觸時間明顯增長，萃取效果明顯變好。在高攪拌轉速下，滯留率會出現(xiàn)一個極大值，此時萃取過程接近液泛點，萃取率將達到最高。對于本萃取系統(tǒng)375 r/min基本達到臨界值，在此轉速下兩相界面的稍微波動，即有可能會引起液泛。

3 結論

本研究應用自行搭建的小試渦輪萃取塔萃取林可霉素時，研究了不同流量和不同轉速對萃取效果的影響。當萃取溫度為45℃時，輕相流量為1.5 L/h，重相流量為8.2 L/h，轉速375 r/min時，此時的塔體內的流型理想，液滴分散細小，分散相滯留率大，此時的萃取效果最好。

根據(jù)本實驗的研究結果，測算出本實驗條件下，本萃取塔理論塔板數(shù)為4～5級，如果林可霉素要獲得95%萃取率，在同樣萃取條件下，所需的塔板數(shù)為35個。同時根據(jù)研究過程中觀察到塔內的分散相流型，獲得了對塔板開孔率和渦輪大小進行改進的方案，以進一步提高萃取效率，為工業(yè)化設計提供有價值的數(shù)據(jù)。

［1］端衛(wèi)明,尢國芳,李慧,李秋元,石林生.往復篩板萃取塔用于林可霉素萃取工藝[J].中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，1999，30（7）：82-84.

［2］呂建華，劉繼東，張文林，李春利，李柏.往復振動篩板萃取塔的放大設計模型[J].化工學報，2006，57（10）：2508-2514.

［3］高燦，常宏委，陸瑩瑩，申龍，高瑞昶.復合萃取劑提取林可霉素機理及填料萃取塔中試研究[D].化工進展，2014，33（1）：247-252.

［4］毛向榮,于篩成,朱志華,赫崇衡.渦輪攪拌萃取塔的模型研究.化工裝備技術,2007.28(3):23-30.

［5］毛向榮.渦輪攪拌萃取塔特性研究[D].上海:華東理工大學，碩士學位論文，2007.

［6］Florian Buchbender,Armin Fischer,Andreas Pfennig.Influence of compartment geometry on the residence time of single drops in Kühni extraction columns[J].Chemical Engineering Science,2013,104: 701–716.

［7］Alireza Hemmatia,Meisam Torab-Mostaedih,Mehdi Asadollahzadeh. Mass transfer coefficients in a Kiihni extraction column[J].Chemical Engineering Research and Design,2015,93:747-754.

Application of Turbine Extraction Tower in Lincomycin Extraction

LI Zhi-qi1，MAO Long-fei1，LV He-ping2,3*,YE Rui-fang3
（1.School of Petroleum and Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Panjin Campus,Liaoning Panjin 124221，China；2.Topfond Pharmaceutical Co.,Ltd.,Henan Zhumadian 463000，China; 3.School of Pharmacy,East China University of Science and Technology,Liaoning Shanghai 200237,China）

Lincomycin is an effective broad-spectrum antibiotic,it has been widely used.So far,extraction with mixer-settler is widely used in industry to separate lincomycin from fermentation broth,mixed settler needs large site area and solvent consumption.Turbine extraction tower is a high efficient extraction device.In this study,a small turbine extraction tower was applied to investigate the characteristics of droplet distribution and mass transfer of extracting lincomycin under different rotating speed and phase ratio.In the case of the same flow rate,the higher the rotating speed was,the better the extraction effect of the lincomycin was.The results show that,under the same rotating speed and the same light phase flow rate,the lower the heavy phase flow rate is and the higher the phase ratio is,the better the extraction effect of the lincomycin A.On the basis of above research data,the number of mass transfer units and the height of mass transfer unit can be calculated,which can provide valuable data for industrial design.

Turbine extraction tower;Lincomycin;Hold-up;Extraction rate

TQ 465

A

1671-0460（2017）03-0385-04

2015年度河南省重點科技攻關，項目號：152102210285；河南省產(chǎn)學研項目，項目號：142107000081。

2016-10-11

李芷琪（1996-），女，河南新鄉(xiāng)人，大連理工大學盤錦校區(qū)，研究方向：化學工藝學。E-mail：823858036@qq.com。

呂和平，男，河南駐馬店人，天方藥業(yè)有限公司高級工程師，研究方向：制藥工程。