阿福菌素晶體生長動力學(xué)

＊陶中東

（東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 江蘇 211189）

抗生素是二戰(zhàn)結(jié)束后逐漸興盛的抗菌藥，在二十世紀(jì)六七十年代達到鼎盛期，后來由于其它新藥的不斷涌現(xiàn)以及其本身的缺陷，其發(fā)展趨于平緩直至下降?？捎捎诳股丿熜Ц?、生產(chǎn)簡單易行、價格便宜以及其它方面的一些優(yōu)點，在醫(yī)療上仍具有不可替代的作用。大環(huán)內(nèi)酯類抗生素僅次于－內(nèi)酰胺類與氨基糖苷類抗生素，在臨床上占有重要地位。同其它抗生素相比，大環(huán)內(nèi)酯類抗生素具有以下特征：對一般細(xì)菌引起的呼吸道感染很有用；對－內(nèi)酰胺類抗生素?zé)o效的支原體、衣原體及軍團菌等有效；對彎曲桿菌、幽門螺桿菌和鳥結(jié)核分枝桿菌有較強的抗菌活性；血藥濃度不高，變態(tài)性反應(yīng)少。

阿福菌素是由阿福菌素鏈霉菌產(chǎn)生的十六元大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，它是由很多組分組成的，它的抗菌能力很弱，但對線蟲等多種寄生蟲與蚤、虱、蜱等節(jié)肢動物有很強的活性，是引人注目的抗寄生蟲藥。

結(jié)晶是制備純物質(zhì)的有效方法，尤其在抗生素工業(yè)中，目前除鏈霉素是由濃縮液借噴霧干燥制成固體成品外，其它重要抗生素的生產(chǎn)一般都有一個結(jié)晶過程。作為一種純化和精制方法，抗生素結(jié)晶具有很多優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊?？捎捎诮Y(jié)晶過程的復(fù)雜性，各種物質(zhì)的結(jié)晶在不同的條件下具有各自不同的特點，迄今為止，仍沒有結(jié)晶過程的普適性機理和動力學(xué)。本文就阿福菌素結(jié)晶過程的生長動力學(xué)在理論方面和實驗方面做了一些探討性研究。

1.晶體生長動力學(xué)理論

晶體生長速率在結(jié)晶過程中是重要的參數(shù)，可不同的研究者在研究同樣的體系過程中，即使在非常相似的實驗條件下，也往往會得出相距很遠(yuǎn)的結(jié)果來，有時甚至相差一個數(shù)量級以上。晶體成核和生長速率取決于溫度，過飽和度，晶體大小，不純物以及結(jié)晶器中的流體力學(xué)條件等。為了獲得更可靠的實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果，測量手段和分析方法的改進和完善是至關(guān)重要的。從MSMPR的結(jié)晶實驗中獲得成核和生長動力學(xué)，是獲取動力學(xué)參數(shù)常用的方法，可采用這種方法，對結(jié)晶操作和儀器設(shè)備的要求很高，經(jīng)常不能滿足所要求的條件，因而從非穩(wěn)態(tài)的間歇結(jié)晶器中決定成核和生長速率參數(shù)越來越引起人們的關(guān)注。

Tanimoto等[1]和Jones等[2]在間歇結(jié)晶實驗中研究得到了一種可以方便獲得晶體生長速率與過飽和度之間關(guān)系的方法，在等溫過飽和溶液中加入一定量的晶種，記錄下過飽和度隨時間的變化，根據(jù)質(zhì)量平衡就可以得到生長速率與過飽和度下降之間的關(guān)系。Garside等[3]從過飽和度對時間的一階導(dǎo)數(shù)中得到晶體冪級數(shù)生長的生長速率常數(shù)。這種方法過飽和度的測量以及過飽和與時間關(guān)聯(lián)的要求也是很高的，采用不同的方式關(guān)聯(lián)，得到的結(jié)果甚至?xí)笙鄰酵ァalwe等[4]通過測量過飽和度與時間的關(guān)系用非線性最優(yōu)化技術(shù)回歸可同時獲得成核和生長動力學(xué)。Tavare等[5]和Qiu等[6]測量間歇結(jié)晶過程中晶體尺寸分布的變化以及過飽和度的變化，根據(jù)質(zhì)量平衡和粒數(shù)平衡可同時得到成核和生長動力學(xué)。

工程上，在結(jié)晶器設(shè)計和評估過程中，等溫條件下，在間歇結(jié)晶器中進行結(jié)晶生長的研究，如果作以下假設(shè)：

結(jié)晶過程中，體積保持恒定；

晶體保持相同的形狀；

不考慮晶體破裂與聚集；

同加入的晶種量相比，成核引起的過飽和度降低可以忽略；

系統(tǒng)充分混合，在空間上不存在溫度梯度與濃度梯度；

不考慮晶體的生長擴散，所有相同尺寸的晶體具有相同的生長速率。

那么晶體生長簡單地用冪型關(guān)系式：

生長速率常數(shù)與溫度的關(guān)系用阿侖尼烏斯方程表示：

2.實驗與結(jié)果

乙二醇中阿福菌素濃度的確定，取適量（通常0～10l）的阿福菌素乙二醇溶液，和3ml甲醇一起放到比色皿中，在波長246nm下測量吸光度值，空白為3ml的甲醇加與試樣同體積的乙二醇。阿福菌素在紫外區(qū)的線性范圍是如此狹窄，為此測量之前須用100L微量進樣器進行稀釋。

間歇結(jié)晶在一個夾套釜中進行，簡圖如圖1所示。用不銹鋼制作的螺旋槳攪拌器攪拌。通過加入稀釋的氫氧化鈉和硫酸液來控制pH，取樣通過取樣口，溶液濃度的取樣用抽濾器，濾膜為兩層：混合纖維素酯微孔濾膜（0.22μm）和精密濾紙。溫度通過控制恒溫槽中的水溫和水浴流量來改變。線性溫度是通過以下辦法得到的：定時轉(zhuǎn)動接點溫度計的懸鈕半圈，記錄下結(jié)晶器中不同時刻的溫度，以時間對溫度作圖可以看出，溫度基本上與時間成線性關(guān)系，這就能夠非常簡單地得到線性升溫方式。

圖1 間歇結(jié)晶裝置簡圖

將適量阿福菌素粉末晶體溶解到乙二醇中，加入間歇結(jié)晶器中，緩慢降溫到飽和溫度以下，保溫30min，磁力攪拌保持相對混合均勻，然后加入已知量的相同篩分的阿福菌素晶體，并開始計時，每隔一定時間，抽取少量的溶液，測量其清液濃度，第一個樣一般在計時開始后2min進行，考察溶液濃度隨時間變化的情況。分別測量了在保溫26℃、35℃、 41.0℃和46.5℃這4種溫度下，阿福菌素溶液濃度隨時間變化情況。

測量的阿福菌素溶液濃度與時間的關(guān)系，用契比雪夫四次多項式關(guān)聯(lián)，任意時刻晶體總的生長動力學(xué)可以計算獲得。每個操作在得到了溶液濃度和總的生長速率與時間的關(guān)系后，就可以根據(jù)式（1）用非線性最優(yōu)化方法，獲取參數(shù)的值。首先離散化時間t，tj=2+jh，其中h為步長，則在時間tj時，過飽和度和晶體生長速率表示為：

用最小二乘法估算參數(shù)kg、g的值，使下面的目標(biāo)函數(shù)最小。

回歸得到生長動力學(xué)參數(shù)，表中kg的單位是(g/L)1-g· cm-2·min-1結(jié)果如表1所示。

表1 回歸的阿福菌素生長動力學(xué)參數(shù)及其偏差

從表1可以看出，不同溫度下kg變化很明顯而冪級數(shù)變化很小。溫度對晶體生長的影響是非常顯著的。由于固液界面張力非常高，自發(fā)成核幾乎是不可能的。阿福菌素晶體成核主要是通過非均相成核和二次成核實現(xiàn)，前者是因為有第二相（非結(jié)晶物質(zhì)）的存在而降低了成核的活化能，后者是由于有晶種存在而誘發(fā)成核，因為加入的晶種是相同篩分，晶體的大小變化不大,在較小的過飽和度下，晶體尺寸大小對總生長速率的影響并不十分明顯。在結(jié)晶過程中，發(fā)生其中41℃和46.5℃時阿福菌素濃度和生長速率隨時間變化情況分別如圖2和圖3所示。圖中散點是實驗計算值，結(jié)果顯示，曲線擬合效果很好。

圖2 在41℃時阿福菌素濃度和生長速率隨時間變化情況

圖3 在46.5℃時阿福菌素濃度和生長速率隨時間變化情況

阿福菌素生長動力學(xué)常數(shù)同溫度之間的關(guān)系用式（2）表示，同樣使用最小二乘法回歸得到：

這樣在25℃-50℃的研究溫度范圍內(nèi)，冪級數(shù)使用均值，阿福菌素在乙二醇中的晶體生長動力學(xué)可表示為：

3.結(jié)論

通過測量間歇結(jié)晶過程中阿福菌素溶液濃度隨時間變化情況，使用非線性優(yōu)化技術(shù)回歸得到了阿福菌素在乙二醇溶液中結(jié)晶生長動力學(xué)RG,AVE=exp(56.91-21150/T)△c2.13。從間歇結(jié)晶器中獲得阿福菌素的結(jié)晶生長動力學(xué)是非常簡便快捷的，從回歸參數(shù)的偏差分析來看，從工業(yè)應(yīng)用角度也是能接受的。