МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

жает растворимость белков и увеличивает их способность взаимодействовать с неполярной поверхностью сорбента. Фракционирование связанных белков часто достигается понижением полярности элюента (например, с помощью полиэтиленгликоля). При подборе условий разделения смеси белков при ОФХ обязательно учитывают рН раствора, вязкость и температуру.

9.3.5. Афинная хроматография

Интересным хроматографическим методом является афинная хроматография, основанная на нативной специфичности некоторых биополимеров, особенно если они содержатся в извлечении в небольших концентрациях – менее 1 мкг/мл. В этом методе хорошее разделение достигается за счет специфического взаимодействия между иммобилизованным агентом и растворенным веществом.

Между афинной хроматографией и другими более традиционными методами адсорбционной или ионообменной хроматографии существуют значительные различия. В традиционных хроматографических методах сначала адсорбируются все компоненты смеси, а их разделение осуществляется на стадии десорбции посредством, например, замены концентрации элюента, или концентрации солей в элюенте, или постепенного повышения рН элюента. Специфичность афинной хроматографии определяется в основном на стадии сорбции (рис. 9.2). Поэтому при афинной хроматографии через колонку целесообразно пропускать раствор разделяемой смеси в течение длительного промежутка времени, пока не будет достигнуто насыщение неподвижной фазы, так как только в ней адсорбируются выделяемые соединения. Таким образом, проведение разделения БАВ афинной хроматографией приближается к обычной сорбции в неподвижном слое вплоть до насыщения слоя адсорбента и резко отличается от обычного разделения многокомпонентной смеси, вводимой в колонку однократно в виде концентрированного раствора. В этом методе хорошее разделение достигается за счет специфического взаимодействия между иммобилизованным агентом и растворенным веществом.

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

Колонка с неподвиж-

й

а б в

Рис. 9.2. Схематическое представление афинной хроматографии:

а – ввод смеси веществ; б – разделение; в – элюирование связанного с неподвижной фазой компонента смеси

Сорбентами для афинной хромагографии, в основном, являются полимеры, используемые для гельпроникающей хроматографии, после целенаправленной модификации (агарозы, полиакриламиды, целлюлозы, пористые стекла). При выборе исходного сорбента приходится уделять внимание сокращению размеров доступных областей в порах после введения в них протяженных аффинатов. Поэтому матрицы для биоспецифической хроматографии с объемными аффинатами должны иметь диаметры пор, превышающие в 3 -5 раз сумму хроматографических диаметров макромолекул комплексов антиген-антитело, белок-ингибитор и т.д. Матрицей может быть любой полимер, в той или иной степени удовлетворяющий следующим требованиям:

–крупнопористость гелевой структуры;

–гидрофильность, обеспечивающая хорошее взаимодействие ее с водой и отсутствие неспецифического связывания белков по гидрофобным центрам;

–отсутствие в структуре заряженных групп;

–способность полимера легко активироваться определенными химическими агентами.

Указанным требованиям отвечают синтетические полимеры – полиакриламиды, сфероны, а также крупнопористое стекло и силикагели.

Направленный синтез биоспецифических сорбентов и выбор режимов афинной хроматографии позволяет добиться таких высоких степеней очистки БАВ, которые недостижимы для других хроматографических приемов. За одну стадию степень очистки может достигать 102-103 раз.

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

По своей природе афинная хромагография является вариантом адсорбционной хроматографии и ее основные закономерности близки обратнофазной и другим видам адсорбционной хроматографии.

9.3.6. Электрофорез

Электрофорезом называют разделение БАВ благодаря различной скорости их перемещения в электрическом поле. Постоянная скорость Ue достигается частицей с зарядом q, в жидкой среде под влиянием электрического поля с напряженностью Е, определяется балансом.

	сопротивлениежидкойсреды,			электростатическая
						= qE
	действующеена частицу		=	сила
Для глобулярных белков можно использовать закон Стокса в применении

к сопротивлений сферы радиуса rp, движущийся в ньютоновской жидкости с вязкостью µc:

	сопротивление жидкойсреды,
			= 6πrp µcUe
	действующеена частицу

так что

	qE
Ue =		.	(9.3)
	6πµ r
	c p

Поскольку в общем случае каждый белок имеет свой собственный, только ему результирующий заряд, то наложение электрического поля приводит к тому, что разные белки движутся с разными скоростями. Таким путем смесь нескольких белков можно разделить на индивидуальные компоненты. Посредством изменения рН можно регулировать электрофоретическую подвижность белка. Если pl данного белка меньше рН среды, то его заряд и скорость будут отрицательными. Напротив, белки с pl > рН будут двигаться в положительном направлении. Этот принцип положен в основу одного из методов определения pl белков и других веществ; в градиенте рН pl белка равна рН, при котором его электрофоретическая подвижность Ue равна нулю.

В методе электрофореза в потоке жидкая фаза двигается перпендикулярно направлению электрического поля, что позволяет осуществлять непрерывное разделение. При электрофорезе в геле на движение молекул БАВ влияют процессы адсорбции и десорбции, а также сопротивление диффузии.

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

9.3.7. Кристаллизация

Процесс образования и роста кристаллов из растворов и газовой фазы называют кристаллизацией. Обычно вещества имеют строго определенную кристаллическую решетку, за исключением полиморфных веществ. Ряд веществ образуют кристаллогидраты, причем количество включенных молекул воды зависит от температуры. Для образования кристаллов из растворов необходимо пересыщение раствора, определяемое разностью исходной концентрации и равновесной концентрации насыщения. Кристаллизация происходит, когда переход вещества из жидкого в твердое состояние сопровождается уменьшением свободной энергии системы.

Для получения крупнокристаллического порошка кристаллизацию ведут при малом пересыщении, в раствор вводят затравочные кристаллы, мелкие кристаллы удаляют в процессе кристаллизации, кристаллический продукт повторно обрабатывают в насыщенном растворе (при этом мелкие кристаллы растворяются), вводят в раствор посторонние примеси, повышают температуру (ограниченно).

Различают методы кристаллизации:

–выпаривание растворителя (изотермический);

–охлаждение горячих растворов (изогидрический);

–одновременное охлаждение и выпаривание (комбинированный);

–добавление в раствор других веществ, препятствующих растворимости (высаливание);

–вымораживание.

Схемы кристаллизации подразделяют:

–однократная (с полным возвратом извлечения и периодически полным сливом, с частичным его возвратом, с частичным возвратом после дополнительного упаривания и кристаллизации),

–двукратная с такими же манипуляциями, причем на слив подают раствор после первого кристаллизатора, а после второго – насыщенный раствор возвращают в первый кристаллизатор.

В фармацевтической промышленности кристаллизацией выделяют твердые вещества из их растворов, разделяют смеси веществ на фракции и очищают их от примесей. Для очень глубокой очистки термолабильных веществ следовало бы использовать зонную плавку, для разделения эфтетических расплавов

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

или веществ с низкими коэффициентами распределения – экстракционную кристаллизацию. При разделении эфтетических и азеотропных расплавов целесообразно сочетать процессы кристаллизации и ректификации.

9.3.8.Экстракция в системах жидкость-жидкость

Воснове жидкостной экстракции лежит переход вещества из одной жидкости (раствора) в другую, нерастворимую или ограничено растворимую в первой. В результате взаимодействия экстрагента с исходной жидкостью получают экстракт-раствор извлеченных веществ и рафинат – остаточный исходный раствор, обедненный извлекаемыми веществами и содержащий некоторое количества экстрагента. Метод экстракции позволяет не только извлечь целевой компонент из раствора, но и отделить его от значительного числа сопутствующих примесей и сконцентрировать.

Переход веществ происходит при наличии разности концентрации между жидкими фазами по закону равновесного распределения между жидкими фазами до динамического равновесия между ними. Согласно этому закону, отношение равновесных концентраций распределяемого между двумя жидкими фазами веществ есть величина постоянная (для данной температуры), называемая коэффициентом распределения.

Процесс экстракции в системах жидкость-жидкость складывается из следующих стадий: смешивание исходного раствора с экстрагентом для создания между ними тесного контакта, разделение двух несмешивающихся жидких фаз, регенерация экстрагента, т.е. удаление его из экстракта (раствора) и рафината.

Количество извлеченного вещества увеличивается с ростом продолжительности экстракции. Однако для многих биологически активных веществ, лабильных в процессе экстракции, время экстракции необходимо сокращать. Кроме того, переработка больших объемов жидкости (десятки тонн) также требует уменьшения продолжительности экстракции.

Для того чтобы увеличить скорость процесса экстракции, необходимо максимально увеличить поверхность взаимодействия между фазами. Это может быть достигнуто интенсивным диспергированием экстрагента на мелкие капли

сравномерным распределением их в другой жидкости. При этом не только возрастает площадь поверхности соприкосновения фаз, но и значительно уменьшается сопротивление переходу извлекаемого вещества. Однако многие извле-

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

чения содержат белки, высшие амины и др., которые являются эмульгаторами. При диспергировании экстрагента в нативной жидкости образуется стойкая эмульсия, неполное разделение которой приводит к потере, как целевого компонента, так и растворителя. Наиболее эффективно разрушение эмульсии происходит под действием центробежных сил. Длительность разрушения эмульсий должна быть минимальной (не более 10 с). Поэтому экстракцию БАВ проводят либо в центробежных экстракторах-сепараторах, в которых одновременно осуществляются процесс экстракции и разрушение образовавшейся эмульсии, либо в две стадии – в одном аппарате процесс экстракции, а в центробежных сепараторах или суперцентрифугах разделения эмульсии.

Увеличению скорости процесса экстракции способствует также создание противоточного движения жидкостей. В этом случае еще не содержащий целевого компонента экстрагент контактирует с обедненным раствором, тогда как при прямотоке насыщенный целевым компонентом экстрагент контактирует с исходным раствором.

Жидкостная экстракция может быть ступенчатой и непрерывной. Ступенчатая экстракция делится на одноступенчатую, которая проходит в одном аппарате, многоступенчатую – экстракция протекает в нескольких аппаратах. Многоступенчатая экстракция может быть прямоточной и противоточной.

В промышленности применяют разнообразные технологические схемы экстракционных процессов. Аппараты для жидкостной экстракции работают на принципе механического перемешивания и гравитации. Аппараты, работающие на принципе механического перемешивания - это колонны с мешалкой и центробежные экстракторы, использующие центробежную силу для смешивания и разделения фаз. В гравитационных аппаратах используется разность плотностей растворителей. На принципе гравитации работают различные насадочные колонны, с ситчатыми тарелками, колонного типа, распылительные и других конструкций.

На заводах малой производительности применяют периодическую экстракцию, которую проводят в аппарате с мешалкой и коническим днищем типа делительной воронки. На предприятиях, где перерабатываются десятки и сотни тонн извлечения в сутки, применяется непрерывная экстракция. Полученная в результате непрерывного процесса эмульсия подвергается разделению в тарельчатых сепараторах или трубчатых сверхцентрифугах. Из многочисленных

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

конструкций аппаратов для жидкостной экстракции в фармации наиболее эффективны экстрактор центробежный роторный ЭЦР-100 и центробежный экстрактор Подбильняка.

Наиболее эффективны непрерывные процессы экстрагирования, осуществляемые в многоступенчатых аппаратах при противотоке исходного раствора. В этом случае наиболее полно используется движущая сила процесса массообмена, а заданная степень экстрагирования достигается при наименьшем расходе экстрагента. Число теоретических ступеней равновесия определяется ступенчатым построением между кривой распределения и рабочей линией, уравнение которой определяется из материального баланса.

По длине аппарата неизменяющиеся потоки исходного раствора и экстрагента двигаются навстречу друг другу. Исходный раствор истощается и концентрация экстрагируемого вещества увеличивается в рафинате, выходящем из колонны, имеющей несколько ступеней. Каждая ступень является порогом, где происходит отдача экстрагируемого вещества из исходного раствора в экстрагент.

При экстракционном разделении нескольких компонентов (А, В, ...), особенно при их близкой растворимости, часто используется экстрагирование с двумя экстрагентами, при котором исходная смесь поступает в среднюю часть колонны, а экстрагент – в нижнюю. В этом процессе компонент А переходит в фазу одного экстрагента, а компонент В – в фазу другого. Некоторые конструкции многоступенчатых аппаратов для непрерывной противоточной экстракции схематически изображены на рис. 9.3. Эффективность этих аппаратов обычно оценивается КПД отдельных ступеней или высотой (длиной).

Для того, чтобы получить устойчивые эмульсии используются конструкции, способные обеспечить сильное эмульгирование.

Целесообразно использовать аппараты, в которых достигается хороший контакт фаз зa счет контакта фаз без их эмульгирования. Выгодно использовать конструкции различных модификаций, с тем, чтобы каждая ступень была на порядок выше.

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

т.ф. 2 л.ф.

1			т.ф.

л.ф.

2

л.ф. т.ф.

л.	ф. 1		6					л.ф.					л.ф.
		т.ф.
													т.ф.
							1
			3				5
												9
							8
			4				7
		л.ф.						л.ф.					л.ф.
	т.ф.		6					т.ф.			т.ф.
													1

Рис. 9.3. Схемы экстракционных колонн:

л.ф.

т.ф.

11

10

7

т.ф.

а – распылительная колонна; б – колонна с ситчатыми тарелками; в – насадочная колонна; г – роторно-дисковой экстрактор; д – колонна с чередующимися смесительными и отстойными насадочными секциями (колонна Нейбелля);

1 – колонна; 2 – распылители, 3 – ситчатая тарелка, 4 – переливные трубы, 5 – насадка, б – распылители, 7 – вал, 8 – плоский ротор, 9 – кольцевые перегородки, 10 – мешалки, 11

– насадка; л.ф. – легкая фракция, т.ф. – тяжелая фракция

Распылительный экстрактор (а) – это полая колонна, заполненная одной из жидкостей – сплошной фазой – тяжелой жидкостью. Для создания большей поверхности контакта фаз другая жидкость распыляется при помощи распределительного устройства в сплошной фазе.

На определенном уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделенный от сплошной фазы поверхностью раздела. Иногда сверху и снизу экстракционная колонка расширена, что способствует лучшему отстаиванию фаз. Из этого распылительного экстрактора жидкость поступает в колонну с ситчатыми тарелками (б) для перетока сплошной фазы. В колонке при помощи специального механизма (пульсатора) жидкости сообщаются колебаниями небольшой амплитуды и определенной частоты. В качестве пульсатора используют бесклапанный поршневой насос, присоединенный к днищу колонны. При пульсировании происходит тонкое диспергирование одной из фаз, что обуславливает интенсивную массопередачу. Таким образом, идет равномерное и постепенное разделение фаз в чередующихся колоннах различных модификаций. Следующая колонка, в которую поступает жидкость – насадочная (в). Внутри она заполнена насадкой, сверху и снизу находятся распылители, по-

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

дающие две несмешивающиеся жидкости. Сверху поступает тяжелая фракция, а снизу легкая, движущиеся навстречу друг другу. Насадка предназначена для создания поверхности контакта фаз. Жидкости сливаются, и образуется дисперсная фаза, отделенная от тяжелой фракции поверхностью насадки. Легкая фракция переходит через сплошную фазу, образовывая дисперсный слой, который задерживается на насадке. Фракции, пройдя друг через друга, поступают в роторно-дисковой экстрактор (г), где происходит дальнейшее экстрагирование. Роторно-дисковая колонна имеет вал, на котором расположены плоские роторы. На стенках колонны находятся кольцевые перегородки. В таких колоннах для уменьшения обратного перемешивания и для турбулизации потоков фаз установлены насадки – перегородки в виде тарелок или колец. При движении ротора вала и ротора контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (коалесценции капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками. При контакте тяжелая фракция стекает вниз, а дисперсная фаза остается на перего- родках-кольцах.

Дальнейшее экстрагирование происходит в колонне с чередующимися смесительными и отстойными насадочными секциями (д). Колонна имеет насадки, чередующиеся с мешалками, предназначенными для смешивания фаз под действием центробежной силы. На горизонтальном валу вращаются насадки. Контактируемые жидкие фазы подаются с помощью насосов через вал по каналам. Тяжелая жидкость подводится к периферии насадки. Жидкости движутся противотоком, они многократно смешиваются при истечении через отверстия в перегородке, и разделяются под действием центробежных сил. Рафинат и экстракт удаляются также через обособленные каналы вала. Аппараты этого типа отличаются высокой интенсивностью разделения.

Такие аппараты, применяемые в много тоннажном производстве, обладают высоким КПД ступени (90%). Диаметр их доходит до 6 м, высота – до 4 м. а производительность превышает 100 м3/час.

Описанные колонны имеют разный принцип действия. В гравитационных аппаратах происходит экстрагирование за счет разностей плотностей двух несмешивающихся жидкостей. К таким аппаратам относятся насадочные колонны, распылительные колонны и колонны с ситчатыми тарелками.

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

Следующие два экстрактора работают по принципу механического перемешивания, за счет центробежной силы идет смешивание и разделение фаз. Это роторно-дисковый экстрактор и колонна с чередующимися смесительными и отстойными секциями.

Значительное распространение получили ящичные экстракторы (рис. 9.4.), представляющие собой разновидность смесительно-отстойных аппаратов.

В этих аппаратах вертикальными перегородками отделены ступени, каждая из которых состоит из смесительной и отстойной камер. В каждой ступени движение фаз прямоточное, а по аппарату в целом - противоточное. Транспортировка жидкостей из ступени в ступень осуществляется турбинными мешалками. Такие смесительно-отстойные экстракторы могут работать с любым соотношением раствора и экстрагента, сохраняя рабочее распределение концентраций в ступенях при остановках. Смесительно-отстойные экстракторы, особенно ящичные, можно собирать в батареи, состоящие из практически любого числа ступеней, что делает их весьма перспективными при экстрагировании трудноразделимых компонентов. Отдельные секции этих аппаратов могут использоваться для однократной периодической и непрерывной экстракции, а группы их – для перекрестной.

1 2 3 4 5

9

8	7		6

Рис. 9.4. Устройство ящичного экстрактора:

1 – камера смешивания; 2 – жалюзийная перегородка; 3 – отстойная камера; 4 – граница раздела фаз; 5 и 6 – резьбовые трубки с перекрывающимися окнами; 7 – рециркуляционная труба; 8 – всасывающий коллектор; 9 – турбинная мешалка

В химико-фармацевтической промышленности широко применяют разнообразные центробежные экстракторы, в которых смешивание и разделение жидкостей происходит в поле центробежных сил. Рабочий орган некоторых экстракторов (ротор) состоит из набора перфорированных цилиндров или спи-

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

ральных лент. Эти машины обеспечивают высокую производительность (до 120 м /час при диаметре ротора 1,2 м). Устройство трубчатого центробежного экстрактора представлено на рис. 9.5.

Цилиндрический барабан (3) имеет скорость вращения 1500-5000 об/мин. Внутри барабан разделен перфорированными перегородками (7) на ряд экстракционных II, IV, VI и сепарационных I, III, V, VII участков. Жидкости поступают в барабан по обособленным каналам, проходящим внутри неподвижного цилиндра (4). Тяжелая жидкость подается по каналу (2) в нижний экстракционный участок VI, легкая – по каналу (6) в верхний экстракционный участок II. Двигаясь в барабане противотоком, жидкости многократно перемешиваются, проходя между неподвижными перфорированными дисками (5), закрепленными на цилиндре (4).

Тяжелая		Тяжелая
жидкость		жидкость

	Легкая
						Легкая
	жидкость
						жидкость
		Легкая
					Тяжелая
		жидкость			жидкость

Рис. 9.5. Трубчатый центробежный экстрактор

Эмульсия, образовавшаяся при этом, предварительно расслаивается при прохождении через перфорированные отбойные перегородки (7), которая сделана в виде нескольких дисковых иди конусных тарелок. Окончательное разделение фаз происходит под действием центробежной силы в сепарационных участках. Жидкие фазы (экстракт и рафинат удаляются из экстрактора через

МАКСИМАЛЬНО-ОЧИЩЕННЫЕ И ПРЕПАРАТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

обособленные каналы: легкая – через верхний кольцевой слив (8), тяжелая – через нижний (I).

В некоторых производствах такие аппараты, обеспечивая весьма незначительное время контакта фаз, являются незаменимыми, кроме того, такие экстракторы применяются при очень малой разности удельных весов обоих фаз, при образовании стойких эмульсий и др.

Применяемые ранее распылительные колонны, механический, горизонтальный экстрактор с вращающейся насадкой, показали их неудобство в работе (частые промывки экстракта, не герметичность установок, необходимость строгого и постоянного контроля). Предложенный центробежный экстрактор многоступенчатый очень компактен, высокоэффективен, мало металлоемкий, мало энергоемкий. Не дает эмульсий, очень легко увеличить степень извлечения введением дополнительных ступеней.

Каждый экстрактор установки имеет камеру смешивания и камеру разделения (ротор). В камере смешивания с помощью мешалки идет экстракция действующих веществ. В роторе происходит разделение водной среды и экстрагента за счет разности плотностей под действием центробежных сил. После разделения растворы поступают на следующую ступень. Подача растворов в установку осуществляется по принципу противотока.

Водный концентрат поступает в установку через ротаметр на последнюю секцию и заполняет всю установку. А в первую секцию подают экстрагент, тоже через ротаметр. Пройдя последовательно все стадии установки, экстрагент противотоком извлекает БАВ из водного концентрата и поступает в сборник. В процессе экстракции плавно устанавливают скорость подачи смеси и водного концентрата.

После установления режимных скоростей подачи растворов для достижения заданной степени истощения водного концентрата продолжают сбор концентрата в промежуточный сборник, после чего слив уже истощенного водного концентрата переключают в сборник-отстойник.

По окончании процесса экстракции перекрывают подачу смеси и водного концентрата и отключают установку. С помощью вакуума освобождают центробежные экстракторы от остатков растворов в промежуточный сборник.