ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ

Важнейшим этапом после ферментации антибиотиков является их выделение и очистка из культуральной жидкости. В культуральной жидкости наряду с антибиотическим веществом, как правило, содержится огромное количество посторонних примесей, очень часто близких по своим химическим и физико-химическим свойствам к антибиотику. Примеси, сопутствующие антибиотическому веществу, представляют собой вещества минерального или органического характера, являются или продуктами биосинтеза, или компонентами питательной среды, а также веществами, добавляемыми в культуральную жидкость для ее предварительной обработки. Концентрация этих веществ часто достигает нескольких процентов и превышает концентрацию антибиотиков в десятки и сотни, а иногда и тысячи раз.

Процесс выделения и очистки антибиотиков представляет собой сложный технологический процесс. Малая стабильность многих антибиотиков и возможность потери их активности при химических превращениях привели к преимущественному использованию для выделения и очистки антибиотиков физико-химических приемов разделения веществ, включая сорбцию, экстракцию и кристаллизацию, т.е. таких процессов, которые не сопровождались резким химическим воздействием на молекулу антибиотика.

Для разделения, выделения и очистки антибиотиков применяются как равновесные, так и кинетические методы. Однако для производственных задач равновесные методы оказались более экономически выгодными и эффективными. Наибольшее значение приобрели здесь сорбционные и экстракционные методы. Равновесные методы могут быть одностадийными и многостадийными. При промышленном применении, а также при изучении свойств антибиотиков имеют большое значение многостадийные процессы, позволяющие значительно улучшать степень чистоты выделяемого препарата.

Предварительная обработка и фильтрация культуральных жидкостей антибиотиков. Предварительная обработка культуральной жидкости и удаление мицелиальной массы являются первой стадией перед выделением и очисткой. Собственно, уже на этой стадии начинается частичная очистка культуральной жидкости от примесей. В зависимости от свойств антибиотика и методов его выделения и очистки выбирается способ предварительной обработки культуральной жидкости. Основной задачей предварительной обработки культуральной жидкости является получение нативного раствора (а в случае нахождения антибиотика в мицелии - мицелиальной массы) с наибольшей степенью чистоты, с наименьшими потерями, позволяющими обеспечить успешное проведение дальнейших операций выделения и химической очистки антибиотика. Большинство антибиотиков выделяются и очищаются из нативного раствора тремя методами: 1) экстракционным, 2) ионообменным, 3) осаждением нерастворимого соединения. При экстракционном методе извлечения антибиотиков из жидкости (пенициллин, эритромицин, новобиоцин) нативный раствор при предварительной обработке должен быть максимально освобожден от примесей, способных образовывать стойкие эмульсии с органическим растворителем. Белковые примеси, как правило, вызывающие образование стойких эмульсий, удаляются или вместе с мицелием с помощью различных химических способов или нагревом жидкости, или тем и другим вместе. Если мицелиальная масса удаляется легко без предварительной обработки, то к нативному раствору добавляют дезэмульгаторы, удерживающие белковые вещества в растворенном состоянии в условиях экстракции. При выделении и очистке пенициллина в качестве дезэмульгатора используется «контакт Петрова» (керосиновый контакт, катексол, ультравет, цетазол). При выделении и очистке эритромицина необходимо удалять из нативного раствора ионы кальция, которые могут при экстракции способствовать выпадению антибиотика в осадок.

В случае применения ионообменного метода выделения антибиотика из нативного раствора последний должен быть максимально освобожден от конкурирующих ионов в случае сорбции на катионитах ионов кальция, магния, железа. Для удаления кальция применяется щавелевая кислота, для удаления магния - фосфаты, для удаления железа - желтая кровяная соль. Если антибиотик выделяется из нативного раствора с помощью осаждения, то из нативного раствора желательно удалить все примеси, способные в этих условиях перейти в осадок.

Одной из основных задач предварительной обработки культуральной жидкости является коагуляция частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Особенно важность этой задачи проявляется при коагуляции и фильтрации культуральной жидкости актиномицетного происхождения или бактериального. Отделение мицелиальной массы от нативного раствора в большинстве случаев связано со значительными трудностями. Это объясняется спецификой осадка, который обычно имеет аморфный, слизистый, бесструктурный характер и быстро забивает поры фильтрующего материала. Большое влияние на процесс фильтрации оказывают качество сырья и сырьевой состав питательной среды. Например, применение соевой муки, жмыхов в составе среды ухудшает фильтрацию жидкости. Применение гидрола вместо глюкозы как источника углевода снижает скорость фильтрации (производство стрептомицина). Неполное потребление питательных веществ, применение жировых пеногасителей на последних этапах ферментации также приводят к ухудшению фильтрации. Для улучшения процесса фильтрации очень важно вовремя прекращать процесс ферментации. Прекращать ферментацию желательно при полном потреблении углеводов, но до наступления разрушения микробной клетки, так как процесс фильтрации автолизированной культуры обычно идет плохо. Кроме того, увеличение длительности ферментации ухудшает качество нативного раствора, увеличивает его пигментацию, содержание белковых примесей. Для коагуляции культуральные жидкости антибиотиков специально обрабатываются. В зависимости от свойства антибиотика, происхождения мицелиальной массы и метода выделения и очистки антибиотика культуральная жидкость для улучшения фильтруемости обрабатывается: 1) кислотной коагуляцией; 2) введением в жидкость электролитов; 3) тепловой коагуляцией; 4) применением наполнителей; 5) образованием наполнителя непосредственно в жидкости. Иногда используется сочетание двух методов. Кислотная и тепловая коагуляция используется в том случае, если антибиотики устойчивы при изменении рН раствора и температуры. Нагревание жидкости увеличивает скорость фильтрации вследствие свертывания и коагуляции белков при высокой температуре, а также благодаря значительному уменьшению вязкости фильтрата. С другой стороны, тепловая коагуляция увеличивает пигментацию нативного раствора и тем самым может ухудшить качество готового продукта.

Для улучшения фильтрации часто применяются наполнители такие, как диатомит или инфузорная земля, перлит и т, д. Хорошим методом коагуляции культуральных жидкостей антибиотиков является метод образования наполнителя непосредственно в жидкости при добавлении реагентов, образующих в ней нерастворимый осадок. Выпадающий в жидкости осадок предотвращает слипание частиц мицелия, способствует образованию гранул, благодаря чему мицелий приобретает комковатую структуру и образует при фильтрации хорошо проницаемый слой. Эффективность этого метода высока и при правильной выборе условий позволяет увеличить скорость фильтрации в 3 - 10 раз (рис. 18).

Исключительно большое влияние на эффективность коагуляции культуральной жидкости оказывают гидродинамические условия процесса. Культуральные жидкости, обработанные при разных гидродинамических режимах, отличаются по внешнему виду. Обработка при слабом перемешивании позволяет получать осадки в виде маленьких комочков, хорошо фильтруемые. С усилением перемешивания коагуляция становится менее отчетливой, жидкость отстаивается медленнее. Осадки после фильтрации получаются более влажными, липкими. Гидродинамические условия при обработке культуральных жидкостей оказывают большое влияяние на фильтруемость их. Так, например, при увеличении скорости фильтрации культуральной жидкости от 1 до 2 м/сек фильтруемость суспензии и степень ее дисперсности практически одинаковы. Дальнейшая интенсификация гидродинамического режима (до ω = 10 м/сек)приводит к ухудшению фильтрационных характеристик суспензии. Следовательно, при фильтрации культуральных жидкостей имеет большое значение не размер кристаллов, а величина гранул, которые образуются при агрегации частиц коагулянта-наполнителя и мицелия. Большое значение для фильтрации коагулированного раствора имеет продолжительность выдержки после обработки. Уменьшение выдержки ниже определенного предела вызывает снижение скорости фильтрации и может в некоторых случаях привести к опалесценции фильтрата. Движущей силой процесса фильтрации является разность давлений по обе стороны слоя осадка, а одной из важнейших характеристик его - скорость фильтрации, т.е. количество фильтрата, получаемого с единицы поверхности в единицу времени. Скорость фильтрации зависит от давления, толщины слоя осадка, структуры и характера осажденного вещества, вязкости жидкой фазы суспензии и других факторов.

Экстракционные процессы. Экстракция широко применяется для выделения и очистки многих химических соединений, в том числе и антибиотиков (и, особенно, когда они - или продукты их соединения с переносчиками не ионизированы в водной фазе). Несмотря на существенный недостаток экстракционных процессов, а именно использование вредных, взрывоопасных органических растворителей, все же она находит широкое применение в промышленности. Во-первых, экстракционные процессы по времени протекают значительно быстрее, чем ионообменные, коэффициенты распределения для некоторых систем очень велики, и это позволяет резко сокращать объемы перерабатываемых растворов. Аппаратурно этот процесс очень легко осуществить непрерывным способом. Особенно интересна экстракция с переносчиком; часто этот вид экстракции называют жидким ионным обменом.

Экстракция с переносчиком. Перенос вещества осуществляется е образованием комплексного соединения с гидрофобным переносчиком. Перенос осуществляется не только за счет переносчика, но и за счет подавления полярных групп в молекуле антибиотика переносчиком. В качестве переносчиков используются (олеиновая кислота, ундециленовая кислота, из оснований - цетазол (цетилпиридиний бромид). Кислота (например, олеиновая) взаимодействует с основанием стрептомицина, образуя соль с большей энергией сольватации в органической фазе, и вещество переходит в органическую фазу. Переносчик может находиться как в водной, так и в органической фазе. Случай, когда переносчик находится в водной фазе, экстракцию можно представить следующим образом:

А+В ↔ (АВ′) _{р-р водный} ↔ (АВ) _{органическая фаза} (1)

Переносчик находится в органической фазе:

А⁺ + В^-С⁺ ↔ А⁺В^- + С⁺ (2)

Компонент В неспособен находиться в водной фазе. В этом случае мы имеем уравнение ионного обмена, и к нему можно применить все законы ионного обмена. Таким образом, если перенос осуществляется с помощью неионизированного переносчика, то используется уравнение (2), а если переносчик ионизирован, то уравнение (1).

Наиболее ярким представителем антибиотиков, где до сих пор успешно применяется экстракционный метод выделения и очистки антибиотиков, является пенициллин. После предварительной обработки культуральной жидкости и отделения осадка она направляется на экстракцию, которая осуществляется с помощью бутилацетата при рН 2; коэффициент распределения при этих условиях может достигать величины 30. Добавляемая при этом серная кислота доводит рН раствора до 2 и этим самым подавляет степень диссоциации пенициллина в водной фазе, превращая его в недиссоциированную пенициллиновую кислоту, которая легко переходит в органическую фазу. Затем бутилацетатный экстракт обрабатывается слабым раствором щелочи и пенициллин в виде соли снова переходит в водную фазу.

Экстракция повторяется еще раз для более полной очистки и концентрирования антибиотика.

Представителем антибиотиков, которые выделяются и очищаются с помощью переносчиков, являются антибиотики тетрациклиновой группы (тетрациклин, окситетрациклин). Наличие в группе этих антибиотиков одной основной и двух кислых групп позволяет использовать в качестве переносчиков этих соединений вещества основного и кислого характера. В качестве кислых переносчиков можно использовать сульфокислоты, фенолы, жирные кислоты, а в качестве жидких анионитов - четвертичные аммониевые основания с длинной углеводородной цепью (С₁₀ - С₃₀).

Схематически химические реакции при этом можно представить следующим образом:

R • СОО^-Na⁺ + окситетрациклин + ↔ РСОО • окситетрациклин⁺ + Nа⁺.

R • N ??? ⁺Hal^- + окситетрациклин ^- ↔ RN ??? окситетрациклин + Hal^-.

Проведенные исследования (С.И. Каплан и др., 1962) говорят о том, что максимальная степень экстракции (95-97%) достигается при применении 5% цетазола в растворителе, взятом в количестве 15% от объема нативного раствора при рН водной фазы 9,5-10,2. Весьма существенным фактором, определяющим процесс извлечения антибиотика, является длительность контактирования двух жидких фаз. Исследования тех же авторов показали, что при оптимальном значении рН равновесие в системе достигается уже в течение первой минуты перемешивания. Важным моментом является последующая реэкстракция окситетрациклина из органической фазы. Использование для этой цели соляной, фосфорной, лимонной кислот хотя и позволяло получать растворы с концентрацией антибиотика 40 000—50 000 ЕД/мл, но эти растворы имеют интенсивную темную окраску. Реэкстракция окситетрациклина 4-5% раствором щавелевой кислоты позволяет получить растворы с концентрацией антибиотика 35 000-45 000 ЕД/ мл со светлой окраской реэкстракта. Вероятно, это явление можно объяснить различной степенью диссоциации окрашенных примесей и свойством щавелевой кислоты взаимодействовать с ними.

Аппаратура экстракции антибиотиков. Современное производство антибиотиков развивается в условиях усилившегося внедрения нового прогрессивного технологического метода выделения - очистки - ионообменного. В связи с этим в аппаратурном оформлении экстракционного метода особенно актуален рациональный выбор конструкций аппаратов и режима их работы с применением экономических показателей.

В химической промышленности используется много принципов экстракции и типов аппаратов, пригодных для экстракции антибиотиков. Если в прежние годы выбор экстракторов производился интуитивно, то в последнее десятилетие благодаря работам Пратта, Г.П. Питерских и Е.Р. Валашека, Д.Е. Шкоропада и И.В. Лысковцева выбор экстракторов может быть сделан довольно строго путем рациональной оценки достоинств и недостатков каждого типа экстракторов.

Своеобразие физико-химических свойств антибиотиков - пенициллина, тетрациклина, эритромицина, бацитрацина и их нативных растворов позволяет выбирать лишь исключительно строгие режимы их экстракции.

Описание конструкций экстракторов. Процесс экстракции слагается из двух элементов, проводимых либо в одном, либо в разных аппаратах:

1) эмульгирования одной жидкости в другой и их взаимного движения, при которых происходит экстракция, и

2) разделения жидкостей.

Современные центробежные жидкостные экстракторы непрерывного действия по способу их работы делят на прямоточные и противоточные. В прямоточных экстракторах раствор и экстрагент, подводимые непрерывными потоками, смешиваются в отдельном аппарате смесителе или в смесительном устройстве экстрактора-сепаратора, затем транспортируются к сепаратору или сепараторному барабану экстрактора-сепаратора. В противоточных экстракторах-сепараторах экстрагент и раствор движутся противоточно в роторе аппарата.

При раздельном непрерывном экстрагировании и сепарировании в качестве прямоточных смесителей-экстракторов применяют:

1) аппарат емкостью 10—20 л с мешалкой или центробежный насос;

2) трубчатый экстрактор, известный под названием трубы Питерских, длиной порядка 10 м, в котором создан развитый турбулентный режим движения жидкости;

3) струйный смеситель типа инжектора.

Смеситель с мешалкой наименее эффективен, поскольку, в отличие от двух других экстракторов, длительность пребывания частиц жидкости в нем различна. Кроме того, концентрация антибиотика в растворе из-за работы мешалки выравнивается во всем объеме и не отличается от концентрации удаляемого раствора. Это уменьшает движущую силу процесса (Г.П. Питерских и Е.Р. Валашек). Для разделения полученных эмульсий применяют тарельчатые сепараторы антибиотических жидкостей САЖ-3М (СССР), снабженные сдвоенными центробежными насосами с напором 1 ат. Производительность сепараторов 2,5 м³/час. За рубежом применяют сепараторы PSBS (ГДР), «Де-Лаваль» (Швеция) и др. При меньших объемах производства используют сверхцентрифуги СГС-100.

Сорбционные процессы. Сорбционные методы выделения и очистки антибиотиков находят самое широкое распространение в промышленности. Они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими методами и поэтому являются исключительно перспективными. Первые сорбционные методы выделения и очистки антибиотиков были основаны на применении молекулярных сорбентов (активированного угля, окиси алюминия и т.д.). Молекулярные сорбенты, такие как активированный уголь, обладают универсальной сорбционной способностью, т.е. одинаково хорошо сорбируют выделяемое вещество и целый ряд других примесей. Исключительно большие возможности синтеза ионообменных сорбентов, сорбентов с различной избирательностью и особенно со специфической избирательностью по отношению к отдельным антибиотикам быстро выдвинули их на первый план.

Молекулярные же сорбенты в настоящее время находят применение на последних стадиях доочистки и удаления пигментных примесей.

Ионообменные сорбенты принадлежат к классу высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых имеют сетчатую или пространственную структуру и в большинстве случаев представляют собой аморфные вещества. Отдельные атомы этих гигантских молекул соединены друг с другом ковалентными связями. Такая структура ионообменных сорбентов и связанное с этим отсутствие растворимости в известной степени нарушают общепринятое представление об электролитах и ионообменных процессах между ними. Диссоциация растворимых в воде кислот или оснований вызывает изменение концентрации водородных ионов. Ионообменные сорбенты также содержат кислотные и основные группы, но их погружение в воду не вызывает изменения в ней концентрации водородных ионов.

Катиониты представляют собой особый класс солей и кислот, которые характеризуются многовалентностью и, обладая громоздкой структурой, практически лишены подвижности. Катион, входящий в состав ионита, подвижен, и только сила электростатического притяжения препятствует ему отделяться в растворитель, поэтому вокруг адсорбента создается ионная атмосфера. Катионы в ионной атмосфере неравноценны по силе их электростатического сцепления с анионом адсорбента, поэтому процесс ионного обмена представляет собою многоступенчатую реакцию.

Ионы водорода или гидроксильные группы ионита свободно диффундируют в фазе сорбента. Вся остальная часть этого нерастворимого электролита, отдельные атомы и группы которого соединены между собою ковалентными связями, лишены подвижности, представляя собой гигантский анион (в случае катионита) или катион (в случае анионита). Таким образом, процесс ионного обмена можно рассматривать как взаимодействие двух электролитов, один из которых (сорбент) содержит практически неподвижный анионный (или катионный) комплекс. Процесс ионного обмена слагается из диффузии ионов растворенного электролита к поверхности зерна сорбента, диффузии ионов растворенного электролита внутрь сорбента, вытеснения подвижного иона из сорбента и диффузии вытесненного подвижного иона из фазы сорбента в раствор.

Классификация сорбентов. Иониты в зависимости от наличия в них ионогенных групп можно разделить на два класса: 1) ионообменные сорбенты, содержащие в своей структуре кислотные группы - катиониты (нерастворимые кислоты); 2) ионообменные сорбенты, содержащие в своей структуре основные группы - аниониты (нерастворимые основания). Разграничение ионитов на кислоты и основания не исключает возможности существования ионитов амфолитов, ионогенные группы которых могут вести себя как кислоты или как основания, в зависимости от рН среды. Существуют также иониты, содержащие одновременно кислотные и основные группы. Все применяемые для сорбции антибиотиков материалы могут быть отнесены к одному из следующих классов: к молекулярным сорбентам, минеральным ионитам или к ионообменным смолам. Среди последних наибольшее значение имеют карбоксильные смолы и сульфокатиониты, а также аниониты различной степени основности.

Самыми распространенными молекулярными сорбентами, применяемыми в производстве антибиотиков, являются активированный уголь и окись алюминия.

Полимерные смоляные сорбенты могут быть синтезированы на основе процессов полимеризации или поликонденсации. Первые из них обычно обладают большей механической прочностью. Тем не менее ряд полимерных сорбентов, полученных путем поликонденсации, также с успехом применяются как в лабораторной практике, так и в промышленности.

Основные требования, предъявляемые к ионитам. Обычно качество ионитов отражают условной оценкой сорбционных свойств ионита (полная емкость сорбента, емкость сорбента при различных рН среды, скорость установления сорбционного равновесия, объем десорбирующего раствора и полнота десорбции); физических свойств ионита в определенных условиях (набухаемость и прочность зерен, теплостойкость и химическая стойкость и т.д.). Весьма желательно, чтобы ионит, применяемый для извлечения ценных ионов из раствора или для очистки того или иного вещества, обладал максимальной емкостью. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы в синтезируемом сорбенте содержалось возможно большее число ионогенных групп на единицу веса, полностью ионизированных в данных конкретных условиях сорбции. Следует при этом помнить, что ионизация оксифенильных групп становится заметной при рН выше 9, ионизация карбоксильных групп при рН выше 5, сульфогруппы полностью ионизированы в кислой среде, амино- и иминогруппы вступают в реакцию ионного обмена в кислой среде, четвертичные аммониевые основания проявляют свойства ионообменного сорбента в нейтральных и даже слабощелочных средах. Иониты, применяемые для хроматографического анализа, должны содержать однотипные кислотные или основные группы. В этом случае легко достигнуть четкого разделения смеси соответствующих антибиотиков или других биологически активных веществ.

При выборе ионитов необходимо также учитывать относительную прочность связи подвижных ионов с ионитом с тем, чтобы десорбция их осуществлялась столь же легко, как и сорбция. Чем больше энергия ионной связи между подвижными и неподвижными ионами сорбента, тем труднее сместить равновесие в период десорбции.

Для набухающих ионитов большое значение приобретает степень набухания его в сорбируемых растворах. С увеличением набухаемости возрастает доступность ионогенных групп, что в свою очередь увеличивает емкость сорбента и скорость установления сорбционного равновесия. С величиной набухаемости тесно связана прочность зерен сорбента. С повышением набухаемости она уменьшается. В условиях резкого изменения степени набухания внутренние напряжения, возникающие в зернах, вызывают их разрушение. Механическую прочность ионита D определяют как отношение объема ионита после отсева пыли V₂ кобъему до встряхивания (в %)

D=V₂ / V₁ * 100

Аппаратура ионообменной сорбции антибиотиков. Аппаратура для сорбционных ионообменных процессов, несомненно, более проста по устройству по сравнению с экстракционной и доступнее по стоимости.

Конструкция ионообменного фильтра, называемого также колонной, для сорбции в динамических условиях должна обеспечивать:

1) постоянное нахождение смолы под слоем раствора;

2) минимальный унос мелких зерен смолы с уходящим фильтратом;

3) минимальную слеживаемость слоя смолы;

4) отсутствие мертвых пространств в сорбенте;

5) незначительное разбавление водой обрабатываемых растворов.

Конструкция, размеры колонн и гидродинамический режим ее работы зависят от механических свойств смолы, ее сорбционной емкости и стоимости. Иониты, применяемые для умягчения и обессоливания воды, например сульфоугли, - это обычно твердые частицы, устойчивые к истиранию, создающие низкое сопротивление потоку жидкости в насадке. Высокая прочность смолы позволяет применить в качестве фильтров обычные емкостные аппараты с эллиптическими крышками и днищем, снабженные поддерживающими устройствами, распределителями и сифонами. Такие фильтры благодаря малой емкости смолы и большой производительности имеют диаметр и высоту слоя смолы порядка 1,5 м. Вода в эти фильтры подается сверху, снизу же - лишь для периодического взрыхления слоя ионита после регенерации.

Для целей деминерализации элюата стрептомицина и других антибиотиков применяют ионообменные фильтры аналогичной конструкции (рис. 20), хотя и меньшего размера, поскольку применяемые для этой цели недорогие смолы, например СБС-1 и ЭДЭ-10, обладают такими же хорошими механическими свойствами.

Для сорбции антибиотиков применяются более дорогостоящие ионообменные смолы, например катиониты КБ-4П-2, КБ-2. Они являются слабосшитыми крупнопористыми ионообменными смолами, обладающими сравнительно небольшой механической прочностью. В набухшем состоянии они, находясь в толстом слое, деформируются под действием силы тяжести и давления нисходящего потока раствора. При этом порозность насадки становится значительно меньше порозности шарообразных недеформируемых частиц (равной 0,4), вследствие чего увеличивается гидравлическое сопротивление для потока раствора и уменьшается площадь контакта зерен смолы с раствором. В связи с этим отечественные предприятия в последние годы перешли к использованию восходящего потока раствора. Раствор подается с линейными скоростями (отнесенными к полному сечению аппарата), немного большими критической, при которой сопротивление слоя становится равным погруженному весу слоя, и зерна переходят во взвешенное состояние. Сорбция в таком псевдоожиженном слое протекает быстрее, увеличивается сорбционная емкость смолы и чистота элюатов.

Критическая скорость нативного раствора для слоя сферических частиц одинакового диаметра определяется по уравнению, дающему погрешность ±25%:

Re _кр = 0,0007 * Аr.

Для полидисперсного слоя вычисляется эквивалентный диаметр зерен. Критическая скорость имеет порядок десятых долей мм/сек. Для предупреждения уноса мелких частиц смолы применяется конструкция фильтра в виде колонны с диаметром 0,4—0,7 м, с расширенной открытой верхней частью, изготовленной из органического стекла. В верхней части колонны скорость раствора уменьшается до величин значительно меньших критической. Унесенная потоком смола улавливается в желобах и возвращается в рабочую часть колонны.

Восходящий поток применяется также при регенерации, когда переход смолы в другую форму, например из водородной формы катионитов в натриевую, сопровождается набуханием смолы и увеличением ее объема раза в два. При подаче раствора сверху такое набухание смолы может разрушить колонну. Восходящий поток полезен также при промывке и взрыхлении слоя смолы. Десорбция антибиотиков, сопровождаемая сжатием смолы, производится нисходящим потоком для увеличения концентрации элюата.

Любой ионитовый фильтр имеет дренажный или опорный слой, нижний и верхний распределитель и устройство (сифон) для поддержания уровня раствора на 0,1—0,15 м выше уровня смолы. Дренажный слой служит для поддержания слоя смолы. Для фильтров с диаметром более 1,5 ж он состоит из слоя гравия, антрацита или другого инертного материала. При меньшем диаметре фильтров используют пористые пластинки или конические колпачки из пластмассы со щелями, имеющими поперечник, равный мелкой фракции зерен смолы, укрепленные в дырчатом ложном днище. Фильтрующую ткань используют реже. Такой дренажный слой служит и распределителем. Распределитель в виде дырчатой трубы, установленный непосредственно над слоем смолы (с учетом набухания) служит для равномерного распределения потока жидкости по сечению фильтра. Неравномерное распределение сильно ухудшает эффективность сорбционного процесса, ведет к возникновению мертвых зон, не омываемых растворов.

Ионообменные фильтры изготовляют обычно из углеродистой стали. Для защиты от коррозии, вызываемой растворами кислот и щелочей, применяется гуммирование или стеклянная футеровка корпуса аппарата и трубопроводов. Такая защита эффективна благодаря отсутствию органических растворителей и повышенных температур растворов. Колонны с диаметром меньше 0,3 м целесообразно изготовить из винипласта, органического или обычного стекла. Прозрачные корпуса колонн очень удобны в работе. Трубопроводы из винипласта имеют недостаточную прочность, поэтому при длительной работе их следует избегать.

Ионообменная аппаратура и технология развиваются по пути ускорения процесса сорбции, автоматизации приготовления растворов для регенерации, автоматизации контроля концентрации раствора, вытекающего из колонны, перевода процесса ионного обмена на непрерывный.

Кристаллизация.Процесс кристаллизации в производстве антибиотиков, как правило, является завершающим этапом и поэтому требует тщательного исследования.

Качество выпускаемого препарата в целом зависит от того, каким образом прошло выделение и химическая очистка его из культуральной жидкости, и, в частности, зависит от правильного соблюдения условий кристаллизации на завершающей стадии.

В настоящее время требования к качеству выпускаемых препаратов повышаются, и это заставляет еще глубже вникать в процессы кристаллизации и искать пути и возможности их использования для получения препаратов в готовом виде. Твердые тела могут быть кристаллическими и аморфными; кристаллическое состояние отличается от аморфного расположением молекул, атомов или ионов в определенном и строгом порядке. Рентгеновский анализ показал, что многие вещества, которые когда-то считались аморфными, имеют правильное расположение молекул, но термин «кристаллический» чаще всего применяется для обозначения высокой степени внутренней упорядоченности, приводящей к образованию определенных наружных граней кристалла. В газах и жидкостях движение молекул свободно и беспорядочно, поэтому физические свойства этих веществ одинаковы по всем направлениям, большинство же кристаллов обладает различными механическими, электрическими и магнитными свойствами в разных направлениях.

Различные вещества могут при кристаллизации давать почти одинаковые кристаллические формы, такие вещества называются изоморфными. Изоморфные вещества часто аналогичны по химическому составу и имеют одинаковые химические формулы. Вещества, способные кристаллизоваться в различные, но химически идентичные формы, называются полиморфными.

Основным условием процесса кристаллизации является получение пересыщенного раствора; находящийся в равновесии с твердой фазой считается насыщенным этой твердой фазой. Из насыщенного раствора сравнительно легко можно получить раствор, содержащий больший процент растворенной твердой фазы. Такой раствор называется пересыщенным. Основные пути получения пересыщенных растворов, а следовательно, и пути создания условий кристаллизации представлены на рис. 21.

Если раствор, представленный точкой А на рис. 21, охлаждается без потери растворителя (линия АВС), то самопроизвольной кристаллизации не произойдет до тех пор, пока не будут достигнуты условия, представленные точкой С. В этой точке кристаллизация может происходить спонтанно, либо ее можно вызвать затравкой, перемешиванием или при помощи механического удара. Для начала кристаллизации может потребоваться дальнейшее охлаждение до некоторой точки D, особенно если вещество обладает хорошей растворимостью. Несмотря на то, что склонность к кристаллизации увеличивается после того, как пройдена лабильная зона, все же иногда кристаллизация не происходит из-за увеличения вязкости раствора и перехода в стеклообразное состояние. Пересыщение раствора может достигаться при удалении из него некоторого количества растворителя испарением. Линия АВ'С' (см. рис. 28) представляет данный процесс, осуществляемый при постоянной температуре. Переход через кривую пересыщения в лабильную зону происходит редко, так как поверхность, от которой идет испарение, обычно в большей степени пересыщена, чем основная масса раствора. Кристаллы, образующиеся на этой поверхности, в конце концов попадают в раствор и затравляют его, прежде чем в основной массе раствора достигаются условия, представленные точкой С'.

На практике чаще всего применяют сочетание охлаждения и испарения. Такой процесс на рис. 21 представлен линией АВ"С".

Кристаллизация и растворение. Обычно процессы кристаллизации и растворения считают равновеликими и взаимносвязанными, и если бы они были по природе диффузионными, то тогда скорость кристаллизации должна равняться скорости растворения при данной температуре и при одинаковых движущих силах, т.е. при одинаковых отклонениях от равновесных насыщенных состояний; все грани кристалла должны расти и растворяться с одинаковой скоростью. Такие условия редко достигаются на практике. Кристаллы обычно растворяются быстрее, чем растут, и различные грани обычно растут или растворяются с различными скоростями, хотя это не всегда наблюдается. Некоторые авторы считают, что кристаллы растворяются быстрее, так как открытые твердые поверхности неодинаковы в каждом случае. Когда кристалл растет, грани его плоские, а когда он растворяется, грани его обычно испещрены ямками, что приводит к увеличению площади контакта между твердой и жидкой фазами. Растворимость кристаллов зависит от их размеров. Растворимость весьма малых кристаллов значительно повышается, и при слишком малых размерах кристаллов мелкие кристаллы будут исчезать из системы, а крупные расти (рис. 22). Это явление вызывает некоторые затруднения в начальной фазе кристаллизации. Первые кристаллы (зародыши) не могут образовываться из-за весьма малых размеров, имеют высокую растворимость. Величина кристаллов зависит от поверхностного натяжения раствора, которое может изменяться в зависимости от содержания присутствующих примесей. Чем больше поверхностное натяжение, тем сильнее его действие в направлении уменьшения общей межфазной поверхности на границе твердое вещество - жидкость. Это условие ведет к образованию кристаллов больших размеров, так как их удельная поверхность (на единицу веса) меньше удельной поверхности мелких кристаллов.

Следует заметить, что крупные кристаллы не могут обладать большой чистотой, вследствие агломерации содержат включения маточного раствора, в то время как мелкие кристаллы отличаются однородностью, но большая поверхность затрудняет их промывку.

Рост кристаллов. Как только в пересыщенной или переохлажденной системе образовались устойчивые зародыши, т.е. частицы больше критического размера, они начинают расти, превращаясь в кристаллы видимого размера. Рост кристаллов зависит от очень многих причин. Остановимся на некоторых из них.

Кривые образования зародышей кристаллизации напоминают по форме криву