王立志， 劉慶芬， 劉俊果

(1．河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018;2．河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050018;3．中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

土霉素鹽酸鹽在不同溶劑中溶解度的測(cè)定與關(guān)聯(lián)

王立志1，2， 劉慶芬3， 劉俊果1，2

(1．河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018;2．河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050018;3．中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

采用平衡法測(cè)定了土霉素鹽酸鹽在甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇4種短鏈醇與少量水、少量氯化鈣混合溶劑中，溫度范圍為0～55℃的溶解度，結(jié)果表明在短鏈醇中加入少量水、少量氯化鈣能明顯的增加土霉素鹽酸鹽在短鏈醇中的溶解度．采用多項(xiàng)式經(jīng)驗(yàn)方程和半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)結(jié)果表明溶解度方程在研究的濃度和溫度范圍內(nèi)適用，且多項(xiàng)式經(jīng)驗(yàn)方程優(yōu)于半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型．土霉素鹽酸鹽在溶劑中的溶解度的測(cè)定與關(guān)聯(lián)為土霉素鹽酸鹽的工業(yè)生產(chǎn)、回收提純以及理論研究提供了重要的固液相平衡數(shù)據(jù)．

溶解度;溶解度模型;土霉素鹽酸鹽;短鏈醇

土霉素鹽酸鹽是一種四環(huán)素類抗生素，分子式為C22H24N2O9·HCl，黃色結(jié)晶性粉末．土霉素是一種廣譜抑菌劑，廣泛用于革蘭氏陽性及陰性細(xì)菌感染，作為生長(zhǎng)促進(jìn)劑，土霉素常用做飼料添加劑［1－2］．

土霉素鹽酸鹽的制備工藝主要包括發(fā)酵液預(yù)處理→過濾→脫色→結(jié)晶→土霉素堿→酸醇溶解液→活性炭脫色→冷卻結(jié)晶→干燥→土霉素鹽酸鹽成品［3］．在較高溫度下用酸醇溶解土霉素堿而在低溫冷卻條件下結(jié)晶是其主要的工藝原理，在土霉素鹽酸鹽業(yè)生產(chǎn)中最多使用的是甲醇和正丁醇為溶解溶劑，為了減少短鏈醇的單耗，需對(duì)短鏈醇進(jìn)行回收再利用，工業(yè)目前采用最廣的回收方法為雙塔回收．因此了解土霉素鹽酸鹽在酸醇中的溶解度相當(dāng)重要，但有關(guān)土霉素鹽酸鹽在水相中的溶解度數(shù)據(jù)很少且不系統(tǒng)，在有機(jī)溶劑中的溶解度變化規(guī)律的研究報(bào)道亦較少［4－6］．然而土霉素鹽酸鹽在短鏈醇溶劑中的溶解度對(duì)于它的提取工藝條件優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義，因此有必要進(jìn)行這方面的測(cè)定與研究．

1 材料和方法

1.1 試劑與儀器

土霉素鹽酸鹽由圣雪大成制藥有限責(zé)任公司提供，采用島津高效液相色譜儀進(jìn)行純度分析．色譜條件為 LunaC18型色譜柱(250 mm ×4.6 mm，5 μm);流動(dòng)相為草酸銨/N，N－二甲基甲酰胺/磷酸氫二銨=60/30/10，用氨水試液調(diào)節(jié)pH值為(8.0±0.2);流速為0.8 mL·min－1;柱溫:40℃;檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm;進(jìn)樣量為 20 μL．經(jīng)測(cè)定［7］，純度達(dá) 99%以上．

甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇均為分析純，天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心;無水氯化鈣為分析純，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠;水為實(shí)驗(yàn)室自制去離子水．

AR1140型分析天平，梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;MA－30型水分測(cè)定儀，Sartorius公司;DF－101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市英峪予華儀器廠;H－1650型高速臺(tái)式離心機(jī)，長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;HH－S11.4型恒溫水浴鍋，江蘇金壇安普實(shí)驗(yàn)儀器廠．

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在鹽酸土霉素生產(chǎn)工藝中［8］，將土霉素堿用酸醇溶解時(shí)制成的溶液大約含水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～3%，大約含CaCl2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%．因此本實(shí)驗(yàn)研究了少量水及少量氯化鈣對(duì)土霉素鹽酸鹽溶解度的影響．參照現(xiàn)行工藝料液中的水含量和氯化鈣含量，試驗(yàn)中甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇4種醇與水的比例設(shè)定為1 000∶25(體積比)，4種醇與氯化鈣的比例為 19.25∶1(質(zhì)量比)．

采用平衡法［9－11］測(cè)定土霉素鹽酸鹽的溶解度．稱取過量的土霉素鹽酸鹽(±0.000 1 g)和一定量的溶劑放于試管中，蓋上瓶塞．打開恒溫水浴鍋，期間每30 min搖勻一次，恒溫2 h，觀察到不再有溶質(zhì)減少時(shí)停止，取出溶液離心10 min使所有固體不容物沉降下來，上清液即為達(dá)到溶解平衡的飽和溶液［12］．用移液槍將上清液轉(zhuǎn)移到水分測(cè)定儀上，溫度130℃，儀器運(yùn)行，記錄蒸發(fā)前后的質(zhì)量，根據(jù)重量法計(jì)算出土霉素鹽酸鹽的溶解度．根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整不同溫度，重復(fù)上述操作步驟．

實(shí)驗(yàn)過程中每30 min搖勻一次攪拌防止結(jié)晶和過飽和，使其充分溶解．所得數(shù)據(jù)為3次重復(fù)測(cè)量的平均值．

2 結(jié)果與討論

2.1 土霉素鹽酸鹽在不同溶劑中的溶解度測(cè)定

首先測(cè)定了土霉素鹽酸鹽在12種不同溶劑中的溶解度，分別是甲醇、甲醇/少量水、甲醇/少量氯化鈣、乙醇、乙醇/少量水、乙醇/少量氯化鈣、異丙醇、異丙醇/少量水、異丙醇/少量氯化鈣、正丁醇、正丁醇/少量水、正丁醇/少量氯化鈣．

30℃時(shí)，用上述方法測(cè)得土霉素鹽酸鹽在純甲醇溶液中的溶解度，一共實(shí)驗(yàn)3次，測(cè)得的結(jié)果分別為4.099，4.097，4.087 g·(100 g)－1，總平均值為4.094 g·(100 g)－1，相對(duì)誤差分別為 0.12，0.07，0.17%，誤差在允許范圍以內(nèi)．

常壓下，土霉素鹽酸鹽在4種有機(jī)溶劑和含少量水或氯化鈣的溶劑體系中溶解度見圖1至圖4．

圖1 土霉素鹽酸鹽在甲醇、甲醇/水、甲醇/氯化鈣中的溶解度Fig．1 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in methanol，methanol/water and methanol/calcium chloride

圖2 土霉素鹽酸鹽在乙醇、乙醇/水、乙醇/氯化鈣中的溶解度Fig．2 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in ethanol，ethanol/water and ethanol/calcium chloride

圖3 土霉素鹽酸鹽在異丙醇、異丙醇/水、異丙醇/氯化鈣中的溶解度Fig．3 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in isopropanol，isopropanol/water and isopropanol/calcium chloride

由圖1至圖4可知，土霉素鹽酸鹽在甲醇中的溶解度隨溫度升高而升高，在乙醇和正丁醇中的溶解度隨溫度升高而降低，而在異丙醇中的溶解度隨溫度的升高呈現(xiàn)先升高、后降低、再升高的趨勢(shì)．加入少量水及少量氯化鈣能明顯提高土霉素鹽酸鹽在短鏈醇中的溶解度，以30℃為例:在100%甲醇中的溶解度為4.094 g·(100g)－1，加入少量水時(shí)的溶解度為4.554 g·(100 g)－1，加入少量氯化鈣的溶解度為7.221 g·(100 g)－1．在30℃時(shí)土霉素鹽酸鹽在甲醇中的溶解度明顯高于在其他3種短鏈醇中的溶解度，這與文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)也是相符合的［3］．結(jié)果表明，就溶解度而言，采用甲醇做土霉素鹽酸鹽的提取劑是最合適的．在土霉素鹽酸鹽的生產(chǎn)中的少量水及加入少量的氯化鈣對(duì)其提取會(huì)用更大的幫助．

圖4 土霉素鹽酸鹽在正丁醇、正丁醇/水、正丁醇/氯化鈣中的溶解度Fig．4 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in normal butanol，normal butanol/water and normal butanol/calcium chloride

2.2 溶解度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)方程擬合

2.2.1 多項(xiàng)式經(jīng)驗(yàn)方程關(guān)聯(lián)

在壓力、溶劑系統(tǒng)的因素一定時(shí)，溫度對(duì)溶解度的影響是起決定性的，假設(shè)溶解度是隨溫度連續(xù)變化的，可采用多項(xiàng)式方程對(duì)溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)［13－14］:

式(1)中 a，b，c，d 為方程參數(shù)，S 為溶解度(g/100 g)，t為攝氏溫度(℃)、其回歸結(jié)果見表1，其R值均能達(dá)到0.99以上，說明由式(1)回歸的曲線能較好的表示土霉素鹽酸鹽在甲醇、甲醇/水、甲醇/鈣、正丁醇、正丁醇/水、正丁醇/氯化鈣中的溶解度．土霉素鹽酸鹽在乙醇、異丙醇溶劑體系中溶解度的關(guān)聯(lián)結(jié)果非常的不理想，未列出．

表1 多項(xiàng)式經(jīng)驗(yàn)方程參數(shù)Tab．1 Polynomial equation results of solubility

2.2.2 半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型關(guān)聯(lián)

根據(jù)固液相平衡原理，描述固液平衡有如式(2)的溶解度方程［15］:

由于壓力項(xiàng)和熱熔差較小可以忽略掉，因此，得到(2)式的簡(jiǎn)化方程為:

活度系數(shù)γ1一般可以近似寫成［16］:

將(4)式帶入(3)式可以得到:

式(2)到(6)中a，b，A，B 為方程參數(shù);ΔHm1為溶質(zhì)的熔點(diǎn)，K;ΔHtp為溶質(zhì)在三相點(diǎn)熔化焓，J/mol;T為溫度，K;Tm1為溶質(zhì)的熔點(diǎn)溫度，K;Ttp為溶質(zhì)三相點(diǎn)溫度，K;R為通用氣體常數(shù)，J/(mol·K);x1為溶質(zhì)的摩爾分率;γ1為溶質(zhì)活度系數(shù)．

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)得半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型中的參數(shù)見表2．土霉素鹽酸鹽在乙醇、異丙醇溶劑體系中溶解度的關(guān)聯(lián)結(jié)果非常的不理想，未列出．

表2 半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型中的溶解度參數(shù)Tab．2 Semiempirical equation correlation results of solubility

3 結(jié)論

土霉素鹽酸鹽在甲醇溶液中的溶解度隨溫度升高而增大，在乙醇和正丁醇中的溶解度隨溫度升高而降低，而在異丙醇中的溶解度隨溫度的的升高呈現(xiàn)先升高、后降低、再升高的趨勢(shì)，在短鏈醇中加入少量水、少量氯化鈣能明顯提高它的溶解度．同一溫度下，在4種短鏈醇體系中土霉素鹽酸鹽在甲醇中的溶解度最大，表明甲醇最適合做土霉素鹽酸鹽提取劑．

用經(jīng)驗(yàn)方程及半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型對(duì)土霉素鹽酸鹽在甲醇、正丁醇、甲醇/水、正丁醇/水、甲醇/氯化鈣、正丁醇/氯化鈣進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，獲得了相關(guān)模型參數(shù)．相對(duì)而言，采用多項(xiàng)式方程關(guān)聯(lián)的效果較好．實(shí)驗(yàn)得到的溶解度數(shù)據(jù)為土霉素鹽酸鹽生產(chǎn)以及生產(chǎn)中甲醇的回收提供了依據(jù)．

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(責(zé)任編輯:李 寧)

Measurement and Correlation of Solubilities of Oxytetracycline Hydrochloride in Different Solvents

WANG Li-zhi1，2， LIU Qing-fen3， LIU Jun-guo1，2
(1．College of Bioscience and Bioengineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China;2．R ＆ D Center for Fermentation Engineering of Hebei Province，Shijiazhuang 050018，China;3．State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

The solubilities of oxytetracycline hydrochloride in short-chain alcohols，including methanol，ethanol，isopropyl alcohol and normal butanol，which were determined by equilibrium method in the temperature of 0－55℃．The results show that solubilties in short-chain alcohol with trace water and trace calcium are higher than those in pure short chain alcohol．Besides，the effects of trace water and trace calcium chloride on the solubility were studied in order to close to the solvent system in industry．The solubilities obtained were correlated with the mathematic model of empirical polynomial equation and the semiempirical equation．Using these two equations，the calculated solubilities are in great agreement with the experimental data，and the correlation results of polynomial equation are better than those of semiempirical equation．The solubility data and their correlation equations obtained in this study provide valuable data for the recovering and purifying oxytetracycline hydrochloride．

solubility;solubility model;oxytetracycline hydrochloride;short-chain alcohol

TS251．1;Q819

A

1671-1513(2012)04-0059-05

2011-12-16

王立志，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯锵掠畏蛛x工程;

劉俊果，女，副教授，博士，主要從事微生物發(fā)酵與生化分離工程方面的研究．通訊作者．