阿福菌素晶體生長動力學

＊陶中東

（東南大學化學化工學院 江蘇 211189）

抗生素是二戰結束后逐漸興盛的抗菌藥，在二十世紀六七十年代達到鼎盛期，后來由于其它新藥的不斷涌現以及其本身的缺陷，其發展趨于平緩直至下降。可由于抗生素療效高、生產簡單易行、價格便宜以及其它方面的一些優點，在醫療上仍具有不可替代的作用。大環內酯類抗生素僅次于－內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，大環內酯類抗生素具有以下特征：對一般細菌引起的呼吸道感染很有用；對－內酰胺類抗生素無效的支原體、衣原體及軍團菌等有效；對彎曲桿菌、幽門螺桿菌和鳥結核分枝桿菌有較強的抗菌活性；血藥濃度不高，變態性反應少。

阿福菌素是由阿福菌素鏈霉菌產生的十六元大環內酯類抗生素，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、蜱等節肢動物有很強的活性，是引人注目的抗寄生蟲藥。

結晶是制備純物質的有效方法，尤其在抗生素工業中，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一般都有一個結晶過程。作為一種純化和精制方法，抗生素結晶具有很多優點，應用前景廣闊。可由于結晶過程的復雜性，各種物質的結晶在不同的條件下具有各自不同的特點，迄今為止，仍沒有結晶過程的普適性機理和動力學。本文就阿福菌素結晶過程的生長動力學在理論方面和實驗方面做了一些探討性研究。

1.晶體生長動力學理論

晶體生長速率在結晶過程中是重要的參數，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的結果來，有時甚至相差一個數量級以上。晶體成核和生長速率取決于溫度，過飽和度，晶體大小，不純物以及結晶器中的流體力學條件等。為了獲得更可靠的實驗數據和實驗結果，測量手段和分析方法的改進和完善是至關重要的。從MSMPR的結晶實驗中獲得成核和生長動力學，是獲取動力學參數常用的方法，可采用這種方法，對結晶操作和儀器設備的要求很高，經常不能滿足所要求的條件，因而從非穩態的間歇結晶器中決定成核和生長速率參數越來越引起人們的關注。

Tanimoto等[1]和Jones等[2]在間歇結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，根據質量平衡就可以得到生長速率與過飽和度下降之間的關系。Garside等[3]從過飽和度對時間的一階導數中得到晶體冪級數生長的生長速率常數。這種方法過飽和度的測量以及過飽和與時間關聯的要求也是很高的，采用不同的方式關聯，得到的結果甚至會大相徑庭。Palwe等[4]通過測量過飽和度與時間的關系用非線性最優化技術回歸可同時獲得成核和生長動力學。Tavare等[5]和Qiu等[6]測量間歇結晶過程中晶體尺寸分布的變化以及過飽和度的變化，根據質量平衡和粒數平衡可同時得到成核和生長動力學。

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

結晶過程中，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系式：

生長速率常數與溫度的關系用阿侖尼烏斯方程表示：

2.實驗與結果

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：定時轉動接點溫度計的懸鈕半圈，記錄下結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系，這就能夠非常簡單地得到線性升溫方式。

圖1 間歇結晶裝置簡圖

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系，用契比雪夫四次多項式關聯，任意時刻晶體總的生長動力學可以計算獲得。每個操作在得到了溶液濃度和總的生長速率與時間的關系后，就可以根據式（1）用非線性最優化方法，獲取參數的值。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kg、g的值，使下面的目標函數最小。

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

表1 回歸的阿福菌素生長動力學參數及其偏差

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，前者是因為有第二相（非結晶物質）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。在結晶過程中，發生其中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常數同溫度之間的關系用式（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，冪級數使用均值，阿福菌素在乙二醇中的晶體生長動力學可表示為：

3.結論

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