способ выделения антибиотиков и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ выделения антибиотиков путем их сорбции из культуральной жидкости или нативного раствора с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что сорбцию проводят при скорости потока через сорбент не менее 120 мл/г-ч, при этом культуральную жидкость и сорбент или нативный раствор и сорбент приводят в колебательное движение с интенсивностью пульсаций не менее 400 мм/мин.

2. Устройство для выделения антибиотиков, содержащее сорбционный колонный аппарат с расширительной зоной в верхней части, узел приготовления и транспортировки культуральной жидкости или нативного раствора, отличающееся тем, что колонна по высоте цилиндрической части снабжена распределительными насадками, нижняя зона колонного аппарата снабжена пульскамерой и аэрлифом, соединенными с колонной по принципу сообщающихся сосудов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины - фармакологии, точнее к способам выделения антибиотиков аминогликозидов.

Наиболее распространенным способом выделения антибиотиков этого типа является сорбционный, когда антибиотик выделяют сорбентом как непосредственно из сорбционной среды - культуральной жидкости, так и после отделения биомассы и получения отфильтрованной ферментационной среды - нативного раствора.

Известен динамический сорбционный метод извлечения антибиотиков путем пропускания культуральной жидкости или нативного раствора через слой сорбента, помещенного в колонне, либо снизу вверх, либо сверху вниз. Такой способ нашел применение в промышленном производстве ряда антибиотиков, например стрептомицина [1, 2], гентамицина [3], канамицина [4].

Недостатком такого способа извлечения является то, что при динамическом способе сорбции в традиционных колоннах сорбент постепенно уплотняется, что приводит в процессе эксплуатации к возрастанию гидродинамического сопротивления слоя сорбента и как следствие его унос из колонны и потери продукта. Кроме того, в результате уплотнения и слипания частиц сорбента образуются местные каналы с преимущественным протеканием раствора (канальное протекание). Для предотвращения канального протекания растворов, а также уноса сорбента из колонны в процессе сорбции поддерживают низкую скорость пропускания канальной жидкости или нативного раствора через слой сорбента от 10 до 30 мл/г-ч, что приводит к возрастанию времени сорбции, в связи с чем не исключается нежелательное развитие микрофлоры.

Прототипом изобретения может служить способ и устройство [5], где извлечение антибиотиков непосредственно из культуральной жидкости или нативного раствора проводят динамическим способом с использованием сорбционных колонн закрытого типа. Данный прототип является единственной работой, где проведено сравнение сорбции антибиотиков как из нативного раствора, так и непосредственно из культуральной жидкости с использованием устройства (оборудования), которое стало традиционным в антибиотической промышленности и не претерпело принципиальных изменений до настоящего времени, т.е. с использованием аппаратов колонного типа или просто сорбционных колонн.

Способ согласно прототипу заключается в том, что через колонну, заполненную сорбентом (карбоксильным катионом) со степенью заполнения от 10 до 50% пропускают непосредственно культуральную жидкость (без предварительной фильтрации) или нативный раствор, путем подачи снизу вверх со скоростью от 80 - 100 мл/г-час в течение не менее 15 ч. Получают в результате катионит с сорбционным антибиотиком в количестве, в частности для стрептомицина, от 0,6 до 1,05 г/г сухого сорбента, что равняется производительности процесса извлечения (сорбции) 0,04 - 0,7 г/г-ч.

Устройство согласно прототипу представляет собой колонку, в верхней части которой установлена сетка, диаметр отверстий которой меньше диаметра частиц смолы (колонны закрытого типа).

В верхней части колонны под сеткой установлена мешалка, для которой установлена теоретическая формула зависимости скорости оборотов мешалки от разных параметров, в том числе и от диаметра колонны и лопастей мешалки. При строго определенной скорости оборотов культуральная жидкость беспрепятственно (мицелий под сеткой не накапливается и не препятствует движению культуральной жидкости по колонне) движется снизу вверх по колонне.

Недостатками указанного способа и устройства являются следующие: невысокая производительность процесса, например для стрептомицина не более 0,07 г/г-ч; длительность проведения процесса 15 - 17 ч, например для стрептомицина; малая степень насыщения сорбента антибиотиком, например для стрептомицина 0,6 - 1,05 г/г смолы; в работе используют сложно конструктивное оформление колонн - непосредственно под верхней сеткой колонны устанавливают механическую мешалку; необходимость расчета скорости оборотов мешалки для каждого конкретного случая (конкретные диаметр колонны, диаметр лопастей мешалки, вязкость культуральной жидкости) для предотвращения накопления мицелия под верхней сеткой.

Кроме того, в отдельных случаях в указанной работе рекомендуют использовать предварительную грубую фильтрацию культуральной жидкости.

Таким образом, данное устройство не имеет перспективного промышленного воплощения.

Целью изобретения является повышение производительности процесса извлечения антибиотика из нативного раствора или культуральной жидкости.

Настоящая цель достигается тем, что сорбцию ведут с использованием сорбционного колонного аппарата, отличительной чертой которого является то, что по высоте цилиндрической части колонна снабжена распределительными насадками типа КРИМЗ, а нижняя часть колонны соединена с пульскамерой по принципу сообщающихся сосудов и снабжена аэрлифтом.

Указанный колонный аппарат позволяет вести сорбцию при скоростях потока не менее чем 120 мл/г-ч, причем жидкость и сорбент приводят в колебательное (продольное) движение с интенсивностью не менее 400 мм/мин.

Суть способа и устройства заключается в следующем.

На чертеже представлен основной узел устройства: сорбционный колонный аппарат, который состоит из колонны и пульскамеры, соединенной с низом колонны про принципу сообщающихся сосудов. На чертеже приняты следующие обозначения: 1, 2 - расширительная верхняя зона (расширитель); 3 - сетка, удерживающая сорбент в колонне с размером ячеек 3 мм (днище колонны); 4 - пульскамера; 5 - нижний слив колонны (пробоотборник); 7 - выходное отверстие расширителя; 8 - смотровое стекло; 9 - аэрлифт; 10 - стержень с пакетом распределительных насадок КРИМЗ.

Пульскамера соединена с генератором переменного давления воздуха (газа) - пульсатором для обеспечения интенсивности вертикальных колебаний находящихся в колонне фаз путем дросселирования сброса воздуха (газа) с пульсатора. Колонна имеет узкую цилиндрическую часть - рабочую зону и расширительную часть - отстойную. Рабочая зона колонны снабжена пакетом распределительных тарельчатых насадок КРИМЗ, собранных на стержне и равномерно распределенных по всей высоте. Насадки обеспечивают поперечное перемешивание находящихся в колонне фаз при восходящем потоке жидкости.

В рабочую зону колонны помещают стандартно подготовленный к работе сорбент, включают пульсацию и начинают пропускать нативный раствор или непосредственно культуральную жидкость (без предварительного отделения биомассы или грубых частиц) со скоростью не менее 120 мл/г-час. После проведения сорбции подачей воды снизу в этой же колонне отмывают сорбент от остатков культуральной жидкости или нативного раствора.

Преимуществом заявляемого способа и устройства является следующее.

Во-первых, высокая скорость потока через сорбент - не менее 120 мл/г-час, по прототипу 80 - 100 мл/г-ч.

Во-вторых, увеличение количества сорбированного вещества единицей сорбента (увеличение насыщения), до 1,3 - 1,4 г/г, например, для стрептомицина, по прототипу 0,6 - 1,05 г/г.

В-третьих, значительное ускорение процесса извлечения антибиотика - за 4 - 6 часов из объема 300 л, например, стрептомицина, по прототипу 15 - 17 часов из тех же 300 л.

Как следствие всех вышеуказанных преимуществ - главным преимуществом является высокая производительность процесса извлечения продукта - количество целевого продукта, сорбируемого единицей сорбента в единицу времени до 0,22 - 0,35 г/г-ч, например, для стрептомицина, по прототипу 0,04 - 0,07 г/г-ч или в 3 - 8 раз выше, чем по прототипу.

И, наконец, предлагаемое устройство легко конструируется в промышленном масштабе и может быть использовано при извлечении любых объектов сорбционными методами из растворов или суспензий.

Заявляемый способ иллюстрируется следующим примером.

Пример. Берут 84,5 л культуральной жидкости стрептомицина с активностью 12000 мкг/мл, связывают ионы щелочноземельных металлов в нерастворимый комплекс добавлением оксалата натрия из расчета 31,6 г/л или щавелевой кислоты из расчета 25,3 г/л в сумме с триполифосфатом натрия из расчета 13 г/л. Добавляют 845 мл (из расчета 0,05 - 0,1% от общего конечного объема жидкости) 20%-ного раствора цетазола. Доводят pH суспензии до значения 6,20,2, используя для этой цели 12 н. NaOH или 12 н. серную кислоту. Затем культуральную жидкость разводят водой до общего объема 337,5 л. Активность разбавленной культуральной жидкости 3000 мкг/мл.

Сорбцию стрептомицина проводят путем пропускания жидкости снизу колонного аппарата (см. фиг. 1) и выходом отработанной жидкости сверху через выходное отверстие в расширителе в следующую колонну для доизвлечения антибиотика, т. е. в динамическом режиме. Объем цилиндрической (насадочной) части колонны 3,5 л при высоте 45 см и диаметре 10 см; диаметр расширителя 30 см при высоте 10 см; общий объем колонного аппарата 12 л.

В колонну загружают 2330 мл (388 г на сухой вес) набухшего карбоксильного катионита КБ-4П-2 в натриевой форме (степень заполнения цилиндрической части колонны 67%). При работающем пульсаторе (интенсивность пульсации 4500 мм/мин) через колонну пропускают снизу вверх 337,5 л культуральной жидкости с активностью 3000 мкг/мл со скоростью 145 мл/г-час. Время сорбции 6 часов. При этом катионитом сорбируется антибиотика 1,3 г/г сухого катионита или при расчете производительности процесса это составляет 0,22 г/г-ч. После пропускания культуральной жидкости в этой же колонне и завершения процесса сорбции сорбент отмывают от остатков мицелия путем подачи снизу вверх 25 - 30 л обессоленной воды при включенном пульсаторе. Промывную воду сливают через выходное отверстие вверху насадочной части колонны. После отмывки сорбента от остатков мицелия, насыщенный антибиотиком сорбент переносят с помощью аэрлифта в обычную элюционную колонну для проведения стандартной хроматографической десорбции целевого продукта 1 н. водным раствором серной кислоты.

Десорбируют 493,5 стрептомицина - 98% от стрептомицина, сорбированного катионитом. Активность сухого остатка в нейтральном элюате - 620 мкг/мг.

Источники информации

1. Промышленный регламент на производство стрептомицина сульфата. Красноярск, 1990.

2. Промышленный регламент на производство стрептомицина сульфата. Киевский завод медпрепаратов, 1987.

3. Промышленный регламент на производство гентамицина сульфата для инъекций. Московское производственное Объединение "Мосмедпрепараты" им. Л.Я. Карпова, 1979.

4. Промышленный регламент на производство канамицина моносульфата. Курган, 1989.

5. Бойко И. Д. , Былинкина Е.С., Терехова В.Ф., Нечаева М.Г. // Мед. промышленность СССР, 1962, N 7, c. 17 - 25.