复合萃取剂提取林可霉素机理及填料萃取塔中试研究

高灿，常宏委，陆莹莹，申龙，高瑞昶

（天津大学化工学院，天津 300072）

复合萃取剂提取林可霉素机理及填料萃取塔中试研究

高灿，常宏委，陆莹莹，申龙，高瑞昶

（天津大学化工学院，天津 300072）

以中试填料萃取塔为设备研究了复合萃取剂（正辛醇和煤油）萃取林可霉素的宏观特性及传质强化。使用斜率法确定萃合物的结构和反应平衡常数以指导改进设备和强化传质；为了提高林可霉素萃取效果，考察了溶液pH值、相比（W/O）、填料类型、分布盘的使用等因素对提取林可霉素效果的影响。结果表明：以正辛醇为萃取剂萃取林可霉素的过程中，反应平衡常数K为0.072；复合萃取剂中正辛醇最佳含量为0.8（体积分数）；萃取林可霉素的最佳pH值为10～11，最佳相比（W/O）为3；规整填料和散装填料萃取效果有限，分布盘可以大大加强传质，同时加装分布盘的填料萃取塔的单位体积处理量是混合澄清槽的12.8倍，萃取剂循环量大大减少。研究结果对复合萃取剂的萃取机理和填料萃取塔提取林可霉素的实际应用具有一定指导意义。

林可霉素；宏观特性；分布盘；填料萃取塔

林可霉素是从美国的尼布拉斯加林肯市附近土壤中分离到的一种链霉素——林肯链霉素林肯变种链霉菌产生的一种林可胺类碱性抗生素。其衍生物种类多、临床效果好、产品附加值高。林可霉素的结构式如图1所示。实际中应用的是林可霉素的盐酸盐形式，即盐酸林可霉素，商品名为洁霉素，结构式如图2所示。

目前关于林可霉素生产的研究方向是提高产品质量、降低提取成本，加强和改进萃取工艺以减少萃取剂的损耗。现在主要应用的生产工艺是：林可霉素发酵液经过调节pH值后过滤除去大部分蛋白质，对过滤后的发酵液进行萃取和反萃，利用丙酮进行结晶，得到洁霉素粗品。也有厂家小规模实验吸附提取林 可霉素，但是处理量小，间歇操作，很难适合大生产连续操作的要求，因此溶剂萃取工艺仍是生产厂家普遍采取方法。萃取剂一般为正丁醇[1]、长链醇[2]、混合醇[3]、中性磷酸酯类[4]、环烷酸[5]等，虽有一定效果，但都存在溶剂损耗的问题，增加了生产成本和废水COD值。萃取设备[6]有箱式混合澄清槽、填料萃取塔[7]、筛板塔及振动筛板塔、转盘萃取塔[8]。混合澄清槽所需溶剂量大；填料塔及筛板塔传质效果较差，理论级数不多；转盘萃取塔和振动筛板塔操作复杂。作者在前人的基础上，研究了以正辛醇和煤油组成的复合萃取剂萃取林可霉素的宏观特性，成功地实现了中试填料萃取塔林可霉素的提取，相对于混合澄清槽设备大大提高单位体积处理量，降低了萃取剂循环量。

图1 林可霉素结构式

图2 洁霉素结构式

1 仪器与材料

1.1 实验材料

欲提取林可霉素的发酵液来自河南某制药公司，发酵液效价3500～4500 U/mL；成品林可霉素盐酸盐，河南天方药业；正辛醇，天津光复精细化工研究所；煤油，天津光复精细化工研究所。

1.2 实验设备

填料萃取塔，天津大学；分布盘，天津大学。具体参数如表1和表2所示。自动旋光仪，上海精科WZZ-2S。

表1 中试填料塔参数

表2 分布盘参数

其中规整填料为金属波纹填料，空隙率0.95，比表面积为250 m2/m3。散装填料为金属鲍尔环，空隙率为0.928，比表面积为239 m2/m3。两塔的操作方式均为连续逆流操作，通过π形管调节分相界面。

1.3 实验方法

原料液和萃余液中的林可霉素含量使用自动旋光仪测量，萃取液中林可霉素的含量由物料平衡计算得到。

（1）在室温条件下，正辛醇和煤油组成的复合萃取剂，以林可霉素标准品配制原料相，与萃取剂充分混合达到萃取平衡，之后分层，测量萃余液效价。

（2）在室温条件下，以林可霉素标准品配制效价为4000 U/mL的原料液，调节pH值为10.5，配制不同正辛醇浓度的萃取剂，等体积与原料液充分混合，测得分配系数，若不考虑林可霉素的自身缔合，萃取反应式为式（1）。

式中，L为林可霉素；B为正辛醇；下角标w为水相，o为油相。

忽略林可霉素的水解以及自身缔合，分配系数表示为式（2）～式（4）。

式中，K为化学平衡常数；B为萃取剂中正辛醇的初始含量。

（3）在室温条件下，以林可霉素标准品配制效价为4000 U/mL的原料液，调节pH值为10.5，以正辛醇和煤油为复合萃取剂，等体积与原料液充分混合、分离，之后取萃取相进行反萃，以萃取剂反萃前后的浓度差为萃取容量，萃取容量的计算公式为式（5）。

式中，σ代表萃取容量；C1萃取结束后萃取剂中林可霉素的含量，U/mL；C2反萃后萃取剂中林可霉素的含量，U/mL。

（4）中试实验采用效价为4038 U/mL的原料液调节pH值为10.5，以1.5 m3/h的流量泵入规整填料塔和散装填料顶部的进料分布器，两塔萃取剂的流量为0.5 m3/h。每隔1 h取萃余液测量林可霉素含量。萃取率的计算公式为式（6）。

式中，C0为原料液中林可霉素的含量；Ct为萃余液中林可霉素的含量。

（5）单位体积处理量采用式（7）计算。

式中，Φ为设备的单位体积处理量；VP为设备的进料量即处理量；VB为设备体积。

2 实验结果及分析

2.1 分析方法及萃取平衡特性

2.1.1 分析方法选择与校准

采用自动旋光仪测量林可霉素水溶液效价，此法具有测量方便迅速等特点，便于工业应用。以盐酸林可霉素标准品配制已知效价的盐酸林可霉素标准溶液，测量其旋光度。验证自动旋光仪测量法的精度与误差，其结果如图3所示。

由结果可以看出，拟合出来的直线方程为y=5840.5x，R2=0.9916。由实验数据拟合得到的方程具有良好的线性。其中在效价较低（0～500 U/mL）时测量点会稍微偏离拟合直线，效价在1000 U/mL以上直线拟合度较好，说明工业中可以使用自动旋光仪测量林可霉素的含量。

2.1.2 萃取林可霉素的平衡特性

选定正辛醇和煤油组成的复合萃取剂，主要考察了原料的pH值，萃取相比（W/O）对萃取平衡特性的影响。结果如图4、图5所示。

图3 盐酸林可霉素标准曲线

图4 萃取相比对平衡特性的影响

图5 原料相pH值对平衡特性的影响

由图4可知，萃取相比（W/O）在1～3之间对分配系数影响不大，当萃取相比（W/O）在3～4之间分配系数下降较快，之后继续增大相比，分配系数下降趋势变小。由此可知，萃取相比（W/O）为3较为合适，既保证了较高的分配系数又减少了萃取剂的使用量，为中试实验中萃取相和原料相进料比提供依据。

由图5可知，随着pH值的增加，分配系数也不断增加，当pH值大于11时分配系数略有下降。分析原因为：在碱性条件下，林可霉素以分子态存在，有利于萃取过程，当pH值过高时（pH ＞11），林可霉素分子之间发生聚合，导致溶质与萃取剂（正辛醇）形成萃合物的阻力增大，从而使分配系数降低。因此原料相pH值调到10～11之间较为合适。本实验中所有原料相的pH值均为10.5。

2.1.3 斜率法测定络合物

本实验采用界面发生反应的络合萃取模型，探讨了正辛醇萃取林可霉素的络合过程。将实验数据进行双对数作图，结果如图6所示。

由结果可以看出，直线的斜率、截距以及R平方值分别为：2.003、-2.629、0.996。由实验数据拟合得到的方程具有良好的线性。从而得到正辛醇萃取林可霉素的反应式为式（8）。

反应平衡常数K=0.072。正辛醇萃取林可霉素的过程为溶剂化过程，林可霉素分子中含有4个羟基，其中两个羟基与林可霉素分子中的O和S原子形成分子内氢键，其余两个羟基与两个正辛醇分子形成分子间氢键，生成的大分子络合物更易转移到有机相中，从而实现林可霉素的提取。但是化学反应常数K为0.072，证明此反应正向进行的程度不大。要实现反应正向进行，需要及时将油水界面处的络合物转移到萃取相主体以加大反应正向进行的程度，在萃取过程中可以通过加强液滴油水界面的扰动以促进络合反应的产物（萃合物）向萃取相主体的转移。以上结论与萃取强化传质理论——表面更新理论[9]认为液滴聚并之后在分散成小液滴，可以产生新的表面，从而强化传质是一致的。萃取机理的研究从化学反应的角度解释了液液萃取传质理论——表面更新理论，同时为萃取设备的改造提供了一定指导。

图6 萃合物组成的确定

2.2 萃取塔中试实验结果

2.2.1 萃取剂组成对萃取传质的影响

正辛醇为长链醇，水溶性小（25 ℃，0.59%）；对林可霉素提取具有一定选择性，但是正辛醇黏度较大，需要加入煤油调节表面张力和黏度以达到最佳的萃取效果。萃取剂经过萃取过程提取林可霉素、酸水反萃实现萃取剂再生，萃取剂反萃前后的林可霉素的浓度差是萃取剂性能的一个重要方面。以萃取剂反萃前后的林可霉素的浓度差为萃取容量，研究了复合萃取剂中正辛醇的体积分数对萃取容量的影响，结果如图7所示。

由图7可知，正辛醇体积分数在0～0.8之间时，萃取剂的萃取容量随正辛醇含量的提高而增加；当正辛醇体积分数大于0.8时，萃取容量反而降低。这是因为煤油对林可霉素没有萃取作用，随着正辛醇含量的增加，萃取效果提高，从而使得萃取相中林可霉素的含量升高。由于正辛醇的表面张力和黏度大于煤油，当辛醇含量高于0.8时，萃取剂表面张力和黏度增大，使反萃效果降低，导致萃取容量的减小。所以辛醇体积含量为0.8时较为合适，之后萃取塔中试试验，将采用此萃取剂。

2.2.2 填料形式对萃取传质的影响

填料形式对液滴的聚并-分散有一定影响。规整填料和散装填料对液液萃取效果的影响如图8所示。

图7 萃取容量与正辛醇含量的关系

图8 规整填料塔和散装填料塔萃余液效价

林可霉素萃取过程为扩散控制，正辛醇与林可霉素分子形成络合物，此反应过程较快。萃取剂液滴表层中很快可以达到萃取平衡，这时需要更新萃取剂液滴的表面，以强化萃取过程。散装填料对于萃取剂液体群的分散-聚集-再分散的效果比规整填料好（规整填料塔稳定后萃余液效价1500 U/mL，散装填料塔稳定后萃余液效价1100 U/mL）。但是就最终萃余液稳定后的效价而言，没有分布盘的规整填料塔和散装填料塔的效果均不理想，塔釜排出的废液中效价仍为1100 U/mL以上，规整填料塔和散装填料塔的萃取率分别为68.75%和72.5%，未经改装的散装填料塔和规整填料塔并不能应用于实际生产。

2.2.3 分布盘对萃取传质的影响

将规整填料塔内每隔2 m左右填料加装一个分布盘，加装分布盘的规整填料塔实验结果如图9所示。

平衡时的萃余相效价约为300 U/mL，达到生产排放标准（杂质含量较低），萃取率为92.5%。分布盘在规整填料萃取塔中对传质有重要作用，当规整填料塔中加入分布盘，分散相会在分布盘下有一定厚度液层的集聚，通过分散液滴再混合加强液滴内部扩散传质，同时通过分布盘上的小孔达到再次分布，使新形成的液滴的表面得到了更新，加快了萃取剂和原料液之间的跨相传质速度，从而提高了萃取效果。分布盘可以更好地促进液滴分散-聚合再分散和萃取剂液滴表面的更新，从而强化了传质作用。为填料萃取塔萃取林可霉素的工业应用提供了设计依据。

2.3 填料萃取塔和混合澄清槽的对比与结果

以已经投产的混合澄清槽（每个混合澄清槽长6 m、宽2 m、高3 m，十个混合澄清槽串联使用，处理量为24 m3/h）和中试规模的填料萃取塔进行对比，比较正辛醇循环量和设备的单位体积处理量，结果如表3所示。

图9 安装分布盘的规整填料塔实验数据

表3 填料萃取塔和混合澄清槽的比较

由表3可知，填料萃取塔比混合澄清槽占地面积小，萃取塔的单位体积处理量是混合澄清槽的12.8倍，萃取剂循环量是混合澄清槽的1/12，从而可以大大降低萃取剂的损耗。因此填料萃取塔是一种比混合澄清槽效率更高，生产成本更低的设备。

3 结 论

（1）正辛醇萃取林可霉素的过程为溶剂化过程，络合比为2∶1。每一分子林可霉素可以与两分子正辛醇形成络合物，其反应平衡常数K为0.072，正辛醇和煤油的最佳配比为4∶1，正辛醇萃取林可霉素的萃取机理表明使用填料塔萃取林可霉素的过程中需要加强液滴的聚并-再分散以强化传质。

（2）通过对比规整填料和散装填料的效果以及对规整填料塔的一系列改进，证明了分布盘在强化萃取塔传质中是完全有效的。安装分布盘的萃取塔可以完全达到澄清槽工艺（萃余液效价300 U/mL以下）的水平。

（3）通过中试填料塔和已经投产的混合澄清槽进行对比，中试填料塔的单位体积处理量是混合澄清槽的12.8倍；同时大大减少溶剂的循环量进而减少溶剂损耗，为填料萃取塔提取林可霉素的工业生产提供一定的指导。

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Study of extracting Lincomycin with composite extractant and the pilot test on packed extraction column

GAO Can，CHANG Hongwei，LU Yingying，SHEN Long，GAO Ruichang
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The macroscopic property and mass transfer enhancement of extracting Lincomycin with composite extractant (n-octanol and kerosene) in packed extraction column was studied in this paper. The structure of extracted complex and reaction equilibrium constant were determined by the slope method，which could contribute to the improvement of equipment and mass transfer enhancement. In order to improve the extraction efficiency，factors such as pH of the solution，volume ratio of the water phase to the organic phase，packing type，and distribution plates were considered. The results showed that in the extraction process of Lincomycin with n-octanol，the reaction equilibrium constant was 0.072，the optimum content of n-octanol in composite extractant was 0.8 (volume fraction)，the optimum pH of the extraction solution ranged from 10 to 11，the optimum volume ratio of the water phase to the organic phase was 3. Limited extraction efficiency was found to present in both structured packing and bulk packing extraction column. Distribution plates could significantly enhance the mass transfer in packed extraction column，with a maximum unit volume treatment capacity of 12.8 times compared to the extraction tank，and the circulation volume of extractant could be greatly reduced. The results can be used for guiding practical application of packed extraction column in Lincomycin extraction.

lincomycin；macroscopic property；distribution plates；packed extraction column

TQ 028

A

1000-6613（2014）01-0247-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.01.045

2013-07-17；修改稿日期：2013-08-22。

高灿（1987—），男，硕士研究生，研究方向为化工分离。

联系人：高瑞昶，副教授，研究方向为特殊精馏。E-mail gaoruichang@ tju.edu.cn。