بخشی از مقاله
بررسی فرآیند پایین دستی تولید پنی سیلین G و روش های جایگزین
چکیده
جدا سازی فراورده تولیدی از باقیمانده محیط کشت ، تصفیه و خالص سازی آن به صورتی که هیچ گونه تغییر نامطلوبی در فراورده نهایی به وجود نیاید را فرایند بازیابی فراورده یا فراروش جریان پایین دست می نامند . مهندسین شیمی و زیست شیمی عهده دار این مرحله خواهند بود . تولید پنی سیلین تکنولوژیG نسبتاً کاملی است و انتظار پیشرفت زیاد با طراحی فرایند کاملاً نوین بعید می باشد، اما برای بهبود راندمان و قابلیت تولید برای کاهش هزینه به وسیله تنظیم فرایند متوالی ، بهینه سازی محیط کشت و مواد خام ارزان جایگزین می کنیم. در ا ستخراج پنی سیلین G ، مراحل متعددی وجود دارد . فرایند پایین دستی که شامل فیلتراسیون محلول آب گوشتی ، سرد کردن محلول فیلتر شده ، فیلتراسیون بیشتر ، استخراج پنی سیلین با حلال ، تصفیه ی کربن ، باز گشت آن به فاز آبی ، بازیافت حلال ، کریستالیزاسیون ، شستشوی کریستال و خنک کردن آن می باشد . به منظور بررسی فرایند پایین دستی پنی سیلین و روش های جایگزین باید فرایند های اصلی با جزئیات بررسی شود . روش های جایگزین نیز به منظور افزایش بازده مثلأ استفاده از الکل و استفاده از ملاس چغندر به وجود آمده اند . از دیگر روشهای جایگزین استفاده از غشا های SLM,ELM برای کاهش تعداد مراحل ، استفاده از سورفاکتانت ها به منظور پایداری غشا ، استفاده از WESTFALIA SEPRETOR و همچنین استفاده از پلیمر به جای غشا های پایدار می باشد. پنی سیلین G دارویی است که برای درمان بسیاری از بیماری ها که مهم ترین آنها عفونت های تنفسی ، مخملک ، سیاه زخم ، مننژیت ، تب روماتیسمی ، عفونت های مجاری ادرار و پیشگیری از عفونت پس از قطع اندام های حرکتی است به کار برده می شود .
واژه های کلیدی: پنی سیلین - G فرایند پایین دستی- استخراج- فیلتراسیون.
-1 مقدمه
پنی سیلین G چیست ؟
پنی سیلین متابو لیت ثانویه قارچی است که به عنوان آنتی بوتیک استفاده می شود . عمده ترین روش تولید پنی سیلین بلوکه کردن غشای پپتیدو گلیکان در باکتری گرم مثبت می باشد . خانواده پنی سیلین به منظور کاهش هر نوع بیماری عفو نی به کار برده می شود. اولین بار در سال 1926 الکسا ندر فلمینگ ، پنی سیلین را از قارچ penicillin-notatum ایزو له کرد .اولین تولید عمومی پنی سیلین از این قارچ ، بنزیل پنی سیلین (پنی سیلین ( G و پنی سیلین K,F,X,V بود . پنی سیلین 6 واحد اسید آمینو پنی سیلا نیک (Aminopenicillanic) دارد ( 6-APA ، 5 حلقه ی تیازو لیدین (Thiazolidine) روی حلقه بتا – لاکتام ، گروه عاملی مانند حلقه ی بتا- لاکتام است.
صنعت پنی سیلین سازی
در دهه ی پنجاه زمانی که تولید بنزیل پنی سیلین به تولید تجاری رسید تولید پنی سیلین گسترش پیدا کرد . در طی 50 سال بازده تولید پنی سیلین افزایش یافت و در بهینه کردن تولید پنی سیلین تغییراتی در تولید و مراحل استخراج آن ایجاد شد . پنیسیلین یک کالای استراتژیک می باشد که به طور گسترده در درمان بسیاری از بیماری های عفونی استفاده می شود و در صورت بروز حوادث غیر مترقبه اهمیت استراتژیک آن بیشتر مشخص می شود . با توجه به عدم تولید پنی سیلین در داخل کشور،تمام پنی سیلین عرضه شده در بازار از نوع وارداتی می باشد و همچنین با در نظر گرفتن کاربرد وسیع پنی سیلین ، می توان گفت میزان تقاضا برای این دارو زیاد می باشد . و ایجاد این خط تولید باعث افزایش ارزش افزوده می شود و از لحاظ ایجاد حس خودباوری در زمینه بومی سازی تکنولوژی بسیار حائز اهمیت است.
فرایند تولید پنی سیلین
پنی سیلین از قارچ تولید می شود و تنها زمانی که قارچ تحت فشار و ا سترس با شد تولید پنی سیلین می شود . یکی از ویژگی های قارچ ها این است که وقتی به صورت خو شه ایی می شوند ، چگالی آنها افزایش می یابد و این افزایش چگالی سبب ایجاد استرس روی تجمع قارچ ها می شود . به منظور اطمینان از افزایش استرس ، قار چ ها را در مخزنی کاشت می دهند به طوری که %10 حجم آن اشغال شود و 30 الی 40 ساعت کشت داده می شود که این عمل در صنعت فرا هم سازی دانه نامیده می شود و بیشتر در فر ما نتور های کوچک اتفاق می افتد که همراه با یک همزن سیستم هوادهی و خنک کننده است و با آب و مواد مغذی خوراک دهی می شود . پس از فراهم سازی دانه ، تولید پنی سیلین آغاز می شود که نیاز به یک فرمانتور بزرگتر می باشد . در تولید پنی سیلین فر ما نتور بچ (گسسته) بر فرمانتور پیوسته ارجعیت دارد چون کنترل فرما نتور بچ را حت تر است و برای تولید پنی سیلین نیتروژن و کربن به صورت خوراک دهی گسسته به مقدار ناچیزی به زیست راکتور اضافه می شود ؛ نکته ی دیگر این است که حضور پنی سیلین در زیست راکتور مانع از تولید پنی سیلین بیشتر می شود و با استفاده از زیست راکتور بچ تولید را به راحتی خارج و در حجم ثابتی نگه میداریم ؛ هما نند همه ی آنتی بیوتیک ها پنی سیلین متابولیت ثانویه است بنابراین تنها در فاز
2
ساکن تولید می شود تولید پنی سیلین از بازده فرمانتور افزایش
و خوراک دهی به صورت بچ سبب طولانی شدن زمان سکون و نهایتأ افزایش تولید محصول می شود .در ابتدا Penicillin-notatum استفاده می شد اما بازده پایینی داشت و با استفاده از Penicillin-chrysogenum یافت.
-2 بازیا بی پنی سیلین
10 مرحله در باز یابی پنی سیلین وجود دارد : فیلتراسیون محلول آبگوشتی ، -2 سرد کردن محلول فیلتر شده ،-3فیلتراسیون ، -4 استخراج پنی سیلین با حلال ، -5 تصفیه ی کربنی ، -6 انتقال مواد به فاز آبی ، -7 بازیابی حلال ، -8 کریستالیزاسیون ، -9 شستشوی کریستال ، -10 خنک کردن کریستال .
--1فیلتراسیون محلول آبگوشتی
هدف اصلی در اولین مرحله خارج کردن ذرات بزرگ جا مد است که توسط سانتریفیوژ یا فیلتراسیون انجام می شود . فیلتراسیون متنوع ترین و پایدار ترین روش برای جدا کردن مواد نا محلول از محلول آبگوشتی است . در این روش میکرو ارگانیسم ها در کیک تغلیظ می شو ند و شبیه ماسه یا لجن در می آیند . فیلتراسیون خلأ دیسکی رایج ترین تجهیز برای استخراج پنی سیلین است که به طور فرایندی پیوسته مورد استفاده قرار می گیرد.
-2 سرد کردن محلول فیلتر شده
3
پس از عمل فیلترا سیون ، محلول غنی از پنی سیلین در 5 درجه سانتی گراد خنک می شود . از آنجایی که پنی سیلین G در PH=2 و دمای 20 درجه سانتی گراد زمان نیمه عمرش 15 دقیقه است ، تجزیه شیمیایی و آنزیمی در مرحله استخراج ، کاهش می یابد (مرحله .(4
-3فیلتراسیون بیشتر
عمل فیلتراسیون با استفاده از فیلتر خلأ دیسکی دوباره اتفاق می افتد .
مقاومت / نیروی محرکه = سرعت فیلتراسیون
پوشش فیلتر و تجمع کیک ایجاد مقاومت می کند . در فرایند فیلترا سیون از کمک صافی نیز می توان ا ستفاده کرد که موجب افزایش مقاومت کیک و کاهش تراکم می شود . پرلیت و خاک دیاتومه از انواع کمک صافی می باشند و هر کدام از آنها متناسب با عمل فیلترا سیون مورد استفاده قرار می گیرند و در پایان هر سیکلی نزدیک درام جمع آوری می شود که این عمل به طور پیوسته انجام می شود و باعث می شود در شروع هر سیکل یک فیلتر تمیز داشته باشیم .
-4استخراج پنی سیلین با حلال
برای باز یابی پنی سیلین به طور استاندارد از فرایند استخراج مایع- مایع با جریان نا همسو استفاده می شود . اساس استخراج مایع– مایع این است که ماده ای که می خواهد استخراج شود و مایع باید امتزاج ناپذیر باشند . برای بازیابی پنی سیلین استخراج مایع – مایع مناسب ترین روش می با شد چون در دمای پایین گزینش پذیری بیشتری دارد و در مقایسه با فرا یند های تقطیر ، تبخیر و غشایی هزینه کمتری دارد .
پنی سیلین از فاز آبی توسط حلال بوتیل استات با آمیل استات استخراج می شود ، جریان نا همسو زمانی استفاده می شود که
مقدار K(the partition coefficient) هر دو فاز کم باشد.
غلضت حل شونده در محلول تصفیه شده / غلضت حل شونده در استخراج K =
زمانی که پنی سیلین در PH کم و مقدار K آن زیاد باشد بازده استخراج بیشتر می شود . به منظور ایجاد PH=2.5-3 از اسید سولفوریک یا اسید فسفریک استفاده می شود.نمونه ای از سیستم یا جریان نا همسو تماس دهنده ی سانتریفیوژی POD می باشد که روز به روز دستخوش تغییرات جدید از لحاظ فنی و مهندسی می شود .
4
معرفی کلی POD
POD یک سانتریفیوژ و استخراج کننده ی مایع - مایع با جریان نا همسو است ، در صنایع دارو سازی (استخرج پنی سیلین ( G جهت فرایند استخرا ج و جدا سازی مایع – مایع مورد استفاده قرار می گیرد ، POD قادر است مایعات با وزن مخصوص کمتر از 0.01 از هم جدا کند در هر واحدی از آن 2 الی 5 مرحله وجود دارد (سایر سانتریفیوژ ها حداکثر 2 مرحله ای هستند) و مایعات باید به طور کل نسبی یا کامل امتزاج نا پذیر باشد .
مزیت های POD
استخراج چند مرحله ای در یک ماشین ، جایگزین کردن ما شین های چند منظوره با یک POD ، افزایش بازده فرایند و نیازمند تجهیزات آزمایشگا هی کوچک می باشد.
-5تصفیه ی کربن
محلول غنی از پنی سیلین با 0.25-5% کربن فعال تصفیه می شود تا نا خالصی های آن خارج شود .کربن فعال جامد متخلخلی است که مولکول ها را از فاز مایع جذب می کنند . کربن فعال می تواند به صورت پودر یا فرم دانه ای ساخته شود .
-6انتقال به فاز آبی
با استفاده از تماس دهنده های سانتریفیوژی POD محلول غنی از پنی سیلین به یک فاز آبی تازه انتقال داده می شود این عمل در حضور هیدرو کسید سدیم و پتاسیم انجام می شود تا PH محلول به5-7.5 برسد .
-7بازیابی حلال
حلال پنی سیلین معمو لأ توسط تقطیر باز یابی می شود . تقطیر در سه فاز انجام می شود : تبخیر ، جدا سازی مایع و بخار در یک ستون ، تغلیظ بخار . در ابتدا حلال از محلول تبخیر می شود سپس ترکیبات با فراریت پا یین از هم جدا می شوند و در نهایت از تغلیظ برای بازیابی کسر مولی حلال فرار استفاده می شود . باز یابی حلال ، فرایند بسیار مهمی است چون حلال عمده ترین هزینه را در فرایند استخراج پنی سیلین دارد .
-8 کریستالیزاسیون
5
کریستال ها مواد خنثی هستند ، پنی سیلین G ماده ای بی بو و کریستالی سفید رنگ می باشد . کریستالیزاسیون یک مرحله ی ضروری برای براق سازی است و محصولی با کیفیت بالا تولید می کند . کریستالیزاسیون به صورت گسسته پر کار برد ترین روش برای براق سازی پنی سیلین G می باشد . در این نوع سیستم یک نوع تا نک همراه با همزن یا با فل مو جود است . محصولات به آرامی سرد می شوند تا به حالت فوق اشبا عیت برسند . دانه ها مو جب هسته زایی و با سرد شدن بیشتر رشد آن ها بیشتر می شود تا جایی که کریستا ل های مورد نظر حا صل می شوند. برای داشتن کریستال ها با درجه خلوص بالا ، باید زمان زیادی را صرف فرایند کنیم.
-9شستشوی کریستال ها
زمانی که کریستا ل ها تشکیل می شو ند ذاتأ خالص هستند اما نا خا لصی از طریق مو ئینگی و جذب روی کریستال می نشیند به همین دلیل کریستال در مایعی که نسبتأ در آن نا محلول ا ند شسته می شوند . این حلال باید با حلال مادر امتزاج نا پذیر با شد برای این منظور حلال های : -1 بوتانول و -8 بوتانول یا سایر حلال های فرار استفاده می شود .
-10خشک کردن کریستال ها
خشک کردن ممکن است خیلی از محصولات حساس به گرما را از بین ببرد از جمله پنی سیلین . G بنابراین این عمل باید با دقت کافی انجام شود تا به فعالیت بیو لو ژیکی و شیمیایی ماده آسیبی وارد نشود. روش 1 جزء روش های قدیمی خشک کردن کریستال های پنی سیلین می باشد و 3،2 از روش هایی هستند که اخیرأ برای خشک کردن کریستال های آنتی بیوتیک (پنی سیلین ( G به کار برده می شوند .
-1خشک کردن نواری خلأ : لا یه های نازکی از پنی سیلین به یک درام چرخان وارد می شود و با یک گرما یی که به صورت شعاعی می باشد این لا یه ها خشک می شو ند .
-2خشک کردن به وسیله انجماد در لوله های خالی از هوا : نام دیگر آن خشک کردن به وسیله فریز کردن می باشد ،پنی سیلین مرطوب آنقدر سرد می شود تا به حالت جامد در می آید سپس تصعید اتفاق می افتد تا رطو بت کاهش یا بد و در نها یت عمل دفع صو رت می گیرد تا رطو بت با قیمانده در مرز ها نیز از بین برود این سه مرحله پشت سر هم انجام می شود .
-3خشک کردن توسط ا سپری کردن : مایع و هوای متراکم در یک نازل وارد می شود و قطره های ریزی ایجاد می شود . هوای گرم از بیرون نازل ، قطر ها را خنک می کند و به صورت پودر در می آورد . این فرایند به صورت پشت سر هم انجام می شود .
-3 روش های جایگزین
الکل های آلیفاتیک :
الکل های آلیفاتیک که در فاز آلی قرار دارند سبب بهبود بازده لنتقال پنی سیلین می شو ند . سهم اصلی الکل های آلیفاتیک در فاز بوتیل استات ، گروه عاملی هیدروکسیل می باشد این گروه بیشترین تاثیر را در آلیفاتیک شاخه دار دارد . حالت بهینه اضافه کردن الکل های آلیفاتیک در PH=6 به منظور بازده استخراج حلال است .مشکل اصلی ، یکدست شدن مواد در این PH پایین است . پنی سیلین G در PH=5-8 پایدار است و در دمای 20 درجه سانتی گراد زمان نیمه عمرش 15 دقیقه می باشد . جهت غلبه بر این مشکل می توان زمان استخراج در PH پایین را به ثانیه ها تحت یک استخراج پیوسته کاهش داد ؛ این عمل موجب می شود بخشی از پنی سیلین تجزیه و بازیافت بالا رود .
