题目
在温和高湿度环境下,其最稳定的pH范围为6.0-7.0。青霉素在水溶液中可以部分解离,形成带负电荷的离子。例如,青霉素G的钠盐在水中解离为mathrm(Na)^+和青霉素G阴离子。青霉素G的等电点约为pH 2.5青霉素的提取纯化流程为青霉素发酵液预处理、液固分离,然后用醋酸丁酯进行有机溶剂萃取,得到丁酯萃取液,最后经活性炭脱色,加入成盐剂,经共沸蒸馏即可得青霉素G钾盐。1 分离纯化药物的一般流程是什么?2 试分析青霉素发酵液预处理可采用的方法有哪些?3 试分析青霉素发酵液的液固分离可采的设备有哪些?4 青霉素在0^circmathrm(C)和mathrm(pH)2.5时的分配系数(醋酸丁酯/水)为35,若用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取,理论收率是多少?5 试分析可能影响醋酸丁酯萃取青霉素的因素有哪些?6 试分析工艺中青霉素的结晶方法是什么?若要控制青霉素晶体的大小可采用的方法是什么?7 青霉素还有没有其它的萃取方法?若有其它萃取方法,请写出青霉素萃取的工艺要点。8 请结合材料,说明材料中展现了哪些科学精神?
在温和高湿度环境下,其最稳定的pH范围为6.0-7.0。青霉素在水溶液中可以部分解离,形成带负电荷的离子。例如,青霉素G的钠盐在水中解离为$\mathrm{Na}^{+}$和青霉素G阴离子。青霉素G的等电点约为pH 2.5
青霉素的提取纯化流程为青霉素发酵液预处理、液固分离,然后用醋酸丁酯进行有机溶剂萃取,得到丁酯萃取液,最后经活性炭脱色,加入成盐剂,经共沸蒸馏即可得青霉素G钾盐。
1 分离纯化药物的一般流程是什么?
2 试分析青霉素发酵液预处理可采用的方法有哪些?
3 试分析青霉素发酵液的液固分离可采的设备有哪些?
4 青霉素在$0^{\circ}\mathrm{C}$和$\mathrm{pH}2.5$时的分配系数(醋酸丁酯/水)为35,若用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取,理论收率是多少?
5 试分析可能影响醋酸丁酯萃取青霉素的因素有哪些?
6 试分析工艺中青霉素的结晶方法是什么?若要控制青霉素晶体的大小可采用的方法是什么?
7 青霉素还有没有其它的萃取方法?若有其它萃取方法,请写出青霉素萃取的工艺要点。
8 请结合材料,说明材料中展现了哪些科学精神?
题目解答
答案
1. 药物分离纯化流程:预处理(调节pH、加热等)→液固分离(过滤、离心等)→初步纯化(萃取、沉淀等)→精制(结晶、色谱等)→干燥与包装。
2. 预处理方法:调节pH至2.5,加热使蛋白质变性,加入絮凝剂或沉淀剂,过滤或离心去除杂质。
3. 液固分离设备:板框压滤机、离心机(碟片式)、膜过滤设备、真空过滤机等。
4. 理论收率:$ E = 1 - \left( \frac{1}{1 + 35 \times \frac{1}{4}} \right)^2 = 98.95\% $。
5. 影响因素:pH、温度、有机相与水相比例、搅拌强度、萃取时间、杂质干扰等。
6. 结晶方法为共沸蒸馏结晶。控制晶体大小可调节结晶温度、搅拌速度、加入晶种、选择溶剂或延长结晶时间。
7. 可采用双水相萃取:选择PEG/Na₂SO₄系统,调节pH至2.5,加入相形成剂,混合分相,青霉素富集于PEG相,反萃取后结晶。
8. 材料体现了求真、创新、严谨、合作、实践、探索等科学精神。例如,通过实验确定最佳pH,优化萃取工艺,体现求真与创新;精确控制参数体现严谨;多步骤协作体现合作;将理论应用于实践体现实践精神。
解析
本题主要考查药物分离纯化相关知识,包括分离纯化流程、发酵液预处理与液固分离方法及设备、萃取相关计算与影响因素、结晶方法及晶体大小控制、萃取方法拓展以及科学精神的体现。解题思路如下:
- 分离纯化药物的一般流程:根据常见的药物分离纯化知识,按照从粗到精的顺序,依次考虑预处理、液固分离、初步纯化、精制以及最终的干燥与包装等步骤。
- 青霉素发酵液预处理可采用的方法:结合青霉素的性质(等电点约为pH 2.5),考虑去除杂质的方法,如调节pH使青霉素沉淀,加热使蛋白质变性,加入絮凝剂或沉淀剂促进杂质聚集,再通过过滤或离心去除杂质。
- 青霉素发酵液的液固分离可采的设备:回顾常见的液固分离设备,如板框压滤机、离心机(碟片式)、膜过滤设备、真空过滤机等,这些设备都能实现液固分离的功能。
- 青霉素二级逆流萃取理论收率的计算:
- 首先明确分配系数$K$的定义为有机相浓度与水相浓度之比,即$K=\frac{y}{x}$($y$为有机相浓度,$x$为水相浓度)。
- 对于二级逆流萃取,设料液体积为$V_{水}$,萃取剂体积为$V_{有}$,本题中$V_{有}=\frac{1}{4}V_{水}$。
- 经过一级萃取后,水相中的青霉素浓度$x_1$与料液初始浓度$x_0$的关系为$x_1=\frac{x_0}{1 + K\frac{V_{有}}{V_{水}}}$。
- 经过二级萃取后,水相中的青霉素浓度$x_2$与$x_1$的关系为$x_2=\frac{x_1}{1 + K\frac{V_{有}}{V_{水}}}=\frac{x_0}{(1 + K\frac{V_{有}}{V_{水}})^2}$。
- 理论收率$E$为$1-\frac{x_2}{x_0}$,将$K = 35$,$\frac{V_{有}}{V_{水}}=\frac{1}{4}$代入可得:
$\begin{align*}E&=1 - \frac{x_2}{x_0}\\&=1 - \frac{1}{(1 + 35\times\frac{1}{4})^2}\\&=1 - \frac{1}{(1 + 8.75)^2}\\&=1 - \frac{1}{9.75^2}\\&=1 - \frac{1}{95.0625}\\&\approx 98.95\%\end{align*}$
- 可能影响醋酸丁酯萃取青霉素的因素:从萃取的原理和过程考虑,pH会影响青霉素的解离状态,温度会影响分配系数和传质速率,有机相与水相比例会影响萃取效率,搅拌强度会影响传质效果,萃取时间会影响萃取的充分程度,杂质干扰会影响青霉素的萃取效果。
- 青霉素的结晶方法及控制晶体大小的方法:根据材料可知结晶方法为共沸蒸馏结晶。控制晶体大小可从结晶的条件入手,调节结晶温度、搅拌速度、加入晶种、选择合适的溶剂或延长结晶时间等都能影响晶体的生长和大小。
- 青霉素的其它萃取方法及工艺要点:双水相萃取是一种可行的方法。选择PEG/Na₂SO₄系统,调节pH至青霉素的等电点2.5,使青霉素在该系统中分配到特定相,加入相形成剂形成双水相,混合分相后青霉素富集于PEG相,再进行反萃取后结晶。
- 材料中展现的科学精神:通过实验确定最佳pH,体现了追求真理的精神;优化萃取工艺,体现了创新精神;精确控制参数,体现了严谨的态度;多步骤协作完成青霉素的提取纯化,体现了合作精神;将理论应用于实际的提取纯化过程,体现了实践精神;不断探索更好的萃取方法,体现了探索精神。