土霉素鹽酸鹽在不同溶劑中溶解度的測定與關聯

王立志， 劉慶芬， 劉俊果

(1．河北科技大學生物科學與工程學院，河北石家莊 050018;2．河北省發酵工程技術研究中心，河北石家莊 050018;3．中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京 100190)

土霉素鹽酸鹽在不同溶劑中溶解度的測定與關聯

王立志1，2， 劉慶芬3， 劉俊果1，2

(1．河北科技大學生物科學與工程學院，河北石家莊 050018;2．河北省發酵工程技術研究中心，河北石家莊 050018;3．中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京 100190)

采用平衡法測定了土霉素鹽酸鹽在甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇4種短鏈醇與少量水、少量氯化鈣混合溶劑中，溫度范圍為0～55℃的溶解度，結果表明在短鏈醇中加入少量水、少量氯化鈣能明顯的增加土霉素鹽酸鹽在短鏈醇中的溶解度．采用多項式經驗方程和半經驗關聯模型對實驗所測定的溶解度數據進行了關聯，關聯結果表明溶解度方程在研究的濃度和溫度范圍內適用，且多項式經驗方程優于半經驗關聯模型．土霉素鹽酸鹽在溶劑中的溶解度的測定與關聯為土霉素鹽酸鹽的工業生產、回收提純以及理論研究提供了重要的固液相平衡數據．

溶解度;溶解度模型;土霉素鹽酸鹽;短鏈醇

土霉素鹽酸鹽是一種四環素類抗生素，分子式為C22H24N2O9·HCl，黃色結晶性粉末．土霉素是一種廣譜抑菌劑，廣泛用于革蘭氏陽性及陰性細菌感染，作為生長促進劑，土霉素常用做飼料添加劑［1－2］．

土霉素鹽酸鹽的制備工藝主要包括發酵液預處理→過濾→脫色→結晶→土霉素堿→酸醇溶解液→活性炭脫色→冷卻結晶→干燥→土霉素鹽酸鹽成品［3］．在較高溫度下用酸醇溶解土霉素堿而在低溫冷卻條件下結晶是其主要的工藝原理，在土霉素鹽酸鹽業生產中最多使用的是甲醇和正丁醇為溶解溶劑，為了減少短鏈醇的單耗，需對短鏈醇進行回收再利用，工業目前采用最廣的回收方法為雙塔回收．因此了解土霉素鹽酸鹽在酸醇中的溶解度相當重要，但有關土霉素鹽酸鹽在水相中的溶解度數據很少且不系統，在有機溶劑中的溶解度變化規律的研究報道亦較少［4－6］．然而土霉素鹽酸鹽在短鏈醇溶劑中的溶解度對于它的提取工藝條件優化具有重要的指導意義，因此有必要進行這方面的測定與研究．

1 材料和方法

1.1 試劑與儀器

土霉素鹽酸鹽由圣雪大成制藥有限責任公司提供，采用島津高效液相色譜儀進行純度分析．色譜條件為 LunaC18型色譜柱(250 mm ×4.6 mm，5 μm);流動相為草酸銨/N，N－二甲基甲酰胺/磷酸氫二銨=60/30/10，用氨水試液調節pH值為(8.0±0.2);流速為0.8 mL·min－1;柱溫:40℃;檢測波長為280 nm;進樣量為 20 μL．經測定［7］，純度達 99%以上．

甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇均為分析純，天津市永大化學試劑開發中心;無水氯化鈣為分析純，天津市北方天醫化學試劑廠;水為實驗室自制去離子水．

AR1140型分析天平，梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;MA－30型水分測定儀，Sartorius公司;DF－101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市英峪予華儀器廠;H－1650型高速臺式離心機，長沙湘儀離心機儀器有限公司;HH－S11.4型恒溫水浴鍋，江蘇金壇安普實驗儀器廠．

1.2 實驗方法

在鹽酸土霉素生產工藝中［8］，將土霉素堿用酸醇溶解時制成的溶液大約含水的質量分數2%～3%，大約含CaCl2的質量分數為4%．因此本實驗研究了少量水及少量氯化鈣對土霉素鹽酸鹽溶解度的影響．參照現行工藝料液中的水含量和氯化鈣含量，試驗中甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇4種醇與水的比例設定為1 000∶25(體積比)，4種醇與氯化鈣的比例為 19.25∶1(質量比)．

采用平衡法［9－11］測定土霉素鹽酸鹽的溶解度．稱取過量的土霉素鹽酸鹽(±0.000 1 g)和一定量的溶劑放于試管中，蓋上瓶塞．打開恒溫水浴鍋，期間每30 min搖勻一次，恒溫2 h，觀察到不再有溶質減少時停止，取出溶液離心10 min使所有固體不容物沉降下來，上清液即為達到溶解平衡的飽和溶液［12］．用移液槍將上清液轉移到水分測定儀上，溫度130℃，儀器運行，記錄蒸發前后的質量，根據重量法計算出土霉素鹽酸鹽的溶解度．根據實驗方案調整不同溫度，重復上述操作步驟．

實驗過程中每30 min搖勻一次攪拌防止結晶和過飽和，使其充分溶解．所得數據為3次重復測量的平均值．

2 結果與討論

2.1 土霉素鹽酸鹽在不同溶劑中的溶解度測定

首先測定了土霉素鹽酸鹽在12種不同溶劑中的溶解度，分別是甲醇、甲醇/少量水、甲醇/少量氯化鈣、乙醇、乙醇/少量水、乙醇/少量氯化鈣、異丙醇、異丙醇/少量水、異丙醇/少量氯化鈣、正丁醇、正丁醇/少量水、正丁醇/少量氯化鈣．

30℃時，用上述方法測得土霉素鹽酸鹽在純甲醇溶液中的溶解度，一共實驗3次，測得的結果分別為4.099，4.097，4.087 g·(100 g)－1，總平均值為4.094 g·(100 g)－1，相對誤差分別為 0.12，0.07，0.17%，誤差在允許范圍以內．

常壓下，土霉素鹽酸鹽在4種有機溶劑和含少量水或氯化鈣的溶劑體系中溶解度見圖1至圖4．

圖1 土霉素鹽酸鹽在甲醇、甲醇/水、甲醇/氯化鈣中的溶解度Fig．1 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in methanol，methanol/water and methanol/calcium chloride

圖2 土霉素鹽酸鹽在乙醇、乙醇/水、乙醇/氯化鈣中的溶解度Fig．2 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in ethanol，ethanol/water and ethanol/calcium chloride

圖3 土霉素鹽酸鹽在異丙醇、異丙醇/水、異丙醇/氯化鈣中的溶解度Fig．3 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in isopropanol，isopropanol/water and isopropanol/calcium chloride

由圖1至圖4可知，土霉素鹽酸鹽在甲醇中的溶解度隨溫度升高而升高，在乙醇和正丁醇中的溶解度隨溫度升高而降低，而在異丙醇中的溶解度隨溫度的升高呈現先升高、后降低、再升高的趨勢．加入少量水及少量氯化鈣能明顯提高土霉素鹽酸鹽在短鏈醇中的溶解度，以30℃為例:在100%甲醇中的溶解度為4.094 g·(100g)－1，加入少量水時的溶解度為4.554 g·(100 g)－1，加入少量氯化鈣的溶解度為7.221 g·(100 g)－1．在30℃時土霉素鹽酸鹽在甲醇中的溶解度明顯高于在其他3種短鏈醇中的溶解度，這與文獻上的數據也是相符合的［3］．結果表明，就溶解度而言，采用甲醇做土霉素鹽酸鹽的提取劑是最合適的．在土霉素鹽酸鹽的生產中的少量水及加入少量的氯化鈣對其提取會用更大的幫助．

圖4 土霉素鹽酸鹽在正丁醇、正丁醇/水、正丁醇/氯化鈣中的溶解度Fig．4 Solubility curves of oxytetracycline hydrochloride in normal butanol，normal butanol/water and normal butanol/calcium chloride

2.2 溶解度實驗結果與經驗方程擬合

2.2.1 多項式經驗方程關聯

在壓力、溶劑系統的因素一定時，溫度對溶解度的影響是起決定性的，假設溶解度是隨溫度連續變化的，可采用多項式方程對溶解度數據進行關聯［13－14］:

式(1)中 a，b，c，d 為方程參數，S 為溶解度(g/100 g)，t為攝氏溫度(℃)、其回歸結果見表1，其R值均能達到0.99以上，說明由式(1)回歸的曲線能較好的表示土霉素鹽酸鹽在甲醇、甲醇/水、甲醇/鈣、正丁醇、正丁醇/水、正丁醇/氯化鈣中的溶解度．土霉素鹽酸鹽在乙醇、異丙醇溶劑體系中溶解度的關聯結果非常的不理想，未列出．

表1 多項式經驗方程參數Tab．1 Polynomial equation results of solubility

2.2.2 半經驗關聯模型關聯

根據固液相平衡原理，描述固液平衡有如式(2)的溶解度方程［15］:

由于壓力項和熱熔差較小可以忽略掉，因此，得到(2)式的簡化方程為:

活度系數γ1一般可以近似寫成［16］:

將(4)式帶入(3)式可以得到:

式(2)到(6)中a，b，A，B 為方程參數;ΔHm1為溶質的熔點，K;ΔHtp為溶質在三相點熔化焓，J/mol;T為溫度，K;Tm1為溶質的熔點溫度，K;Ttp為溶質三相點溫度，K;R為通用氣體常數，J/(mol·K);x1為溶質的摩爾分率;γ1為溶質活度系數．

由實驗數據可關聯得半經驗關聯模型中的參數見表2．土霉素鹽酸鹽在乙醇、異丙醇溶劑體系中溶解度的關聯結果非常的不理想，未列出．

表2 半經驗關聯模型中的溶解度參數Tab．2 Semiempirical equation correlation results of solubility

3 結論

土霉素鹽酸鹽在甲醇溶液中的溶解度隨溫度升高而增大，在乙醇和正丁醇中的溶解度隨溫度升高而降低，而在異丙醇中的溶解度隨溫度的的升高呈現先升高、后降低、再升高的趨勢，在短鏈醇中加入少量水、少量氯化鈣能明顯提高它的溶解度．同一溫度下，在4種短鏈醇體系中土霉素鹽酸鹽在甲醇中的溶解度最大，表明甲醇最適合做土霉素鹽酸鹽提取劑．

用經驗方程及半經驗關聯模型對土霉素鹽酸鹽在甲醇、正丁醇、甲醇/水、正丁醇/水、甲醇/氯化鈣、正丁醇/氯化鈣進行了關聯，獲得了相關模型參數．相對而言，采用多項式方程關聯的效果較好．實驗得到的溶解度數據為土霉素鹽酸鹽生產以及生產中甲醇的回收提供了依據．

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(責任編輯:李 寧)

Measurement and Correlation of Solubilities of Oxytetracycline Hydrochloride in Different Solvents

WANG Li-zhi1，2， LIU Qing-fen3， LIU Jun-guo1，2
(1．College of Bioscience and Bioengineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China;2．R ＆ D Center for Fermentation Engineering of Hebei Province，Shijiazhuang 050018，China;3．State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

The solubilities of oxytetracycline hydrochloride in short-chain alcohols，including methanol，ethanol，isopropyl alcohol and normal butanol，which were determined by equilibrium method in the temperature of 0－55℃．The results show that solubilties in short-chain alcohol with trace water and trace calcium are higher than those in pure short chain alcohol．Besides，the effects of trace water and trace calcium chloride on the solubility were studied in order to close to the solvent system in industry．The solubilities obtained were correlated with the mathematic model of empirical polynomial equation and the semiempirical equation．Using these two equations，the calculated solubilities are in great agreement with the experimental data，and the correlation results of polynomial equation are better than those of semiempirical equation．The solubility data and their correlation equations obtained in this study provide valuable data for the recovering and purifying oxytetracycline hydrochloride．

solubility;solubility model;oxytetracycline hydrochloride;short-chain alcohol

TS251．1;Q819

A

1671-1513(2012)04-0059-05

2011-12-16

王立志，男，碩士研究生，研究方向為生物下游分離工程;

劉俊果，女，副教授，博士，主要從事微生物發酵與生化分離工程方面的研究．通訊作者．