Жидкофазная экстракция наиболее часто используется в производствах антибиотиков, в том числе при производстве наиболее крупнотоннажного из них – пенициллина. Ранее мы уже рассматривали блок-схему технологии этого антибиотика и видели, как много там стадий жидкофазной экстракции: сначала пенициллин из водной фазы переводят в органическую (бутилацетат), затем из органической фазы – опять в водную, затем опять в органическую и т. д.

Рассмотрим более подробно основы этого процесса.

Пенициллин является слабой кислотой, которая диссоциирует на анион и ион водорода:
[НА] ↔ H⁺ + A^–,
где [НА] – пенициллин в недиссоциированной форме; H⁺ – ион водорода; А^– – анион.

Показано, что антибиотик в неионизированной форме [НА] хорошо растворяется в некоторых органических растворителях (бутилацетате или амилацетате). Растворимость его в таких растворителях почти в 100 раз больше, чем в воде. Диссоциированный же анион не имеет столь хорошей растворимости в органической фазе.

Из курса «Процессы и аппараты химической технологии» известно, что основной характеристикой процесса экстракции «жидкость–жидкость» является коэффициент распределения K_p, который представляет собой отношение равновесной концентрации распределяемого вещества в органической фазе C_op (в экстракте) к его равновесной концентрации в водной фазе С_вр (рафинате):
 (15.8)

Аналогично процессу экстрагирования (где коэффициент распределения обозначали У_жт), чем выше К_р тем больше способность данного экстрагента извлекать целевой компонент.

Уравнения динамики изменения во времени концентраций продукта в органической фазе C_о и в водной фазе C_в во многом аналогичны процессу экстрагирования:
 (15·9)
где V_о – объем органической фазы; C_о – концентрация продукта в органической фазе; K_v – коэффициент массоотдачи; C^р_о – концентрация продукта в органической фазе, равновесная по отношению к его концентрации в водной фазе С_в.

Иначе говоря, величина C^р_о определяется выражением
C^р_о = K_pC_в. (15.10)

Для водной фазы (рафината)
 (15.11)
где V_в – объем водной фазы (рафината); C_в – концентрация продукта в водной фазе.

С новыми обозначениями концентрации в рафинате и в экстракте можно получить выражение для равновесной концентрации продукта в рафинате после завершения однократного процесса экстракции, если начальная концентрация в рафинате составляет С_вн:
 (15.12)
и
 (15.13)
где С_вp – равновесная концентрация продукта в водной фазе (рафинате) после завершения однократного процесса экстракции.

Как видно из уравнений, конечные значения равновесной концентрации продукта в рафинате и степени извлечения зависят от коэффициента распределения, соотношения объемов фаз и не зависят от коэффициента массоотдачи.

Из схемы диссоциации пенициллина следует, что для перевода его в не диссоциированное состояние [НА] нужно увеличивать концентрацию ионов водорода в растворе, подкисляя его. Причем наибольшее значение этой концентрации и самой величины коэффициента распределения пенициллина в водной фазе и в бутил- ацетате имеет место при очень низкой величине рН (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Зависимость коэффициента распределения
между органической фазой (бутилацетатом)
и водным раствором бензилпенициллина (1),
пенициллина F (2) и пенициллина К (3)

На рис. 15.6 показана зависимость K_p (рН) не только для наиболее активного бензил пенициллина (кривая 1), но и для пенициллинов F и К (соответственно кривые 2 и 3), которые имеют низкую активность, а потому засоряют готовый продукт и не нужны в нем. Для этих пенициллинов оптимальный коэффициент распределения K_p достигается при рН 3,0–3,3. Следовательно, проводя экстракцию при рН 2,0, мы не только достигаем хорошего коэффициента распределения для бензилпенициллина, но и одновременно решаем вторую важную задачу – предотвращаем переход пенициллинов F иK в бутилацетатный экстракт.

Отсюда ясно, что проводить экстракцию было бы хорошо при рН, равном 2,0.

Однако возникает препятствие: бензилпенициллин очень неустойчив и разрушается при низких значениях рН. Еще Флеминг, первооткрыватель пенициллина, жаловался, что пенициллин исчезает прежде, чем успеешь на него посмотреть. Такая ситуация, правда, характерна для водных растворов пенициллина. В органической фазе он вполне устойчив и может сохраняться долго без инактивации.

Где же выход из положения? Выход в том, чтобы провести процесс экстракции максимально быстро. Вот когда понадобится высокое значение Kv! В теории это вполне понятно, а как осуществить такую рекомендацию на практике?

Для этого процесс экстракции должен осуществляться в такой последовательности:

• подкисление водного раствора пенициллина;
• добавление к нему экстрагента – органической фазы;
• диспергирование фазы для обеспечения наибольшей поверхности раздела фаз и повышения K_v;
• интенсивное перемешивание для осуществления процесса собственно экстракции, причем время протекания процесса должно быть настолько малым, чтобы не успело проявиться разрушающее действие низких значений рН на водные растворы пенициллина;
• после завершения процесса экстракции – разделение (редис-пергирование) водной и органической фаз.

Все эти операции быстро можно провести, только если: процесс проводится в непрерывном режиме; в качестве аппарата используется центробежный экстрактор. Вот почему в биотехнологических процессах экстракция осуществляется в центробежных экстракторах, напоминающих по конструкции центробежные сепараторы. В них происходит эмульгирование фаз путем смесителя-инжектора, экстракция в центробежном поле и затем деэмульгирование органических фаз. Кроме того, в многоступенчатых центробежных экстракторах обеспечивается еще противоточное движение фаз, создающее равномерную по ходу потока движущую силу массоотдачи.

Преимущества таких экстракторов – высокая производительность и возможность работы с лабильными продуктами.

Недостатки: высокие энергетические затраты, возможность проскока частично эмульгированного слоя («третьего слоя»), что увеличивает потери целевого продукта.