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Optimization of solvent-out crystallization conditions of orlistat at lower temperature

奥利司他低温溶析结晶条件的优化



全 文 :第 13卷第 1期
2015年 1月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 1
Jan􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 00􀆰 017
收稿日期:2013-12-16
基金项目:国家科技支撑计划(2008BAI76B04)
作者简介:闫同顺(1977—),男,山东昌乐人,工程师,研究方向:生化药物的提取、纯化,E⁃mail:13581069217@ 163􀆰 com
奥利司他低温溶析结晶条件的优化
闫同顺1,杨金艳2
(1􀆰 鲁南制药集团股份有限公司 国家手性制药工程技术研究中心,山东 临沂 276006;
2􀆰 临沂大学 生命科学学院,山东 临沂 276000)
摘  要:为了寻找一种高效的奥利司他结晶工艺,对溶剂种类、晶种、反溶剂加入量、待结晶溶液浓度、搅拌转速和
降温速度等因素进行了研究。 通过静态结晶实验,确立了甲醇 /水为最佳的结晶体系及其比例,加入晶种能明显提
高奥利司他的析晶温度,提高产品含量和纯度。 在此基础上,经正交试验设计 L9(34),通过 50 L 结晶罐动态考察
了各因素对奥利司他结晶产品含量和收率的影响,并进一步优化了加水方式。 结果表明:按照 2 ℃ / h速率降温,初
始奥利司他质量浓度为 30 g / L,反溶剂水的加量为 25%(体积分数),分 2次加入,析晶前加入产品质量 0􀆰 1%的晶
种,搅拌转速 250 r / min条件下,所得奥利司他晶体含量和收率最高。 经高效液相色谱(HPLC)检测,奥利司他含量
可达 98􀆰 6%,收率可达 85􀆰 3%。
关键词:奥利司他;溶析结晶;溶析剂;优化
中图分类号:Q799        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)01-0101-05
Optimization of solvent⁃out crystallization conditions of
orlistat at lower temperature
YAN Tongshun1,YANG Jinyan2
(1􀆰 National Engineering Research Center of Chiral drugs,Lunan Pharmaceutical Group Corporation,Linyi 276006,China;
2􀆰 School of Life Science,Linyi University,Linyi 276000,China)
Abstract:The crystallization of orlistat was studied by the single factor test and the orthogonal experiment
design􀆰 Factors influencing the orlistat crystallization,such as solvent types,seed,the amount of water,the
concentration of the solution,stirring speed and cooling speed were investigated􀆰 By static crystallization
experiments, the crystallization of methanol / water as the best system and its proportion were
established􀆰 Also adding crystal seed can obviously improve the crystallization temperature of orlistat,as
well as improving product purity and content􀆰 Based on single factor test,the orthogonal experiment design
L9( 34 ) was carried out with all dynamic factors in 50 L crystallization reactor, as well as further
optimization of water addition􀆰 Results show that the highest orlistat crystal content and recovery were
obtained􀆰 Under the optimal conditions, the rate of the cooling temperature was 2 ℃ / h, the initial
concentration of orlistat was 30 g / L,adding the amount of the solvent water was 25%(V / V),twice to
add,the 0􀆰 1% seed by weight of orlistat was added before crystallization,the condition of stirring speed
was 250 r / min􀆰 By HPLC analysis,orlistat content was 98􀆰 6%,and yield was 85􀆰 3%􀆰
Keywords:orlistat;solvent⁃out crystallization;diluent solvent;optimization
    奥利司他(orlistat)是一种非全身作用的、具有
良好耐受性和有效性的新型减肥药物,可不用食欲
抑制剂而治疗肥胖,为肥胖症的药物治疗开辟了新
途径[1]。 该药品目前已在全球 100 多个国家上市,
拥有近千万使用者。
奥利司他可以通过生物发酵或全合成 2种方法
获得,生物发酵由于收率高、成本低而被广泛采用。
但是,生物发酵所得产品由于相似杂质多,难以提
纯,有关奥利司他纯化的工艺报道大多采用硅胶柱
层析或制备液相技术[2-4],成本较高。 结晶是纯化
大多数化学药物的有效方法,常用的结晶方法有冷
却结晶、共沸结晶和溶析结晶等。 对于冷却结晶,
溶质的过饱和度是由降温方式决定的,是影响冷却
结晶最为重要的因素[5],产品析晶前后,搅拌转速
对晶体粒度分布、大小、纯度都具有非常显著的影
响[6]。 而溶析结晶,是通过加入反溶剂,使溶质的
溶解度降低到过饱和状态而结晶,溶析剂的加入
量、加入方式对结晶有明显影响[7-9]。 在物质的结
晶过程中,有控制地加入一定量的小晶种到结晶溶
液中,以获得最大结晶产品的收率及使最终产品达
到预定的要求[10],但是加晶种时溶液的饱和度不宜
过高,否则容易造成晶种和二次成核的聚结[11]。 总
之,提高奥利司他产品质量的关键在于结晶过程的
优化和控制。
本文将冷却结晶和溶析结晶 2 种方式结合,通
过结晶参数和结晶过程优化,力求寻找一条结晶温
度适中,产品质量较好的结晶工艺。
1  材料与方法
1􀆰 1  试剂与仪器
奥利司他粗品,质量分数 93%,纯度为 95%,其制
备方法为发酵液经溶剂浸提、过滤、萃取、浓缩等多步
操作处理得奥利司他中间体,中间体用庚烷溶解后,
经钯炭氢化,制成奥利司他氢化液,庚烷结晶 1 次后
即得奥利司他粗品。 奥利司他晶种及对照品,质量分
数 99􀆰 2%,纯度 99􀆰 5%。 奥利司他粗品及晶种和对
照,均为实验室发酵生产自制。 分析纯甲醇、丙酮、乙
醇均为西陇化工股份有限公司,色谱纯乙腈为国药集
团化学试剂有限公司,医药级甲醇为淄博市临淄天德
精细化工研究所。
Agilent 1100 高效液相色谱仪(HPLC),Agilent
Technologies;DLSB 30 / 40 型低温循环制冷机,郑
州长城科工贸有限公司;GR 50L 双层玻璃反应
釜,郑州长城科工贸有限公司;BT100 2J 型蠕动
泵,保定兰格恒流泵有限公司;SHB B88 型水循环
真空泵,郑州长城科工贸有限公司;30 cm 布氏漏
斗,10L 抽滤瓶,蜀牛玻璃仪器有限公司; Nikon
Eclipse E100 型显微镜,尼康(中国)有限公司;BC /
BD 270SH 型冰柜,海尔集团;DZF 605B 型真空
干燥箱,巩义市英峪高科仪器厂;YC7144型油泵,临
海市春华电机厂。
1􀆰 2  实验方法
1􀆰 2􀆰 1  奥利司他静态结晶
取一定量的奥利司他粗品,加入含一定体积纯
化水的溶剂中,40 ℃加热至完全溶解,放入-5 ℃冰
柜中,使其自然降温析晶。
1􀆰 2􀆰 2  晶种对奥利司他结晶的影响
对放入冰柜内甲醇 /水结晶体系,分加晶种和
不加晶种进行结晶处理,开始析晶时用温度计测析
晶温度,所得产品低温抽滤,25 ℃真空干燥得干粉。
1􀆰 2􀆰 3  奥利司他动态结晶
取 1 kg奥利司他粗品加热至 40 ℃使其在甲醇
中完全溶解,过滤得透明滤液,将澄清的溶液移入
50 L玻璃反应釜中,用甲醇调配至所需浓度,开启
低温浴槽降温、循环,开启机械搅拌,向溶液中流加
纯化水,体系变混前加入晶种,降温至奥利司他结
晶析出,养晶 1 h,待降温至一定温度,布氏漏斗过滤
得晶体,用体积分数 75%预冷的甲醇 /水洗涤,25 ℃
真空干燥即得奥利司他干粉。
1􀆰 2􀆰 4  奥利司他含量和收率的计算
所得奥利司他晶体干燥后,用高效液相色谱
(HPLC)按照 USP35 指定的外标法(略有改进)进
行含量的测定。 纯度计算按照面积归一化法。 奥
利司他母液浓度采用事先制作的标样曲线,流动相
稀释 10倍后,过 0􀆰 45 μm 滤膜,按进样量 20 μL 进
行 HPLC分析,计算浓度和收率。 色谱系统条件:色
谱柱 C 18 柱(4􀆰 6 mm×250 mm,5 μm);流动相
V(乙腈) ∶ V(85%磷酸) ∶ V(水)= 860 ∶ 0􀆰 05 ∶ 140;检
测波长 195 nm;进样量 20 μL;流速 1􀆰 2 mL / min;柱
温 30 ℃。
2  结果与讨论
2􀆰 1  结晶溶剂的选择
选择一种合适的结晶溶剂,不但要考虑结晶
的除杂效果、晶体的过滤速度、结晶收率,更要考
虑该种溶剂的价格。 从甲醇、乙醇、丙酮 3 种溶剂
201 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
出发,配制质量浓度 30 g / L的奥利司他,通过向溶
剂中加入 25%(体积分数)的纯化水,使其在-5 ℃
冰柜内自然降温结晶。 利用 Nikon Ecipse E100 型
显微镜观察晶形。 图 1 为奥利司他分别在甲醇、
乙醇、丙酮 3 种溶剂中的晶形照片。 由图 1 可知:
奥利司他在乙醇、丙酮中结晶完过滤时,母液质量
浓度分别为 7􀆰 5 和 5􀆰 2 g / L,收率较低,此 2 种溶剂
不适合作为结晶溶剂,而且乙醇结晶时,所得奥利
司他晶形为圆球形与针状共存,晶形细,较难过
滤,不适合工业化生产。 甲醇 /水析晶温度高
(5 ℃), 5 ℃过滤时母液质量浓度 3􀆰 5 g / L,能保
证结晶的收率,晶形为长针状、粗壮、均匀,较好过
滤,除杂明显且价格便宜,所以选择甲醇为后续的
实验结晶溶剂。
图 1  奥利司他在不同溶剂中的结晶晶形照片(×400)
Fig􀆰 1  Images of different crystal forms of orlistat on different solvent types (×400)
2􀆰 2  晶种对奥利司他结晶的影响
一般情况下,加入晶种可以抑制初级成核,有
利于晶体生长。 本实验中加入溶质质量分数为
0􀆰 1%的奥利司他作为晶种,结果见图 2。 从温度计
测量结果可知,加入晶种能显著提高奥利司他的析
出温度,从6 ℃提高至 10 ℃;由图 2 可知,加入晶种
有利于结晶过程的控制和杂质的去除,但在最后过
滤时对奥利司他收率无明显影响。 这可能与奥利
司他在甲醇 /水结晶体系比例确定的前提下,溶解
度为一定值有关。 加入晶种所得奥利司他产品纯
度及含量明显高于不加晶种结晶所得产品与高海
见等[12]研究结果一致。
图 2  晶种对奥利司他结晶的影响
Fig􀆰 2  Effects of seed on orlistat crystallization
2􀆰 3  动态结晶工艺的优化
通过静态实验,初步确定了甲醇 /水为奥利司
他最佳结晶溶剂体系,结晶过程中加入晶种可以较
好地控制结晶过程。 在此基础上,动态结晶实验采
用 50 L结晶罐,以奥利司他结晶后产品含量和收率
为考察指标,通过正交实验 L9(34)(表 1)对结晶过
程中水的加入量、待结晶溶液浓度、搅拌转速和降
温速度等因素进行了研究,结晶实验均在 0℃过滤,
收集晶体、洗涤、真空干燥。 从表 2 可以看出:以奥
利司他结晶所得产品含量为响应值,结晶过程中以
溶剂水的加入量为主要因素,对奥利司他产品含量
影响显著,其次为待结晶产品浓度,降温速度影响
最小,以含量为考察指标的最佳水平组合为
A2B2C2D2。 以结晶收率为响应值,由表 3 可知:水
的加入量对结晶收率影响最为明显,而转速和降温
速度对结晶收率影响最小,其最佳组合为 A3 B3 C3
D2,综合含量和收率,最优组合为 A2B2C2D2。 从正
交试验可以得出:在奥利司他结晶过程中,水的加
入量对产品含量和收率影响最为显著,其次是待结
晶溶液浓度,而搅拌转速和降温速度影响较小。 因
此,奥利司他结晶时,一定要控制好水的加入量,在
控制收率的同时,避免水的过量加入,这样可以有
效去除杂质,保证结晶产品的质量。
2􀆰 4  加水方式对奥利司他结晶的影响
奥利司他甲醇结晶过程中,水的加入量对产品
含量和收率影响极为显著,在综合考虑产品质量与
收率的情况下,确定了加入结晶体系 25%(体积分
数)的水为最佳值。 在正交试验优化基础上,对水
301  第 1期 闫同顺等:奥利司他低温溶析结晶条件的优化
            表 1  正交试验结果 L9(34)
Table 1  Results of orthogonal experiment


加水量
(A) /

溶液浓度
(B) /
(g·L-1)
搅拌转速
(C) /
(r·min-1)
降温方式
(D) /
(℃·h-1)
含量 /

收率 /

1 10 10 100 6 96􀆰 5 75􀆰 1
2 10 30 250 2 98􀆰 6 77􀆰 3
3 10 60 450 4 94􀆰 8 78􀆰 0
4 25 10 250 4 98􀆰 1 77􀆰 5
5 25 30 450 6 97􀆰 2 84􀆰 6
6 25 60 100 2 95􀆰 9 85􀆰 3
7 50 10 450 2 94􀆰 1 87􀆰 4
8 50 30 100 4 93􀆰 8 87􀆰 8
9 50 60 250 6 93􀆰 5 88􀆰 6
表 2  正交试验结果分析(以产品含量为响应值)
Table 2  Analysis results of orthogonal experiment on content
因素 K1 K2 K3 R 最优水平
A / % 96􀆰 6 97􀆰 1 93􀆰 8 3􀆰 3 25
B / (g·L-1) 96􀆰 2 96􀆰 5 94􀆰 7 1􀆰 8 30
C / (r·min-1) 95􀆰 4 96􀆰 7 95􀆰 4 1􀆰 3 250
D / (℃·h-1) 95􀆰 7 96􀆰 2 95􀆰 6 0􀆰 6 2
表 3  正交试验结果分析(以产品收率为响应值)
Table 3  Analysis results of orthogonal experiment on yield
因素 K1 K2 K3 R 最优水平
A / % 76􀆰 8 82􀆰 5 87􀆰 9 11􀆰 1 50
B / (g·L-1) 80􀆰 0 83􀆰 2 84􀆰 0 4􀆰 00 60
C / (r·min-1) 82􀆰 7 81􀆰 1 83􀆰 3 2􀆰 20 450
D / (℃·h-1) 82􀆰 8 83􀆰 3 81􀆰 1 2􀆰 20 2
的加入方式分 3 种情况进行考察:①结晶降温前
一次性全部加入;②结晶降温前一次性先加入 1 / 2
体积,等温度降至 5 ℃时 30 min 内再流加完剩余
的1 / 2体积;③降温至 5 ℃时 1 h一次性流加完,结
果见图 3。 通过 HPLC 分析母液计算出 3 种加水
方式结晶收率均为 85􀆰 3%,由此可知,在加水量确
定的情况下,加水方式对结晶收率无影响。 由图 3
可知:纯水在结晶前分 2 次加入与在 5 ℃ 1 h流加
完所得奥利司他晶体含量、纯度都较好,且两种方
式产品质量相当,从时间角度考虑,采用第二种方
式加水(流加时间为第三种方式的一半),此时得
到的奥利司他的含量为 98􀆰 6%,收率为 85􀆰 3%。
A—降温前一次全部加入; B—5 ℃前后分两次加入;
C—5 ℃一次全部加入
图 3  纯水加入方式对奥利司他结晶的影响
Fig􀆰 3  Effects of pure water adding code on
orlistat crystallization
纯水在降温前一次性全部加入,所得晶体含量和
纯度较差,这可能与水的一次性快速加入,导致产
品析晶过快,晶种起不到应有的作用,析晶过程难
以控制有关。
3  结论
通过对奥利司他低温溶析结晶溶剂的考察,选
择了甲醇 /水为最佳的结晶体系,在此体系中结晶
产品收率高、纯度好,晶体较好过滤,加入晶种可以
显著提高结晶温度,改善产品质量。 在此基础上,
通过正交试验,考察了水的加入量、待结晶溶液浓
度、搅拌转速和降温速度等因素对结晶的影响,并
进一步明确了水的加入方式。 最终确定了一条奥
利司他结晶新工艺:按照 2 ℃ / h 速率降温,初始奥
利司他为 30 g / L,水的加量为 25%(体积分数),分 2
次加入,析晶前加入 0􀆰 1%的晶种,搅拌转速 250
r / min条件下,所得奥利司他晶体含量和收率最高。
经 HPLC检测,奥利司他含量可达 98􀆰 6%,收率可达
85􀆰 3%。 本实验甲醇 /水结晶条件的优化为奥利司
他的精制除杂提供了一种有益的参考,对其工业化
生产具有较强的指导价值。
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