2023, Vol. 40
2. 华北制药河北华民药业有限公司, 石家庄 052160
2. NCPC Hebei Huamin Pharmaceutical Co., Ltd., Shijiazhuang 052160, China
头孢他啶[1]是第3代头孢菌素类抗生素，对绿脓杆菌[2]、肠杆菌属[3]、厌氧菌和脆弱性杆菌等有杀菌作用，同时对各种革兰氏阳性[4]及阴性菌有较大抗菌活性，对酶稳定，副作用小且抗菌谱广泛，被认为是氨基糖甙类抗生素的理想取代品，已被列入国家基本医药目录，有着广阔的应用前景。其化学结构式如图 1所示。头孢他啶的结晶一般采用反应结晶[5-8]的方法，反应结晶一般来说是工业结晶中最难掌握和控制的，很好地掌握和控制该过程对产品的最终质量有着决定性的影响。
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| 图 1 头孢他啶化学结构式 Fig.1 Chemical structure of ceftazidime |
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现有的头孢他啶结晶工艺都为传统的间歇结晶过程，郑玉林等[9]在2008年报道了一种新的制备方法获得了较高的收率，但是极易爆发成核，并且也存在晶习差、粒度分布不均匀的问题。马淑媛[10]为了避免爆发成核，采取加晶种方法控制结晶过程，通过对结晶过程的优化，制备出了较好的晶习的结晶产品。但是，在产品的收率、粒度和粒度分布方面还有待进一步提高。张东亚[11]同时采用母液回收和反应-溶析耦合的方法以提高收率，但是仍存在结晶产品晶习差，粒度较小等不足。胡利敏等[12]、贾全等[13]和贺娇等[14]均对头孢他啶结晶工艺进行了不同程度研究，却均未对收率、晶习及粒度分布进行具体分析。
目前国内企业生产的头孢他啶普遍存在产品晶习差、粒度分布不均匀等问题。间歇反应结晶过程中向高浓度碱性头孢他啶溶液滴加盐酸以改变pH值而发生结晶，受混合和扩散条件的限制容易产生局部高过饱和度，进而发生爆发成核，结晶过程难以稳定地控制在介稳区内。双股进料结晶工艺是两股料液同时流进底液中，由于底液的稀释和缓冲作用，能够控制结晶环境在一定的pH值范围内，可有效地避免局部过饱和度升高而引起的爆发成核，这就使结晶过程可以稳定的控制在介稳区内，有效地解决以上的问题。影响双股进料结晶产品质量的因素有初始浓度、料液流加速率、搅拌速率、温度以及养晶时间等，本研究在双股进料结晶工艺下考察了以上因素对结晶产品收率、晶习及粒度分布的影响，确定优化的结晶工艺，得到了晶习完整、主粒度大、粒度分布均匀的结晶产品。
1 实验部分 1.1 实验材料药品: 头孢他啶二盐酸盐由华北制药集团提供。
试剂: 浓盐酸为分析纯，购自石家庄市试剂厂；去离子水为实验室自制二级去离子水；丙酮为分析纯，购自天津市永大化学试剂有限公司。
仪器: Mastersizer 3000激光粒度分析仪；Bx53正置显微镜；ME204E电子分析天平。
1.2 实验过程与实验装置 1.2.1 实验过程在四口结晶器中加入水和适量头孢他啶晶体，制得一定pH值的饱和溶液，再加入少量头孢他啶晶体混匀作为晶种底液。启动电动搅拌器在一定的转速，打开集热式恒温加热磁力搅拌器控制在一定的温度。取头孢他啶二盐酸盐和去离子水混合，并用3 mol·L-1氢氧化钠调节pH值使其溶解，其溶液为一股，3 mol·L-1盐酸溶液为另一股，分别用蠕动泵和滴管将2股溶液同时匀速滴入晶种底液，控制pH值处于3.60，养晶，降温，过滤，滤饼用丙酮洗涤，真空干燥2 h得到头孢他啶结晶产品。本结晶过程属于等电点结晶方法。
1.2.2 实验装置头孢他啶双股进料结晶装置见图 2所示。
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| 图 2 头孢他啶双股进料结晶装置图 Fig.2 Equipment used for the dual feed crystallization experiments of ceftazidime |
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在其它条件一定(料液流加速率为0.14 mL·min-1，搅拌速率为250 r·min-1，温度为27 ℃，养晶时间为60 min) 的情况下，考察了结晶液初始浓度(溶质质量/溶剂质量)为0.25、0.27、0.33及0.50 g·g-1时，结晶产品的收率及粒度分布变化。表 1为不同结晶液初始浓度下产品的收率。图 3为不同结晶液初始浓度下产品的粒度分布图。
| 溶质与溶剂质量比/(g·g-1) | 收率/% |
| 0.25 | 69.40 |
| 0.27 | 73.25 |
| 0.33 | 77.25 |
| 0.50 | 81.33 |
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| 图 3 不同结晶液初始浓度下产品的粒度分布图 Fig.3 The crystal size distribution under solution with different initial concentration |
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由实验结果可知，结晶液初始浓度越高产品收率越高，但初始浓度过高时产品粒度变小且分布不均匀。对此可以解释为: 料液浓度过高，料液过于黏稠，造成搅拌困难，反应物的扩散和混合状况变差，容易造成局部过饱和度过高，超出结晶介稳区，发生局部成核，使产品粒度变小且粒度分布变宽。综上所述，选取0.33 g·g-1为结晶液初始浓度。
2.1.2 搅拌速率的影响在其它条件一定(结晶液初始浓度为0.33 g·g-1，料液流加速率为0.14 mL·min-1，温度为27 ℃，养晶时间为60 min) 的情况下，考察了搅拌速率为100、200、250以及300 r·min-1时，结晶产品的收率及粒度分布变化。表 2为不同搅拌速率下产品的收率。图 4为不同搅拌速率下产品的粒度分布图。
| 搅拌速率/(r·min-1) | 收率/% |
| 100 | 75.67 |
| 200 | 76.67 |
| 250 | 76.23 |
| 300 | 77.56 |
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| 图 4 不同搅拌速率下产品的粒度分布图 Fig.4 The crystal size distribution under solution with different stirring speed |
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由实验结果可知，搅拌速率对产品收率无显著影响，当搅拌速率为250 r·min-1时，粒度分布较好，产品主粒度偏大，而当搅拌速率为100和200 r·min-1时，粒度分布不均匀。对此可以解释为：搅拌缓慢时，晶体不能充分悬浮，各晶体生长环境不均匀，造成产品粒度分布较宽；搅拌速率过快，产品粒度也有变小的趋势，可能原因是：搅拌加快时，晶体表面流体速度梯度增大，晶体间碰撞的几率和强度均增加，会引起更多的剪切成核和接触成核。综上所述，选取250 r·min-1为实验搅拌速率。
2.1.3 温度的影响在其它条件相同(结晶液初始浓度为0.33 g·g-1，料液流加速率为0.14 mL·min-1，搅拌速率为250 r·min-1，养晶时间为60 min) 的情况下，考察了温度为15、25、27及30 ℃时，结晶产品的收率及粒度分布变化。表 3为不同温度下产品的收率。图 5为不同温度下产品的粒度分布图。
| 温度/℃ | 收率/% |
| 15 | 82.67 |
| 25 | 78.33 |
| 27 | 76.40 |
| 30 | 65.33 |
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| 图 5 不同温度下产品的粒度分布图 Fig.5 The crystal size distribution under solution with different temperature |
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由实验结果可知，温度越高产品的收率越低，但产品的粒度分布更均匀。对此可以解释为: 温度越低，溶解度越低，介稳区宽度越窄，过饱和度过高反应结晶过程不易控制。综上所述选取27 ℃。
2.1.4 进料速率的影响在其它条件一定(结晶液初始浓度为0.33 g·g-1，搅拌速率为250 r·min-1，温度为27 ℃，养晶时间为60 min) 的情况下，考察了头孢他啶水溶液进料加速率为0.14、0.25、0.37及0.50 mL·min-1时，结晶产品的收率及粒度分布变化。表 4为不同料液流加速率下产品的收率。图 6为不同料液流加速率下产品的粒度分布图。
| 进料速率/(mL·min-1) | 收率/% |
| 0.14 | 75.84 |
| 0.25 | 75.64 |
| 0.37 | 75.40 |
| 0.81 | 75.33 |
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| 图 6 不同料液流加速率下产品的粒度分布图 Fig.6 The crystal size distribution under solution with different feeding speed |
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由实验结果可知，料液流加速率对结晶收率无明显影响，但随着料液流加速率加快，产品粒度会逐渐变小。对此可以解释为：溶质从溶液中析出生长在晶种上需要一定的时间，持续过快滴加料液会使溶液过饱和度过高超过介稳区，导致爆发成核，析出部分细小晶体。综上所述，选取0.14 mL·min-1为料液流加速率。
2.1.5 养晶时间的影响在其它条件一定(结晶液初始浓度为0.33 g·g-1，料液流加速率为0.14 mL·min-1，搅拌速率为250 r·min-1，温度为27 ℃)，考察了养晶时间为30、60、90以及120 min时，结晶产品的收率及粒度分布变化。表 5为不同养晶时间下产品的收率。图 7为不同养晶时间下产品的粒度分布图。
| 养晶时间/min | 收率/% |
| 30 | 70.30 |
| 60 | 75.41 |
| 90 | 75.62 |
| 120 | 75.65 |
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| 图 7 不同养晶时间下产品的粒度分布图 Fig.7 The crystal size distribution under solution with different crystal growing time |
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由实验结果可知，随着养晶时间的延长，收率有所提高，但60 min以后收率几乎不再增长，养晶时间对产品粒度分布影响不大。综上所述，养晶时间选取60 min。
2.2 头孢他啶双股进料优化结晶工艺基于以上实验数据确定了头孢他啶双股进料结晶的优化操作条件，即结晶液初始浓度为0.33 g·g-1，料液流加速率为0.14 mL·min-1，温度为27 ℃，搅拌速率为250 r·min-1可以得到均匀的片状晶体。图 8为结晶工艺优化前后产品显微镜下对比图，图 9为优化前后产品粒度分布图。
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| 图 8 结晶工艺优化前后产品显微镜图(PL 10/0.25) Fig.8 Optical micrographs of the products before and after optimization (PL 10/0.25) |
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| 图 9 优化前后产品粒度分布图 Fig.9 The crystal size distribution of the products before and after optimization |
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通过考察结晶液初始浓度、料液流加速率、搅拌速率、温度以及养晶时间对双股进料结晶产品收率、晶习及粒度分布的影响，对头孢他啶双股进料结晶新工艺的操作条件进行了优选，得到了晶习完整、粒度分布均匀的头孢他啶结晶产品。
| [1] |
王琰, 张斗胜, 田冶, 等. 一种头孢他啶晶体制备方法及晶体结构测定[J]. 中国新药杂志, 2020, 29(15): 1764-1769. WANG Yan, ZHANG Dousheng, TIAN Ye, et al. Preparation and structure determination of a crystal form of ceftazidime[J]. Chinese Journal of New Drugs, 2020, 29(15): 1764-1769. DOI:10.3969/j.issn.1003-3734.2020.15.015 (in Chinese) |
| [2] |
佟锦, 黄朝辉. 头孢他啶治愈绿脓杆菌性角膜溃疡1例[J]. 中国实用眼科杂志, 2004(9): 758-759. TONG Jin, HUANG Zhaohui. Ceftazidime cures a case of pseudomonas aeruginosa corneal ulcer[J]. Chinese Journal of Practical Ophthalmology, 2004(9): 758-759. DOI:10.3760/cma.j.issn.1006-4443.2004.09.039 (in Chinese) |
| [3] |
崔志红, 林雪芳, 姚根琴. 头孢他啶阿维巴坦单药治疗与联合治疗碳青霉烯耐药肠杆菌感染的有效性及安全性的meta分析[J]. 中国现代应用药学, 2022, 39(11): 1470-1477. CUI Zhihong, LIN Xuefang, YAO Genqin. Efficacy and safety of ceftazidime/avibactam in monotherapy or combination therapy against carbapenem resistant enterobacteriaceae: A meta-analysis[J]. Chinese Journal of Modern Applied Pharmacy, 2022, 39(11): 1470-1477. (in Chinese) |
| [4] |
ONORATO L, DI CAPRIO G, SIGNORIELLO S, et al. Efficacy of ceftazidime/avibactam in monotherapy or combination therapy against carbapenem-resistant Gram-negative bacteria: A meta-analysis[J]. International Journal of Antimicrobial Agents, 2019, 54(6): 735-740. DOI:10.1016/j.ijantimicag.2019.08.025 |
| [5] |
刘煜婷, 程卯生, 白全宏. 头孢他啶五水化合物结晶工艺的改进[J]. 黑龙江医药, 2003, 16(5): 455-456. LIU Yuting, CHENG Maosheng, BAI Quanhong. The improvement of crystalization of ceftazidime[J]. Heilongjiang Medical Journal, 2003, 16(5): 455-456. DOI:10.3969/j.issn.1006-2882.2003.05.023 (in Chinese) |
| [6] |
刘煜婷. 第三代头孢菌素——头孢他啶合成工艺研究[D]. 沈阳: 沈阳药科大学, 2004 LIU Yuting. Studies on the synthetic process of the third-generation cephalosporin, ceftazidime[D]. Shenyang: Shenyang Pharmaceutical University, 2004 (in Chinese) |
| [7] |
郑玉林. 头孢他啶的合成工艺改进[J]. 中国药物化学杂志, 2010, 20(3): 3-3. ZHENG Yulin. Improved synthesis process for ceftazidime[J]. Chinese Journal of Medicinal Chemistry, 2010, 20(3): 3-3. (in Chinese) |
| [8] |
陈辉, 陈立宗, 丁尚志, 等. 反应结晶制备头孢菌素类抗生素研究进展[J]. 山东化工, 2020, 49(10): 83-84. CHEN Hui, CHEN Lizong, DING Shangzhi, et al. Research progress of reaction crystallization to prepare cephalosporin antibiotics[J]. Shandong Chemical Industry, 2020, 49(10): 83-84. DOI:10.3969/j.issn.1008-021X.2020.10.030 (in Chinese) |
| [9] |
郑玉林, 管海英, 李晴. 头孢他啶五水合物的制备方法: CN101607966[P]. 2009-12-23 ZHENG Yulin, GUAN Haiying, LI Qing. Method for preparing ceftazidime pentahydrate: CN101607966[P]. 2009-12-23 (in Chinese) |
| [10] |
马淑媛. 头孢等电点结晶过程研究[D]. 天津: 天津大学, 2012 MA Shuyuan. Study on the isoelectric point crystallization process of cephalosporin[D]. Tianjin: Tianjin University, 2012 (in Chinese) |
| [11] |
张东亚. 头孢他啶结晶过程的研究[D]. 天津: 天津大学, 2013 ZHANG Dongya. Study on the crystallization process of ceftazidime[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013 (in Chinese) |
| [12] |
胡利敏, 贾全, 任峰, 等. 头孢他啶母液冷冻浓缩技术研究与应用[J]. 当代化工, 2020, 49(3): 589-592. HU Limin, JIA Quan, REN Feng, et al. Research and application of freeze concentration technology of ceftazidime mother liquor[J]. Contemporary Chemical Industry, 2020, 49(3): 589-592. DOI:10.3969/j.issn.1671-0460.2020.03.019 (in Chinese) |
| [13] |
贾全, 胡利敏, 任峰, 等. 基于响应面设计的头孢他啶母液冷冻浓缩工艺优化[J]. 山东科学, 2021, 34(5): 121-129. JIA Quan, HU Limin, REN Feng, et al. Optimization of the freeze concentration process of ceftazidime mother liquor based on the response surface method[J]. Shandong Science, 2021, 34(5): 121-129. (in Chinese) |
| [14] |
贺娇, 张建丽, 任峰, 等. 头孢他啶结晶工艺优化及质量研究[J]. 化工与医药工程, 2022, 43(4): 51-55. HE Jiao, ZHANG Jianli, REN Feng, et al. Optimization of crystallization process and study on quality of ceftazidime[J]. Chemical and Pharmaceutical Engineering, 2022, 43(4): 51-55. (in Chinese) |