头孢拉定(Cephradine, Velosef) (CAS Registry No. 38821-53-3)，属于第一代半合成头孢菌素，主要用于治疗呼吸道及皮肤等感染疾病^[1-3]，其化学结构式如图 1所示。工业生产中头孢拉定结晶一般采用反应结晶，操作方式基本为间歇操作。间歇结晶工艺研究^[4-7]日渐成熟，但是这种生产方式不仅生产效率低而且产品各批次之间差别较大。连续结晶过程可以有效地解决以上问题，其操作稳定，便于获得质量均一的产品。连续结晶技术作为一种重要的过程强化方法，将其应用于头孢拉定的生产过程对于减少能耗、提高生产效率和产品质量以及增加企业效益非常必要。

药物连续结晶技术^{[8, 9]}近年来得到快速发展。Schaber等^[10]通过研究相同生产规模下，连续结晶工艺和间歇结晶工艺的成本，发现虽然连续结晶工艺单次产量比间歇结晶工艺低，但是从企业长期运作出发，连续结晶工艺更加节省生产成本。除此之外，选择合适的连续结晶器也是成功实现药物连续结晶的重要因素。应用较广泛的连续结晶器^[11]，可以分为混合悬浮混合产品出料结晶器(Mixed suspension mixed product removal, MSMPR)和连续管式结晶器(The tubolar crystallizer)^[12]。其中，MSMPR结晶器更容易实现间歇操作到连续操作的转换。Alvarez等^[13]已经成功实现环孢素在多级连续MSMPR结晶器中结晶，而且连续结晶器级数的不同会造成产品质量和产量的差异。张军立等^[14]实现了头孢氨苄连续结晶工艺单条生产线规模500 t·a^-1产业化应用。

对于头孢拉定连续结晶工艺相关研究文献目前尚未报导。蒋翠媛等^[15]提出了头孢拉定双股进料的结晶工艺，这种工艺仍属于半连续过程，没有对连续过程进行深入的研究。本论文通过构建头孢拉定三级MSMPR结晶器的连续结晶实验，研究了不同操作条件^[16]对连续结晶产品的产率及粒度分布的影响，并进一步对比分析，得到相对优化的操作条件。研究结果为头孢拉定的连续化工业化生产提供基础数据，同时对连续结晶器的设计和放大有一定的指导意义。

1 实验部分 1.1 实验试剂及仪器

试剂及来源：头孢拉定原料由华北制药河北华民药业有限公司提供；去离子水由实验室自制；氨水由石家庄市化学试剂有限责任公司购入，质量分数为25%~28%；盐酸由石家庄市化学试剂有限责任公司购入，质量分数为37%；丙酮由西陇科学股份有限公司购入，分析纯；亚硫酸氢钠由天津永大化学试剂有限公司购入，分析纯。

仪器及来源：ME204E分析天平购自梅特勒-托利多仪器有限公司；DALTA320 pH计购自梅特勒-托利多仪器有限公司；78-1磁力加热搅拌器购自常州荣华仪器制造有限公司；BT01-100蠕动泵购自保定兰格恒流泵有限公司；YYDC-0506低温恒温槽购自上海叶拓科技有限公司；JJ-1机械搅拌购自常州荣华仪器制造有限公司；Mastersizer 3000激光粒度分析仪购自马尔文仪器有限公司；OLYMPUS-BX53光学显微镜购自奥林巴斯公司；SHZ-D(Ⅲ) 循环水式多用真空泵购自郑州博科仪器设备有限公司。

1.2 实验过程及实验装置 1.2.1 实验装置

头孢拉定连续结晶实验装置图如图 2所示。上级结晶器上端出口与下级结晶器下端出口使用硅胶管连接。随着原料液不断加入，第1级结晶器液面达到上端出口处后经过连接的硅胶管进入第2级结晶器，最终连续结晶产品从第3级结晶器上端出口流出。实验中使用pH计监测各级结晶器中pH值。

1.2.2 实验过程

称量去离子水、头孢拉定原料及抗氧化剂亚硫酸氢钠，滴加盐酸，配制一定pH值下的头孢拉定饱和溶液。向第一级结晶器中加入头孢拉定饱和溶液，并加入氨水至一定pH值后加入晶种，养晶，作为底液。启动结晶器搅拌及恒温槽并通入氮气，开启蠕动泵将头孢拉定饱和溶液均匀地滴入第1级结晶器中，当第1级结晶器中悬浮液液位到达右侧溢流口高度后会向第2级结晶器溢流，直至充满第2级结晶器和第3级结晶器，同时用氨水调节第2级结晶器和第3级结晶器内悬浮液pH值至等电点。当第3级结晶器出口有产品流出时，即为连续结晶操作开始。每隔1个停留时间接取出料悬浮液，进行抽滤、丙酮洗涤、真空干燥，获得头孢拉定续结晶产品。

2 结果与讨论 2.1 头孢拉定连续结晶产品表征

头孢拉定原料及连续结晶实验产品的PXRD图谱如图 3所示。

根据图 3，头孢拉定原料及连续结晶实验产品在图谱上衍射峰基本一致，说明实验得到的连续结晶产品是头孢拉定。

2.2 头孢拉定连续结晶实验稳定状态的探究

对于连续结晶过程，通常在6倍停留时间以后可以达到连续结晶的稳定状态^[17]。在头孢拉定连续结晶实验过程中，对不同停留时间下的产品取样，干燥后使用Mastersizer 3000激光粒度分析仪测定其粒度分布。Mastersizer 3000测量产品粒度分布时，选择乙醇作为分散剂，测量前设备提前润洗，在遮光度为8%~15%，转速为1 500 r·min^-1时，进行测量。以停留时间为34 min的头孢拉定连续结晶实验为例，不同停留时间粒度分布图如图 4所示。

从图 4中可以看出，在1倍停留时间时，头孢拉定产品颗粒不均匀，粒度分布图呈现双峰。这是由于连续结晶实验初期，各级结晶器pH值没有达到稳定状态。第1级结晶器中率先析出的晶体经过较长的生长时间流出，三级结晶器中析出的晶体生长时间较短。随着结晶过程的进行，不同级数连续结晶器内pH值逐渐趋于稳定。在第3倍停留时间时，连续结晶产品粒度分布图趋于单峰。此时，在二级结晶器中晶体大多析出后进入三级结晶器中，小颗粒晶体在三级结晶器中得到生长，使得连续结晶产品颗粒变大；同时在这一连续结晶器中析出的晶体变少，小颗粒晶体数目变少。因此此时样品粒度分布图中大颗粒晶体数量较大，呈现单峰。在4倍停留时间时，粒度分布图中可看出产品体积密度升高。在5倍停留时间时，连续结晶系统趋于稳定，产品粒度主要以大颗粒为主，此时晶体主要在第2级结晶器中成核，在三级结晶器中得到充分生长。在7倍停留时间与9倍停留时间时，连续结晶产品的粒度分布图差别变小。在10倍停留时间与9倍停留时间产品粒度分布图无明显差别，说明此时头孢拉定连续结晶实验达到稳定状态。因此10倍停留时间后取样，获得连续结晶产品。

2.3 养晶pH值的探究

对第1级结晶器内养晶pH值进行探究，保持其他条件(温度293.15 K，原料液初始浓度7%、转速180 r·min^-1、亚硫酸氢钠添加量2%、晶种添加量3%、养晶时间30 min)相同，研究不同养晶pH=2.65、2.75、2.85、2.95及3.05下头孢拉定析出的粒度分布的变化。图 5为不同养晶pH值下析出的头孢拉定晶体粒度分布图。

实验结果表明，养晶pH值偏高时，随着氨水的不断加入，结晶体系pH值变化较大，容易产生局部过饱和度过高、爆发成核的现象。养晶pH值偏低时，溶液过饱和度较低，析出的头孢拉定晶体粒度分布较宽。综上所述选择养晶pH=2.85。

2.4 操作参数对头孢拉定连续结晶产品粒度分布及收率的影响

采用单因素实验，调节各级结晶器以下操作参数相同，对头孢拉定连续结晶实验进行优化。其中，收率为产品与投料量的质量之比；停留时间为结晶器体积与原料流速之比。

2.4.1 停留时间的影响

保持其他条件(原料液初始浓度7%、养晶pH=2.85、结晶温度293.15 K、转速180 r·min^-1、亚硫酸氢钠添加量2%、晶种添加量3%)相同，研究不同停留时间50.0、33.3及25.0 min对连续结晶产品的收率和粒度分布的影响。表 1为不同停留时间下头孢拉定连续结晶产品收率，图 6为不同停留时间下头孢拉定连续结晶产品粒度分布图。

根据表 1，头孢拉定连续结晶产品的收率随停留时间的增加而增大，停留时间在50.0和33.3 min时头孢拉定连续结晶产品的收率差距不大，停留时间为25.0 min时收率降低。晶体析出需要一定时间，停留时间较短时，结晶不充分，剩余过饱和度较高，收率降低。根据图 6，当停留时间较长时，产品粒度分布更加不均匀，粒度分布图中有更加突出的双峰，这可能是由于较早成核的晶体在系统中停留时间较长，较大晶体颗粒占比增加。综上所述，停留时间选择33.3 min比较合适。

2.4.2 结晶温度的影响

保持其他条件(停留时间33.3 min、原料液初始浓度7%、亚硫酸氢钠添加量2%、养晶pH=2.85、转速180 r·min^-1、晶种添加量3%)相同，研究不同结晶温度288.15、293.15、298.15、303.15及308.15 K对头孢拉定连续结晶产品的收率和粒度分布的影响。表 2为不同结晶温度下头孢拉定连续结晶产品收率，图 7为不同结晶温度下头孢拉定连续结晶产品粒度分布图。

根据表 2，温度改变时，头孢拉定连续结晶产品的收率没有太大影响。温度对头孢拉定的溶解度影响不大，所以温度的变化对产品收率无明显影响。随着结晶温度的升高，产品主粒度先减小后升高，可能是因为溶液介稳区宽度较窄，更容易成核，造成结晶产品粒度减小；温度较高时，晶体的生长速率加快，产品粒度变大。根据图 7，温度在一定范围内变大时，产品粒度分布更加不均匀。综上所述，结晶温度选择293.15 K比较合适。

2.4.3 晶种添加量的影响

保持其他条件(停留时间33.3 min、原料液初始浓度7%、亚硫酸氢钠添加量2%、养晶pH=2.85、转速180 r·min^-1、结晶温度293.15 K)相同，研究向一级结晶器中不添加晶种以及一次性添加晶种，晶种添加量分别为结晶底液中溶质质量的1%、3%和5%时，对头孢拉定连续结晶产品的收率和粒度分布的影响。表 3为不同晶种添加量下头孢拉定连续结晶产品收率，图 8为不同晶种添加量下头孢拉定连续结晶产品粒度分布图。

根据表 3，在一定范围内，晶种添加量越多收率越高。对此可以做出以下解释：加入晶种，诱导晶体成核且进一步生长，从而提高收率。当晶种添加量为3%和5%时，收率相差较小。根据图 8，在一定范围内，晶种添加量越多，粒径大的晶体占比较大。在不添加晶种时，各级结晶器内晶体自发成核，小颗粒晶体数量大产品粒度分布出现双峰且2峰面积差距大。当添加晶种量逐渐增加时，晶种附于晶核上生长，此时粒径增加，产品粒度分布比较均匀。综上所述，晶种添加量选择3%比较合适。

2.4.4 原料液初始浓度的影响

保持其他条件(停留时间33.3 min、搅拌速率180 r·min^-1、亚硫酸氢钠添加量2%、养晶pH=2.85、晶种添加量为3%、结晶温度293.15 K)相同，研究原料液初始浓度5%、7%、9%及11%时对头孢拉定连续结晶产品的收率和粒度分布的影响。表 4为不同原料液初始浓度下头孢拉定连续结晶产品收率，图 9为不同原料液初始浓度下头孢拉定连续结晶产品粒度分布图。

根据表 4，产品收率随结晶液初始浓度的加大而升高。根据图 9，当原料液浓度过低时，产品粒度分布不均匀。原料液浓度低时，溶液流动性好，搅拌造成小颗粒晶体数目大，小部分晶体生长，粒度分布图呈现双峰。综上所述，原料液初始浓度选择11%比较合适。

2.4.5 搅拌速率的影响

保持其他条件(停留时间33.3 min、原料液初始浓度7%、亚硫酸氢钠添加量2%、养晶pH=2.85、晶种添加量为3%、结晶温度293.15 K)相同，研究不同转速180、230及280 r·min^-1对头孢拉定连续结晶产品的收率和粒度分布的影响。表 5为不同搅拌速率下头孢拉定连续结晶产品收率，图 10为不同搅拌速率下头孢拉定连续结晶产品粒度分布图。

根据表 5，搅拌速率对收率基本没有影响。根据图 10，当转速为180 r·min^-1时，峰最高最窄，产品粒度最均匀。当转速过快时，结晶器中的溶液受到的剪切力比较大，产品容易被打碎，形成细小的晶体，不易长大，所以粒度不均匀。综上所述，选择搅拌速率180 r·min^-1比较合适。

3 头孢拉定连续结晶工艺

综合以上实验结果确定头孢拉定连续结晶优化工艺：结晶温度293.15 K，搅拌速率180 r·min^-1，养晶pH=2.85，晶种添加量为3%，原料液初始浓度11%，停留时间为33.3 min，可以获得平均粒径为85.3 μm，收率为76.53%的头孢拉定连续结晶产品。蒋翠媛^[15]优化后头孢拉定双股进料工艺收率最高达92.03%。连续结晶产品收率与之相比仍有差距。图 11为头孢拉定双股进料产品、连续结晶产品与原料的粒度分布图。从图 11中看出头孢拉定连续结晶产品粒度分布更窄，粒径较小。图 12为头孢拉定连续结晶产品与原料的显微镜图。从图 12中表明，连续结晶产品比原料晶体晶习更加完整。

4 结论

本研究成功构建用于头孢拉定连续结晶生产的实验装置。该连续结晶实验达到稳定状态需要10倍停留时间。采用单因素实验考察了头孢拉定连续结晶过程的影响因素，包括养晶pH值、停留时间、结晶温度、晶种添加量、原料液初始浓度及搅拌速率。其中，停留时间缩短，产品收率降低；晶种添加量增加时，粒度分布更均匀；原料液初始浓度对产品收率影响较大；合适的搅拌速率会使产品的粒度分布更加均匀。通过实验优化得到了晶习完整，粒度分布均匀的头孢拉定连续结晶产品。