Kỹ thuật sản xuất dược phẩm Tập 1+2 PGS.TS Từ Minh Koóng Trường ĐH Y dược Hà Nội 2007 (Full Text) by Dạy Kèm Quy Nhơn Official

Bé y tÕ

Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm TËp I Kü thuËt s¶n xuÊt thuèc b»ng ph−¬ng ph¸p tæng hîp hãa d−îc vμ chiÕt xuÊt d−îc liÖu S¸ch ®µo t¹o d−îc sü ®¹i häc M∙ sè: §.20.Z.09 Chñ biªn: PGS.TS. Tõ Minh Koãng

Nhμ xuÊt b¶n y häc Hμ néi - 2007

ChØ ®¹o biªn so¹n Vô Khoa häc & §μo t¹o, Bé Y tÕ

Chñ biªn: PGS.TS. Tõ Minh Koãng

Nh÷ng ng−êi biªn so¹n:

ThS. NguyÔn V¨n H©n KS. NguyÔn ViÖt H−¬ng TS. NguyÔn §×nh LuyÖn PGS.TS. §ç H÷u NghÞ

HiÖu ®Ýnh: KS. NguyÔn ViÖt H−¬ng

Tham gia tæ chøc b¶n th¶o: TS. NguyÔn M¹nh Pha ThS. PhÝ V¨n Th©m

Lêi giíi thiÖu Thùc hiÖn mét sè ®iÒu cña LuËt Gi¸o dôc, Bé Gi¸o dôc vμ §μo t¹o vμ Bé Y tÕ ®· ban hμnh ch−¬ng tr×nh khung ®μo t¹o ®èi t−îng lμ D−îc sü ®¹i häc Cao ®¼ng ®iÒu d−ìng. Bé Y tÕ tæ chøc biªn so¹n tμi liÖu d¹y – häc çc m«n c¬ së, chuyªn m«n vμ c¬ b¶n chuyªn ngμnh theo ch−¬ng tr×nh trªn nh»m tõng b−íc x©y dùng bé s¸ch chuÈn vÒ chuyªn m«n ®Ó ®¶m b¶o chÊt l−îng ®μo t¹o nh©n lùc y tÕ. S¸ch “Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm” ®−îc biªn so¹n dùa trªn ch−¬ng tr×nh gi¸o dôc cao ®¼ng ®iÒu d−ìng cña Tr−êng §¹i häc §iÒu d−ìng Nam §Þnh trªn c¬ së ch−¬ng tr×nh khung ®· ®−îc phª duyÖt. S¸ch ®−îc ThS. Tr−¬ng TuÊn Anh, mét nhμ gi¸o giÇu kinh nghiÖm vμ t©m huyÕt víi c«ng t¸c ®μo t¹o biªn so¹n theo ph−¬ng ch©m: KiÕn thøc c¬ b¶n, hÖ thèng; néi dung chÝnh x¸c, khoa häc, cËp nhËt çc tiÕn bé khoa häc, kü thuËt hiÖn ®¹i vμ thùc tiÔn ViÖt Nam. S¸ch “Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm” ®· ®−îc Héi ®ång chuyªn m«n thÈm ®Þnh s¸ch vμ tμi liÖu d¹y – häc chuyªn ngμnh Cö nh©n ®iÒu d−ìng vμ Cao ®¼ng ®iÒu d−ìng cña Bé Y tÕ thÈm ®Þnh vμo n¨m 2006. Bé Y tÕ quyÕt ®Þnh ban hμnh lμ tμi liÖu d¹y – häc ®¹t chuÈn chuyªn m«n cña ngμnh y tÕ trong giai ®o¹n 2006-2010. Trong qu¸ tr×nh sö dông, s¸ch ph¶i ®−îc chØnh lý, bæ sung vμ cËp nhËt. Bé Y tÕ xin ch©n thμnh c¶m ¬n ThS. Tr−¬ng TuÊn Anh, c«ng t¸c t¹i Bé m«n §iÒu d−ìng thÇn kinh – t©m thÇn Tr−êng §¹i häc §iÒu d−ìng Nam §Þnh ®· giμnh nhiÒu c«ng søc hoμn thμnh cuèn s¸ch nμy, c¶m ¬n TS. §inh §¨ng HoÌ, PGS.TS. Ng« §¨ng Thôc ®· ®äc, ph¶n biÖn ®Ó cuèn s¸ch ®−îc hoμn chØnh, kÞp thêi phôc vô cho c«ng t¸c ®μo t¹o nh©n lùc y tÕ. V× lÇn ®Çu xuÊt b¶n, chóng t«i mong nhËn ®−îc ý kiÕn ®ãng gãp cña ®ång nghiÖp, çc b¹n sinh viªn vμ çc ®éc gi¶ ®Ó lÇn xuÊt b¶n sau ®−îc hoμn thiÖn h¬n.

Vô Khoa häc vμ §μo t¹o Bé Y tÕ

Lêi nãi ®Çu Cuèn gi¸o tr×nh "Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm" ®−îc biªn so¹n ®Ó gi¶ng cho sinh viªn D−îc hÖ ®¹i häc vμo häc kú 8 ®· ®−îc xuÊt b¶n lÇn thø nhÊt n¨m 2001, gåm 2 tËp. Theo ch−¬ng tr×nh cò, thêi l−îng gi¶ng d¹y m«n häc nμy lμ qu¸ Ýt so víi nh÷ng kiÕn thøc chung cña D−îc sü ®¹i häc. §Æc biÖt trong t×nh h×nh hiÖn nay, sau khi cã nghÞ quyÕt cña Bé ChÝnh trÞ (NQ-46/BCT2005) vÒ ph¸t triÓn nÒn C«ng nghiÖp D−îc cña ®Êt n−íc trong t×nh h×nh míi, ph¶i −u tiªn ph¸t triÓn c«ng nghiÖp s¶n xuÊt nguyªn liÖu lμm thuèc, trong ®ã chó träng C«ng nghiÖp Hãa d−îc vμ C«ng nghÖ Sinh häc. Ban ch−¬ng tr×nh nhμ tr−êng quyÕt ®Þnh t¨ng thªm mét ®¬n vÞ häc tr×nh cho häc phÇn "S¶n xuÊt thuèc b»ng C«ng nghÖ sinh häc". Bé m«n ®· biªn so¹n l¹i ®Ó xuÊt b¶n cuèn gi¸o tr×nh míi gåm 3 tËp. C¶ ba tËp ®Òu cã tªn chung cña gi¸o tr×nh: “Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm”. Gi¸o tr×nh ®−îc biªn so¹n theo hai néi dung: 1. Kü thuËt s¶n xuÊt çc nguyªn liÖu lμm thuèc. 2. Kü thuËt s¶n xuÊt çc d¹ng thuèc thμnh phÈm. Trong ®ã: Néi dung thø nhÊt gåm 2 tËp lμ: * TËp 1. Kü thuËt s¶n xuÊt thuèc b»ng ph−¬ng ph¸p tæng hîp hãa d−îc vμ chiÕt xuÊt d−îc liÖu. * TËp 2. Kü thuËt s¶n xuÊt thuèc b»ng ph−¬ng ph¸p sinh tæng hîp. Néi dung thø hai gåm 1 tËp lμ: * TËp 3. Kü thuËt s¶n xuÊt çc d¹ng thuèc. So víi lÇn xuÊt b¶n tr−íc, çc t¸c gi¶ biªn so¹n ®· cè g¾ng ch¾t läc nh÷ng kiÕn thøc chñ yÕu nhÊt ®Ó cung cÊp cho ng−êi häc hiÓu ®−îc ngμnh khoa häc võa hÊp dÉn võa quan träng nμy. Tuy nhiªn, víi néi dung phong phó, ®a d¹ng vμ thêi l−îng h¹n chÕ nªn kh«ng thÓ ®i s©u h¬n ®−îc. V× vËy cuèn gi¸o tr×nh kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. Çc t¸c gi¶ mong nhËn ®−îc sù gãp ý cña ®äc gi¶ ®Ó chØnh söa cho lÇn xuÊt b¶n sau ®−îc hoμn chØnh h¬n. Xin ch©n thμnh c¶m ¬n.

Bé m«n C«ng nghiÖp D−îc Tr−êng §¹i häc D−îc Hμ Néi

Môc lôc Lêi giíi thiÖu

Lêi nãi ®Çu

PhÇn I. Kü thuËt tæng hîp hãa d−îc

Ch−¬ng 1. Mét sè kiÕn thøc chung vÒ c«ng nghiÖp ho¸ d−îc

1. §¹i c−¬ng

TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. §Æc ®iÓm cña c«ng nghiÖp ho¸ d−îc

3. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu s¶n xuÊt thuèc míi

4. Nguån nguyªn liÖu cña c«ng nghiÖp ho¸ d−îc

Ch−¬ng 2. Nitro ho¸ 1. §¹i c−¬ng

24 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. C¬ chÕ ph¶n øng nitro ho¸

3. T¸c nh©n nitro ho¸

4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng

5. C¸ch tiÕn hμnh ph¶n øng

6. Nitrozo hãa

7. ThiÕt bÞ ph¶n øng vμ an toμn lao ®éng

8. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 3. Sulfo hãa 1. §¹i c−¬ng

32 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. C¬ chÕ ph¶n øng

3. T¸c nh©n sulfo hãa

4. §iÒu kiÖn cña qu¸ tr×nh sulfo hãa

5. Kh¶ n¨ng øng dông cña ph¶n øng

6. C¸ch tiÕn hμnh ph¶n øng

7. T¸ch c¸c acid sulfonic tõ hçn hîp ph¶n øng

8. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 4. Halogen hãa 1. §¹i c−¬ng 2. C¬ chÕ ph¶n øng

42 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

42 43 7

3. T¸c nh©n halogen hãa

4. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 5. Alkyl hãa 1. §¹i c−¬ng

49 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. C¸c t¸c nh©n alkyl hãa

3. C¸c lo¹i alkyl hãa

4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh alkyl hãa

5. C¸ch tiÕn hμnh ph¶n øng

6. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 6. Acyl hãa

1. §¹i c−¬ng

TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. T¸c nh©n acyl ho¸

3. C¬ chÕ ph¶n øng

4. Mét sè yÕu tè cÇn chó ý trong qu¸ tr×nh acyl ho¸

5. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 7. Ester ho¸ 1. §¹i c−¬ng

63 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. C¬ chÕ ph¶n øng

3. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ester ho¸

4. C¸c ph−¬ng ph¸p chuyÓn dÞch c©n b»ng cho ph¶n øng ester ho¸

5. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 8. Ph¶n øng thuû ph©n 1. §¹i c−¬ng

72 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. C¬ chÕ cña ph¶n øng thuû ph©n

3. C¸c t¸c nh©n thuû ph©n

4. C¸c ph¶n øng thuû ph©n vμ c¬ chÕ ph¶n øng

5. ThiÕt bÞ cña ph¶n øng thuû ph©n

6. Kü thuËt an toμn lao ®éng

7. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 9. Oxy ho¸

1. §¹i c−¬ng 8

TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. C¬ chÕ ph¶n øng oxy ho¸

3. C¸c t¸c nh©n oxy ho¸

4. C¸c ph¶n øng oxy ho¸

5. ThiÕt bÞ cña ph¶n øng oxy ho¸

6. Kü thuËt an toμn trong qu¸ tr×nh oxy hãa

7. Mét sè vÝ dô

Ch−¬ng 10. Khö ho¸ 1. §¹i c−¬ng

95 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. T¸c nh©n khö ho¸

95 96

3. øng dông cña ph¶n øng khö ho¸

104

4. Hydro ph©n

109

5. Mét sè vÝ dô

109

Ch−¬ng 11. Diazo ho¸ 1. §¹i c−¬ng

112 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

112

2. §Æc ®iÓm cña muèi diazoni

113

3. C¬ chÕ cña ph¶n øng diazo ho¸

113

4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh diazo ho¸

115

5. Nguyªn t¾c tiÕn hμnh diazo ho¸

116

6. C¸c ph¶n øng cña muèi diazoni

117

7. ThiÕt bÞ vμ an toμn lao ®éng

119

8. VÝ dô

120

Ch−¬ng 12. Ph¶n øng ng−ng tô 1. §¹i c−¬ng

121 TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

2. C¸c lo¹i ph¶n øng ng−ng tô

122

Ch−¬ng 13. Ph¶n øng chuyÓn vÞ 1. §¹i c−¬ng

121 128

TS. NguyÔn §×nh LuyÖn

128

2. C¬ chÕ ph¶n øng chuyÓn vÞ anion -1,2

129

3. C¸c lo¹i ph¶n øng chuyÓn vÞ

129

PhÇn II. Kü thuËt chiÕt xuÊt d−îc liÖu

145

Ch−¬ng 14. Mét sè kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ chiÕt xuÊt d−îc liÖu

145

1. Nguyªn liÖu chiÕt xuÊt

KS. NguyÔn ViÖt H−¬ng

2. Mét sè qu¸ tr×nh x¶y ra trong chiÕt xuÊt d−îc liÖu

146 148 9

3. Nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt d−îc liÖu

151

4. C¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt

157

5. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt

161

Ch−¬ng 15. Mét sè qu¸ tr×nh th−êng gÆp ë giai ®o¹n tinh chÕ 1. L¾ng

KS. NguyÔn ViÖt H−¬ng

177 177

2. Läc

181

3. KÕt tinh

187

4. HÊp phô

192

Ch−¬ng 16. Kü thuËt s¶n xuÊt mét sè nguyªn liÖu d−íi d¹ng cao thuèc 199 1. Kh¸i niÖm cao thuèc

ThS. NguyÔn V¨n H©n

199

2. Ph©n lo¹i cao thuèc

200

3. KÜ thuËt ®iÒu chÕ

200

4. C¸c chØ tiªu chÊt l−îng cao thuèc

206

5. B¶o qu¶n, ghi nh·n

206

6. Mét sè vÝ dô cao thuèc

207

Ch−¬ng 17. ChiÕt xuÊt alcaloid 1. §¹i c−¬ng vÒ alcaloid

208 PGS. TS. §ç H÷u NghÞ

208

2. TÝnh chÊt chung cña alcaloid

209

3. C¸c ph−¬ng ph¸p chung chiÕt alcaloid

210

4. C¸c ph−¬ng ph¸p t¸ch alcaloid d−íi d¹ng tinh khiÕt

213

5. ChiÕt xuÊt mét sè alcaloid

215

Ch−¬ng 18. ChiÕt xuÊt c¸c ho¹t chÊt cã nguån gèc tù nhiªn kh¸c

242

PGS. TS. §ç H÷u NghÞ 1. ChiÕt xuÊt artemisinin vμ acid artemisinic tõ c©y thanh hao hoa vμng 242

2. ChiÕt xuÊt rutin tõ hoa hoÌ

249

Tμi liÖu tham kh¶o

251

PhÇn I. Kü thuËt tæng hîp ho¸ d−îc Ch−¬ng 1

Mét sè KiÕn thøc chung vÒ c«ng nghiÖp ho¸ d−îc

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Bèn ®Æc ®iÓm cña c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc. 2. Néi dung cña ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu s¶n xuÊt thuèc míi trong kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc. 3. C¸c nguån nguyªn liÖu v« c¬ vμ h÷u c¬ cña c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc.

1. §¹i c−¬ng Kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc h×nh thμnh vμ ph¸t triÓn dùa trªn c¬ së cña Kü thuËt tæng hîp H÷u c¬. Ngμy nay nã ®· trë thμnh mét ngμnh khoa häc riªng biÖt víi mét tiÒm n¨ng v« cïng to lín. Mét mÆt do nhu cÇu ®iÒu trÞ ngμy cμng t¨ng, mÆt kh¸c do lîi Ých vÒ kinh tÕ rÊt lín ®· thóc ®Èy çc h·ng D−îc phÈm lín trªn thÕ giíi ®Çu t− m¹nh mÏ vμo lÜnh vùc nμy. HiÖn nay, do sù c¹nh tranh khèc liÖt trªn thÞ tr−êng, nªn ®éc quyÒn trong s¶n xuÊt mét s¶n phÈm thuèc cμng trë nªn rÊt quan träng ®èi víi sù tån t¹i cña mét h·ng D−îc phÈm. ChÝnh v× vËy, viÖc s¶n xuÊt ra nguyªn liÖu lμm thuèc víi gi¸ rÎ vμ nghiªn cøu t×m kiÕm thuèc míi lμ hai nhiÖm vô chÝnh cña ngμnh C«ng nghiÖp Ho¸ d−îc hiÖn nay. Çc chÊt h÷u c¬ dïng lμm thuèc th−êng cã ph©n tö l−îng kh«ng lín (kh«ng qu¸ 500 ®¬n vÞ C) vμ cã cÊu tróc kh¸ phøc t¹p, nhiÒu chÊt dÔ bÞ ph©n huû bëi ¸nh s¸ng, nhiÖt ®é vμ ®é Èm. Chóng ®−îc ®iÒu chÕ b»ng nhiÒu ph¶n øng ho¸ häc kh¸c nhau. ChÝnh v× vËy, çc nhμ nghiªn cøu, çc d−îc sü vμ kü s− lμm viÖc trong lÜnh vùc nμy ph¶i cã sù am hiÓu s©u s¾c vÒ çc qu¸ tr×nh ho¸ häc c¬ b¶n (nitro ho¸, sulfo ho¸, halogen ho¸, oxy ho¸, khö ho¸...) hoÆc nh÷ng qu¸ tr×nh ho¸ häc ®Æc biÖt kh¸c. Ph¶i cã sù hiÓu biÕt c¬ b¶n vÒ çc nhãm thuèc vμ ph−¬ng ph¸p tæng hîp chóng. Ngoμi ra cÇn ph¶i cã kiÕn thøc vÒ thiÕt bÞ, 11

vËt liÖu chÕ t¹o thiÕt bÞ dïng trong c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc vμ vÊn ®Ò ¨n mßn thiÕt bÞ... ®Ó tr¸nh ®−a t¹p chÊt vμo thuèc. Kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc lμ m«n häc nh»m ®¸p øng nh÷ng yªu cÇu trªn, néi dung gåm hai phÇn chÝnh: A. Çc qu¸ tr×nh ho¸ häc c¬ b¶n cña kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc. B. Kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc. PhÇn çc qu¸ tr×nh ho¸ häc c¬ b¶n giíi thiÖu çc ph¶n øng ®−îc sö dông nhiÒu trong tæng hîp H÷u c¬, Ho¸ d−îc. Çc ph¶n øng nμy ®· ®−îc kü thuËt ho¸ víi viÖc sö dông çc t¸c nh©n vμ ®iÒu kiÖn ph¶n øng tèi −u ®Ó thu ®−îc çc s¶n phÈm mong muèn ®¹t tiªu chuÈn. PhÇn Kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc giíi thiÖu çc ph−¬ng ph¸p tæng hîp çc nhãm thuèc cô thÓ nh−: Thuèc h¹ nhiÖt gi¶m ®au, Thuèc sèt rÐt, Thuèc ch÷a lÞ, Thuèc trÞ giun s¸n... V× sè giê gi¶ng trong ®¹i häc cã h¹n, nªn phÇn B ®−îc tr×nh bμy trong gi¸o tr×nh Cao häc cña chuyªn ngμnh C«ng nghÖ D−îc phÈm vμ Bμo chÕ. 2. §Æc ®iÓm cña C«ng nghiÖp Ho¸ D−îc Tuy lμ mét trong nh÷ng ngμnh cña c«ng nghiÖp hãa häc, nh−ng môc ®Ých cña c«ng nghiÖp Hãa d−îc lμ s¶n xuÊt ra çc ho¹t chÊt nh»m ®iÒu trÞ bÖnh cho ng−êi. Cho nªn nã cã nh÷ng ®Æc ®iÓm riªng, rÊt cÇn chó ý trong qu¸ tr×nh tæ chøc vμ ph¸t triÓn s¶n xuÊt. •

§Æc ®iÓm quan träng nhÊt lμ chÊt l−îng thμnh phÈm ph¶i ®¹t tiªu chuÈn D−îc ®iÓn quèc gia

Môc ®Ých sö dông thuèc lμ ®Ó ®iÒu trÞ bÖnh, thuèc kh«ng chØ ®−îc ®−a vμo c¬ thÓ b»ng ®−êng uèng mμ cßn b»ng ®−êng tiªm, ®Æt hoÆc ph©n phèi trùc tiÕp qua da... Cã nghÜa lμ cã nhiÒu con ®−êng ®−a thuèc trùc tiÕp vμo m¸u cña mét c¬ thÓ bÖnh. Do ®ã ho¹t chÊt dïng lμm thuèc ph¶i tinh khiÕt, kh«ng ®−îc chøa t¹p chÊt hay bÊt kú mét t¸c nh©n nμo bÊt lîi cho søc khoÎ. Tõ yªu cÇu trªn, tr−íc khi xuÊt x−ëng, thμnh phÈm ph¶i ®−îc kiÓm nghiÖm rÊt chÆt chÏ vÒ mÆt hãa häc vμ sinh häc theo çc tiªu chuÈn cña D−îc ®iÓn. ViÖc qui ®Þnh hμm l−îng t¹p chÊt cã trong thuèc hÕt søc chÆt chÏ nh»m tr¸nh çc t¸c dông ®éc h¹i do tÝch luü khi sö dông dμi ngμy, ®Ó lo¹i nh÷ng t¹p chÊt kh¸c kh«ng thÓ ph¸t hiÖn ®−îc trong s¶n xuÊt, ®Ó tr¸nh nh÷ng t−¬ng kþ kh«ng gi¶i thÝch ®−îc khi bμo chÕ hoÆc ®Ó kÐo dμi tuæi thä cña thuèc... §Æc ®iÓm nμy ®ßi hái nhμ m¸y Hãa d−îc ph¶i ®¹t çc yªu cÇu sau:

−

Ph¶i ®¶m b¶o c¸c tiªu chuÈn vÒ vÖ sinh c«ng nghiÖp. Ng−êi lao ®éng ph¶i cã hiÓu biÕt vÒ nguyªn t¾c vÖ sinh vμ v« trïng trong s¶n xuÊt.

−

ThiÕt bÞ s¶n xuÊt ph¶i chèng ¨n mßn tèt ®Ó kh«ng ®−a thªm t¹p chÊt vμo thuèc.

−

Nguyªn liÖu dïng cho s¶n xuÊt ph¶i cã chÊt l−îng cao, râ nguån gèc ®Ó lo¹i nh÷ng t¹p chÊt kh«ng ph¸t hiÖn ®−îc trong s¶n xuÊt. Còng v× lý do nμy mμ hiÖn nay khuynh h−íng: "C«ng nghiÖp Hãa D−îc tù s¶n xuÊt lÊy s¶n phÈm trung gian" ngμy cμng ph¸t triÓn.

−

Do sù phøc t¹p cña ph©n tö thuèc vμ yªu cÇu ®é tinh khiÕt cao cña s¶n phÈm, nªn c¸c quy tr×nh s¶n xuÊt Ho¸ d−îc th−êng gåm nhiÒu giai ®o¹n biÕn ®æi ho¸ häc vμ lý häc. §Ó n©ng cao hiÖu suÊt vμ tr¸nh thÊt tho¸t, cÇn ph¶i sö dông nh÷ng quy tr×nh liªn tôc vμ tù ®éng ho¸.

−

Thμnh phÈm cña c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc nhiÒu lo¹i lμ thuèc ®éc, c¸c thuèc kh«ng ®¹t tiªu chuÈn chÊt l−îng th× kh«ng thÓ xuÊt x−ëng mμ ph¶i huû hoÆc xö lÝ ®Ó thu håi nguyªn liÖu. V× vËy, viÖc ®ãng gãi thμnh phÈm vμ l−u kho ph¶i ®−îc thùc hiÖn nghiªm tóc theo ®óng thñ tôc vμ yªu cÇu kü thuËt. VËt liÖu ®ãng gãi vμ quy c¸ch nh·n bao b× ®Òu ph¶i tu©n theo quy ®Þnh.

Tãm l¹i, mét nhμ m¸y Ho¸ d−îc cÇn ®¹t tiªu chuÈn GMP cho mét nhμ m¸y s¶n xuÊt nguyªn liÖu lμm thuèc. •

VÒ mÆt khèi l−îng vμ gi¸ trÞ

Khèi l−îng cña s¶n xuÊt Ho¸ d−îc so víi çc ngμnh c«ng nghiÖp kh¸c th−êng kh«ng lín vμ víi mçi lo¹i thuèc còng kh¸c xa nhau. Cã lo¹i chØ cÇn vμi kg lμ ®ñ ®¸p øng cho nhu cÇu ®iÒu trÞ trong c¶ n−íc, nh−ng cã lo¹i ph¶i cÇn tíi hμng tr¨m, hμng ngμn tÊn. Trong ®ã gi¸ thμnh cña chóng rÊt chªnh lÖch nhau vμ gi¸ trÞ kinh tÕ còng rÊt kh¸c nhau. V× vËy, tr−íc khi ®−a mét mÆt hμng vμo s¶n xuÊt ph¶i nghiªn cøu rÊt kü c¶ kü thuËt lÉn hiÖu qu¶ kinh tÕ ®Ó ®¶m b¶o s¶n xuÊt æn ®Þnh vμ cã hiÖu qu¶ cao. MÆt kh¸c, muèn cho thμnh phÈm kh«ng qu¸ ®¾t, c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc ph¶i triÖt ®Ó khai th¸c d− phÈm cña nhiÒu ngμnh kh¸c. CÇn ph¶i hîp t¸c réng r·i víi nhiÒu ngμnh nh− c«ng nghiÖp ho¸ häc, phÈm nhuém, chÊt dÎo, thuèc næ, luyÖn kim, khai th¸c quÆng, l©m nghiÖp, ch¨n nu«i, giÊy, thùc phÈm, ... nh»m sö dông liªn hoμn çc nguyªn liÖu. Kh«ng nh÷ng thμnh phÈm nhiÒu lo¹i lμ thuèc ®éc mμ nhiÒu nguyªn phô liÖu dïng trong s¶n xuÊt Ho¸ d−îc lμ nh÷ng chÊt ®éc, nhiÒu qu¸ tr×nh ph¶n øng vμ tinh chÕ sö dông çc lo¹i dung m«i dÔ ch¸y næ.

•

NhiÒu dung m«i t¹o hçn hîp næ víi kh«ng khÝ. §Ó tr¸nh ch¸y næ, kh«ng ®−îc dïng kh«ng khÝ nÐn ®Ó chuyÓn vËn c¸c dung m«i dÔ ch¸y næ, mμ ph¶i dïng khÝ tr¬ hoÆc b¬m ®Ó vËn chuyÓn. ViÖc tiÕp xóc víi ho¸ chÊt vμ dung m«i cã ¶nh h−ëng kh«ng tèt ®Õn søc khoÎ con ng−êi, g©y nªn nhiÒu bÖnh nghÒ nghiÖp m¹n tÝnh. V× vËy ph¶i nghiªm tóc tu©n theo nh÷ng qui ®Þnh vÒ an toμn lao ®éng. Ph¶i cã hiÓu biÕt s©u vÒ chuyªn m«n, cã tÝnh kû luËt vμ tinh thÇn tr¸ch nhiÖm cao trong s¶n xuÊt. 13

RÊt nhiÒu qui tr×nh s¶n xuÊt thuèc lμ nh÷ng tæng hîp tinh vi, sö dông nguyªn liÖu ®¾t vμ hiÕm, thiÕt bÞ tù ®éng phøc t¹p.

•

V× vËy ®éi ngò çn bé vμ c«ng nh©n cña c«ng nghiÖp Hãa d−îc ph¶i cã tr×nh ®é cao, thμnh th¹o vμ chuyªn nghiÖp hãa. §Æc biÖt nh÷ng ng−êi phô tr¸ch tõng d©y chuyÒn s¶n xuÊt ph¶i ®−îc ®μo t¹o tèt, ®¶m b¶o hiÖu qu¶ cña s¶n xuÊt vμ chÊt l−îng thμnh phÈm. ViÖc tæ chøc, vμ qu¶n lý s¶n xuÊt ph¶i th−êng xuyªn n©ng cao, c¶i tiÕn vμ hîp lý ho¸. 3. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu s¶n xuÊt thuèc míi Sù ®ßi hái th−êng xuyªn cña ®iÒu trÞ bÖnh cã t¸c dông thóc ®Èy m¹nh mÏ viÖc nghiªn cøu s¶n xuÊt çc thuèc míi. §èi víi mçi quèc gia, ®©y lμ vÊn ®Ò v« cïng quan träng trong chiÕn l−îc b¶o vÖ søc khoÎ con ng−êi. HiÖn nay, viÖc nghiªn cøu ®−a mét thuèc míi vμo s¶n xuÊt th−êng cã hai xu h−íng: 3.1. Nghiªn cøu t×m kiÕm hîp chÊt míi dïng lμm thuèc Trªn c¬ së nh÷ng ph¸t minh cña çc nhμ khoa häc thuéc nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau nh− sinh häc, d−îc lý... vÒ nh÷ng hîp chÊt tù nhiªn cã t¸c dông sinh häc, çc nhμ ho¸ häc x¸c ®Þnh cÊu tróc ph©n tö vμ tæng hîp ra hîp chÊt nμy cïng nh÷ng dÉn xuÊt míi cña nã. KÕt qu¶ sÏ cã mét lo¹t çc hîp chÊt míi cho çc nhμ sinh häc, d−îc lý... tiÕn hμnh thö t¸c dông sinh häc, d−îc lý nh»m chän ra nh÷ng hîp chÊt ®¸p øng yªu cÇu ®iÒu trÞ. Con ®−êng nμy rÊt khã, v× trong hμng tr¨m thËm chÝ hμng ngμn hîp chÊt ®iÒu chÕ ®−îc cã thÓ chØ mét hoÆc vμi chÊt ®−îc lùa chän ®Ó ®iÒu trÞ. 3.2. Nghiªn cøu x©y dùng qui tr×nh s¶n xuÊt míÝ NhiÖm vô chñ yÕu ë ®©y lμ t×m ph−¬ng ph¸p tæng hîp míi, trªn c¬ së ®ã x©y dùng mét quy tr×nh míi tiÖn lîi h¬n, kinh tÕ h¬n ®Ó s¶n xuÊt çc hîp chÊt ®· ®−îc sö dông trong ®iÒu trÞ. Xu h−íng nghiªn cøu nμy th−êng ®−îc thùc hiÖn ë nh÷ng tr−êng hîp sau:

−

C¸c ph−¬ng ph¸p tæng hîp hoÆc quy tr×nh s¶n xuÊt cò l¹c hËu, kh«ng kinh tÕ, kh«ng cã kh¶ n¨ng s¶n xuÊt ë quy m« c«ng nghiÖp. §Õn nay nhê sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ tæng hîp h÷u c¬, ®· cã kh¶ n¨ng thay ®æi b»ng mét ph−¬ng ph¸p tæng hîp míi hiÖn ®¹i h¬n, kinh tÕ h¬n.

−

C¸c hîp chÊt chiÕt xuÊt tõ tù nhiªn cã ho¹t tÝnh sinh häc cao, hiÖn ®ang ®−îc dïng lμm thuèc, nh−ng do nguån nguyªn liÖu tù nhiªn c¹n kiÖt, kh«ng ®¸p øng ®ñ nhu cÇu ®iÒu trÞ cho nªn cÇn ph¶i nghiªn cøu ph−¬ng ph¸p tæng hîp, b¸n tæng hîp.

−

Do nguyªn nh©n kh«ng mua ®−îc b¶n quyÒn s¸ng chÕ, do ®ã ph¶i nghiªn cøu t×m mét ph−¬ng ph¸p kh¸c ®Ó s¶n xuÊt d−îc chÊt ®· biÕt (HiÖn nay, ®èi víi c¸c n−íc ®ang ph¸t triÓn cã thÓ mua l¹i nh÷ng

b»ng ph¸t minh ®· hÕt b¶n quyÒn ®Ó tiÕt kiÖm chi phÝ nghiªn cøu vμ rót ng¾n thêi gian ®−a mét thuèc ®ang ®−îc sö dông vμo s¶n xuÊt). ViÖc ®−a mét thuèc míi vμo s¶n xuÊt bÊt kú theo xu h−íng nμo còng gåm nh÷ng b−íc sau: +

Nghiªn cøu tæng hîp ë qui m« phßng thÝ nghiÖm: R (Research).

Nghiªn cøu triÓn khai ë quy m« pilot: D (Development).

Nghiªn cøu s¶n xuÊt ë quy m« c«ng nghiÖp: P (Production).

3.3. Nghiªn cøu tæng hîp ë qui m« phßng thÝ nghiÖm −

§Çu tiªn cÇn tra cøu, thu thËp tμi liÖu cμng ®Çy ®ñ cμng tèt vÒ hîp chÊt cÇn nghiªn cøu tæng hîp nh−: ph−¬ng ph¸p tæng hîp, ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh cÊu tróc, c¸c h»ng sè ho¸ lý, ph−¬ng ph¸p kiÓm nghiÖm, t¸c dông sinh häc ...

−

Trªn c¬ së tμi liÖu tra cøu ®−îc, ph©n tÝch chän läc nh÷ng néi dung phï hîp víi ®iÒu kiÖn phßng thÝ nghiÖm, ®iÒu kiÖn s¶n xuÊt trong n−íc. Sau ®ã tiÕn hμnh thÝ nghiÖm ë qui m« nhá ®Ó kh¶o s¸t nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng tíi hiÖu suÊt t¹o thμnh s¶n phÈm (t¸c nh©n ph¶n øng, xóc t¸c, dung m«i, nhiÖt ®é, tû lÖ mol c¸c chÊt tham gia ph¶n øng, nång ®é, thêi gian ph¶n øng...), kh¶o s¸t ph−¬ng ph¸p xö lý sau ph¶n øng, ph−¬ng ph¸p tinh chÕ, kh¶ n¨ng thu håi d− phÈm, ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh cÊu tróc, ®é æn ®Þnh cña qui tr×nh, ...

−

Sau khi cã s¶n phÈm tinh khiÕt, tiÕn hμnh thö ho¹t tÝnh sinh häc (in vitro, in vivo), thö t¸c dông d−îc lÝ, ®éc tÝnh trªn ®éng vËt thÝ nghiÖm, thö tiÒn l©m sμng vμ l©m sμng.

−

X©y dùng quy tr×nh ®iÒu chÕ ho¹t chÊt ®¹t tiªu chuÈn d−îc dông (theo tiªu chuÈn ngμnh hoÆc tiªu chuÈn D−îc ®iÓn).

Néi dung quy tr×nh phßng thÝ nghiÖm: Trªn c¬ së çc kÕt qu¶ nghiªn cøu, viÕt thμnh quy tr×nh phßng thÝ nghiÖm ®Ó çc nhμ chuyªn m«n dùa vμo ®ã thùc hiÖn nghiªn cøu triÓn khai ë qui m« pilot. Mét qui tr×nh phßng thÝ nghiÖm tæng hîp Ho¸ d−îc th−êng gåm nh÷ng néi dung sau: 1. Tªn ®Ò tμi: cÇn ghi râ tªn ®Ò tμi, çc b−íc ph¶n øng, çc chÊt trung gian míi hoÆc s¶n phÈm míi ®−îc t¹o thμnh. 2. Tªn s¶n phÈm: cÇn viÕt tªn khoa häc theo tμi liÖu vμ tªn gäi ®−îc sö dông trong nhμ m¸y hoÆc xÝ nghiÖp. 3. Çc h»ng sè ho¸ häc, vËt lý: cÇn nªu c«ng thøc cÊu t¹o, c«ng thøc nguyªn, ph©n tö l−îng, mμu s¾c, d¹ng tinh thÓ, ®iÓm ch¶y, ®é s«i cña 15

s¶n phÈm. Riªng ®é hoμ tan cÇn nªu kü çc lo¹i dung m«i vμ l−îng chÊt cã thÓ hoμ tan ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau. Çc ®iÒu cÇn biÕt vÒ ®é bÒn v÷ng, ®iÒu kiÖn b¶o qu¶n cña s¶n phÈm vμ çc sè liÖu liªn quan vÒ t¸c dông sinh häc. 4.

Yªu cÇu vÒ chÊt l−îng s¶n phÈm: cÇn ®−a ra çc yªu cÇu cña tμi liÖu tham kh¶o vμ kÕt qu¶ b¶n th©n ®¹t ®−îc vÒ çc chØ tiªu chÊt l−îng cña s¶n phÈm nh− mμu s¾c, mïi vÞ, çc tÝnh chÊt vËt lý... VÝ dô ®iÓm ch¶y tμi liÖu ghi lμ l30oC, nh−ng ph¶n øng tiÕp theo chØ cÇn ®iÓm ch¶y ë l25oC lμ ®¹t yªu cÇu th× trong qui tr×nh còng ghi ®iÓm ch¶y nμy.

5. LÞch sö tãm t¾t cña s¶n phÈm: çc ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt, n¬i s¶n xuÊt, ng−êi ph¸t minh vμ thêi gian lμm ra s¶n phÈm. 6. Çc ph−¬ng tr×nh ph¶n øng ®iÒu chÕ, ph©n tö l−îng, tû lÖ mol thùc dïng, ®iÓm s«i, ®iÓm ch¶y vμ mét sè tÝnh chÊt cña çc chÊt tham gia ph¶n øng... 7. Qui tr×nh tãm t¾t: chØ ghi qui tr×nh mét çch tãm t¾t vμ çc ®iÓm cÇn chó ý. 8. LiÖt kª tªn nguyªn liÖu, phô liÖu cÇn thiÕt cho qui tr×nh, ghi râ yªu cÇu vÒ chÊt l−îng vμ sè l−îng. 9. Qui tr×nh chi tiÕt: m« t¶ chi tiÕt çch tiÕn hμnh, liÖt kª çc thiÕt bÞ, nªu chi tiÕt çc sè liÖu ®Ó çc nhμ chuyªn m«n biÕt çch thùc hiÖn thÝ nghiÖm. 10. An toμn vμ b¶o hé lao ®éng: cÇn ghi râ çc ®iÓm cÇn chó ý vÒ an toμn lao ®éng trong qu¸ tr×nh tiÕn hμnh thÝ nghiÖm. 11. Mét sè kinh nghiÖm khi thùc hiÖn thÝ nghiÖm: cÇn ghi l¹i nh÷ng kinh nghiÖm ç nh©n trong qu¸ tr×nh tiÕn hμnh thÝ nghiÖm ngoμi nh÷ng m« t¶ trong qui tr×nh chi tiÕt. 12. ChØ tiªu nguyªn liÖu phô liÖu: cÇn ph¶i tÝnh to¸n chØ tiªu nguyªn liÖu, phô liÖu, dung m«i cÇn thiÕt cho mét kg s¶n phÈm. 13. Çc tμi liÖu tham kh¶o: cÇn trÝch dÉn çc tμi liÖu tham kh¶o liªn quan ®Õn ®Ò tμi ®· thu thËp ®−îc. 14. Thêi gian, ®Þa ®iÓm, hä tªn nh÷ng ng−êi tham gia tiÕn hμnh ®Ò tμi nghiªn cøu vμ ch÷ ký (cã ghi râ hä tªn) ng−êi viÕt qui tr×nh. 3.4. Nghiªn cøu triÓn khai ë qui m« pilot NhiÖm vô chÝnh cña giai ®o¹n nμy lμ gi¶i quyÕt çc vÊn ®Ò kü thuËt khi "to ho¸" quy tr×nh vμ tèi −u ho¸ çc ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm. §Æc biÖt l−u ý ®Õn çc vÊn ®Ò n¶y sinh khi më réng qui m« thÝ nghiÖm nh− an toμn trong s¶n xuÊt, chÊt l−îng s¶n phÈm, hiÖu qu¶ kinh tÕ... ®Ó tr¸nh nh÷ng sai ph¹m

kh«ng thÊy ®−îc ë qui m« phßng thÝ nghiÖm. CÇn nghiªn cøu gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò cô thÓ sau: −

VÊn ®Ò dung m«i: t×m çch thay thÕ çc dung m«i dÔ ch¸y næ, ®éc h¹i b»ng çc dung m«i an toμn h¬n, thay çc dung m«i ®¾t tiÒn b»ng çc dung m«i rÎ h¬n.

−

VÊn ®Ò ph−¬ng thøc n¹p liÖu: tèi −u ho¸ c¸ch thøc n¹p liÖu cho phï hîp víi tõng thiÕt bÞ vμ toμn bé d©y chuyÒn s¶n xuÊt.

−

VÊn ®Ò liªn tôc ho¸ qu¸ tr×nh: nghiªn cøu thay c¸c c«ng ®o¹n s¶n xuÊt gi¸n ®o¹n thμnh mét qu¸ tr×nh liªn tôc.

−

VÊn ®Ò ph©n lËp vμ tinh chÕ s¶n phÈm: nghiªn cøu ph−¬ng ph¸p ph©n lËp vμ tinh chÕ s¶n phÈm thÝch hîp cho qui m« s¶n xuÊt lín.

−

VÒ theo dâi ®iÓm kÕt thóc ph¶n øng.

−

VÒ vÊn ®Ò ph−¬ng ph¸p thao t¸c, gia nhiÖt.

−

VÊn ®Ò thiÕt bÞ: c¸c yªu cÇu vÒ vËt liÖu lμm thiÕt bÞ vμ c¸c lo¹i thiÕt bÞ cÇn sö dông.

−

VÊn ®Ò thu håi, xö lý dung m«i vμ s¶n phÈm phô.

−

VÊn ®Ò ®Þnh møc nguyªn liÖu vËt t−, thêi gian cho mét qui tr×nh s¶n xuÊt.

3.5. X©y dùng qui tr×nh s¶n xuÊt ë qui m« c«ng nghiÖp Tõ nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu trªn, tæng kÕt viÕt thμnh qui tr×nh kü thuËt ë qui m« s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. Qui tr×nh nμy bao gåm çc giai ®o¹n s¶n xuÊt rÊt cô thÓ. Mçi giai ®o¹n cã çc thao t¸c kü thuËt ®Ó t¹o ra s¶n phÈm trung gian hoÆc thμnh phÈm. Cô thÓ ho¸ ®Þnh møc vËt t− nguyªn liÖu, n¨ng l−îng, thêi gian s¶n xuÊt, lùa chän vμ bè trÝ thiÕt bÞ, ph−¬ng ph¸p xö lý, thu håi dung m«i vμ s¶n phÈm phô... Víi qui tr×nh chi tiÕt nμy ng−êi c«ng nh©n cã thÓ s¶n xuÊt ra çc s¶n phÈm theo ®óng yªu cÇu. 4. Nguån nguyªn liÖu cña c«ng nghiÖp ho¸ d−îc C«ng nghiÖp Ho¸ d−îc s¶n xuÊt ra tÊt c¶ çc lo¹i nguyªn liÖu cho c«ng nghiÖp Bμo chÕ d−îc phÈm nh−: ho¹t chÊt, çc chÊt phô trî, çc t¸ d−îc vμ çc lo¹i dung m«i... V× vËy nguån nguyªn liÖu cña c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc rÊt réng r·i, bao gåm kho¸ng s¶n, thùc vËt, ®éng vËt, hay s¶n phÈm tæng hîp ho¸ häc. 4.1. Çc nguyªn liÖu v« c¬ Çc kho¸ng s¶n: −

Lμ nguån nguyªn liÖu chñ yÕu ®Ó s¶n xuÊt c¸c ho¸ d−îc v« c¬.

−

Tõ n−íc biÓn cã thÓ s¶n xuÊt c¸c muèi v« c¬ nh−: NaBr, KBr, NaI, KI, NaCl, KCl. Rong biÓn lμ nguån s¶n xuÊt iod ®¸ng kÓ vμ còng lμ nguån thøc ¨n bæ sung iod cho c¬ thÓ.

−

Tõ n−íc ãt (n−íc çi sau khi ph¬i n¾ng kÕt tinh muèi ¨n tõ n−íc biÓn) cã thÓ ®iÒu chÕ ®−îc çc muèi magnesi dïng trong ngμnh d−îc nh− MgSO4.7H2O ®Ó lμm thuèc tÈy, thuèc nhuËn trμng. Ngoμi ra çc muèi magnesi carbonat nh− MgCO3, Mg(HCO3)2, 3MgCO3.Mg(OH)2.3H2O dïng lμm thuèc nhuËn trμng, chèng toan m¸u vμ lμm t¸ d−îc.

−

Tõ quÆng Pyrolusit cã thÓ ®iÒu chÕ KMnO4 dïng lμm thuèc s¸t trïng.

−

Tõ quÆng Barytin (cã chøa kho¶ng 90 - 98% BaSO4) cã thÓ tinh chÕ ®−îc BaSO4 d−îc dông dïng lμm chÊt c¶n quang chôp d¹ dμy, èng tiªu ho¸.

−

Tõ quÆng Dolomi (chøa carbonat kÐp cña magnesi vμ calci) ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt muèi magnesi lμm t¸ d−îc.

−

Tõ th¹ch cao (CaSO4.2H2O) khi nung ë 120 - 130oC mÊt n−íc t¹o thμnh CaSO4.1/2H2O dïng lμm bét bã.

ë ViÖt Nam, quÆng Barytin cã ë Tuyªn Quang vμ B¾c Giang (hμm l−îng BaSO4 kho¶ng 98%), quÆng Pyrolusit ë Cao B»ng (hμm l−îng MnO2 trªn 43%), quÆng Dolomi ë Thanh Ho¸, VÜnh Phóc. Chóng ta ®· khai th¸c ®Ó s¶n xuÊt çc ho¸ chÊt v« c¬ phôc vô cho y tÕ vμ çc ngμnh kh¸c. Çc acid vμ kiÒm v« c¬: Çc acid vμ kiÒm v« c¬ (H2SO4,, HNO3, HCl, NaOH, KOH, NH4OH...) lμ nguyªn liÖu kh«ng thÓ thiÕu ®−îc cña c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc. Acid sulfuric s¶n xuÊt tõ quÆng Pyrit (FeS2). Acid clorosulfuric ®iÒu chÕ tõ Cl2 vμ acid sulfuric, ®−îc sö dông trong s¶n xuÊt çc sulfamid. Acid sulfuric, oleum vμ acid clorosulfuric ®−îc s¶n xuÊt ë C«ng ty ho¸ chÊt L©m Thao tõ quÆng Pyrit (FeS2). Acid hydrocloric ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph¶n øng cña khÝ Cl2 víi H2 (Cl2 thu ®−îc khi ®iÖn ph©n muèi ¨n). Natri hydroxyd lμ d− phÈm khi ®iÖn ph©n muèi ¨n NaCl. ë n−íc ta acid hydrocloric vμ NaOH dung dÞch ®−îc s¶n xuÊt t¹i Nhμ m¸y ho¸ chÊt ViÖt Tr×. Amoni hydroxyd, acid nitric ®−îc s¶n xuÊt t¹i C«ng ty ho¸ chÊt, ph©n ®¹m B¾c Giang. Than ®¸ vμ dÇu má: Çc hîp chÊt thu ®−îc tõ than ®¸ vμ dÇu má lμ nguån nguyªn liÖu quan träng nhÊt cña c«ng nghiÖp ho¸ chÊt nãi chung vμ c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc nãi 18

riªng. HÇu hÕt ho¸ chÊt c¬ b¶n cña c«ng nghiÖp tæng hîp ho¸ häc vμ c«ng nghiÖp Hãa d−îc lμ s¶n phÈm cña hai ngμnh c«ng nghiÖp ch−ng cÊt than ®¸ vμ ch−ng cÊt dÇu má. •

Nguyªn liÖu tõ than ®¸:

XuÊt ph¸t tõ nhu cÇu cÇn cã than cèc ®Ó luyÖn kim, c«ng nghiÖp ch−ng cÊt than ®¸ ®· b¾t ®Çu tõ thÕ kû XVI (1584). S¶n phÈm chÝnh lóc ®ã lμ than cèc ®Ó luyÖn kim. Tíi cuèi thÕ kû XVIII, nÒn c«ng nghiÖp nμy ®· s¶n xuÊt ®−îc khÝ th¾p s¸ng, sö dông réng r·i cho tíi thÕ kû thø XIX. Sau ®ã nhê sù ph¸t triÓn cña c«ng nghiÖp ®iÖn lùc, çc khÝ thu ®−îc khi ch−ng cÊt than ®¸ ®· ®−îc chuyÓn sang dïng lμm nhiªn liÖu cho çc ngμnh c«ng nghiÖp vμ ®un nÊu trong gia ®×nh. §ång thêi s¶n phÈm cña ch−ng cÊt than ®¸ ®−îc xö lý ®Ó t¹o ra nh÷ng nguyªn liÖu ho¸ chÊt cho çc ngμnh c«ng nghiÖp ho¸ häc (H×nh 1.1). Than ®¸

Nhùa Gudr«ng

KhÝ khã ng−ng tô

N−íc amoniac

Cèc

(H2, CH4, CO, C2H4, C2H2, CO2, N2...) CHCl3 CCl4

ClCH2CH2Cl

CCl2 =CCl2 2

ClCH2CH2OH

HOCH2CH2N(C2H5)2

DÇu nhÑ " Naphta"

Base pyridin

γ- β − picolin picolin Quinolin

Benzen Toluen Cloro- Nitrobenzen toluen

B¬ - re

Xylen Nitro xilen

Rimifon Vitamin PP DDS Anestesin Xylocain trÞ Coramin Novocain phong vµ dÉn xuÊt

Anilin

DÇu trung b×nh phenolic

Phenol

AcetaAcetnilit

Acid salicylic

Sulfamid

Aspirin dÉn xuÊt salicylat

DÇu nÆng Creozot

Crezol Naphtalin

DÇu Antracenic

Creozot

Fluoren

Anhydrit phtalic

Cresyla s¸t trïng

Dietyl- Thuèc ho Pavatrin Dictyl phtalat creozot trÞ ho Phenol Phtalein Phtalazol

H×nh 1.1. S¬ ®å tãm t¾t s¶n phÈm ch−ng cÊt than ®¸ vµ kh¶ n¨ng sö dông cña chóng trong c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc

Khi ch−ng cÊt khan than ®¸ trong nåi kÝn ta ®−îc 3 phÇn: −

PhÇn khÝ.

−

PhÇn láng gåm nhùa gu®r«ng vμ n−íc amoniac.

−

PhÇn cÆn r¾n lμ than cèc luyÖn kim.

Tõ 1 tÊn than, khi ch−ng khan trong nåi kÝn cã thÓ thu ®−îc 230-250 m3 khÝ khã ng−ng tô; 65-70 kg n−íc amoniac (xö lý lÊy ®−îc 12 kg amoni sulfat dïng lμm ph©n bãn); 60-65 kg nhùa gu®r«ng; 600-700 kg than cèc dïng luyÖn kim (theo Dupont). Tõ 1 tÊn than (theo Jukelson) cã thÓ thu ®−îc: Benzen:

3,5 kg

Naphtalin:

2,00 kg

Toluen:

1,5 kg

Quinolin:

0,01 kg

Xilen:

0,7 kg

Antracen:

0,15 kg

Phenol:

0,07 kg

Carbazol:

0,02 kg

Cresol:

0,1 kg

Pyridin:

0,02 kg

PhÇn khÝ khã ng−ng tô, tÝnh theo thÓ tÝch cã kho¶ng trªn 50% H2; 2032% CH4; 5-8% CO, 0,5-2,2% ethan ... •

Nguyªn liÖu tõ dÇu má:

Tõ dÇu má qua xö lý, nhê c«ng nghÖ Ho¸ dÇu ®· cung cÊp cho c«ng nghiÖp ho¸ chÊt (trong ®ã cã c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc) rÊt nhiÒu lo¹i nguyªn liÖu c¬ b¶n. DÇu má th« chøa nhiÒu lo¹i hydrocarbon nh−: parafin, cycloparafin vμ çc hydrocarbon th¬m. DÇu cña mçi má cã thμnh phÇn ho¸ häc kh¸c nhau. Tμi nguyªn dÇu má ViÖt Nam rÊt phong phó. Tr÷ l−îng ch−a ®−îc ®¸nh gi¸ ®Çy ®ñ, song theo −íc tÝnh cña mét sè chuyªn gia, cã thÓ tíi hμng tû tÊn. §Ó sö dông dÇu má vμo çc ngμnh c«ng nghiÖp kh¸c nhau, ng−êi ta ph¶i chÕ biÕn b»ng çch ch−ng cÊt trong çc nhμ m¸y läc dÇu. H×nh 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 tãm t¾t mét sè s¶n phÈm chÝnh tõ qu¸ tr×nh ch−ng cÊt dÇu má vμ mét sè qu¸ tr×nh tæng hîp h÷u c¬ tõ s¶n phÈm cña c«ng nghÖ Ho¸ dÇu.

Parafin

methan ethan propan butan pentan hexan

Lµm dung m«i vµ nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp ho¸ häc

cyclopentan

Cycloparafin Olefin

DÇu th«

Isoparafin isoolefin

C¸c acetylen

Aromatic

Lµm dung m«i lµm nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp cyclohexan ho¸ häc ethylen Lµm nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp propylen ho¸ häc butylen isopropan isobutan isohexan isobuten isopenten

Lµm nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp ho¸ häc

acetylen alkylacetylen benzen alkylbenzen naftalen

Lµm nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp ho¸ häc Lµm dung m«i vµ nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp ho¸ häc

Methyl t - Buthylether (MTBE) Ether

Ethyl t -Buthyl ether (ETBE) t - Amyl methyl ether (TAME)

ChÊt lµm t¨ng chØ sè octan trong x¨ng dÇu vµ lµm dung m«i

H×nh 1.2. Nh÷ng s¶n phÈm chÝnh cña qu¸ tr×nh ch−ng cÊt dÇu má

clo ho¸

Methan

CH4

nitro ho¸

NH3+ O2

CH3C l CH2C l2 CHCl3 CCl4

Lµm dung m«i vµ nguyªn liÖu tæng hîp ho¸

CH3NO2 HCN

lµm dung m«i lµm nguyªn liÖu tæng hîp

CH3OH oxy ho¸

CH2O

lµm nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp h÷u c¬

HCOOH CO + H2 CH CH

lµm nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp h÷u c¬

C + H2 H×nh 1.3. Tæng hîp c¸c nguyªn liÖu h÷u c¬ tõ khÝ metan

CH3CH2OH

Ethylen CH2 CH2

CH2 CH2 O

ChÊt trung gian cho ho¸ d−îc, ho¸ häc

ClCH2 CH2OH

Ho¸ chÊt trung gian

ClCH 2CH2Cl

Dung m«i vµ ho¸ chÊt trung gian Nguyªn liÖu cho cao ph©n tö

CHCl

CH2

CH3CH2Cl

ChÊt g©y tª

C6H5C2H5 CH3CH2CHO CH3CH2COOH

Ho¸ chÊt trung gian

CH3CH2NH2

H×nh 1.4. Tæng hîp c¸c nguyªn liÖu h÷u c¬ tõ khÝ ethylen

Hydroxyl ho¸ H2O2/HSO3F clo ho¸

Paracetamol aspirin

NaOH o P, t cao NaOH SO 3H o 300 C Cl

sulfo ho¸

Benzen

nitro ho¸

NO2

Fe/HCl

OH OH

NH2

C H2 CH2 O

C H2CH2OH

CH2CH2I

sulfamid, Mebendazol Praziquantel

H×nh 1.5. Tæng hîp c¸c nguyªn liÖu h÷u c¬ tõ benzen

Trong nguån nguyªn liÖu dÇu má, ngoμi c¸c s¶n phÈm tõ c«ng nghiÖp Ho¸ dÇu nh− ®· kÓ trªn, cÇn ph¶i kÓ tíi thμnh phÇn thø hai lμ khÝ ®ång hμnh. Thμnh phÇn cña khÝ ®ång hμnh vμ khÝ thiªn nhiªn chñ yÕu lμ methan vμ ®ång ®¼ng, ®©y còng lμ nguån nguyªn liÖu quý. Ngoμi viÖc sö dông lμm chÊt ®èt, cßn lμ nguyªn liÖu cho c¸c nhμ m¸y ph©n ®¹m, s¶n xuÊt methanol, ethylen ...

4.2. Çc nguyªn liÖu ®éng vËt vμ thùc vËt Nguyªn liÖu ®éng vËt: Mét sè phñ t¹ng, dÞch c¬ thÓ hay dÞch ®μo th¶i cña ®éng vËt cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt ra thuèc. VÝ dô: tõ tuyÕn tuþ s¶n xuÊt ®−îc insulin, n−íc tiÓu ngùa gièng lμ nguyªn liÖu s¶n xuÊt foliculin, tõ tuyÕn th−îng thËn chiÕt ®−îc adrenalin, çc acid mËt lμ nguån s¶n xuÊt mét sè steroid, tõ phæi bß cã thÓ s¶n xuÊt heparin, tõ tuyÕn gi¸p lîn s¶n xuÊt ®−îc thyroxin... Nguyªn liÖu thùc vËt: §iÒu kiÖn khÝ hËu nhiÖt ®íi t¹o cho n−íc ta mét nguån d−îc liÖu phong phó. NhiÒu ho¹t chÊt dïng lμm thuèc ®· ®−îc s¶n xuÊt ë qui m« c«ng nghiÖp dùa trªn nguån nguyªn liÖu nμy nh− codein, vincamin, strychnin, rutin, berberin, rotundin, çc dÉn chÊt artemisinin... Ngμnh c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc n−íc ta hiÖn nay ch−a ph¸t triÓn. Sù hiÓu biÕt vÒ nguån nguyªn liÖu cña ngμnh nμy gióp chóng ta ®Þnh h−íng nghiªn cøu vμ s¶n xuÊt. Tõ ®ã cã thÓ tù t¹o ra mét sè nguyªn liÖu cho ngμnh c«ng nghiÖp D−îc dÇn ®i vμo quÜ ®¹o ph¸t triÓn.

Tù l−îng gi¸ 1. Tr×nh bμy vμ ph©n tÝch 4 ®Æc ®iÓm cña c«ng nghiÖp ho¸ d−îc. 2. ViÖc nghiªn cøu, s¶n xuÊt thuèc míi hiÖn nay th−êng theo nh÷ng xu h−íng nμo? Nªu néi dung cña nh÷ng xu h−íng ®ã. 3. Nªu c¸c giai ®o¹n cÇn thiÕt thùc hiÖn ®Ó ®−a 1 thuèc míi vμo s¶n xuÊt. 4. Tr×nh bμy c¸c nguån nghiªn liÖu cña c«ng nghiÖp ho¸ d−îc.

Ch−¬ng 2

Nitro ho¸

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vμ c¬ chÕ ph¶n øng nitro ho¸. 2. Çc t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh nitro ho¸. 3. Çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng nitro ho¸. 4. Çc vÝ dô øng dông cña ph¶n øng nitro ho¸.

1. §¹i c−¬ng Nitro ho¸ lμ qu¸ tr×nh ho¸ häc nh»m thay thÕ mét hoÆc nhiÒu nguyªn tö hydro cña hîp chÊt h÷u c¬ b»ng mét hay nhiÒu nhãm nitro (-NO2). Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng nh− sau: R-H + HNO3 → R-NO2 + H2O Nitro ho¸ lμ ph¶n øng t¹o liªn kÕt C-NO2. Çc ester cña acid nitric víi alcol (hîp chÊt chøa liªn kÕt O-NO2) kh«ng ®−îc xÐt ®Õn trong ch−¬ng nμy. Çc hîp chÊt nitro th−êng lμ chÊt láng hay tinh thÓ mμu vμng hoÆc n©u, mïi h¾c ®Æc biÖt. DÉn chÊt nitro ®−îc sö dông lμm dung m«i, thuèc thö, thuèc næ. Lμ trung gian quan träng trong nhiÒu qu¸ tr×nh tæng hîp thuèc vμ çc chÊt h÷u c¬. Trong thùc tÕ còng cã mét sè lo¹i thuèc chøa nhãm -NO2 nh− cloramphenicol, furaxilin... 2. C¬ chÕ ph¶n øng nitro ho¸ Ph¶n øng nitro ho¸ cã thÓ x¶y ra theo 2 kiÓu c¬ chÕ: ThÕ ¸i ®iÖn tö (SE) vμ thÕ gèc tù do (SR), phô thuéc b¶n chÊt çc chÊt ®−îc nitro ho¸ vμ ®iÒu kiÖn ph¶n øng. 2.1. ThÕ ¸i ®iÖn tö (Electrophilic Substitution) Khi nitro ho¸ nh÷ng hîp chÊt th¬m b»ng hçn hîp sulfo-nitric th−êng x¶y ra theo c¬ chÕ thÕ ¸i ®iÖn tö (SE). Ph¶n øng thùc hiÖn ë pha láng vμ nhiÖt ®é 24

kh«ng cao. Ion nitroni NO2+ lμ t¸c nh©n ¸i ®iÖn tö, ®−îc t¹o thμnh theo ph−¬ng tr×nh sau: HNO3 + 2H2SO4 → NO2+ + 2HSO4- + H3O+ Sau ®ã ion nitroni NO2+ tÊn c«ng vμo nh©n th¬m theo c¬ chÕ thÕ ¸i ®iÖn tö chung. Ph¶n øng nitro ho¸ x¶y ra theo hai giai ®o¹n, trong ®ã giai ®o¹n t¹o phøc σ (sigma) lμ giai ®o¹n chËm, quyÕt ®Þnh tèc ®é ph¶n øng. H +

+ 2

NO2

NO2 +

H2SO4 lμ xóc t¸c t¹o ion nitroni vμ t¹o ra m«i tr−êng acid ®ñ m¹nh ®Ó ng¨n c¶n sù ph©n ly cña HNO3 thμnh H+ vμ NO3–. Khi nång ®é H2SO4 gi¶m th× tèc ®é ph¶n øng nitro ho¸ còng gi¶m theo. VÝ dô: Khi nitro ho¸ benzen ë 250C, nÕu nång ®é acid sulfuric nhá h¬n 80% th× ph¶n øng x¶y ra kh«ng ®¸ng kÓ. NÕu nång ®é acid sulfuric lμ 80-90% th× tèc ®é ph¶n øng t¨ng lªn 1000 lÇn. Nhãm thÕ ®· cã s½n trªn nh©n ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn ph¶n øng nitro ho¸ theo qui luËt: −

Nhãm thÕ lo¹i 1 lμm t¨ng qu¸ tr×nh nitro ho¸ vμ ®Þnh h−íng nhãm -NO2 vμo vÞ trÝ ortho vμ para.

−

Nhãm thÕ lo¹i 2 lμm gi¶m qu¸ tr×nh nitro ho¸ vμ ®Þnh h−íng nhãm -NO2 vμo vÞ trÝ meta.

2.2. ThÕ gèc tù do (Radical Substitution) Khi nitro ho¸ c¸c hîp chÊt hydrocarbon no m¹ch th¼ng, ng−êi ta th−êng dïng t¸c nh©n lμ acid nitric lo·ng (30%-40%). Ph¶n øng thùc hiÖn ë thÓ khÝ, nhiÖt ®é cao (300-5000C) vμ x¶y ra theo c¬ chÕ thÕ gèc tù do: HO NO2

RH R RH R

NO2 HNO3 OH HNO3

R + HNO2 RNO2 + OH R + H2O ROH + NO2

NO2 OH NO2 R

RNO2 ROH HO NO2 R R

+ + + +

R + R + OH + R +

NO2

Ngoμi s¶n phÈm chÝnh, cßn thu ®−îc 1 hçn hîp çc s¶n phÈm phô gåm alcol, hydrocarbon vμ 1 vμi s¶n phÈm oxy ho¸ tõ hydrocarbon. 3. T¸c nh©n nitro ho¸ 3.1. Acid nitric (HNO3) D¹ng tinh khiÕt lμ chÊt láng trong, mïi h¾c m¹nh, t0nc= -41,60C, t0s= 85,30C, d =1,502. §un s«i hay ®Ó l©u ngoμi ¸nh s¸ng bÞ ph©n huû: 4HNO3 → 4NO2 + 2H2O + O2 Trong c«ng nghiÖp th−êng gÆp çc lo¹i nång ®é 65-68% (d=1,42), 95% (d =1,49, bèc khãi). Lo¹i nång ®é cao cã thÓ ®ùng trong b×nh thuû tinh, sμnh hoÆc nh«m. Lo¹i nång ®é thÊp cã thÓ ®ùng trong b×nh thuû tinh, sμnh hoÆc thÐp kh«ng gØ. Tr¸nh ¸nh s¸ng. Acid nitric lμ t¸c nh©n nitro ho¸ yÕu v× bÞ pha lo·ng bëi n−íc t¹o thμnh trong ph¶n øng. MÆt kh¸c, do cã tÝnh oxy ho¸ m¹nh, nªn t¹o nhiÒu t¹p chÊt lμ s¶n phÈm oxy ho¸ çc hydrocarbon tham gia ph¶n øng. L−îng acid nitric dïng cho ph¶n øng nitro ho¸ kho¶ng 1,5-2 lÇn so víi lÝ thuyÕt. 3.2. Hçn hîp sulfo-nitric (H2SO4+ HNO3 + H2O) §Ó kh¾c phôc nh÷ng nh−îc ®iÓm cña acid nitric, trong c«ng nghiÖp ng−êi ta dïng hçn hîp cña acid nitric vμ sulfuric (hçn hîp sulfo-nitric). Cation nitroni NO2+ ®−îc t¹o thμnh theo ph−¬ng tr×nh: HNO 3

2 H2SO 4

NO2

2 HSO 4

H3O

Tû lÖ hçn hîp H2SO4 : HNO3 : H2O phô thuéc b¶n chÊt cña c¸c hîp chÊt ®−îc nitro hãa: −

Víi c¸c hîp chÊt th¬m cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao (phenol, phenolether) chØ cÇn dïng dung dÞch HNO3 40%.

−

C¸c hîp chÊt th¬m cã kh¶ n¨ng ph¶n øng trung b×nh (phÇn lín cã nhãm thÕ lo¹i 1, trõ dÉn chÊt halogen) th× ®Ó nitro ho¸ 1 mol, cÇn 1,5 mol HNO3 68% vμ 2,2 mol H2SO4 98%.

−

C¸c hîp chÊt th¬m cã kh¶ n¨ng ph¶n øng thÊp (c¸c chÊt cã nhãm thÕ lo¹i 2) th× ®Ó nitro ho¸ 1 mol, cÇn 2,3 mol HNO3 95-100% (d =1,49-1,5) vμ 2,6 mol H2SO4 98%.

Trong c«ng nghiÖp ng−êi ta th−êng pha s½n hçn hîp sulfo-nitric cã nång ®é nh− sau: 26

HNO3: 88% (lo¹i 60-65 %, d=1,4)

H2SO4: 9,5% (lo¹i monohydrat hay oleum 20 %)

H2O: 2,5 %

TØ lÖ trªn cã thÓ pha lo·ng thªm tuú ý. MÆt kh¸c, nã cã thÓ ®ùng ®−îc trong b×nh thÐp th−êng, dÔ vËn chuyÓn. ¦u ®iÓm cña lo¹i t¸c nh©n nμy lμ: −

T¸c dông nitro ho¸ m¹nh h¬n HNO3.

−

Gi¶m t¸c dông oxy ho¸ cña HNO3 khi dïng ë nång ®é cao.

−

Tr¸nh t¹o thμnh dÉn chÊt polynitro.

3.3. Muèi nitrat vμ acid sulfuric §©y lμ t¸c nh©n ®−îc sö dông khi cÇn nitro ho¸ trong m«i tr−êng khan n−íc, th−êng ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu chÕ c¸c dÉn chÊt polynitro. 2NaNO3 + H2SO4 → 2HNO3 + Na2SO4 3.4. Acylnitrat (AcONO2) Lμ t¸c nh©n nitro ho¸ m¹nh, dïng ®Ó nitro ho¸ c¸c chÊt dÔ bÞ ph©n huû bëi n−íc hoÆc acid v« c¬. T¸c nh©n nμy kh«ng chøa acid v« c¬, s¶n phÈm phô cña ph¶n øng lμ acid acetic. (CH3CO)2O

HNO 3

CH3COONO 2

CH3COOH

NO 2 +

CH3COONO 2

CH3COOH

Khi dïng t¸c nh©n nμy nitro ho¸ c¸c amin th¬m, ®ång thêi víi qu¸ tr×nh nitro ho¸ nhãm amin còng ®−îc b¶o vÖ. NHCOCH3

NH2 Ac2 O/HNO 3

NO 2

4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng 4.1. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é Nitro ho¸ lμ qu¸ tr×nh to¶ nhiÖt m¹nh. L−îng nhiÖt nμy bao gåm nhiÖt ph¶n øng vμ nhiÖt pha lo·ng acid sulfuric bëi n−íc t¹o thμnh trong ph¶n øng. 27

Tèc ®é vμ hiÖu suÊt ph¶n øng phô thuéc nhiÒu vμo nhiÖt ®é. NhiÖt ®é tèi −u cña ph¶n øng phô thuéc vμo b¶n chÊt çc chÊt ®−îc nitro hãa (th−êng biÕn ®æi tõ -100C ®Õn 5000C). Víi çc hydrocarbon no m¹ch th¼ng, th−êng tiÕn hμnh ë 170-5000C (ph¶n øng theo c¬ chÕ gèc tù do). Cßn khi nitro ho¸ çc hydrocarbon th¬m, thÓ láng th× tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é thÊp h¬n (-10 ®Õn 1700C). NhiÖt ®é cao sinh ra nhiÒu t¹p chÊt do ph¶n øng oxy ho¸, v× vËy bé phËn trao ®æi nhiÖt cña thiÕt bÞ nitro ho¸ ph¶i hiÖu qu¶ ®Ó tr¸nh hiÖn t−îng qu¸ nhiÖt. 4.2. T¸c dông cña khuÊy trén Ph¶n øng nitro hãa th−êng lμ dÞ pha: pha h÷u c¬ (çc chÊt cÇn nitro ho¸) vμ pha acid (t¸c nh©n nitro ho¸). V× vËy cÇn ph¶i khuÊy trén m¹nh ®Ó t¨ng tiÕp xóc vμ tr¸nh qu¸ nhiÖt côc bé. 4.3. Dung l−îng khö n−íc Trong qu¸ tr×nh nitro ho¸, n−íc ®−îc t¹o ra lμm gi¶m nång ®é acid sulfuric. Ph¶n øng sÏ ®¹t tíi c©n b»ng khi nång ®é acid gi¶m tíi mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh. Mçi chÊt kh¸c nhau gi¸ trÞ giíi h¹n ®ã còng kh¸c nhau. §¹i l−îng ®Æc tr−ng cho gi¸ trÞ giíi h¹n ®ã cña mçi chÊt ®−îc gäi lμ dung l−¬ng khö n−íc cña chÊt ®ã. Dung l−îng khö n−íc (D.L.K.N.) ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau: % H2SO 4 ®−a vµo ph¶n øng D.L.K.N. =

% H2O ban ®Çu + % H2O do ph¶n øng sinh ra

BiÕt ®−îc D.L.K.N. cña mçi chÊt cã thÓ tÝnh ®−îc l−îng acid sulfuric cÇn dïng ®Ó pha hçn hîp sulfo-nitric khi nitro hãa chÊt ®ã. VÝ dô D.L.K.N cña mét sè hîp chÊt h÷u c¬ nh− sau: nitrobenzen: 7,4; clorobenzen: 4,4; benzen: 3,5; toluen: 2,4; naphtalen: 2,0. 5. Çch tiÕn hμnh ph¶n øng Nitro ho¸ çc hîp chÊt th¬m tiÕn hμnh ë pha láng theo nguyªn t¾c sau: ChÊt cÇn nitro hãa ®−îc lμm l¹nh xuèng d−íi 100C. Võa khuÊy, võa nhá giät t¸c nh©n nitro hãa vμo víi tèc ®é sao cho nhiÖt ®é ph¶n øng kh«ng v−ît qu¸ 100C. Çc hîp chÊt cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao th× khuÊy thªm 30 phót ë nhiÖt ®é phßng, çc chÊt kh¶ n¨ng ph¶n øng trung b×nh th× khuÊy thªm 2-3 giê, çc chÊt kh¶ n¨ng ph¶n øng kÐm th× 3-5 giê. Tr−êng hîp cÇn thiÕt cã thÓ lμm nãng ®Ó ph¶n øng kÕt thóc. §æ hçn hîp ph¶n øng vμo n−íc ®¸, khuÊy kü. NÕu s¶n phÈm lμ chÊt r¾n th× läc, röa l¹i víi n−íc, sau ®ã kÕt tinh l¹i trong dung m«i thÝch hîp. NÕu s¶n phÈm ë thÓ láng th× chiÕt hçn hîp ph¶n øng víi ether hoÆc dicloromethan, röa dÞch chiÕt, lμm khan vμ cÊt lo¹i dung m«i. S¶n phÈm ®−îc tinh chÕ b»ng cÊt ph©n ®o¹n. 28

Víi c¸c hîp chÊt m¹ch th¼ng th× qu¸ tr×nh nitro hãa th−êng tiÕn hμnh ë pha h¬i, nhiÖt ®é cao, trong thiÕt bÞ liªn tôc. Sau ®ã hçn hîp ph¶n øng ®−îc ng−ng tô, ph©n líp vμ röa l¹i b»ng n−íc. Trung hßa b»ng dung dÞch natri bicarbonat, lμm khan vμ cuèi cïng lμ cÊt ph©n ®o¹n. 6. Nitrozo hãa Nitrozo hãa lμ qu¸ tr×nh ®−a nhãm -NO vμo hîp chÊt h÷u c¬. §©y lμ ph¶n øng gi÷a hîp chÊt th¬m cã chøa nhãm thÕ ho¹t hãa nh©n m¹nh (-OH, -NR2...) víi acid nitr¬. Nitrozo ho¸ còng lμ ph¶n øng thÕ ¸i ®iÖn tö, t¸c nh©n ¸i ®iÖn tö lμ ion nitrozoni NO+. Ph¶n øng tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é thÊp (<100C). 2NaNO2 + H2SO4 → HNO2 + Na2SO4 HNO2 + H2SO4 →

−

HSO4

NO+ + H2O + HSO–4

H2SO4

X= -OH, -NR2 S¶n phÈm nitrozo ho¸ th−êng lμ ®ång ph©n para. 7. ThiÕt bÞ ph¶n øng vμ an toμn lao ®éng Çc thiÕt bÞ dïng cho ph¶n øng nitro ho¸ cÇn ®¶m b¶o çc yªu cÇu vÒ khuÊy trén vμ trao ®æi nhiÖt. §©y lμ ph¶n øng to¶ nhiÖt m¹nh nªn ngoμi vá lμm l¹nh, cÇn thiÕt cã bé phËn trao ®æi nhiÖt bªn trong nh− èng xo¾n hoÆc èng h×nh trô ®Ó ®¶m b¶o hiÖu qu¶ lμm l¹nh. Çnh khuÊy th−êng lμ d¹ng tuèc bin víi tèc ®é 300-400 vßng/phót. VËt liÖu chÕ t¹o thiÕt bÞ cã thÓ dïng thÐp kh«ng gØ, thÐp tr¸ng men chÞu acid, thuû tinh... Ph¶n øng nitro ho¸ dÔ g©y tai n¹n nÕu lμm l¹nh kh«ng tèt. Khi ®ã hçn hîp nitro ho¸ cã thÓ phôt ra ngoμi g©y báng acid. Tr−êng hîp ®ét ngét mÊt ®iÖn, m¸y khuÊy kh«ng lμm viÖc ph¶i lËp tøc ngõng ph¶n øng vμ lμm l¹nh côc bé b»ng n−íc ®¸. Çc polinitro lμ nh÷ng chÊt dÔ g©y næ nªn khi cÊt tinh chÕ s¶n phÈm ph¶i hÕt søc chó ý ®Ò phßng ch¸y næ. Khi xö lÝ hçn hîp sau ph¶n øng, cã tiÕp xóc víi acid ®Æc vμ kiÒm, cÇn mang dông cô b¶o hé lao ®éng ®Çy ®ñ. 8. Mét sè vÝ dô 8.1. S¶n xuÊt nitrobenzen b»ng ph−¬ng ph¸p liªn tôc Nitrobenzen ®−îc sö dông lμm dung m«i vμ chÊt trung gian trong nhiÒu ph¶n øng tæng hîp ho¸ häc. Nã ®−îc ®iÒu chÕ b»ng çch nitro ho¸ benzen theo ph−¬ng ph¸p gi¸n ®o¹n ë pha láng hoÆc ph−¬ng ph¸p liªn tôc ë pha h¬i. 29

Ph−¬ng ph¸p liªn tôc ®−îc tiÕn hμnh theo s¬ ®å sau:

4 1

U 5

1,2. B×nh ®ong. 3. Cét nitro ho¸.

4. Sinh hµn. 5,7. B×nh t¸ch.

U 10

6. Bé phËn cÊt.

6 c

8. Cét cÊt.

7 8

9. B¬m.

)

Nitrobenzen

10. B×nh ho¸ h¬i.

H×nh 2.1. S¬ ®å thiÕt bÞ ®iÒu chÕ nitrobenzen theo ph−¬ng ph¸p liªn tôc

Acid nitric 61% tõ b×nh ®ong 1 ®−îc ho¸ h¬i trong thiÕt bÞ sè 10 råi ®−a vμo th¸p nitro ho¸ 3. T¹i ®©y, ph¶n øng víi benzen (®−îc ®−a xuèng tõ b×nh ®ong 2). Hçn hîp ph¶n øng kho¶ng 72-780C ®−îc ®−a xuèng b×nh 6, t¸ch lÊy 1 phÇn benzen ®−a l¹i ph¶n øng. Sau ®ã hçn hîp ph¶n øng tiÕp tôc ®−îc dÉn vμo cét cÊt 8. CÊt lÊy hçn hîp acid vμ benzen cßn l¹i (1180C) ®−a l¹i ph¶n øng vμ thu s¶n phÈm nitrobenzen kh«ng bay h¬i (®iÓm s«i 2080C). 8.2. Tæng hîp thuèc h¹ nhiÖt, gi¶m ®au paracetamol Paracetamol lμ thuèc h¹ nhiÖt gi¶m ®au, ®−îc tæng hîp tõ phenol. Qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ gåm nh÷ng giai ®o¹n sau: −

Nitro ho¸ phenol b»ng hçn hîp sulfo-nitric thu ®−îc hçn hîp hai ®ång ph©n o-nitro-phenol vμ p-nitro-phenol. T¸ch riªng hai ®ång ph©n nμy b»ng ph−¬ng ph¸p cÊt kÐo h¬i n−íc.

−

Khö ho¸ p-nitro-phenol b»ng Fe/HCl hoÆc Na2S/NaOH thu ®−îc p-amino-phenol.

−

Acyl ho¸ p-amino-phenol b»ng Ac2O ®−îc paracetamol.

S¬ ®å ph¶n øng nh− sau: 30

NO2

HNO3/H2SO4

NO2 OH

OH Ac2O/AcOH

Na2S/H2O

NO2

NH2

NHCOCH3

Tù l−îng gi¸ 1. ThÕ nμo lμ qu¸ tr×nh nitro ho¸? C¬ chÕ ph¶n øng nitro ho¸ gåm mÊy lo¹i, ®iÒu kiÖn vμ néi dung cña mçi lo¹i c¬ chÕ lμ g×? 2. Cã bao nhiªu lo¹i t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh nitro ho¸? KÓ tªn vμ tr×nh bμy néi dung cña mçi lo¹i ®ã? 3. Cã nh÷ng yÕu tè nμo ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng nitro ho¸? Néi dung ¶nh h−ëng cña chóng lμ g×? 4.

Tr×nh bμy nguyªn t¾c chung cña c¸ch tiÕn hμnh c¸c ph¶n øng nitro ho¸.

5. Nitrozo ho¸ th−êng x¶y ra víi nh÷ng nhãm hîp chÊt nμo? T¸c nh©n cña chóng lμ g×? 6. H·y nªu nh÷ng ®iÒu cÇn ®Æc biÖt chó ý vÒ an toμn lao ®éng trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn ph¶n øng nitro ho¸? 7. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt nitrobenzen vμ ph−¬ng ph¸p tæng hîp paracetamol trong c«ng nghiÖp?

Ch−¬ng 3

Sulfo hãa

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vμ c¬ chÕ ph¶n øng sulfo ho¸. 2. Çc t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh sulfo ho¸. 3. §iÒu kiÖn cña ph¶n øng sulfo ho¸. 4. Ph¹m vi øng dông, çch tiÕn hμnh ph¶n øng vμ ph©n lËp s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh sulfo ho¸. 5. Çc vÝ dô øng dông cña ph¶n øng sulfo ho¸.

1. §¹i c−¬ng Sulfo hãa lμ mét qu¸ tr×nh hãa häc ®−a nhãm sulfonyl (-SO3H) vμo mét hîp chÊt h÷u c¬. R-H → R-SO3H Ch−¬ng nμy chØ nghiªn cøu ph¶n øng ®−a nhãm sulfonyl vμo hîp chÊt h÷u c¬ mét c¸ch trùc tiÕp b»ng ph¶n øng thÕ hoÆc ph¶n øng céng. Sulfo hãa lμ qu¸ tr×nh t¹o liªn kÕt C-S. CÇn ph©n biÖt víi c¸c qu¸ tr×nh sulfat ho¸ (nhãm -SO3H g¾n víi oxy) hoÆc sulfamic ho¸ (nhãm -SO3H g¾n víi nit¬). VÝ dô:

CH3 CH2 SO3H Acid ethyl sulfonic

CH3 CH2 OSO3H Ethyl sulfat

CH3 CONH SO3H Acid ethyl sulfamic

Danh ph¸p hãa häc mét sè nhãm hîp chÊt h÷u c¬ chøa l−u huúnh:

R-SO2H :

acid sulfinic (acid alkyl sulfinic)

R-SO3H :

acid sulfonic (acid alkyl sulfonic)

R-SH

mecaptan (alkyl mecaptan)

R2SO

sulfoxit (dialkyl sulfoxit)

R2SO2 :

sulfon (dialkyl sulfon)

R-SR

thioether (dialkyl thioether).

C¸c hîp chÊt sulfonic cã øng dông rÊt réng r·i. Trong d−îc phÈm, viÖc ®−a nhãm sulfonyl vμo ph©n tö thuèc lμm t¨ng ®é hßa tan cña nã trong n−íc, thuËn tiÖn cho viÖc bμo chÕ c¸c d¹ng thuèc cã hiÖu lùc nhanh. VÝ dô B.A.L (2,3-dimecapto-propanol) chèng ngé ®éc thñy ng©n, asen lμ d¹ng thuèc tiªm trong dÇu. NÕu chuyÓn thμnh sulfonat natri (unithiol), cã thÓ pha dung dÞch n−íc ®Ó tiªm. CH2

CH CH2OH

CH2

CH CH2SO3Na

(B.A.L.-thuèc tiªm/dÇu)

(Unithiol)

§−a nhãm –SO3H vμo ph©n tö thuèc cßn lμ biÖn ph¸p lμm gi¶m ®éc tÝnh cña thuèc. VÝ dô nhãm thuèc trÞ lao, phong: diamin-diphenylsulfon (DDS) rÊt Ýt tan vμ rÊt ®éc, khi chuyÓn thμnh c¸c dÉn chÊt sulfonat lμ Promin, Sunfetron, Baludon, th× dÔ tan h¬n vμ Ýt ®éc h¬n.

RHN

SO2

R -H

CH (CHOH)4 CH2OH SO3Na CH CH2 CH C6H5 SO3Na

CH CH3 SO 3Na

SO3Na

NHR

Tªn thuèc D.D.S Promin

Sunfetron

Baludon

Trong tæng hîp hãa häc: Çc hîp chÊt sulfonic cã tÝnh ph¶n øng m¹nh, cã thÓ thay thÕ b»ng nh÷ng nhãm kh¸c nh− -OH, -H, -NH2, -Cl, -NO2, -SH, -CN, ... Çc alkyl ester cña sulfonat lμ nh÷ng t¸c nh©n alkyl hãa tèt (vÝ dô: methyl, ethyl cña benzen sulfonat hoÆc p-toluen-sulfonat). Trong kü nghÖ xμ phßng, sulfonat cña çc hîp chÊt m¹ch th¼ng cã sè carbon cao ®−îc dïng lμm chÊt diÖn ho¹t bÒ mÆt. 2. C¬ chÕ ph¶n øng Còng t−¬ng tù nh− qu¸ tr×nh nitro ho¸, sulfo ho¸ cã thÓ x¶y ra theo c¬ chÕ thÕ ¸i ®iÖn tö (SE) hoÆc thÕ gèc tù do (SR), phô thuéc vμo b¶n chÊt çc chÊt ®−îc sulfo ho¸, t¸c nh©n vμ ®iÒu kiÖn ph¶n øng. 33

2.1. Ph¶n øng thÕ ¸i ®iÖn tö (Electrophilic Substitution) X¶y ra khi sulfo hãa c¸c hîp chÊt th¬m víi t¸c nh©n lμ acid sulfuric. T¸c nh©n ¸i ®iÖn tö lμ SO3 ®−îc sinh ra theo ph−¬ng tr×nh sau: 2 H2SO 4

H3O

HSO 4

SO 3

T¸c nh©n SO3 tÊn c«ng vμo nh©n th¬m t¹o thμnh phøc σ d¹ng l−ìng cùc. Sau ®ã cã sù chuyÓn vÞ cña proton t¹o thμnh dÉn chÊt sulfonic: H +

SO3

SO 3H SO 3

2.2. Ph¶n øng thÕ gèc tù do (Radical Substitution) Khi sulfo ho¸ c¸c hydrocarbon no, m¹ch th¼ng ë nhiÖt ®é cao, xóc t¸c ¸nh s¸ng vμ t¸c nh©n lμ hçn hîp khÝ SO2 vμ Cl2. as

Cl2

Cl HCl

SO2

RSO2

RSO2 + Cl2

RSO2Cl

3. T¸c nh©n sulfo hãa 3.1. Trioxyd l−u huúnh (SO3) vμ c¸c phøc hîp cña nã 3.1.1. Trioxyd l−u huúnh (SO3) SO3 tån t¹i ë nhiÒu d¹ng. D¹ng monome ë thÓ h¬i, d¹ng γ lμ trime cña SO3 ë thÓ láng (nãng ch¶y 16,80C), d¹ng β lμ polime cña SO3 ë thÓ r¾n (nãng ch¶y ë 32,50C); d¹ng α lμ polime cña SO3 ë thÓ r¾n cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao h¬n (62,30C). O O O

S O

(monome)

S O

O S

O S O

O O (trime)

O O

S O

(polyme)

(nα>nβ) D¹ng γ hay ®−îc sö dông trong c«ng nghiÖp. D¹ng β vμ α Ýt ®−îc sö dông do khã thao t¸c. D¹ng nμy khi ch−ng cÊt thu ®−îc kho¶ng 90% trime (d¹ng γ) 34

vμ 10% SO3 monome. SO3 monome ®Ó trong kh«ng khÝ, nhiÖt ®é th−êng sau vμi giê sÏ chuyÓn sang d¹ng β vμ α. §Ó ng¨n c¶n qu¸ tr×nh chuyÓn d¹ng kÓ trªn ng−êi ta cho thªm xóc t¸c lμ bor trioxyd, bor, l−u huúnh hoÆc phospho. SO3 lμ t¸c nh©n sulfo hãa m¹nh, ®Ó gi¶m tèc ®é ph¶n øng vμ ng¨n c¶n çc ph¶n øng phô (than hãa, sulfo ho¸ nhiÒu lÇn), th−êng ph¶i pha lo·ng nã víi dung m«i nh− SO2, CCl4 hoÆc dicloromethan. 3.1.2. Çc phøc hîp cña SO3 a. Çc d¹ng hydrat cña SO3 SO3 t¹o víi n−íc thμnh nhiÒu d¹ng hydrat. Trong ®ã çc d¹ng hay ®−îc sö dông ®Ó sulfo ho¸ lμ acid pirosulfuric, acid sulfuric vμ acid sulfuric monohydrat. O O

O S OH

O S

S OH O O Acid pirosulfuric

Acid sulfuric

2 SO 3 1 H2O

SO3.H2O

O HO S OH HO OH

OH OH

Acid sulfuric monohydrat

H2SO 4.H2O

Ngoμi ra, l−u huúnh trioxyd cßn tån t¹i d−íi c¸c d¹ng phøc hîp víi 3 vμ 5 ph©n tö n−íc. §iÒu nμy lý gi¶i t¹i sao acid sulfuric rÊt h¸o n−íc: SO3.3H2O

SO3.5H2O

(H2SO4.2H2O)

(H2SO4.4H2O)

trihydrat

pentahydrat 0

57,6% H2SO4, §c = 250C

74,1% H2SO4, §c = 26,7 C

ë nhiÖt ®é thÊp, çc d¹ng hydrat trªn bÒn v÷ng. BÞ ph©n hñy ë nhiÖt ®é cao (4500C th× ph©n hñy hoμn toμn thμnh n−íc vμ SO3). Oleum lμ dung dÞch cña SO3 trong acid sulfuric 100%. Trong thùc tÕ, çc qu¸ tr×nh sulfo hãa th−êng dïng oleum. Hai lo¹i oleum hay dïng cã nång ®é 20% vμ 65%. Çc nång ®é kh¸c dÔ bÞ kÕt tinh ë nhiÖt ®é thÊp, g©y khã kh¨n cho thao t¸c trong qu¸ tr×nh sulfo hãa.

0 0 t (C )

4020 0+

100

% SO3

H2SO4

H×nh 3.1. Sù phô thuéc gi÷a nhiÖt ®é nãng ch¶y cña c¸c d¹ng SO3 hydrat vμo nång ®é cña nã

HiÖn t−îng nμy ®−îc gi¶i thÝch b»ng biÓu ®å h×nh 3.1. b. C¸c phøc h÷u c¬ cña SO3 Nguyªn tö l−u huúnh trong ph©n tö SO3 cã kh¶ n¨ng nhËn ®iÖn tö. Do ®ã nã dÔ t¹o phøc víi mét sè hîp chÊt h÷u c¬ cã ®«i ®iÖn tö tù do. C¸c phøc cña SO3 víi dioxan, thioxan, pyridin vμ amin bËc 3 hay ®−îc sö dông. Chóng ®−îc dïng ®Ó sulfo hãa nh÷ng hîp chÊt h÷u c¬ dÔ bÞ ph¸ hñy bëi acid hoÆc ®Ó h¹n chÕ tèc ®é cña ph¶n øng sulfo hãa.

SO 3

SO3

SO 3

SO3

R1 R2 N R3

SO3

N SO 3

3.1.3. Çc acid halogen sulfuric Acid clorosulfuric lμ t¸c nh©n quan träng nhÊt cña nhãm nμy. Acid fluorosulfuric v× ®¾t nªn chØ dïng trong çc tr−êng hîp ®Æc biÖt. Dïng acid clorosulfuric ®Ó sulfocloro hãa kh«ng cÇn nhiÖt ®é cao, s¶n phÈm tinh khiÕt h¬n khi dïng acid sulfuric hoÆc oleum. Acid clorosulfuric ®−îc dïng nhiÒu trong s¶n xuÊt çc sulfamid.

ArH

ClSO3H

ArSO2OH ArH

ArSO2OH

ClSO3H

2 ClSO3H

ArSO2Cl

HCl +

H2SO4

HCl

3.1.4. Acid sulfamic (NH2-SO3H) Acid sulfamic cã ®é acid m¹nh nh− H2SO4. Trong sulfo hãa hoÆc sulfat ho¸, nã t¸c dông nh− phøc hîp amin –SO3, nh−ng kh¸c víi phøc amin –SO3 lμ nã dïng ®−îc trong m«i tr−êng khan n−íc vμ ë nhiÖt ®é cao. Th−êng dïng ®Ó sulfo ho¸ c¸c hîp chÊt th¬m kh«ng no (stirol) vμ phenol. C6H5-CH= CH2 + NH2-SO3H

→

C6H5 –CH = CH-SO3H + NH3

3.2. Çc dÉn chÊt cña SO2 3.2.1. Çc muèi sulfit, bisulfit Dïng ®Ó ®iÒu chÕ çc sulfonat cña hydrocarbon m¹ch th¼ng tõ dÉn chÊt halogen t−¬ng øng (ph¶n øng Strecker). Ph¶n øng x¶y ra theo c¬ chÕ thÕ ¸i nh©n. R-X + Na2SO3 → R-SO3Na + NaX Çc dÉn chÊt halogen th¬m chØ t¸c dông ®−îc víi muèi sulfit hoÆc bisulfit nÕu trªn nh©n th¬m cã nhãm NO2 ë vÞ trÝ ortho hoÆc para. 3.2.2. Sulfonyl clorid (SO2Cl2) §Ó sulfo-cloro hãa çc alkan, cycloalkan, arakan, ng−êi ta dïng SO2Cl2 cã mÆt base yÕu (pyridin). 3.2.3. Hçn hîp khÝ SO2 vμ Cl2 Dïng hçn hîp khÝ SO2 vμ Cl2 ®Ó sulfocloro ho¸ çc parafin. Ph¶n øng x¶y ra theo c¬ chÕ gèc tù do d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng. 4. §iÒu kiÖn cña qu¸ tr×nh sulfo hãa Ph¶n øng sulfo hãa lμ ph¶n øng thuËn nghÞch: Ar-H + H2SO4

Ar-SO3H + H2O

§Ó chuyÓn c©n b»ng vÒ phÝa ph¶i th−êng dïng l−îng H2SO4 (tÝnh ra nång ®é SO3) thõa kho¶ng 2-5 lÇn. Trong qu¸ tr×nh ph¶n øng, nång ®é H2SO4 gi¶m dÇn do bÞ tiªu thô ®Ó t¹o nhãm -SO3H vμ bÞ pha lo·ng bëi n−íc t¹o thμnh. Tèc ®é ph¶n øng còng gi¶m dÇn vμ ®Õn mét giíi h¹n nμo ®ã th× ngõng. Ng−êi ta gäi giíi h¹n nång ®é H2SO4 mμ ë ®ã ph¶n øng sulfo hãa kh«ng x¶y ra n÷a lμ pisulfo hãa (π-sulfo hãa). Gi¸ trÞ π phô thuéc vμo nguyªn liÖu ®em sulfo hãa vμ nhiÖt ®é thùc hiÖn ph¶n øng. Pisulfo hãa ®−îc biÓu thÞ b»ng nång ®é cña SO3 trong hçn hîp ph¶n øng. VÝ dô: π-sulfo hãa benzen ë nhiÖt ®é 600C lμ 66,4. π-sulfo hãa naphtalen lμ 56 (ë 600C) vμ 52 (ë 1600C). π-sulfo hãa benzen lμ 66,4 cã nghÜa lμ khi nång ®é SO3 trong hçn hîp ph¶n øng gi¶m xuèng 64,4% (tÝnh ra nång ®é H2SO4 lμ 66,4 : 0,8164 = 81,3%) th× kh«ng thÓ t¹o ra s¶n phÈm benzen sulfonic n÷a. Khi biÕt gi¸ trÞ π-sulfo hãa cña mét chÊt ë mét nhiÖt ®é nμo ®ã ta cã thÓ tÝnh ®−îc l−îng SO3 ®ñ ®Ó ph¶n øng ®−îc thùc hiÖn hoμn toμn. Trong thùc tÕ, l−îng H2SO4 cÇn thiÕt ®Ó sulfo hãa 1 kmol hîp chÊt h÷u c¬ ®−îc tÝnh nh− sau: 37

X = Trong ®ã:

80(100 − π ) a −π

X: sè kg H2SO4 cÇn tÝnh. a: nång ®é ban ®Çu cña SO3 trong t¸c nh©n sulfo hãa. π: gi¸ trÞ π sulfo hãa cña chÊt h÷u c¬ nguyªn liÖu. (H2SO4 100% cã nång ®é SO3 lμ 81,64%)

Tõ c«ng thøc trªn ta thÊy chÊt nμo cã gi¸ trÞ π-sulfo ho¸ nhá th× cμng dÔ ph¶n øng. 5. Kh¶ n¨ng øng dông cña ph¶n øng 5.1. Sulfo hãa çc hîp chÊt m¹ch th¼ng Çc hydrocarbon no m¹ch th¼ng khi sulfo hãa víi H2SO4 t¹o ra nhiÒu t¹p do çc ph¶n øng oxy ho¸ vμ ®ång ph©n ho¸. Do ®ã trong c«ng nghiÖp ng−êi ta th−êng dïng t¸c nh©n SO2Cl2 ë thÓ khÝ theo c¬ chÕ thÕ gèc (SR). NhiÒu dÉn chÊt sulfonic cña hîp chÊt m¹ch th¼ng ®−îc ®iÒu chÕ tõ çc halogenid t−¬ng øng cña nã b»ng ph¶n øng Strecker (nung alkyl halogenid víi muèi natri hoÆc amoni sulfit). R-X + Na2SO3

→

R.SO2ONa + NaX

R-X + (NH4)2SO3 → RSO2ONH4 + NH4X X = halogenid C¸c olefin khi t¸c dông víi acid sulfuric t¹o thμnh alkylsulfat theo c¬ chÕ céng hîp Marconyikov: R CH CH2

H2SO4

R CH CH3 OSO3H

Acid h÷u c¬ m¹ch th¼ng dÔ dμng sulfo ho¸ víi oleum t¹o ra acid α-sulfocarboxylic. R CH2 COOH

SO 3

R CH COOH SO 3H

Víi acid clorosulfonic còng t¹o ra acid α-sulfo-carboxylic. R CH2 COOH

ClSO2OH

R CH COOH SO3H

5.2. Sulfo hãa çc hîp chÊt th¬m Kh¸c víi çc hîp chÊt m¹ch th¼ng, çc hîp chÊt th¬m dÔ sulfo hãa h¬n nhiÒu. ChØ cÇn nhiÖt ®é thÊp vμ nång ®é acid sulfuric kho¶ng 65-100% còng cã thÓ sulfo hãa ®−îc. Ph¶n øng x¶y ra theo c¬ chÕ ¸i ®iÖn tö. −

Benzen ®−îc sulfo hãa víi H2SO4 98% ë 800C cho acid benzen sulfonic. NÕu tiÕp tôc sulfo ho¸ ë 2200C cho dÉn xuÊt disulfonic vμ ë 3000C cho trisulfonic.

SO3H H2SO4/800C

SO3H

SO3H 3000C

H2SO4/2200C

SO3H HSO3 −

SO3H

Naphtalen khi sulfo hãa víi H2SO4 ë nhiÖt ®é kh¸c nhau th× còng cho c¸c s¶n phÈm kh¸c nhau. +

H2SO4

1600 C

SO3H

SO3H SO3H

SO3H

96 %

15 %

85%

6. Çch tiÕn hμnh ph¶n øng 6.1. Sulfo hãa çc hîp chÊt th¬m Th«ng th−êng chÊt ph¶n øng ®−îc hßa tan trong çc dung m«i thÝch hîp (cloroform hoÆc tetraclorocarbon). Sau ®ã võa khuÊy, võa cho t¸c nh©n sulfo hãa (theo tÝnh to¸n) vμo khèi ph¶n øng víi vËn tèc sao cho gi÷ ®−îc ph¶n øng ë nhiÖt ®é cÇn thiÕt (tõ -100C ®Õn 1500C tuú chÊt tham gia ph¶n øng). Sau khi ph¶n øng kÕt thóc, lμm nguéi vμ võa khuÊy võa ®æ tõ tõ hçn hîp ph¶n øng vμo n−íc ®¸. KhuÊy kü vμ tiÕn hμnh t¸ch s¶n phÈm tõ khèi ph¶n øng. 6.2. Sulfo hãa çc hîp chÊt m¹ch th¼ng Th−êng ®−îc thùc hiÖn ë thÓ khÝ, nhiÖt ®é cao, t¸c nh©n lμ hçn hîp SO2 + Cl2. Khèi ph¶n øng khi ra khái th¸p sulfo hãa ®−îc ng−ng tô. Sau ®ã, dÞch ng−ng tô ®−îc cho tõ tõ vμo n−íc ®¸ vμ ph©n lËp. 39

7. T¸ch c¸c acid sulfonic tõ hçn hîp ph¶n øng 7.1. T¸ch b»ng muèi ¨n Muèi kiÒm cña acid sulfonic tan tèt trong n−íc nh−ng l¹i Ýt tan trong dung dÞch muèi. Do ®ã cã thÓ dïng muèi ¨n t¹o dung dÞch b·o hßa ®Ó ®Èy sulfonat kiÒm ra khái dung dÞch cña nã. 7.2. T¸ch b»ng c¸ch t¹o muèi víi kim lo¹i kiÒm thæ Dùa trªn kh¶ n¨ng hßa tan kh¸c nhau cña muèi sulfonat víi kim lo¹i kiÒm thæ. VÝ dô: Khi trung hßa víi n−íc v«i trong, ®ång ph©n naphtalen-2-sulfonat calci t¸ch ra khái dung dÞch v× kh¶ n¨ng hßa tan cña nã kÐm ®ång ph©n naphtalen-1-sulfonat calci. 7.3. T¸ch b»ng n−íc ®¸ Mét sè acid sulfonic ®a vßng Ýt tan trong n−íc. V× vËy khi ®æ hçn hîp ph¶n øng cña chóng vμo n−íc ®¸, chóng ®−îc t¸ch ra. Läc vμ thu s¶n phÈm. 8. Mét sè vÝ dô 8.1. §iÒu chÕ acid benzensulfonic Benzen ®−îc ph¶n øng víi acid sulfuric 100% trong thiÕt bÞ sulfo hãa (1). Acid benzensulfonic t¹o thμnh ®−îc chiÕt b»ng n−íc hoÆc dung dÞch NaOH trong thiÕt bÞ chiÕt (2). Benzen ch−a ph¶n øng ®−îc lμm khan trong thiÕt bÞ (3) vμ ®−îc ®−a trë l¹i ph¶n øng. KhÝ SO3 ®−îc dÉn vμo thiÕt bÞ sulfo ho¸ ®Ó ®¶m b¶o nång ®é H2SO4 lu«n ®¹t 100%. Benzen

H 2S O 4 100%

N−íc hoÆc dd xót

3 1 SO3

Acid benzensulfonic

H×nh 3.2. S¬ ®å thiÕt bÞ ®iÒu chÕ acid benzensulfonic theo ph−¬ng ph¸p liªn tôc

8.2. S¶n xuÊt c¸c thuèc sulfamid Acyl hãa anilin thu ®−îc acetanilid. Acetanilid t¸c dông víi acid clorosulfuric thu ®−îc p-acetylamino-benzen-sulfonyl clorid. Ph¶n øng cña sulfonyl clorid víi amin t−¬ng øng t¹o ra dÉn xuÊt sulfonamid. Cuèi cïng lμ thñy ph©n lo¹i nhãm acetyl thu ®−îc sulfamid t−¬ng øng. Ph−¬ng tr×nh c¸c giai ®o¹n ph¶n øng nh− sau:

N H2

(CH3 CO)2 O

AcNH

CSO 3H

AcNH

A cNH

A cN H

SO 2Cl

AcNH

SO2NHR'

H2NR'

SO2Cl

AcNH

SO2NHR'

NH2

SO2 NHR'

H hay OH

tù l−îng gi¸ 1. Qu¸ tr×nh sulfo ho¸ lμ g×? Môc ®Ých cña nã? 2. C¬ chÕ ph¶n øng sulfo ho¸ gåm mÊy lo¹i, ®iÒu kiÖn vμ néi dung cña mçi lo¹i c¬ chÕ ®ã? 3. T¸c nh©n cña qu¸ tr×nh sulfo ho¸ gåm cã nh÷ng lo¹i nμo? H·y tr×nh bμy chi tiÕt néi dung cña mçi lo¹i ®ã? 4. Tr×nh bμy hiÓu biÕt cña anh (chÞ) vÒ ®iÒu kiÖn cña qu¸ tr×nh sulfo hãa? Ph¶n øng sulfo ho¸ th−êng ®−îc øng dông trong çc nhãm hîp chÊt nμo? 5. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p chung tiÕn hμnh çc ph¶n øng sulfo ho¸. 6. H·y nªu çc ph−¬ng ph¸p chñ yÕu dïng ®Ó t¸ch çc acid sulfonic tõ hçn hîp ph¶n øng sulfo ho¸? 7. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt acid benzensulfonic vμ ph−¬ng ph¸p chung tæng hîp çc sulfamid?

Ch−¬ng 4

Halogen hãa

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vμ c¬ chÕ ph¶n øng halogen ho¸. 2. C¸c t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh halogen ho¸. 3. C¸c vÝ dô øng dông cña ph¶n øng halogen ho¸.

1. §¹i c−¬ng Halogen hãa lμ qu¸ tr×nh hãa häc nh»m ®−a 1 hay nhiÒu nguyªn tö halogen vμo hîp chÊt h÷u c¬. Tïy b¶n chÊt halogen mμ ng−êi ta gäi qu¸ tr×nh nμy lμ fluoro hãa, cloro hãa, bromo hãa hoÆc iodo hãa. §−a halogen vμo ph©n tö h÷u c¬ nh»m c¸c môc ®Ých sau: −

T¹o hîp chÊt trung gian cã tÝnh ph¶n øng cao cho c¸c qu¸ tr×nh tæng hîp ho¸ häc. Tõ dÉn chÊt halogen, cã thÓ thay thÕ b»ng c¸c nhãm -OH, -OR, -CN, -NH2… ®Ó t¹o nªn hîp chÊt míi. Mét sè dÉn chÊt halogen ®−îc dïng lμm t¸c nh©n alkyl ho¸ (CH3I, C2H5Br), t¸c nh©n acyl ho¸ (R-COCl).

−

T¹o ra c¸c hîp chÊt cã tÝnh øng dông cao h¬n. NhiÒu dÉn chÊt halogen h÷u c¬ ®−îc dïng lμm dung m«i (dicloromethan, cloroform, tetraclorocarbon...).

−

NhiÒu ho¸ d−îc lμ hîp chÊt chøa halogen (thuèc s¸t trïng CHI3, thuèc ho CHBr3, thuèc c¶n quang chøa iod Urokon, thuèc lîi tiÓu clorthiazid ...). C¸c dÉn chÊt chøa fluor cã −u ®iÓm lμ b¸m ch¾c vμo hÖ enzym cña c¬ thÓ. Do ®ã nhiÒu thuèc chøa fluor cã thêi gian b¸n th¶i dμi vμ t¸c dông m¹nh (thuèc sèt rÐt mefloquin, c¸c quinolon kh¸ng khuÈn peflacin, ciprofloxacin…).

Qu¸ tr×nh t¹o dÉn xuÊt halogen cã thÓ dïng c¸c ph−¬ng ph¸p sau: 1. ThÕ hydro hay nhãm nguyªn tö kh¸c b»ng halogen. 2. Céng hîp halogen vμo liªn kÕt kÐp cña ph©n tö h÷u c¬. 42

2. C¬ chÕ ph¶n øng 2.1. Halogen ho¸ theo c¬ chÕ ion Th−êng x¶y ra ë nhiÖt ®é thÊp (150-2000C) víi xóc t¸c lμ c¸c chÊt t¹o ion (acid, base, muèi kim lo¹i). 2.1.1. ThÕ ¸i ®iÖn tö (Electrophilic Substitution) Ph¶n øng nμy cã thÓ thay thÕ mét hay nhiÒu nguyªn tö H cña nh©n th¬m b»ng mét hoÆc nhiÒu nguyªn tö halogen. Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh lμ acid Lewis (FeCl3, AlCl3): Cl2

FeCl3

Cl Cl

(FeCl4 )

(FeCl4)

+ -H

HCl

FeCl3

2.1.2. Céng hîp ¸i ®iÖn tö (Electrophilic Addition) Ph¶n øng céng hîp cña halogen, acid hydro-halogenid vμ acid hypohalogenid vμo olefin ë nhiÖt ®é thÊp vμ tr¸nh t¸c dông cña ¸nh s¸ng x¶y ra theo c¬ chÕ céng hîp ¸i ®iÖn tö. Xóc t¸c acid Lewis (FeCl3, AlCl3) cã t¸c dông lμm ph©n cùc halogen vμ acid hydro-halogenid, t¹o ra t¸c nh©n ¸i ®iÖn tö.

CH2

Br H C C H H

Br2

CH2

Ph¶n øng céng HX vμo olefin kh«ng ®èi xøng tu©n theo nguyªn lý Markonyikov:

CH3 CH CH2

+ HBr

CH3 CH CH3

CH3 CH CH3 Br

NÕu cã nhãm hót ®iÖn tö m¹nh liªn kÕt víi olefin th× s¶n phÈm céng hîp ng−îc víi nguyªn lý Markonyikov:

CF3

CH CH2

HBr

CF3

CH2 CH2

CF3 CH2 CH2Br

2.1.3. ThÕ ¸i nh©n (Nucleophilic Substitution) Khi c¸c alcol t¸c dông víi c¸c acid hydro-halogenid: R-OH + HX → R-X + H2O Ph¶n øng x¶y ra qua ba giai ®o¹n vμ ®−îc gi¶i thÝch nh− sau: H-X +

ROH + H

→ H+ + X-

R O

H2 O

H +

RBr

2.2. Halogen ho¸ theo c¬ chÕ gèc Ph¶n øng halogen hãa x¶y ra theo c¬ chÕ gèc tù do khi cã t¸c dông cña ¸nh s¸ng, ë nhiÖt ®é cao hoÆc xóc t¸c t¹o gèc tù do (peroxyd). 2.2.1. Ph¶n øng thÕ gèc ë hydrocarbon no m¹ch th¼ng Ph¶n øng thÕ H ë c¸c hîp chÊt parafin hoÆc H trªn m¹ch nh¸nh c¸c hîp chÊt th¬m ë nhiÖt ®é cao, xóc t¸c ¸nh s¸ng. Qu¸ tr×nh x¶y ra qua ba giai ®o¹n: −

T¹o gèc tù do: D−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng hay nhiÖt ®é cao (3000C).

Cl2 −

Gèc tù do tham gia ph¶n øng víi hydrocarbon t¹o chuçi ph¶n øng d©y chuyÒn:

+ R CH3

R CH2 + Cl2 −

R CH2 +

HCl

R CH2Cl + Cl

C¸c gèc tù do ph¶n øng víi nhau, kÕt thóc qu¸ tr×nh:

Cl +

2 R CH2 R CH2 + Cl

2 Cl

Cl2 R CH2 R CH2Cl

CH2

2.2.2. Ph¶n øng céng hîp halogen vμo hydrocarbon th¬m D−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng, clor vμ brom cã thÓ céng hîp vμo nh©n th¬m theo c¬ chÕ gèc tù do: as

Cl2

2 Cl

Cl Cl

Cl2

2.2.3. Ph¶n øng céng hîp halogen vμo olefin Ph¶n øng céng hîp halogen ph©n tö vμo olefin d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng th−êng x¶y ra theo c¬ chÕ gèc tù do. Trong sè c¸c hydro-halogenid th× chØ HBr d−íi t¸c dông cña peroxyd céng hîp vμo olefin theo c¬ chÕ gèc tù do. Cßn HCl vμ HF do n¨ng l−îng liªn kÕt H-X lín, khã cã kh¶ n¨ng t¸ch thμnh gèc tù do ®Ó tham gia ph¶n øng nμy.

CH3

CH2

HBr

H2O 2

CH3

CH2

CH2Br

3. T¸c nh©n halogen hãa 3.1. C¸c halogen ph©n tö −

Clor lμ khÝ mμu vμng lôc, d=2,49, ho¸ láng ë -34,50C. Trong c«ng nghiÖp clor ®−îc sö dông kh¸ phæ biÕn, th−êng ®−îc ®ãng trong b×nh thÐp d−íi d¹ng láng. Clor ph©n tö ®−îc sö dông ®Ó clor hãa çc hîp chÊt th¬m theo c¬ chÕ thÕ ¸i ®iÖn tö. Nã còng ®−îc dïng ®Ó clor hãa çc hîp chÊt hydrocarbon no b»ng ph¶n øng thÕ gèc víi xóc t¸c lμ ¸nh s¸ng vμ nhiÖt ®é cao. Ngoμi ra cßn dïng ®Ó céng hîp vμo çc liªn kÕt kÐp. Clor lμ mét khÝ rÊt ®éc.

−

Brom lμ chÊt láng mμu n©u sÉm, dÔ bay h¬i, d=3,1, s«i ë 590C. Cã thÓ ®ùng trong b×nh thuû tinh. Dïng ®Ó halogen ho¸ gièng nh− clor.

−

Iod lμ tinh thÓ mμu tÝm sÉm, nãng ch¶y ë 1130C, Ýt khi ®−îc sö dông v× kh¶ n¨ng ph¶n øng kÐm.

−

Fluor lμ khÝ mμu lôc, ho¸ láng ë -1880C. Nã hÇu nh− kh«ng thÓ sö dông ®−îc ®Ó fluor hãa trùc tiÕp v× ph¶n øng qu¸ m·nh liÖt. Hîp chÊt fluor ph¶i ®iÒu chÕ b»ng ph−¬ng ph¸p gi¸n tiÕp (qua muèi diazoni hoÆc dïng ph¶n øng thay thÕ halogen).

3.2. Çc acid hydro-halogenid Gåm HCl, HBr, HI vμ HF. Th−êng dïng ®Ó céng hîp vμo çc liªn kÕt kÐp cña hydrocarbon kh«ng no theo c¬ chÕ ph¶n øng céng hîp, hoÆc thÕ nhãm -OH alcol b»ng halogen theo c¬ chÕ thÕ ¸i nh©n. 3.3. Çc hipohalogenid vμ muèi cña chóng Çc hîp chÊt nμy lμ HOCl, NaOCl. Céng hîp víi ethylen t¹o ethylenclorhydrin lμ nguyªn liÖu quan träng tæng hîp metronidazol. CH2 = CH2 + HOCl → HO-CH2-CH2-Cl §Æc biÖt khi cho phenol t¸c dông víi NaOCl th× chØ t¹o thμnh ®ång ph©n ortho:

NaOCl

NaOH

Cl Mét øng dông kh¸ quan träng cña NaOCl lμ clor hãa c¸c sulfamid ®Ó ®iÒu chÕ c¸c chÊt s¸t trïng (cloramin T).

SO 2NH2

NaOCl

SO2NNaCl

3.4. Çc clorid acid v« c¬ Nhãm nμy cã SOCl2, SO2Cl2, COCl2, PCl3, POCl3, PCl5. Chóng tån t¹i ë d¹ng r¾n hoÆc láng, rÊt nh¹y c¶m víi n−íc. Th−êng ®−îc dïng ®Ó ®iÒu chÕ clorid acid tõ çc acid carboxylic t−¬ng øng. 3.5. Çc muèi cña halogen víi kim lo¹i kiÒm Nhãm nμy gåm NaF, NaCl, NaBr, NaI. Th−êng ®−îc dïng ®Ó chuyÓn hãa çc sulfon ester, çc muèi hydroclorat cña amin thμnh dÉn xuÊt halogen:

R O

SO 3H

R NH2.HCl

+ +

NaF

NaHSO 4

NaF

NaCl

hoÆc thay thÕ clor thμnh iod.

NH3

CH2

CH CH2

OH Cl

2NaI

CH2

CH CH2

2NaCl

3.6. C¸c t¸c nh©n halogen hãa kh¸c §ã lμ S2Cl2, SbF3, N-brom-succinimid. S2Cl2 ®−îc øng dông trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt tetraclorid carbon: CS2 + 2S2Cl2

CCl4 + 6S

Víi SbF3 ng−êi ta cã thÓ ®iÒu chÕ ®−îc c¸c dÉn xuÊt fluor tõ c¸c dÉn xuÊt clor t−¬ng øng: o

CCl3

SbF 3

130C

CF3

SbCl3

4. Mét sè vÝ dô 4.1. Clor ho¸ toluen Tuú xóc t¸c vμ ®iÒu kiÖn ph¶n øng, cã thÓ t¹o thμnh c¸c s¶n phÈm kh¸c nhau. Clor ho¸ ë nhiÖt ®é s«i cña toluen, víi t¸c dông cña ¸nh s¸ng, ph¶n øng x¶y ra ë thÓ h¬i theo c¬ chÕ gèc tù do. S¶n phÈm lμ benzylclorid, benzylidenclorid vμ benzylidinclorid. CHCl2

CH2Cl

CH3 Cl2/as

Cl2/as

CCl3 Cl2/as 0

Cßn nÕu clor ho¸ ë nhiÖt ®é phßng víi xóc t¸c lμ FeCl3 th× thu ®−îc s¶n phÈm lμ c¸c dÉn xuÊt clor thÕ trªn nh©n. CH3

CH3

CH3 Cl2

FeCl3

Cl +

4.2. §iÒu chÕ chÊt c¶n quang Urokon Urokon ®−îc sö dông khi chôp c¶n quang ®−êng mËt. Nã ®−îc ®iÒu chÕ tõ N-acetyl-meta-amino-benzoic theo ph−¬ng tr×nh sau:

COOH

COOH I +

3 ICl

CH3COOH

NHCOCH3

NHCOCH3 I

tù l−îng gi¸ 1. ThÕ nμo lμ qu¸ tr×nh halogen ho¸? Môc ®Ých cña qu¸ tr×nh nμy lμ g×? 2. C¬ chÕ ph¶n øng halogen ho¸ ®−îc ph©n lμm mÊy nhãm? §iÒu kiÖn x¶y ra vμ çc vÝ dô cña mçi lo¹i c¬ chÕ? 3. Tr×nh bμy çc lo¹i t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh halogen ho¸? 4. Nªu çc vÝ dô øng dông cña qu¸ tr×nh halogen ho¸ trong tæng hîp h÷u c¬ vμ ho¸ d−îc.

Ch−¬ng 5

Alkyl hãa

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vμ çc t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh alkyl ho¸. 2. Çc lo¹i ph¶n øng alkyl ho¸. 3. Çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng alkyl ho¸. 4. Çc vÝ dô øng dông cña ph¶n øng alkyl ho¸.

1. §¹i c−¬ng Alkyl hãa lμ qu¸ tr×nh thay thÕ mét hoÆc nhiÒu nguyªn tö hydro cña hîp chÊt h÷u c¬ b»ng mét hoÆc nhiÒu nhãm alkyl. Nhãm alkyl cã thÓ liªn kÕt trùc tiÕp víi carbon, oxy, nit¬, hoÆc l−u huúnh, t−¬ng øng ta cã çc qu¸ tr×nh C-alkyl hãa, O-alkyl hãa, N-alkyl hãa hoÆc S-alkyl hãa. C-alkyl hãa: Môc ®Ých ®Ó kÐo dμi m¹ch carbon cña ph©n tö h÷u c¬. VÝ dô trong tæng hîp çc dÉn chÊt ester cña acid malonic lμm trung gian cho tæng hîp çc thuèc chèng ®éng kinh nhãm barbituric.

COOC2H5 H2C

NaOC2H5

COOC2H5

COOC2H5 NaCH COOC2H5

COOC2H5 RX

R CH COOC2H5

O-alkyl hãa: Alkyl hãa cån thu ®−îc c¸c ether, cßn alkyl ho¸ acid carboxylic thu ®−îc c¸c ester t−¬ng øng. R-OH + R’OH →

R-OR’ + H2O

R-ONa + R’X →

R-OR’ + NaX

ether

R-COOH + R’OH R-COONa + R’-X

R-COOR’ + H2O →

ester

R-COOR’ + NaX

N-alkyl hãa: S¶n phÈm cña ph¶n øng lμ c¸c amin.

R NH2

R'X

RNHR'

R'X

R' R N

R'X

R NR'3 X

S-alkyl hãa: S¶n phÈm cña ph¶n øng lμ thioether. R-X + NaSH → R-SH → R-S-R Qu¸ tr×nh alkyl hãa ®−îc sö dông nhiÒu trong kü thuËt tæng hîp hãa d−îc. NhiÒu thuèc quan träng lμ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh alkyl hãa (codein, antipyrin, analgin...) 2. Çc t¸c nh©n alkyl hãa 2.1. Çc alcol (R-OH) Methanol vμ ethanol lμ nh÷ng t¸c nh©n alkyl hãa quan träng. HÇu nh− trong mäi tr−êng hîp alkyl hãa, ph¶i sö dông acid v« c¬ lμm xóc t¸c. Alcol th−êng dïng ®Ó alkyl hãa çc amin hoÆc alcol kh¸c. S¶n phÈm lμ çc amin hoÆc ether. 2.2. Çc alkyl halogenid (R-X) Çc alkyl halogenid m¹ch carbon ng¾n (C=1-3) lμ chÊt láng cã ®é s«i thÊp. T¸c nh©n hay dïng lμ methyl halogen vμ ethyl halogen. Alkyl halogenid ®−îc sö dông ®Ó alkyl hãa çc amin. 2.3. Çc arakyl halogenid (Ar-(CH2)n X) Benzyl clorid hoÆc benzyl bromid ®−îc sö dông nhiÒu. Nã th−êng ®−îc dïng ®Ó b¶o vÖ nhãm -OH cña ®−êng hoÆc cellulose trong hãa häc çc hydratcarbon. 2.4. Çc ester cña acid v« c¬ chøa oxy Gåm çc dialkyl sulfat, alkyl nitrat, alkyl phosphat, dialkyl carbonat. T¸c nh©n ®−îc sö dông nhiÒu nhÊt lμ dimethyl sulfat. Nã cã thÓ alkyl hãa nhãm -OH phenol trong m«i tr−êng kiÒm, n−íc, n−íc-alcol, thËm chÝ c¶ trong m«i tr−êng acid. Çc alkyl nitrat rÊt Ýt khi ®−îc sö dông v× dÔ g©y næ.

2.5. Çc ester cña acid sulfonic Çc ester h÷u c¬ cña acid sulfonic th¬m cã ý nghÜa trong thùc tÕ. ViÖc sö dông nã gièng víi dialkyl-sulfat. Nhãm t¸c nh©n nμy th−êng ®−îc dïng ®Ó alkyl hãa nhãm -OH phenol hoÆc -NH amin. Mét sè t¸c nh©n ®iÓn h×nh lμ methyl-benzensulfonat, benzyl-benzensulfonat hoÆc methyl, benzyl ester cña acid p-toluen sulfonic. 2.6. Çc muèi amino bËc 4 Trong ®ã phenyl-trimethyl-amoni clorid lμ t¸c nh©n hay ®−îc sö dông. T¸c nh©n nμy methyl hãa chän läc nhãm -OH phenol trong m«i tr−êng kiÒm. V× thÕ nã ®−îc sö dông ®Ó methyl hãa morphin thμnh codein. 2.7. Çc t¸c nh©n alkyl hãa kh¸c −

C¸c epoxyd: §−îc sö dông ®Ó ®iÒu chÕ c¸c polyether-alcol, chÊt cã t¸c dông lμm gi¶m søc c¨ng bÒ mÆt. CH2

R CH2OH −

CH2

CH2 O

RCH2OCH2CH2OH

CH2 O

RCH2OCH2CH2OCH2CH2OH

C¸c hîp chÊt c¬ kim: Hîp chÊt c¬ magnesi dïng ®Ó ®iÒu chÕ c¸c ether hçn t¹p. C2H5MgCl + ClCH2OCH3 → C2H5CH2OCH3 + MgCl2

3. Çc lo¹i alkyl hãa 3.1. C-alkyl hãa C-alkyl hãa th−êng lμ ph¶n øng alkyl ho¸ çc hîp chÊt chøa nhãm methylen ho¹t ®éng. §ã lμ çc hîp chÊt cã nguyªn tö hydro gÇn çc nhãm hót ®iÖn tö m¹nh (VÝ dô: ester malonat, ester cña acid cyanacetic, malon dinitrin, acetoacetat ethyl…). T¸c nh©n alkyl hãa ®−îc sö dông ë ®©y lμ alkyl halogenid, dialkyl sulfat, alkyl sulfonat, ®«i khi lμ alkyl nitrat, epoxyd, arakyl halogenid. NC-CH2-COOR’ + B–

NC-CH-COOR’ + BH

CN RX

HC COOR'

CN RCH COOR'

Xóc t¸c cho ph¶n øng lμ çc base (alcolat kim lo¹i, Na-hydrid, çc kim lo¹i Na hoÆc K). Dung m«i th−êng lμ alcol, mét sè tr−êng hîp cã thÓ dïng ether hoÆc benzen. 3.2. O-alkyl hãa Gåm çc ph¶n øng alkyl ho¸ nhãm -OH alcol hoÆc phenol, s¶n phÈm lμ çc ether. Riªng alkyl hãa nhãm -OH cña acid carboxylic sÏ ®−îc nghiªn cøu trong ch−¬ng ester hãa. Çc ether ®−îc ®iÒu chÕ b»ng ba ph−¬ng ph¸p sau: −

Lo¹i n−íc tõ hai ph©n tö alcol: 0

ROH

−

R'OH

H 2SO 4 / 140 C

ROR'

H2O

T¸c dông cña natri alcolat víi alkyl halogenid (ph¶n øng Williamson):

R-ONa + R’X → R-OR’ + NaX (X = -Br, -Cl, -I) −

Céng hîp cña alcol víi olefin: R CH CH2

R'OH

H2 SO 4

R CH CH3 OR'

C¸c phenol-ether ®−îc ®iÒu chÕ gièng víi ether m¹ch th¼ng. T¸c nh©n alkyl ho¸ th−êng dïng lμ alkyl-halogenid, dialkyl sulfat hoÆc alkyltoluensulfonat trong m«i tr−êng kiÒm (natri alcolat). 3.3. N-alkyl hãa Khi alkyl hãa amin bËc nhÊt hoÆc amoniac víi alkyl halogenid, cã thÓ thu ®−îc mét hçn hîp amin bËc cao h¬n hoÆc muèi amin bËc 4. RX

RNH2

NH3 RX

RNH3X R2NH

- HX + HX

R3N

RNH2 RX

R4NX

NÕu dïng t¸c nh©n lμ alcol th× qu¸ tr×nh dõng l¹i ë amin bËc 3. Muèn t¹o amin bËc hai, cÇn ph¶i b¶o vÖ mét nguyªn tö hydro cña amin b»ng ph¶n øng acyl ho¸, sau ®ã míi alkyl hãa vμ cuèi cïng thñy ph©n nhãm b¶o vÖ.

R NH2

ClSO 3H

R NHSO 3H

R'X

R NSO 3H

HO H

R NH R'

GÇn ®©y, nhê sö dông nh«m alcolat lμm t¸c nh©n alkyl ho¸, hiÖu suÊt ph¶n øng cao h¬n vμ kh«ng lÉn t¹p chÊt dialkyl ho¸. (C2H5O)3Al

3ArNH2

3 ArN

C2H5

Al(OH)3

3.4. S-alkyl hãa S-alkyl hãa th−êng lμ ph¶n øng gi÷a hîp chÊt mecaptan víi alkylhalogenid, s¶n phÈm lμ c¸c thioether. R

R'X

4. Çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh alkyl hãa 4.1. NhiÖt ®é Khi dïng t¸c nh©n alkyl hãa lμ alcol (methanol, ethanol) hoÆc alkylhalogenid th× ph¶n øng cÇn ®−îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao h¬n so víi alkyl sulfat. Alkyl hãa ë pha h¬i th× ®ßi hái nhiÖt ®é lªn tíi 4000C. Víi çc amin th¬m, khi nhiÖt ®é t¨ng nhãm alkyl cã xu h−íng chuyÓn vμo nh©n. 4.2. ¸p suÊt HÇu hÕt çc ph¶n øng alkyl ho¸ kh«ng lμm gi¶m sè ph©n tö vμ th−êng tiÕn hμnh ë pha láng, v× vËy kh«ng cÇn ¸p suÊt. Tuy nhiªn ®Ó t¨ng tèc ®é ph¶n øng, ®«i khi ph¶i thùc hiÖn ph¶n øng ë nhiÖt ®é cao. §èi víi çc t¸c nh©n cã nhiÖt ®é s«i thÊp hoÆc cÇn dung m«i ®Ó hoμ tan çc chÊt tham gia ph¶n øng th× cÇn thiÕt tiÕn hμnh ph¶n øng trong nåi chÞu ¸p suÊt (autoclav). 4.3. Tû lÖ mol çc chÊt ph¶n øng ViÖc sö dông thõa t¸c nh©n alkyl ho¸ ¶nh h−ëng ®Õn møc ®é alkyl ho¸ s¶n phÈm, ®Æc biÖt lμ alkyl-halogenid vμ dialkyl-sulfat. Cã thÓ lo¹i ®−îc ¶nh h−ëng nμy b»ng çch sö dông alcol lμ t¸c nh©n yÕu h¬n. Víi çc amin viÖc lùa chän tû lÖ mol ban ®Çu cã ý nghÜa quyÕt ®Þnh ®Õn tû lÖ t¹o thμnh çc bËc amin trong s¶n phÈm.

5. Çch tiÕn hμnh ph¶n øng Ph¶n øng alkyl hãa ë pha láng ®−îc tiÕn hμnh b»ng ph−¬ng ph¸p gi¸n ®o¹n hoÆc liªn tôc, cßn ë pha h¬i th× lu«n ®−îc thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p liªn tôc. 5.1. Ph−¬ng ph¸p gi¸n ®o¹n §èi víi çc chÊt dÔ ph¶n øng, kh«ng cÇn thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao, ph¶n øng táa nhiÖt nhiÒu nªn cÇn lμm l¹nh. ChÊt alkyl hãa ®−îc hßa tan trong dung m«i thÝch hîp, thªm xóc t¸c, sau ®ã n©ng nhiÖt ®é vμ cho dÇn t¸c nh©n alkyl hãa vμo. Khèng chÕ ë nhiÖt ®é cÇn thiÕt trong suèt thêi gian ph¶n øng. Sau khi kÕt thóc, lμm l¹nh, ®æ hçn hîp ph¶n øng vμo n−íc ®¸, t¸ch pha h÷u c¬, röa l¹i víi n−íc. Lμm khan vμ cÊt ph©n ®o¹n thu s¶n phÈm ë ¸p suÊt gi¶m. §èi víi çc chÊt khã ph¶n øng th× cho nguyªn liÖu, t¸c nh©n vμ xóc t¸c vμo nåi ph¶n øng (autoclav). §un ®Õn nhiÖt ®é cÇn thiÕt vμ duy tr× cho tíi lóc ph¶n øng hoμn thμnh. KÕt thóc ph¶n øng, cÊt lo¹i nguyªn liÖu thõa vμ xö lý hçn hîp ph¶n øng nh− tr−êng hîp trªn. 5.2. Ph−¬ng ph¸p liªn tôc TiÕn hμnh trong thiÕt bÞ chÞu ¸p lùc h×nh th¸p. ChÊt cÇn alkyl hãa, t¸c nh©n vμ xóc t¸c ®−îc hãa h¬i vμ dÉn liªn tôc vμo thiÕt bÞ ph¶n øng. TÝnh to¸n ®Ó duy tr× ®ñ thêi gian cho hçn hîp ph¶n øng ë nhiÖt ®é cÇn thiÕt. S¶n phÈm lÊy ra khái th¸p ph¶n øng mét çch liªn tôc, ®−îc ng−ng tô vμ xö lý nh− trong tr−êng hîp gi¸n ®o¹n. 6. Mét sè vÝ dô 6.1. S¶n xuÊt thuèc g©y ngñ diethyl barbituric (Veronal) Qu¸ tr×nh tæng hîp Veronal gåm hai giai ®o¹n: Giai ®o¹n 1: Tæng hîp diethyl malonat diethyl ester b»ng ph¶n øng alkyl ho¸ diethyl malonat víi ethylbromid, xóc t¸c natri alcolat trong m«i tr−êng alcol. Giai ®o¹n 2: Ng−ng tô diethyl malonat diethyl ester víi urª t¹o thμnh diethyl barbituric (Veronal).

S¬ ®å ph¶n øng nh− sau:

COOC2H5 .NaOC2H5 2. C2 H5 Br 1

H2C COOC2H5

COOC2H5 C2H5CH COOC2H5

.NaOC2H5

. C2H5Br

COOC2H5 (C2H5)2C COOC2H5 O

COOC2H5

H5C2

C O

C H5C2

H2N

COOC2H5

-2C2H5OH

H5C2 H5C2

H2N

C NH C O C C NH O

6.2. S¶n xuÊt thuèc gi¶m ho, gi¶m ®au codein b»ng ph−¬ng ph¸p alkyl ho¸ morphin Codein ®−îc b¸n tæng hîp tõ morphin b»ng ph−¬ng ph¸p methyl ho¸ víi t¸c nh©n lμ mét muèi amoni bËc bèn (phenyl trimethyl amoni hydroxyd). ¦u ®iÓm cña t¸c nh©n nμy lμ chØ methyl ho¸ nhãm -OH phenol vμ kh«ng t¹o muèi amoni bËc bèn víi nit¬ bËc ba cña ph©n tö morphin nªn cho hiÖu suÊt cao. HO

CH3O

N CH3 HO

CH3 C6H5N CH3 OH CH3

O N CH3 HO

tù l−îng gi¸ 1. ThÕ nμo lμ qu¸ tr×nh alkyl ho¸? Çch ph©n lo¹i vμ môc ®Ých cña qu¸ tr×nh alkyl ho¸? 2. T¸c nh©n cña qu¸ tr×nh alkyl ho¸ gåm cã nh÷ng lo¹i nμo? Tr×nh bμy tÝnh chÊt vμ çch dïng cña mçi lo¹i ®ã? 3. Nªu nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng alkyl ho¸? 4. Tr×nh bμy çc ph−¬ng ph¸p tiÕn hμnh ph¶n øng alkyl ho¸. 5. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p tæng hîp Veronal vμ ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt codein trong c«ng nghiÖp?

Ch−¬ng 6

Acyl hãa

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vμ ph©n lo¹i ph¶n øng acyl ho¸. 2. Çc t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh acyl ho¸. 3. C¬ chÕ ph¶n øng vμ çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh acyl ho¸. 4. Çc vÝ dô øng dông cña ph¶n øng acyl ho¸.

1. §¹i c−¬ng 1.1. §Þnh nghÜa Acyl hãa lμ qu¸ tr×nh thay thÕ nguyªn tö hydro cña hîp chÊt h÷u c¬ b»ng nhãm acyl (RCO-). nh2

nhcoch3

+ ch3cooh

+ H 2O

Acyl lμ gèc cßn l¹i khi lo¹i ®i nhãm -OH tõ acid v« c¬ cã oxy, acid carboxylic hoÆc acid sulfonic. C¸c nhãm acyl quan träng ®−îc nªu trong b¶ng 6.1. B¶ng 6.1. C¸c nhãm acyl quan träng Tªn acid xuÊt xø Acid carboxylic

R-CO-

Acid sulfonic

R-SO2-

B¸n ester cña acid carbonic

R-OCO-

Acid carbamic

R-NH-CO-

Trong ®ã R lμ m¹ch th¼ng hoÆc nh©n th¬m.

C«ng thøc nhãm acyl

Ch−¬ng nμy chØ nghiªn cøu ph¶n øng acyl ho¸ cña c¸c nhãm acyl ®−îc t¹o thμnh tõ acid h÷u c¬. Qu¸ tr×nh acyl ho¸ ®−îc dïng vμo c¸c môc ®Ých sau: −

T¹o ra hîp chÊt víi nh÷ng tÝnh chÊt míi. VÝ dô: Khi acyl ho¸ anilin thu ®−îc acetanilid lμ thuèc h¹ nhiÖt, Ýt ®éc h¬n anilin nhiÒu lÇn. Urª khi acyl ho¸ víi c¸c dÉn chÊt cña acid malonic t¹o thμnh nhiÒu thuèc ngñ vμ chèng ®éng kinh nhãm barbituric…

−

T¹o nhãm b¶o vÖ cho mét qu¸ tr×nh tæng hîp ho¸ häc. VÝ dô: Trong tæng hîp c¸c sulfamid, tr−íc khi lμm ph¶n øng sulfocloro ho¸ anilin, ng−êi ta ph¶i b¶o vÖ nhãm amin b»ng c¸ch acetyl ho¸.

−

T¹o hîp chÊt trung gian trong qu¸ tr×nh tæng hîp ho¸ häc. VÝ dô: Amid cña homoveratrilamin víi c¸c acid carboxylic kh¸c nhau lμ trung gian ®Ó tæng hîp nh©n isoquinolin trong tæng hîp c¸c thuèc papaverin, emetin.

1.2. Ph©n lo¹i ph¶n øng acyl hãa Nhãm acyl (RCO-) cã thÓ thay thÕ H trong çc liªn kÕt -OH, -NH, -SH hoÆc -CH, t−¬ng øng ta cã çc lo¹i ph¶n øng O-acyl hãa, N-acyl hãa, S-acyl hãa, hoÆc C-acyl ho¸. O-acyl ho¸: Lμ qu¸ tr×nh acyl ho¸ nhãm -OH cña alcol, phenol, enol hoÆc acid carboxylic. S¶n phÈm lμ çc ester hoÆc anhydrid acid. ROH + R’COX → ROCOR’ + HX 2RCOOH → (RCO)2O + H2O N-acyl ho¸: Lμ qu¸ tr×nh acyl ho¸ amoniac hoÆc çc amin h÷u c¬ (bËc nhÊt, bËc hai), s¶n phÈm cña ph¶n øng lμ çc amid. R-NH2 + R’COX → RNHCOR’ + HX S-acyl ho¸: lμ qu¸ tr×nh acyl ho¸ nhãm -SH cña thioalcol hoÆc thiophenol. S¶n phÈm cña ph¶n øng lμ thioester. R-SH + R’ COX → RSCOR’ + HX C-acyl ho¸: Lμ qu¸ tr×nh thay thÕ hydro cña nh÷ng hîp chÊt h÷u c¬ chøa hydro ho¹t ®éng. H2C(COOR)2 + NaOC2H5 → NaCH(COOR)2 NaCH(COOR)2 + CH3COCl → CH3COCH(COOR)2

2. T¸c nh©n acyl ho¸ T¸c nh©n acyl ho¸ cã c«ng thøc chung nh− sau:

o r c

Trong ®ã X cã thÓ lμ: −

OH:

acid carboxylic

−

OR:

ester

−

NH2:

amid

−

OCOR:

anhydrid

−

halogenid acid.

Sau ®©y lμ mét sè t¸c nh©n acyl ho¸ hay gÆp: 2.1. Çc acid carboxylic Th−êng dïng ®Ó acyl ho¸ amin vμ alcol. Acid carboxylic kh«ng cã kh¶ n¨ng acyl ho¸ phenol. S¶n phÈm lμ çc amid hoÆc ester. Çc acid hay ®−îc sö dông lμ acid formic, acid acetic. Acyl ho¸ alcol lμ ph¶n øng thuËn nghÞch, v× vËy ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt ph¶n øng cÇn cã biÖn ph¸p lo¹i n−íc ra khái khèi ph¶n øng. Acyl ho¸ víi t¸c nh©n acid th−êng ®−îc tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é cao (kho¶ng 2000C). 2.2. Çc ester Çc ester kh«ng ph¶i lμ t¸c nh©n acyl ho¸ m¹nh. Nh−ng nã ®−îc sö dông trong nhiÒu tr−êng hîp, ®Æc biÖt lμ nh÷ng ester cã nhãm hót ®iÖn tö m¹nh trong ph©n tö. VÝ dô clorocarbonat ethyl lμ mét t¸c nh©n ®−îc sö dông réng r·i ®Ó ®−a nhãm ethyl carbonat vμo ph©n tö h÷u c¬. Ester ®−îc dïng trong çc tr−êng hîp O–, N–, C-acyl ho¸. Tuy nhiªn, trong c«ng nghiÖp ng−êi ta Ýt dïng ester ®Ó lμm t¸c nh©n N-acyl ho¸, trõ tr−êng hîp ®iÒu chÕ formamid vμ dimethyl formamid. Acid formic kh«ng cã d¹ng anhydrid hoÆc clorid acid t−¬ng øng, nªn chØ cã thÓ sö dông d¹ng acid hoÆc ester cña nã. NH3 + HCOOCH3

HCONH2 + CH3OH

2.3. C¸c amid C¸c amid lμ nh÷ng t¸c nh©n acyl ho¸ yÕu nªn Ýt khi ®−îc sö dông. Hai t¸c nh©n hay sö dông h¬n lμ formamid (HCONH2) vμ carbamid (H2NCONH2). Carbamid ®−îc dïng ®Ó acyl ho¸ alcol thμnh uretan: C2H5OH + H2NCONH2.HNO3 → C2H5OCONH2 + NH4NO3

2.4. Çc anhydrid acid Anhydrid acid lμ t¸c nh©n acyl ho¸ m¹nh, cã thÓ acyl ho¸ ®−îc amin, alcol vμ phenol. Kh«ng t¹o ra n−íc trong qu¸ tr×nh ph¶n øng. T¸c nh©n hay ®−îc sö dông lμ anhydrid acetic. Nã Ýt bÞ thuû ph©n trong n−íc nªn cã thÓ acyl ho¸ trong m«i tr−êng n−íc hoÆc m«i tr−êng kiÒm. NÕu t¸c nh©n lμ anhydrid hçn t¹p (anhydrid cña 2 acid kh¸c nhau) th× nhãm acyl nμo ho¹t ho¸ h¬n sÏ thÕ vμo ph©n tö cÇn acyl ho¸. Xóc t¸c cho ph¶n øng acyl ho¸ th−êng lμ çc amin bËc ba (trietylamin, pyridin, 4-dimethyl-amino-pyridin). 2.5. Çc halogenid acid Halogenid acid lμ t¸c nh©n acyl ho¸ rÊt m¹nh, trong ®ã çc clorid acid ®−îc sö dông nhiÒu nhÊt. Halogenid acid th−êng lμ nh÷ng chÊt láng, dÔ bÞ ph©n huû bëi n−íc. Qu¸ tr×nh acyl ho¸ t¹o ra HX, v× vËy ng−êi ta th−êng ph¶i dïng çc base h÷u c¬ nh− pyridin, triethylamin, quinolin, diethylanilin…lμm chÊt hÊp thô. Víi çc clorid acid Ýt bÞ thuû ph©n bëi n−íc (clorid acid cña acid th¬m, sulfonyl clorid) th× cã thÓ acyl ho¸ trong dung dÞch kiÒm 10-20% hoÆc carbonat kiÒm. Çc t¸c nh©n ®iÓn h×nh cña nhãm nμy lμ acetyl clorid, benzoyl clorid, photgen, benzensulfo clorid… Halogenid acid cã thÓ acyl ho¸ çc nhãm -OH, -NH2: ROH + R’COX → R-OCOR’ + HX RNH2 + R’COX → R-NHCOR’ + HX 2.6. Xeten Xeten (CH2 = CO) lμ t¸c nh©n acyl ho¸ m¹nh nhÊt, ®−îc sö dông réng r·i trong c«ng nghiÖp. Nã ®−îc sö dông ®Ó acyl ho¸ çc nhãm -OH alcol, -NH amin, -OH acid. Lμ t¸c nh©n acyl ho¸ chän läc nhãm -NH amin, v× ë nhiÖt ®é th−êng nã ph¶n øng m¹nh víi -NH cña amin mμ kh«ng ph¶n øng víi -OH cña alcol. 3. C¬ chÕ ph¶n øng Liªn kÕt C-X cã thÓ bÞ c¾t theo 3 kiÓu:

o +

T−¬ng øng ta cã c¸c lo¹i c¬ chÕ sau: 3.1. Acyl ho¸ theo c¬ chÕ gèc D−íi t¸c dông cña t¸c nh©n peroxyd, gèc acyl t¹o thμnh vμ tham gia vμo c¸c ph¶n øng theo c¬ chÕ gèc tù do.

peroxid

c h 3c h o

CH3 CO

ch3ch2ch2coch3

CH 3CO + ch3ch=ch2 3.2. Acyl ho¸ theo c¬ chÕ ¸i ®iÖn tö

Nhãm acyl dÔ bÞ ph©n cùc do ®«i ®iÖn tö lÖch vÒ phÝa nguyªn tö oxy cã ®é ©m ®iÖn lín h¬n. NÕu X lμ nhãm hót ®iÖn tö m¹nh th× t¸c nh©n nμy cμng dÔ bÞ ph©n li thμnh cation acyli (RCO+). Nguyªn tö C cña nhãm acyl mang ®iÖn tÝch d−¬ng nªn lμ t¸c nh©n ¸i ®iÖn tö. C¬ chÕ ph¶n øng cã thÓ viÕt nh− sau: RCOX

RCO

R'OH

RCOOR'

OH RCOX

R'OH

RCOOR'

R C X

OR'

3.3. Acyl ho¸ theo c¬ chÕ ¸i nh©n Trong thùc tÕ rÊt Ýt gÆp qu¸ tr×nh acyl ho¸ x¶y ra theo c¬ chÕ nμy. Bëi v× kh¶ n¨ng t¹o anion acyli (RCO-) lμ rÊt khã. C¸c aldehyd trong m«i tr−êng kiÒm m¹nh t¹o thμnh hîp chÊt dimer lμ mét tr−êng hîp ®Æc biÖt:

O PhCHO + CN

C H

CN O OH

OH H P hCHO

C O

CN Ph 4. Mét sè yÕu tè cÇn chó ý trong qu¸ tr×nh acyl ho¸ 4.1. Xóc t¸c Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh acyl ho¸ cã thÓ lμ base hoÆc acid. 60

Acyl ho¸ alcol hoÆc amin b»ng t¸c nh©n halogenid hoÆc anhydrid acid th× xóc t¸c lμ çc amin bËc ba nh− triethylamin, pyridin, quinolin, 4-dimethylamino-pyridin, mét sè tr−êng hîp cã thÓ dïng carbonat kiÒm hoÆc kiÒm. Acyl ho¸ alcol b»ng acid carboxylic (ester ho¸) th× xóc t¸c lμ acid sulfuric. 4.2. Dung m«i Dung m«i th−êng lμ çc chÊt tham gia ph¶n øng (çc alcol hoÆc amin) hoÆc chÝnh t¸c nh©n acyl ho¸. Tr−êng hîp çc chÊt tham gia ph¶n øng kh«ng hoμ tan t¸c nh©n acyl ho¸ th× dïng mét dung m«i trî tan thÝch hîp (benzen, toluen, clorobenzen, cloroform, tetraclorocarbon, dicloromethan...). 4.3. NhiÖt ®é Acyl ho¸ lμ qu¸ tr×nh to¶ nhiÖt. Tuy nhiªn giai ®o¹n ®Çu cÇn cung cÊp nhiÖt cho ph¶n øng. Sau ®ã cã thÓ ph¶i lμm l¹nh ®Ó lo¹i bít nhiÖt ph¶n øng. Giai ®o¹n cuèi cÇn cung nhiÖt l¹i ®Ó ph¶n øng kÕt thóc. Tuú çc chÊt tham gia ph¶n øng vμ t¸c nh©n mμ nhiÖt ®é ph¶n øng kh¸c nhau. VÝ dô víi t¸c nh©n lμ acid carboxylic, khi acyl ho¸ alcol cÇn tiÕn hμnh ë 200oC, acyl ho¸ amin ë 1201400C. T¸c nh©n halogenid acid chØ cÇn nhiÖt ®é d−íi 500C. 5. Mét sè vÝ dô 5.1. §iÒu chÕ thuèc h¹ nhiÖt gi¶m ®au aspirin Cho acid salicylic t¸c dông víi anhydrid acetic, xóc t¸c lμ acid sulfuric ®Æc ë nhiÖt ®é 80-900C trong thêi gian 30-45 phót. §Ó nguéi, läc thu tinh thÓ. Röa b»ng n−íc vμ sÊy ®Ó thu s¶n phÈm.

COOH +

COOH (CH3CO)2O

CH3COOH

OCOCH3

5.2. B¸n tæng hîp thuèc sèt rÐt artesunat Acyl ho¸ dihydroartemisinin b»ng anhydrid succinic víi xóc t¸c lμ c¸c amin bËc ba nh− pyridin, triethylamin hoÆc 4-dimethylamino-pyridin. C

CH3 O O

H3 C

H H CH3

O OH

O O

H3 C

O O O O

H H C OCOCH2CH2COOH

5.3. §iÒu chÕ acetanilid Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng nh− sau: NHCOCH3

NH2 CH3COOH

H2O

Anilin vμ acid acetic ®−îc cho vμo b×nh ph¶n øng 1 (H×nh 6.1), n©ng nhiÖt ®é lªn 1400C vμ gi÷ trong 8-10 giê. Trong qu¸ tr×nh ph¶n øng, n−íc t¹o thμnh ®−îc cÊt ra liªn tôc. Sau ®ã, khèi ph¶n øng ®−îc xö lÝ víi n−íc ®¸ ®Ó thu tinh thÓ s¶n phÈm. Röa l¹i b»ng n−íc, läc vμ sÊy.

Anilin

AcOH AcOH

H2 O

N−íc ®¸

H2 O

H×nh 6.1. S¬ ®å thiÕt bÞ ®iÒu chÕ acetanilid 1. B×nh ph¶n øng, 2. Cét t¸ch, 3. Sinh hµn, 4. Nåi kÕt tña, 5. M¸y vÈy li t©m, 6. Tñ sÊy

Tù l−îng gi¸ 1. Tr×nh bμy ®Þnh nghÜa qu¸ tr×nh acyl ho¸? C¸ch ph©n lo¹i vμ môc ®Ých cña qu¸ tr×nh acyl ho¸? 2.

Tr×nh bμy c«ng thøc chung vμ c¸c lo¹i t¸c nh©n cña qu¸ tr×nh acyl ho¸?

3. C¬ chÕ ph¶n øng acyl ho¸ vμ mét sè yÕu tè cÇn chó ý trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn ph¶n øng acyl ho¸? 4. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p tæng hîp aspirin, artesunat vμ acetanilid. 62

Ch−¬ng 7

Ester ho¸

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng ester ho¸ vμ çc ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ester. 2. C¬ chÕ cña ph¶n øng ester ho¸. 3. Çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ester ho¸ vμ ph−¬ng ph¸p chuyÓn dÞch c©n b»ng cho ph¶n øng ester ho¸. 4. Çc vÝ dô øng dông cña ph¶n øng ester ho¸.

1. §¹i c−¬ng Qu¸ tr×nh t¹o hîp chÊt ester b»ng ph¶n øng gi÷a acid carboxylic víi alcol, xóc t¸c acid v« c¬ ®−îc gäi lμ qu¸ tr×nh ester hãa. Ester hãa lμ ph¶n øng thuËn nghÞch, ph−¬ng tr×nh nh− sau: R COOH

R'OH

RCOOR'

H2O

Cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ester, trong gi¸o tr×nh nμy chóng t«i chia c¸c ph−¬ng ph¸p ®ã lμm ba nhãm: acyl ho¸, alkyl ho¸ vμ ph−¬ng ph¸p oxy ho¸ khö. 1.1. §iÒu chÕ ester b»ng ph−¬ng ph¸p acyl ho¸ −

Ph¶n øng ester ho¸ (esterification): R-COOH + R’-OH

−

R-COOR’ + H2O

Ph¶n øng “r−îu ph©n” (alcoholysis):

NH2

NH2 +

HOCH2CH2N(C2H5)2

COOC2H5

C2H5OH

COOCH2CH2N(C2H5)2 63

−

Ph¶n øng “acid ph©n” (acidolysis):

CH3COOCH=CH2 + C11H23COOH

C11H23COOCH=CH2 + CH3COOH

(Acid laurinic)

−

(Vinyl laurinat)

Ph¶n øng “chuyÓn ®æi ester”:

HCOOC(CH3)3 + R-COOCH3 −

Ph¶n øng cña anhydrid víi alcol hoÆc phenol: (CH3CO)2O + R-OH

→ CH3COOR + CH3COOH

(CH3CO)2O + Ar-OH → −

R-COOC(CH3)3 + HCOOCH3

CH3COOAr + CH3COOH

Ph¶n øng gi÷a halogenid acid víi alcol hoÆc alcolat: Cl-CO-Cl + C2H5OH → ClCOOC2H5 + HCl

−

Ph¶n øng gi÷a amid víi alcol: R-CONH2 + R-OH → R-COOR’ + NH3

1.2. §iÒu chÕ ester b»ng ph−¬ng ph¸p alkyl ho¸ −

Ph¶n øng gi÷a muèi carboxylat víi alkyl halogenid hoÆc arakyl halogenid: CH3COONa + C2H5Br → CH3COOC2H5 + NaBr CH3COONa + Cl-CH2-C6H5 → CH3COOCH2-C6H5 + NaCl

−

Ph¶n øng alkyl ho¸ nhãm OH cña acid b»ng epoxyd:

H2C

CH2

CH3COOH

OH CH2

CH2 O CO CH3

O −

Ph¶n øng céng hîp vμo nèi ®«i C=C cña acid v« c¬ vμ h÷u c¬: CH2=CH2 + H2SO4 → CH3CH2-OSO2OH CH2=CH2 + CH3COOH → CH3COOCH2CH3

1.3. §iÒu chÕ ester b»ng ph−¬ng ph¸p oxy ho¸-khö −

Ph¶n øng Canizzaro (benzaldehyd trong m«i tr−êng kiÒm ®Æc):

2 C 6H5 −

CHO

C 6H5

CH2

O CO C 6H5

Ph¶n øng Tischenko (aldehyd/nh«m -alcolat): 2CH3CHO → CH3COOC2H5

−

Ph¶n øng gi÷a carbon-monoxyd víi alcol trong alcolat kim lo¹i ë nhiÖt ®é vμ ¸p suÊt lín: R-OH + CO → HCOOR

S¶n phÈm ester ho¸ ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c lÜnh vùc sau: −

Trong d−îc phÈm, dïng lμm thuèc (aspirin, novocain, diethylphthalat, artesunat...)

−

Lμm chÊt trung gian trong tæng hîp ho¸ h÷u c¬ vμ ho¸ d−îc.

−

Trong ho¸ mü phÈm, c¸c ester dïng lμm h−¬ng liÖu.

−

Lμm dung m«i (ethylacetat, butylacetat...).

2. C¬ chÕ ph¶n øng Ph¶n øng ester ho¸ kinh ®iÓn lμ ph¶n øng t¹o ester gi÷a acid carboxylic vμ alcol. §©y lμ ph¶n øng thuËn nghÞch, xóc t¸c lμ acid v« c¬. Ph©n tö n−íc t¹o thμnh trong ph¶n øng ester hãa cã thÓ theo 2 c¸ch: O R

C O

H + H

R' H

O R

COOR' + H2O

C O

H + H

KÕt qu¶ cña nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu chøng minh r»ng bËc carbon trong ph©n tö alcol quyÕt ®Þnh ph©n tö n−íc lo¹i ra theo kiÓu nμo. Trong thùc tÕ cã hai kiÓu c¬ chÕ t−¬ng øng víi hai tr−êng hîp sau: 2.1. Ester ho¸ víi alcol bËc 1 vμ bËc 2 D−íi t¸c dông cña acid v« c¬, qu¸ tr×nh ester ho¸ cã thÓ x¶y ra theo c¬ chÕ ®¬n ph©n tö hoÆc l−ìng ph©n tö: 65

O R

nh nh

H2O

OH O

O ch nh

nh ch

H O C OR

O nh ch

HoÆc:

O R C

R'OH

ch nh

R C OH

nh ch

R C O

H2O

O H

R C

OR'

C¶ hai tr−êng hîp ®Òu lÊy nhãm -OH cña acid carboxylic ®Ó t¹o thμnh ph©n tö n−íc. 2.2. Ester ho¸ víi alcol bËc 3 Tr−êng hîp nμy ph©n tö n−íc ®−îc t¹o thμnh tõ nhãm -OH cña alcol. C¬ chÕ ph¶n øng nh− sau:

CH3 CH3

C OH

nh nh

CH3

ch nh

C OH

CH3

O OH

O nh nh

H2O

CH3

H3C H

CH3 RCOOH nh R C ch

CH3

R C

OC(CH3)3

C(CH3)3 3. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ester ho¸ 3.1. Xóc t¸c Xóc t¸c cã t¸c dông ®Èy nhanh qu¸ tr×nh ester ho¸. C¸c xóc t¸c hay dïng lμ acid proton m¹nh nh−: sulfuric, hydrocloric, sulfonic, percloric, phosphoric. Ngoμi ra cßn sö dông mét sè acid Lewis kh¸c (BF3, ZnCl2, SnCl4, SiF4, FeCl3). 66

GÇn ®©y ng−êi ta dïng c¸c chÊt trao ®æi ion lμm xóc t¸c thay cho acid. Víi xóc t¸c lo¹i nμy qu¸ tr×nh xö lÝ sau ph¶n øng sÏ ®¬n gi¶n vμ cã thÓ sö dông l¹i xóc t¸c. Xóc t¸c kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn c©n b»ng cña ph¶n øng. 3.2. Dung m«i Dung m«i cña qu¸ tr×nh ester ho¸ th−êng lμ c¸c alcol tham gia ph¶n øng ®−îc dïng qu¸ thõa. NÕu acid carboxylic kh«ng tan trong alcol th× cÇn mét dung m«i trî tan thÝch hîp (aceton, benzen, toluen, cloroform, dicloromethan...) 3.3. NhiÖt ®é Còng nh− nhiÒu ph¶n øng kh¸c, nhiÖt cã t¸c dông lμm t¨ng tèc ®é ph¶n øng ester ho¸. ViÖc t¨ng nhiÖt ®é cña ph¶n øng chØ ®Õn ®é s«i cña alcol, nÕu muèn n©ng nhiÖt ®é lªn cao h¬n th× ph¶i dïng thiÕt bÞ chÞu ¸p suÊt. 3.4. §iÒu kiÖn c©n b»ng cña ph¶n øng 3.4.1. H»ng sè c©n b»ng cña ph¶n øng ester ho¸ Ester ho¸ lμ ph¶n øng thuËn nghÞch. Mçi ph¶n øng cô thÓ cã mét h»ng sè c©n b»ng riªng. H»ng sè c©n b»ng ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau:

ester . n−íc K= acid

alcol

Gi¸ trÞ K cμng lín th× kh¶ n¨ng chuyÓn ho¸ thμnh ester cμng cao. C«ng thøc nμy cho phÐp tÝnh ®−îc nång ®é cña ester t¹o thμnh trong ph¶n øng nÕu sö dông qu¸ thõa mét trong hai thμnh phÇn tham gia ph¶n øng. 3.4.2. ¶nh h−ëng cña cÊu tróc alcol tíi vËn tèc ester ho¸ vμ nång ®é ester t¹i ®iÓm c©n b»ng ThÝ nghiÖm cña Mencsutkin (1897) khi ester ho¸ c¸c alcol víi acid acetic ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 6.2.

B¶ng 6.2. T¸c dông cña c¸c alcol kh¸c nhau ®Õn vËn tèc ester ho¸ Sè TT

Tªn alcol

Khèi l−îng ester t¹o thµnh [%mol] Sau 1 giê

ë ®iÓm c©n b»ng

Methanol

55.59

69,59

5,24

Ethanol

46,95

66,57

3,96

Propanol

46,92

66,85

4,07

Buthanol

46,85

67,30

4,24

Allyl alcol

35,72

59,41

2,18

Benzyl alcol

38,64

60,75

2,39

Izopropanol

26,53

60,52

2,35

Methyl, ethyl carbinol

22,59

59,28

2,12

Diethyl carbinol

16,93

58,66

2,01

Diallyl carbinol

10,31

50,12

1,01

Menthol

15,29

61,49

2,55

Trimethyl carbinol

1,43

6,59

0,0049

Dimethyl propyl carbinol

2,15

0,83

0,00007

Phenol

1,45

8,64

0,0089

Thimol

0,55

9,46

0,0192

KÕt qu¶ cho thÊy methanol cã vËn tèc ph¶n øng lín nhÊt vμ nång ®é ester t¹i ®iÓm c©n b»ng còng cao nhÊt. Çc alcol bËc nhÊt, çc alcol no cã vËn tèc ph¶n øng vμ hÖ sè c©n b»ng cao h¬n çc alcol bËc hai hoÆc çc alcol kh«ng no t−¬ng øng. Çc alcol bËc ba cã vËn tèc ester ho¸ bÐ nhÊt. Tãm l¹i, alcol cμng ph©n nh¸nh vμ m¹ch nh¸nh cμng gÇn nhãm -OH th× vËn tèc ester ho¸ cμng gi¶m, nång ®é ester t¹i ®iÓm c©n b»ng cμng thÊp. 3.4.3. ¶nh h−ëng cÊu tróc cña acid tíi vËn tèc ester ho¸ vμ nång ®é ester t¹i ®iÓm c©n b»ng Còng t−¬ng tù nh− çc alcol, Mencsutkin ®· kh¶o s¸t kh¶ n¨ng ester ho¸ cña mét sè acid cã cÊu tróc kh¸c nhau víi alcol isopropylic ë 1500C (B¶ng 6.3). KÕt qu¶ cho thÊy ¶nh h−ëng cña m¹ch carbon kh«ng nh− trong tr−êng hîp cña alcol. Tèc ®é ester ho¸ vμ gi¸ trÞ nång ®é ester t¹i ®iÓm c©n b»ng kh«ng tû lÖ theo sù ph©n nh¸nh cña m¹ch carbon. B¶ng 6.3. T¸c dông cña çc acid kh¸c nhau ®Õn vËn tèc ester ho¸

Sè TT

Tªn alcol

Khèi l−îng ester t¹o thµnh [%mol] Sau 1 giê

ë ®iÓm c©n b»ng

Formic

61,69

64,23

3,22

Acetic

44,36

67,38

4,27

Propionic

41,18

68,70

4,82

n-Butyric

33,25

69,52

5,20

Isobutyric

29,03

69,51

5,20

Methyl, ethyl acetic

21,50

73,73

7,88

Trimethyl acetic

8,28

72,65

7,06

Dimethyl, ethyl acetic

3,45

74,15

8,23

Phenyl acetic

48,82

73,87

7,99

Phenyl propionic

40,26

72,02

7,60

Benzoic

8,62

72,57

7,00

p-Toluenic

6,64

76,52

10,62

4. C¸c ph−¬ng ph¸p chuyÓn dÞch c©n b»ng cho ph¶n øng ester ho¸ Cã hai ph−¬ng ph¸p chuyÓn dÞch c©n b»ng ®Ó lμm t¨ng hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh ester ho¸: 1. T¨ng nång ®é mét trong hai chÊt tham gia ph¶n øng (acid hoÆc alcol). VÊn ®Ò nμy thùc hiÖn ®¬n gi¶n vμ th−êng dïng alcol thõa nhiÒu lÇn. 2. Lo¹i khái ph¶n øng mét trong hai chÊt t¹o thμnh. Tr−êng hîp nμy ®−îc thùc hiÖn bëi hai biÖn ph¸p sau ®©y: Lo¹i n−íc ra khái ph¶n øng: −

NÕu c¶ acid lÉn alcol dïng trong ph¶n øng ester ho¸ ®Òu lμ nh÷ng chÊt cã ®é s«i cao th× lo¹i n−íc b»ng c¸ch cÊt kÐo liªn tôc, cã thÓ sôc khÝ tr¬ vμo ®Ó t¨ng tèc ®é lo¹i n−íc.

−

NÕu acid cã ®é s«i cao, alcol cã ®é s«i thÊp h¬n n−íc th× dïng alcol thõa nhiÒu lÇn, cÊt lo¹i n−íc vμ alcol liªn tôc trong qu¸ tr×nh ph¶n øng.

−

Thªm mét dung m«i ®Ó t¹o hçn hîp s«i ®¼ng phÝ ba cÊu tö (n−ícalcol-dung m«i) cã nhiÖt ®é s«i thÊp h¬n nhiÖt ®é s«i cña n−íc vμ cÊt lo¹i chóng ra khái hçn hîp ph¶n øng. Hçn hîp h¬i ®−îc ng−ng tô, 69

t¸ch lo¹i pha n−íc, pha h÷u c¬ chøa alcol ®−îc dÉn trë l¹i b×nh ph¶n øng. C¸c dung m«i hay dïng lμ benzen, toluen, cloroform, dicloroethan, tetraclorocarbon. Lo¹i ester ra khái ph¶n øng: Cã hai ph−¬ng ph¸p sau: −

NÕu ester t¹o thμnh cã ®é s«i thÊp nhÊt trong hçn hîp ph¶n øng th× liªn tôc cÊt thu ester trong qu¸ tr×nh ph¶n øng.

−

NÕu ester t¹o hçn hîp ®¼ng phÝ hai hoÆc ba cÊu tö víi c¸c chÊt tham gia ph¶n øng, th× hçn hîp h¬i cÊt ra ®−îc ng−ng tô t¸ch lÊy ester. Pha n−íc acid ®−îc dÉn trë l¹i khèi ph¶n øng.

5. Mét sè vÝ dô 5.1. §iÒu chÕ diethylphthalat Håi l−u anhydrid phthalic vμ ethanol thõa (3-5 lÇn) víi xóc t¸c lμ acid sulfuric ®Æc trong hai giê. Ph¶n øng x¶y ra qua hai giai ®o¹n: giai ®o¹n ®Çu ethanol céng hîp vμo anhydrid phthalic t¹o thμnh monoester. Sau ®ã ester ho¸ monoester nμy thμnh diethyphthalat. KÕt thóc ph¶n øng, cÊt thu håi alcol thõa. Röa ester b»ng n−íc, sau ®ã trung hoμ víi dung dÞch natri carbonat ®Ó lo¹i acid xóc t¸c. Röa l¹i b»ng n−íc ®Õn trung tÝnh, lμm khan vμ cÊt ph©n ®o¹n ®Ó thu ester tinh khiÕt. S¬ ®å c¸c giai ®o¹n ph¶n øng nh− sau:

O C

COOC2H5

COOC2H5 O

+ C2H5OH

COOH

COOC2H5

H2SO4

O 5.2. §iÒu chÕ methyl salicylat Håi l−u hçn hîp acid salicylic vμ methanol (thõa gÊp 10 lÇn) trong 10 giê víi xóc t¸c lμ acid sulfuric ®Æc. Ph¶n øng kÕt thóc, cÊt lo¹i methanol vμ röa hçn hîp ph¶n øng víi n−íc nhiÒu lÇn. Sau ®ã trung hoμ víi dung dÞch natri hydrocarbonat ®Õn trung tÝnh. Röa l¹i b»ng n−íc, lμm khan vμ cÊt ph©n ®o¹n thu methyl salicylat tinh khiÕt.

COOH

CH3OH

H2SO4

COOCH3 +

H2O

Tù l−îng gi¸ 1. Qu¸ tr×nh ester ho¸ ®−îc hiÓu nh− thÕ nμo? Môc ®Ých cña nã? 2. §iÒu chÕ ester gåm cã nh÷ng ph−¬ng ph¸p nμo? ViÕt ph−¬ng tr×nh ph¶n øng mçi lo¹i ®ã? 3. Tr×nh bμy c¬ chÕ ph¶n øng ester ho¸? 4. Nªu c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ester ho¸ vμ c¸c ph−¬ng ph¸p chuyÓn dÞch c©n b»ng ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh ester ho¸. 5. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt diethylphthalat vμ methyl salicylat.

Ch−¬ng 8

Ph¶n øng thuû ph©n

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng thuû ph©n vμ c¸c lo¹i t¸c nh©n thuû ph©n. 2. C¸c lo¹i ph¶n øng thuû ph©n vμ c¬ chÕ cña nã. 3. Mét sè vÝ dô vÒ ph¶n øng thuû ph©n.

1. ®¹i c−¬ng Thuû ph©n lμ qu¸ tr×nh ph©n huû mét hîp chÊt nμo ®ã b»ng n−íc ®Ó t¹o ra hai hîp chÊt míi. Trong ®ã c¸c thμnh phÇn cña ph©n tö n−íc ®Òu tham gia vμo cÊu t¹o hai hîp chÊt míi nμy. VÝ dô: Ph¶n øng thuû ph©n ester:

R COOR'

H2O

R COOH

R'OH

Xóc t¸c cho ph¶n øng thuû ph©n lμ c¸c acid, kiÒm vμ enzym. Ch−¬ng nμy kh«ng ®Ò cËp ®Õn ph¶n øng thuû ph©n xóc t¸c enzym. Th«ng th−êng thuû ph©n xóc t¸c acid lμ ph¶n øng thuËn nghÞch, cßn thuû ph©n xóc t¸c kiÒm lμ ph¶n øng kh«ng thuËn nghÞch. 2. C¬ chÕ cña ph¶n øng thuû ph©n Thuû ph©n lμ ph¶n øng thÕ ¸i nh©n (SN), t¸c nh©n ¸i nh©n lμ n−íc. Xóc t¸c cho ph¶n øng lμ acid hoÆc base. Víi c¸c nhãm hîp chÊt kh¸c nhau vμ xóc t¸c kh¸c nhau, ph¶n øng thuû ph©n còng x¶y ra víi c¬ chÕ kh¸c nhau. V× vËy, ®èi víi tõng nhãm hîp chÊt cô thÓ sÏ cã c¬ chÕ ph¶n øng riªng.

3. Çc t¸c nh©n thuû ph©n 3.1. Thuû ph©n b»ng n−íc Ph¶n øng thuû ph©n b»ng n−íc cã thÓ kh«ng cÇn xóc t¸c. NhiÖt ®é cña ph¶n øng phô thuéc b¶n chÊt çc chÊt cÇn thuû ph©n. NhiÒu tr−êng hîp, ph¶n øng thuû ph©n sÏ sinh ra acid hoÆc base, çc chÊt nμy sÏ xóc t¸c cho qu¸ tr×nh thuû ph©n tiÕp theo. C¨n cø vμo ®ã, ng−êi ta chia ph¶n øng lμm hai lo¹i: 3.1.1. Thuû ph©n víi sù t¹o thμnh s¶n phÈm phô lμ base Thuû ph©n çc hîp chÊt c¬ kim cã thÓ x¶y ra mét çch m·nh liÖt ngay ë nhiÖt ®é thÊp. VÝ dô: diethyl kÏm ë 00C ®· ph¶n øng m·nh liÖt víi n−íc:

Zn(C2H5)2

+ 2 H2O

2C2H6

Zn(OH)2

Çc hîp chÊt Grignard còng ph¶n øng m·nh liÖt víi n−íc ngay ë nhiÖt ®é thÊp. C2H5MgBr + H2O → C2H6 + Mg(OH)Br Çc alcolat còng dÔ thuû ph©n víi n−íc t¹o ra alcol vμ hydroxyd. Ph¶n øng nμy kh«ng cã môc ®Ých ®iÒu chÕ, mμ chØ ®Ó ph©n huû alcolat t¹o thμnh trong mét qu¸ tr×nh ho¸ häc. Al(OC2H5)3 + 3H2O → Al(OH)3 + 3C2H5OH 3.1.2. Thuû ph©n víi sù t¹o thμnh s¶n phÈm phô lμ acid Çc halogenid acid, anhydrid vμ ester ph¶n øng víi n−íc t¹o thμnh çc acid t−¬ng øng. Çc clorid acid v« c¬ (POCl3, HOSO2Cl, PCl5 ) vμ clorid acid cña çc acid carboxylic cã m¹ch carbon ng¾n ph¶n øng v« cïng m·nh liÖt víi n−íc. Clorid acetic ph¶n øng víi n−íc m¹nh ®Õn møc cã thÓ g©y næ. Çc anhydrid acid v« c¬ (vÝ dô SO3, P2O5) còng ph¶n øng m·nh liÖt víi n−íc ®Ó t¹o ra acid t−¬ng øng. Anhydrid acetic l¾c víi n−íc ®¸ còng thuû ph©n thμnh acid acetic. Çc ester cña çc acid v« c¬, ®Æc biÖt lμ çc b¸n ester (vÝ dô: alkyl hydro sulfat) thuû ph©n trong n−íc mét çch dÔ dμng. Ng−îc l¹i, ester cña acid h÷u c¬ thuû ph©n víi n−íc rÊt chËm (trõ methyl formiat). 3.2. Thuû ph©n víi xóc t¸c acid hoÆc kiÒm 3.2.1. Xóc t¸c acid Acid lμm t¨ng tèc ®é thuû ph©n cña nhiÒu lo¹i hîp chÊt: ester, nitril, amid. Xóc t¸c acid dïng trong nh÷ng tr−êng hîp khi thuû ph©n víi n−íc ph¶n øng kh«ng ch¹y hay kh«ng sö dông ®−îc xóc t¸c kiÒm. 73

Th−êng sö dông acid sulfuric vμ hydrocloric. Ho¹t lùc xóc t¸c cña acid sulfuric kÐm acid hydrocloric, nh−ng nã ®−îc sö dông nhiÒu h¬n bëi v× Ýt g©y ¨n mßn h¬n acid hydrocloric. Acid sulfuric ®−îc sö dông khi thuû ph©n dÇu mì, cellulose vμ khi ®−êng ho¸ tinh bét. Ngoμi ra cßn sö dông acid phosphoric, acid percloric, poliphosphoric vμ chÊt trao ®æi cation. 3.2.2. Xóc t¸c kiÒm ¦u ®iÓm: Tèc ®é thuû ph©n lín h¬n xóc t¸c acid, ph¶n øng kh«ng thuËn nghÞch, kh«ng sî ¨n mßn thiÕt bÞ nh− tr−êng hîp acid. Th−êng sö dông NaOH, KOH hoÆc Ca(OH)2. Trong tr−êng hîp cÇn m«i tr−êng kiÒm nhÑ cã thÓ dïng carbonat kiÒm hay Ba(OH)2. L−îng kiÒm sö dông trong tõng ph¶n øng còng kh¸c nhau: chØ ®Ó xóc t¸c, dïng theo ®−¬ng l−îng hoÆc dïng qu¸ thõa. Nång ®é kiÒm còng thay ®æi tuú lo¹i ph¶n øng. Th«ng th−êng hay dïng nång ®é 5-20% trong n−íc (trõ ph¶n øng nung kiÒm). 3.3. Ph¶n øng nung kiÒm §−îc tiÕn hμnh trong kiÒm nung ch¶y cã chøa 5-10% n−íc ë 200-3500C. Ph¶n øng nμy ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt phenol ë quy m« c«ng nghiÖp. Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng tæng qu¸t nh− sau: ArSO3H + 3 NaOH → ArONa + Na2SO3 + H2O Ph¶n øng x¶y ra theo c¬ chÕ SN2: Ng−êi ta th−êng sö dông NaOH, KOH hoÆc hçn hîp NaOH+KOH ®Ó cã ®é ch¶y thÊp h¬n trong ph¶n øng nung kiÒm. O

O S O

ONa

ONa O ONa

ONa

SO3Na H H

4. Çc ph¶n øng thuû ph©n vμ c¬ chÕ ph¶n øng 4.1. Thuû ph©n çc alkyl vμ aryl halogenid Thuû ph©n çc hîp chÊt alkyl, aryl halogenid thu ®−îc çc dÉn xuÊt alcol hoÆc phenol t−¬ng øng.

C¸c dÉn chÊt halogen ph¶n øng víi n−íc kh«ng cã xóc t¸c lμ ph¶n øng thuËn nghÞch: R-X + H2O

R-OH + HX

V× ph¶n øng víi n−íc qu¸ chËm (®Æc biÖt chËm lμ c¸c aryl-halogenid) nªn qu¸ tr×nh thuû ph©n th−êng tiÕn hμnh trong m«i tr−êng kiÒm. Ph¶n øng nμy cã ý nghÜa trong c«ng nghiÖp tæng hîp nhiÒu nguyªn liÖu quan träng nh−: alcol amylic, alcol allylic, alcol benzylic, glycol, phenol vμ dÉn chÊt...tõ c¸c halogenid t−¬ng øng. C¬ chÕ ph¶n øng: Cã thÓ x¶y ra 2 tr−êng hîp phô thuéc vμo bËc cña carbon trong alkylhalogenid: •

ThÕ ¸i nh©n nhÞ ph©n tö (SN2): Th−êng x¶y ra víi alkyl-halogenid bËc 1 vμ bËc 2. C¬ chÕ nh− sau:

H OH

H C

CH3

H C

H HO

H X

C CH3

CH3

S¶n phÈm cã cÊu h×nh kh«ng gian ng−îc víi cÊu h×nh ban ®Çu. •

ThÕ ¸i nh©n ®¬n ph©n tö (SN1): X¶y ra víi alkyl-halogenid bËc 3. C¬ chÕ cña ph¶n øng nh− sau:

CH3 CH3 CH3 −

CH3 CH3 CH3

C OH

Thuû ph©n c¸c aryl-halogenid th−êng x¶y ra theo c¬ chÕ nhÞ ph©n tö.

4.2. Thuû ph©n çc dÉn xuÊt cña acid carboxylic Ph¶n øng nμy cã ý nghÜa thùc tÕ trong c«ng nghiÖp thuû ph©n çc ester, amid, anhydrid vμ clorid acid. Ph¶n øng x¶y ra dÔ dμng khi ®iÖn tÝch d−¬ng riªng phÇn cña nguyªn tö carbon trªn nhãm carbonyl cμng lín. NÕu nhãm thÕ g¾n víi nhãm carbonyl hót ®iÖn tö cμng m¹nh th× kh¶ n¨ng ph¶n øng cμng cao. Kh¶ n¨ng ph¶n øng cña çc nhãm chøc ®−îc s¾p xÕp theo thø tù sau: O C NHR

O C OR

C OCOR

O C Cl

Xóc t¸c acid lμm t¨ng sù ph©n cùc cña nhãm carbonyl, do ®ã còng lμm t¨ng kh¶ n¨ng thÕ ¸i nh©n. C O

C OH

Çc dÉn xuÊt cã kh¶ n¨ng thuû ph©n yÕu (ester, amid), sù thuû ph©n sÏ dÔ dμng h¬n nÕu cã ion OH- xóc t¸c. 4.2.1. Thuû ph©n çc ester Thuû ph©n çc ester cã thÓ sö dông xóc t¸c acid hoÆc kiÒm. Tr−êng hîp dïng xóc t¸c acid th× ph¶n øng lμ thuËn nghÞch, t−¬ng tù chiÒu nghÞch cña ph¶n øng ester ho¸. Qu¸ tr×nh thuû ph©n cã thÓ x¶y ra theo hai h−íng sau ®©y:

O R C 1

1. C¾t liªn kÕt Acyl-oxy(Ac)

2. C¾t liªn kÕt Alkyl-oxy (Al)

T−¬ng øng ta cã 8 tr−êng hîp kh¸c nhau ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 8.1. (A: xóc t¸c acid, B: xóc t¸c base, c¸c sè 1, 2 chØ bËc cña ph¶n øng) B¶ng 8.1. C¸c kh¶ n¨ng cña ph¶n øng ester ho¸ vμ thuû ph©n Ph¶n øng AAc2

Thuû ph©n ester vµ ester ho¸ alcol bËc nhÊt vµ bËc hai

AAc1

Thuû ph©n ester vµ ester ho¸ c¸c acid cã c¶n trë kh«ng gian

AAl2

§Õn nay ch−a gÆp

AAl1

Thuû ph©n ester vµ ester ho¸ alcol bËc ba

BAc2

Thuû ph©n c¸c ester b»ng base

BAc1

§Õn nay ch−a gÆp

BAl2

Thuû ph©n c¸c ester cña alcol bËc ba, tuú ®iÒu kiÖn ph¶n øng mµ x¶y ra theo c¬ chÕ ®¬n hoÆc l−ìng ph©n tö

BAl1

Kh¶ n¨ng x¶y ra ph¶n øng

C¬ chÕ c¾t acyl (Ac):

Thuû ph©n ester vμ ester ho¸ c¸c dÉn xuÊt cña acid carboxylic theo c¬ chÕ AAc2 ®−îc biÓu diÔn nh− sau:

X R C O

H nh

R'OH

R C OH

R C OH H O R'

nh (-HX) R C OH ch O R'

R C O OR' IV

III

Trong ®ã: R = alkyl, aryl NÕu:

R’ = alkyl, X = OH: Ester ho¸ R’ = alkyl , X = OR’’: Alcol ph©n R’ = H , X = Cl , OCOR, NH2, OR: Thuû ph©n

Giai ®o¹n t¹o hîp chÊt trung gian II lμ giai ®o¹n chËm, quyÕt ®Þnh tèc ®é ph¶n øng.

C¬ chÕ AAc1:

D−íi t¸c dông xóc t¸c acid m¹nh, ion acyli (II) h×nh thμnh, ®©y lμ b−íc quyÕt ®Þnh vËn tèc ph¶n øng:

X R C O

H nh

- HX

R C OH

R C O

nh(+ ROH) R C O ch H O R'

R C O OR' IV

III

C¬ chÕ BAc2: §©y lμ lo¹i ph¶n øng kh«ng thuËn nghÞch. C¬ chÕ nh− sau:

X R C O

ch nh

R C O

nh ch

O R C + X OH

RCOO + H

C¬ chÕ ph¶n øng thuû ph©n trong m«i tr−êng trung tÝnh còng t−¬ng tù nh− c¬ chÕ BAc2 nh−ng lμ qu¸ tr×nh thuËn nghÞch:

X R C O

H +

O H

X ch nh

R C O OH2

+ -H

X R C OH OH

nh ch

RCOOH

C¬ chÕ c¾t alkyl (Al):

Khi thuû ph©n ester cña c¸c alcol bËc ba (vÝ dô: t-butyl alcol), xóc t¸c acid hoÆc base ®Òu c¾t liªn kÕt alkyl-oxy. C¬ chÕ AAl1 ®−îc minh häa nh− sau: 77

C R'

OR' +

nh ch

H2O

OR' R' OH2

R'OH

olefin R’ lμ nhãm ®Èy ®iÖn tö m¹nh vμ dÔ dμng ®−îc t¸ch ra. Carbocation R’+ cã thÓ t¹o víi n−íc thμnh alcol míi hoÆc lo¹i H+ t¹o thμnh olefin. 4.2.2. Thuû ph©n c¸c halogenid acid Khi thuû ph©n c¸c halogenid acid ta ®−îc acid carboxylic vμ HX:

O R C

H2O

RCOOH

HCl

Cl Kh¶ n¨ng ph¶n øng phô thuéc vμo t¸c nh©n ¸i nh©n vμ cÊu tróc cña ph©n tö halogenid acid.

O R C Cl

O R C ( Cl

Víi çc clorid acid, nguyªn tö clor hót ®iÖn tö m¹nh lμm ®iÖn tÝch d−¬ng riªng phÇn cña carbon lín, nªn nã dÔ thuû ph©n h¬n acid carboxylic t−¬ng øng. Ph¶n øng thuû ph©n th−êng x¶y ra theo c¬ chÕ BAc2. 4.2.3. Thuû ph©n çc anhydrid S¶n phÈm thuû ph©n lμ çc acid: (RCO)2O + H2O → 2RCOOH Kh¶ n¨ng thuû ph©n yÕu h¬n çc clorid acid, nh−ng m¹nh h¬n çc dÉn xuÊt kh¸c cña acid. Ph¶n øng thuû ph©n ®−îc t¨ng c−êng víi xóc t¸c acid hoÆc base. Th−êng x¶y ra theo c¬ chÕ nhÞ ph©n tö. Trong c«ng nghiÖp viÖc thuû ph©n anhydrid kh«ng cã ý nghÜa thùc tiÔn nhiÒu. Tuy nhiªn nã còng ®−îc øng dông trong s¶n xuÊt acid phthalic, acid cinamic vμ acid acetic b¨ng tõ çc anhydrid t−¬ng øng.

4.2.4. Thuû ph©n nitril vμ amid Qu¸ tr×nh thuû ph©n gåm hai giai ®o¹n, giai ®o¹n 1 lμ hydrat hãa, giai ®o¹n 2 lμ thuû ph©n. Xóc t¸c lμ acid hoÆc base. 1.

RCN

RCONH2

H2O

RCONH2

H2O

RCOOH

NH3

Ph¶n øng cã ý nghÜa quan träng trong viÖc ®iÒu chÕ çc amid vμ acid tõ çc nitril t−¬ng øng. Thuû ph©n amid thμnh acid ®−îc øng dông trong viÖc b¶o vÖ çc amin (nhãm amin th−êng ®−îc b¶o vÖ b»ng çch amid ho¸). 4.3. Thuû ph©n çc ether, acetal, cetal Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng thñy ph©n tæng qu¸t ®−îc viÕt nh− sau: +

ROR'

H2O

OR1

R'OH

R2OH

ROH

R CH

R1OH

R CH

OR2

OH O R CH

H2O

H C¶ hai ph¶n øng ®Òu x¶y ra theo c¬ chÕ thÕ ¸i nh©n l−ìng ph©n tö (SN2). C¬ chÕ ®−îc gi¶i thÝch theo s¬ ®å d−íi ®©y:

CH2

O CH R3

CH2

Trong ®ã:

OH2

O CH R3

H2O

RCH2OH + CH R3

+ -H

R3 CH X

X=OH (b¸n acetal) X= OR (acetal) X= H (ether)

Tr−êng hîp thuû ph©n më vßng epoxyd xóc t¸c acid hoÆc base còng lμ ph¶n øng SN2. S¶n phÈm glycol t¹o ra th−êng lμ ®ång ph©n trans. +

C O

C O H

H2O

H O C H

C OH

HO C

C OH

Trong c«ng nghiÖp qu¸ tr×nh nμy ®−îc øng dông ®Ó ®iÒu chÕ glycol tõ olefin vμ b¶o vÖ nhãm oxo th«ng qua trung gian acetal vμ b¸n acetal. 4.4. Thuû ph©n c¸c hîp chÊt chøa liªn kÕt carbon-carbon ph©n cùc Khi trªn hai carbon cã nh÷ng nhãm hót ®iÖn tö m¹nh t¹o nªn sù ph©n cùc cña ph©n tö. Do ®ã ®iÖn tÝch d−¬ng riªng phÇn trªn C cña nhãm carbonyl lín. VÝ dô:

Cl Cl Cl

O C

H2O

CHCl3

C X

X: -OH, -H, -alkyl Ph¶n øng nμy ®−îc øng dông s¶n xuÊt cloroform trong c«ng nghiÖp. Xóc t¸c th−êng lμ kiÒm, Ýt khi thùc hiÖn ë m«i tr−êng trung tÝnh hay xóc t¸c acid. 4.5. Thuû ph©n çc amin Çc amin th−êng Ýt bÞ thuû ph©n. Nh−ng çc hîp chÊt cã cÊu tróc enamin th× dÔ thuû ph©n víi xóc t¸c acid t¹o thμnh enol.

C NR2

HOH

C OH

HNR2

C¸c amin th¬m cã thÓ thuû ph©n nÕu vÞ trÝ para cña nã cã nhãm hót ®iÖn tö m¹nh. VÝ dô: §Ó ®iÒu chÕ dimethylamin tinh khiÕt, ng−êi ta sö dông ph−¬ng ph¸p sau: -

O N

N(CH3)2

O N

HN(CH3)2

5. ThiÕt bÞ cña ph¶n øng thuû ph©n ThiÕt bÞ cña ph¶n øng thuû ph©n phô thuéc vμo nguyªn liÖu cÇn thuû ph©n:

−

Nguyªn liÖu dÔ thuû ph©n th× cã thÓ sö dông c¸c thiÕt bÞ hë hoÆc kÝn, cã m¸y khuÊy, hai vá ®Ó cã thÓ lμm l¹nh hoÆc ®un nãng.

−

Nguyªn liÖu khã thuû ph©n th× dïng thiÕt bÞ chÞu ¸p suÊt.

−

Thuû ph©n xóc t¸c kiÒm, cã thÓ dïng thiÕt bÞ b»ng s¾t hoÆc thÐp.

−

Thuû ph©n b»ng acid H2SO4 dïng thiÕt bÞ b»ng s¾t silic bäc ch×, gÇn ®©y ng−êi ta dïng thÐp chÞu acid.

−

Thuû ph©n b»ng acid HCl g©y ¨n mßn lín. NÕu nång ®é HCl lo·ng, cã thÓ dïng thiÕt bÞ chÕ t¹o b»ng hîp kim niken hoÆc hîp kim ®ång (phospho-®ång ®á; nh«m-®ång ®á; mangan-®ång ®á). C¸c thiÕt bÞ lμm b»ng cao su, nhùa, thuû tinh còng cã thÓ ®−îc sö dông. §èi víi khÝ HCl th× sö dông ®−îc thiÕt bÞ b»ng s¾t v× ngay ë nhiÖt ®é cao còng bÞ ¨n mßn rÊt thÊp.

Ngoμi ra c¸c lo¹i thiÕt bÞ kim lo¹i cã lãt nhùa còng hay ®−îc sö dông vμo môc ®Ých thuû ph©n. 6. Kü thuËt an toμn lao ®éng CÇn chó ý ®Õn vÊn ®Ò ¨n mßn thiÕt bÞ vμ ®Ò phßng nh÷ng nguy hiÓm vÒ acid, base. §Ó tr¸nh dung dÞch acid hoÆc base b¾n vμo m¾t, lóc thao t¸c cÇn ®eo kÝnh hoÆc mÆt n¹ b¶o hé lao ®éng. CÇn ®i ñng, mÆc ¸o choμng, ®eo g¨ng tay ®Ó tr¸nh acid hoÆc base b¾n vμo ng−êi, vμo ch©n tay. 7. Mét sè vÝ dô 7.1. §iÒu chÕ sulfanylamid Ph¶n øng thuû ph©n 4-(acetyl-amino)-benzensulfonamid ®Ó lo¹i nhãm acetyl lμ giai ®o¹n cuèi cïng trong qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ sulfanylamid. -

CH3CONH

SO 2NH2

NH2

SO 2NH2

CH3COOH

Trong c«ng nghiÖp th−êng hay sö dông thuû ph©n kiÒm v× nhãm sulfonamid tan tèt trong kiÒm lo·ng. Håi l−u 4-(acetyl-amino)-benzensulfonamid víi 5-10 phÇn dung dÞch NaOH 8-10% trong vμi giê. Lμm l¹nh, acid hãa b»ng HCl ®Æc ®Õn pH=3-5. §Ó l¹nh, sulfanylamid sÏ kÕt tinh. Läc, röa b»ng n−íc vμ sÊy ®Ó thu s¶n phÈm. 7.2. C¸c ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ phenol 7.2.1. Ph−¬ng ph¸p nung kiÒm Nung ch¶y muèi natri benzen sulfonat trong NaOH cã chøa 10% n−íc ë 300-3200C theo ph¶n øng sau: C6H5SO3Na + 2NaOH → C6H5OH + Na2SO3 + H2O 7.2.2. Thuû ph©n clorobenzen (ph−¬ng ph¸p cña Dow) Nguyªn t¾c cña ph−¬ng ph¸p lμ thuû ph©n clorobenzen trong dung dÞch NaOH ë 3600C. Tõ benzen, qu¸ tr×nh ph¶n øng nh− sau: 81

C6H6

FeCl3

+ Cl2

C6H5Cl

800C

+ 2N aO H

C6H5O Na

C6H5Cl

3600C 240bar

+ HCl

C6H5O H

+ HCl

+ N aCl

C6H5ON a +

+ H2O

N aC l

7.2.3. Thuû ph©n clorobenzen theo ph−¬ng ph¸p cña Raschig §iÒu chÕ phenol tõ clorobenzen ë pha h¬i. Ph¶n øng ®−îc tiÕn hμnh theo hai giai ®o¹n:

C6H6

+ 1 / 2 O2

C6H5Cl

HCl

xt Ca(PO4)2

H2O

500o C

C6H5Cl

C6H5OH

H2O HCl

7.2.4. Ph−¬ng ph¸p Hock

C6H6 + CH3 CH CH2

AlCl3

CH3 O 2 C6H5CH CH3

CH3 C6H5 COOH

C6H5OH + CH3COCH3

CH3

Ph−¬ng ph¸p nμy ngoμi phenol cßn thu ®−îc aceton lμ dung m«i ®−îc sö dông nhiÒu. Do ®ã ®©y lμ mét ph−¬ng ph¸p kinh tÕ.

Tù l−îng gi¸ 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng thuû ph©n vμ çc lo¹i t¸c nh©n thuû ph©n? 2. Tr×nh bμy c¬ chÕ ph¶n øng thuû ph©n çc lo¹i hîp chÊt kh¸c nhau? 3. ThiÕt bÞ cña ph¶n øng thuû ph©n cã thÓ sö dông nh÷ng lo¹i nμo? Nªu çc nguyªn liÖu ®Ó chÕ t¹o chóng? 4. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p thuû ph©n lo¹i nhãm acetyl trong tæng hîp çc sulfamid vμ çc ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt phenol?

Ch−¬ng 9

Oxy ho¸

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng oxy ho¸ vμ çc lo¹i c¬ chÕ cña chóng. 2. Çc t¸c nh©n oxy ho¸. 3. Çc lo¹i ph¶n øng oxy ho¸. 4. Mét sè vÝ dô vÒ ph¶n øng oxy ho¸.

1. §¹i c−¬ng Trong ho¸ v« c¬ vμ ®iÖn ho¸ häc chóng ta ®· biÕt, oxy ho¸ vμ khö ho¸ lμ hai qu¸ tr×nh ®ång thêi x¶y ra, ®−îc gäi chung lμ qu¸ tr×nh oxy ho¸-khö. VÝ dô: HgCl2 + SnCl2 → Hg + SnCl4 Hg2+ + 2e → Hg0 Sn2+ - 2e → Sn4+ Trong ph¶n øng nμy thuû ng©n lμ chÊt bÞ khö cßn thiÕc lμ chÊt bÞ oxy ho¸. Sè l−îng ®iÖn tö do chÊt bÞ oxy ho¸ cho ®i b»ng sè l−îng nh÷ng ®iÖn tö chÊt bÞ khö nhËn vμo. Tuy nhiªn trong ho¸ häc h÷u c¬, kh¸i niÖm cho vμ nhËn ®iÖn tö kh«ng ®−îc sö dông réng r·i nh− trong ho¸ häc v« c¬. Bëi v× trong c¸c ph¶n øng h÷u c¬ rÊt khã ®o ®−îc sù chuyÓn dÞch ®iÖn tö. MÆt kh¸c c¸c liªn kÕt trong ho¸ h÷u c¬ lμ liªn kÕt céng ho¸ trÞ, Ýt cã kh¶ n¨ng chuyÓn thμnh liªn kÕt ion. Do ®ã trong ho¸ h÷u c¬ ng−êi ta ®Þnh nghÜa ph¶n øng oxy ho¸ nh− sau: Oxy ho¸ lμ ph¶n øng lμm t¨ng ®é oxy ho¸ cña nguyªn tö hoÆc ph©n tö tham gia ph¶n øng. §é oxy ho¸ cña mét hîp chÊt hay mét nguyªn tè nμo ®ã t¨ng lªn ®−îc thÓ hiÖn ë 3 yÕu tè: −

T¨ng sè nguyªn tö oxy trong ph©n tö. 83

−

Gi¶m sè nguyªn tö hydro cña ph©n tö.

−

Gi¶m sè ®iÖn tö trong nguyªn tö hoÆc ph©n tö.

VÝ dô:

CH3CHO

H2O2

HCOOH

C6H5CH CH2

CH3COOH

CO2

H2O C6H5CH2CH3

Trong ba vÝ dô trªn, çc nguyªn liÖu ®Çu tiªn lμ chÊt bÞ oxy ho¸ cßn nguyªn liÖu thø hai lμ chÊt bÞ khö. Còng cã thÓ gäi nguyªn liÖu ®Çu tiªn lμ t¸c nh©n khö vμ nguyªn liÖu thø hai lμ t¸c nh©n oxy ho¸. 2. C¬ chÕ ph¶n øng oxy ho¸ Tuú t¸c nh©n vμ m«i tr−êng, ph¶n øng oxy hãa x¶y ra theo nh÷ng c¬ chÕ kh¸c nhau. Sau ®©y lμ mét sè lo¹i c¬ chÕ th−êng gÆp: 2.1. C¬ chÕ ph¶n øng tù oxy hãa C¬ chÕ nμy nh»m gi¶i thÝch çc hiÖn t−îng tù oxy ho¸ trong m«i tr−êng sèng cña chóng ta. §ã lμ sù ph©n huû cña çc hîp chÊt h÷u c¬ nhê oxy kh«ng khÝ. D−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng, nhiÖt ®é hoÆc t¸c nh©n t¹o gèc tù do, çc ph©n tö h÷u c¬ bÞ kÝch thÝch vμ t¹o thμnh çc gèc tù do. Sau ®ã çc gèc tù do nμy ph¶n øng víi oxy kh«ng khÝ theo ph¶n øng d©y chuyÒn:

hγ

RH RH R

RO O

RO O H

RO O

RO O R

RO O H

RO O R

2 RO

Alcol; Hîp chÊt Carbonyl ; Acid

2.2. C¬ chÕ oxy ho¸ cã xóc t¸c Ph¶n øng oxy ho¸ xóc t¸c ®−îc chia thμnh hai lo¹i: oxy ho¸ xóc t¸c ®ång thÓ vμ oxy ho¸ xóc t¸c dÞ thÓ. Oxy ho¸ xóc t¸c ®ång thÓ th−êng thùc hiÖn ë thÓ láng, cßn oxy ho¸ xóc t¸c dÞ thÓ th× thùc hiÖn ë thÓ h¬i-r¾n hoÆc láng-r¾n. Tr−êng hîp oxy ho¸ xóc t¸c ®ång thÓ, nguån t¸c nh©n oxy vμ xóc t¸c lμ c¸c ion kim lo¹i ®Òu hoμ tan trong chÊt láng vμ tham gia ph¶n øng. Ph¶n øng x¶y ra theo c¬ chÕ gèc tù do: RH + Me3+ → R• + Me2+ + H+ R • + O2

→ ROO•

ROO• + RH → ROOH + R• ROOH + Me3+ → ROO• + Me2+ + H+ ROOH + Me2+ → RO• + Me3+ + OH− ROO• + RO• → → S¶n phÈm oxy ho¸ Oxy ho¸ xóc t¸c dÞ thÓ ®−îc ph©n thμnh hai nhãm: Xóc t¸c kim lo¹i vμ xóc t¸c oxyd kim lo¹i. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh nμy ®Õn nay vÉn ch−a ®−îc chøng minh. Trong sè c¸c xóc t¸c kim lo¹i th× b¹c vμ ®ång ®−îc sö dông nhiÒu. Oxyd kim lo¹i th× V2O5 lμ quan träng nhÊt. Xóc t¸c nμy ®ãng vai trß nh− mét chÊt vËn chuyÓn oxy. 2.3. C¬ chÕ oxy ho¸ b»ng t¸c nh©n ho¸ häc Dùa vμo t¸c nh©n oxy hãa, c¬ chÕ ph¶n øng oxy ho¸ b»ng t¸c nh©n ho¸ häc cã thÓ ph©n thμnh hai nhãm: −

C¬ chÕ oxy hãa cña c¸c hîp chÊt cña kim lo¹i cã ho¸ trÞ thay ®æi.

−

C¬ chÕ oxy hãa cña c¸c hîp chÊt chøa oxy ho¹t ®éng (c¸c peroxyd).

2.3.1. C¬ chÕ ph¶n øng cña c¸c hîp chÊt cña kim lo¹i cã ho¸ trÞ thay ®æi VÝ dô: Ph¶n øng oxy ho¸ alcol thμnh aldehyd b»ng acid cromic: O R

CH2 H

C H

H2CrO4

CH2

H2O

(1)

O O

CHO

H3O

HCrO3

(2)

HOH

Víi nh÷ng alcol cã cÊu tróc Ýt c¶n trë kh«ng gian th× qu¸ tr×nh t¹o ester (1) nhanh. Qu¸ tr×nh quyÕt ®Þnh vËn tèc ph¶n øng lμ qu¸ tr×nh ph©n huû ester (2). Trªn c¬ së kiÓm tra qu¸ tr×nh ph¶n øng, ng−êi ta cho r»ng lóc ph©n huû ester kh«ng t¹o ra CrV mμ lμ CrIV, ion nμy bÞ CrVI oxy ho¸ thμnh CrV. Sau ®ã CrV oxy ho¸ mét ph©n tö alcol míi vμ nã bÞ khö thμnh CrIII. CrVI + R-CH2OH → R-CHO + 2H+ + CrIV CrVI + CrIV → 2CrV R-CH2OH + CrV → R-CHO + 2H+ + CrIII Tõ vÝ dô trªn chóng ta thÊy r»ng, trong qu¸ tr×nh oxy ho¸ sÏ t¹o ra nhiÒu lo¹i ion cã ®é ion ho¸ kh¸c nhau, chóng ®Òu tham gia vμo qu¸ tr×nh oxy ho¸. Cho nªn khi sö dông t¸c nh©n nμy, Ýt khi nhËn ®−îc mét s¶n phÈm ®ång nhÊt mμ th−êng lμ mét hçn hîp gåm nhiÒu chÊt. 2.3.2. C¬ chÕ ph¶n øng cña c¸c hîp chÊt chøa oxy ho¹t ®éng VÝ dô oxy ho¸ olefin b»ng peroxyd. Qu¸ tr×nh oxy hãa x¶y ra qua phøc trung gian nh− s¬ ®å sau: C C

+ O O C

C C

H C

O C

O + HO

O C R

Hîp chÊt pecarboxylic tÊn c«ng vμo nèi ®«i cña olefin ë phÝa Ýt cã c¶n trë kh«ng gian h¬n. 3. Çc t¸c nh©n oxy ho¸ T¸c nh©n oxy ho¸ lμ nh÷ng hîp chÊt cã thÓ nh−êng oxy, lo¹i hydro hoÆc ®iÖn tö cña çc ph©n tö kh¸c ®Ó lμm t¨ng ®é oxy ho¸ cña chóng. Ng−êi ta ph©n çc t¸c nh©n oxy ho¸ thμnh ba nhãm sau: −

Kh«ng khÝ vμ khÝ oxy.

−

C¸c hîp chÊt chøa oxy ho¹t ®éng.

−

C¸c hîp chÊt cña c¸c kim lo¹i cã ho¸ trÞ thay ®æi.

3.1. Kh«ng khÝ vμ khÝ oxy Thμnh phÇn kh«ng khÝ cã 21% oxy, do ®ã cã thÓ dïng lμm t¸c nh©n oxy hãa. Tr−íc khi sö dông, kh«ng khÝ cÇn ph¶i ®−îc lμm s¹ch. Qu¸ tr×nh lμm s¹ch gåm hai giai ®o¹n: − 86

Läc t¹p chÊt c¬ häc b»ng c¸ch nÐn kh«ng khÝ qua mét phin läc khÝ.

−

Lo¹i c¸c t¹p chÊt ë thÓ h¬i ®Ó tr¸nh ngé ®éc xóc t¸c (b»ng c¸ch cho kh«ng khÝ qua cét chøa than ho¹t tÝnh).

Trong c«ng nghiÖp, ng−êi ta ®· s¶n xuÊt vμ sö dông khÝ oxy s¹ch (hμm l−îng oxy 94-96%). Oxy ®−îc chøa trong b×nh ¸p lùc d−íi d¹ng láng. Ph¶n øng oxy ho¸ b»ng khÝ oxy th−êng ®−îc tiÕn hμnh trong m«i tr−êng n−íc ®Ó tr¸nh ch¸y næ. ChØ nh÷ng hîp chÊt cã kh¶ n¨ng ph¶n øng kÐm míi tiÕn hμnh trong dung m«i h÷u c¬. C¶ kh«ng khÝ lÉn khÝ oxy ®Òu t¹o hçn hîp næ víi çc hîp chÊt h÷u c¬, do ®ã cÇn nghiªn cøu cÈn thËn giíi h¹n næ tr−íc khi sö dông. Çc thiÕt bÞ oxy ho¸ cÇn l¾p thªm mét “®Üa næ” ®Ó ®¶m b¶o an toμn. 3.2. Çc hîp chÊt chøa oxy ho¹t ®éng T¸c nh©n nμy gåm hai nhãm hîp chÊt: nhãm peroxyd (çc hîp chÊt chøa liªn kÕt -O-O-), nhãm hypoclorid vμ dÉn chÊt (chøa nhãm chøc -O-Cl). 3.2.1. Nhãm peroxyd Lμ nh÷ng hîp chÊt v« c¬ hay h÷u c¬ ®−îc t¹o thμnh tõ hydrogen peroxyd (H2O2), trong ®ã mét hoÆc c¶ hai nguyªn tö hydro ®−îc thay b»ng nguyªn tö hoÆc nhãm nguyªn tö v« c¬ hoÆc h÷u c¬. Nhãm nμy gåm çc t¸c nh©n sau: Hydrogen peroxyd (H2O2): Trªn thÞ tr−êng cã çc lo¹i nång ®é 30%, 70% hoÆc 100%. Lo¹i nång ®é 30% trong n−íc kh«ng bÒn v÷ng, nªn th−êng ph¶i cho thªm urª hoÆc chÊt t¹o phøc ®Ó t¨ng ®é bÒn v÷ng cña dung dÞch. Lo¹i 70% hoÆc 100% lμ chÊt láng s¸nh, kh«ng mμu, ph¶n øng m¹nh víi çc hîp chÊt h÷u c¬. Çc peroxyd v« c¬: Hydro cña H2O2 cã tÝnh acid, cã thÓ thay thÕ b»ng kim lo¹i. Çc peroxyd kim lo¹i (K-, Na-, Ba-peroxyd) còng lμ nh÷ng t¸c nh©n oxy ho¸ tèt. Persulfuric (H2SO5) lμ t¸c nh©n oxy ho¸ quan träng trong sè çc peracid v« c¬. Ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ®¬n gi¶n nhÊt lμ cho H2SO4 ph¶n øng víi H2O2. H2SO5 lμ chÊt kh«ng mμu, nãng ch¶y ë 450C. Ng−êi ta sö dông t¸c nh©n nμy ®Ó oxy ho¸ çc ceton thμnh ester. Çc peroxyd h÷u c¬: Çc t¸c nh©n ®iÓn h×nh cña nhãm nμy lμ acid percarboxylic. Gåm cã: acid peracetic, trifluor-peracetic, perbenzoic, monoperphthalic. Trong ph©n tö cña chóng chøa nhãm chøc peracid, cÊu tróc nh− sau:

O C O OH 87

Peracid cã sè carbon thÊp lμ chÊt láng (peracetic), çc peracid cã sè carbon lín h¬n lμ chÊt r¾n. Ph¶n øng oxy ho¸ víi t¸c nh©n peroxyd ®−îc tiÕn hμnh trong dung m«i lμ dÉn chÊt halogen h÷u c¬, nhiÖt ®é 0-100C. 3.2.2. Nhãm hypoclorid Gåm çc d¹ng muèi Ca(OCl)2, NaOCl, KOCl. Çc muèi nμy gÆp Èm dÔ bÞ ph©n huû, cÇn b¶o qu¶n trong tói nhùa hoÆc lä kÝn. Trong m«i tr−êng acid, nã ph©n huû vμ gi¶i phãng Cl2. Khi oxy ho¸ olefin cÇn chó ý tíi s¶n phÈm phô do ph¶n øng céng hîp víi Cl2 hoÆc HOCl. 3.3. Çc hîp chÊt cña kim lo¹i cã ho¸ trÞ thay ®æi Çc t¸c nh©n th−êng sö dông lμ hîp chÊt cña crom (CrVI) vμ mangan (Mn ). VII

3.3.1. C¸c hîp chÊt crom Nhãm t¸c nh©n nμy gåm anhydrid cromic (CrO3), natri vμ kali dicromat (Na2Cr2O7, K2Cr2O7). Ph¶n øng oxy ho¸ tiÕn hμnh trong m«i tr−êng acid, trong qu¸ tr×nh ph¶n øng Cr (III) ®−îc t¹o thμnh. −

Anhydrid cromic (CrO3): D¹ng tinh thÓ mμu hång, trong kh«ng khÝ hót Èm t¹o thμnh acid cromic. Oxy ho¸ çc hîp chÊt h÷u c¬ mét çch m·nh liÖt theo ph−¬ng tr×nh sau: 2CrO3 → Cr2O3 + 3O Ph¶n øng oxy ho¸ tiÕn hμnh trong dung m«i h÷u c¬ (benzen, dicloromethan, ether…) hoÆc trong acid acetic b¨ng. Thêi gian gÇn ®©y, ng−êi ta th−êng sö dông phøc [(pyridin)2CrO3] vμ tiÕn hμnh ph¶n øng trong pyridin hoÆc çc dung m«i clor h÷u c¬ v× nã hoμ tan tèt trong çc dung m«i nμy.

−

Kali hoÆc natri dicromat: D¹ng tinh thÓ mμu vμng cam. Trong m«i tr−êng acid nã gi¶i phãng oxy nguyªn tö theo ph¶n øng sau: K2Cr2O7 + 4H2SO4 → K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 3O + H2O T¸c nh©n nμy kh«ng m¹nh nh− CrO3, th−êng sö dông trong m«i tr−êng acid (sulfuric hoÆc acetic).

3.3.2. C¸c hîp chÊt mangan Trong c¸c hîp chÊt cña mangan, cã hai lo¹i th−êng ®−îc sö dông lμm t¸c nh©n oxy hãa lμ kali hoÆc natri permanganat vμ dioxyd mangan. 88

−

C¸c permanganat lμ tinh thÓ mμu tÝm. Natri permanganat dÔ hót Èm vμ ch¶y n−íc nªn kali permanganat ®−îc dïng nhiÒu h¬n. Hîp chÊt nμy cã thÓ oxy ho¸ trong m«i tr−êng acid, trung tÝnh hoÆc kiÒm: 2KMnO4 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + K2SO4 + 5O + 3H2O 2KMnO4 + H2O → 2MnO2 + KOH + 3O Ph¶n øng trong m«i tr−êng trung tÝnh t¹o ra KOH, nªn cÇn thªm MgSO4 hoÆc phãng khÝ CO2 vμo ®Ó gi÷ cho pH kh«ng chuyÓn sang kiÒm. MgSO4 + KOH → MgO + K2SO4 D− phÈm cña ph¶n øng lμ mangan dioxyd, dÔ dμng läc bá hoÆc tinh chÕ l¹i lμm t¸c nh©n oxy ho¸. Dung m«i ph¶n øng th−êng lμ benzen hoÆc dÉn xuÊt clor h÷u c¬. Ngoμi ra cßn cã thÓ sö dông aceton, acid acetic vμ pyridin. NÕu dïng dung dÞch n−íc cÇn thªm chÊt hoμ tan chuyÓn pha lμ terc-butanol hoÆc acid acetic.

−

Mangan dioxyd (MnO2) lμ t¸c nh©n oxy ho¸ yÕu h¬n permanganat. Trong c«ng nghiÖp, cã thÓ sö dông th¼ng MnO2 tù nhiªn. Víi nh÷ng ph¶n øng cÇn MnO2 chÊt l−îng cao h¬n th× cã thÓ nhiÖt ph©n mangan oxalat hoÆc mangan carbonat. MnO2 cã chÊt l−îng tèt nhÊt lμ lo¹i ®−îc khö ho¸ tõ permanganat. T¸c nh©n MnO2 trong ph¶n øng oxy hãa ë d¹ng huyÒn phï. ChÊt cÇn oxy ho¸ cã thÓ hoμ tan trong c¸c dung m«i nh− n−íc, acid acetic, CCl4, CHCl3, CH2Cl2, benzen, tetrahydrofuran, isopropanol, ethylacetat, ether, pyridin, acetonitril.

4. Çc ph¶n øng oxy ho¸ Trong kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc, qu¸ tr×nh oxy ho¸ çc alcol, hîp chÊt carbonyl, amin, oxy ho¸ biÕn ®æi khung çc hîp chÊt ®a vßng hoÆc dehydrogen ho¸…lμ nh÷ng ph¶n øng quan träng vμ ®−îc sö dông nhiÒu. Do ®ã chóng ta sÏ nghiªn cøu tõng lo¹i qu¸ tr×nh nμy. 4.1. Oxy ho¸ alcol Çc alcol bËc nhÊt vμ bËc hai khi oxy ho¸ víi oxy kh«ng khÝ ë thÓ h¬i, xóc t¸c b¹c hoÆc ®ång t¹o thμnh hîp chÊt carbonyl. Tr−êng hîp xóc t¸c b¹c th× nhiÖt ®é ph¶n øng 550-6000C, xóc t¸c ®ång hoÆc hîp kim cña ®ång, nhiÖt ®é ph¶n øng lμ 350-5000C. 89

Xóc t¸c kim lo¹i th−êng ®−îc ho¹t ho¸ trªn chÊt mang, khi ®ã xóc t¸c ®−îc ho¹t hãa h¬n vμ thêi gian sö dông dμi h¬n. Oxy ho¸ alcol cã nèi kÐp ë vÞ trÝ α, β, xóc t¸c ®ång thu ®−îc hîp chÊt carbonyl t−¬ng øng mμ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn nèi ®«i. Oxy ho¸ ethanol b»ng oxy kh«ng khÝ, xóc t¸c b¹c, tr−íc hÕt t¹o ra aldehyd acetic, sau ®ã oxy ho¸ tiÕp thμnh acid acetic. Ngoμi b¹c, cã thÓ dïng ®ång, niken, coban, s¾t vμ c¸c oxyd cña chóng. C¸c alcol bËc mét vμ bËc hai bÞ oxy hãa bëi Cr(VI) t¹o thμnh hîp chÊt carbonyl. Aldehyd t¹o thμnh bÞ oxy hãa tiÕp trong n−íc ®Õn acid carboxylic. 4.2. Oxy ho¸ hîp chÊt carbonyl −

Oxy ho¸ aldehyd acetic ë thÓ láng víi oxy kh«ng khÝ, xóc t¸c coban hoÆc mangan-acetat (nhiÖt ®é 50-700C, ¸p suÊt 5-8 bar) t¹o thμnh acid acetic.

−

Oxy ho¸ c¸c aldehyd víi oxy, xóc t¸c ®ång trong m«i tr−êng amoniac t¹o thμnh nitril: O R C

−

NH3

R C

O2/Cu

R CN

C¸c ceton bÞ oxy ho¸ bëi hîp chÊt Cr(VI) thμnh hçn hîp cña hai acid: R-C=O

CrVI

R-COOH + R’-COOH

CH2R’ 4.3. Oxy ho¸ çc hîp chÊt th¬m Çc hîp chÊt th¬m bÞ oxy ho¸ c¶ ë thÓ láng vμ h¬i víi oxy kh«ng khÝ, xóc t¸c lμ V2O5. Víi çc hîp chÊt th¬m cã m¹ch nh¸nh, nÕu ph¶n øng tiÕn hμnh ë pha láng, m«i tr−êng acid (H2SO4 hoÆc CH3COOH), s¶n phÈm t¹o thμnh chøa nhãm carbonyl ë vÞ trÝ α. Ar-CH2-CH3

V2O5/O2

Ar-CO-CH3

Víi t¸c nh©n kali permanganat, tõ γ-picolin thu ®−îc acid isonicotinic lμ nguyªn liÖu tæng hîp isoniazid: CH3

COOH KMnO 4

ViÖc oxy ho¸ nh©n th¬m khã kh¨n h¬n, ®iÒu kiÖn ph¶n øng m·nh liÖt h¬n. Ph¶n øng ®−îc tiÕn hμnh ë 350-4500C víi oxy kh«ng khÝ, xóc t¸c V2O5 sÏ ph¸ vì nh©n th¬m, t¹o thμnh anhydrid dicarboxylic. O O2/V2O5 0

350-450 C

O H

Tõ naphtalen thu ®−îc anhydrid phthalic lμ nguyªn liÖu tæng hîp diethyl-phthalat:

CO O CO

V2O 5/O 2

Tõ α-nitro-naphtalen thu ®−îc s¶n phÈm chÝnh lμ phthalimid: NO2 CO NH + CO

V2O5/O2

41-48%

CO O CO

8-13%

Tõ antraxen t¹o thμnh antraquinon: O V2O 5/O 2

4.4. Dehydro ho¸ Dehydro ho¸ lμ qu¸ tr×nh lo¹i hydro khái ph©n tö h÷u c¬. Trong c«ng nghiÖp tæng hîp ho¸ häc, qu¸ tr×nh dehydro ho¸ ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu chÕ çc olefin, acetylen, hîp chÊt carbonyl hoÆc nitril. Trong c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc nã th−êng ®−îc sö dông ®Ó th¬m ho¸ çc hîp chÊt vßng. Dehydro ho¸ lμ qu¸ tr×nh thu nhiÖt, v× vËy nhiÖt ®é cña ph¶n øng lu«n cao (> 2500C). TÊt c¶ xóc t¸c cho ph¶n øng hydro ho¸ ®Òu sö dông lμm xóc t¸c cho ph¶n øng dehydro ho¸. Ph¶n øng th−êng ®−îc thùc hiÖn trong çc dung m«i cã nhiÖt ®é s«i cao nh− decalin, tetralin.

5. ThiÕt bÞ cña ph¶n øng oxy ho¸ Ph¶n øng oxy ho¸ ë thÓ khÝ, xóc t¸c dÞ thÓ ®−îc tiÕn hμnh mét çch liªn tôc trong cét ph¶n øng chøa xóc t¸c. HÖ thèng cét ph¶n øng cã hai vá ®Ó lμm l¹nh hoÆc ®un nãng. ChÊt t¶i nhiÖt th−êng dïng lμ DIFIL (diphenyl metan). Ph¶n øng oxy ho¸ xóc t¸c ë pha láng ®−îc thùc hiÖn trong th¸p ph¶n øng. Th¸p nμy gåm 8-12 ®o¹n, mçi ®o¹n cã thÓ ®un nãng hoÆc lμm nguéi mét çch ®éc lËp. Bªn trong xÕp ®Çy çc vßng Raschig nh»m lμm t¨ng kh¶ n¨ng tiÕp xóc gi÷a çc chÊt tham gia ph¶n øng. Oxy ho¸ b»ng t¸c nh©n ho¸ häc th−êng ®−îc tiÕn hμnh trong nåi ph¶n øng hai vá, cã m¸y khuÊy. HÖ thèng trao ®æi nhiÖt ph¶i hiÖu qu¶ vμ an toμn v× cã thÓ ph¶i ®un nãng vμ lμm l¹nh nhiÒu lÇn. Oxy ho¸ lμ ph¶n øng to¶ nhiÖt m¹nh. Do ®ã thiÕt bÞ cÇn lμm l¹nh mét çch hiÖu qu¶. Ng−êi ta th−êng chÕ t¹o thiÕt bÞ cã thÓ tÝch nhá ®Ó tiÖn gia nhiÖt vμ lo¹i nhiÖt. 6. Kü thuËt an toμn trong qu¸ tr×nh oxy hãa Oxy ho¸ lμ ph¶n øng to¶ nhiÖt m¹nh, nh−ng cÇn cung nhiÖt cho giai ®o¹n khëi ®éng. Sau ®ã ph¶i lμm l¹nh tèt ®Ó khèng chÕ ®−îc nhiÖt ®é ph¶n øng. Do ®ã thiÕt bÞ ph¶n øng ph¶i ®¶m b¶o trao ®æi nhiÖt hiÖu qu¶, mÆt kh¸c cÇn tÝnh to¸n tèc ®é n¹p nguyªn liÖu hîp lÝ ®Ó tr¸nh hiÖn t−îng qu¸ nhiÖt, dÔ g©y næ. Çc chÊt h÷u c¬, çc dung m«i vμ t¸c nh©n oxy ho¸ cã thÓ t¹o víi oxy hoÆc kh«ng khÝ thμnh hçn hîp næ. V× vËy cÇn nghiªn cøu kÜ tû lÖ giíi h¹n g©y næ cña hçn hîp çc thμnh phÇn trªn ®Ó ®Ò phßng. Peroxyd lμ çc chÊt dÔ g©y næ. Do ®ã cÇn tr¸nh nång ®é qu¸ lín cña nã trong thiÕt bÞ ph¶n øng. Víi çc ph¶n øng cã t¹o thμnh peroxyd, khi tinh chÕ s¶n phÈm kh«ng ®−îc cÊt qu¸ kiÖt ®Ó tr¸nh næ. 7. Mét sè vÝ dô 7.1. §iÒu chÕ anhydrid phthalic Anhydrid phthalic lμ nguyªn liÖu quan träng cña c«ng nghiÖp nhùa (chÊt lμm mÒm ho¸ nhùa). Nã còng lμ nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt acid benzoic nguyªn chÊt. Trong c«ng nghiÖp d−îc phÈm nã ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu chÕ diethylphthalat. Anhydrid phthalic ®−îc ®iÒu chÕ b»ng çch oxy ho¸ naphtalen víi oxy kh«ng khÝ ë thÓ h¬i, xóc t¸c lμ V2O5. 92

V2O 5/O 2 250 - 400 C

CO O CO

Naphtalen ®−îc lμm nãng lªn 180-2000C, trén víi kh«ng khÝ thμnh hçn hîp h¬i. Hçn hîp h¬i nμy ®−îc thæi cïng kh«ng khÝ vμo thiÕt bÞ ph¶n øng. Qu¸ tr×nh oxy ho¸ ®−îc tiÕn hμnh mét çch liªn tôc trong thiÕt bÞ chøa xóc t¸c. HiÖu suÊt qu¸ tr×nh oxy ho¸ ®¹t 75%. 7.2. §iÒu chÕ acid acetic b»ng çch oxy ho¸ aldehyd acetic Acid acetic lμ nguyªn liÖu quan träng cña nhiÒu ngμnh c«ng nghiÖp ho¸ häc vμ thùc phÈm. Nã ®−îc ®iÒu chÕ b»ng çch oxy ho¸ aldehyd acetic víi oxy kh«ng khÝ, xóc t¸c lμ mangan acetat. L−îng xóc t¸c sö dông trong ph¶n øng lμ 0,1%. Acid acetic ®−îc t¹o thμnh qua trung gian peracetic theo ph−¬ng tr×nh sau: CH3-CHO + O2 → CH3-COOOH CH3-COOOH + CH3-CHO → 2CH3COOH Ph¶n øng tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é 600C, ¸p suÊt 4-5 bar vμ duy tr× thêi gian 12-14 giê. S¶n phÈm thu ®−îc cã hμm l−îng acid acetic 96%. 7.3. §iÒu chÕ formaldehyd tõ methanol Formaldehyd ®−îc ®iÒu chÕ b»ng çch dehydrogen ho¸ hoÆc oxy ho¸ methanol theo ph−¬ng tr×nh sau: CH3-OH → CH2O + H2 CH3-OH + O2 → CH2O + H2O Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng oxy ho¸ methanol víi oxy hoÆc kh«ng khÝ, xóc t¸c b¹c. NhiÖt ®é khëi ®éng cho ph¶n øng lμ 400-4500C, sau ®ã do ph¶n øng to¶ nhiÖt nªn t¨ng lªn 550-6000C. Cã thÓ duy tr× nhiÖt ®é cho ph¶n øng b»ng tèc ®é cÊp hçn hîp methanol vμ kh«ng khÝ vμo thiÕt bÞ oxy ho¸ (theo tû lÖ 1:1). S¶n phÈm thu ®−îc cã nång ®é formaldehyd 35-37% trong n−íc.

Methanol

Methanol thu håi 3

KhÝ th¶i N−íc

N−íc

6 5

7 9 u

Kh«ng khÝ

1 Formalin

H×nh 9.1. S¬ ®å thiÕt bÞ ph¶n øng ®iÒu chÕ formaldehyd tõ methanol 1. Buång trén vµ ho¸ h¬i, 2. Buång xóc t¸c, 3. B×nh ®ong methanol, 4. Bé phËn hÊp thô, 5.7. Sinh hµn, 6. B×nh röa khÝ, 8. Bé phËn t¸ch khÝ, 9. B×nh chøa s¶n phÈm phô

Tù l−îng gi¸ 1. Qu¸ tr×nh oxy ho¸ trong ho¸ häc h÷u c¬ ®−îc hiÓu nh− thÕ nμo? 2. Tr×nh bμy çc lo¹i c¬ chÕ cña ph¶n øng oxy ho¸? 3. Nªu çc lo¹i t¸c nh©n ®−îc sö dông cho ph¶n øng oxy ho¸ trong tæng hîp h÷u c¬ vμ ho¸ d−îc. 4. Tr×nh bμy çc ph¶n øng oxy ho¸ çc nhãm hîp chÊt quan träng vμ ph−¬ng ph¸p dehydro ho¸. 5. Nªu çc thiÕt bÞ cña ph¶n øng oxy ho¸ vμ kü thuËt an toμn trong viÖc thùc hiÖn çc qu¸ tr×nh oxy ho¸. 6. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt anhydid phthalic, acid acetic vμ formaldehyd.

Ch−¬ng 10

Khö ho¸

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vμ çc lo¹i t¸c nh©n cña ph¶n øng khö ho¸. 2. Çc lo¹i c¬ chÕ cña ph¶n øng khö ho¸. 2. Çc lo¹i ph¶n øng khö ho¸. 3. Mét sè vÝ dô vÒ ph¶n øng khö ho¸.

1. §¹i c−¬ng ë ch−¬ng oxy ho¸, chóng t«i ®· tr×nh bμy mét sè kh¸i niÖm vÒ qu¸ tr×nh oxy ho¸ khö trong ho¸ v« c¬ vμ ®iÖn ho¸ häc. Kh¸i niÖm khö ho¸ ®−îc hiÓu lμ qu¸ tr×nh nhËn thªm ®iÖn tö cña mét nguyªn tö hoÆc ion nμo ®ã. Trong ho¸ häc h÷u c¬, ng−êi ta gäi khö ho¸ lμ qu¸ tr×nh lμm gi¶m ®é oxy ho¸ cña chÊt ®em khö. Trong ®ã hîp chÊt h÷u c¬ lÊy thªm nguyªn tö hydro, lo¹i khái nã çc dÞ tè (th−êng lμ oxy) hoÆc nhËn thªm ®iÖn tö. Qu¸ tr×nh ph©n tö h÷u c¬ nhËn hydro lμ ph¶n øng céng hîp. Qu¸ tr×nh lo¹i dÞ tè ra khái ph©n tö h÷u c¬ lμ qu¸ tr×nh hydro ph©n (hydrogenolysis). §©y lμ qu¸ tr×nh ph¸ huû liªn kÕt gi÷a carbon vμ dÞ tè b»ng hydro mμ s¶n phÈm phô th−êng lμ H2O, NH3 , … Môc ®Ých cña qu¸ tr×nh khö ho¸ lμ ®iÒu chÕ çc hydrocarbon no tõ hîp chÊt hydrocarbon kh«ng no t−¬ng øng, tõ nh÷ng hîp chÊt cã ®é oxy ho¸ cao thμnh çc chÊt cã ®é oxy ho¸ thÊp h¬n. Trong c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc, quan träng nhÊt lμ qu¸ tr×nh khö çc nitro thμnh amin. NhiÒu amin th¬m lμ hîp chÊt trung gian ®−îc sö dông ®Ó tæng hîp çc nhãm thuèc kh¸c nhau (nhãm sulfamid, nhãm thuèc h¹ nhiÖt…). Ph¶n øng khö ho¸ kh«ng cã mét c¬ chÕ chung mμ mçi lo¹i t¸c nh©n khö ho¸ cã c¬ chÕ ph¶n øng riªng. Khi nghiªn cøu vÒ t¸c nh©n khö ho¸, chóng ta sÏ nghiªn cøu c¬ chÕ cña chóng.

2. T¸c nh©n khö ho¸ T¸c nh©n khö ho¸ cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau, chóng ®−îc chia thμnh ba nhãm chÝnh sau: −

T¸c nh©n khö ho¸ ho¸ häc.

−

T¸c nh©n lμ hydro ph©n tö víi xóc t¸c.

−

T¸c nh©n khö ho¸ ®iÖn ho¸.

Trong 3 t¸c nh©n khö trªn, hiÖn nay khö b»ng ®iÖn ho¸ rÊt Ýt ®−îc sö dông trong tæng hîp Ho¸ d−îc, v× vËy chóng t«i kh«ng tr×nh bμy trong ch−¬ng nμy. 2.1. T¸c nh©n khö ho¸ häc Gåm cã çc t¸c nh©n sau: 1. Kim lo¹i (Fe, Zn, Sn) trong m«i tr−êng acid, kiÒm. 2. Hçn hèng kim lo¹i (çc hçn hèng Na, Al, Mg, Sn, Zn…). 3. Kim lo¹i kiÒm trong alcol. 4. Kim lo¹i vμ amoniac. 5. Kim lo¹i vμ amin h÷u c¬. 6. Çc hydrid kim lo¹i (LiAlH4, NaBH4). 7. Hydrazin N2H4. 8. Çc hîp chÊt cña l−u huúnh. 2.1.1. Kim lo¹i trong m«i tr−êng acid, kiÒm Ph−¬ng ph¸p nμy chñ yÕu ®−îc sö dông ®Ó khö ho¸ çc hîp chÊt nitro hoÆc nitrozo thμnh amin. S¾t vμ thiÕc chØ sö dông trong m«i tr−êng acid, cßn kÏm sö dông c¶ trong acid vμ kiÒm. S¾t trong m«i tr−êng acid: Ph¶n øng khö ho¸ cña Fe trong m«i tr−êng acid hydrocloric (ph¶n øng Bechamp) cã ý nghÜa thùc tÕ lín nhÊt. §©y lμ ph−¬ng ph¸p quan träng ®Ò ®iÒu chÕ çc amin th¬m trong c«ng nghiÖp. Tr−íc ®©y ng−êi ta cho r»ng ph¶n øng khö ho¸ b»ng s¾t trong acid x¶y ra theo ph−¬ng tr×nh sau: ArNO2 + 3Fe + 6H+ → ArNH2 + 3Fe2+ + 2H2O Tuy nhiªn trong thùc tÕ, l−îng acid HCl chØ cÇn 2% còng ®ñ ®Ó ph¶n øng thùc hiÖn. Nã chØ ®ãng vai trß nh− mét chÊt xóc t¸c cho ph¶n øng. Nghiªn cøu vÒ ph¶n øng nμy, Bechamp ®Ò nghÞ ph−¬ng tr×nh ph¶n øng nh− sau: 96

100 0 C

4ArNO2 + 9Fe + 4H2O

4ArNH2 + 3Fe3O4

Ph¶n øng ®¹t hiÖu qu¶ tèt nhÊt khi sö dông bét gang x¸m. Bét gang nμy giμu graphit, gißn, dÔ nghiÒn thμnh bét mÞn. Nã kh«ng ®ång nhÊt nªn t¹o nhiÒu cÆp pin ®iÖn ho¸ tham gia qu¸ tr×nh khö. Mét sè muèi trung tÝnh còng xóc t¸c cho ph¶n øng khö ho¸ do lμm t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña dung dÞch (FeCl2, FeSO4, FeCl3, CaCl2, MgCl2...). ThiÕc trong m«i tr−êng acid: Ngoμi hîp chÊt nitro, t¸c nh©n nμy cßn khö ®−îc nhiÒu lo¹i hîp chÊt kh¸c. Nh−ng v× gi¸ thμnh cao nªn viÖc sö dông thiÕc lμm t¸c nh©n khö trong c«ng nghiÖp cßn h¹n chÕ. Ph¶n øng khö ®−îc tiÕn hμnh b»ng çch håi l−u chÊt cÇn khö trong dung dÞch n−íc-acid hydrocloric. Sau ®ã võa cho tõ tõ bét thiÕc vμ acid hydrocloric ®Æc vμo khèi ph¶n øng víi tû lÖ 0,4-1 nguyªn tö gam thiÕc/1 nguyªn tö gam hydro; 2,1 mol HCl/1 nguyªn tö gam thiÕc. KÏm trong m«i tr−êng acid: §©y còng lμ t¸c nh©n khö cã gi¸ thμnh cao, tuy nhiªn viÖc sö dông bét kÏm lμm t¸c nh©n khö hãa phæ biÕn h¬n thiÕc. L−îng kÏm cÇn thiÕt cho ph¶n øng khö ho¸ ®−îc dïng víi tû lÖ nh− sau: 1-1,1 mol kÏm/1 mol chÊt cÇn khö, l−îng acid lμ 2,5 mol /1 mol kÏm. Çc acid th−êng dïng cho qu¸ tr×nh khö lμ HCl, H2SO4, acid acetic. NÕu chÊt cÇn khö kh«ng tan trong hçn hîp n−íc-acid, cã thÓ dïng dung m«i n−íccån, acid acetic, dioxan...lμm m«i tr−êng khö hãa. T¸c nh©n nμy cã thÓ khö ®−îc liªn kÕt kÐp carbon, çc dÉn chÊt quinon, epoxy, nitro, halogen… KÏm trong m«i tr−êng kiÒm: Chñ yÕu ®−îc dïng ®Ó khö çc hîp chÊt nitro. Mét mol hîp chÊt nitro ®Ó khö thμnh hydrazo-benzen cÇn 3-3,4 mol bét kÏm. L−îng kiÒm chØ cÇn 5-10% theo tÝnh to¸n v× qu¸ tr×nh thñy ph©n natri-zincat sÏ t¸i sinh ra kiÒm: 2ArNO2 + 5Zn + 10NaOH → Ar-NH-NH-Ar + 5Zn(ONa)2 + 4H2O Zn(ONa)2 + 2H2O → Zn(OH)2 + 2NaOH 2.1.2. Hçn hèng kim lo¹i Hçn hèng natri chøa tèi ®a 5% natri kim lo¹i. §iÒu chÕ b»ng çch cho tõ tõ 30-50 phÇn thuû ng©n vμo natri kim lo¹i trong bÇu khÝ N2. NghiÒn ngay thμnh bét lóc hçn hèng cßn ®ang nãng. Ph¶n øng khö ®−îc tiÕn hμnh b»ng çch hoμ tan hoÆc t¹o huyÒn phï chÊt cÇn khö trong n−íc, cån hoÆc ether. Sau ®ã võa khuÊy võa cho dÇn hçn hèng vμo khèi ph¶n øng vμ gi÷ nhiÖt ®é ë kho¶ng 250C. 97

Çc hçn hèng kim lo¹i cã thÓ b¶o qu¶n trong chai nót kÝn, nh−ng tèt nhÊt lμ nªn ®iÒu chÕ ngay tr−íc khi tiÕn hμnh ph¶n øng. Hçn hèng natri ®−îc sö dông ®Ó hydro ph©n liªn kÕt C-N cña muèi amoni bËc 4, liªn kÕt C-O, dimer ho¸ khö çc acrylnitril, acrylester. Hçn hèng magnesi cã thÓ dime ho¸ khö çc aldehyd vμ ceton. 2.1.3. Kim lo¹i kiÒm trong alcol Th−êng sö dông natri kim lo¹i trong çc alcol cã 2-5 carbon. Ph¶n øng gi¶i phãng khÝ hydro nªn ph¶i rÊt cÈn thËn. Na kim lo¹i ®−îc dïng d−íi d¹ng h¹t nhá ®Ó t¨ng tèc ®é ph¶n øng vμ tr¸nh nguy hiÓm. Ph¶n øng khö ®−îc tiÕn hμnh nh− sau: Võa khuÊy võa cho tõ tõ natri kim lo¹i vμo dung dÞch cña chÊt cÇn khö trong alcol tuyÖt ®èi. Cã thÓ ®iÒu chØnh tèc ®é ph¶n øng b»ng l−îng natri cho vμo vμ lμm l¹nh. NÕu tèc ®é ph¶n øng gi¶m th× cã thÓ lμm nãng. CÇn gi÷ cho ph¶n øng tuyÖt ®èi khan n−íc. KÕt thóc ph¶n øng, nÕu cßn natri d− th× thªm alcol ®Ó ph©n huû. Natri kim lo¹i trong alcol ®−îc sö dông ®Ó khö çc ester, aldehyd vμ ceton thμnh alcol; nitril thμnh amin. Ngoμi ra cã thÓ khö çc oxim, nh©n th¬m vμ çc dÞ vßng. Trong ho¸ häc çc hîp chÊt hydratcarbon, ph−¬ng ph¸p nμy ®−îc sö dông ®Ó lo¹i nhãm b¶o vÖ benzyl. 2.1.4. Kim lo¹i vμ amoniac HiÖn nay, kim lo¹i vμ amoniac lμ mét trong nh÷ng t¸c nh©n quan träng nhÊt vμ hay ®−îc sö dông nhÊt ®Ó khö çc hîp chÊt cã c¶n trë kh«ng gian lín, mμ t¸c nh©n khö ho¸ kh¸c kh«ng t¸c dông. Ng−êi ta th−êng dïng lithi hoÆc natri (Ýt dïng kali hoÆc calci) trong amoniac láng. Qu¸ tr×nh khö ho¸ ®−îc tiÕn hμnh b»ng çch cho tõ tõ kim lo¹i vμo dung dÞch cña chÊt cÇn khö trong amoniac vμ dung m«i (nÕu cÇn) ë nhiÖt ®é s«i cña amoniac (-33,40C). T¸c nh©n nμy cã thÓ hydro ph©n çc liªn kÕt C-O, C-S, C-halogen, khö ho¸ olefin thμnh parafin, acetylen thμnh olefin, ester thμnh alcol, naphtalen vμ dÉn chÊt thμnh 1,4-dihydro-naphtalen vμ dÉn chÊt t−¬ng øng. 2.1.5. Kim lo¹i vμ amin HÇu nh− chØ sö dông lithi kim lo¹i, chØ mét vμi tr−êng hîp dïng natri. Çc amin h÷u c¬ hay dïng ethylamin vμ ethylendiamin. Ph¶n øng khö ho¸ ®−îc tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é phßng hoÆc nhiÖt ®é s«i cña amin. 98

Kim lo¹i vμ amin cã thÓ khö olefin thμnh parafin, acetylen thμnh olefin, parafin, aldehyd vμ ceton thμnh alcol, nitril thμnh amin, nitro thμnh amin, benzen thÕ thμnh hçn hîp cyclohexen vμ cyclohexan t−¬ng øng, naphtalen thμnh çc ®ång ph©n decalin... 2.1.6. Çc hydrid kim lo¹i Lithium aluminium hydrid (LiAlH4) vμ natri boronhydrid (NaBH4) lμ çc t¸c nh©n khö ®−îc sö dông nhiÒu trong c«ng nghiÖp. C¶ hai ®Òu lμ chÊt r¾n, t−¬ng ®èi bÒn v÷ng nªn dÔ thao t¸c. C¬ chÕ ph¶n øng khö ho¸ nhãm carbonyl nh− sau: C

M=LiAlH3 ; NaBH3

H M

T−¬ng tù nh− trªn, toμn bé c¸c anion hydrid kh¸c ®Òu tham gia ph¶n øng t¹o phøc alcolat:

Li [AlH4]

+ 4

C O

Li [Al(OCH)4]

Na [BH]4

+ 4

C O

Na [B(OCH)4]

Thuû ph©n c¸c phøc alcolat cho alcol t−¬ng øng: Li [Al(OCH)4]

4 H2O

4 CH OH

LiOH

Al(OH)3

Na [B(OCH)4]

4 H2O

4 CH OH

NaOH

B(OH)3

Ph¶n øng khö ho¸ víi LiAlH4 tiÕn hμnh trong dung m«i dietylether, tetrahydrofuran khan. Nã cã thÓ khö aldehyd, ceton, epoxyd, acid carboxylic, ester thμnh alcol; amid, nitril, nitro thμnh amin; dÉn chÊt halogen thμnh hydrocarbon. NaBH4 lμ chÊt khö nhÑ, cã thÓ khö trong m«i tr−êng n−íc, alcol, tetrahydrofuran, ether... NaBH4 khö chän läc aldehyd, ceton vμ halogenid acid. Khi ®−îc ho¹t ho¸ b»ng c¸c clorid kim lo¹i (AlCl3, ZnCl2, MgCl2...) nã cã thÓ khö acid, ester, anhydrid thμnh alcol; amid, nitro, nitril thμnh amin; Chalogen thμnh C-H. 99

2.1.7. Hydrazin (NH2-NH2) Hydrazin lμ t¸c nh©n khö hãa m¹nh. Nã cã thÓ khö hîp chÊt carbonyl thμnh hydrocarbon (ph¶n øng Wolff-Kishner):

R CO R1

NH2

KOH

H R C N N

H2O

R CH2 R1

HÇu hÕt c¸c ph¶n øng khö hãa ®Òu dïng hydrazin-hydrat, Ýt dïng hydrazin khan, mÆc dï kh¶ n¨ng khö hãa cña hydrazin khan tèt h¬n. Ph¶n øng th−êng tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é cao (150-2500C), nªn ph¶i thùc hiÖn trong nåi chÞu ¸p suÊt hoÆc dïng dung m«i cã nhiÖt ®é s«i cao (ethylen-glycol, diethylenglycol, triethanol-amin). 2.1.8. C¸c hîp chÊt cña l−u huúnh

Natri sulfid (Na2S):

Th−êng dïng lo¹i kü thuËt, hμm l−îng 60-65%. D¹ng tinh thÓ ngËm 9 ph©n tö n−íc, dÔ hót Èm. Natri sulfid cã thÓ khö ho¸ nhãm nitro vμ nitrozo thμnh amin. Trong tæng hîp paracetamol, ng−êi ta ®· dïng t¸c nh©n khö ho¸ nμy ®Ó khö para nitro-phenol hoÆc para nitrozo-phenol thμnh c¸c amin t−¬ng øng: HO-C6H4-NO2 + Na2S.9H2O → HO-C6H4-NH2 + NaOH + Na2S2O3 HO-C6H4-NO + Na2S.9H2O → HO-C6H4-NH2 + NaOH + Na2S2O3 Trong m«i tr−êng kiÒm, khö ho¸ hîp chÊt nitro lμ qu¸ tr×nh phøc t¹p, qua nhiÒu hîp chÊt trung gian nh−: nitrozo, hydroxylamin, azoxy benzen, azo benzen, hydrazo-benzen vμ cuèi cïng thμnh amin: [H]

Ar NO2 Ar NO

Ar NO

Ar NHOH

[H]

Ar NHOH

Ar N N Ar

Ar NH2 [H]

[H] Ar NH NH Ar

O Ar N N Ar

NÕu khö ho¸ ë 00C th× chØ t¹o thμnh hydroxylamin, cßn khi ®un nãng th× thu ®−îc amin. §iÓm ®Æc biÖt lμ Na2S cã t¸c dông khö ho¸ chän läc, víi dÉn xuÊt polinitro nã chØ khö nhãm nitro ë vÞ trÝ para so víi nhãm thÕ: 100

CH3

CH3 NO2 Na2S

NO2

NH2

Natri disulfid (Na2S2):

Khö b»ng natri disulfid kh«ng t¹o ra NaOH, nªn çc polisulfid ®−îc chän cho çc ph¶n øng kh«ng chÞu ®−îc ®é kiÒm m¹nh nh− dïng Na2S. Çc polisulfid (Na2S2, Na2S5…) cã tèc ®é thñy ph©n kÐm Na2S vμi lÇn, ph¶n øng khö hãa còng nhÑ nhμng h¬n. Çc t¸c nh©n nμy còng ®−îc dïng ®Ó khö çc nitro th¬m thμnh amin: Ar-NO2 + Na2S2 + H2O → Ar-NH2 + Na2S2O3 Ar-NO2 + Na2S5 + H2O → Ar-NH2 + Na2S2O3 + 3S Trong çc polisulfid, th−êng dïng Na2S2 v× nã kh«ng gi¶i phãng S nªn kh«ng g©y trë ng¹i cho viÖc ph©n lËp s¶n phÈm.

Natri sulfit vμ natri bisulfit (Na2SO3 vμ NaHSO3):

Çc t¸c nh©n nμy tån t¹i ë d¹ng tinh thÓ kh«ng mμu hoÆc mμu tr¾ng, dÔ bÞ oxy hãa thμnh sulfat nªn cÇn b¶o qu¶n trong lä kÝn, tr¸nh tiÕp xóc l©u víi kh«ng khÝ. §−îc dïng ®Ó khö çc dÉn chÊt nitro thμnh amin: Ar-NO2 + Na2SO3 + H2O → Ar-NH2 + Na2SO4 + H2O CÇn chó ý khi dïng t¸c nh©n bisulfid, thμnh phÈm amin sÏ ph¶n øng víi nã taä ra acid sulfamic. Ar-NH2 + NaHSO4 → Ar-NH-SO3Na + H2O 2.2. Khö hãa b»ng hydro ph©n tö víi xóc t¸c ë ®iÒu kiÖn th−êng, hydro ph©n tö Ýt cã kh¶ n¨ng ph¶n øng. Khi tiÕp xóc víi xóc t¸c, hydro ®−îc ho¹t hãa vμ cã kh¶ n¨ng tham gia ph¶n øng. V× vËy ph¶n øng hydro ho¸ bao giê còng cÇn xóc t¸c. §é ho¹t ho¸ cña çc chÊt xóc t¸c ®−îc thÓ hiÖn b»ng l−îng hydro hÊp phô trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng. Hydro ho¸ xóc t¸c cã thÓ x¶y ra ë hai tr−êng hîp: ®ång thÓ vμ dÞ thÓ. Tr−êng hîp hydro ho¸ xóc t¸c dÞ thÓ ®−îc øng dông nhiÒu trong c«ng nghiÖp. 101

2.2.1. Çc xóc t¸c cho ph¶n øng Xóc t¸c cã thÓ sö dông riªng hoÆc ®−a lªn mét chÊt mang. Sö dông chÊt mang kh«ng chØ ®Ó tiÕt kiÖm, mμ chÊt mang cßn ¶nh h−ëng ®Õn ho¹t tÝnh, ®é chän läc, tuæi thä, ®é nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é vμ çc chÊt g©y ®éc xóc t¸c... Çc chÊt mang cã diÖn tÝch bÒ mÆt nhá gåm thñy tinh, oxyd nh«m, ®¸ bät, bauxit. Lo¹i cã bÒ mÆt lín gåm caolanh, titan dioxyd, than ho¹t, silicagel... Th«ng th−êng cã kho¶ng 5% chÊt xóc t¸c ®−îc ®−a lªn chÊt mang. Ngoμi ra ng−êi ta cã thÓ thªm chÊt lμm t¨ng ho¹t tÝnh xóc t¸c (promotor) hoÆc chÊt øc chÕ xóc t¸c (inhibitor). a. Çc xóc t¸c kim lo¹i •

Niken (Ni):

Lμ xóc t¸c sö dông phæ biÕn nhÊt, cã thÓ sö dông mét m×nh hoÆc ®−a lªn chÊt mang. Ni-Raney (niken x−¬ng) ®−îc dïng nhiÒu v× ®é ho¹t hãa rÊt tèt cña nã. Ni-Raney ®−îc ®iÒu chÕ nh− sau: Nung hçn hîp nh«m vμ niken (tû lÖ 1:1) ®Õn 1200-15000C thμnh hîp kim, lμm nguéi vμ t¸n nhá. Sau ®ã dïng dung dÞch NaOH hoμ tan hÕt nh«m trong bét hîp kim võa ®iÒu chÕ ®−îc. Niken cßn l¹i ë d¹ng bét t¬i xèp. Röa n−íc nhiÒu lÇn ®Õn hÕt kiÒm. Röa l¹i b»ng alcol vμ b¶o qu¶n trong alcol tuyÖt ®èi. Trong qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ xóc t¸c, khÝ hydro ®−îc gi¶i phãng, chó ý ®Ò phßng ch¸y næ. Mét gam xóc t¸c nμy cã thÓ hÊp phô 25-150 cm3 khÝ hydro. Khi ®Ó kh«, Ni-Raney tù bèc ch¸y trong kh«ng khÝ. Xóc t¸c Ni-Raney cã thÓ dïng ®Ó hydro ho¸ c¸c alken, alcol, ceton, nitril vμ c¸c hîp chÊt th¬m. Xóc t¸c niken hoÆc niken trªn chÊt mang (d¹ng bét hoÆc h¹t), ho¹t lùc th−êng thÊp h¬n Ni-Raney. Do ®ã ph¶n øng hydro ho¸ th−êng ph¶i tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é cao h¬n. •

§ång (Cu):

Bét ®ång ®−îc sö dông lμm xóc t¸c ®Ó khö çc hîp chÊt nitro th¬m thμnh amin (xóc t¸c nμy kh«ng ¶nh h−ëng nh©n th¬m). Cã thÓ sö dông mét m×nh hoÆc cïng chÊt mang. §iÒu chÕ b»ng çch khö ho¸ ®ång oxyd, hydroxyd hoÆc carbonat base víi khÝ hydro ë 150-3000C. Hçn hîp Cu-Cromit lμ xóc t¸c cã gi¸ trÞ thùc tÕ lín. Xóc t¸c nμy cã thÓ hydro ho¸ çc ester vμ amid. Cu-Cromit lμ hçn hîp d¹ng bét mÞn cña ®ång kim lo¹i, CuO, CuCr2O4 vμ Cu2Cr2O4. Ph¶n øng hydro ho¸ ®−îc tiÕn hμnh ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt, nhiÖt ®é trªn 1000C. 102

•

C¸c kim lo¹i quý:

Xóc t¸c nhãm nμy gåm cã: platin, palladi, rutheni vμ rhodi. V× gi¸ thμnh cao nªn th−êng trén víi chÊt mang (®Êt sÐt, silicagel, than ho¹t...). Xóc t¸c chøa kho¶ng 3-10% kim lo¹i. −

Platin xóc t¸c hydro ho¸ nhiÒu lo¹i nhãm chøc mét c¸ch dÔ dμng (trõ acid caboxylic, amid vμ ester). Platin oxyd, platin clorid còng ®−îc sö dông lμm xóc t¸c hydro ho¸.

−

Xóc t¸c palladi vÒ ho¹t tÝnh còng gièng nh− platin nh−ng tÝnh chän läc tèt h¬n vμ cã thÓ thay ®æi tuú c¸ch ®iÒu chÕ. Cã thÓ sö dông ®Ó khö ho¸ hÇu hÕt c¸c nhãm chøc, nh−ng ho¹t tÝnh yÕu h¬n platin khi dïng ®Ó khö ceton m¹ch th¼ng vμ nh©n th¬m. Ph¶n øng hydro ho¸ th−êng tiÕn hμnh ë ¸p suÊt th−êng.

−

C¸c xóc t¸c rutheni vμ rhodi kh«ng tham gia qu¸ tr×nh hydro ph©n, nªn kh«ng sî nã c¾t lo¹i nhãm hydroxy hoÆc amin trªn nh©n th¬m.

Duy nhÊt rutheni cã thÓ xóc t¸c khö ho¸ acid carboxylic. Nã cã −u ®iÓm lμ kh«ng bÞ ®éc bëi l−u huúnh. b. Çc hîp chÊt phi kim lo¹i Çc oxyd-kim lo¹i (kÏm, crom, vanadi…) hoÆc sulfid-kim lo¹i (molypden, s¾t, coban, niken…) vμ boron-kim lo¹i (s¾t, niken, b¹c, crom...) Ýt khi sö dông lμm xóc t¸c cho ph¶n øng hydro ho¸. Çc sulfid-kim lo¹i kh«ng bÞ nhiÔm ®éc víi l−u huúnh vμ çc hîp chÊt cña l−u huúnh. Do ®ã cã thÓ sö dông hydro ho¸ hay hydro ph©n çc hîp chÊt chøa l−u huúnh. 2.2.2. Çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng hydro ho¸ NhiÖt ®é: Còng nh− çc ph¶n øng ho¸ häc kh¸c, khi nhiÖt ®é t¨ng th× tèc ®é ph¶n øng hydro ho¸ còng t¨ng, nh−ng ph¶n øng kh«ng mong muèn dehydro ho¸ còng xuÊt hiÖn. MÆt kh¸c, nhiÖt ®é t¨ng lμm gi¶m tÝnh chän läc cña xóc t¸c. Trong thùc tÕ cÇn ph¶i t×m mét nhiÖt ®é thÝch hîp thÊp nhÊt ®Ó ph¶n øng cã thÓ thùc hiÖn ®−îc. Th«ng th−êng, víi xóc t¸c lμ çc kim lo¹i quý (Pt, Pd), Ni-Raney ph¶n øng tiÕn hμnh tõ nhiÖt ®é phßng ®Õn 1500C; víi Ni, Cu ë nhiÖt ®é tõ 1502500C. Çc kim lo¹i kh¸c vμ oxyd kim lo¹i tõ 250-4000C. ¸p suÊt: ¸p suÊt lμm t¨ng tèc ®é ph¶n øng, ¶nh h−ëng ®Õn c©n b»ng cña ph¶n øng vμ tÝnh chän läc cña xóc t¸c. Cô thÓ nh− sau:

103

T¨ng ¸p suÊt ph¶n øng lμ t¨ng nång ®é cña chÊt tham gia ph¶n øng, do ®ã lμm t¨ng tèc ®é ph¶n øng.

¸p suÊt t¨ng, c©n b»ng ph¶n øng chuyÓn vÒ bªn ph¶i.

¸p suÊt t¨ng lμm gi¶m tÝnh chän läc cña xóc t¸c. VÝ dô: xóc t¸c NiRaney ë ¸p suÊt khÝ quyÓn hydro ho¸ acetylen thμnh olefin. Khi t¨ng ¸p suÊt lªn 3 bar th× chØ thu ®−îc parafin.

2.2.3. Kü thuËt an toμn trong ph¶n øng hydro ho¸ xóc t¸c Hydro lμ chÊt khÝ nhÑ nhÊt, nã dÔ bÞ rß rØ qua nh÷ng chç mμ çc khÝ kh¸c kh«ng thÓ qua ®−îc. Do ®ã ph¶i chó ý cÈn thËn ë çc chç nèi, hÖ thèng èng dÉn, çc van. Hydro t¹o hçn hîp næ víi kh«ng khÝ ë kho¶ng nång ®é rÊt réng (4,174,2%). V× vËy tr−íc khi dÉn khÝ hydro vμo thiÕt bÞ ph¶n øng, ph¶i ®uæi hÕt kh«ng khÝ trong thiÕt bÞ b»ng khÝ tr¬ nhiÒu lÇn. 3. øng dông cña Ph¶n øng Khö ho¸ 3.1. Khö ho¸ liªn kÕt carbon-carbon kh«ng no Khö ho¸ olefin: Cã thÓ khö ho¸ liªn kÕt C=C víi natri kim lo¹i trong alcol, natri kim lo¹i trong amin, hydro ho¸ xóc t¸c (Pd, Pt, Ni-Raney) ë nhiÖt ®é phßng vμ ¸p suÊt khÝ quyÓn. M¹ch carbon cμng dμi, nhiÒu m¹ch nh¸nh cμng khã khö. Cis-olefin dÔ hydro ho¸ h¬n trans-olefin. Qu¸ tr×nh khö ho¸ nèi ®«i t¹o ra ®ång ph©n kh«ng gian. VÝ dô khi hydro ho¸ acid dimethyl-maleic, xóc t¸c paladi trªn chÊt mang than ho¹t (Pd/C) hoÆc niken t¹o thμnh dimethyl succinic víi ®ång ph©n mezo chiÕm 86% vμ racemic lμ 14%: H3C C

H2/ Pd/C

H3C

H C CH3 H C CH3

C COOH

COOH

COOH (mezo 86%)

H C CH3 +

H3C

C H COOH

(racemic 14 %)

Kh«ng chØ xóc t¸c mμ dung m«i vμ m«i tr−êng ph¶n øng còng ¶nh h−ëng ®Õn tû lÖ c¸c ®ång ph©n. Khö ho¸ acetylen: Acetylen cã thÓ hydro ho¸ dÔ dμng thμnh parafin, còng cã thÓ khö chän läc thμnh olefin b»ng t¸c nh©n ho¸ häc hay hydro ho¸ xóc t¸c. 104

VÝ dô: Hydro ho¸ acetylen thμnh ethan víi xóc t¸c Ni-Raney. Nh−ng khi xóc t¸c lμ Ni hoÆc Pd trªn chÊt mang ®Êt sÐt th× s¶n phÈm chñ yÕu lμ etylen. Hydro ho¸ liªn kÕt C≡C ë cuèi m¹ch carbon dÔ h¬n ë gi÷a m¹ch. Khi hydro ho¸ nèi ba thμnh olefin th× thu ®−îc hçn hîp cis-trans. VÝ dô:

Hydro ho¸ nh©n th¬m: Khö ho¸ nh©n th¬m khã h¬n c¸c hîp chÊt kh«ng no m¹ch th¼ng. B»ng t¸c nh©n khö ho¸ häc kh«ng thÓ no ho¸ toμn bé nh©n th¬m. Khö ho¸ benzen b»ng natri trong amoniac t¹o s¶n phÈm chÝnh lμ cyclohexa-1,4-dien. S¶n phÈm phô cyclohexa-1,3-dien sau ®ã bÞ khö nhanh thμnh cyclohexen.

Nhãm hót ®iÖn tö trªn nh©n lμm t¨ng kh¶ n¨ng khö ho¸, nhãm ®Èy ®iÖn tö th× ng−îc l¹i lμm gi¶m kh¶ n¨ng nμy. Hydro ho¸ xóc t¸c benzen vμ dÉn chÊt thu ®−îc cyclohexan vμ çc dÉn chÊt t−¬ng øng. Ph¶n øng cÇn ¸p suÊt vμ nhiÖt ®é cao. Tuy nhiªn, nhiÖt ®é kh«ng ®−îc v−ît qu¸ giíi h¹n, v× khi ®ã ph¶n øng dehydro ho¸ ®ång thêi x¶y ra. Çc aldehyd, ceton, amin th¬m, nÕu muèn hydro ho¸ nh©n th¬m cÇn b¶o vÖ nhãm carbonyl (t¹o hydrazon hoÆc base-schiff). Sau khi hydro ho¸ th× thuû ph©n ®Ó lo¹i çc nhãm b¶o vÖ. Çc hîp chÊt th¬m ®a vßng dÔ hydro ho¸ h¬n benzen. Kh¶ n¨ng ph¶n øng theo thø tù sau: benzen < naphtalen < phenantren. 3.2. Khö ho¸ hîp chÊt nitro §©y lμ ph−¬ng ph¸p quan träng nhÊt ®Ó ®iÒu chÕ çc amin, ®Æc biÖt lμ çc amin th¬m bËc nhÊt. Tuú t¸c nh©n vμ m«i tr−êng khö, cã thÓ thu ®−îc s¶n phÈm cã møc ®é khö ho¸ kh¸c nhau. 3.2.1. Khö ho¸ víi Fe trong m«i tr−êng acid Ph¶n øng khö hîp chÊt nitro thμnh amino trong m«i tr−êng n−íc-acid (ph¶n øng Bechamp) x¶y ra theo c¬ chÕ nh− sau: 105

Trong m«i tr−êng acid, nhãm nitro lÊy hai ®iÖn tö cña s¾t, ®ång thêi lÊy thªm hai proton vμ lo¹i ®i mét ph©n tö n−íc t¹o thμnh nitrozo: O R N

+ +H - H2O

R N

R N O

Sau ®ã còng t−¬ng tù, tõ nitrozo t¹o ra hydroxylamin: 2e

R N O

+ 2H

R NH OH

Cuèi cïng lμ khö ho¸ hydroxylamin thμnh amin: +

R NH OH

R NH O

H2O

R NH

R NH2

Ph¶n øng x¶y ra ë ba pha: pha h÷u c¬ (hîp chÊt nitro), s¾t vμ n−íc acid. Do ®ã tèc ®é ph¶n øng phô thuéc rÊt lín vμo kÝch th−íc bét s¾t vμ tèc ®é khuÊy trén. §èi víi c¸c chÊt khã hoμ tan trong n−íc, cÇn sö dông thªm dung m«i trî tan (ethanol, methanol…). 3.2.2. Khö ho¸ víi kim lo¹i (Fe, Zn) trong m«i tr−êng kiÒm Chñ yÕu dïng kim lo¹i kÏm, mÆc dï kÏm cã gi¸ thμnh ®¾t h¬n. Qu¸ tr×nh khö ho¸ x¶y ra nh− sau: Tr−íc hÕt nitro bÞ khö thμnh nitrozo, sau ®ã thμnh hydroxylamin. 2 Ar NO2

Ar NO

NaOH

2 Ar NO

H2O NaOH

ZnO

Ar NHOH

ZnO

D−íi t¸c dông cña m«i tr−êng kiÒm, nitrozo ph¶n øng víi hydroxylamin t¹o ra azoxy benzen: Ar NO

Ar NHOH

NaOH

Ar N N Ar

H2O

Sau ®ã azoxy benzen bÞ khö thμnh azo (Ar-N=N-Ar) vμ hydrazobenzen (Ar-NH-NH-Ar). Hydrazobenzen ®−îc dïng ®Ó s¶n xuÊt c¸c dÉn chÊt diamin-diphenyl b»ng ph¶n øng chuyÓn vÞ trong m«i tr−êng acid: NH

106

H2N

NH2

3.2.3. Khö ho¸ b»ng çc hîp chÊt cña l−u huúnh Çc chÊt khö l−u huúnh (sulfid, disulfid, hydrosulfid) cã thÓ khö hîp chÊt nitro thμnh amin. Natri vμ amoni sulfid ®−îc sö dông ®Ó khö chän läc çc hîp chÊt polinitro thμnh çc dÉn xuÊt amin-nitro. VÝ dô, víi mét ®−¬ng l−îng chÊt khö Na2S cã thÓ khö ho¸ m-dinitrobenzen thμnh m-nitro-anilin: NO 2

NH2 Na2S NO2

NO 2

NÕu dïng thõa Na2S th× nã sÏ khö tÊt c¶ çc nhãm -NO2 thμnh -NH2. Çc sulfid cßn ®−îc dïng ®Ó khö ho¸ çc hîp chÊt nitro-phenol, halogennitrobenzen, nitro-azobenzen vμ ®iÒu chÕ amino-antraquinon. 3.2.4. Khö ho¸ b»ng hydro ph©n tö cã xóc t¸c §©y lμ ph−¬ng ph¸p phæ biÕn nhÊt ®Ó ®iÒu chÕ çc amin trong c«ng nghiÖp. Ph−¬ng ph¸p nμy t¹o ra anilin cã ®é tinh khiÕt cao h¬n vμ lo¹i ®−îc nh÷ng khã kh¨n khi sö dông ph−¬ng ph¸p Bechamp. Hydro ho¸ nitrobenzen cã thÓ tiÕn hμnh ë c¶ pha h¬i lÉn pha láng, xóc t¸c lμ niken vμ ®ång. Khi hydro ho¸ nitrobenzen trong acid sulfuric xóc t¸c Pt hoÆc Co, cã mÆt molipden-sulfid t¹o thμnh N-phenyl-hydroxylamin, trong m«i tr−êng acid sulfuric chÊt nμy chuyÓn vÞ thμnh p-aminophenol. §©y lμ nguyªn liÖu tæng hîp paracetamol:

NO2

NH2

NHOH [H]

H2 S O 4

OH Hydro ho¸ c¸c hîp chÊt nitro th−êng thùc hiÖn ë ¸p suÊt khÝ quyÓn, nhiÖt ®é 150-3000C. 3.3. Khö ho¸ c¸c aldehyd vμ ceton Tuú t¸c nh©n vμ ®iÒu kiÖn khö cã thÓ thu ®−îc alcol, khö vμ dimer hãa thμnh pinacol hoÆc khö tíi hydrocarbon. Khö aldehyd thμnh alcol cã thÓ sö dông hçn hèng natri, hçn hèng nh«m hay kim lo¹i trong amoniac. Ceton m¹ch th¼ng víi kim lo¹i kiÒm trong alcol cã thÓ khö thμnh alcol bËc hai. 107

T¸c nh©n khö nhãm carbonyl ®Æc hiÖu nhÊt lμ hydrid kim lo¹i. LiAlH4 lμ chÊt khö m¹nh, ngoμi nhãm C=O cña hîp chÊt carbonyl nã cßn khö ®−îc nhiÒu nhãm chøc kh¸c. NaBH4 lμ chÊt khö nhÑ nhμng, nã cã thÓ khö chän läc nhãm C=O thμnh alcol. VÝ dô: Khö ho¸ ceton trong m«i tr−êng kiÒm hoÆc trung tÝnh víi hçn hèng (nh«m hoÆc magnesi), s¶n phÈm lμ pinacol:

CH3

CH3 O C CH3

C O

CH3CH3 Mg/Hg

HO C

C OH

CH3CH3

CH3

Çc aldehyd th¬m cã thÓ hydro ho¸ thμnh alcol t−¬ng øng víi xóc t¸c lμ Ni-Raney ë nhiÖt ®é phßng vμ ¸p suÊt khÝ quyÓn. 3.4. Khö ho¸ acid carboxylic, ester, amid Khö ho¸ acid carboxylic thμnh alcol th−êng dïng çc hydrid kim lo¹i (LiAlH4, NaBH4) hoÆc alcoxyhydrid kim lo¹i [LiAlH(t.BuO)3]. Trong ®ã hay dïng nhÊt lμ LiAlH4 trong tetrahydrofuran hoÆc ether. Acid carboxylic rÊt Ýt tan trong çc dung m«i trªn, nªn tèt nhÊt lμ chuyÓn thμnh ester tr−íc khi khö ho¸. Trong c«ng nghiÖp, ®Ó khö acid carboxylic thμnh alcol, ng−êi ta th−êng dïng ph−¬ng ph¸p hydro ho¸ víi xóc t¸c Cu-Cromid ë 250-4000C, ¸p suÊt 200300 bar. §Ó khö ho¸ chän läc çc ester, hay dïng LiAlH4 ho¹t ho¸ víi AlCl3. T¸c nh©n LiAlH4-AlCl3 chØ khö nhãm ester thμnh alcol, kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn çc nhãm halogen, nitro hoÆc nèi kÐp trong ph©n tö chÊt cÇn khö. Hydro ho¸ çc ester dÔ dμng h¬n hydro ho¸ çc acid carboxylic (xóc t¸c Cu-Cromit). VÝ dô: Hydro ho¸ ester cña acid adipic, xóc t¸c Cu-Cromit, ë 2500C, ¸p suÊt 120-200 bar, thu ®−îc 1,6-hexandiol víi hiÖu suÊt 85-90%: EtOOC-(CH2)4-COOEt

→

HOCH2-(CH2)4-CH2OH

Cã thÓ khö ho¸ c¸c amid, lactam thμnh amin t−¬ng øng hoÆc amid thμnh aldehyd, sau ®ã thμnh alcol bËc nhÊt b»ng hydrid kim lo¹i (LiAlH4). 3.5. Khö ho¸ c¸c hîp chÊt chøa nit¬ kh«ng no Nhãm hîp chÊt chøa nit¬ kh«ng no gåm nhiÒu lo¹i: nitril, izonitril, hydrazon, oxim, imin, azoxy, azo. Trong ®ã viÖc khö ho¸ nhãm nitril thμnh amin cã ý nghÜa thùc tÕ nhÊt. T¸c nh©n khö nitril thÝch hîp lμ hydro ph©n tö vμ hydrid kim lo¹i (LiAlH4). Hydro ho¸ nitril víi xóc t¸c, thu ®−îc hçn hîp amin bËc mét vμ bËc hai:

108

R-CN

R-CH=NH + R-CH2-NH2

R-CH=NH

R-CH2-NH2

RCH2NH-CH-R

R-CH2-N=CH-R+NH3 H2

R-CH2-NH-CH2-R Cã thÓ h¹n chÕ ph¶n øng t¹o thμnh amin bËc hai b»ng çch hydro ho¸ trong amoniac. Trong c«ng nghiÖp d−îc phÈm, khö ho¸ nitril thμnh amin b»ng LiAlH4 hoÆc B2H6 ®−îc sö dông nhiÒu. 4. Hydro ph©n Hydro ph©n lμ ph¶n øng c¾t çc liªn kÕt carbon-carbon, carbon-oxy, carbon-nit¬ vμ carbon-halogen nhê t¸c dông cña hydro. Ph¶n øng cã thÓ thùc hiÖn b»ng t¸c nh©n khö ho¸ häc hoÆc hydro ho¸ xóc t¸c. Çc t¸c nh©n khö ho¸ häc hay sö dông lμ kim lo¹i kiÒm-alcol, kim lo¹iamoniac, LiAlH4. Çc xóc t¸c hydro ho¸ gåm Pd, Ni-Raney. Hydro ph©n liªn kÕt C-C Ýt gÆp trong thùc tÕ. Hydro ph©n C-O gÆp khi khö ho¸ çc ester, alcol, ether, epoxyd, acetal. Çc alcol khi hydro ph©n th−êng dïng t¸c nh©n LiAlH4-AlCl3. Víi çc ether th−êng khã c¾t liªn kÕt carbon-oxy. Hydro ph©n çc benzyl-ether trong ho¸ häc hydrat carbon nh»m lo¹i nhãm b¶o vÖ benzyl cã thÓ dïng çc t¸c nh©n: natri trong alcol, hçn hîp LiAlH4-AlCl3 hoÆc hydro ho¸ víi xóc t¸c palladi. Hydro ph©n liªn kÕt C-X dÔ hay khã phô thuéc b¶n chÊt cña halogen, cÊu tróc cña ph©n tö vμ t¸c nh©n sö dông. Alkyl halogenid cã kh¶ n¨ng ph¶n øng yÕu h¬n benzyl-, aryl-, allyl-, vμ vinyl-halogenid. T¸c nh©n hay dïng lμ kim lo¹i-amoniac. Ngoμi ra, cã thÓ hydro ph©n liªn kÕt carbon-halogen b»ng ph¶n øng hydro ho¸ víi xóc t¸c Pd. 5. Mét sè vÝ dô 5.1. §iÒu chÕ anilin Anilin lμ nguyªn liÖu quan träng cña c«ng nghÖ phÈm mμu vμ tæng hîp Hãa d−îc. NhiÒu thuèc ®−îc tæng hîp tõ nguyªn liÖu nμy nh−: Sulfamid, kh¸ng histamin, thuèc trÞ giun s¸n...Tr−íc ®©y anilin ®−îc s¶n xuÊt theo ph−¬ng ph¸p Bechamp. HiÖn nay, trong c«ng nghiÖp nã ®−îc s¶n xuÊt b»ng con ®−êng hydro hãa nitro-benzen. 109

Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng: C6H5-NO2 + 3H2 → C6H5NH2 + 2H2O Nitrobenzen ®−îc ho¸ h¬i råi dÉn vμo cét ph¶n øng chøa xóc t¸c ®ångamonium-nitrat. KhÝ hydro ®−îc dÉn vμo cïng chiÒu víi h¬i nitrobenzen. Ph¶n øng ®−îc thùc hiÖn ë 2000C. Hçn hîp h¬i sau ph¶n øng ®−îc ng−ng tô, ®Ó yªn cho t¸ch pha. Pha trªn lμ n−íc chøa 4% anilin hoμ tan trong nitrobenzen, chiÕt thu håi ®Ó ®−a l¹i ph¶n øng. Pha d−íi lμ anilin cã chøa 0,5% nitrobenzen vμ 5% n−íc, cÊt ph©n ®o¹n ®Ó thu anilin. Cø 1 kg xóc t¸c ®ång-amonium-nitrat cã thÓ sö dông ®Ó ®iÒu chÕ ®−îc kho¶ng 1500 kg anilin. 5.2. S¶n xuÊt sorbit tõ glucose Sorbit lμ hîp chÊt trung gian trong qu¸ tr×nh tæng hîp vitamin C. Qu¸ tr×nh ®ã tãm t¾t nh− sau:

d-Glucose O2/Na OH

H2/ Ni

d-Sorbit

[O]

l-Sorbose Aceton Diaceton-sorbose

Diaceton-2-ceto-l-gulonic acid enol hãa

Vitamin C

Ph−¬ng tr×nh khö ho¸ glucose thμnh sorbit:

CH2OH

HO CH HO CH

HO CH H2 / Ni-Raney

HC OH HO CH HC O

HO CH HC OH HO CH CH2OH

C¸ch tiÕn hμnh hydro ho¸ nh− sau: ThiÕt bÞ ph¶n øng lμ autoclav b»ng thÐp, cã hai vá, m¸y khuÊy má neo, van tho¸t khÝ, èng nhiÖt kÕ… Dung dÞch glucose nång ®é 50-55% ®−îc cho vμo autoclav, ®iÒu chØnh ®Õn pH = 8,3-8,4. TiÕp ®ã cho Ni-Raney võa ®iÒu chÕ (kho¶ng 5% so víi träng l−îng glucose) vμo nåi ph¶n øng. §uæi hÕt kh«ng khÝ trong nåi vμ nÐn khÝ H2 (hμm l−îng 99,5%) vμo ®Õn khi ¸p suÊt ®¹t 80 at. Cho h¬i nãng vμo vá nåi vμ ®−a nhiÖt ®é lªn 1350C. Lu«n gi÷ ¸p suÊt trong nåi lμ 80 at b»ng c¸ch bæ sung 110

H2. Thêi gian ph¶n øng kho¶ng 40-60 phót. Ngõng ®un nãng vμ lμm l¹nh vá nåi ®Õn nhiÖt ®é 75-800C. Më van cho tho¸t H2 thõa, gi¶m ¸p suÊt cßn 5 at. §Èy khèi ph¶n øng ra ngoμi qua phin läc. Thu håi chÊt xóc t¸c vμ b¶o qu¶n d−íi líp n−íc cÊt. Dung dÞch sorbit ®−îc ®−a qua cét trao ®æi ion Wolfatit ®Ó lo¹i Fe, Cu, Ni... Sau ®ã cÊt ch©n kh«ng ë 650 mmHg ®Õn khi chØ cßn ®é Èm 5%. CÆn ®−îc hoμ tan trong cån 960 ë 780C. KÕt tinh (khuÊy) ë 18-200C. Läc lÊy tinh thÓ, röa b»ng cån, sÊy kh« ë 35-400C.

Tù l−îng gi¸ 1. Kh¸i niÖm vμ môc ®Ých cña qu¸ tr×nh khö ho¸ trong ho¸ häc h÷u c¬ vμ tæng hîp ho¸ d−îc. 2. Tr×nh bμy çc lo¹i t¸c nh©n cña ph¶n øng khö ho¸ vμ c¬ chÕ khö cña chóng. 3. Nªu çc ph¶n øng khö ho¸ vμ ph−¬ng ph¸p hydro ph©n çc nhãm hîp chÊt c¬ b¶n. 4. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt anilin tõ nitrobenzen vμ sorbit tõ glucose.

111

Ch−¬ng 11

Diazo ho¸

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng diazo ho¸ vμ çc ®Æc ®iÓm cña muèi diazoni. 2. Çc thuyÕt vÒ c¬ chÕ cña ph¶n øng diazo ho¸. 3. Çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh diazo ho¸ vμ nguyªn t¾c tiÕn hμnh ph¶n øng. 4. Çc ph¶n øng cña muèi diazoni.

1. §¹i c−¬ng Diazo ho¸ lμ qu¸ tr×nh ho¸ häc t¹o hîp chÊt diazo (-N+≡N) tõ amin th¬m bËc nhÊt vμ acid nitr¬. Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng nh− sau: Ar-NH2 + NaNO2 + 2HX → Ar [N+≡N] X- + 2H2O + NaX Trong ®ã:

Ar: aryl X: -Cl, -Br, -NO2, -HSO4… (tïy lo¹i acid sö dông).

Ph¶n øng nμy ®−îc P.Griss ph¸t hiÖn vμo n¨m 1858. CÊu t¹o cña cation diazoni lμ sù t¸c dông t−¬ng hç cña hai d¹ng sau ®©y: Ar-N(+) ≡N

↔

Ar-N=N(+)

Qu¸ tr×nh diazo ho¸ cã ý nghÜa quan träng trong tæng hîp Hãa d−îc v× nã t¹o ra hîp chÊt cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao. Nã lμ qu¸ tr×nh ho¸ häc trung gian ®Ó chuyÓn nhãm -NH2 cña amin th¬m thμnh çc nhãm -H, -OH, -Cl, -I, -Br, -F, -CN, -NO2, -SH, -AsO3H2… Diazo ho¸ lμ ph¶n øng chñ yÕu ®−îc dïng trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt çc phÈm mμu azoic. Hμng n¨m ng−êi ta s¶n xuÊt hμng tr¨m ngμn tÊn phÈm mμu azoic tõ çc hîp chÊt diazo. Qu¸ tr×nh diazo ho¸ còng lμ mét trong nh÷ng qu¸ tr×nh ®−îc sö dông nhiÒu nhÊt trong tæng hîp h÷u c¬, ho¸ d−îc.

112

2. §Æc ®iÓm cña muèi diazoni Muèi diazoni cã c¸c ®Æc ®iÓm sau: −

Tån t¹i ë d¹ng bét Ýt tan trong n−íc.

−

Lμ hîp chÊt kh«ng bÒn, cã tÝnh ph¶n øng rÊt m¹nh (d¹ng bét kh« cã thÓ g©y næ do ph©n huû gi¶i phãng N2). CÇn b¶o qu¶n d−íi líp n−íc acid. Th−êng lμm xong th× ®em dïng lu«n do kh«ng b¶o qu¶n ®−îc l©u.

−

D−íi t¸c dông cña nhiÖt ®é, ®é Èm muèi diazoni ph©n huû thμnh phenol: [Ar-N(+) ≡N]Cl- + H2O → Ar-OH + N2 + HCl

−

Trong m«i tr−êng kiÒm muèi diazoni chuyÓn thμnh diazotat ë hai d¹ng “syn” vμ “anti”:

N N OH

NaOH

NaO

N N

N N ONa

H2O

Syn-diazotat kÐm bÒn h¬n, dÔ bÞ thuû ph©n. D¹ng nμy ®−îc dïng trong ph¶n øng ng−ng tô, sö dông trong c«ng nghÖ phÈm nhuém. ë nhiÖt ®é 1001050C syn-diazotat chuyÓn thμnh d¹ng anti-diazotat lμ hîp chÊt bÒn v÷ng, kh«ng tham gia ph¶n øng ng−ng tô. 3. C¬ chÕ cña ph¶n øng diazo ho¸ Cã nhiÒu t¸c gi¶ ®· ®−a ra gi¶ thiÕt vÒ c¬ chÕ ph¶n øng diazo ho¸, ®¸ng chó ý lμ nh÷ng c¬ chÕ sau: Bamberger (1894): T¸c gi¶ nμy cho r»ng ph¶n øng diazo ho¸ thùc chÊt lμ qu¸ tr×nh nitrozo hãa N-amin b»ng acid nitr¬ ®· ®−îc proton hãa. T¸c nh©n nitrozo hãa khi diazo ho¸ trong acid hydrocloric gåm cã: nitrozil-clorid, dinitrogen-trioxyd. Chóng ®−îc t¹o thμnh tõ nitrozo-acidium theo c¸c ph¶n øng sau: HO-NO + H(+) → H2O(+)-NO H2O(+)-NO + Cl(-) → ON-Cl + H2O H2O(+)-NO + NO2(-) → ON-NO2 + H2O C¸c t¸c nh©n nμy ®Òu cã thÓ t¹o thμnh cation nitrozil (NO(+)) ®Ó tham gia ph¶n øng víi thμnh phÇn amin theo c¬ chÕ ¸i ®iÖn tö. S¬ ®å qu¸ tr×nh ph¶n øng diazo hãa ®−îc tr×nh bμy ë h×nh 11.1:

113

HO NO H H2O NO NO2

NO NO2

NO Cl Ar NH2

Ar NH2

_ H2O

Ar NH2 NO (Nitroso-arylamin) _H

Ar N

pH< 2

Ar NH NO (Nitrosamin) nh Ar N

N OH (Diazoni hydroxyd) HX

Ar N

X (Diazoni salt)

H×nh 11.1. S¬ ®å qu¸ tr×nh ph¶n øng diazo ho¸

Ingold (1958): Khi nghiªn cøu ®éng häc cña ph¶n øng diazo hãa, t¸c gi¶ cho r»ng ph¶n øng nμy còng b¾t ®Çu b»ng sù proton hãa acid nitr¬. Sau ®ã nitrozo hãa amin b»ng ph¶n øng thÕ ¸i ®iÖn tö cña ion nitrozo-acidium hoÆc nitrozil. §©y lμ giai ®o¹n chËm quyÕt ®Þnh tèc ®é ph¶n øng. TiÕp theo lμ ®ång ph©n hãa hîp chÊt nitrozo vμ lo¹i nhãm -OH cña diazo hydroxyd trong m«i tr−êng acid, t¹o thμnh muèi diazo: HO N O

N O

N NO

-H

H2O

114

H Ar N

N O

H2O N O

N N OH

-H

N N O H

N N

H2O

4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh diazo ho¸ 4.1. ¶nh h−ëng cña pH m«i tr−êng Ph¶n øng diazo ho¸ bao giê còng thùc hiÖn trong m«i tr−êng acid. M«i tr−êng tèi −u ®Ó diazo ho¸ th−êng ë pH =1-3. Acid trong ph¶n øng diazo ho¸ gi÷ vai trß quan träng v×: −

Hoμ tan amin d−íi d¹ng muèi ®Ó tham gia ph¶n øng.

−

Gi¶i phãng HNO2 tõ natri nitrit ®Ó cung cÊp cho ph¶n øng.

−

H¹n chÕ ph¶n øng ng−ng tô gi÷a muèi diazoni víi amin tù do t¹o thμnh hîp chÊt diazo-amin kh«ng tan (ph¶n øng tù ng−ng tô nμy chØ x¶y ra trong m«i tr−êng acid yÕu vμ trung tÝnh).

Ar −

N Cl

H2N

HCl

M«i tr−êng acid lμm t¨ng ®é bÒn v÷ng cña muèi diazoni.

Trong nh÷ng tr−êng hîp kh«ng thÓ dïng nång ®é acid v« c¬ qu¸ lín th× ph¶i dïng ph−¬ng ph¸p “diazo ho¸ ng−îc”: Lμm l¹nh hçn hîp amin-natri nitrit tr−íc, sau ®ã cho dÇn hçn hîp nμy vμo dung dÞch HCl ®· lμm l¹nh. Nh− vËy trong m«i tr−êng ph¶n øng kh«ng tån t¹i amin tù do, ph¶n øng “tù ng−ng tô” sÏ kh«ng x¶y ra. 4.2. ¶nh h−ëng cña nång ®é nguyªn liÖu Th−êng sö dông nång ®é amin trong ph¶n øng tõ 0,2-2,0N. Nång ®é lo·ng lμm ph¶n øng x¶y ra chËm, nång ®é ®Æc sÏ khã khèng chÕ nhiÖt ph¶n øng, v× ®©y lμ ph¶n øng to¶ nhiÖt m¹nh. L−îng NaNO2 th−êng sö dông kh«ng cÇn thõa. V× nÕu thõa sÏ lμm gi¶m ®é bÒn cña muèi diazoni vμ g©y ra ph¶n øng phô (oxy ho¸ hay ®−a thªm nhãm nitro vμo s¶n phÈm…). KÕt thóc ph¶n øng nÕu l−îng acid nitr¬ cßn thõa cÇn ph¶i ph©n huû b»ng urª hoÆc acid sulfamic.

NH2 + 2 HNO 2

O C

+ 2N 2

CO2

3 H2O

NH2 OH O2S

NH2

HNO2

H2SO4

H2O

115

4.3. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é Trong ph¶n øng diazo ho¸, nhiÖt ®é lμ yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Õn hiÖu suÊt s¶n phÈm. Th«ng th−êng ph¶n øng tiÕn hμnh ë nhiÖt ®é kho¶ng 0-50C. ë nhiÖt ®é nμy HNO2 Ýt bÞ ph©n huû, mÆt kh¸c muèi diazoni còng bÒn v÷ng h¬n. V× nh− chóng ta ®· biÕt, diazoni lμ hîp chÊt kh«ng bÒn, rÊt dÔ bÞ ph©n huû bëi nhiÖt ®é vμ m«i tr−êng. RÊt Ýt tr−êng hîp diazo ho¸ ë nhiÖt ®é cao h¬n 150C. §Ó ®¶m b¶o nhiÖt ®é thÊp, ng−êi ta ph¶i lμm l¹nh b»ng çch cho n−íc ®¸ trùc tiÕp vμo hçn hîp ph¶n øng, mÆt kh¸c ph¶i duy tr× lμm l¹nh bªn ngoμi liªn tôc. 4.4. ¶nh h−ëng cña cÊu tróc ph©n tö amin Çc nhãm thÕ trªn nh©n cã ¶nh h−ëng m¹nh ®Õn tÝnh base, ®é tan cña amin th¬m. Do ®ã cã ¶nh h−ëng ®Õn viÖc thùc hiÖn ph¶n øng diazo ho¸. Çc amin th¬m cã nhãm hót ®iÖn tö trªn nh©n rÊt khã diazo hãa. Çc diamin th¬m khi diazo ho¸ kh«ng x¶y ra ®ång thêi v× nhãm diazo t¹o thμnh hót ®iÖn tö, g©y khã kh¨n cho viÖc diazo ho¸ nhãm amin thø hai. Çc ®ång ph©n ortho-diamin khi diazo ho¸ t¹o ra s¶n phÈm ®ãng vßng do ph¶n øng tù ng−ng tô: NH2 NH2

HNO2

N2Cl HCl NH2

N N

Muèn tr¸nh hiÖn t−îng tù ng−ng tô ph¶i b¶o vÖ mét nhãm amin b»ng c¸ch acyl ho¸ tr−íc khi tiÕn hμnh diazo ho¸. 5. Nguyªn t¾c tiÕn hμnh diazo ho¸ Qu¸ tr×nh diazo ho¸ ®−îc tiÕn hμnh theo tr×nh tù sau:

116

−

Tr−íc hÕt cho n−íc vμo nåi ph¶n øng, tiÕp ®ã cho acid v« c¬, råi ®Õn amin. KhuÊy cho tan hÕt, cho n−íc ®¸ trùc tiÕp vμo ®Ó lμm l¹nh khèi ph¶n øng ®Õn 00C.

−

Sau ®ã, võa khuÊy võa cho dÇn dung dÞch natri nitrit vμo (th−êng dïng dung dÞch 30-35%) sao cho nhiÖt ®é < 50C. Khi ®· cho ®−îc 2/3 l−îng natri nitrit, ph¶i lu«n kiÓm tra ®é pH cña ph¶n øng (pH=1-3) vμ l−îng NaNO2 thõa. Ph¶n øng kÕt thóc khi mÉu thö cã ph¶n øng d−¬ng tÝnh víi giÊy tÈm tinh bét lÉn KI. Hçn hîp ®−îc läc, dÞch läc ®−îc dïng ngay cho ph¶n øng tiÕp theo.

6. Çc ph¶n øng cña muèi diazoni Çc muèi diazoni cã kh¶ n¨ng ph¶n øng rÊt lín. Nã ®−îc dïng lμm trung gian trong s¶n xuÊt Hãa d−îc vμ nhiÒu ngμnh hãa häc kh¸c. Çc ph¶n øng cña muèi diazoni ®−îc chia thμnh hai nhãm: 6.1. Çc ph¶n øng cã gi¶i phãng nit¬ 6.1.1. Thuû ph©n nhãm diazoni thμnh -OH Ph¶n øng thñy ph©n t¹o ra phenol thùc hiÖn trong m«i tr−êng acid, xóc t¸c lμ CuSO4, Cu2Cl2: [Ar-N(+) ≡N] SO4H(-) + H2O → Ar-OH + N2 + H2SO4 6.1.2. ThÕ nhãm diazoni b»ng nhãm -OR vμ H Muèi diazoni t¸c dông víi alcol ë nhiÖt ®é trªn 50C, qu¸ tr×nh ph¶n øng ®ång thêi x¶y ra theo hai h−íng: T¹o ra alcoxybenzen vμ khö diazo thμnh benzen: [Ar-N(+)≡N]SO4H(-) + R-CH2OH → Ar-OCH2R + N2 + H2SO4 [Ar-N(+)≡N]SO4H(-)+ R-CH2OH → Ar-H + N2 + H2SO4 + R-CHO Ph¶n øng theo h−íng nμo phô thuéc vμo nhãm thÕ trªn th¬m cña hîp chÊt diazo vμ ®é lín cña gèc R trong alcol. Çc alcol ®¬n gi¶n th× kh¶ n¨ng t¹o dÉn chÊt alcoxy cμng cao. Ph¶n øng nμy cã ý nghÜa quan träng trong viÖc ®Þnh h−íng çc nhãm thÕ. VÝ dô ®iÒu chÕ 1,3,5 tribromobenzen: NH2

NH2 Br

3Br2

6.1.3. ThÕ nhãm diazoni b»ng halogen vμ nitril §©y lμ ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ c¸c dÉn xuÊt iod vμ fluor th¬m.

N N SO4H Ar

N N BF4

H2O/t 0

Ar I + N2 + KHSO4 Ar F + N2 + BF3 117

Ph¶n øng thÕ diazoni b»ng -Cl, -Br hoÆc -CN thu ®−îc hiÖu suÊt cao nÕu cã xóc t¸c Cu2Cl2, Cu2Br2, hoÆc Cu2(CN)2 t−¬ng øng (ph¶n øng Sandmeyer).

Cu2Br2/ t 0

N N Br

N N CN

Ar Br + N 2

Cu 2(CN)2/ t 0

Ar CN + N 2

Ph¶n øng nμy cã ý nghÜa khi muèn ®−a halogen vμo nh©n th¬m t¹i c¸c vÞ trÝ mμ kh«ng thÓ halogen ho¸ trùc tiÕp ®−îc. 6.1.4. ThÕ nhãm diazo b»ng -NO2, -SH, AsO3H2 Khi muèn ®−a nhãm nitro vμo vÞ trÝ cÇn thiÕt mμ kh«ng thÓ nitro ho¸ trùc tiÕp ®−îc (vÝ dô ®iÒu chÕ para-dinitrobenzen tõ meta-nitroanilin), ng−êi ta dïng ph−¬ng ph¸p qua trung gian diazo:

N N BF4

NaNO2

t 0/Cu/H2O

Ar NO2 + N2 +

NaBF4

Ph¶n øng thÕ nhãm -SH vμ ®iÒu chÕ c¸c hîp chÊt h÷u c¬ chøa asen tõ muèi diazo theo c¸c ph−¬ng tr×nh sau:

N N Cl

N N SO4H

KSH +

Na3AsO3

Ar SH + N2 t0

Ar AsO3Na

KCl +

Na2SO4

C¸c hîp chÊt h÷u c¬ chøa asen tr−íc ®©y ®−îc dïng trÞ lÞ, giang mai nh− Stovason, Carbason…HiÖn nay do ®éc tÝnh m¹nh nªn kh«ng cßn ®−îc sö dông. 6.2. C¸c ph¶n øng kh«ng gi¶i phãng nit¬ 6.2.1. Ph¶n øng khö t¹o arylhydrazin Khö ho¸ nhãm diazoni víi t¸c nh©n khö SnCl2 trong acid HCl t¹o thμnh hydrazin.

N N Cl

SnCl2

HCl

Ar NH NH2. HCl + SnCl4

Trong c«ng nghiÖp, ng−êi ta th−êng dïng ph−¬ng ph¸p cña E. Fischer (1877):

N N Cl

HCl/H2O

118

Na2 SO 4

Ar N N

Ar NH NH2.HCl

SO3Na Zn/H2O Ar NH NH SO3Na

Phenylhydrazin lμ nguyªn liÖu s¶n xuÊt thuèc h¹ nhiÖt gi¶m ®au nhãm pyrazolon. 6.2.2. Ph¶n øng ng−ng tô Ph¶n øng gi÷a muèi diazoni víi amin th¬m hay phenol t¹o thμnh hîp chÊt azoic:

N N X

N N

H2O

X=Cl; Br; SO 4H Y=OH, NH2, NHR, NR2 Ph¶n øng nμy thuéc lo¹i thÕ ¸i ®iÖn tö SE. Sù ng−ng tô th−êng x¶y ra ë vÞ trÝ para so víi nhãm amin hoÆc -OH. Ph¶n øng ng−ng tô víi çc dÉn chÊt cña phenol ë pH = 7-9, víi çc dÉn chÊt amin ë pH = 4-7. Ph¶n øng nμy dïng ®Ó ®iÒu chÕ çc p-aminophenol hoÆc p-diamin th¬m khi khö ho¸ dÉn chÊt azobenzen:

C6H5

N N

NH2

H2N

X=OH,NH2,N(CH3)2

7. ThiÕt bÞ vμ an toμn lao ®éng V× çc ion kim lo¹i xóc t¸c cho qu¸ tr×nh ph©n huû muèi diazoni, nªn ng−êi ta kh«ng chÕ t¹o thiÕt bÞ ph¶n øng b»ng kim lo¹i hoÆc hîp kim, mμ th−êng lμm b»ng gç. ThiÕt bÞ ph¶n øng lμ nh÷ng thïng gç, çnh khuÊy còng lμm b»ng gç hoÆc b»ng nhùa. NÕu lμm b»ng kim lo¹i th× ®−îc bäc b»ng chÊt dÎo. Muèi diazoni th−êng rÊt nh¹y c¶m víi ¸nh s¸ng, cho nªn qu¸ tr×nh s¶n xuÊt cÇn tr¸nh t¸c dông cña ¸nh s¸ng (çc « kÝnh cöa sæ nhμ x−ëng ph¶i quÐt b»ng s¬n ®á, çc qu¸ tr×nh läc hót tr¸nh ¸nh s¸ng, ...) Ph¶n øng diazo ho¸ th−êng gi¶i phãng NO, NO2 lμ nh÷ng khÝ rÊt ®éc. N¬i s¶n xuÊt ph¶i cã hÖ thèng th«ng khÝ tèt, ph¶i hÊp thô hÕt khÝ gi¶i phãng ®Ó tr¸nh ngé ®éc cho ng−êi lμm viÖc. Ph¶i cã ®ñ ph−¬ng tiÖn b¶o hé lao ®éng vμ mÆt n¹ phßng ®éc.

119

8. VÝ dô Tæng hîp thuèc h¹ nhiÖt gi¶m ®au phenazol: Phenazon ®−îc tæng hîp theo ph−¬ng ph¸p cña Knorr: Ng−ng tô acetoacetat ethyl víi phenylhydrazin thu ®−îc dÉn chÊt pyrazolon. Sau ®ã methyl hãa hîp chÊt nμy víi methyl-iodid hoÆc dimethylsulfat thu ®−îc phenazon. Nguyªn liÖu phenylhydrazin ®−îc ®iÒu chÕ tõ anilin qua trung gian diazo theo s¬ ®å ph¶n øng sau:

C6H5NH2

NaNO 2/ HCl

C6H5N N Cl

NaHSO 3 Na2SO3

CH3

NH2 O + NH - ( C2H5OH+ H2O ) O O

OC2H5

C6H 5NH NH2

N N

C6H5

C6H5 CH3

CH3I

O N

hoÆc (CH3)3SO4

CH3 O

N H N C6H5

N CH3

C6H5

(Phenazon)

Tù l−îng gi¸ 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng diazo ho¸ vμ ®Æc ®iÓm cña muèi diazoni? 2. C¬ chÕ ph¶n øng diazo ho¸? 3. Nªu çc yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh diazo ho¸ vμ nguyªn t¾c tiÕn hμnh qu¸ tr×nh diazo ho¸. 4. Tr×nh bμy çc ph¶n øng ®iÓn h×nh cña muèi diazo? 5. Nªu çc lo¹i vËt liÖu cã thÓ sö dông lμm thiÕt bÞ cho ph¶n øng diazo ho¸ vμ çc chó ý vÒ an toμn lao ®éng trong s¶n xuÊt.

120

Ch−¬ng 12

Ph¶n øng ng−ng tô

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng ng−ng tô. 2. C¸c lo¹i ph¶n øng ng−ng tô vμ vÝ dô øng dông trong tæng hîp Hãa d−îc.

1. §¹i c−¬ng Ph¶n øng ng−ng tô lμ ph¶n øng t¹o nªn hîp chÊt míi b»ng çch lo¹i ra tõ mét hay nhiÒu hîp chÊt ban ®Çu çc nguyªn tö ho¹t ®éng hoÆc çc nhãm chøc d−íi d¹ng çc s¶n phÈm phô nh− H2O, HCl, C2H5OH, NH3... Nh− vËy chóng gåm rÊt nhiÒu çc lo¹i ph¶n øng kh¸c nhau nh− alkyl ho¸, acyl ho¸, ester ho¸…Trong Kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc, ®Ó thu hÑp l¹i kh¸i niÖm trªn vμ ®Ó lμm râ h¬n môc ®Ých cña qu¸ tr×nh ng−ng tô, ng−êi ta ®−a ra ®Þnh nghÜa vÒ ph¶n øng ng−ng tô nh− sau: Ph¶n øng ng−ng tô lμ ph¶n øng t¹o ra liªn kÕt míi gi÷a hai nguyªn tö carbon hoÆc t¹o ra hîp chÊt dÞ vßng tõ hai carbon kh«ng ë c¹nh nhau trong cïng mét ph©n tö hoÆc tõ hai ph©n tö kh¸c nhau. Nh− vËy, qu¸ tr×nh ng−ng tô bao giê còng lμm cho bé khung carbon cña ph©n tö trë nªn phøc t¹p h¬n hoÆc t¹o ra mét dÞ vßng. Çc qu¸ tr×nh t¹o liªn kÕt C-O, C-N, C-S,… mμ kh«ng t¹o dÞ vßng th× kh«ng ®−îc coi lμ ph¶n øng ng−ng tô. Tuy nhiªn, ph¶n øng t¹o base Shif tõ aldehyd vμ ceton do tÝnh chÊt ®Æc biÖt nh¹y vμ sù øng dông nhiÒu trong tæng hîp Ho¸ d−îc mμ ng−êi ta vÉn coi ®©y lμ ph¶n øng ng−ng tô. NhiÒu ph¶n øng ng−ng tô cÇn sö dông t¸c nh©n ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh. Çc t¸c nh©n nμy cã lóc ®ãng vai trß nh− chÊt xóc t¸c cho ph¶n øng, cã lóc lμ mét chÊt ®Ó khãa hoÆc lo¹i çc s¶n phÈm phô t¹o thμnh. Trong thùc tÕ ng−êi ta th−êng dïng çc t¸c nh©n sau: −

T¸c nh©n lo¹i n−íc: H2SO4, HCl, P2O5, POCl3, kali hoÆc natri-acetat, SnCl4. 121

−

T¸c nh©n lo¹i HCl: AlCl3, ZnCl2, pyridin, Na2CO3, NaOH, hçn hèng Na.

−

T¸c nh©n lo¹i alcol: Na kim lo¹i, natri-acetat , natri-ethylat.

−

T¸c nh©n lo¹i NH3: ZnCl2, acid proton.

Qu¸ tr×nh ng−ng tô x¶y ra trong cïng 1 ph©n tö ®−îc gäi lμ ng−ng tô néi ph©n tö, hoÆc gi÷a çc ph©n tö víi nhau ta cã ng−ng tô ngo¹i ph©n tö. Ng−ng tô lμ ph¶n øng rÊt quan träng trong tæng hîp çc thuèc Hãa d−îc vμ trong tæng hîp nhiÒu hîp chÊt trung gian cña Hãa häc h÷u c¬. Ph¶n øng nμy ®−îc øng dông nhiÒu ®Ó tæng hîp nh©n pyrazolon cña thuèc h¹ nhiÖt anagin; nh©n imidazol cña çc thuèc metronidazol, tinidazol; nh©n quinolin vμ isoquinolin cña çc thuèc sèt rÐt, lÞ vμ chèng co th¾t, ... 2. Çc lo¹i ph¶n øng ng−ng tô Dùa vμo çc s¶n phÈm phô t¹o thμnh trong ph¶n øng, ng−êi ta ph©n lo¹i qu¸ tr×nh ng−ng tô nh− sau: −

Ng−ng tô lo¹i n−íc

−

Ng−ng tô lo¹i HCl

−

Ng−ng tô lo¹i alcol

−

Ng−ng tô lo¹i NH3

2.1. Ng−ng tô lo¹i n−íc 2.1.1. Çc ph¶n øng ®iÓn h×nh a. Ph¶n øng gi÷a aldehyd, ceton víi amin t¹o base Shif §©y lμ ph¶n øng ®Æc tr−ng cña nhãm carbonyl. Ph¶n øng nμy cã thÓ sö dông ®Ó b¶o vÖ hoÆc ph©n lËp çc aldehyd vμ ceton trong çc qu¸ tr×nh tæng hîp hãa häc. Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng nh− sau:

C O

NH2

OH C

- H2O

C N

NHZ Z= R , Ar, NHCONH2, NHCSNH2, NHPh xt= acid proton b. Ph¶n øng cña nhãm carbonyl víi nhãm methylen linh ®éng Ph¶n øng gåm 2 giai ®o¹n: céng hîp vμ ng−ng tô alcol. §−îc dïng ®Ó nèi dμi m¹ch carbon cña c¸c hîp chÊt h÷u c¬. 122

X C O

H2C

H2O

C C

CH X

X,Z = COOR, CN, CO Xóc t¸c = natri alcolat

Trong tæng hîp Hãa d−îc, qu¸ tr×nh ng−ng tô t¹o acid cinamic, cinemal (ph¶n øng Perkin) ®−îc øng dông nhiÒu:

C 6H5CHO

Ac2O

C 6H5CHO

CH3CHO

NaOC2 H5 - H2O

C6H5 CH CH COOH

AcOH

H2O

C 6H5 CH CH CHO (Cinemal)

c. Ng−ng tô formaldehyd víi phenol t¹o thμnh nhùa bakelit Ph¶n øng ng−ng tô phenol vμ formaldehyd ®−îc sö dông trong c«ng nghÖ s¶n xuÊt nhùa bakelit. §©y lμ lo¹i chÊt dÎo ®−îc sö dông réng r·i ®Ó chÕ t¹o nhiÒu vËt dông phôc vô ®êi sèng vμ chÊt c¸ch ®iÖn. OH

CH2OH +

HCHO

CH2OH OH

HO CH2

CH2

d. Tæng hîp quinolin vμ dÉn chÊt b»ng ph¶n øng ®ãng vßng Skraupp Nh©n quinolin vμ dÉn chÊt 8-oxyquinolin lμ c¸c nguyªn liÖu quan träng ®Ó tæng hîp c¸c thuèc sèt rÐt vμ thuèc ch÷a lÞ. Ph¶n øng t¹o dÞ vßng quinolin ®−îc thùc hiÖn tõ anilin vμ acrolein theo ph−¬ng ph¸p ®ãng vßng Skraupp qua hai giai ®o¹n: §Çu tiªn lμ ph¶n øng cña anilin víi acrolein, sau ®ã lμ ng−ng tô lo¹i n−íc víi t¸c nh©n lμ acid sulfuric thu ®−îc dÉn chÊt 1,2-dihydroquinolin.

123

S¬ ®å ph¶n øng nh− sau: O H C H

CHO +

NH2

CH CH2

H2 SO4 -HO 2

N H

Dehydro hãa 1,2-dihydroquinolin thu ®−îc quinolin t−¬ng øng. 8- oxyquinolin còng ®−îc tæng hîp t−¬ng tù ph−¬ng ph¸p trªn, tõ ortho amino-phenol vμ acrolein. 2.1.2. Mét sè vÝ dô

S¶n xuÊt phenolphthalein: Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng nh− sau: CO O C H O H

CO O C

H2SO4 ®Æc

OH OH

Hoμ tan anhydrid phthalic trong H2SO4, thªm 3 lÇn phenol vμ ®un 10-12 h ë 115-1200C. §æ khèi ph¶n øng vμo n−íc s«i vμ ®un ®Õn hÕt mïi phenol. §Ó nguéi, phenolphthalein kÕt tña l¾ng xuèng ®¸y. G¹n bá n−íc, hoμ tan cÆn trong kiÒm lo·ng vμ kÕt tña l¹i phenolphthalein b»ng acid acetic ë pH=7. Läc thu tinh thÓ vμ kÕt tinh l¹i trong cån.

S¶n xuÊt fluoretxein: CO O C H O H

COOH

2H2O

C HO OH

Anhydrid phthalic t¸n nhá, trén víi resocin vμ ®un khan ë 195-200oC. Hçn hîp ch¶y láng råi ho¸ r¾n l¹i. §Ó nguéi, hoμ tan cÆn trong NaOH 2%. KÕt tña b»ng c¸ch trung hoμ víi H2SO4 lo·ng. S¶n phÈm kÕt tinh d¹ng tinh thÓ m¶nh mμu ®á. Läc vμ sÊy. 124

Fluoretxein lμ chÊt chØ thÞ mμu trong ho¸ ph©n tÝch vμ lμ chÊt trung gian trong s¶n xuÊt thuèc ®á Mecurocrom. 2.2. Ng−ng tô lo¹i HCl §©y lμ ph¶n øng ng−ng tô quan träng v× nã t¹o nhiÒu hîp chÊt trung gian cho c«ng nghÖ tæng hîp ho¸ häc. §iÓn h×nh cho ng−ng tô lo¹i nμy lμ ph¶n øng Friedel-Craft: O H

O Cl

Ar(R)

HCl

Xóc t¸c cho ph¶n øng lμ c¸c acid Lewis: AlCl3 , ZnCl2, FeCl3. Ph¶n øng Friedel-Craft x¶y ra theo c¬ chÕ SE. Xóc t¸c acid ®ãng vai trß t¹o ra t¸c nh©n ¸i ®iÖn tö: RCOCl

AlCl3

RCO AlCl4

ArH

COR AlCl4

COR +

HCl

AlCl3

VÝ dô: Tæng hîp acridon lμ khung c¬ b¶n cña nhãm thuèc sèt rÐt nh©n acridin (Quinacrin). O COCl H

xt +

N H

HCl

N H

2.3. Ng−ng tô lo¹i alcol Trong tæng hîp ho¸ häc, ng−ng tô lo¹i nμy Ýt ®−îc sö dông h¬n so víi hai lo¹i trªn. Tuy nhiªn nã còng ®−îc sö dông trong tæng hîp mét sè ceton vßng. §Æc biÖt lμ øng dông cña nã trong tæng hîp çc thuèc nh©n pyrazolon vμ çc quinolon kh¸ng khuÈn. VÝ dô: Tæng hîp nguyªn liÖu cho çc thuèc h¹ nhiÖt nh©n pyrazolon: 125

CH3

CH CH OH C O H OC2H5 H NH N

H2O,

_ C H OH 2 5

H3C HN

N C6H5

C6H5

Ph¶n øng t¹o thμnh nh©n pyrazolon lμ qu¸ tr×nh ng−ng tô võa lo¹i n−íc, võa lo¹i alcol. Tæng hîp c¸c quinolon kh¸ng khuÈn: Ph−¬ng ph¸p chung lμ ng−ng tô arylamin víi ethoxymethylen-malonat diethyl thμnh anilinomethylen-malonat-diethyl. Sau ®ã ®un diester-ethylic ë 2500C ®Ó ng−ng tô néi ph©n tö t¹o thμnh quinolon. EtOOC

COOEt C

NH2

EtO O C

O COOEt

C EtO

N H

COOEt N H

3.4. Ng−ng tô lo¹i NH3 Ng−ng tô lo¹i nμy ®−îc sö dông trong mét sè tr−êng hîp sau: Tæng hîp indol (E. Fisher): §un nãng phenyl hydrazon víi mét t¸c nh©n ng−ng tô thÝch hîp (ZnCl2) t¹o Indol vμ gi¶i phãng NH3. Nh©n indol cã trong nhiÒu d−îc phÈm quan träng hiÖn ®ang ®−îc sö dông ®iÒu trÞ nh− c¸c dÉn chÊt cña vincamin, reserpin... Ph¶n øng tæng hîp x¶y ra theo s¬ ®å sau: CH2

R CH2 R

CH O

CH R

NH N

NH NH2

NH NH R

H / ZnCl2

CH R CH NH N H H

C H CH

CH NH 2 NH2

NHNH 2 -NH3

N H

126

Tæng hîp nh©n pyrazolon: Ng−ng tô aceto-acetylamid víi phenylhydrazin t¹o nh©n pyrazolon theo ph−¬ng ph¸p nμy hiÖu suÊt tèt h¬n so víi ph−¬ng ph¸p lo¹i alcol ®· tr×nh bμy ë trªn. CH3 CO CH2

CONH2

NH2

CH3

NH Ar O

NH3

H2O

Tù l−îng gi¸ 1. Kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng ng−ng tô vμ c¸c t¸c nh©n cña nã? 2. C¸c ph¶n øng ng−ng tô vμ øng dông cña nã trong tæng hîp mét sè hîp chÊt c¬ b¶n?

127

Ch−¬ng 13

Ph¶n øng chuyÓn vÞ

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm vμ c¸ch ph©n lo¹i ph¶n øng chuyÓn vÞ. 2. C¬ chÕ cña ph¶n øng chuyÓn vÞ. 3. Néi dung cña c¸c ph¶n øng chuyÓn vÞ.

1. §¹i c−¬ng Ph¶n øng chuyÓn vÞ lμ ph¶n øng x¶y ra, khi trong ph©n tö cã mét nhãm thÕ ®−îc chuyÓn tõ vÞ trÝ nμy sang vÞ trÝ kh¸c d−íi t¸c dông cña mét t¸c nh©n ho¸ häc. VÝ dô:

A B Y

Trong ®ã, Y lμ nhãm di c−, A lμ ®iÓm khëi ®Çu, B lμ ®Ých cña chuyÓn vÞ. A vμ B cã thÓ lμ carbon, nit¬ hoÆc oxy. Ph¶n øng chuyÓn vÞ phæ biÕn nhÊt lμ chuyÓn vÞ tõ mét nguyªn tö sang nguyªn tö c¹nh nã, hay cßn gäi lμ chuyÓn vÞ-1,2. Trong thùc tÕ Ýt gÆp çc chuyÓn vÞ -1,3; -1,4; -1,5; -1,6 ... NÕu nhãm di c− Y mang theo c¶ ®«i ®iÖn tö, ta cã chuyÓn vÞ anion. NÕu Y kh«ng mang theo ®iÖn tö, ta cã chuyÓn vÞ cation. Cßn nÕu Y mang theo chØ mét ®iÖn tö, ta cã chuyÓn vÞ gèc. Ph¶n øng chuyÓn vÞ quan träng nhÊt vμ ®−îc sö dông nhiÒu trong c«ng nghiÖp tæng hîp Ho¸ d−îc lμ chuyÓn vÞ anion-1,2. Cã nhiÒu çch ph©n lo¹i ph¶n øng chuyÓn vÞ: Ngoμi çch ph©n lo¹i theo vÞ trÝ vμ tÝnh chÊt cña nhãm di c− Y (nh− ®· tr×nh bμy ë trªn), ng−êi ta cßn ph©n lo¹i theo cÊu t¹o cña bé khung carbon (cã çc chuyÓn vÞ trong çc hîp chÊt no, ch−a no vμ chuyÓn vÞ trong çc hîp chÊt th¬m). Th«ng th−êng viÖc ph©n lo¹i hay dùa vμo b¶n chÊt cña ®iÓm khëi ®Çu (A) vμ ®iÓm cuèi (B). Theo çch nμy, ta cã çc lo¹i chuyÓn vÞ sau: 128

−

ChuyÓn vÞ tõ C ®Õn C,

−

ChuyÓn vÞ tõ C ®Õn N,

−

ChuyÓn vÞ tõ C ®Õn O,

−

ChuyÓn vÞ tõ N ®Õn C,

−

ChuyÓn vÞ tõ O ®Õn C.

2. C¬ chÕ ph¶n øng chuyÓn vÞ anion -1,2 C¬ chÕ ph¶n øng chuyÓn vÞ anion-1,2 vÒ c¬ b¶n gÇn gièng nhau, cã thÓ ®−îc chia lμm ba b−íc: B−íc 1: D−íi t¸c dông cña t¸c nh©n ho¸ häc, mét nhãm thÕ t¸ch ra mang theo ®«i ®iÖn tö tù do, h×nh thμnh tr¹ng th¸i ®iÖn tö bé s¸u trªn nguyªn tö B. V× vËy chuyÓn vÞ nμy cßn ®−îc gäi lμ “chuyÓn vÞ ®iÖn tö bé s¸u”. B−íc 2: Anion Y võa ®−îc t¸ch ra lu«n di chuyÓn gÇn A vμ B b»ng mét liªn kÕt hãa häc t¹m thêi (Y t¹o víi A vμ B mét liªn kÕt vßng ba c¹nh). B−íc 3: Nguyªn tö B lo¹i mét proton t¹o thμnh carbanion, carbanion nμy cã thÓ t¹o liªn kÕt π víi carbon bªn c¹nh dÉn ®Õn chuyÓn vÞ t¸ch lo¹i hoÆc 1 t¸c nh©n ¸i nh©n Nu(-) g¾n víi nguyªn tö A, ta cã chuyÓn vÞ thay thÕ. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh chuyÓn vÞ anion -1,2 ®−îc thÓ hiÖn qua s¬ ®å sau:

H _H O 2

C C OH H R1 C C H

R1 C

C C

H _H Nu

C C

C C (ChuyÓn vÞ t¸ch lo¹i)

Nu R1 C C

( ChuyÓn vÞ thay thÕ)

H 3. C¸c lo¹i ph¶n øng chuyÓn vÞ 3.1. ChuyÓn vÞ -1,2 tõ carbon ®Õn carbon 3.1.1. ChuyÓn vÞ Wagner-Meerwein (G. Wagner-1899, Meerwein -1910) S¬ ®å ph¶n øng nh− sau:

129

R2 C

C OH

R2 C

R1 CH OH

R2 C

OH ~ R1 OH

R2 C

C R4

R2 C

R5 R1

C C

-H

Xóc t¸c cho ph¶n øng lμ acid proton hoÆc acid Lewis. Ph¶n øng chuyÓn vÞ nμy gÇn gièng chuyÓn vÞ pinacolic. Tuy nhiªn theo xu h−íng ph©n ®Òu nhãm thÕ cho hai carbon c¹nh nhau, chuyÓn vÞ pinacolic th× ng−îc l¹i. V× vËy ng−êi ta cßn gäi chuyÓn vÞ nμy lμ “chuyÓn vÞ ng−îc pinacolic”. NÕu thay alcol b»ng dÉn xuÊt halogen hoÆc amin còng cã thÓ thùc hiÖn ®−îc ph¶n øng chuyÓn vÞ nμy. Khi ®ã, ph¶n øng mang tªn “chuyÓn vÞ Demjanov”. Víi c¸c dÉn chÊt halogen dïng xóc t¸c lμ Ag2O, cßn víi amin xóc t¸c lμ acid nitr¬:

R1 R2

C CH Cl

Ag2O

R1 R2

C CH NH2 R3 R4

C CH

R3 R4 R1

OH R1

C CH R3 R4

R3 R4 R1 HNO2 - N -H O 2 2

C CH R3 R4

OH R1 R2

C CH R3 R4

C¸c chuyÓn vÞ kiÓu Wagner-Meerwein cã thÓ sö dông ®Ó më réng hoÆc thu hÑp c¸c hîp chÊt vßng. VÝ dô:

130

H CH2OH

- H2 O

H CH2

- H+

O Dihydro pyran

CH2

-H

HNO2 -N2 -H2 O

~ CH2

NH2

HO CH2 CH3

H3C

CH3

H2C

H3C

- H2O

CH3

H3C

HO H Bocneol

Camphen

Çc ®iÒu kiÖn cña ph¶n øng: ChuyÓn vÞ Wagner-Meerwein cña çc dÉn chÊt halogen ®−îc tiÕn hμnh trong çc dung m«i kh«ng proton (vÝ dô nitrometan hoÆc SO2 láng), xóc t¸c cho qu¸ tr×nh dehalogen hãa lμ çc acid Lewis nh− SnCl4, HgCl2. Víi çc alcol th× xóc t¸c lμ çc t¸c nh©n dehydrat hãa (H2SO4 hoÆc Al2O3 ë nhiÖt ®é cao). ChuyÓn vÞ Demijanov ë çc amin ®−îc tiÕn hμnh trong dung dÞch n−íc cã pH = 3-7. L−îng NaNO2 sö dông thõa kho¶ng 50%. 3.1.2. ChuyÓn vÞ pinacolic (R.Fittig -1860) Çc pinalcol d−íi t¸c dông xóc t¸c cña acid m¹nh sÏ lo¹i ®i mét ph©n tö n−íc, ®ång thêi mét nhãm alkyl di c− sang carbon bªn c¹nh t¹o thμnh ceton.

R1 R3 R2 C C R4 OH OH

R1 R 3

H R C C R4 ~R1 H2O 2 OH

R1 R2 C C R3 OH R4

- H+

R1 R2 C C R3 O R4 (pinacolon)

131

Nhãm OH ®−îc t¸ch ra ë carbon mang nhiÒu nhãm thÕ cã t¸c dông lμm bÒn v÷ng cation carbeni h¬n. Çc nhãm thÕ nμy ®−îc s¾p xÕp theo thø tù sau: H < alkyl < aryl Trªn c¬ së chuyÓn vÞ pinacolic, M.Tiffeneau thùc hiÖn chuyÓn vÞ cña çc hîp chÊt α, β-aminoalcol víi acid nitr¬. Ph¶n øng nμy dïng ®Ó më réng çc ceton vßng vμ ®−îc gäi lμ chuyÓn vÞ Tiffeneau:

(CH2)n

1.HCN 2. LiAlH4

CH2NH2 (CH2)n

(CH2)n+1 CH OH

OH - H+

HNO2 - N2 - H2O

CH2 C

(CH2)n

(CH2)n+ 1 C

Çc ®iÒu kiÖn cña ph¶n øng: ChuyÓn vÞ pinacolic ®−îc tiÕn hμnh trong dung dÞch acid sulfuric 10-20%. Ph¶n øng Tiffeneau th−êng ®−îc tiÕn hμnh trong çc ®iÒu kiÖn gièng nh− ph¶n øng chuyÓn vÞ Demjanov. 3.1.3. ChuyÓn vÞ Favorskij (A.E.Favorskij -1913) Çc α-halogen ceton d−íi t¸c dông cña çc base m¹nh t¹o thμnh çc ester.

Br O R1

R1 O R3

OR ;

~ R3

C C OR R3

C¬ chÕ ph¶n øng ®−îc gi¶i thÝch nh− sau:

Br O R1

C C R3 R2

R1 O OR

C C R3

~ R3

R1 O R2

C C R3

R1 O OR

C C OR R3

C¸c base th−êng dïng lμ natri-alcolat, cã thÓ dïng natri-amid, natrihydroxyd (tr−êng hîp nμy s¶n phÈm thu ®−îc lμ amid hoÆc acid). ChuyÓn vÞ Favorskij ®−îc sö dông ®Ó lμm gi¶m sè carbon cña c¸c ceton vßng. Nã ®−îc øng dông nhiÒu trong ho¸ häc terpen vμ steroid:

132

Br CONH2 NaNH2;

1-brom-8-oxonorcamfan

bicyclo-[3,3,0]-octan-7 carboxylamid

CH3

Br CH3

C O O CH3

CH3 NaOCH3

~ CH3CO O

CH3COO

17-brom-homoandrostan-17a-on C¸c ®iÒu kiÖn cña ph¶n øng: Ph¶n øng nμy phÇn lín ®−îc thùc hiÖn trong dung m«i tr¬. L−îng base sö dông th−êng lμ ®−¬ng l−îng, ®−îc hßa tan hoÆc t¹o huyÒn phï trong ether. NhiÖt ®é ph¶n øng tõ -200C ®Õn 300C. 3.1.4. Tæng hîp Arndt-Eistert vμ chuyÓn vÞ Wolff C¸c diazoceton d−íi t¸c dông cña nhiÖt, xóc t¸c b¹c oxyd chuyÓn vÞ thμnh xeten. ChÊt nμy ph¶n øng víi t¸c nh©n ¸i nh©n trong m«i tr−êng ph¶n øng, t¹o ra dÉn xuÊt cña acid carboxylic cã m¹ch carbon t¨ng lªn 1 C.

O R C CH N N

O R C

CH2N2

O -

N2 Ag2O

R C CH Car ben

R CH2COOH

H2O

R CH C O Xeten

ROH NH3(NH2R')

R CH2COOR R CH2CONH2 (RCH2CONHR')

V× ch−a chøng minh ®−îc sù tån t¹i cña hîp chÊt carben. Do ®ã c¬ chÕ cã thÓ gi¶i thÝch nh− sau:

R R C CH N N O

R1OH

R1O C CH2 N N O

- N2 Ag2O

R1O C CH2 R O 133

Tæng hîp Arndt-Eister:

Lμ ph¶n øng tæng hîp ester cã sè carbon t¨ng lªn 1 C tõ clorid acid vμ diazometan. T¸c nh©n ¸i nh©n sö dông trong ph¶n øng nμy lμ alcol, nªn s¶n phÈm thu ®−îc lμ mét ester:

C Cl

CH2

N N

- HCl

C CH N N O

O C CH R1

ROH, Ag2O - N2

RO C CH2 R1 O

Tæng hîp Arndt-Eister ®· rót ng¾n ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ acid carboxylic vμ dÉn chÊt cã m¹ch carbon t¨ng lªn 1 C tõ c¸c clorid acid t−¬ng øng. NÕu thay clorid acid b»ng mét ceton trong ph¶n øng chuyÓn vÞ kiÓu Wolff víi diazoalkan, sÏ thu ®−îc ceton kh¸c cã m¹ch carbon t¨ng lªn mét:

O R1

CH2

N N

CH2

N N

R2 O R1

C CH N N

- N2

Ag2O

C CH2

C CH2 R2

Ph¶n øng nμy sö dông cã hiÖu qu¶ ®Ó më réng m¹ch c¸c ceton vßng: O

O O CH2

N N

Cyclohexanon

Ag2O - N2

CH2 N N

O CH2 Cycloheptanon(suberon)

C¸c ®iÒu kiÖn cña ph¶n øng:

Nhá tõ tõ dung dÞch clorid acid trong benzen khan vμo dung dÞch ®· lμm l¹nh cña diazometan trong ether, benzen hay dioxan. Sau khi HCl ngõng gi¶i phãng th× ®Ó yªn hçn hîp 10-12 giê ë nhiÖt ®é phßng, thu ®−îc dung dÞch chøa diazoceton. NÕu ®iÒu chÕ acid, th× ë 60-700C nhá tõ tõ dung dÞch cña diazoceton trong dioxan vμo dung dÞch cña AgNO3 trong n−íc cã chøa natri thiosulfat hoÆc vμo huyÒn phï cña Ag2O trong dung dÞch natri thiosulfat. 134

NÕu ®iÒu chÕ ester th× cho tõ tõ huyÒn phï trong alcol cña Ag2O vμo dung dÞch cña diazoceton trong alcol tuyÖt ®èi. NÕu ®iÒu chÕ amid th× nhá giät amoniac vμo dung dÞch alcol cña diazoceton vμ huyÒn phï Ag2O hoÆc nhá tõ tõ dung dÞch AgNO3 trong amoniac ®Æc vμo dung dÞch diazoceton trong alcol nãng. L−îng xóc t¸c sö dông trong ph¶n øng tõ vμi phÇn tr¨m ®Õn 20-25%.

øng dông cña ph¶n øng: §©y lμ ph−¬ng ph¸p nèi dμi m¹ch carbon cña c¸c acid h÷u c¬: VÝ dô: COCl

CH2COOH

COCHN2

N2CH2

Ag2O

NO2

- N2

NO2

Cã thÓ sö dông cho c¶ lacton vμ acid carboxylic ch−a no:

C2H5 O

C2H5

COOH Arndt - Eistert

CH2COOH O CH3

CH3 Arndt - Eistert

CH2CH2COOH

CH2COOH

Trong tæng hîp papaverin, ph¶n øng Arndt-Eister ®−îc øng dông ®Ó tæng hîp trung gian amid: MeO

MeO

N N CH CO +

MeO

NH2

MeO OMe

NH CH2

OMe OMe OMe

3.1.5. ChuyÓn vÞ benzylic (J.Liebig-1838) ChuyÓn vÞ cña c¸c α, β-aryl-diceton d−íi t¸c dông cña kiÒm ®Æc cho s¶n phÈm lμ acid 1,1-diaryl -1-hydroxy-acetic. 135

Ar1 C

C Ar2

Ar1

O O

~ Ar1

C Ar2

HO C

Ar1

C Ar2

O C

O O

C Ar2

O OH

Trong ph¶n øng trªn nÕu Ar1, Ar2 lμ C6H5- th× s¶n phÈm lμ acid benzylic. ChÊt nμy lμ nguyªn liÖu quan träng trong tæng hîp thuèc chèng ®éng kinh phenyltoin. 3.1.6. ChuyÓn vÞ kiÓu Fritsch (P.Fritsch -1894) D−íi t¸c dông cña kiÒm m¹nh (alcolat, amid cña kim lo¹i kiÒm), c¸c hîp chÊt 1,1-diaryl-2-brom-ethylen chuyÓn vÞ thμnh 1,2-diaryl-acethylen.

Ar1

H C

Ar1

ROH

Ar2

C C Ar2

Ph¶n øng cã thÓ x¶y ra theo hai c¬ chÕ sau: −

C¬ chÕ “carben”:

Ar1

H C

- Br H

Ar2

−

C¬ chÕ “®Èy-kÐo”:

Ar1

Ar1 C

Ar2

Ar2 Car be n

H C

Ar2

-H

Ar2

C C Ar1

3.2. ChuyÓn vÞ -1,2 tõ carbon ®Õn nit¬ 3.2.1. Ph¶n øng tho¸i ph©n amid kiÓu Hofmann (Hofmann-1881) C¸c amid d−íi t¸c dông cña hypohalogenid, tho¸i ph©n t¹o thμnh amin bËc nhÊt: O R

NaOX

NH2

C N

R1O

R C NHX

R1OH

-H

O R

- X

C NHR

N X

N nitren

OR1 O

O R

H2O/OH

R1OH

RNH2

CO2

(X=Cl, Br) 136

§©y lμ ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ c¸c amin bËc nhÊt tinh khiÕt tõ amid.

§iÒu kiÖn cña ph¶n øng: −

T¸c nh©n t¹o N-halogenid lμ NaOBr, NaOCl. CÇn tÝnh to¸n ®Ó l−îng halogen thõa 10%, l−îng kiÒm NaOH gÊp 4-5 lÇn.

−

NhiÖt ®é ph¶n øng 70-800C.

øng dông cña ph¶n øng:

Ph¶n øng tho¸i ph©n Hofmann ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu chÕ çc amin bËc nhÊt cã m¹ch carbon gi¶m mét C tõ çc amid t−¬ng øng. VÝ dô: §iÒu chÕ α-ω-diamin cã m¹ch carbon ng¾n ®i hai carbon tõ çc amid t−¬ng øng:

CH2

CONH2

CH2

KOBr

CH2 CH2 CONH2 Adipin diamid

CH2

NH2

CH2 CH2 NH2 1,4 - diaminobutan

Khi tho¸i ph©n diethyl-malonic-diamid, thu ®−îc diethylhydantoin. O C2H5 CONH2 NH NaOCl C H 2 5 C C2H5 CONH2 N O C2H5 H Trong c«ng nghiÖp, ph−¬ng ph¸p nμy ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt acid antranilic tõ phthalimid. O COONa NH

NaOCl

NH2 O

3.2.2. Ph¶n øng chuyÓn vÞ Curtius (T.CurtÝus-1894) Khi ®un azit cña acid carboxylic (R-CON3) trong dung m«i tr¬, nã sÏ lo¹i N2 t¹o thμnh “nitren”, sau ®ã chuyÓn vÞ thμnh isocianat.

O C N N N

O R

O C N

N 137

Isocyanat cã thÓ ph©n lËp riªng tõ hçn hîp ph¶n øng trong dung m«i tr¬. Nh−ng nã dÔ ph¶n øng víi c¸c t¸c nh©n ¸i nh©n cho s¶n phÈm céng hîp: −

Víi n−íc t¹o amid thÕ, sau ®ã thuû ph©n thμnh amin bËc nhÊt:

O C N

H2O

R NH2

CO2

−

R NH2

CO2

Víi alcol t¹o ra uretan:

R N −

H /H2O

R NH CONHR

H2O

C O

R1OH

RNH CO OR1

Víi amin bËc nhÊt hoÆc bËc hai, t¹o thμnh carbamid:

R N

C O

R1NH2

RNH CO NHR1

R N

C O

R1NHR2

RNH CO NR1R2

3.2.3. ChuyÓn vÞ Beckman (E. Beckman-1886) Aldoxim hoÆc cetoxim d−íi t¸c dông cña acid Lewis hoÆc t¸c nh©n lo¹i n−íc chuyÓn vÞ thμnh amid hoÆc amid thÕ:

R1 C N OH

- OH

~ R2

C N

R2 O

H O H

H2O

C N

-H

C NHR2

(R1,R2 = H, alkyl , aryl )

C¬ chÕ ph¶n øng:

Ph¶n øng Beckman lμ ph¶n øng chuyÓn vÞ -1,2 lo¹i ¸i nh©n. Qu¸ tr×nh nμy cã thÓ do proton hoÆc acid Lewis lμm xóc t¸c. Víi proton:

C N R2

OH2 C N

C N

R2 oxoni ion

R2 nitroni ion

Víi acid Lewis:

C N R2 138

BF3

C N R2

BF3 OH

Theo Chapman, trong m«i tr−êng alcol th× kh«ng t¹o ra amid mμ lμ iminoester, d−íi t¸c dông cña m«i tr−êng acid nã chuyÓn vÞ thμnh amid thÕ hai lÇn, cßn trong m«i tr−êng n−íc th× iminoester thñy ph©n thμnh amid thÕ mét lÇn. O R2 C R1 R1 OR ~ N - OHROH C N OH R C 2 R ~ R1 R2 C N R1 - H H2O R2 NR1 O R2 C NHR1 øng dông cña ph¶n øng: øng dông quan träng nhÊt lμ chuyÓn vÞ cña cycloalkan-oxim thμnh lactam cã vßng réng h¬n mét c¹nh: N OH H2SO4 SO3

Cyclopentanon oxim

Valerolactam

N OH H2SO4

SO3

Cycloheptanon oxim

Caprolactam

ChuyÓn vÞ Beckman cßn cã ý nghÜa quan träng trong hãa häc c¸c steroid, ®Æc biÖt trong tæng hîp c¸c thuèc khung steroid: CH3 C N OH

NH2

TsCl/Pyridin 87%

CH3COO

HO 17-amino- 4 -androsten-3-β-ol

3- β -acetoxy-4-pregnen-20-on-oxim

O N OH NH p.AcNHC6H4SO2Cl/Pyridin CH3COO 3-β -acetoxy-4-androsten-17-on-oxim

73%

HO 3-β -hydroxy- 4-13-amino-13,17-secoandrosten-17-lactam

139

3.2.4. ChuyÓn vÞ Schmidt (R.F.Schmidt-1924) D−íi t¸c dông cña xóc t¸c acid, s¶n phÈm céng hîp cña azoimid (HN3) víi aldehit hoÆc ceton chuyÓn vÞ t¹o thμnh amid thÕ (hoÆc amid kh«ng thÕ). R1

N N C N

C N

C NHR2

R2 Iminocarbeni

Nitroni ion

C¸c ph¶n øng phô: NÕu thõa HN3 th× nã sÏ ph¶n øng víi ion iminocarbeni cho dÉn xuÊt tetrazol: R1

C N

HN3

C N

-H

HN N N

N N

Ph¶n øng phô nμy ®−îc øng dông ®Ó ®iÒu chÕ thuèc trî tim Cardiazol, s¬ ®å ph¶n øng nh− sau: OH

O HN3 H2 S O4

N OH H N3

N N N

H2 SO4

O N N N

H2 O

- N2

HN3

N N N cardiazol ( Tetracor)

pentametylen iminocacbeni ion

3.3. ChuyÓn vÞ -1,2 tõ carbon ®Õn oxy 3.3.1. ChuyÓn vÞ Baeyer-Villiger (A.Baeyer,V.Villiger-1899-1990) Ceton t¸c dông víi c¸c peroxyd (hydrogen-peroxyd, acid percarboxylic) chuyÓn vÞ thμnh c¸c ester: R1

R1 C O

R O OH

OH R1

C O OH

140

- OR

C O OR

~ R1

C OR1 OH

-H

C OR1 O

Ph¶n øng cho hiÖu suÊt tèt víi çc ceton m¹ch th¼ng nÕu Ýt nhÊt R1 lμ nhãm alkyl bËc hai. Ph¶n øng cμng dÔ thùc hiÖn khi m¹ch carbon liªn kÕt víi carbon chøa nhãm carbonyl cμng ph©n nh¸nh, ®Æc biÖt çc ceton th¬m cho hiÖu suÊt ph¶n øng tèt h¬n. Çc cycloalkanon cho hiÖu suÊt tèt vμ s¶n phÈm lμ lacton cã vßng lín h¬n mét c¹nh. §©y lμ øng dông quan träng nhÊt cña ph¶n øng chuyÓn vÞ nμy:

(CH2)n

C O

RCOOOH

(CH2)n

CO O

Còng cã thÓ coi chuyÓn vÞ Baeyer-Villiger lμ ph−¬ng ph¸p oxy hãa chän läc. V× ®iÒu kiÖn ph¶n øng nhÑ nhμng vμ tÝnh chän läc cao, nªn ngμy cμng ®−îc sö dông réng r·i. C¸c ®iÒu kiÖn ph¶n øng: −

T¸c nh©n cña chuyÓn vÞ Baeyer-Villiger th−êng ®−îc sö dông lín h¬n mét ®−¬ng l−îng, chóng gåm c¸c peroxyd nh− H2O2, H2SO5, acid perbenzoic, acid perphthalic, acid peracetic, acid pertrifloacetic.

−

NÕu c¸c peracid ®ñ m¹nh th× kh«ng cÇn xóc t¸c, nh−ng nÕu sö dông hydrogenperoxyd hoÆc percarboxylic th× cÇn xóc t¸c. C¸c xóc t¸c hay sö dông lμ acid sulfuric, HF, acid percloric hoÆc p-toluensulfonic víi l−îng 1-5%.

−

TiÕn hμnh ph¶n øng ë nhiÖt ®é phßng, thêi gian ph¶n øng thay ®æi tõ 20-30 phót hoÆc mét vμi ngμy. Kh«ng ®−îc lμm nãng v× dÔ g©y næ, mÆt kh¸c nhiÖt sÏ thóc ®Èy qu¸ tr×nh tù ph©n hñy cña t¸c nh©n.

øng dông cña ph¶n øng: −

Ph¶n øng th−êng ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc cña c¸c ceton cã cÊu t¹o phøc t¹p.

−

V× hiÖu suÊt ph¶n øng t−¬ng ®èi tèt vμ tÝnh chän läc cao, nªn ®−îc sö dông ®Ó chuyÓn hãa mét sè ceton thμnh ester ë quy m« c«ng nghiÖp, ®Æc biÖt lμ trong ®iÒu chÕ c¸c hîp chÊt thiªn nhiªn.

−

ë quy m« c«ng nghiÖp, ng−êi ta ®· s¶n xuÊt ®−îc caprolactam tõ cyclohexanon nhê chuyÓn vÞ nμy:

141

−

Ph¶n øng Baeyer-Villiger ®−îc øng dông trong tæng hîp prostaglandin: Tæng hîp hîp chÊt trung gian ±3-carboxymethyl-4benzyloxymethyl-hydroxy-penten-1-en (3) tõ 7-syn-benzyloxymethylnorborn-2-en-5-on (1) theo s¬ ®å sau:

PhCH2OCH2

CH2COOH CH2OCH2Ph

ArCO3H

1. OH2. H+

O 1

Xö lÝ (1) víi acid perbenzoic ®Ó chuyÓn vÞ thμnh lacton (2), sau ®ã thñy ph©n (2) thu ®−îc s¶n phÈm mong muèn (3). 3.3.2. ChuyÓn vÞ cña hydroperoxyd C¸c dÉn chÊt hydroperoxyd cña alcol bËc ba chøa tèi thiÓu mét nhãm aryl, d−íi t¸c dông cña xóc t¸c acid chuyÓn vÞ thμnh O-aryl cña b¸n acetal, chÊt nμy ph©n huû thμnh ceton vμ phenol.

Ar R1 C O OH R2 H2O

R1 R2

Ar R1 C O R2

H - H2O

C OAr R2

R1 C O

HOAr

OAr

Ph¶n øng nμy ®−îc gäi lμ tæng hîp Hock. §©y lμ c¬ së cña ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ phenol vμ aceton qua trung gian cumol-peroxyd: CH3 +

CH3 CH OOH CH3

142

CH CH3

AlCl3

CH3 CH CH2

OH +

CH3

C CH3 O

3.4. ChuyÓn vÞ -1,2 tõ nit¬ ®Õn carbon ChuyÓn vÞ Stevens (T.S.Steven-1928). C¸c muèi amin bËc bèn d−íi t¸c dông cña c¸c base m¹nh (phenyl-lithi, natri-amid, natri-alcolat), chuyÓn vÞ t¹o thμnh amin bËc ba:

R1 R2

N CH R5

- H+

N C R3

~ R1

N R3

C R4 R5

Ph¶n øng nμy lμ chuyÓn vÞ cation-1,2, rÊt Ýt gÆp. ChuyÓn vÞ Stevens kh«ng chØ cã ý nghÜa lý thuyÕt, mμ ngμy cμng cã nhiÒu øng dông thùc tÕ. VÝ dô: ChuyÓn vÞ dimethyl-(1-phenylethyl)-(2-oxo-2-phenylethyl)amonium bromid thμnh 2-dimethylamino-1,3-diphenyl-butan-1-on víi hiÖu suÊt trªn 95%. +

PhCOCH2

Me Br Ph CH Me

–

Ph CHCH3

PhCO CH N(CH3)2 Ph CH Me

Ng−êi ta cßn sö dông ph¶n øng nμy ®Ó më réng hoÆc thu hÑp c¸c hîp chÊt vßng:

CH3 N Ph

CH3 Ph

3.5. ChuyÓn vÞ -1,2 tõ oxy ®Õn carbon ChuyÓn vÞ Wittig (G.Wittig-1942) D−íi t¸c dông cña phenyl-lithi, mét sè ether cã thÓ chuyÓn vÞ theo c¬ chÕ “cation 1,2” gièng chuyÓn vÞ Stevens, t¹o thμnh alcol bËc ba: HiÖn nay, chuyÓn vÞ Wittig cßn Ýt ®−îc øng dông trong tæng hîp Ho¸ häc.

143

R2 R1

O CH

R2 R1

~ R1

O C R3

R1 +

O C R3

HO C

Tù l−îng gi¸ 1. Nªu kh¸i niÖm vÒ ph¶n øng chuyÓn vÞ vμ çc çch ph©n lo¹i chóng? 2. C¬ chÕ cña ph¶n øng chuyÓn vÞ anion -1,2 gåm nh÷ng b−íc c¬ b¶n nμo? Nªu néi dung çc b−íc vμ viÕt s¬ ®å cña chóng? 3. Tr×nh bμy c¬ chÕ, ®iÒu kiÖn vμ øng dông cña çc ph¶n øng chuyÓn vÞ 1,2 tõ C ®Õn C, tõ C ®Õn N, tõ C ®Õn O, tõ N ®Õn C vμ tõ O ®Õn C.

144

PhÇn II. Kü thuËt chiÕt xuÊt d−îc liÖu Ch−¬ng 14

Mét sè kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ chiÕt xuÊt d−îc liÖu

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. §èi t−îng cña chiÕt xuÊt d−îc liÖu. 2. Mét sè qu¸ tr×nh x¶y ra trong chiÕt xuÊt d−îc liÖu. 3. Nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt d−îc liÖu. 4. Mét sè ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt th−êng gÆp. 5. Mét sè thiÕt bÞ chiÕt xuÊt hay dïng trong ngμnh D−îc.

TÇM QUAN TRäNG CñA CHIÕT XUÊT D¦îC LIÖU Tõ thêi xa x−a, loμi ng−êi ®· biÕt dïng c©y cá ®Ó ch÷a bÖnh. Tr¶i qua hμng ngμn n¨m lÞch sö, çc c©y thuèc ®−îc ph¸t hiÖn ngμy cμng nhiÒu h¬n, çc ph−¬ng ph¸p chÕ biÕn còng phong phó h¬n, çc kinh nghiÖm dïng c©y thuèc ch÷a bÖnh ®· ®−îc tÝch luü dÇn trong nh©n d©n, råi ®−îc truyÒn tõ ®êi nμy sang ®êi kh¸c. Cho ®Õn tËn ngμy nay, ph−¬ng ph¸p ch÷a bÖnh cæ truyÒn vÉn ®−îc kÕ thõa vμ ph¸t huy m¹nh, ®· cã nh÷ng ®ãng gãp to lín vμ ®éc ®¸o trong viÖc ch÷a bÖnh cho con ng−êi. Tuy nhiªn, lo¹i thuèc thang ph¶i mÊt thêi gian s¾c thuèc, khèi l−îng cång kÒnh, khã b¶o qu¶n, hμm l−îng ho¹t chÊt trong d−îc liÖu thÊp nªn th−êng ph¶i uèng nhiÒu cho mçi lÇn sö dông, ®ît ®iÒu trÞ th−êng ph¶i kÐo dμi. Mét sè lo¹i thuèc ®−îc s¶n xuÊt tõ dÞch chiÕt cña d−îc liÖu, hoÆc tõ d−îc liÖu kh« t¸n bét (cao thuèc, cån thuèc, sir«, trμ tói läc, chÌ tan, hoÆc nh÷ng chÕ phÈm thuèc míi) th× tiÖn dïng h¬n vμ dÔ b¶o qu¶n h¬n. Tuy vËy, çc lo¹i thuèc nμy vÉn ph¶i phô thuéc vμo d−îc liÖu, mμ d−îc liÖu l¹i kh«ng æn ®Þnh. Do ®ã, chÊt l−îng còng nh− thμnh phÇn cña thuèc sÏ khã ®ång ®Òu ë qui m« s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. Çc tiªu chuÈn ®Ó kiÓm nghiÖm thuèc lo¹i nμy còng ch−a ®−îc ®Çy ®ñ. V× vËy, hiÖu qu¶ ®iÒu trÞ còng nh− ®éc tÝnh cña thuèc sÏ 145

kh«ng ®−îc æn ®Þnh. §Ó kh¾c phôc nh÷ng nh−îc ®iÓm nμy, sau khi lÊy dÞch chiÕt tõ d−îc liÖu, ng−êi ta t×m çch tinh chÕ, lo¹i bá çc t¹p chÊt, ph©n lËp ®Ó t¸ch riªng mét hoÆc mét sè ho¹t chÊt tinh khiÕt. So víi thuèc ®«ng y, thuèc ph©n lËp tõ d−îc liÖu cã mét sè −u ®iÓm: Thμnh phÇn râ rμng, hμm l−îng chÝnh x¸c, khèi l−îng gän nhÑ, çch dïng thuËn tiÖn, b¶o qu¶n dÔ dμng, thêi gian b¶o qu¶n l©u, cã ph−¬ng ph¸p kiÓm nghiÖm râ rμng. Tuy nhiªn, t¸c dông ch÷a bÖnh, hiÖu qu¶ ®iÒu trÞ, ®éc tÝnh cña thuèc ph©n lËp tõ d−îc liÖu cã thÓ cã thay ®æi so víi thuèc ®i tõ d−îc liÖu (ch−a ph©n lËp ho¹t chÊt). Thùc tÕ, cã nh÷ng thuèc chØ ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt d−îc liÖu khi c«ng nghiÖp ho¸ d−îc ch−a tæng hîp ®−îc, hoÆc cã thÓ tæng hîp ®−îc nh−ng gi¸ thμnh l¹i qu¸ cao, hoÆc t¸c dông ®iÒu trÞ cña thuèc tæng hîp ch−a thÓ thay thÕ ®−îc thuèc cã nguån gèc d−îc liÖu. VÝ dô: morphin, quinin, strychnin, berberin, ... ChiÕt xuÊt d−îc liÖu ®Ó t¸ch ho¹t chÊt tinh khiÕt, cã t¸c dông t¹o nguån nguyªn liÖu cung cÊp cho qu¸ tr×nh b¸n tæng hîp mét sè thuèc míi nh»m lμm t¨ng −u ®iÓm cho thuèc: t¨ng t¸c dông ®iÒu trÞ cña thuèc, hoÆc gi¶m bít nh÷ng t¸c dông kh«ng mong muèn cña thuèc, hoÆc ®Ó t¹o ra nh÷ng t¸c dông míi. Ch¼ng h¹n, tõ l¸ c©y thanh cao hoa vμng, ng−êi ta ph©n lËp ra artemisinin, sau ®ã ng−êi ta l¹i b¸n tæng hîp ra artesunat, arteether,... Çc dÉn chÊt nμy còng ®−îc dïng ®Ó ®iÒu trÞ sèt rÐt nh−ng cho hiÖu qu¶ ®iÒu trÞ cao h¬n. Tõ vá c©y canhkina ng−êi ta ph©n lËp ra quinin, sau ®ã l¹i b¸n tæng hîp ra quinidin. Quinidin còng cã t¸c dông diÖt ký sinh trïng sèt rÐt nh− quinin nh−ng t¸c dông kÐm h¬n nªn ®−îc dïng chñ yÕu ®Ó ch÷a bÖnh lo¹n nhÞp tim. Diosgenin (ph©n lËp tõ nhiÒu loμi thuéc chi Dioscorea, hä Cñ n©u Dioscoreaceae), ®−îc dïng lμm nguyªn liÖu ®Ó b¸n tæng hîp ra nhiÒu lo¹i thuèc steroid quan träng. §èi víi ngμnh d−îc ViÖt Nam, chiÕt xuÊt d−îc liÖu cã tÇm quan träng ®Æc biÖt. ViÖt Nam ta cã khÝ hËu nhiÖt ®íi, ®é Èm kh¸ cao, diÖn tÝch rõng rÊt réng, l¹i cã c¶ mét sè vïng nói cao vμ cao nguyªn, do ®ã hÖ thùc vËt rÊt phong phó vμ ®a d¹ng. V× vËy, n−íc ta cã nhiÒu ®iÒu kiÖn ®Ó tù trång trät vμ khai th¸c d−îc liÖu trong n−íc, ®ã chÝnh lμ ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó ph¸t triÓn c«ng nghiÖp chiÕt xuÊt d−îc liÖu. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, xu h−íng ë ViÖt Nam còng nh− trªn thÕ giíi, con ng−êi ngμy cμng thÝch nh÷ng thuèc cã nguån gèc tõ d−îc liÖu, do ®ã c«ng nghiÖp chiÕt xuÊt d−îc liÖu cμng ngμy l¹i cμng cã vai trß quan träng, vμ cã kh¶ n¨ng sÏ trë thμnh thÕ m¹nh cña ngμnh d−îc ViÖt Nam. 1. Nguyªn liÖu chiÕt xuÊt Nguyªn liÖu dïng ®Ó chiÕt xuÊt cã thÓ lμ nh÷ng bé phËn cña ®éng vËt, thùc vËt, kho¸ng vËt hoÆc vi sinh vËt. Trong ph¹m vi cña tμi liÖu nμy, chóng 146

ta chØ nghiªn cøu d−îc liÖu lμ thùc vËt. Thùc vËt dïng ®Ó chiÕt xuÊt bao gåm c¸c bé phËn cña c©y, ®ã lμ nh÷ng bé phËn cã thμnh phÇn phøc t¹p, kh«ng râ rμng vμ kÐm æn ®Þnh, hμm l−îng ho¹t chÊt hay thay ®æi v× phô thuéc vμo rÊt nhiÒu yÕu tè: gièng, loμi, khÝ hËu, ®Êt ®ai, ®iÒu kiÖn trång trät, bé phËn dïng, giai ®o¹n sinh tr−ëng, thêi kú thu h¸i... vμ c¸ch b¶o qu¶n. Bé phËn dïng ®Ó chiÕt cña c©y cã thÓ lμ: hoa, qu¶, h¹t, th©n, l¸, rÔ, vá, nhùa, phÇn trªn mÆt ®Êt, ... hoÆc toμn c©y. D−íi ®©y lμ mét sè vÝ dô cô thÓ: • Hoa: −

Nô hoa hoÌ: dïng ®Ó chiÕt rutin, hμm l−îng kh¸ cao (20-28% ë Th¸i B×nh).

−

Nô hoa ®inh h−¬ng: ®Ó cÊt tinh dÇu (15-20%), chøa eugenol (78-95%).

−

Hoa b−ëi: ®Ó cÊt tinh dÇu, chøa nerolidol (40%), farnesol (18%), ...

• Qu¶: −

Qu¶ thuèc phiÖn ®Ó chiÕt c¸c alcaloid: morphin, codein, papaverin,... (0,2-0,3% alcaloid toμn phÇn trong qu¶ kh«). Cã thÓ chiÕt b»ng qu¶ t−¬i ch−a chÝch nhùa.

−

Qu¶ ®¹i håi: ®Ó cÊt tinh dÇu håi (8-9%), chøa anethol (85-90%).

−

Qu¶ håi nói: ®Ó cÊt tinh dÇu (1,5%), thμnh phÇn chñ yÕu lμ safrol (77,5%).

• H¹t: −

H¹t m· tiÒn, loμi Strychnos nux vomica l. dïng chiÕt strychnin (1%).

−

H¹t sõng dª hoa vμng: chiÕt mét sè glycosid tim, cã chøa divaricosid, ...

−

H¹t th«ng thiªn: ®Ó chiÕt thevetin (lμ hçn hîp cña thevetin A vμ thevetin B).

• Th©n: −

Th©n vμ rÔ c©y vμng ®¾ng: dïng ®Ó chiÕt berberin (l,5-3%).

−

Th©n rÔ c©y hoμng ®»ng: dïng ®Ó chiÕt palmatin (3%).

−

Th©n gç long n·o: ®Ó cÊt tinh dÇu (4,4%), cã chøa camphor (64,l%).

−

L¸ dõa c¹n: dïng ®Ó chiÕt c¸c alcaloid cã t¸c dông trÞ bÖnh ung th− nh− vinblastin (0,005-0,015%) vμ vincristin (0,003-0,005%).

−

L¸ c©y thanh cao hoa vμng: dïng ®Ó chiÕt artemisinin (1%).

−

L¸ tróc ®μo: ®Ó chiÕt neriolin (olean®rin), cã 0,08-0,15% trong l¸ kh«.

• L¸:

147

• RÔ: −

RÔ cñ b×nh v«i: dïng ®Ó chiÕt rotundin (0,2 - 3,55%).

−

RÔ ba g¹c: chøa reserpin, ajmalin (0,9-2,2% alcaloid toμn phÇn ë ViÖt Nam).

−

RÔ c©y d©y mËt: ®Ó chiÕt rotenon (4-8%), dïng ®Ó duèc c¸, diÖt c«n trïng.

−

Vá (th©n, cμnh, rÔ) cña c©y canhkina: dïng ®Ó chiÕt quinin (3 - 5%).

−

Vá th©n mùc hoa tr¾ng (0,22-4,2% alcaloid toμn phÇn): ®Ó chiÕt conesin.

−

Vá th©n c©y hoμng b¸: ®Ó chiÕt berberin (3% ë loμi xuyªn hoμng b¸).

• Vá:

• PhÇn trªn mÆt ®Êt (th©n, cμnh mang l¸ vμ hoa): −

C©y cμ l¸ xÎ: chøa solasodin (1,4% ë l¸), ®Ó b¸n tæng hîp c¸c thuèc steroid.

−

C©y h−¬ng nhu tr¾ng: ®Ó cÊt tinh dÇu (1,1%), chøa eugenol (60-70%).

−

C©y b¹c hμ ¸: ®Ó cÊt tinh dÇu (0,5%), thμnh phÇn chÝnh lμ menthol (>70%).

2. Mét sè qu¸ tr×nh x¶y ra trong chiÕt xuÊt d−îc liÖu Khi d−îc liÖu vμ dung m«i tiÕp xóc víi nhau, lóc ®Çu dung m«i thÊm vμo d−îc liÖu, sau ®ã nh÷ng chÊt tan trong tÕ bμo d−îc liÖu hoμ tan vμo dung m«i, råi ®−îc khuÕch t¸n ra ngoμi tÕ bμo. Trong chiÕt xuÊt d−îc liÖu sÏ x¶y ra mét sè qu¸ tr×nh sau: khuÕch t¸n, thÈm thÊu, thÈm tÝch, ... 2.1. Qu¸ tr×nh khuÕch t¸n Kh¸i niÖm chung: Qu¸ tr×nh di chuyÓn vËt chÊt tõ pha nμy sang pha kh¸c khi hai pha tiÕp xóc trùc tiÕp víi nhau gäi lμ qu¸ tr×nh khuÕch t¸n (hay lμ qu¸ tr×nh chuyÓn khèi). Qu¸ tr×nh t¸ch chÊt hoμ tan trong d−îc liÖu b»ng dung m«i chÝnh lμ qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt d−îc liÖu. ë ®©y d−îc liÖu lμ pha r¾n, dung m«i lμ pha láng. Khi hai pha chuyÓn ®éng tiÕp xóc víi nhau, do sù c¶n trë cña pha nμy ®èi víi pha kia, nghÜa lμ do ma s¸t gi÷a chóng mμ trªn bÒ mÆt ph©n chia pha t¹o thμnh líp mμng. ë trong líp mμng lu«n lu«n cã chÕ ®é chuyÓn ®éng dßng, cßn ë gi÷a nh©n cña dßng th× cã thÓ cã chuyÓn ®éng xo¸y. §Æc tr−ng di chuyÓn vËt chÊt trong mμng vμ trong nh©n cña dßng cã kh¸c nhau. Trong líp mμng, qu¸ tr×nh di chuyÓn vËt chÊt c¬ b¶n lμ nhê sù tiÕp xóc gi÷a c¸c ph©n tö vμ sù t¸c dông t−¬ng hç gi÷a chóng, do ®ã qu¸ tr×nh khuÕch t¸n qua mμng ®−îc gäi lμ qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ph©n tö. 148

Trong nh©n cña dßng, qu¸ tr×nh di chuyÓn vËt chÊt nhê vμo sù x¸o trén c¸c phÇn tö cña dßng, v× thÕ gäi lμ khuÕch t¸n ®èi l−u. Qu¸ tr×nh khuÕch t¸n trong líp mμng x¶y ra rÊt chËm so víi qu¸ tr×nh khuÕch t¸n trong nh©n cña dßng, do ®ã mÆc dï líp mμng rÊt máng nh−ng nã vÉn cã gi¸ trÞ quyÕt ®Þnh ®èi víi qu¸ tr×nh khuÕch t¸n. VËn tèc khuÕch t¸n chung phô thuéc nhiÒu vμo vËn tèc khuÕch t¸n trong mμng. 2.1.1. KhuÕch t¸n ph©n tö KhuÕch t¸n ph©n tö x¶y ra trong líp mμng hay trong m«i tr−êng ®øng yªn. §éng lùc cña qu¸ tr×nh khuÕch t¸n lμ gra®ien nång ®é theo h−íng x, tøc lμ sù biÕn ®æi nång ®é trªn mét ®¬n vÞ ®−êng ®i. VËn tèc khuÕch t¸n: Lμ l−îng vËt chÊt ®i qua mét ®¬n vÞ bÒ mÆt trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Theo ®Þnh luËt Fick, vËn tèc khuÕch t¸n tû lÖ víi gra®ien nång ®é. Ta cã:

dG dC = −D Fdτ dx Trong ®ã:

dG : vËn tèc khuÕch t¸n. Fdτ D : hÖ sè tû lÖ, gäi lμ hÖ sè khuÕch t¸n. DÊu (-) cã nghÜa lμ nång ®é gi¶m theo h−íng khuÕch t¸n.

dC : gra®ien nång ®é. dx Gi¶i ph−¬ng tr×nh trªn, ta tÝnh ®−îc l−îng vËt chÊt khuÕch t¸n:

G = − D.F.τ.

dc dx

Trong ®ã: G : l−îng vËt chÊt khuÕch t¸n, [kg] F : bÒ mÆt khuÕch t¸n, vu«ng gãc víi h−íng khuÕch t¸n, [m2]

τ : thêi gian khuÕch t¸n, [h] C : nång ®é chÊt tan, [kg/m3] x : chiÒu dμi qu·ng ®−êng khuÕch t¸n, [m] HÖ sè khuÕch t¸n ph©n tö lμ l−îng vËt chÊt ®i qua mét ®¬n vÞ bÒ mÆt, trong mét ®¬n vÞ thêi gian, khi nång ®é vËt chÊt gi¶m ®i mét ®¬n vÞ trªn mét 149

®¬n vÞ chiÒu dμi theo h−íng khuÕch t¸n. HÖ sè khuÕch t¸n cña mét chÊt ®Æc tr−ng cho tÝnh chÊt khuÕch t¸n cña chÊt ®ã trong mét m«i tr−êng nμo ®Êy. C«ng thøc tÝnh hÖ sè khuÕch t¸n ph©n tö theo Einstein:

RT 1 N 6rπη

Trong ®ã: R : h»ng sè khÝ. T : nhiÖt ®é tuyÖt ®èi. N : h»ng sè Avoga®ro. η : ®é nhít cña chÊt láng. r : b¸n kÝnh cña phÇn tö khuÕch t¸n. øng dông: −

Trong qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt d−îc liÖu, ®Æc tr−ng cña qu¸ tr×nh khuÕch t¸n qua mμng tÕ bμo chÝnh lμ khuÕch t¸n ph©n tö.

−

Dùa vμo biÓu thøc cña ®Þnh luËt Fick, ta thÊy r»ng nh÷ng yÕu tè cã ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt lμ: ®é mÞn cña d−îc liÖu, thêi gian chiÕt xuÊt, nhiÖt ®é chiÕt xuÊt, dung m«i chiÕt, khuÊy trén, kÝch th−íc cña phÇn tö khuÕch t¸n.

2.1.2. KhuÕch t¸n ®èi l−u Trong chiÕt xuÊt d−îc liÖu, qu¸ tr×nh khuÕch t¸n cña chÊt tan trong dung m«i ®−îc ®Æc tr−ng chñ yÕu b»ng khuÕch t¸n ®èi l−u. KhuÕch t¸n trong m«i tr−êng chÊt láng chuyÓn ®éng ®−îc m« t¶ b»ng ph−¬ng tr×nh vi ph©n cña khuÕch t¸n ®èi l−u. ViÕt d−íi d¹ng rót gän:

∂C + (vgrad)C = D∇ 2 C ∂t ViÕt theo c¸c trôc to¹ ®é:

⎛ ∂ 2 C ∂ 2C ∂ 2C ⎞ ∂C ∂C ∂C ∂C = D⎜⎜ 2 + 2 + 2 ⎟⎟ +ν z +ν y +ν x ∂z ⎠ ∂y ∂z ∂y ∂x ∂t ⎝ ∂x Ph−¬ng tr×nh khuÕch t¸n ®èi l−u rÊt phøc t¹p. Tuú tõng tr−êng hîp cô thÓ mμ ng−êi ta ®· gi¶i ph−¬ng tr×nh ®Ó ¸p dông cho nh÷ng tr−êng hîp riªng. Trong ph¹m vi cña tμi liÖu nμy, chóng ta kh«ng cÇn ®i s©u nghiªn cøu.

150

2.2. Qu¸ tr×nh thÈm thÊu Kh¸i niÖm: Qu¸ tr×nh thÈm thÊu lμ qu¸ tr×nh khuÕch t¸n gi÷a hai pha láng qua mét mμng cã tÝnh chÊt b¸n thÊm, cã nghÜa lμ mμng ®ã chØ cho dung m«i ®i qua mμ kh«ng cho chÊt tan ®i qua. Mμng ®ã gäi lμ mμng b¸n thÊm. Do ¸p lùc thÈm thÊu cña çc ph©n tö chÊt tan, dung m«i sÏ ®−îc thÊm tõ pha láng cã nång ®é chÊt tan thÊp h¬n sang pha láng cã nång ®é cao h¬n, cho ®Õn khi ¸p lùc thuû tÜnh c©n b»ng víi ¸p lùc thÈm thÊu. øng dông: Trong tÕ bμo d−îc liÖu chÊt nguyªn sinh cã tÝnh chÊt b¸n thÊm, v× vËy khi d−îc liÖu cßn t−¬i, do t¸c dông cña chÊt nguyªn sinh mμ chØ cã dung m«i ®−îc thÊm vμo tÕ bμo lμm cho d−îc liÖu bÞ tr−¬ng në, cßn chÊt tan trong tÕ bμo th× kh«ng khuÕch t¸n ra ngoμi ®−îc. Do ®ã trong chiÕt xuÊt, ng−êi ta ph¶i t×m çch ph¸ huû chÊt nguyªn sinh b»ng nhiÖt hoÆc b»ng cån ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. 2.3. Qu¸ tr×nh thÈm tÝch Kh¸i niÖm: Qu¸ tr×nh thÈm tÝch lμ qu¸ tr×nh khuÕch t¸n gi÷a hai pha láng qua mét mμng cã tÝnh chÊt thÈm tÝch, cã nghÜa lμ mμng ®ã kh«ng chØ cho dung m«i ®i qua mμ cßn cho c¶ chÊt tan ®i qua, nh−ng chØ cho qua nh÷ng chÊt cã ph©n tö nhá. øng dông: Mμng tÕ bμo d−îc liÖu cã tÝnh chÊt cña mét mμng thÈm tÝch, do ®ã khi chiÕt xuÊt nÕu mμng tÕ bμo cßn nguyªn vÑn th× chØ cã chÊt tan lμ ph©n tö nhá vμ ion (phÇn lín lμ ho¹t chÊt) khuÕch t¸n qua ®−îc mμng tÕ bμo; cßn çc chÊt cã ph©n tö lín (th−êng lμ chÊt keo, chÊt t¹p, ...) th× kh«ng qua ®−îc mμng tÕ bμo nªn kh«ng bÞ chiÕt vμo dÞch chiÕt. Nh− vËy, cã thÓ coi mμng tÕ bμo nh− mét mμng läc cã tÝnh chän läc. §©y chÝnh lμ −u ®iÓm cña mμng tÕ bμo ®èi víi qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. Do ®ã trong qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt, kh«ng nªn xay d−îc liÖu qu¸ mÞn; v× khi ®ã mμng tÕ bμo bÞ ph¸ vì, tÝnh chän läc cña mμng tÕ bμo kh«ng cßn, dÞch chiÕt sÏ lÉn nhiÒu t¹p, g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh tinh chÕ. 3. Nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt d−îc liÖu 3.1. Nh÷ng yÕu tè thuéc vÒ thμnh phÇn, cÊu t¹o cña d−îc liÖu 3.1.1. Mμng tÕ bμo d−îc liÖu Mμng tÕ bμo d−îc liÖu cã ¶nh h−ëng nhiÒu ®Õn qu¸ tr×nh khuÕch t¸n. Khi cßn sèng, ®ã lμ n¬i x¶y ra qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt cã tÝnh chÊt chän läc. Khi chÕt, ®ã lμ n¬i x¶y ra çc hiÖn t−îng khuÕch t¸n, thÈm thÊu, thÈm tÝch, ... Mμng tÕ bμo cã cÊu t¹o kh«ng æn ®Þnh, cã thÓ bÞ thay ®æi tÝnh chÊt vËt lý vμ thμnh phÇn ho¸ häc ®Ó ®¸p øng víi nh÷ng chøc phËn sinh lý ®Æc biÖt mμ nã 151

®¶m nhiÖm (ho¸ gç, ho¸ kho¸ng, phñ s¸p, ...). Nh÷ng sù thay ®æi nμy cã thÓ x¶y ra tõng phÇn hoÆc toμn phÇn ë mμng tÕ bμo vμ th−êng thay ®æi nhiÒu ë thùc vËt ®· giμ. −

§èi víi thùc vËt cßn non hay máng mÒm nh− cá c©y, hoa l¸, thμnh phÇn cña mμng tÕ bμo chñ yÕu lμ cellulose. Cellulose cã tÝnh chÊt kh«ng tan trong n−íc vμ kh«ng tan trong c¸c dung m«i kh¸c, bÒn v÷ng ë nhiÖt ®é cao, cã tÝnh mÒm dÎo ®μn håi. §èi víi d−îc liÖu lo¹i nμy, dung m«i dÔ thÊm vμo d−îc liÖu, do ®ã chØ cÇn xay th« d−îc liÖu. NÕu xay mÞn, dÔ kÐo theo nhiÒu t¹p vμo dÞch chiÕt.

−

§èi víi d−îc liÖu ®· giμ, r¾n ch¾c nh− h¹t, gç, rÔ, vá th©n... th× mμng tÕ bμo trë nªn dμy vμ cã thÓ x¶y ra nh÷ng biÕn ®æi sau:

+ Mμng tÕ bμo cã thÓ bÞ ho¸ bÇn, ho¸ cutin, hoÆc cã thÓ bÞ phñ thªm mét líp s¸p,... ®ã lμ nh÷ng chÊt cã b¶n chÊt lipid, cã tÝnh chÊt kh«ng thÊm n−íc vμ khÝ, do ®ã dung m«i khã thÊm vμo d−îc liÖu. + Mμng tÕ bμo cã thÓ bÞ ho¸ gç, ho¸ kho¸ng, bÞ phñ thªm líp dioxyd silic hoÆc calci carbonat, mμng tÕ bμo trë nªn dμy, r¾n ch¾c, nªn dung m«i khã thÊm vμo d−îc liÖu. + Mμng tÕ bμo cã thÓ bÞ phñ thªm líp chÊt nhÇy. ChÊt nhÇy tan ®−îc trong n−íc, nh−ng khi hót n−íc nã bÞ tr−¬ng në vμ trë nªn nhít, lμm bÝt kÝn çc èng mao qu¶n trªn mμng tÕ bμo, g©y c¶n trë sù thÊm cña dung m«i, c¶n trë qu¸ tr×nh khuÕch t¸n. Do ®ã víi nh÷ng d−îc liÖu ®· giμ, r¾n ch¾c, nªn xay nhá d−îc liÖu, t¹o ®iÒu kiÖn cho dung m«i dÔ thÊm −ít d−îc liÖu, chÊt tan dÔ khuÕch t¸n vμo dung m«i. 3.1.2. ChÊt nguyªn sinh ChÊt nguyªn sinh cã thμnh phÇn ho¸ häc rÊt phøc t¹p vμ kh«ng æn ®Þnh. ChÊt nguyªn sinh cã tÝnh nhít, tÝnh ®μn håi, kh«ng tan trong n−íc, kh«ng mμu vμ kh«ng bÒn ®èi víi nhiÖt. ë nhiÖt ®é 50 - 600C, chóng bÞ mÊt ho¹t tÝnh sinh häc (trõ tr−êng hîp ë nh÷ng h¹t kh«, qu¶ kh«, chÊt nguyªn sinh cã thÓ chÞu ®−îc tíi 80 - 1050C). Cã thÓ nãi chÊt nguyªn sinh lμ mét m«i tr−êng dÞ thÓ phøc t¹p, cã thÓ coi ®ã lμ mét hÖ keo nhiÒu pha, t¹o thμnh tõ nh÷ng hîp chÊt cao ph©n tö, ph©n t¸n trong m«i tr−êng n−íc (vÝ dô: giät dÇu, giät mì, h¹t tinh bét, h¹t tinh thÓ ...). ChÊt nguyªn sinh cã tÝnh chÊt b¸n thÊm, cã nghÜa lμ chØ thÊm ®èi víi dung m«i mμ kh«ng cho chÊt tan ®i qua. Do ®ã ®Ó chiÕt ®−îc çc chÊt tan trong tÕ bμo, ng−êi ta ph¶i t×m çch ph¸ huû chÊt nguyªn sinh b»ng çch lμm ®«ng vãn chóng b»ng nhiÖt (sÊy hoÆc ph¬i kh«) hoÆc b»ng cån (h¬i hoÆc cån nãng). 152

3.1.3. Mét sè t¹p chÊt cã thÓ cã trong d−îc liÖu §ã lμ s¶n phÈm cña çc qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt, lμ chÊt dù tr÷ hoÆc chÊt th¶i cña c©y. Çc chÊt nμy th−êng g©y c¶n trë hoÆc còng cã khi cã t¸c dông thuËn lîi cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. D−íi ®©y lμ mét sè vÝ dô: • §èi víi nh÷ng d−îc liÖu chøa nhiÒu pectin, g«m hoÆc chÊt nhÇy: §ã lμ nh÷ng chÊt tan ®−îc trong n−íc, vμ khi tan trong n−íc th× bÞ tr−¬ng në, t¹o dung dÞch keo, lμm t¨ng ®é nhít, g©y c¶n trë cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. Cã thÓ lo¹i çc chÊt nμy b»ng çch cho kÕt tña trong cån cao ®é. • §èi víi nh÷ng d−îc liÖu chøa nhiÒu tinh bét: Tinh bét cã tÝnh chÊt kh«ng tan trong n−íc l¹nh, nh−ng ë nhiÖt ®é cao tinh bét bÞ hå ho¸, lμm t¨ng ®é nhít cña dung dÞch, g©y c¶n trë cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. Do ®ã ®èi víi nh÷ng d−îc liÖu lo¹i nμy, kh«ng nªn xay d−îc liÖu qu¸ mÞn, tr¸nh gi¶i phãng ra nhiÒu tinh bét vμ kh«ng nªn chiÕt ë nhiÖt ®é cao ®Ó tr¸nh bÞ hå ho¸. • §èi víi nh÷ng d−îc liÖu chøa chÊt bÐo, dÇu mì, tinh dÇu, s¸p, nhùa: §ã lμ nh÷ng chÊt kh«ng tan trong n−íc vμ th−êng tan trong çc dung m«i kh«ng ph©n cùc. NÕu dïng dung m«i chiÕt lμ n−íc, çc chÊt nμy sÏ lμm dung m«i khã thÊm vμo d−îc liÖu, g©y c¶n trë qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt, do ®ã cÇn ph¶i lo¹i chóng ®i b»ng çc dung m«i thÝch hîp tr−íc khi chiÕt. NÕu dïng dung m«i kh«ng ph©n cùc ®Ó chiÕt, dÞch chiÕt sÏ lÉn nhiÒu t¹p, nh÷ng t¹p nμy sÏ bÞ lo¹i ®i trong giai ®o¹n tinh chÕ. • §èi víi nh÷ng d−îc liÖu chøa enzym: Enzym cã b¶n chÊt lμ protein, ë nhiÖt ®é 60-700C enzym bÞ mÊt ho¹t tÝnh, cßn ë nhiÖt ®é l¹nh enzym chØ bÞ ngõng ho¹t ®éng, sau ®ã nÕu n©ng ®Õn nhiÖt ®é thÝch hîp th× enzym l¹i ®−îc phôc håi. Tuú tõng tr−êng hîp cô thÓ mμ enzym cã thÓ g©y c¶n trë hoÆc còng cã khi l¹i t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. VÝ dô: glycosid trong c©y bao gåm hai phÇn lμ phÇn ®−êng vμ phÇn kh«ng ®−êng. D−íi t¸c dông cña enzym vèn cã s½n trong d−îc liÖu, gÆp ®iÒu kiÖn thuËn lîi (Êm, Èm), glycosid sÏ bÞ thuû ph©n, m¹ch ®−êng sÏ bÞ c¾t mét phÇn hoÆc toμn phÇn, lμm thay ®æi ®é ph©n cùc cña glycosid, lμm cho glycosid Ýt tan trong n−íc h¬n. Cã tr−êng hîp ng−êi ta cÇn glycosid thø cÊp (®· bÞ c¾t bít mét phÇn ®−êng), lóc ®ã ng−êi ta sÏ t¹o ®iÒu kiÖn cho enzym ho¹t ®éng b»ng çch vß n¸t, c¾t nhá d−îc liÖu, ñ d−îc liÖu thμnh ®èng vμ t¹o nhiÖt ®é thÝch hîp (30-400C). Còng cã tr−êng hîp ng−êi ta cÇn glycosid s¬ cÊp (ch−a bÞ thuû ph©n), khi ®ã ng−êi ta l¹i ph¶i diÖt enzym ®Ó tr¸nh cho glycosid khái bÞ thuû ph©n. Cã ba ph−¬ng ph¸p ®Ó diÖt enzym: + PP nhiÖt −ít: nhóng d−îc liÖu vμo láng s«i (n−íc s«i hoÆc cån s«i). + PP nhiÖt Èm: cho d−îc liÖu qua h¬i Èm (h¬i n−íc s«i hay h¬i cån s«i). + PP nhiÖt kh«: cho d−îc liÖu qua luång kh«ng khÝ nãng. 153

3.2. Nh÷ng yÕu tè thuéc vÒ dung m«i Mét sè yÕu tè cña dung m«i cã ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt lμ: ®é ph©n cùc, ®é nhít, søc c¨ng bÒ mÆt. 3.2.1. §é ph©n cùc cña dung m«i Nãi chung dung m«i Ýt ph©n cùc th× dÔ hoμ tan çc chÊt kh«ng ph©n cùc vμ khã hoμ tan çc chÊt cã nhiÒu nhãm ph©n cùc. Ng−îc l¹i, dung m«i ph©n cùc m¹nh th× dÔ hoμ tan çc chÊt cã nhiÒu nhãm ph©n cùc vμ khã hoμ tan çc chÊt Ýt ph©n cùc. Dùa vμo ®é ph©n cùc cña dung m«i ng−êi ta ph©n lo¹i nh− sau: +

Dung m«i kh«ng ph©n cùc: ether dÇu ho¶, x¨ng, hexan, heptan, benzen, toluen…

Dung m«i ph©n cùc yÕu vμ võa: chloroform, diclorethan, aceton, ethylacetat ...

Dung m«i ph©n cùc m¹nh: n−íc, glycerin, c¸c lo¹i cån cã m¹ch carbon ng¾n (methanol, ethanol, isopropanol...).

3.2.2. §é nhít, søc c¨ng bÒ mÆt cña dung m«i Nãi chung, dung m«i cã ®é nhít cμng thÊp hoÆc cã søc c¨ng bÒ mÆt cμng nhá th× dung m«i cμng dÔ thÊm vμo d−îc liÖu, t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt vμ ng−îc l¹i. D−íi ®©y lμ ®é nhít (η) vμ søc c¨ng bÒ mÆt (δ) cña mét sè dung m«i th−êng gÆp ë nhiÖt ®é phßng 20oC (xÕp theo thø tù t¨ng dÇn). Dung m«i

154

η (cp)

Dung m«i

δ (dyn/cm)

Hexan

0,31

Hexan

1,11

Aceton

0,32

Ethanol

22,03

Chloroform

0,57

Propanol

22,90

Methanol

0,60

Methanol

22,99

Benzen

0,65

Aceton

23,70

Dicloetan

0,89

Chloroform

27,70

N−íc

1,00

Benzen

28,87

Ethanol

1,20

Dicloethan

32,20

Propanol

2,23

N−íc

72,75

3.3. Nh÷ng yÕu tè thuéc vÒ kü thuËt §ã lμ nh÷ng yÕu tè cã thÓ thay ®æi ®−îc b»ng c¸c biÖn ph¸p kü thuËt kh¸c nhau, nh»m t¹o ra nh÷ng ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. §ã cã thÓ lμ nh÷ng yÕu tè: nhiÖt ®é, thêi gian, ®é mÞn cña d−îc liÖu, khuÊy trén, siªu ©m ... 3.3.1. NhiÖt ®é chiÕt xuÊt Theo c«ng thøc tÝnh hÖ sè khuÕch t¸n cña Einstein, khi nhiÖt ®é t¨ng th× hÖ sè khuÕch t¸n còng t¨ng, do ®ã theo ®Þnh luËt Fick, l−îng chÊt khuÕch t¸n còng t¨ng lªn. H¬n n÷a, khi nhiÖt ®é t¨ng th× ®é nhít cña dung m«i gi¶m, do ®ã sÏ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. Tuy nhiªn, khi nhiÖt ®é t¨ng sÏ g©y bÊt lîi cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt trong mét sè tr−êng hîp sau: −

§èi víi nh÷ng hîp chÊt kÐm bÒn ë nhiÖt ®é cao: nhiÖt ®é t¨ng cao sÏ g©y ph¸ huû mét sè ho¹t chÊt nh− vitamin, glycosid, alcaloid ...

−

§èi víi t¹p: khi nhiÖt ®é t¨ng, kh«ng chØ ®é tan cña ho¹t chÊt t¨ng mμ ®é tan cña t¹p còng ®ång thêi t¨ng theo, dÞch chiÕt sÏ bÞ lÉn nhiÒu t¹p. NhÊt lμ ®èi víi mét sè t¹p nh− g«m, chÊt nhÇy ... khi nhiÖt ®é t¨ng sÏ bÞ tr−¬ng në; tinh bét bÞ hå ho¸, ®é nhít cña dÞch chiÕt sÏ bÞ t¨ng, g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt, tinh chÕ.

−

§èi víi dung m«i dÔ bay h¬i cã nhiÖt ®é s«i thÊp: khi t¨ng nhiÖt ®é th× dung m«i dÔ bÞ hao hôt, khi ®ã thiÕt bÞ ph¶i kÝn vμ ph¶i cã bé phËn håi l−u dung m«i.

−

§èi víi mét sè chÊt ®Æc biÖt cã qu¸ tr×nh hoμ tan to¶ nhiÖt: khi nhiÖt ®é t¨ng, ®é tan cña chóng l¹i bÞ gi¶m. Do ®ã ®Ó t¨ng ®é tan th× cÇn ph¶i lμm gi¶m nhiÖt ®é.

Tõ nh÷ng ph©n tÝch trªn ta thÊy tuú tõng tr−êng hîp cô thÓ mμ cÇn lùa chän nhiÖt ®é sao cho phï hîp (tuú thuéc vμo çc yÕu tè nh− d−îc liÖu, dung m«i, ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt ...). 3.3.2. Thêi gian chiÕt xuÊt Khi b¾t ®Çu chiÕt, çc chÊt cã ph©n tö l−îng nhá (th−êng lμ ho¹t chÊt) sÏ ®−îc hoμ tan vμ khuÕch t¸n vμo dung m«i tr−íc, sau ®ã míi ®Õn çc chÊt cã ph©n tö l−îng lín (th−êng lμ t¹p nh− nhùa, keo...). Do ®ã, nÕu thêi gian chiÕt ng¾n sÏ kh«ng chiÕt ®−îc hÕt ho¹t chÊt trong d−îc liÖu; nh−ng nÕu thêi gian chiÕt dμi qu¸, dÞch chiÕt sÏ bÞ lÉn nhiÒu t¹p, g©y bÊt lîi cho qu¸ tr×nh tinh chÕ vμ b¶o qu¶n. Tãm l¹i, cÇn ph¶i lùa chän thêi gian chiÕt xuÊt sao cho phï hîp víi thμnh phÇn d−îc liÖu, dung m«i, ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt ... 3.3.3. §é mÞn cña d−îc liÖu Khi kÝch th−íc d−îc liÖu th« qu¸, dung m«i sÏ khã thÊm −ít d−îc liÖu, ho¹t chÊt khã ®−îc chiÕt vμo dung m«i. Khi ®é mÞn d−îc liÖu t¨ng lªn, bÒ mÆt 155

tiÕp xóc gi÷a d−îc liÖu vμ dung m«i t¨ng lªn; theo ®Þnh luËt Fick, l−îng chÊt khuÕch t¸n vμo dung m«i t¨ng lªn, do ®ã thêi gian chiÕt xuÊt sÏ nhanh h¬n. Tuy nhiªn trong thùc tÕ, nÕu xay d−îc liÖu qu¸ mÞn sÏ g©y ra mét sè bÊt lîi cho qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt nh− sau: −

Khi ng©m d−îc liÖu vμo dung m«i, bét d−îc liÖu bÞ dÝnh bÕt vμo nhau, t¹o thμnh d¹ng bét nh·o, vãn côc. Do ®ã sÏ khã khuÊy trén gi÷a d−îc liÖu vμ dung m«i, qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt x¶y ra bÞ chËm l¹i. MÆt kh¸c, v× bét d−îc liÖu bÞ dÝnh bÕt vμo nhau nªn khi rót dÞch chiÕt, dÞch chiÕt bÞ ch¶y chËm hoÆc kh«ng ch¶y ®−îc (gäi lμ hiÖn t−îng t¾c thiÕt bÞ).

−

Khi bét d−îc liÖu qu¸ mÞn, nhiÒu tÕ bμo thùc vËt bÞ ph¸ huû, dÞch chiÕt bÞ lÉn nhiÒu t¹p; g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh tinh chÕ, b¶o qu¶n.

−

Tõ nh÷ng ph©n tÝch trªn ta thÊy cÇn ph¶i lùa chän ®é mÞn cña d−îc liÖu sao cho thÝch hîp, tuú thuéc vμo tõng tr−êng hîp hîp cô thÓ, tuú thuéc vμo d−îc liÖu, dung m«i, ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt ... VÝ dô:

+ §èi víi d−îc liÖu máng manh nh− hoa l¸, c©y cá ... hoÆc ®èi víi nh÷ng d−îc liÖu chøa nhiÒu chÊt nhÇy, chÊt nhùa, chÊt keo ... th× kh«ng nªn xay d−îc liÖu qu¸ mÞn mμ chØ nªn xay th« d−îc liÖu. §èi víi nh÷ng d−îc liÖu ®· giμ, d−îc liÖu r¾n ch¾c nh− h¹t, rÔ, th©n gç ... cÇn ph¶i xay mÞn h¬n. + §èi víi tr−êng hîp dïng lo¹i dung m«i dÔ hoμ tan nhiÒu t¹p, nªn tr¸nh xay d−îc liÖu qu¸ mÞn. + §èi víi tr−êng hîp chiÕt xuÊt ë nhiÖt ®é cao, còng nªn tr¸nh xay d−îc liÖu qu¸ mÞn ®Ó tr¸nh ®−a nhiÒu t¹p vμo dÞch chiÕt. 3.3.4. KhuÊy trén Khi dung m«i tiÕp xóc víi d−îc liÖu, dung m«i sÏ thÊm vμo d−îc liÖu, hoμ tan chÊt tan, chÊt tan sÏ khuÕch t¸n tõ d−îc liÖu vμo dung m«i qua mμng tÕ bμo. Sau mét thêi gian khuÕch t¸n, nång ®é chÊt tan trong tÕ bμo gi¶m dÇn, nång ®é chÊt tan trong líp dung m«i t¨ng dÇn, chªnh lÖch nång ®é gi÷a trong vμ ngoμi tÕ bμo gi¶m dÇn, tèc ®é qu¸ tr×nh khuÕch t¸n còng gi¶m dÇn, ®Õn mét lóc nμo ®ã sÏ x¶y ra qu¸ tr×nh c©n b»ng ®éng gi÷a hai pha. Nh− vËy, nÕu kh«ng cã khuÊy trén, qu¸ tr×nh khuÕch t¸n sÏ x¶y ra rÊt chËm. Theo ®Þnh luËt Fick, chªnh lÖch nång ®é gi÷a hai pha lμ ®éng lùc cña qu¸ tr×nh khuÕch t¸n. Do ®ã muèn t¨ng c−êng qu¸ tr×nh khuÕch t¸n, cÇn ph¶i t¹o ra chªnh lÖch nång ®é b»ng çch di chuyÓn líp dÞch chiÕt ë phÝa s¸t mμng tÕ bμo (n¬i cã nång ®é cao h¬n) ra phÝa xa h¬n vμ di chuyÓn líp dung m«i ë phÝa xa (n¬i cã nång ®é thÊp h¬n) ®Õn s¸t mμng tÕ bμo. §iÒu nμy ®−îc thùc hiÖn b»ng çch khuÊy trén. Nh− vËy b»ng çch khuÊy trén, ng−êi ta ®· t¨ng c−êng ®−îc tèc ®é khuÕch t¸n.

156

Tuú tõng tr−êng hîp cô thÓ mμ ng−êi ta chän lo¹i cÊu t¹o c¸nh khuÊy vμ tèc ®é khuÊy sao cho phï hîp. VÝ dô: −

NÕu d−îc liÖu lμ hoa l¸ máng manh, chØ cÇn chän tèc ®é khuÊy nhá, kh«ng nªn khuÊy m¹nh ®Ó tr¸nh cho d−îc liÖu khái bÞ dËp n¸t gÉy vôn, tr¸nh ®−a nhiÒu t¹p vμo dÞch chiÕt.

−

NÕu d−îc liÖu cøng ch¾c nh− h¹t, rÔ, th©n, gç... cÇn ph¶i chän lo¹i c¸nh khuÊy khoÎ, tèc ®é khuÊy m¹nh.

3.3.5. Siªu ©m N¨ng l−îng cña siªu ©m cã t¸c dông lμm t¨ng m¹nh tÝnh thÈm thÊu vμ khuÕch t¸n nhê nh÷ng t¸c dông cña siªu ©m nh− sau: −

Lμm t¨ng diÖn tÝch tiÕp xóc gi÷a hai pha b»ng c¸ch ph©n t¸n chóng thμnh nh÷ng h¹t nhá.

−

Ph¸ vì mét phÇn mμng tÕ bμo.

−

T¨ng c−êng sù x¸o trén cña hçn hîp.

−

Cã t¸c dông lμm nãng t¹i chç.

Ph−¬ng ph¸p siªu ©m cã nhiÒu −u ®iÓm lμm t¨ng c−êng qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. Tuy nhiªn, ph−¬ng ph¸p nμy míi chØ ®−îc nghiªn cøu trong phßng thÝ nghiÖm mμ ch−a ®−îc ¸p dông trong s¶n xuÊt. Ngoμi nh÷ng yÕu tè kÓ trªn, cßn nhiÒu yÕu tè kh¸c còng g©y ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. VÝ dô: ¸p suÊt, pH m«i tr−êng, chÊn ®éng c¬ häc, dßng ®iÖn cao ¸p … 4. C¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt 4.1. Ph©n lo¹i Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i, dùa vμo nh÷ng yÕu tè kh¸c nhau. •

•

Dùa vμo nhiÖt ®é, cã c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt sau: −

ChiÕt nãng.

−

ChiÕt nguéi (ë nhiÖt ®é th−êng).

Dùa vμo chÕ ®é lμm viÖc cã c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt sau: −

Gi¸n ®o¹n.

−

B¸n liªn tôc.

−

Liªn tôc.

Dùa vμo chiÒu chuyÓn ®éng t−¬ng hç gi÷a hai pha, cã c¸c ph−¬ng ph¸p: −

Ng−îc dßng. 157

•

−

Xu«i dßng.

−

ChÐo dßng.

Dùa vμo ¸p suÊt lμm viÖc, cã c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt ë: −

¸p suÊt th−êng (¸p suÊt khÝ quyÓn).

−

¸p suÊt gi¶m (¸p suÊt ch©n kh«ng).

−

¸p suÊt cao (lμm viÖc cã ¸p lùc).

Dùa vμo tr¹ng th¸i lμm viÖc cña hai pha, cã c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt sau: −

Ng©m.

−

NgÊm kiÖt.

Dùa vμo nh÷ng biÖn ph¸p kü thuËt ®Æc biÖt Cã thÓ lμm rót ng¾n ®−îc thêi gian chiÕt b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt sau: −

Ph−¬ng ph¸p siªu ©m.

−

Ph−¬ng ph¸p t¹o dßng xo¸y.

−

Ph−¬ng ph¸p m¹ch nhÞp...

4.2. Mét sè ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt Khi chiÕt xuÊt, qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt x¶y ra chñ yÕu ë hai khu vùc: bªn trong nguyªn liÖu vμ gi÷a çc líp dung m«i. Trong ®ã, qu¸ tr×nh x¶y ra bªn trong nguyªn liÖu cã ¶nh h−ëng quyÕt ®Þnh vμ phô thuéc vμo b¶n chÊt nguyªn liÖu (cÊu tróc, tÝnh chÊt lý ho¸...). Çc ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt th−êng chØ t¸c ®éng ®Õn çc yÕu tè bªn ngoμi, nh»m ®¹t ®−îc hiÖu qu¶ chiÕt xuÊt cao trong thêi gian ng¾n ®èi víi mçi lo¹i nguyªn liÖu. D−íi ®©y lμ mét sè ph−¬ng ph¸p th−êng gÆp. 4.2.1. Ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n a. Ph−¬ng ph¸p ng©m Ph−¬ng ph¸p ng©m lμ ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt vμ ®· cã tõ thêi cæ x−a. •

TiÕn hμnh:

Sau khi chuÈn bÞ d−îc liÖu, ng−êi ta ®æ dung m«i cho ngËp d−îc liÖu trong b×nh chiÕt xuÊt, sau mét thêi gian ng©m nhÊt ®Þnh (qui ®Þnh riªng cho tõng lo¹i d−îc liÖu), rót lÊy dÞch chiÕt (läc hoÆc g¹n) vμ röa d−îc liÖu b»ng mét l−îng dung m«i thÝch hîp. §Ó t¨ng c−êng hiÖu qu¶ chiÕt xuÊt, cã thÓ tiÕn hμnh khuÊy trén b»ng c¸nh khuÊy hoÆc rót dÞch chiÕt ë d−íi råi l¹i ®æ lªn trªn (tuÇn hoμn c−ìng bøc dung m«i). 158

Cã nhiÒu c¸ch ng©m: Cã thÓ ng©m tÜnh hoÆc ng©m ®éng, ng©m nãng hoÆc ng©m l¹nh, ng©m mét lÇn hoÆc nhiÒu lÇn (cßn gäi lμ ng©m ph©n ®o¹n hay ng©m nhiÒu mÎ). •

¦u ®iÓm: §©y lμ ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt, dÔ thùc hiÖn, thiÕt bÞ ®¬n gi¶n, rÎ tiÒn.

•

Nh−îc ®iÓm: −

Nh−îc ®iÓm chung cña ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n: n¨ng suÊt thÊp, thao t¸c thñ c«ng (giai ®o¹n th¸o b· vμ n¹p liÖu).

−

NÕu chØ chiÕt mét lÇn th× kh«ng chiÕt kiÖt ®−îc ho¹t chÊt trong d−îc liÖu.

−

NÕu chiÕt nhiÒu lÇn th× dÞch chiÕt lo·ng, tèn dung m«i, tèn thêi gian chiÕt.

b. Ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt •

TiÕn hμnh:

Sau khi chuÈn bÞ d−îc liÖu, ng©m d−îc liÖu vμo dung m«i trong b×nh ngÊm kiÖt. Sau mét kho¶ng thêi gian x¸c ®Þnh (tuú tõng lo¹i d−îc liÖu), rót nhá giät dÞch chiÕt ë phÝa d−íi, ®ång thêi bæ sung thªm dung m«i ë phÝa trªn b»ng c¸ch cho dung m«i ch¶y rÊt chËm vμ liªn tôc qua líp d−îc liÖu n»m yªn (kh«ng ®−îc khuÊy trén). Líp dung m«i trong b×nh chiÕt th−êng ®−îc ®Ó ngËp bÒ mÆt d−îc liÖu kho¶ng 3 - 4 cm.

•

−

NgÊm kiÖt ®¬n gi¶n: Lμ ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt lu«n sö dông dung m«i míi ®Ó chiÕt ®Õn kiÖt ho¹t chÊt trong d−îc liÖu.

−

NgÊm kiÖt ph©n ®o¹n (t¸i ngÊm kiÖt): Lμ ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt cã sö dông dÞch chiÕt lo·ng ®Ó chiÕt mÎ míi (d−îc liÖu míi) hoÆc ®Ó chiÕt c¸c mÎ cã møc ®é chiÕt kiÖt kh¸c nhau.

¦u ®iÓm: −

D−îc liÖu ®−îc chiÕt kiÖt.

−

TiÕt kiÖm ®−îc dung m«i (t¸i ngÊm kiÖt).

Nh−îc ®iÓm: −

Cã nh−îc ®iÓm chung cña ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n: n¨ng suÊt thÊp, lao ®éng thñ c«ng.

−

C¸ch tiÕn hμnh phøc t¹p h¬n so víi ph−¬ng ph¸p ng©m.

−

Tèn dung m«i (ngÊm kiÖt ®¬n gi¶n).

4.2.2. Ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt b¸n liªn tôc (Cßn gäi lμ ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt nhiÒu bËc, ph−¬ng ph¸p chiÕt ng−îc dßng t−¬ng ®èi hay ph−¬ng ph¸p chiÕt ng−îc dßng gi¸n ®o¹n). 159

•

S¬ ®å (xem h×nh 14.3a)

Ph−¬ng ph¸p nμy cã sö dông mét hÖ thèng thiÕt bÞ gåm nhiÒu b×nh chiÕt kh¸c nhau, cã thÓ m¾c thμnh mét d·y tõ 4-16 b×nh chiÕt nèi tiÕp nhau. ë ®©y, qu¸ tr×nh coi nh− lμ ng−îc chiÒu t−¬ng ®èi v× thùc tÕ d−îc liÖu kh«ng chuyÓn ®éng. •

TiÕn hμnh:

Lóc ®Çu, d−îc liÖu vμ dung m«i ®−îc n¹p vμo trong tÊt c¶ çc thiÕt bÞ, d−îc liÖu ®−îc ng©m vμo dung m«i trong mét kho¶ng thêi gian x¸c ®Þnh (tuú thuéc vμo d−îc liÖu vμ dung m«i). Lóc nμy d−îc liÖu vμ dung m«i ®Òu kh«ng chuyÓn ®éng. Sau ®ã dÞch chiÕt ®−îc chuyÓn tuÇn tù tõ thiÕt bÞ nμy sang thiÕt bÞ kh¸c. HÖ thèng tæ hîp kÝn çc b×nh chiÕt nμy cho phÐp ®ãng ng¾t mét çch cã chu kú mét trong nh÷ng thiÕt bÞ ra khái hÖ thèng tuÇn hoμn, cho phÐp th¸o b· d−îc liÖu ë b×nh ®· ®−îc chiÕt kiÖt råi n¹p d−îc liÖu míi. Sau ®ã, thiÕt bÞ nμy l¹i ®−îc ®−a vμo hÖ thèng tuÇn hoμn vμ dÞch chiÕt ®Ëm ®Æc nhÊt ®−îc dÉn qua nã mμ dÞch chiÕt nμy võa ®i qua tÊt c¶ çc thiÕt bÞ cßn l¹i. TiÕp theo, l¹i ®ãng ng¾t mét thiÕt bÞ kÕ tiÕp mμ tr−íc ®ã dung m«i míi võa ®−îc dÉn qua. Sè thiÕt bÞ cμng nhiÒu th× qu¸ tr×nh x¶y ra cμng gÇn víi qu¸ tr×nh liªn tôc. ë ®©y, b· d−îc liÖu tr−íc khi ra khái hÖ thèng thiÕt bÞ sÏ ®−îc tiÕp xóc víi dung m«i míi nªn d−îc liÖu sÏ ®−îc chiÕt kiÖt. DÞch chiÕt tr−íc khi ra khái hÖ thèng sÏ ®−îc tiÕp xóc víi d−îc liÖu míi nªn dÞch chiÕt thu ®−îc sÏ ®Ëm ®Æc nhÊt. Nh− vËy cã thÓ nãi qu¸ tr×nh x¶y ra theo nguyªn t¾c: "dung m«i míi tiÕp xóc víi d−îc liÖu cò vμ d−îc liÖu míi tiÕp xóc víi dung m«i cò". Trong ph−¬ng ph¸p nμy, qu¸ tr×nh x¶y ra gÇn víi qu¸ tr×nh ng−îc chiÒu, do ®ã ph−¬ng ph¸p nμy cßn ®−îc gäi lμ ph−¬ng ph¸p chiÕt ng−îc chiÒu t−¬ng ®èi. •

•

¦u ®iÓm (so víi ph−¬ng ph¸p chiÕt gi¸n ®o¹n) −

DÞch chiÕt ®Ëm ®Æc.

−

D−îc liÖu ®−îc chiÕt kiÖt.

Nh−îc ®iÓm: −

HÖ thèng thiÕt bÞ cång kÒnh, chiÕm nhiÒu diÖn tÝch l¾p ®Æt.

−

VËn hμnh phøc t¹p.

−

Thao t¸c thñ c«ng.

−

Kh«ng tù ®éng ho¸ qu¸ tr×nh ®−îc.

4.2.3. Ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt liªn tôc •

TiÕn hμnh:

Ph−¬ng ph¸p nμy ®−îc thùc hiÖn trong nh÷ng thiÕt bÞ lμm viÖc liªn tôc. ë ®©y d−îc liÖu vμ dung m«i liªn tôc ®−îc ®−a vμo vμ chuyÓn ®éng ng−îc chiÒu nhau trong thiÕt bÞ. D−îc liÖu di chuyÓn ®−îc trong thiÕt bÞ lμ nhê nh÷ng c¬ 160

cÊu vËn chuyÓn chuyªn dïng kh¸c nhau. DÞch chiÕt tr−íc khi ra khái thiÕt bÞ ®−îc tiÕp xóc víi d−îc liÖu míi nªn dÞch chiÕt thu ®−îc ®Ëm ®Æc. B· d−îc liÖu tr−íc khi ra khái thiÕt bÞ ®−îc tiÕp xóc víi dung m«i míi nªn b· d−îc liÖu ®−îc chiÕt kiÖt. So víi ph−¬ng ph¸p chiÕt gi¸n ®o¹n th× ph−¬ng ph¸p chiÕt liªn tôc cã nh÷ng −u nh−îc ®iÓm sau: •

•

¦u ®iÓm: −

N¨ng suÊt lμm viÖc cao, tiÕt kiÖm thêi gian chiÕt.

−

Kh«ng ph¶i lao ®éng thñ c«ng (th¸o b·, n¹p liÖu).

−

DÞch chiÕt thu ®−îc ®Ëm ®Æc.

−

D−îc liÖu ®−îc chiÕt kiÖt.

−

Dung m«i Ýt tèn kÐm.

−

Cã thÓ tù ®éng ho¸, c¬ giíi ho¸ ®−îc qu¸ tr×nh.

Nh−îc ®iÓm: −

ThiÕt bÞ cã cÊu t¹o phøc t¹p, ®¾t tiÒn.

−

VËn hμnh phøc t¹p.

5. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt

Ph©n lo¹i §Ó çc thiÕt bÞ chiÕt xuÊt lμm viÖc cã hiÖu qu¶, ®¸p øng ®−îc yªu cÇu cña nh÷ng qu¸ tr×nh c«ng nghÖ cao hiÖn nay (c«ng suÊt lín víi chi phÝ chÕ t¹o kim lo¹i thÊp, chiÕt kiÖt ®−îc ho¹t chÊt trong kho¶ng thêi gian ng¾n, ...), cÇn ph¶i ®¶m b¶o qu¸ tr×nh x¶y ra ë ®iÒu kiÖn gÇn nh− ng−îc dßng mμ trë lùc thuû lùc l¹i ph¶i nhá, còng nh− tû lÖ l−îng pha láng so víi pha r¾n ph¶i nhá (nghÜa lμ tèn Ýt dung m«i), tæng trë lùc khuÕch t¸n trong vμ ngoμi còng ph¶i nhá. Nguyªn liÖu ®Ó chiÕt xuÊt rÊt phong phó vÒ h×nh d¹ng, cÊu tróc, tÝnh chÊt vËt lý (khèi l−îng riªng, ®é xèp, ®é ®μn håi, trë lùc khuÕch t¸n, ...) nªn çc qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt x¶y ra còng kh¸c nhau, do ®ã thiÕt bÞ chiÕt xuÊt còng rÊt ®a d¹ng vÒ cÊu t¹o. §Ó ph©n lo¹i çc thiÕt bÞ chiÕt xuÊt, cã rÊt nhiÒu çch. Tuú theo çc yÕu tè kh¸c nhau ng−êi ta cã thÓ ph©n lo¹i nh− sau: •

Theo chÕ ®é lμm viÖc, cã c¸c lo¹i thiÕt bÞ: −

Gi¸n ®o¹n

−

B¸n liªn tôc

−

Liªn tôc 161

•

Theo chiÒu chuyÓn ®éng t−¬ng hç gi÷a hai pha r¾n láng, cã c¸c lo¹i: −

Xu«i chiÒu

−

Ng−îc chiÒu

−

Lo¹i hçn hîp (võa xu«i chiÒu, võa ng−îc chiÒu)

Theo kiÓu chuyÓn ®éng tuÇn hoμn cña dung m«i, cã c¸c lo¹i thiÕt bÞ: −

TuÇn hoμn ®¬n

−

TuÇn hoμn kÐp

−

Lo¹i t−íi

Theo ¸p suÊt, cã c¸c lo¹i thiÕt bÞ lμm viÖc ë: −

¸p suÊt th−êng

−

¸p suÊt ch©n kh«ng

−

¸p suÊt cao

Theo cÊu t¹o, cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i vμ kh«ng thèng nhÊt: −

Theo h×nh d¹ng cña th©n thiÕt bÞ, cã c¸c thiÕt bÞ: +

KiÓu th¸p

KiÓu buång (hép)

−

Theo cÊu t¹o vμ tÝnh chÊt cña bé phËn vËn chuyÓn, cã c¸c lo¹i thiÕt bÞ: +

+ −

•

Cã bé phËn vËn chuyÓn b»ng: •

kiÓu tÊm

•

vÝt t¶i

•

b¨ng t¶i

•

b¨ng chuyÒn xÝch

•

gμu t¶i Lo¹i quay

Theo vÞ trÝ l¾p ®Æt thiÕt bÞ, cã c¸c lo¹i thiÕt bÞ: +

Th¼ng ®øng

N»m ngang

N»m nghiªng

Theo tr¹ng th¸i pha r¾n cã c¸c lo¹i thiÕt bÞ víi:

162

−

Pha r¾n ®øng yªn

−

Pha r¾n chuyÓn ®éng

−

Pha r¾n l¬ löng (thiÕt bÞ tÇng s«i)

Tãm l¹i: Cã rÊt nhiÒu kiÓu ph©n lo¹i thiÕt bÞ chiÕt xuÊt. C¸ch ph©n lo¹i nh− trªn tuy cã ®−a ra ®−îc ®Æc ®iÓm nμo ®ã cña qu¸ tr×nh hay thiÕt bÞ chiÕt xuÊt, nh−ng nh÷ng c¸ch ph©n lo¹i ®ã kh«ng ®−a ra ®−îc hoμn toμn ®Æc tr−ng chÝnh cña qu¸ tr×nh hay thiÕt bÞ. Th«ng th−êng, ng−êi ta hay ®Æt tªn cho thiÕt bÞ theo cÊu t¹o hay theo chÕ ®é lμm viÖc cña thiÕt bÞ. VÝ dô: ThiÕt bÞ kiÓu th¸p, thiÕt bÞ kiÓu quay, thiÕt bÞ kiÓu tÇng s«i, thiÕt bÞ cã t−íi dung m«i, thiÕt bÞ lo¹i nghiªng cã bé phËn vËn chuyÓn b»ng vÝt t¶i…

Mét sè thiÕt bÞ chiÕt xuÊt cô thÓ 5.1. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n C¸c thiÕt bÞ chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n th−êng cã d¹ng buång (d¹ng hép), gåm: −

ThiÕt bÞ cã khuÊy b»ng: c¬ häc, thuû lùc, hoÆc thuû c¬ kÕt hîp.

−

ThiÕt bÞ cã líp vËt liÖu ®øng yªn: cã tuÇn hoμn hoÆc kh«ng tuÇn hoμn dung m«i.

5.1.1. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n lo¹i cã khuÊy trén • S¬ ®å thiÕt bÞ: H×nh 14.1. • CÊu t¹o: ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt kiÓu hép cã d¹ng h×nh èng trô, cã ®¸y ph¼ng hoÆc ®¸y nãn, ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp kh«ng gØ hoÆc thÐp cã tr¸ng men hoÆc tr¸ng mét hay mét vμi líp vËt liÖu chèng ¨n mßn. 5.1.2. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n lo¹i cã líp vËt liÖu ®øng yªn

H×nh 14.1. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt kiÓu hép cã khuÊy. 1. §¸y gi¶ cã khoan lç (l−íi läc) 2. C¸nh khuÊy.

• S¬ ®å thiÕt bÞ: H×nh 14.2. • CÊu t¹o: Th−êng lμ thiÕt bÞ lo¹i ®øng, phÇn chÝnh cña thiÕt bÞ cã d¹ng h×nh trô, mét ®Çu hoÆc c¶ hai ®Çu cã d¹ng h×nh nãn côt. §Çu trªn dïng ®Ó n¹p liÖu, ®¸y d−íi dïng ®Ó th¸o b·. Th−êng cã ®Öm c¬ häc ®Æc biÖt hoÆc ®Öm thuû lùc ®Ó l¾p ®¸y vμ ®Ønh cho kÝn khÝt. L−íi läc th−êng ®−îc l¾p ë phÝa trªn cña ®¸y d−íi. 163

• ¦u nh−îc ®iÓm chung cña thiÕt bÞ chiÕt xuÊt gi¸n ®o¹n: −

¦u ®iÓm: +

ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o, chiÕm Ýt diÖn tÝch l¾p ®Æt.

DÔ vËn hμnh, dÔ söa ch÷a.

−

Nh−îc ®iÓm: +

ThiÕt bÞ lμm viÖc gi¸n ®o¹n, n¨ng suÊt thÊp.

Lao ®éng thñ c«ng (giai ®o¹n n¹p liÖu, th¸o b·).

Qu¸ tr×nh kh«ng tù ®éng ho¸ ®−îc.

H×nh 14.2. ThiÕt bÞ chiÕt cã l−íi läc h×nh nãn côt ë phÝa d−íi 1. N¾p 2. L−íi bæ sung

5.2.2. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt b¸n liªn tôc • S¬ ®å hÖ thèng thiÕt bÞ:H×nh 14.3a, 14.3b, 14.3c.

H×nh 14.3a. HÖ thèng thiÕt bÞ chiÕt xuÊt b¸n liªn tôc (Lóc b¾t ®Çu, thiÕt bÞ sè 1 lµ thiÕt bÞ ®Çu)

164

3. L−íi chÝnh 4. Th©n thiÕt bÞ.

H×nh 14.3b. ThiÕt bÞ sè 1 ®ang th¸o b· vµ dung m«i

H×nh 14.3c. ThiÕt bÞ sè 2 lµ thiÕt bÞ ®Çu, thiÕt bÞ sè 1 lµ thiÕt bÞ cuèi.

165

• CÊu t¹o: HÖ thèng bao gåm mét d·y c¸c thiÕt bÞ lμm viÖc gi¸n ®o¹n ®−îc l¾p nèi tiÕp nhau. Mét d·y cã thÓ bao gåm tõ 4-16 thiÕt bÞ.

• Nguyªn lý lμm viÖc: Tr−íc tiªn tÊt c¶ c¸c thiÕt bÞ ®Òu ®−îc n¹p d−îc liÖu vμ dung m«i, d−îc liÖu ®−îc ng©m vμo dung m«i trong mét kho¶ng thêi gian x¸c ®Þnh. Sau ®ã, khi ®· ®¹t ®−îc ®ñ ®é ®Ëm ®Æc, tõ thiÕt bÞ cuèi dÞch chiÕt ®−îc ®−a vμo b×nh chøa, ®ång thêi dung m«i sÏ ®−îc liªn tôc ®−a vμo tuÇn tù tõ thiÕt bÞ ®Çu ®Õn thiÕt bÞ cuèi (H×nh 14.3a). Cho ®Õn khi d−îc liÖu trong thiÕt bÞ sè 1 ®−îc chiÕt kiÖt th× thiÕt bÞ sè 1 sÏ ®−îc th¸o dung m«i vμ b·, råi l¹i ®−îc n¹p d−îc liÖu míi vμo (H×nh 14.3b). TiÕp theo thiÕt bÞ sè 1 sÏ trë thμnh thiÕt bÞ cuèi vμ thiÕt bÞ sè 2 sÏ trë thμnh thiÕt bÞ ®Çu (H×nh 14.3c). T¹i thiÕt bÞ sè 2, sau khi d−îc liÖu ®−îc chiÕt kiÖt th× dung m«i vμ b· sÏ ®−îc th¸o ra, råi d−îc liÖu míi l¹i ®−îc n¹p vμo. Lóc nμy thiÕt bÞ sè 2 l¹i trë thμnh thiÕt bÞ cuèi, cßn thiÕt bÞ sè 3 l¹i trë thμnh thiÕt bÞ ®Çu, … Qu¸ tr×nh cø tiÕp tôc nh− thÕ cho ®Õn khi kÕt thóc (hÕt d−îc liÖu).

• ¦u nh−îc ®iÓm cña hÖ thèng thiÕt bÞ: −

¦u ®iÓm: Líp nguyªn liÖu trong thiÕt bÞ tõ ®Çu ®Õn cuèi qu¸ tr×nh kh«ng bÞ nghiÒn n¸t, do ®ã chÊt l−îng dÞch chiÕt tèt, chÕ ®é thuû ®éng tèt.

−

Nh−îc ®iÓm: +

HÖ thèng thiÕt bÞ cång kÒnh, tèn diÖn tÝch l¾p ®Æt, tèn kim lo¹i chÕ t¹o.

Lao ®éng thñ c«ng, khã vËn hμnh qu¸ tr×nh.

Kh«ng c¬ giíi ho¸, kh«ng tù ®éng ho¸ qu¸ tr×nh ®−îc.

5.3. ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt liªn tôc ¦u nh−îc ®iÓm chung (so víi thiÕt bÞ gi¸n ®o¹n vμ b¸n liªn tôc) −

−

166

¦u ®iÓm: +

Lo¹i bá ®−îc lao ®éng ch©n tay (th¸o b·, n¹p liÖu).

Cã thÓ tù ®éng ho¸, t¹o thiÕt bÞ thμnh mét thÓ thèng nhÊt cã n¨ng suÊt cao.

Lμm t¨ng hÖ sè chuyÓn khèi. Nh−îc ®iÓm: Do dung m«i vμ vËt r¾n ®−îc khuÊy trén theo chiÒu däc, nªn trËt tù vËt r¾n bÞ ph¸ huû, do ®ã qu¸ tr×nh chuyÓn khèi x¶y ra kh«ng ®ång ®Òu.

D−íi ®©y lμ mét sè thiÕt bÞ chiÕt xuÊt liªn tôc th−êng gÆp: ThiÕt bÞ chiÕt kiÓu th¸p ®øng Nãi chung, thiÕt bÞ chiÕt xuÊt liªn tôc th−êng ®−îc sö dông lμ thiÕt bÞ kiÓu th¸p. Cã thÓ cã lo¹i th¸p mét cét, th¸p hai cét, th¸p ba cét hoÆc th¸p nhiÒu cét. 5.3.1. Th¸p chiÕt lo¹i mét cét

• S¬ ®å:

1. Vá th©n th¸p 2. Trôc quay 3. TÊm truyÒn t¶i 4. TÊm h·m cè ®Þnh 5. L−íi ph©n phèi

H×nh 14.4a. Th¸p mét cét cã bé phËn vËn chuyÓn lo¹i tÊm

• CÊu t¹o: Th¸p cã h×nh trô, tiÕt diÖn th¸p lμ h×nh trßn. ë h×nh 14.4a, çc çnh d¹ng tÊm (3) ®−îc g¾n theo h×nh xo¾n èc trªn trôc rçng th¼ng ®øng (2); çc çnh h·m cè ®Þnh g¾n trªn th©n thiÕt bÞ, ë kho¶ng gi÷a çc tÊm (3), cã t¸c dông lμm c¶n trë sù quay cña pha r¾n cïng víi trôc quay. ë h×nh 14.4b, bé phËn vËn chuyÓn cña th¸p lμ trôc vÝt, trong kho¶ng kh«ng gian gi÷a çc çnh h×nh xo¾n èc lμ çc çnh h·m, ®−îc g¾n cè ®Þnh vμo th©n thiÕt bÞ. • Nguyªn lý lμm viÖc: Pha r¾n ®−îc ®−a vμo th¸p tõ d−íi lªn nhê mét b¬m chuyªn dïng, dung m«i ®−îc ®−a tõ trªn xuèng, hai pha chuyÓn ®éng ng−îc chiÒu. ChÕ ®é lμm viÖc liªn tôc. B· pha r¾n ®−îc ®−a ra khái th¸p ë phÝa trªn, dÞch chiÕt ®−îc läc qua l−íi (5) ë phÝa d−íi, råi ®−îc ®−a ®i tinh chÕ tiÕp. Qu¸ tr×nh chuyÓn khèi x¶y ra rÊt m·nh liÖt ë phÇn gi÷a cña th¸p, ë ®ã çc h¹t r¾n l¬ löng tù do trong 167

pha láng. ë gÇn ®Ønh vμ ®¸y th¸p, c¸c h¹t r¾n bÞ Ðp s¸t vÒ phÝa l−íi ph©n phèi hoÆc vÒ phÝa bé phËn th¸o liÖu. ë ®©y c−êng ®é qu¸ tr×nh chuyÓn khèi bÞ gi¶m ®i nhiÒu lÇn. Sù ph©n bè gi¸ trÞ cña hÖ sè chuyÓn khèi ®−îc thÓ hiÖn trªn s¬ ®å h×nh 14.5 vμ cã thÓ ®−îc gi¶i thÝch nh− sau:

H×nh 14.4b. Th¸p cã bé phËn vËn chuyÓn b»ng trôc vÝt

H×nh 14.5. S¬ ®å biÕn ®æi HSCK theo chiÒu dµi cña th¸p lo¹i mét cét

ë phÇn d−íi th¸p, líp vËt r¾n bÞ nÐn chÆt do th¸o dÞch chiÕt ra khái th¸p, do ®ã lμm xÊu ®i chÕ ®é thuû ®éng khi dÞch chiÕt ch¶y vßng qua h¹t r¾n. HÖ sè chuyÓn khèi nhá. ë phÇn gi÷a th¸p, chÕ ®é thuû ®éng cña qu¸ tr×nh th−êng lμ tèi −u nhÊt. ë ®©y, hçn hîp hai pha r¾n láng ®−îc khuÊy trén tèt b»ng bé phËn vËn chuyÓn vμ ®−îc ph©n phèi ®Òu theo tiÕt diÖn cña th¸p, mμ ®iÒu nμy kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc ë phÇn d−íi cña th¸p. Gi¸ trÞ cña hÖ sè chuyÓn khèi ë vïng nμy ®¹t ®−îc gi¸ trÞ cùc ®¹i. ë phÇn trªn cña th¸p, n¬i mμ nh÷ng h¹t r¾n bÞ nghiÒn n¸t nhÊt, bÞ dÝnh bÕt vμo nhau, h×nh thμnh c¸c côc vãn mμ dßng chÊt láng kh«ng len ®−îc vμo bªn trong, hiÖn t−îng ®ã ®−îc gäi lμ hiÖn t−îng "tr−ît". HiÖn t−îng t−¬ng tù còng x¶y ra khi hai pha r¾n-láng t¸c dông t−¬ng hç víi nhau qu¸ m·nh liÖt. T¶i träng riªng ë vïng nμy t¨ng, líp r¾n bÞ nÐn chÆt, lμm gi¶m bÒ mÆt ho¹t ®éng cña pha r¾n, lμm xÊu ®i chÕ ®é thuû ®éng cña qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. HÖ sè chuyÓn khèi ë vïng nμy bÞ gi¶m. 168

• ¦u nh−îc ®iÓm: −

−

¦u ®iÓm: ¦u ®iÓm chung cña lo¹i th¸p mét cét lμ: +

Qu¸ tr×nh x¶y ra trong th¸p lμ liªn tôc vμ ng−îc chiÒu.

Toμn pha r¾n ®−îc trén lÉn trong pha láng, do ®ã diÖn tÝch tiÕp xóc pha lín.

ThiÕt bÞ gän, chiÕm Ýt diÖn tÝch l¾p ®Æt, tèn Ýt kim lo¹i chÕ t¹o.

TÊt c¶ kho¶ng kh«ng gian trong thiÕt bÞ ®Òu ®−îc sö dông h÷u Ých. Nh−îc ®iÓm: Khi chiÕt xuÊt, cÇn ph¶i xay nhá pha r¾n. Tuy nhiªn trong th¸p chiÕt xuÊt cã trôc vÝt; khi vËn chuyÓn, pha r¾n ®ång thêi bÞ nghiÒn vôn thªm, do ®ã lμm xÊu ®i chÕ ®é thuû ®éng cña qu¸ tr×nh.

5.3.2. Th¸p hai cét cã bé phËn vËn chuyÓn b»ng xÝch truyÒn t¶i (th¸p ch÷ U ®¸y trßn) • S¬ ®å: H×nh 14.6

1. §o¹n uèn cong; 2. Cét ®øng; 3. Con l¨n xÝch; 4. Khung 5. Tang trèng dÉn ®éng

H×nh 14.6. ThiÕt bÞ chiÕt hai cét cã bé phËn vËn chuyÓn b»ng xÝch

169

• CÊu t¹o: PhÇn d−íi cña th¸p cã ®o¹n 1 lμ ®o¹n chuyÓn tiÕp ®−îc uèn trßn gãc. Toμn bé tiÕt diÖn cña th¸p ®Òu lμ h×nh vu«ng. Bªn trong th¸p, xÝch chuyÓn ®éng ®−îc nhê çc con l¨n. Trªn xÝch, cø theo mét ®o¹n nhÊt ®Þnh (0,5-0,6 m), ng−êi ta g¾n cè ®Þnh nh÷ng khung h×nh vu«ng, mμ trªn ®ã cã c¨ng çc b¨ng t¶i. B¨ng t¶i chuyÓn ®éng ®−îc nhê ®éng c¬ ®iÖn, qua c¬ cÊu truyÒn ®éng lμ tang trèng 5. • Nguyªn lý lμm viÖc: ë ®©y hai pha còng chuyÓn ®éng ng−îc chiÒu. ChÕ ®é lμm viÖc liªn tôc. D−îc liÖu ®−îc ph©n bè gi÷a çc khung, do ®ã khi chuyÓn ®éng chóng kh«ng bÞ biÕn d¹ng, ®©y lμ −u ®iÓm lín cña th¸p lo¹i nμy. ë cét n¹p liÖu ®øng, ®iÒu kiÖn cña qu¸ tr×nh chuyÓn khèi ®Æc biÖt thuËn lîi, bëi v× líp d−îc liÖu trªn khung ®−îc ph©n bè mét çch ®ång ®Òu. Tuy nhiªn, khi chuyÓn ®éng qua ®o¹n th¸p uèn cong, d−îc liÖu bÞ ®¶o trén t−¬ng ®èi bëi çc khung, do ®ã t¹o kh¶ n¨ng cho dung m«i ®i trªn líp d−îc liÖu. ë cét chiÕt xuÊt, l−îng d−îc liÖu cßn l−u l¹i trªn khung bÞ gi¶m ®i vμ bÞ ph©n bè mét çch kh«ng ®ång ®Òu. B· d−îc liÖu tr−íc khi ra khái th¸p ®−îc röa b»ng l−îng dung m«i míi vμo. DÞch chiÕt tr−íc khi ra khái th¸p tiÕp xóc víi d−îc liÖu míi vμo nªn dÞch chiÕt cμng ®Ëm ®Æc. • ¦u nh−îc ®iÓm: Ngoμi nh÷ng −u nh−îc ®iÓm chung cña thiÕt bÞ chiÕt liªn tôc, lo¹i th¸p nμy cßn cã nh÷ng ®Æc ®iÓm sau: −

¦u ®iÓm: D−îc liÖu kh«ng bÞ nghiÒn n¸t, do ®ã chÊt l−îng dÞch chiÕt tèt.

−

Nh−îc ®iÓm: §−îc liÖu ph©n phèi trong th¸p kh«ng ®Òu, cÊu t¹o thiÕt bÞ kh¸ phøc t¹p.

5.3.3. Th¸p chiÕt ba cét cã bé phËn vËn chuyÓn b»ng vÝt t¶i (th¸p ch÷ U ®¸y vu«ng) • S¬ ®å: H×nh 14.7. • CÊu t¹o: Th¸p cã ba cét nh− h×nh vÏ. C¶ ba cét ®Òu cã vÝt xo¾n. VÝt xo¾n (4) cña cét tiÕp liÖu vμ vÝt xo¾n (5) cña cét chiÕt xuÊt ®Òu ®−îc treo nhê trôc dùa trªn c¸c æ chÆn. PhÇn trªn cña cét tiÕp liÖu cã l−íi h×nh trô (6) ®Ó t¸ch dÞch chiÕt ra khái pha r¾n khi ®i ra khái th¸p. Th¸p chiÕt xuÊt kiÓu nμy ®−îc sö dông phæ biÕn trong c«ng nghiÖp d−îc, c«ng nghiÖp ho¸ häc vμ c«ng nghiÖp thùc phÈm.

170

H (m)

H×nh 14.7. Th¸p chiÕt 3 cét 1. Cét tiÕp liÖu; 2. Cét n»m ngang; 3. Cét chiÕt xuÊt; 4,5. VÝt t¶i; 6.L−íi ph©n phèi

H×nh 14.8. S¬ ®å biÕn ®æi hÖ sè chuyÓn khèi theo chiÒu dµi cña th¸p ba cét cã bé phËn vËn chuyÓn b»ng vÝt xo¾n.

• Nguyªn lý lμm viÖc: Nguyªn liÖu ®−îc ®−a vμo cét tiÕp liÖu, b· ®−îc th¸o ra ë phÇn trªn cña cét chiÕt xuÊt. Hai pha chuyÓn ®éng ng−îc chiÒu, liªn tôc. Dung m«i ®−îc ®−a vμo ë phÇn ®Çu cña cét chiÕt xuÊt, dÞch chiÕt ®−îc lÊy ra ë phÇn trªn cña cét tiÕp liÖu. C−êng ®é qu¸ tr×nh chuyÓn khèi theo chiÒu dμi thiÕt bÞ cã sù thay ®æi lín (H×nh 14.8) vμ cã ®Æc ®iÓm sau: +

ë cét tiÕp liÖu: HÖ sè chuyÓn khèi (HSCK) gi¶m

ë cét n»m ngang: HSCK ®−îc t¨ng lªn mét chót

ë cét chiÕt xuÊt: Lóc ®Çu HSCK gi¶m kh«ng nhiÒu, sau ®ã t¨ng lªn ®ét ngét.

• ¦u nh−îc ®iÓm: −

¦u ®iÓm: +

CÊu t¹o ®¬n gi¶n, chiÕm Ýt diÖn tÝch l¾p ®Æt, tèn Ýt kim lo¹i chÕ t¹o.

Toμn bé thÓ tÝch thiÕt bÞ ®Òu ®−îc sö dông mét c¸ch h÷u hiÖu.

DÔ b¶o d−ìng, dÔ söa ch÷a. 171

−

Nh−îc ®iÓm: D−îc liÖu bÞ nghiÒn n¸t m¹nh, mét vμi d¹ng (®Æc biÖt lμ th¶o d−îc) bÞ Ðp l¹i, g©y vãn côc, lμm gi¶m bÒ mÆt tiÕp xóc pha. D−îc liÖu cßn bÞ xo¾n chÆt vμo trôc vÝt, còng lμm gi¶m bÒ mÆt tiÕp xóc pha, lμm xÊu ®i chÕ ®é thuû ®éng cña qu¸ tr×nh. Do ®ã dÞch chiÕt bÞ lÉn t¹p, hÖ sè chuyÓn khèi bÞ gi¶m.

ThiÕt bÞ chiÕt kiÓu nghiªng 5.3.4. ThiÕt bÞ chiÕt liªn tôc lo¹i nghiªng, cã hai vÝt xo¾n • S¬ ®å: H×nh 14.9

1,2. Trôc cña vÝt t¶i; 3. C¸nh vÝt

H×nh 14.9: ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt lo¹i nghiªng, cã hai vÝt t¶i

• CÊu t¹o: ThiÕt bÞ ®−îc ®Æt nghiªng t¹o thμnh h×nh lßng m¸ng, cã vá bäc bªn ngoμi ®Ó gia nhiÖt b»ng h¬i. Trong th©n cã ®Æt hai trôc vÝt quay vμo nhau, t¹o thμnh h×nh ω t¹i tiÕt diÖn ngang. Trôc vÝt ®−îc dùa trªn mét lo¹t æ gèi ®ì, ®Æt ®Òu ®Æn theo chiÒu dμi cña thiÕt bÞ. Çc vÝt cña guång xo¾n ®−îc lång çi nä vμo çi kia mét çch kh«ng hoμn toμn, nh»m ng¨n ngõa çc h¹t bÞ quay cïng guång xo¾n. PhÝa tr−íc cña ®Çu d−íi cña thμnh thiÕt bÞ cã ®Æt l−íi, l−íi nμy cïng víi thμnh thiÕt bÞ t¹o thμnh mét khoang, dïng ®Ó t¸ch dÞch chiÕt. L−íi 172

läc ®−îc lμm s¹ch nhê t¸c dông quay cña l−ìi cμo. PhÝa trªn ë phÇn ®Çu cña thiÕt bÞ cã ®Æt phÔu tiÕp liÖu. Guång xo¾n quay ®−îc lμ nhê hai bé phËn truyÒn ®éng ®Æc biÖt, ®−îc ®Æt dùa vμo thμnh ë ®Çu d−íi vμ ®Çu trªn cña thiÕt bÞ. B¸nh xe cïng víi gμu móc ®−îc dïng ®Ó th¸o b· r¾n ra khái ®Çu trªn cña thiÕt bÞ. Dung m«i ®−îc ®−a vμo thiÕt bÞ nhê cã èng quay ®Æc biÖt, cã vßi phun vμo ®Çu trªn thiÕt bÞ, phun lªn trªn vÝt xo¾n ë vÞ trÝ cao nhÊt. §iÓm ®Æc biÖt chñ yÕu vÒ cÊu t¹o cña thiÕt bÞ nμy lμ nã ®−îc chia thμnh n¨m ®o¹n gièng nhau, mμ chç nèi cña nã ®−îc ®Æt trªn æ trôc. • Nguyªn lý lμm viÖc: ThiÕt bÞ nμy cã kh¶ n¨ng vËn chuyÓn vËt liÖu theo däc trôc, gièng nh− m« h×nh lo¹i th¸p. Sù biÕn ®æi hÖ sè chuyÓn khèi däc theo chiÒu dμi cña thiÕt bÞ lo¹i hai vÝt t¶i cã qui luËt riªng biÖt cña nã, cã liªn quan tíi cÊu t¹o ®Æc biÖt cña lo¹i thiÕt bÞ nμy. Sù biÕn ®æi nμy ®−îc thÓ hiÖn trªn s¬ ®å h×nh 14.10. §Æc tr−ng chuyÓn ®éng cña hai pha r¾n láng trong mçi ®o¹n H×nh 14.10. S¬ ®å biÕn ®æi HSCK theo cña thiÕt bÞ vμ ë chç nèi cña c¸c chiÒu dµi th¸p nghiªng, cã hai vÝt xo¾n ®o¹n, n¬i x¶y ra qu¸ tr×nh chuyÓn khèi m·nh liÖt, cã sù kh¸c biÖt ®¸ng kÓ. C−êng ®é chuyÓn khèi ®¹t cùc ®¹i ë chç gÇn víi chç gi¸n ®o¹n cña vÝt t¶i. HÖ sè chuyÓn khèi ®¹t gi¸ trÞ nhá nhÊt ë phÇn gi÷a mçi ®o¹n cña thiÕt bÞ, n¬i mμ nh÷ng h¹t r¾n ®−îc khuÊy trén kÐm m¹nh nhÊt. ViÖc gi¶m c−êng ®é chuyÓn khèi ë phÇn cuèi thiÕt bÞ, cïng víi nh÷ng yÕu tè, cã liªn quan ®Õn sù thay ®æi tÝnh chÊt vËt liÖu r¾n, nhÊt lμ viÖc ph¸ huû thªm nh÷ng h¹t r¾n g©y ra do khuÊy trén m¹nh ë t¹i nh÷ng chç nèi c¸c ®o¹n cña thiÕt bÞ, dÉn ®Õn lμm xÊu ®i chÕ ®é thuû ®éng cña qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt. • ¦u nh−îc ®iÓm: −

¦u ®iÓm: +

CÊu t¹o t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n.

DÔ vËn hμnh, dÔ söa ch÷a.

−

Nh−îc ®iÓm: +

VËt r¾n bÞ nghiÒn n¸t m¹nh, do ®ã chÊt l−îng dÞch chiÕt kÐm

Khã t¹o ®−îc chÕ ®é nhiÖt cÇn thiÕt (nhÊt lμ ®èi víi th¸p cã kÝch th−íc lín).

173

5.3.5. ThiÕt bÞ chiÕt kiÓu t−íi • S¬ ®å: H×nh 14.11.

H×nh 14.11. ThiÕt bÞ chiÕt kiÓu t−íi cã b¨ng t¶i n»m ngang 1. Vá; 2. Boongke; 3. §Üa xÝch; 4. B¨ng t¶i; 5. PhÔu høng; 6. B¬m; 7. Vßi phun (èng t−íi).

• CÊu t¹o: Theo nguyªn t¾c cÊu t¹o, thiÕt bÞ d¹ng t−íi ®−îc chia thμnh lo¹i b¨ng t¶i, gÇu t¶i vμ vÝt t¶i. ë ®©y do ph¹m vi h¹n chÕ cña gi¸o tr×nh, chóng ta chØ nghiªn cøu thiÕt bÞ chiÕt kiÓu t−íi cã b¨ng t¶i n»m ngang. ThiÕt bÞ cã vá thÐp (1). Bªn trong vá, ng−êi ta ®Æt b¨ng chuyÒn (4), mμ tÊm t¶i ®−îc g¾n chÆt vμo hai c¸i xÝch - truyÒn ®éng ®−îc nhê sù chuyÓn ®éng cña ®Üa xÝch (3). B¨ng t¶i cã gê cøng vμ trªn ®ã ng−êi ta ®Æt lo¹i tÊm cã ®ôc lç. • Nguyªn lý lμm viÖc: §−a d−îc liÖu vμo th¸p qua boongke (2), d−îc liÖu dÞch chuyÓn ®−îc nhê chiÒu cao líp d−îc liÖu lμ 0,6-1,2 m theo ph−¬ng th¼ng ®øng, phÝa trªn cña b¨ng t¶i. PhÝa trªn cña líp d−îc liÖu ng−êi ta ®Æt nh÷ng vßi phun 7 (èng t−íi), ®Ó ®¶m b¶o ph©n phèi ®Òu dung m«i lªn trªn líp d−îc liÖu. PhÝa d−íi b¨ng t¶i ng−êi ta ®Æt nh÷ng phÔu høng (5), vμ dÞch chiÕt sau khi ®· ch¶y qua líp d−îc liÖu sÏ ch¶y vμo phÔu. Sè phÔu b»ng sè bËc chiÕt xuÊt. Tõ mçi mét phÔu, chÊt láng sÏ ch¶y vμo mét b¬m ly t©m t−¬ng øng, b¬m ®ã sÏ ®Èy chÊt láng vμo mçi vßi phun nhÊt ®Þnh. Khi ®ã chÊt láng th−êng h−íng kh«ng ph¶i lªn trªn ®o¹n mμ d−íi ®ã nã ®−îc tËp trung l¹i, mμ h−íng lªn trªn ®o¹n kÒ bªn (l©n cËn) 174

®−îc ®Æt theo h−íng ng−îc víi chiÒu chuyÓn ®éng cña b¨ng t¶i, do ®ã ®¶m b¶o sù chuyÓn chÊt láng tõ bËc nμy sang bËc kh¸c theo nguyªn t¾c ng−îc dßng. Líp d−îc liÖu n»m trªn b¨ng t¶i cã chiÒu dμy kh«ng lín vμ kh«ng bÞ biÕn d¹ng. Qu¸ tr×nh trong thiÕt bÞ x¶y ra theo mét s¬ ®å phøc t¹p: dßng ch¶y trªn mçi ®o¹n, thùc tÕ qu¸ tr×nh ®−îc khuÊy trén hoμn toμn vμ lμ ng−îc chiÒu khi chuyÓn tõ ®o¹n nμy sang ®o¹n kh¸c. • ¦u nh−îc ®iÓm: −

¦u ®iÓm: +

D−îc liÖu Ýt bÞ biÕn d¹ng, chÊt l−îng dÞch chiÕt tèt.

D−îc liÖu ®−îc t−íi ®Òu dung m«i, bÒ mÆt tiÕp xóc pha tèt.

−

Nh−îc ®iÓm: +

CÊu t¹o thiÕt bÞ phøc t¹p

Tèn kim lo¹i chÕ t¹o

Kh«ng sö dông hÕt thÓ tÝch thiÕt bÞ

Khã vËn hμnh, khã söa ch÷a

Tãm l¹i: ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt rÊt ®a d¹ng vÒ cÊu t¹o lμ do nguyªn liÖu ®Ó chiÕt cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau. VÝ dô: §èi víi lo¹i nguyªn liÖu dÔ bÞ ph¸ huû trong qu¸ tr×nh chiÕt th× nªn dïng thiÕt bÞ d¹ng t−íi. §èi víi lo¹i nguyªn liÖu dÔ bÞ dÝnh bÕt, vãn côc th× nªn sö dông th¸p chiÕt lo¹i nhiÒu cét hoÆc lo¹i cã hai vÝt xo¾n. CÇn chó ý lμ kh«ng cã mét lo¹i cÊu t¹o thiÕt bÞ nμo l¹i ®¸p øng ®−îc ®Çy ®ñ c¸c yªu cÇu kü thuËt ®èi víi thiÕt bÞ lμ: +

§¶m b¶o ®−îc chÕ ®é ch¶y ng−îc dßng víi trë lùc khuÕch t¸n ngoμi nhá khi nguyªn liÖu cã kÝch th−íc mÞn.

Tèn Ýt l−îng kim lo¹i ®Ó chÕ t¹o thiÕt bÞ.

ChiÕm Ýt diÖn tÝch l¾p ®Æt thiÕt bÞ.

CÊu t¹o thiÕt bÞ ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o.

DÔ vËn hμnh, dÔ b¶o d−ìng, dÔ söa ch÷a.

Tù l−îng gi¸ 1. Nªu tÇm quan träng cña chiÕt xuÊt d−îc liÖu. 2. KÓ ra nh÷ng nguyªn liÖu cña chiÕt xuÊt d−îc liÖu. 175

3. ThÕ nμo lμ qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ph©n tö, qu¸ tr×nh thÈm thÊu, qu¸ tr×nh thÈm tÝch. 4. Tr×nh bμy ®Þnh luËt Fick. Nªu øng dông cña ®Þnh luËt Fick. 5. Ph©n tÝch nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt d−îc liÖu. 6. M« t¶ c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt: gi¸n ®o¹n, b¸n liªn tôc, liªn tôc (kh¸i niÖm, s¬ ®å, c¸ch tiÕn hμnh, −u nh−îc ®iÓm). 7. So s¸nh gi÷a hai ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt víi nhau (nªu lªn nh÷ng ®iÓm gièng nhau vμ kh¸c nhau). −

Gi¸n ®o¹n vμ liªn tôc.

−

Gi¸n ®o¹n vμ b¸n liªn tôc.

−

B¸n liªn tôc vμ liªn tôc.

8. Ph©n lo¹i thiÕt bÞ chiÕt xuÊt. 9. Tr×nh bμy thiÕt bÞ chiÕt xuÊt b¸n liªn tôc (s¬ ®å, cÊu t¹o, nguyªn lý lμm viÖc, −u nh−îc ®iÓm). 10. Tr×nh bμy th¸p chiÕt xuÊt lo¹i mét cét (s¬ ®å, cÊu t¹o, nguyªn lý lμm viÖc, −u nh−îc ®iÓm). 11. Tr×nh bμy th¸p chiÕt xuÊt lo¹i hai cét (th¸p ch÷ U trßn) (s¬ ®å, cÊu t¹o, nguyªn lý lμm viÖc, −u nh−îc ®iÓm). 12. Tr×nh bμy th¸p chiÕt xuÊt lo¹i ba cét (th¸p ch÷ U vu«ng) (s¬ ®å, cÊu t¹o, nguyªn lý lμm viÖc, −u nh−îc ®iÓm). 13. Tr×nh bμy thiÕt bÞ chiÕt liªn tôc kiÓu nghiªng, lo¹i cã hai vÝt xo¾n (s¬ ®å, cÊu t¹o, nguyªn lý lμm viÖc, −u nh−îc ®iÓm). 14. So s¸nh gi÷a hai thiÕt bÞ chiÕt xuÊt liªn tôc víi nhau (nªu lªn nh÷ng ®iÓm gièng nhau, kh¸c nhau vÒ cÊu t¹o, chÕ ®é lμm viÖc, chiÒu chuyÓn ®éng cña hai pha vμ vÒ nh÷ng ®iÓm ®Æc tr−ng cho thiÕt bÞ).

176

Ch−¬ng 15

Mét sè qu¸ tr×nh th−êng gÆp ë giai ®o¹n tinh chÕ

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ l¾ng, läc, kÕt tinh, hÊp phô. 2. Sù l¾ng cña mét h¹t ®¬n chiÕc vμ sù l¾ng cña khèi h¹t. 3. Nh÷ng yÕu tè cã ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh läc. 4. Qu¸ tr×nh h×nh thμnh tinh thÓ. 5. C¸c tr−êng hîp hÊp phô trªn bÒ mÆt vËt r¾n - dung dÞch.

1. L¾ng 1.1. Kh¸i niÖm Trong chiÕt xuÊt d−îc liÖu, nhiÒu qu¸ tr×nh s¶n xuÊt t¹o ra nh÷ng hçn hîp kh«ng ®ång nhÊt, cÇn ph¶i t¸ch ra. HÖ kh«ng ®ång nhÊt ®ã lμ hçn hîp çc chÊt ë çc tr¹ng th¸i kh¸c nhau, th−êng gÆp lμ huyÒn phï (láng - r¾n) hoÆc nhò t−¬ng (láng - láng). Ch¼ng h¹n khi chiÕt strychnin tõ h¹t m· tiÒn b»ng dung m«i h÷u c¬ lμ dÇu háa, ta thu ®−îc dÞch chiÕt lμ çc alcaloid tan trong dung m«i h÷u c¬. §Ó thu håi l¹i dung m«i h÷u c¬, ta cÇn ph¶i chuyÓn çc alcaloid ë d¹ng base sang d¹ng muèi tan trong n−íc b»ng çch cho thªm dung dÞch acid vμo dÞch chiÕt. Khi ®ã ta sÏ thu ®−îc mét hÖ gåm hai pha láng - láng (hÖ nhò t−¬ng) kh«ng tan lÉn vμo nhau lμ pha n−íc vμ pha dung m«i h÷u c¬. §Ó l¾ng mét thêi gian nhÊt ®Þnh, pha dung m«i nhÑ h¬n sÏ næi lªn trªn, pha n−íc nÆng h¬n sÏ l¾ng xuèng phÝa d−íi. Gi÷a hai pha sÏ xuÊt hiÖn bÒ mÆt ph©n chia pha. B»ng çch g¹n ta sÏ t¸ch ®−îc hai pha láng ra khái nhau. Lóc nμy ta sÏ thu ®−îc pha n−íc lμ muèi cña çc alcaloid tan trong n−íc. Cho dung dÞch kiÒm vμo, çc alcaloid toμn phÇn sÏ ®−îc t¸ch d−íi d¹ng tña, khi ®ã sÏ t¹o thμnh hÖ hai pha r¾n - láng (huyÒn phï). §Ó l¾ng mét thêi gian pha r¾n nÆng h¬n sÏ l¾ng xuèng phÝa d−íi, b»ng çch g¹n ta còng sÏ t¸ch ®−îc hai pha ra khái nhau. 177

L¾ng huyÒn phï lμ qu¸ tr×nh t¸ch h¹t r¾n trong huyÒn phï nhê träng lùc cña h¹t. Th−êng huyÒn phï th« th× dÔ l¾ng, d−íi t¸c dông cña träng lùc, h¹t r¾n trong huyÒn phï sÏ l¾ng xuèng ®¸y t¹o thμnh líp b·, phÇn n−íc trong ë trªn sÏ ®−îc t¸ch ra b»ng çch g¹n hoÆc cho ch¶y ra b»ng çch hót xi ph«ng hoÆc cho ch¶y trμn qua gê ra ngoμi. Khi huyÒn phï qu¸ lo·ng çc h¹t r¾n sÏ l¾ng riªng lÎ vμ kh«ng ¶nh h−ëng lÉn nhau, khi ®ã ta sÏ cã qu¸ tr×nh l¾ng ®¬n chiÕc. 1.2. Sù l¾ng cña mét h¹t riªng lÎ (l¾ng ®¬n chiÕc) 1.2.1. Tèc ®é l¾ng §Ó ®¬n gi¶n ta xÐt hÖ huyÒn phï th«, h¹t r¾n cã kh¶ n¨ng l¾ng d−íi t¸c dông cña lùc träng tr−êng. Gi¶ thiÕt h¹t r¾n sÏ l¾ng trong m«i tr−êng láng tÜnh, h¹t r¾n cã d¹ng h×nh cÇu, kÝch th−íc vμ khèi l−îng kh«ng ®æi trong qu¸ tr×nh l¾ng. Ta biÕt mét h¹t r¾n sÏ l¾ng ®−îc trong huyÒn phï do lùc träng tr−êng khi khèi l−îng riªng cña h¹t lín h¬n khèi l−îng riªng cña huyÒn phï. XÐt çc lùc t¸c dông vμo h¹t r¾n khi l¾ng, ta cã s¬ ®å:

P : Träng lùc cña h¹t S1 : Lùc ma s¸t S2 : Lùc ®Èy Acsimet R : Lùc c¶n cña m«i tr−êng láng.

H×nh 15.1. S¬ ®å l¾ng trong m«i tr−êng láng

Ta cã: R = S1 + S2 −

NÕu R > P, lùc c¶n lín h¬n träng lùc, h¹t r¾n sÏ l¬ löng trong pha láng.

−

NÕu P > R, träng lùc lín h¬n lùc c¶n, h¹t r¾n sÏ chuyÓn ®éng xuèng phÝa d−íi cã gia tèc a víi lùc P - R. Theo ®Þnh luËt Newton: P - R = m.a

Trong ®ã: m: khèi l−îng h¹t r¾n a: gia tèc chuyÓn ®éng cña h¹t r¾n. Khi søc c¶n chÊt láng t¨ng lªn th× hiÖu sè P - R gi¶m xuèng, do ®ã gia tèc a còng bÞ gi¶m. Sau khi l¾ng mét thêi gian th× lùc P vμ R trë nªn b»ng nhau, do ®ã: a = 0. T¹i thêi ®iÓm mμ h¹t r¾n b¾t ®Çu chuyÓn ®éng víi tèc ®é kh«ng ®æi th× tèc ®é ®ã gäi lμ tèc ®é l¾ng, ký hiÖu lμ w0 178

Nh− vËy, ®iÒu kiÖn ®Ó x¶y ra qu¸ tr×nh l¾ng lμ: P ≥ R. Lóc ®Çu, trong mét kho¶ng thêi gian rÊt ng¾n, h¹t r¾n sÏ cã chuyÓn ®éng chËm dÇn ®Òu, råi sau ®ã sÏ l¾ng víi tèc ®é kh«ng ®æi lμ tèc ®é l¾ng w0. −

NÕu P = R = S1 + S2

Theo ®Þnh luËt Stockes, khi h¹t r¾n r¬i xuèng d−íi t¸c dông cña lùc hót trong chÊt láng hoÆc khÝ th× lùc ma s¸t S1 tû lÖ víi tèc ®é l¾ng, nghÜa lμ: S1 = 3πd w0 μ , [N] Trong ®ã: d: ®−êng kÝnh cña h¹t r¾n, m W: tèc ®é l¾ng, m/s μ: ®é nhít ®éng lùc cña m«i tr−êng, Ns/m2 Lùc ®Èy Archimedes S2 sÏ lμ: S2 = Vρ2 g, [N]. Trong ®ã: V : thÓ tÝch cña c¸c h¹t r¾n, m3 S2 : khèi l−îng riªng cña chÊt láng, kg/m3 Lùc hót P chÝnh lμ träng l−îng cña c¸c h¹t r¾n: P = Vρ1g, [N] Trong ®ã: ρ1 : khèi l−îng riªng cña h¹t r¾n, kg/m3 V : thÓ tÝch cña h¹t r¾n, m3 Ta coi h¹t r¾n lμ h×nh cÇu, do ®ã: V =

[ ]

Πd 3 , m3 6

Thay c¸c gi¸ trÞ cña S1, S2, ρ vμo c«ng thøc P = S1 + S2, ta cã: Vρ1g = 3πdw0μ + Vρ2g ⇒ Vg(ρ1 - ρ2) = 3πdw0μ. Thay gi¸ trÞ cña V vμo c«ng thøc trªn ta cã ph−¬ng tr×nh:

πd 3 g (ρ1 − ρ 2 ) = 3πdω0 μ 6

d 2 (ρ1 − ρ 2 )g , [m/s] ω0 = 18μ Nh− vËy, tèc ®é l¾ng cña c¸c h¹t r¾n cã d¹ng h×nh cÇu víi kÝch th−íc bÐ trong m«i tr−êng láng tÜnh tû lÖ víi b×nh ph−¬ng ®−êng kÝnh cña nã vμ hiÖu sè tû träng cña h¹t r¾n víi m«i tr−êng vμ tû lÖ nghÞch víi ®é nhít cña m«i tr−êng. §Ó lμm t¨ng tèc ®é l¾ng cña h¹t r¾n, ta còng cã thÓ lμm gi¶m ®é nhít cña m«i tr−êng chÊt láng b»ng c¸ch ®un nãng ®Òu huyÒn phï theo tÊt c¶ chiÒu cao cña thiÕt bÞ l¾ng. V× khi ®un nãng ®Òu huyÒn phï sÏ kh«ng t¹o ra dßng chÊt láng ®èi l−u lμm c¶n trë sù l¾ng cña h¹t r¾n. 179

1.2.2. N¨ng suÊt thiÕt bÞ l¾ng §−a huyÒn phï vμo mét bÓ l¾ng, cho ®øng yªn. Sau mét thêi gian, d−íi t¸c dông cña träng lùc c¸c h¹t r¾n sÏ l¾ng xuèng d−íi ®¸y t¹o thμnh líp b·, cßn chÊt láng trong ®−îc lÊy ra ngoμi ë phÝa trªn. τl: thêi gian l¾ng, h F: bÒ mÆt l¾ng, m2 h: chiÒu cao cña líp chÊt láng trong, m w0: tèc ®é l¾ng cña h¹t, m/s V0: n¨ng suÊt bÓ l¾ng, lµ l−îng n−íc trong thu ®−îc trong mét ®¬n vÞ thêi gian, m3/h.

H×nh 15.2. S¬ ®å qu¸ tr×nh l¾ng

Tèc ®é l¾ng lμ w0, tøc lμ sau mét ®¬n vÞ thêi gian l¾ng τl th× h¹t r¾n sÏ ®i ®−îc mét qu·ng ®−êng lμ h, ta cã: h = w0τl, [m]. ThÓ tÝch cña l−îng láng trong thu ®−îc trong mét ®¬n vÞ thêi gian lμ:

V0 =

hF ω0 τ l F = , [m3/h] τl τl

⇒ Vo = w0F, [m3/h] Tõ c«ng thøc trªn ta thÊy r»ng: N¨ng suÊt cña bÓ l¾ng tû lÖ víi diÖn tÝch l¾ng vμ tèc ®é l¾ng mμ kh«ng phô thuéc vμo chiÒu cao cña bÓ l¾ng. Nh− vËy bÓ l¾ng cã n¨ng suÊt cao lμ bÓ l¾ng cã diÖn tÝch l¾ng lín. Tuy nhiªn chiÒu cao l¾ng còng ph¶i ®ñ lín ®Ó ng¨n ngõa kh«ng cho b· bÞ n−íc trong kÐo theo ra ngoμi. 1.3. Sù l¾ng cña khèi h¹t (l¾ng tËp thÓ) Khi nång ®é huyÒn phï t¨ng th× sù l¾ng cña çc h¹t kh«ng cßn tù do n÷a mμ cã sù c¶n trë lÉn nhau, gäi lμ sù l¾ng cña khèi h¹t. Qu¸ tr×nh l¾ng cña khèi h¹t trong bÓ l¾ng x¶y ra phøc t¹p h¬n qu¸ tr×nh l¾ng cña h¹t ®¬n chiÕc khi huyÒn phï cßn lo·ng. §èi víi huyÒn phï ®Ëm ®Æc, líp çc h¹t l¾ng t¹o víi líp n−íc trong mét bÒ mÆt ph©n çch. VËn tèc l¾ng ë bÒ mÆt ph©n çch biÓu thÞ cho vËn tèc l¾ng cña khèi h¹t w. VËn tèc l¾ng phô thuéc vμo sù t¸c ®éng t−¬ng hç gi÷a çc h¹t, tÝnh chÊt vËt lý cña h¹t r¾n vμ láng. KÝch th−íc vμ h×nh d¹ng h¹t còng ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh l¾ng. ChiÒu cao l¾ng phô thuéc vμo nång ®é huyÒn phï vμ thêi gian l¾ng. Mèi quan hÖ nμy ®−îc biÓu thÞ b»ng ®å thÞ gäi lμ ®å thÞ ®−êng cong l¾ng. Trªn ®å thÞ a) ®−êng cong 2 t−¬ng øng víi huyÒn phï ®Ëm ®Æc h¬n, cã ®é nghiªng Ýt h¬n so víi ®−êng cong 1. §iÒu nμy lμ do cã ¶nh h−ëng cña sù va ch¹m gi÷a çc h¹t vμ líp b· ë ®¸y bÓ l¾ng. 180

H×nh 15.3. §−êng cong l¾ng a) Líp b· dµy, b) Líp b· máng.

Qu¸ tr×nh l¾ng x¶y ra trong bÓ l¾ng cã h×nh thμnh c¸c khu vùc kh¸c nhau. Nghiªn cøu mèi quan hÖ gi÷a chiÒu cao l¾ng vμ thêi gian l¾ng, ng−êi ta x©y dùng ®−îc ®−êng cong H = f(t) t−¬ng øng víi c¸c khu vùc trong bÓ l¾ng.

H×nh 15.4. Nghiªn cøu sù l¾ng cho líp b· dµy 1. Vïng n−íc trong, 2. Vïng huyÒn phï, 3. Vïng nÐn, 4. Vïng b· r¾n.

Nãi chung ph−¬ng ph¸p l¾ng ®¬n gi¶n, thiÕt bÞ rÎ tiÒn, dÔ thùc hiÖn. Tuy nhiªn cã nh÷ng tr−êng hîp nh− huyÒn phï lo·ng, çc h¹t r¾n cã kÝch th−íc nhá hoÆc çc h¹t nhÑ l¬ löng kh«ng thÓ l¾ng ®−îc hoÆc rÊt khã l¾ng th× khi ®ã ng−êi ta ph¶i t¸ch çc h¹t r¾n ra khái pha láng b»ng ph−¬ng ph¸p läc. H¬n n÷a dïng ph−¬ng ph¸p läc th× cã thÓ t¸ch mét çch nhanh h¬n vμ triÖt ®Ó h¬n so víi ph−¬ng ph¸p l¾ng. 2. Läc 2.1. Kh¸i niÖm Sau giai ®o¹n chiÕt xuÊt ta thu ®−îc dÞch chiÕt. ë giai ®o¹n tinh chÕ, ®Ó thu ®−îc ho¹t chÊt tinh khiÕt, th−êng ta th−êng ph¶i thùc hiÖn qu¸ tr×nh kÕt tinh. Sau khi kÕt tinh xong, ®Ó t¸ch riªng çc tinh thÓ cña ho¹t chÊt ra khái dung dÞch n−íc çi, ng−êi ta ph¶i tiÕn hμnh qu¸ tr×nh läc. Ch¼ng h¹n trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt quinin sulfat tõ vá c©y canhkina, sau khi thùc hiÖn ph¶n 181

øng t¹o muèi quinin sulfat basic t¹i pH = 6,5, ®Ó kÕt tinh råi ®em läc. Sau khi läc ta thu ®−îc tinh thÓ lμ quinin sulfat basic, cßn n−íc çi cã chøa muèi sulfat cña çc alcaloid kh¸c bÞ lo¹i ®i. Läc lμ qu¸ tr×nh ph©n riªng 2 pha r¾n - láng (huyÒn phï) ra khái nhau b»ng çch cho hçn hîp ®i qua líp vËt ng¨n xèp. Mét pha (çc h¹t r¾n) sÏ ®−îc gi÷ l¹i ë mét phÝa cña bÒ mÆt vËt ng¨n, cßn pha kia (n−íc trong) sÏ ®i qua bÒ mÆt vËt ng¨n. §Ó líp n−íc trong cã thÓ ®i qua ®−îc vËt ng¨n th× cÇn ph¶i cã chªnh lÖch ¸p suÊt gi÷a trªn vμ d−íi bÒ mÆt vËt ng¨n ®Ó kh¾c phôc ®−îc trë lùc cña vËt ng¨n (lóc ®Çu chØ cã trë lùc cña vËt ng¨n, vÒ sau cã c¶ trë lùc cña b·). Nh− vËy huyÒn phï cÇn ph¶i cã ¸p suÊt d− so víi ¸p suÊt ë d−íi bÒ mÆt vËt ng¨n. • Ph©n lo¹i çc ph−¬ng ph¸p läc:

−

Dùa vμo ¸p suÊt cã ba lo¹i: +

Läc do ¸p suÊt thuû tÜnh (t¹o bëi chiÒu cao cét chÊt láng trªn vËt ng¨n).

Läc ¸p lùc (t¹o bëi b¬m).

Läc ch©n kh«ng (t¹o bëi hót ch©n kh«ng).

−

Dùa vμo cÊu t¹o cña líp vËt ng¨n: rÊt ®a d¹ng vμ phong phó. +

D¹ng h¹t: ®¬n gi¶n cã thÓ lμ ®¸, sái, c¸t, than, ...

D¹ng sîi: sîi t¬ nh©n t¹o, sîi b«ng, ®ay, gai, ...

D¹ng tÊm: nh− l−íi kim lo¹i, ...

VËt liÖu xèp: cã thÓ lμ lo¹i sø xèp, thuû tinh xèp, …

Mμng läc: ngμy nay kü thuËt läc ®· ph¸t triÓn ë tr×nh ®é cao, cã nh÷ng lo¹i vËt ng¨n hiÖn ®¹i nh− mμng siªu läc, cã thÓ läc ®−îc c¶ vi khuÈn, …

• Ph©n lo¹i b·, dùa vμo cÊu t¹o vμ ®Æc tÝnh cña b· cã hai lo¹i:

−

B· kh«ng nÐn ®−îc: Gåm çc h¹t kh«ng bÞ biÕn d¹ng (chñ yÕu lμ çc h¹t tinh thÓ) ph©n bè t¹o thμnh çc khe hë cã kÝch th−íc kh«ng ®æi khi thay ®æi ¸p suÊt. L−îng n−íc n»m trong b· kh«ng thay ®æi khi ¸p suÊt thay ®æi tõ 0,7 ÷ 4at.

−

B· nÐn ®−îc: Gåm c¸c h¹t bÞ biÕn d¹ng (chñ yÕu lμ nh÷ng chÊt v« ®Þnh h×nh). Khi t¨ng ¸p suÊt chÊt láng lªn tõ tõ, thÓ tÝch b· bÞ gi¶m, ®−êng kÝnh èng mao qu¶n bÞ thu hÑp, cßn tèc ®é läc chÊt láng sÏ t¨ng kh«ng tû lÖ víi sù t¨ng ¸p suÊt, nghÜa lμ tèc ®é läc t¨ng chËm h¬n so víi sù t¨ng ¸p suÊt vμ ®Õn mét lóc nμo ®ã nÕu cø tiÕp tôc t¨ng ¸p suÊt lªn n÷a th× sÏ kh«ng cã lîi cho qu¸ tr×nh läc.

Khi läc, theo lý thuyÕt nh÷ng h¹t r¾n cã kÝch th−íc lín h¬n lç läc (lç mao qu¶n cña vËt ng¨n) sÏ bÞ gi÷ l¹i trªn bÒ mÆt vËt ng¨n, cßn nh÷ng h¹t cã kÝch 182

th−íc bÐ h¬n sÏ chui qua lç läc. Tuy nhiªn, thùc tÕ còng kh«ng h¼n nh− vËy, chØ cã mét sè h¹t cã kÝch th−íc bÐ h¬n lμ chui qua lç läc, cßn mét sè h¹t tuy cã kÝch th−íc bÐ h¬n lç läc nh−ng vÉn kh«ng chui qua ®−îc lç läc. Së dÜ nh− vËy lμ do tÝnh chÊt b¾c cÇu cña çc h¹t qua cöa lç nªn çc lç mao qu¶n sÏ bÞ bÐ dÇn l¹i. Khi líp b· trªn bÒ mÆt vËt ng¨n dμy lªn th× trë lùc còng t¨ng, ®Õn mét lóc nμo ®ã toμn bé mao qu¶n sÏ bÞ lÊp kÝn vμ n−íc trong sÏ kh«ng ®i qua vËt ng¨n ®−îc, do ®ã ng−êi ta ph¶i t×m çch lÊy b· ra mét çch liªn tôc hoÆc gi¸n ®o¹n, ®«i khi cÇn ph¶i röa bÒ mÆt vËt ng¨n. • Ph−¬ng tr×nh läc

Tèc ®é läc lμ l−îng n−íc trong thu ®−îc trong mét ®¬n vÞ thêi gian ®èi víi mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt läc. Ta cã:

dV ⎡ m 3 ⎤ C= , Fdτ ⎢⎣ m 2 s ⎥⎦ Trong ®ã: C : tèc ®é läc, m3/m2s F : diÖn tÝch bÒ mÆt läc, m2 V : thÓ tÝch n−íc läc, m3

H×nh 15.5. S¬ ®å qu¸ tr×nh läc

τ : thêi gian läc, s §Ó ®¬n gi¶n tÝnh to¸n, ë ®©y ta gi¶ thiÕt lμ líp b· ®−îc t¹o bëi tËp hîp h¹t vμ h×nh thμnh c¸c èng mao qu¶n th¼ng, song song theo h−íng cña dßng ch¶y vμ cã chiÒu dμi cè ®Þnh. N−íc trong ch¶y qua c¸c èng mao qu¶n ë chÕ ®é ch¶y dßng. L−îng n−íc trong ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh cña Hagen-Poiseuille:

nΠ r 4 ΔpFτ , [m3]. 8μl

Trong ®ã: N: sè èng mao qu¶n trong 1 m2 bÒ mÆt läc.

τ - thêi gian läc, s;

R: b¸n kÝnh èng mao qu¶n, m.

F - bÒ mÆt läc, m2;

Up: hiÖu sè ¸p suÊt ë hai phÝa vËt ng¨n, N/m2

μ: ®é nhít n−íc läc, Ns/m2;

l - chiÒu dμi èng mao qu¶n, m Ph−¬ng tr×nh trªn chØ ®−îc tÝnh s¬ bé l−îng n−íc trong ®i qua líp b· cè ®Þnh. Thùc tÕ trong qu¸ tr×nh läc, chiÒu dμy líp b· cã thay ®æi vμ phô thuéc vμo thêi gian läc, do ®ã thùc tÕ ph−¬ng tr×nh läc rÊt phøc t¹p, phô thuéc vμo nhiÒu yÕu tè, ë ®©y ta kh«ng ®i s©u nghiªn cøu. 183

2.2. Nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh läc Nh÷ng ®¹i l−îng quan träng cña qu¸ tr×nh läc lμ: n¨ng suÊt läc, ®é t¸ch n−íc, ®é Èm cña b·. Nh÷ng yÕu tè c¬ b¶n cã ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn qu¸ tr×nh läc gåm: −

HuyÒn phï: khèi l−îng, kÝch th−íc, bÒ mÆt, d¹ng, tÝnh ú vμ ®é ph©n t¸n cña h¹t trong huyÒn phï; nhiÖt ®é, ®é nhít, tÝnh ®iÖn ly cña láng, träng l−îng riªng cña n−íc trong vμ b·.

−

V¸ch läc (gåm vËt ng¨n vμ b·): thÓ tÝch, kÝch th−íc, chiÒu dμi mao qu¶n, d¹ng mao qu¶n, trë lùc cña v¸ch läc.

−

Mét sè yÕu tè kh¸c: chªnh lÖch ¸p suÊt ë hai ®Çu v¸ch läc, vËn tèc dßng ch¶y qua v¸ch läc, tÝnh chÊt cña b·, chÕ ®é ch¶y cña dßng chÊt láng.

Nh÷ng yÕu tè trªn ®éc lËp víi nhau, nh−ng cã quan hÖ vμ ¶nh h−ëng lÉn nhau. D−íi ®©y nªu lªn ¶nh h−ëng cña mét sè yÕu tè. 2.2.1. ¶nh h−ëng cña líp b· VËn tèc cña n−íc trong tû lÖ thuËn víi ®éng lùc vμ tû lÖ nghÞch víi trë lùc. Trë lùc cña v¸ch ng¨n th−êng rÊt nhá so víi trë lùc cña líp b·, nªn trë lùc chung cña qu¸ tr×nh läc phô thuéc chñ yÕu vμo trë lùc cña líp b·. V× vËy, sù h×nh thμnh líp b· vμ ®é xèp cña líp b· cã vai trß rÊt quan träng ®èi víi qu¸ tr×nh läc. Líp b· cμng máng vμ ®é xèp cμng lín th× kh¶ n¨ng ch¶y qua cña chÊt láng cμng nhanh. Do ®ã, líp b· cÇn thÓ tÝch tù do vμ sè l−îng mao qu¶n lín. H×nh 15.6 thÓ hiÖn sù t¨ng cña trë lùc theo chiÒu dμy cña líp b· trong qu¸ tr×nh läc huyÒn phï chøa bôi than víi kÝch th−íc h¹t 0,5 μm. Trªn h×nh ta thÊy trë lùc t¨ng nhanh khi míi b¾t ®Çu h×nh thμnh líp b·, khi ®Õn mét ®é dμy nμo ®ã th× trë lùc sÏ t¨ng chËm l¹i vμ tuyÕn tÝnh víi chiÒu dμy. Do ®ã ®Ó cho qu¸ tr×nh läc ®−îc tèt, ®Ó cho dßng chÊt láng ch¶y qua ®−îc dÔ dμng th× líp b· cÇn ph¶i cã trë lùc nhá, t−¬ng øng víi líp b· cã chiÒu dμy vμ cÊu t¹o thÝch hîp.

H×nh 15.6. Quan hÖ gi÷a trë lùc vµ chiÒu dµy cña líp b·

2.2.2. ¶nh h−ëng cña kÝch th−íc h¹t r¾n trong líp b· L−îng chÊt láng ch¶y qua líp b· phô thuéc vμo kÝch th−íc cña mao qu¶n nªn còng bÞ ¶nh h−ëng bëi kÝch th−íc cña tõng h¹t riªng lÎ. H¹t nhá sÏ t¹o ra mao qu¶n nhá, nªn trë lùc sÏ lín vμ dßng chÊt láng ®i qua sÏ khã kh¨n. 184

Thùc tÕ, çc h¹t trong líp b· cã kÝch th−íc kh«ng ®ång ®Òu. Çc h¹t lín sÏ t¹o thμnh nh÷ng mao qu¶n cã ®−êng kÝnh lín, cßn çc h¹t d¹ng cÇu bÐ h¬n sÏ dÔ chui vμo mao qu¶n lín lμm cho¸n mÊt thÓ tÝch tù do. Vμ do kÝch th−íc çc h¹t lín nhá kh¸c nhau nªn dÔ t¹o kh¶ n¨ng b¾c cÇu, do ®ã khi kÝch th−íc h¹t kh«ng ®ång ®Òu th× trë lùc líp b· cμng lín. Líp b· gåm çc h¹t lín sÏ t¹o thμnh m¹ng mao qu¶n cã kÝch th−íc lín vμ dßng chÊt láng ch¶y qua sÏ dÔ dμng h¬n. Líp b· cã nh÷ng h¹t nhá sÏ cã tæng diÖn tÝch bÒ mÆt lín h¬n so víi líp b· cña nh÷ng h¹t lín, cßn Èm th× ®−îc ph©n bè ®Òu kh¾p çc bÒ mÆt cña h¹t. Nãi chung líp b· mμ cã nh÷ng h¹t lín th× qu¸ tr×nh läc sÏ thuËn lîi h¬n. 2.2.3. ¶nh h−ëng cña bÒ mÆt h¹t, d¹ng h¹t vμ tÝnh ú cña h¹t BÒ mÆt cña h¹t cã ¶nh h−ëng ®Õn cÊu t¹o cña líp b·. BÒ mÆt h¹t gå ghÒ sÏ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho hiÖn t−îng b¾c cÇu, t¹o kh¶ n¨ng tèt cho sù t¹o Èm. D¹ng h¹t vμ tÝch ú cña h¹t còng ¶nh h−ëng ®Õn sù h×nh thμnh líp b·. H×nh d¹ng h¹t rÊt ®a d¹ng, cã thÓ lμ h×nh ®a diÖn, h×nh trßn, d¹ng sîi hay d¹ng tÊm. ThÓ tr¹ng h¹t cã thÓ lμ cøng hay mÒm, cã thÓ lμ ®μn håi hoÆc dÎo. B· cã thÓ lμ tËp hîp nh÷ng h¹t r¾n cã cÊu t¹o ®a d¹ng. Çc h¹t ®a diÖn (nhiÒu gãc c¹nh) dÔ b¾c cÇu h¬n çc h¹t trßn, kh¶ n¨ng tiÕp xóc nhau cña chóng nhiÒu h¬n. Çc h¹t h×nh ®a diÖn vμ çc h¹t dμi khi ®i qua mao qu¶n dÔ g©y t¾c h¬n so víi çc h¹t h×nh trßn. NhÊt lμ nh÷ng h¹t cã d¹ng tÊm, do chóng xÕp lªn nhau vμ t¹o ra líp b· cã rÊt Ýt mao qu¶n cho chÊt láng ®i qua. Çc h¹t cã tÝnh ®μn håi hoÆc tÝnh dÎo cao còng dÔ lÊp kÝn çc mao qu¶n, h¹n chÕ hiÖn t−îng b¾c cÇu, ®Æc biÖt lμ ë ¸p suÊt cao hay ë ®é ch©n kh«ng cao. ViÖc läc çc lo¹i huyÒn phï cã chøa lo¹i b· nμy rÊt khã kh¨n, thùc tÕ ng−êi ta ¸p dông ph−¬ng ph¸p läc ®Æc biÖt, nh− läc ë ¸p lùc nhá vμ cã sö dông chÊt trî läc. 2.2.4. ¶nh h−ëng cña dßng ch¶y HuyÒn phï chøa çc h¹t r¾n d¹ng ®a diÖn vμ d¹ng thanh nãi chung cã trë lùc dßng ch¶y thÊp, nhÊt lμ nÕu çc thanh ®−îc xÕp theo h−íng cña dßng. Trong nhiÒu tr−êng hîp khi tèc ®é dßng ch¶y m¹nh th× sÏ cã mét l−îng lín çc thanh ®Õn v¸ch ng¨n, lμm bÝt kÝn çc mao qu¶n, lμm cho trë lùc läc t¨ng nhanh. NÕu vËn tèc dßng bÐ th× sÏ cã mét l−îng nhá çc h¹t cã c¹nh dμi ®Õn v¸ch ng¨n vμ b¾c ngang qua mao qu¶n, do ®ã sÏ t¹o ra hiÖn t−îng b¾c cÇu hîp lý vμ líp b· h×nh thμnh xèp h¬n. 2.2.5. ¶nh h−ëng cña chªnh lÖch ¸p suÊt §é chªnh ¸p ë hai phÝa v¸ch läc ¶nh h−ëng ®Õn dßng ch¶y cña n−íc trong. Theo lý thuyÕt, tèc ®é dßng ch¶y cña n−íc trong qua mao qu¶n tû lÖ víi ¸p lùc. ¸p lùc thay ®æi lμm ¶nh h−ëng ®Õn çc yÕu tè kh¸c trong qu¸ tr×nh läc. Läc ë ¸p suÊt thuû tÜnh sÏ t¹o ra ®−îc líp läc xèp nhÊt. Läc ë ch©n kh«ng cã ®é chªnh ¸p lín sÏ t¹o ra líp b· dμy.

185

Läc cã ¸p lùc th−êng cã vïng lμm viÖc víi kho¶ng ¸p suÊt d− tõ 1 ÷ 1,5 at. NÕu läc ë ¸p suÊt cao, ¸p suÊt d− cã thÓ ®Õn 35at hoÆc lín h¬n, lμm líp b· bÞ nÐn m¹nh vμ mÊt kh¶ n¨ng xèp, nªn vËn tèc läc gi¶m (H×nh 15.7) v× c¸c h¹t r¾n (b·) bÞ nÐn m¹nh lμm mÊt kh¶ n¨ng b¾c cÇu, thËm chÝ c¸c cÇu ®· ®−îc lËp còng cã thÓ bÞ bÎ gÉy. Giíi h¹n nÐn cña ¸p suÊt ë líp b· cã tÝnh ®μn håi th× nhá h¬n so víi ë líp b· cã h¹t tinh thÓ d¹ng cøng. ¸p suÊt cμng t¨ng th× trë lùc líp b· cμng lín. B· cμng ®−îc nÐn chÆt th× ®é Èm cña b· cμng gi¶m (b· cμng kh«) (H×nh 15.8).

H×nh 15.7. Quan hÖ gi÷a ¸p suÊt vµ vËn tèc

H×nh 15.8. Quan hÖ gi÷a ¸p suÊt víi trë lùc vµ ®é Èm

Nh− vËy, ®Ó cã líp b· trë lùc bÐ nhÊt cÇn läc ë ¸p suÊt thuû tÜnh, cßn muèn b· kh« h¬n th× ph¶i läc ë ¸p suÊt cao, nªn viÖc chän ¸p suÊt läc lμ do yªu cÇu cô thÓ cña thùc tÕ. 2.2.6. ¶nh h−ëng cña nång ®é huyÒn phï Nång ®é çc h¹t r¾n trong huyÒn phï cμng lín, çc h¹n r¾n cμng gÇn nhau vμ tiÕp xóc víi nhau cμng th−êng xuyªn h¬n, sÏ lμm gi¶m sù c¶n trë lÉn nhau vμ lμm ®ång nhÊt qu·ng ®−êng l¾ng. HuyÒn phï cã chuyÓn ®éng theo nhiÒu h−íng kh¸c nhau trªn bÒ mÆt líp b·, nªn çc h¹t r¾n ®−îc gi÷ l¹i ë ®ã mét çch lén xén t¹o thμnh líp tù nhiªn, ®Ó n−íc trong ®i qua dÔ dμng h¬n so víi çc líp s¾p xÕp ®Òu ®Æn, v× çc mao qu¶n ®−îc t¹o thμnh do tÝnh b¾c cÇu cña çc h¹t nhiÒu h¬n. Khi cã cïng chiÒu dμy líp b·, nÕu huyÒn phï cã nång ®é lín h¬n th× b· sÏ kh« h¬n (H×nh 15.9). Khi nång ®é huyÒn phï t¨ng th× l−îng b· thu ®−îc trong mét ®¬n vÞ thêi gian trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt läc (n¨ng suÊt läc) còng sÏ t¨ng theo (H×nh 15.10).

186

H×nh 15.9. Quan hÖ gi÷a ®é Èm vµ nång ®é

H×nh 15.10. Quan hÖ gi÷a n¨ng suÊt läc vµ nång ®é

2.2.7. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é NhiÖt ®é cña huyÒn phï cã ¶nh h−ëng ®Õn ®é nhít huyÒn phï, do ®ã cã ¶nh h−ëng ®Õn tèc ®é ch¶y cña n−íc trong qua líp b·. Khi nhiÖt ®é huyÒn phï t¨ng lªn th× ®é nhít huyÒn phï sÏ gi¶m xuèng vμ tèc ®é n−íc trong sÏ t¨ng lªn. VÝ dô: nhiÖt ®é huyÒn phï t¨ng tõ 100C ®Õn 400C th× vËn tèc läc cã thÓ t¨ng lªn gÊp ®«i. Tuy nhiªn, thùc tÕ cßn cã nhiÒu nguyªn nh©n kh¸c cã ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh läc nh− ¶nh h−ëng cña v¸ch läc, n¨ng suÊt läc,…. do ®ã khi t¨ng nhiÖt ®é th× vËn tèc läc sÏ t¨ng H×nh 15.11. N¨ng suÊt vµ ®é Èm b· phô thuéc kh«ng lín l¾m. Quan hÖ gi÷a vµo nhiÖt ®é huyÒn phï nhiÖt ®é víi n¨ng suÊt läc vμ víi ®é Èm cña b· ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 15.11. 3. KÕt tinh 3.1. Kh¸i niÖm Khi tinh chÕ, ®Ó lo¹i t¹p t¹o ra ho¹t chÊt tinh khiÕt, ng−êi ta th−êng ¸p dông ph−¬ng ph¸p kÕt tinh. Ch¼ng h¹n trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt strychnin tõ h¹t m· tiÒn, ®Ó t¸ch brucin ra khái strychnin, ng−êi ta ph¶i t¹o muèi nitrat 187

sao cho muèi strychnin nitrat dÔ kÕt tinh h¬n sÏ ®−îc kÕt tinh, cßn muèi brucin nitrat sÏ bÞ tan ra trong n−íc çi. Sau ®ã läc lo¹i n−íc çi, sÏ thu ®−îc strychnin tinh khiÕt. KÕt tinh lμ qu¸ tr×nh t¸ch chÊt r¾n hoμ tan trong dung dÞch d−íi d¹ng tinh thÓ. Tinh thÓ lμ vËt r¾n ®ång nhÊt cã h×nh d¹ng kh¸c nhau, giíi h¹n bëi çc mÆt ph¼ng. Tinh thÓ gåm c¶ çc ph©n tö n−íc gäi lμ tinh thÓ ngËm n−íc (tinh thÓ hydrat). Tuú theo ®iÒu kiÖn thùc hiÖn qu¸ tr×nh mμ tinh thÓ cã thÓ ngËm sè ph©n tö n−íc kh¸c nhau. 3.1.1. §é hoμ tan §é hoμ tan cña mét chÊt lμ l−îng tèi ®a chÊt ®ã tan ®−îc trong mét ®¬n vÞ dung m«i ë mét nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh. §é hoμ tan cã thÓ tÝnh b»ng g/l, g/kg, phÇn khèi l−îng… §é hoμ tan cña mét chÊt phô thuéc vμo b¶n chÊt ho¸ häc cña chÊt ®ã, phô thuéc vμo tÝnh chÊt vμ nhiÖt ®é cña dung m«i. §èi víi ®a sè çc chÊt, khi nhiÖt ®é t¨ng th× ®é hoμ tan t¨ng, khi ®ã gäi lμ hoμ tan "d−¬ng". Nh−ng còng cã Ýt tr−êng hîp khi nhiÖt ®é t¨ng th× ®é hoμ tan l¹i gi¶m, khi ®ã gäi lμ hoμ tan "©m". KÕt tinh çc chÊt hoμ tan trong dung dÞch dùa vμo ®é hoμ tan h¹n chÕ cña chÊt r¾n. §é hoμ tan cña vËt chÊt th−êng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm vμ ®−îc biÓu diÔn b»ng ®−êng cong thÓ hiÖn sù phô thuéc gi÷a ®é hoμ tan vμ nhiÖt ®é. §èi víi ®a sè chÊt th× ®−êng cong ®ã lμ mét ®−êng cong ®Òu ®Æn (H×nh 15.12). §èi víi nh÷ng chÊt t¹o thμnh tinh thÓ ngËm n−íc th× ®−êng cong cã ®iÓm gÉy (H×nh 15.13). Khi ®ã ®é hoμ tan còng cã thÓ gi¶m khi t¨ng nhiÖt ®é (®o¹n 4a-4-4b, h×nh 15.14). VÊn ®Ò x¸c ®Þnh ®é hoμ tan cña chÊt tan ë nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh cã gi¸ trÞ thùc tÕ lín nh−ng cho ®Õn nay kh«ng cã c«ng thøc nμo ®¶m b¶o chÝnh x¸c ®Ó tÝnh to¸n mμ tuú theo tõng tr−êng hîp cô thÓ mμ ng−êi ta vËn dông nh÷ng sè liÖu thùc nghiÖm ®· biÕt.

H×nh 15.12. Quan hÖ gi÷a nång ®é b·o hßa vµ nhiÖt ®é

188

H×nh 15.13. §é hßa tan cña tinh thÓ ngËm n−íc

§−êng hoμ tan cña mét sè chÊt muèi v« c¬ phô thuéc vμo nhiÖt ®é ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 15.14.

- ®−êng 1-1: øng víi KNO3 - ®−êng 2-2: øng víi KCl - ®−êng 3-3: øng víi NaCl - ®o¹n 4a-4: øng víi Na2SO4.10H2O - ®o¹n 4-4b: øng víi Na2SO4.

H×nh 15.14. §−êng hoµ tan cña c¸c muèi

−

§−êng 1-1 (KNO3): ®é hoμ tan t¨ng nhanh khi nhiÖt ®é t¨ng.

−

§−êng 2-2 (KCl): ®é hoμ tan t¨ng chËm khi nhiÖt ®é t¨ng.

−

§−êng 3-3 (NaCl): ®é hoμ tan t¨ng kh«ng ®¸ng kÓ khi nhiÖt ®é t¨ng.

−

§−êng 4a-4-4b cña muèi sulfat natri: +

§o¹n 4a-4 (Na2SO4.10H2O): ®é hoμ tan t¨ng, gäi lμ "hoμ tan d−¬ng".

§o¹n 4-4b (Na2SO4 kh«ng ngËm n−íc): ®é hoμ tan gi¶m-"hoμ tan ©m".

3.1.2. C¸c tr¹ng th¸i cña dung dÞch §Ó cã thÓ tiÕn hμnh ®−îc qu¸ tr×nh kÕt tinh, ng−êi ta ph¶i t¹o ra tr¹ng th¸i qu¸ b·o hoμ cña dung dÞch. Tr¹ng th¸i qu¸ b·o hoμ cña dung dÞch th−êng kh«ng bÒn, chÊt hoμ tan thõa sÏ t¸ch ra khái dung dÞch ®Ó kÕt tinh, khi ®ã dung dÞch sÏ dÔ chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i b·o hoμ. Dung dÞch b·o hoμ ë mét nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh lμ dung dÞch cã chøa l−îng chÊt hoμ tan lín nhÊt ë nhiÖt ®é ®ã. Trong dung dÞch b·o hoμ th× tinh thÓ vμ 189

dung dÞch ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng, cã nghÜa lμ trong mét ®¬n vÞ thêi gian cø cã bao nhiªu tinh thÓ míi ®−îc t¹o thμnh th× còng cã bÊy nhiªu tinh thÓ bÞ tan vμo trong dung dÞch. C¸c tr¹ng th¸i cña dung dÞch ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu ®å gäi lμ biÓu ®å tr¹ng th¸i cña dung dÞch. C¸c lo¹i dung dÞch kh¸c nhau ®−îc thÓ hiÖn b»ng nh÷ng biÓu ®å tr¹ng th¸i kh¸c nhau, thÓ hiÖn trªn h×nh 15.15 d−íi ®©y.

H×nh 15.15. BiÓu ®å tr¹ng th¸i cña c¸c lo¹i dung dÞch

Trong ®ã: + H×nh a - biÓu ®å tr¹ng th¸i cña dung dÞch muèi KNO3. + H×nh b - biÓu ®å tr¹ng th¸i cña dung dÞch muèi KCl. + H×nh c - biÓu ®å tr¹ng th¸i cña dung dÞch muèi NaCl. Trªn mçi biÓu ®å: −

Vïng A - vïng qu¸ b·o hoμ, n»m phÝa trªn ®−êng 2-2, lμ vïng kh«ng æn ®Þnh.

−

Vïng C - vïng ch−a b·o hoμ, n»m ë d−íi ®−êng 1-1.

−

Vïng B - vïng hçn hîp, n»m ë gi÷a ®−êng 1-1 vμ ®−êng 2-2. Giíi h¹n cña vïng hçn hîp phô thuéc vμo nhiÖt ®é cña dung dÞch, vμo tèc ®é lμm l¹nh hay bay h¬i, vμo sù khuÊy trén dung dÞch, …

Tuú theo tõng tr−êng hîp cô thÓ mμ ng−êi ta ¸p dông nh÷ng ph−¬ng ph¸p kÕt tinh sau sao cho phï hîp:

Tr−êng hîp a:

§èi víi nh÷ng dung dÞch cã ®é tan t¨ng nhanh khi t¨ng nhiÖt ®é, vÝ dô dung dÞch muèi KNO3. Khi nhiÖt ®é gi¶m tõ t2 ®Õn t1, dung dÞch chuyÓn tõ tr¹ng th¸i b·o hoμ sang tr¹ng th¸i qu¸ b·o hoμ, nång ®é dung dÞch sÏ biÕn ®æi tõ C0 ®Õn Cx, sau ®ã pha r¾n sÏ t¸ch ra, dung dÞch sÏ l¹i trë vÒ tr¹ng th¸i b·o hoμ vμ nång ®é dung dÞch sÏ bÞ gi¶m tõ Cx ®Õn C0. §Ó kÕt tinh lo¹i dung dÞch 190

nμy th−êng ng−êi ta tiÕn hμnh lμm l¹nh dung dÞch, v× kho¶ng chªnh lÖch nhiÖt ®é nhá nªn dung dÞch dÔ chuyÓn nhanh vÒ tr¹ng th¸i qu¸ b·o hoμ thuËn tiÖn cho qu¸ tr×nh kÕt tinh.

Tr−êng hîp b:

§èi víi nh÷ng dung dÞch cã ®é tan t¨ng chËm khi t¨ng nhiÖt ®é, vÝ dô dung dÞch muèi KCl. §Ó chuyÓn dung dÞch nμy vμo vïng qu¸ b·o hßa (tõ ®iÓm ®Õn ®iÓm) th× cÇn ph¶i gi¶m mét kho¶ng nhiÖt ®é lín. Do ®ã ®Ó kÕt tinh lo¹i dung dÞch nμy cÇn cho bay h¬i mét phÇn dung m«i.

Tr−êng hîp c:

§èi víi nh÷ng dung dÞch cã ®é hoμ tan thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ theo nhiÖt ®é, vÝ dô dung dÞch NaCl. §Ó kÕt tinh lo¹i muèi nμy ng−êi ta cÇn thùc hiÖn qu¸ tr×nh c« ®Æc. 3.2. Qu¸ tr×nh h×nh thμnh tinh thÓ Sù t¹o thμnh tinh thÓ bao gåm hai giai ®o¹n: giai ®o¹n t¹o mÇm tinh thÓ vμ giai ®o¹n ph¸t triÓn mÇm tinh thÓ thμnh tinh thÓ hoμn chØnh. 3.2.1. Qu¸ tr×nh t¹o mÇm MÇm tinh thÓ (cßn gäi lμ t©m kÕt tinh) ®−îc tù h×nh thμnh khi dung dÞch ë tr¹ng th¸i qu¸ b·o hoμ do dung dÞch ®−îc lμm l¹nh hoÆc cho bèc h¬i mét phÇn dung m«i. Theo quan ®iÓm hiÖn ®¹i, çc ion (ph©n tö) chÊt tan khi va ch¹m víi nhau th× liªn kÕt l¹i víi nhau t¹o thμnh mÇm. Tèc ®é t¹o mÇm phô thuéc vμo rÊt nhiÒu yÕu tè: b¶n chÊt cña chÊt tan vμ dung m«i, møc ®é qu¸ b·o hoμ cña dung dÞch, nhiÖt ®é, ph−¬ng ph¸p khuÊy trén, nång ®é çc t¹p chÊt,… Thêi gian t¹o mÇm cã thÓ rÊt nhanh (tõ vμi gi©y) cho ®Õn rÊt chËm (cã thÓ vμi th¸ng). Sè l−îng mÇm t¹o thμnh cã ¶nh h−ëng ®Õn kÝch th−íc cña tinh thÓ. Khi sè mÇm t¹o thμnh Ýt th× tinh thÓ sÏ lín vμ ng−îc l¹i khi sè mÇm t¹o thμnh nhiÒu th× tinh thÓ sÏ nhá. §Ó cho qu¸ tr×nh t¹o mÇm ®−îc dÔ dμng, ng−êi ta cho thªm vμo dung dÞch mét Ýt tinh thÓ cña chÊt tan hoÆc tinh thÓ cña chÊt kh¸c nh−ng cã cïng cÊu tróc tinh thÓ gièng chÊt tan trong dung dÞch. ChÊt cho thªm ®ã gäi lμ chÊt "trî mÇm". BiÖn ph¸p nμy ®Æc biÖt cÇn thiÕt ®èi víi nh÷ng dung dÞch khã t¹o mÇm, kÓ c¶ khi dung dÞch ®· cã ®é qu¸ b·o hoμ rÊt lín. §Ó t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh t¹o mÇm cßn cã nhiÒu biÖn ph¸p kh¸c nhau: thay ®æi nhiÖt ®é, t¨ng c−êng khuÊy trén, t¨ng c−êng nh÷ng t¸c ®éng c¬ häc bªn ngoμi (rung, l¾c, va ®Ëp,…). §é nh¸m cña bÒ mÆt thiÕt bÞ kÕt tinh vμ vËt liÖu lμm çnh khuÊy còng ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh t¹o mÇm. 191

3.2.2. Qu¸ tr×nh lín lªn cña tinh thÓ Tinh thÓ ph¸t triÓn vÒ kÝch th−íc vμ ®¹t tíi gi¸ trÞ tíi h¹n cña mÇm. Tinh thÓ cã n¨ng l−îng bÒ mÆt lín lªn nã hót (hÊp thô) çc chÊt tan trong dung dÞch. Tinh thÓ lín lªn ®ång thêi theo tÊt c¶ çc mÆt cña nã. Tuú theo ®iÒu kiÖn kÕt tinh mμ vËn tèc lín lªn cña çc mÆt tinh thÓ cã kh¸c nhau. Tinh thÓ cña mét chÊt cã thÓ cã kÝch th−íc kh¸c nhau. Mçi mét d¹ng tinh thÓ chØ bÒn ë mét kho¶ng ¸p suÊt vμ nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh. Sù biÕn d¹ng cña tinh thÓ cã kÌm theo sù to¶ nhiÖt hoÆc thu nhiÖt. Theo thuyÕt khuÕch t¸n th× chÊt hoμ tan b¾t ®Çu khuÕch t¸n tõ trong lßng dung dÞch, xuyªn qua líp biªn (cã chuyÓn ®éng dßng vμ n»m s¸t bÒ mÆt tinh thÓ) råi sau ®ã dÝnh vμo tinh thÓ. ChiÒu dμy cña líp biªn phô thuéc vμo tèc ®é khuÊy trén dung dÞch. NÕu dung dÞch kh«ng khuÊy trén th× bÒ dμy líp biªn δ ≈ 20 ÷ 150 μm. NÕu cã khuÊy trén m¹nh th× δ → 0.

H×nh 15.16. Sù thay ®æi tèc ®é kÕt tinh theo thêi gian

Trong thùc tÕ, qu¸ tr×nh lín lªn cña mÇm th−êng x¶y ra chËm h¬n nhiÒu so víi qu¸ tr×nh hoμ tan. Tèc ®é kÕt tinh thay ®æi theo thêi gian ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 15.16.

1. Khi ®é qu¸ b·o hßa lín, 2. Khi ®é qu¸ b·o hßa nhá.

Sù thay ®æi tèc ®é kÕt tinh phô thuéc vμo møc ®é qu¸ b·o hoμ. Lóc b¾t ®Çu, tèc ®é kÕt tinh b»ng 0 (ë giai ®o¹n t¹o mÇm), råi ®¹t tíi gi¸ trÞ cùc ®¹i, sau ®ã l¹i gi¶m dÇn ®Õn gi¸ trÞ 0. 4. HÊp phô 4.1. Kh¸i niÖm HÊp phô lμ mét hiÖn t−îng bÒ mÆt, ®ã lμ sù tÝch tô chÊt trªn bÒ mÆt ph©n chia pha (khÝ - r¾n, láng - r¾n, khÝ - láng, láng - láng). ChÊt cã bÒ mÆt, trªn ®ã x¶y ra sù hÊp phô ®−îc gäi lμ chÊt hÊp phô, cßn chÊt ®−îc tÝch tô trªn bÒ mÆt gäi lμ chÊt bÞ hÊp phô. Tr−êng hîp chÊt nμy cã thÓ xuyªn qua líp bÒ mÆt vμ ®i vμo trong lßng thÓ tÝch cña mét chÊt kh¸c, ®−îc gäi lμ sù hÊp thô. Ng−îc víi sù hÊp phô, sù ®i ra cña chÊt bÞ hÊp phô khái líp bÒ mÆt ®−îc gäi lμ sù gi¶i hÊp phô (khö hÊp phô). Khi sù hÊp phô ®¹t tíi tr¹ng th¸i c©n b»ng th× tèc ®é hÊp phô b»ng tèc ®é gi¶i hÊp phô. 192

Qu¸ tr×nh hÊp phô ®−îc ®Æc tr−ng b»ng mét sè ®¹i l−îng nh− sau: −

§é hÊp phô a: BiÓu thÞ l−îng chÊt bÞ hÊp phô trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng cña chÊt hÊp phô, th−êng ®−îc biÓu diÔn b»ng ®¬n vÞ mol/g.

−

§¹i l−îng α: ChØ l−îng chÊt bÞ hÊp phô trªn mét ®¬n vÞ bÒ mÆt cña chÊt hÊp phô, th−êng ®−îc biÓu diÔn b»ng ®¬n vÞ mol/m2.

−

BÒ mÆt riªng: DiÖn tÝch bÒ mÆt t−¬ng øng víi 1 g chÊt hÊp phô, ®¬n vÞ lμ m2.

ChÊt hÊp phô cμng m¹nh th× bÒ mÆt cña nã cμng ph¸t triÓn. Nh÷ng chÊt r¾n xèp cã cÊu tróc lç rçng cã bÒ mÆt riªng rÊt ph¸t triÓn, cã thÓ ®¹t tíi hμng ngh×n m2/g nh− than ho¹t tÝnh, silicagel… Qu¸ tr×nh hÊp phô ®−îc ph©n thμnh hai lo¹i tuú theo b¶n chÊt cña lùc t−¬ng t¸c gi÷a chÊt bÞ hÊp phô vμ chÊt hÊp phô: hÊp phô vËt lÝ vμ hÊp phô ho¸ häc. HÊp phô vËt lý x¶y ra do lùc hót gi÷a çc ph©n tö, lùc hót Vanderwaals (cã t−¬ng t¸c yÕu). Cßn hÊp phô ho¸ häc x¶y ra do lùc liªn kÕt ho¸ häc, cã t−¬ng t¸c m¹nh. HÊp phô vËt lÝ lμ qu¸ tr×nh thuËn nghÞch, chiÒu ng−îc cña sù hÊp phô lμ sù khö hÊp phô. HÊp phô vËt lÝ kÌm theo hiÖu øng nhiÖt nhá, çc chÊt ®· bÞ hÊp phô dÔ bÞ khö hÊp phô. Qu¸ tr×nh tu©n theo nguyªn 1Ý vÒ chuyÓn dÞch c©n b»ng cña Le Ch©telier. Kh¸c víi hÊp phô vËt lý, trong hÊp phô ho¸ häc, çc ph©n tö cña chÊt bÞ hÊp phô liªn kÕt víi chÊt hÊp phô bëi çc lùc ho¸ häc bÒn v÷ng t¹o thμnh nh÷ng hîp chÊt ho¸ häc bÒ mÆt míi. VÝ dô: sù hÊp phô «xy trªn bÒ mÆt kim lo¹i lμ hÊp phô ho¸ häc. HÊp phô ho¸ häc cã hiÖu øng nhiÖt lín. ChÊt bÞ hÊp phô khã bÞ khö hÊp phô. Trong lÜnh vùc hÊp phô ®¸ng kÓ lμ nh÷ng thuyÕt hÊp phô, nh÷ng ph−¬ng tr×nh hÊp phô cña Langmuir, Freundlich, Polanyi, Gibbbs, Brunauer, Dubinin, ... Dùa vμo tr¹ng th¸i cña chÊt bÞ hÊp phô vμ chÊt hÊp phô, ng−êi ta ph©n ra nh÷ng tr−êng hîp hÊp phô sau: −

HÊp phô trªn bÒ mÆt vËt r¾n - khÝ.

−

HÊp phô trªn bÒ mÆt dung dÞch - khÝ.

−

HÊp phô trªn bÒ mÆt chÊt r¾n - dung dÞch.

Khi s¶n xuÊt thuèc b»ng ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt tõ d−îc liÖu, ë giai ®o¹n tinh chÕ, ®Ó lμm s¹ch dung dÞch khái c¸c chÊt bÈn, chÊt mμu ng−êi ta th−êng dïng than ho¹t ®Ó tÈy mμu, ®ã chÝnh lμ qu¸ tr×nh hÊp phô chÊt tan (chÊt mμu) tõ dung dÞch lªn bÒ mÆt vËt r¾n (than ho¹t). ë ®©y ta chØ nghiªn cøu tr−êng hîp hÊp phô trªn bÒ mÆt chÊt r¾n - dung dÞch.

193

4.2. HÊp phô trªn bÒ mÆt r¾n - dung dÞch Sù hÊp phô trªn bÒ mÆt r¾n - dung dÞch nãi chung t−¬ng tù nh− sù hÊp phô trªn bÒ mÆt r¾n - khÝ. Tuy nhiªn ë ®©y c¸c ph©n tö cña dung m«i cã ¶nh h−ëng lín ®Õn qu¸ tr×nh hÊp phô. Chóng ta ph©n biÖt hai tr−êng hîp: hÊp phô chÊt kh«ng ®iÖn li vμ hÊp phô chÊt ®iÖn li, khi cã sù hÊp phô chän läc cña mét trong c¸c ion tõ dung dÞch. 4.2.1. HÊp phô ph©n tö tõ dung dÞch L−îng chÊt bÞ hÊp phô bëi 1 g chÊt hÊp phô r¾n ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: a=

(C 0 − C )V .1000 m

Trong ®ã: a : ®é hÊp phô, mol/g Co, C: nång ®é ban ®Çu vμ nång ®é c©n b»ng cña chÊt bÞ hÊp phô, mol/l V : thÓ tÝch dung dÞch, l m : khèi l−îng chÊt hÊp phô, g. §èi víi dung dÞch lo·ng cã thÓ ¸p dông ph−¬ng tr×nh hÊp phô ®¼ng nhiÖt cña Langmuir vμ Freundlich cho sù hÊp phô ph©n tö khÝ, trong ®ã ¸p suÊt ®−îc thay b»ng nång ®é. Tõ ph−¬ng tr×nh hÊp phô cña Langmuir, ta cã: a=

a max .K.C 1 + KC

Trong ®ã: C : nång ®é c©n b»ng cña dung dÞch. a : ®é hÊp phô. amax : ®é hÊp phô cùc ®¹i, t−¬ng øng víi toμn bé bÒ mÆt ho¹t ®éng cña chÊt hÊp phô bÞ che phñ, cã nghÜa lμ t−¬ng øng víi θ = 1

θ lμ phÇn bÒ mÆt ®· bÞ che phñ bëi líp hÊp phô. §é hÊp phô øng víi ®é che phñ θ nμo ®ã sÏ lμ: a = amax.θ K - h»ng sè c©n b»ng, phô thuéc vμo b¶n chÊt cña chÊt hÊp phô vμ chÊt bÞ hÊp phô, ®ã lμ mét hμm cña nhiÖt ®é. Tõ ph−¬ng tr×nh hÊp phô cña Freundlich, ta cã: a = β.C1/n 194

Ph−¬ng tr×nh Freundlich ¸p dông tèt cho vïng cã nång ®é trung b×nh. Trong ®ã:

β, 1/n: h»ng sè thùc nghiÖm. VÒ trÞ sè β b»ng ®é hÊp phô khi nång ®é b»ng 1. Khi hÊp phô trªn bÒ mÆt r¾n tõ dung dÞch, th−êng th× 1/n = 0,1 ÷ 0,5. Khi 1/n=0 a=β, khi ®ã ®é hÊp phô ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i kh«ng ®æi. Khi 1/n=1 a=βC, ®é hÊp phô tû lÖ thuËn tuyÕn tÝnh víi nång ®é dung dÞch. D−íi ®©y sÏ xÐt nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn sù hÊp phô tõ dung dÞch. •

¶nh h−ëng cña dung m«i

Çc ph©n tö dung m«i lμ ®èi thñ c¹nh tranh víi çc ph©n tö chÊt tan trong qu¸ tr×nh hÊp phô. NÕu dung m«i bÞ hÊp phô kÐm h¬n trªn chÊt hÊp phô ®· cho th× chÊt tan sÏ ®−îc hÊp phô tèt h¬n. Nh÷ng chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt cã søc c¨ng bÒ mÆt nhá h¬n søc c¨ng bÒ mÆt cña dung m«i sÏ bÞ hÊp phô m¹nh h¬n trªn bÒ mÆt r¾n. ChÝnh v× vËy sù hÊp phô tõ dung dÞch n−íc th−êng m¹nh h¬n nhiÒu so víi sù hÊp phô tõ çc dung dÞch víi dung m«i lμ cacbuahydro, r−îu vμ çc chÊt láng h÷u c¬ kh¸c cã søc c¨ng bÒ mÆt nhá h¬n so víi n−íc. Cã thÓ nãi r»ng nÕu chÊt tan hoμ tan tèt trong mét dung m«i nμo ®ã th× sù hÊp phô trong m«i tr−êng ®ã sÏ yÕu vμ ng−îc l¹i. Trªn c¬ së ®ã còng cã thÓ rót ra ®−îc sù liªn hÖ gi÷a kh¶ n¨ng hÊp phô víi h»ng sè ®iÖn m«i còng nh− søc c¨ng bÒ mÆt cña m«i tr−êng trong ®ã x¶y ra sù hÊp phô. •

¶nh h−ëng cña tÝnh chÊt chÊt hÊp phô vμ chÊt bÞ hÊp phô

Nh÷ng chÊt hÊp phô ph©n cùc (silicagel, ®Êt sÐt, ...) hÊp phô tèt çc chÊt ph©n cùc, nh÷ng chÊt hÊp phô kh«ng ph©n cùc (than) hÊp phô tèt çc chÊt kh«ng ph©n cùc. Rehbinder ®· ®−a ra quy t¾c vÒ sù phô thuéc cña ®é hÊp phô vμo ®é ph©n cùc cña çc chÊt trong hÖ. Theo quy t¾c nμy, mét chÊt C nμo ®ã cã thÓ bÞ hÊp phô trªn bÒ mÆt ph©n chia hai pha A vμ B khi h»ng sè ®iÖn m«i cña nã cã gi¸ trÞ trung gian gi÷a h»ng sè ®iÖn m«i cña A vμ cña B, nghÜa lμ:

εA > εC > εB hay lμ εA < εC < εB §èi víi nh÷ng chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt mμ ph©n tö cã hai phÇn (phÇn ph©n cùc vμ phÇn kh«ng ph©n cùc) th× khi bÞ hÊp phô trªn bÒ mÆt ph©n chia pha sÏ cã sù ®Þnh h−íng ph©n tö nh− sau: phÇn ph©n cùc h−íng vÒ pha ph©n cùc, phÇn kh«ng ph©n cùc h−íng vÒ pha kh«ng ph©n cùc.

195

N−íc

Benzen PhÇn ph©n cùc PhÇn kh«ng ph©n cùc

Than

Silicagel

H×nh 15.19. S¬ ®å sù ®Þnh h−íng c¸c ph©n tö chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt trªn bÒ mÆt ph©n chia hai pha b¶n chÊt kh¸c nhau

CÊu tróc xèp víi çc mao qu¶n cña chÊt hÊp phô còng ¶nh h−ëng ®Õn sù hÊp phô bëi v× sù hÊp phô x¶y ra chñ yÕu lμ trªn bÒ mÆt çc mao qu¶n. §èi víi çc ph©n tö nhá cã kh¶ n¨ng ®i s©u vμo çc mao qu¶n th× khi ®é xèp cña chÊt hÊp phô t¨ng, ®é hÊp phô t¨ng. §èi víi chÊt hÊp phô cã mao qu¶n hÑp, khi kÝch th−íc ph©n tö chÊt bÞ hÊp phô t¨ng th× ®é hÊp phô gi¶m. 4.2.2. HÊp phô ion ë ®©y chóng ta chØ xÐt sù hÊp phô ion tõ çc dung dÞch trong n−íc. Çc ion bÞ hÊp phô trªn nh÷ng bÒ mÆt cÊu t¹o tõ nh÷ng ph©n tö ph©n cùc hoÆc tõ nh÷ng ion. Cho nªn, hÊp phô ion cßn mang tªn lμ hÊp phô ph©n cùc. Nh÷ng phÇn bÒ mÆt víi diÖn tÝch nhÊt ®Þnh hÊp phô tõ dung dÞch nh÷ng ion cã ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. Lóc ®ã çc ion tr¸i dÊu víi çc ion ®· bÞ hÊp phô d−íi t¸c dông cña lùc hót tÜnh ®iÖn sÏ cïng víi nh÷ng ion ®· bÞ hÊp phô t¹o ra mét líp ®iÖn tÝch kÐp. §èi víi nh÷ng ion cã cïng ®iÖn tÝch, kh¶ n¨ng bÞ hÊp phô t¨ng theo b¸n kÝnh ion. §iÒu nμy ®−îc gi¶i thÝch bëi sù t¨ng ®é ph©n cùc cña ion vμ bëi sù gi¶m hydrat ho¸ mμ líp vá hydrat ho¸ cμng máng th× t−¬ng t¸c ®iÖn cμng t¨ng. VÝ dô, chóng ta cã nh÷ng d·y sau theo chiÒu t¨ng kh¶ n¨ng bÞ hÊp phô: Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ Cl- < Br - < NO3- < I- < NCS§iÖn tÝch ion cμng lín th× t−¬ng t¸c ®iÖn cμng m¹nh vμ kh¶ n¨ng bÞ hÊp phô cμng lín. VÝ dô: K+ << Ca2+ << Al3+ << Th4+ B¶n chÊt bÒ mÆt chÊt hÊp phô cã ¶nh h−ëng ®Æc biÖt ®Õn sù hÊp phô chän läc tõ dung dÞch. BÒ mÆt r¾n th−êng hÊp phô chän läc tõ dung dÞch nh÷ng ion cã trong thμnh phÇn cña nã hoÆc hÊp phô chän läc tõ dung dÞch nh÷ng ion cã kh¶ n¨ng t¹o thμnh víi nh÷ng ion cã trong thμnh phÇn cña nã nh÷ng hîp chÊt Ýt tan. VÝ dô: Tinh thÓ AgI hÊp phô ion I- tõ dung dÞch KI hoÆc ion Cl- tõ dung dÞch NaCl. §iÒu nμy ®−îc gi¶i thÝch bëi sù x©y dùng çc cÊu tróc 196

tinh thÓ b»ng nh÷ng liªn kÕt bÒn v÷ng víi bÒ mÆt chÊt r¾n. Than cã kh¶ n¨ng gi÷ chÆt nh÷ng gèc carbuahydro cña çc chÊt h÷u c¬, cßn oxyd vμ hydroxyd cña nh«m vμ s¾t th× cã kh¶ n¨ng liªn kÕt chÆt nh÷ng nhãm cã chøa oxy. 4.2.3. HÊp phô trao ®æi NÕu nh− mét chÊt ®iÖn li ®· bÞ hÊp phô trªn bÒ mÆt chÊt hÊp phô th× khi chÊt hÊp phô tiÕp xóc víi mét chÊt ®iÖn li kh¸c sÏ x¶y ra sù trao ®æi ion gi÷a líp ®iÖn tÝch kÐp cña nã víi m«i tr−êng. ChÊt hÊp phô lÊy tõ dung dÞch mét l−îng x¸c ®Þnh nh÷ng ion nμo ®ã vμ ®ång thêi trao ®æi vμo trong dung dÞch mét l−îng t−¬ng ®−¬ng çc ion ®iÖn tÝch cïng dÊu. §ã lμ sù hÊp phô trao ®æi. Sù trao ®æi ion kh«ng nh÷ng x¶y ra trªn bÒ mÆt chÊt hÊp phô mμ cßn cã thÓ x¶y ra ë nh÷ng líp n»m s©u bªn trong nã nÕu dung dÞch cã thÓ tíi ®−îc. ChÊt hÊp phô cã thÓ cã b¶n chÊt acid hoÆc b¶n chÊt base. ChÊt hÊp phô acid cã kh¶ n¨ng hÊp phô trao ®æi cation ®−îc gäi lμ cationit. ChÊt hÊp phô base cã kh¶ n¨ng hÊp phô trao ®æi anion gäi lμ lμ anionit. Sù trao ®æi ion ®−îc m« t¶ theo s¬ ®å sau: Cationit - H+ + Na+ + Cl- → Cationit - Na+ + H+ + ClAnionit + OH- + Na+ + Cl- → Anionit + Cl- + Na+ + OHTån t¹i c¶ nh÷ng chÊt hÊp phô l−ìng tÝnh cã kh¶ n¨ng trao ®æi cation trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh vμ trao ®æi anion trong nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c. Nh÷ng chÊt trao ®æi ion (ionit) cã thÓ lμ alumosilicat (nh− permutit Na2O.Al2O3.3SiO2.2H2O), than ®−îc ho¹t ho¸ bëi hydro hoÆc bëi oxy hay nh÷ng chÊt nhùa tæng hîp ®Æc biÖt (çc polyme). HÊp phô trao ®æi ion ®−îc øng dông trong viÖc lμm mÒm n−íc cøng; t¸ch çc nguyªn tè, ®Æc biÖt lμ çc nguyªn tè hiÕm vμ çc s¶n phÈm phãng x¹; ®Ó ®iÒu chÕ çc hãa chÊt tinh khiÕt,...

Tù l−îng gi¸ 1. Tr×nh bμy qu¸ tr×nh l¾ng, läc, kÕt tinh, hÊp phô. 2. Tr×nh bμy sù l¾ng cña mét h¹t ®¬n lÎ. 3. Tr×nh bμy sù l¾ng cña khèi h¹t. 4. Ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p läc. 5. Ph©n lo¹i c¸c kiÓu b·. 6. TÝnh s¬ bé l−îng n−íc trong thu ®−îc sau qu¸ tr×nh läc. 197

7. Ph©n tÝch nh÷ng yÕu tè cã ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh läc. 8. §Þnh nghÜa ®é hoμ tan cña mét chÊt. 9. Tr×nh bμy c¸c tr¹ng th¸i cña dung dÞch. 10. Qu¸ tr×nh t¹o mÇm vμ qu¸ tr×nh lín lªn cña tinh thÓ x¶y ra nh− thÕ nμo? 11. Tr×nh bμy mét sè ®¹i l−îng c¬ b¶n ®Æc tr−ng cho qu¸ tr×nh hÊp phô: ®é hÊp phô a, ®¹i l−îng α, bÒ mÆt riªng. 12. Ph©n lo¹i qu¸ tr×nh hÊp phô dùa vμo b¶n chÊt cña lùc t−¬ng t¸c gi÷a chÊt bÞ hÊp phô vμ chÊt hÊp phô. 13. ThÕ nμo lμ hÊp phô vËt lý vμ hÊp phô ho¸ häc? 14. Ph©n biÖt gi÷a hÊp phô vËt lý vμ hÊp phô ho¸ häc? 15. Ph©n tÝch nh÷ng yÕu tè cã ¶nh h−ëng ®Õn sù hÊp phô trªn bÒ mÆt vËt r¾n tõ dung dÞch. 16. Tr×nh bμy qu¸ tr×nh hÊp phô ion tõ c¸c dung dÞch trong n−íc. 17. Tr×nh bμy qu¸ tr×nh hÊp phô trao ®æi ion.

198

Ch−¬ng 16

Kü thuËt s¶n xuÊt mét sè nguyªn liÖu d−íi d¹ng cao thuèc

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kh¸i niÖm, kü thuËt ®iÒu chÕ vμ c¸c chØ tiªu chÊt l−îng chÝnh cña cao thuèc. 2. Mét sè vÝ dô cao thuèc.

1. Kh¸i niÖm cao thuèc Nh÷ng chÕ phÈm ®iÒu chÕ b»ng c¸ch chiÕt xuÊt d−îc liÖu ë mét kÝch th−íc tiÓu ph©n nhÊt ®Þnh víi dung m«i chiÕt thÝch hîp ®−îc gäi chung lμ cao thuèc. §ã lμ nh÷ng chÕ phÈm cã thÓ chÊt láng (cao láng, cån thuèc), b¸n r¾n (cao mÒm) hay r¾n (cao kh«). NÕu dung m«i chiÕt xuÊt lμ ethanol vμ dÞch chiÕt thu ®−îc kh«ng qua giai ®o¹n bèc h¬i dung m«i, chÕ phÈm thu ®−îc gäi lμ cån thuèc. Cao thuèc cã thÓ lμ d¹ng bμo chÕ hoμn chØnh, ®−îc sö dông trùc tiÕp (thuèc s¾c, thuèc h·m, cao láng) nh−ng th«ng th−êng, ®ã lμ nh÷ng s¶n phÈm trung gian dïng bμo chÕ c¸c d¹ng thuèc kh¸c (vÝ dô sir«, viªn trßn, viªn nÐn, viªn nang). Cao thuèc th−êng ®−îc lo¹i bít mét phÇn t¹p chÊt trong qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ. TØ lÖ ho¹t chÊt trong cao thuèc th−êng cao h¬n tØ lÖ ho¹t chÊt trong d−îc liÖu. Riªng cao láng th× tØ lÖ ho¹t chÊt cã thÓ b»ng tØ lÖ ho¹t chÊt cã trong d−îc liÖu. D−îc liÖu ®Ó ®iÒu chÕ cao thuèc cã thÓ lμ d−îc liÖu thùc vËt hay ®éng vËt, cßn t−¬i hoÆc ®· sÊy kh«, ®−îc chia nhá ®Õn kÝch th−íc thÝch hîp. Dung m«i chiÕt xuÊt ph¶i lμ nh÷ng dung m«i kh«ng ®éc h¹i, v× th−êng kh«ng lo¹i hÕt dung m«i khái cao thuèc. NÕu cao thuèc ph¶i lo¹i hÕt dung m«i (vÝ dô cao kh«), hoÆc sau khi xö lý dÞch chiÕt chØ cßn l¹i dung m«i kh«ng ®éc, th× cã thÓ −u tiªn yÕu tè chän läc vμ kinh tÕ cña hçn hîp dung m«i sö dông. Dung m«i n−íc vμ hçn hîp ethanol - n−íc ®−îc sö dông phæ biÕn nhÊt trong ®iÒu chÕ cao thuèc, ®Æc biÖt khi cao thuèc yªu cÇu tan ®−îc trong n−íc. 199

C¸c dÞch chiÕt vμ cao thμnh phÈm th−êng chøa nhiÒu vi sinh vËt nhiÔm tõ nguyªn liÖu ban ®Çu (vi khuÈn, nÊm mèc, nÊm men), nhÊt lμ khi nã ®−îc ®iÒu chÕ ë nhiÖt ®é thÊp ®Ó b¶o vÖ ho¹t chÊt. B¶n th©n cao thuèc còng lμ m«i tr−êng dinh d−ìng thuËn lîi cho vi sinh vËt ph¸t triÓn. V× vËy cÇn chó ý sö dông c¸c biÖn ph¸p thÝch hîp ®Ó gi¶m bít vi sinh vËt vμ b¶o qu¶n cao thuèc. Ngoμi ra cao thuèc cã thÓ chøa nh÷ng t¸ d−îc thÝch hîp nh»m môc ®Ých t¨ng tÝnh ®ång nhÊt, ®iÒu chØnh thÓ chÊt, ®iÒu chØnh hμm l−îng hay b¶o qu¶n. 2. Ph©n lo¹i cao thuèc Theo thÓ chÊt, cao thuèc ®−îc chia lμm 3 lo¹i:

−

Cao láng: Cã thÓ chÊt láng h¬i s¸nh, th−êng qui −íc 1 ml cao láng t−¬ng øng víi 1 g d−îc liÖu dïng ®iÒu chÕ cao thuèc.

−

Cao ®Æc: Cã thÓ chÊt ®Æc qu¸nh hoÆc dÎo, sê kh«ng dÝnh tay ë nhiÖt ®é th−êng, nh−ng ch¶y láng thμnh khèi dÞch ®Æc hoÆc nhít khi ®un nãng. Cao ®Æc ®−îc ®iÒu chÕ b»ng c¸ch c« ®Æc kÐo dμi vμ cÈn thËn c¸c dÞch chiÕt d−îc liÖu. TØ lÖ dung m«i cßn l¹i trong cao th−êng kh«ng qu¸ 20%. Do cã ®é æn ®Þnh kÐm vμ dÔ nhiÔm vi sinh vËt nªn phÇn lín cao ®Æc nay ®−îc thay b»ng cao kh«.

−

Cao kh«: Lμ khèi kh« hay bét kh«, rÊt dÔ hót Èm. Hμm Èm (hoÆc mÊt khèi l−îng do lμm kh«) kh«ng qu¸ 5%. Ngo¹i lÖ mét sè cao kh« (hμm Èm d−íi 5%) nh−ng cã thÓ chÊt dÎo, vÝ dô khi cao chøa nhiÒu hîp chÊt th©n dÇu, hoÆc cao cã tØ lÖ lín c¸c thμnh phÇn th©n n−íc t¹o ra hçn hîp eutectic. Khi ®Ó l¹nh, khèi dÎo r¾n l¹i vμ cã thÓ nghiÒn ®−îc.

D−îc ®iÓn Ch©u ¢u cßn ph©n biÖt mét sè lo¹i cao nh− sau:

−

Cao qui ®Þnh hμm l−îng (quantified extracts): Lμ cao ®−îc ®iÒu chØnh hμm l−îng c¸c thμnh phÇn ®Õn mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh.

−

Cao chuÈn ho¸ (standardised extracts): Lμ cao ®−îc ®iÒu chØnh hμm l−îng c¸c thμnh phÇn cã ho¹t tÝnh ®iÒu trÞ ®· biÕt ®Õn mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh.

−

Ngoμi ra, cã thÓ ph©n lo¹i cao thuèc theo dung m«i chiÕt xuÊt (cao n−íc, cao cån, cao ete), theo ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt (thuèc s¾c, thuèc h·m) hay theo tr¹ng th¸i d−îc liÖu ®em chiÕt xuÊt (cao d−îc liÖu t−¬i, cao d−îc liÖu kh«).

3. KÜ thuËt ®iÒu chÕ Qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ cao thuèc th−êng bao gåm nh÷ng giai ®o¹n sau:

200

−

ChuÈn bÞ d−îc liÖu, dung m«i.

−

ChiÕt xuÊt ho¹t chÊt.

−

Lo¹i bít t¹p chÊt.

−

C« ®Æc, sÊy kh«.

−

§iÒu chØnh hμm l−îng ho¹t chÊt

−

Hoμn chØnh chÕ phÈm.

3.1. ChuÈn bÞ d−îc liÖu, dung m«i D−îc liÖu ph¶i ®¹t tiªu chuÈn qui ®Þnh. §Ó ®¶m b¶o chÊt l−îng cao thuèc cÇn l−u ý nh÷ng vÊn ®Ò sau:

−

Bé phËn dïng cã phï hîp theo qui ®Þnh.

−

TØ lÖ t¹p chÊt trong d−îc liÖu.

−

Møc ®é nhiÔm vi sinh vËt.

−

Giíi h¹n chÊt diÖt c«n trïng, chÊt b¶o qu¶n.

−

Giíi h¹n tro sulfat, kim lo¹i nÆng.

D−îc liÖu th−êng ®−îc sÊy kh« vμ chia nhá tíi ®é mÞn thÝch hîp. Møc ®é chia nhá d−îc liÖu phô thuéc vμo cÊu tróc vËt lý cña d−îc liÖu, kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña dung m«i, tØ lÖ dung m«i sö dông vμ thêi gian qui ®Þnh ®Ó chiÕt kiÖt d−îc liÖu. VÝ dô nÕu cÇn chiÕt kiÖt nhanh ho¹t chÊt trong d−îc liÖu cã cÊu tróc r¾n ch¾c, d−îc liÖu ®ã ph¶i ®−îc nghiÒn mÞn. D−îc liÖu mÒm, xèp vμ dÔ thÊm dung m«i cã thÓ ®−îc chiÕt ë d¹ng bét th«. Tuú theo bé phËn dïng, møc ®é chia nhá cã thÓ ¸p dông nh− sau: L¸, hoa, c©y th¶o:

t¸n nhá (4 mm)

Th©n gç, vá c©y, rÔ:

t¸n nhá (2,8 mm)

Qu¶ vμ h¹t:

t¸n nhá (2 mm)

D−îc liÖu chøa alcaloid:

t¸n mÞn (0,7 mm)

Mét sè d−îc liÖu ®Æc biÖt cã thÓ ph¶i diÖt men hoÆc lo¹i chÊt bÐo. C¸c bét d−îc liÖu kh¸c nhau cã thÓ ®−îc trén lÉn tr−íc khi chiÕt. Dung m«i ®Ó ®iÒu chÕ cao thuèc th−êng lμ n−íc, ethanol, ete ethylic. Cã thÓ dïng hçn hîp ethanol - n−íc hoÆc ethanol - ete. N−íc lμ dung m«i th«ng dông vμ rÎ tiÒn, nh−ng cã nh−îc ®iÓm hoμ tan nhiÒu t¹p chÊt, cao khã b¶o qu¶n. Ethanol hoμ tan ®−îc nhiÒu lo¹i ho¹t chÊt, hoμ tan Ýt t¹p chÊt nªn ®−îc dïng réng r·i h¬n, cao thuèc dÔ b¶o qu¶n h¬n. Ete Ýt dïng v× ®¾t tiÒn vμ dÔ ch¸y næ. Dïng ete trong tr−êng hîp ho¹t chÊt chØ tan trong ete, hoÆc dïng ®Ó lo¹i t¹p chÊt dÇu, mì, s¸p trong dÞch chiÕt. §Ó t¨ng ®é tan cña ho¹t chÊt, cã thÓ acid ho¸ hoÆc kiÒm ho¸ dung m«i b»ng acid hydrocloric, acid acetic, amoniac, natri hydroxyd. §iÒu chÕ cao ®Æc, cao kh« nªn dïng dung m«i dÔ thu håi vμ t¸i sö dông ®−îc.

201

Dung m«i chiÕt xuÊt ph¶i ®¹t tiªu chuÈn D−îc ®iÓn qui ®Þnh. N−íc dïng ®Ó chiÕt xuÊt ph¶i lμ n−íc tinh khiÕt ®¹t tiªu chuÈn D−îc ®iÓn hoÆc n−íc uèng ®−îc. 3.2. ChiÕt xuÊt ho¹t chÊt Tuú theo b¶n chÊt cña d−îc liÖu vμ dung m«i, tiªu chuÈn chÊt l−îng thμnh phÈm còng nh− ®iÒu kiÖn trang thiÕt bÞ vμ qui m« s¶n xuÊt, cã thÓ sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p: ng©m, ngÊm kiÖt, chiÕt xuÊt ng−îc dßng hay c¸c ph−¬ng ph¸p thÝch hîp kh¸c. NÕu dung m«i lμ n−íc th−êng dïng ph−¬ng ph¸p ng©m ph©n ®o¹n (ng©m l¹nh, hÇm, h·m, s¾c), Ýt khi dïng ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt. L−îng n−íc th−êng gÊp 8-12 lÇn l−îng d−îc liÖu. Dung m«i lμ ethanol, ete th−êng ¸p dông ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt. Lùa chän ®é cån tuú theo thμnh phÇn cña d−îc liÖu. D−îc liÖu chøa ho¹t chÊt dÔ tan trong n−íc dïng ethanol 30o-60o; d−îc liÖu chøa alcaloid, glycosid dïng ethanol 70o; d−îc liÖu chøa tinh dÇu, nhùa th¬m dïng ethanol 80o-900; d−îc liÖu cã ho¹t chÊt dÔ bÞ thuû ph©n dïng ethanol 90o-95o. L−îng dung m«i th−êng dïng gÊp 6 lÇn l−îng d−îc liÖu. 3.2.1. Ph−¬ng ph¸p ng©m l¹nh Cho d−îc liÖu ®· chia nhá tíi ®é mÞn thÝch hîp (th−êng lμ bét th«) vμ dung m«i vμo mét b×nh kÝn ®Ó ë nhiÖt ®é phßng. Ng©m trong thêi gian x¸c ®Þnh; thØnh tho¶ng cã khuÊy trén hoÆc l¾c. Sau ®ã g¹n, Ðp b· lÊy dÞch chiÕt. §Ó l¾ng 2-4 ngμy ë n¬i m¸t ®Ó lo¹i t¹p chÊt l¬ löng. G¹n, läc lÊy dÞch trong. Cã thÓ ng©m ®¬n gi¶n hoÆc ng©m ph©n ®o¹n.

−

Ng©m ®¬n gi¶n: ng©m mét lÇn víi toμn bé l−îng dung m«i.

−

Ng©m ph©n ®o¹n: chia dung m«i ra nhiÒu phÇn råi ng©m lμm nhiÒu lÇn. Sau mçi lÇn ng©m, g¹n lÊy dÞch chiÕt, Ðp b·, l¹i cho dung m«i míi vμo ng©m vμ lμm tiÕp nh− trªn. Cuèi cïng tËp trung c¸c dÞch chiÕt l¹i. Cïng l−îng dung m«i, ng©m ph©n ®o¹n rót ®−îc nhiÒu ho¹t chÊt h¬n ng©m ®¬n gi¶n.

Ph−¬ng ph¸p ng©m l¹nh dïng cho çc d−îc liÖu chøa ho¹t chÊt dÔ tan hoÆc dÔ bÞ ph©n huû ë nhiÖt ®é cao. 3.2.2. Ph−¬ng ph¸p ng©m nhá giät (ngÊm kiÖt) Ng©m nhá giät lμ ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt b»ng çch cho dung m«i ch¶y rÊt chËm qua khèi d−îc liÖu ®ùng trong mét dông cô ®Æc biÖt gäi lμ b×nh ngÊm kiÖt. Qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt kh«ng cã khuÊy trén. Nguyªn t¾c cña ph−¬ng ph¸p: Khi cho dung m«i vμo bét d−îc liÖu, do träng lùc dung m«i ch¶y xuèng çc khe hë. Trong thêi gian dung m«i ®−îc gi÷ l¹i vμ tiÕp xóc víi d−îc liÖu, ho¹t chÊt ®−îc hoμ tan. Sau ®ã thªm dung m«i míi lªn mÆt khèi d−îc liÖu, líp 202

dung m«i nμy ngÊm vμo trong khèi d−îc liÖu vμ ®Èy dÞch chiÕt (líp dung m«i cò ®· hoμ tan d−îc chÊt) ra ngoμi. Líp dung m«i míi tiÕp tôc hoμ tan ho¹t chÊt cßn trong tÕ bμo d−îc liÖu. Qu¸ tr×nh tiÕp diÔn cho ®Õn khi kh«ng thªm dung m«i n÷a. Nh− vËy ®−îc liÖu lu«n ®−îc tiÕp xóc víi dung m«i míi nªn cã thÓ chiÕt kiÖt ho¹t chÊt. Ng©m nhá giät bao gåm c¸c giai ®o¹n sau: •

ChuÈn bÞ d−îc liÖu:

D−îc liÖu cÇn ph¶i kh« vμ ®−îc chia nhá ®Õn ®é mÞn thÝch hîp. Còng nh− trong ph−¬ng ph¸p ng©m, cÇn h¹n chÕ tèi ®a tØ lÖ bét mÞn khi chia nhá d−îc liÖu. D−îc liÖu qu¸ mÞn dÔ lÉn vμo dÞch chiÕt vμ dÔ g©y t¾c b×nh chiÕt. •

Lμm Èm d−îc liÖu:

Môc ®Ých cña giai ®o¹n nμy ®Ó d−îc liÖu kh« hót dung m«i vμ tr−¬ng në hoμn toμn tr−íc khi ®−îc chuyÓn vμo b×nh chiÕt. NÕu d−îc liÖu kh«ng ®−îc lμm Èm vμ tr−¬ng në hoμn toμn, chóng sÏ tiÕp tôc tr−¬ng në trong b×nh chiÕt, t¹o ra khèi nÐn ch¾c c¶n trë dung m«i thÊm qua. H¬n n÷a nÕu d−îc liÖu kh«ng ®−îc lμm Èm tõ tr−íc, khi chuyÓn vμo b×nh chiÕt sÏ khã ®uæi hÕt kh«ng khÝ ra khái d−îc liÖu, t¹o ra c¸c kho¶ng trèng lμm c¶n trë d−îc liÖu tiÕp xóc víi dung m«i, gi¶m hiÖu suÊt chiÕt xuÊt. Trong mét dông cô thÝch hîp, trén d−îc liÖu víi mét l−îng dung m«i cho võa ®ñ Èm. L−îng dung m«i lμm Èm tuú theo kh¶ n¨ng hót dung m«i vμ tr−¬ng në cña bét d−îc liÖu, th−êng 50 - 100% l−îng d−îc liÖu ®em chiÕt. Trén ®Òu d−îc liÖu víi dung m«i, ®Ëy kÝn ®Ó yªn kho¶ng 2 - 4 giê sau ®ã r©y qua r©y cã kÝch th−íc m¾t r©y to ®Ó bét t¬i ®Òu. Còng cã thÓ lμm Èm d−îc liÖu ngay trong b×nh ngÊm kiÖt nÕu d−îc liÖu Ýt tr−¬ng në vμ b×nh chiÕt cã thiÕt kÕ thÝch hîp. •

Ng©m trung gian:

Cho tõ tõ bét d−îc liÖu ®· lμm Èm vμo b×nh tõng líp mét, nÐn nhÑ nhμng vμ san b»ng mÆt trªn khèi bét. Cho d−îc liÖu kh«ng ®Òu sÏ t¹o ra çc kªnh, dung m«i ch¶y theo çc kªnh ®ã mμ kh«ng thÊm ®Òu qua toμn bé khèi bét. §Æt mét tÊm giÊy läc vμ çc vËt ®Ì lªn trªn, môc ®Ých ®Ó dung m«i ph©n bè ®Òu vμ tr¸nh x¸o trén d−îc liÖu. Sau ®ã më van d−íi ®¸y b×nh, thªm dung m«i ®Õn khi kh«ng khÝ tho¸t ra hÕt vμ dÞch chiÕt b¾t ®Çu ch¶y ra. Kho¸ van l¹i vμ thªm tiÕp dung m«i cho ngËp d−îc liÖu, ®Ó ng©m trong kho¶ng 24 giê hoÆc l©u h¬n tuú lo¹i d−îc liÖu. •

Rót dÞch chiÕt:

Më kho¸ cho dÞch chiÕt ch¶y tõng giät vμo b×nh høng. Chó ý th−êng xuyªn thªm dung m«i ®Ó ngËp mÆt d−îc liÖu 2 - 3 cm. Tèc ®é rót dÞch chiÕt phô thuéc vμo khèi l−îng vμ tÝnh chÊt d−îc liÖu sö dông. Rót dÞch qu¸ nhanh sÏ kh«ng chiÕt kiÖt ho¹t chÊt; rót dÞch qu¸ chËm, thêi gian chiÕt kÐo dμi vμ hao phÝ dung m«i do bay h¬i. Víi mÎ chiÕt 1000 g d−îc liÖu, tèc ®é rót dÞch chËm kho¶ng 1 ml/phót, trung b×nh 1 - 3 ml/phót vμ nhanh lμ 5 ml/phót. 203

Ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt th−êng ®−îc dïng ®Ó chiÕt xuÊt d−îc liÖu cã ho¹t chÊt ®éc m¹nh. Dung m«i chiÕt th−êng lμ cån hoÆc ete. D−îc liÖu chøa nhiÒu chÊt keo, tinh bét, chÊt nhÇy kh«ng nªn ¸p dông ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt víi dung m«i cã n−íc. Ph−¬ng ph¸p cã −u ®iÓm tèn Ýt dung m«i vμ chiÕt kiÖt ®−îc ho¹t chÊt. •

NgÊm kiÖt ph©n ®o¹n:

Ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt nh− trªn ®−îc gäi lμ ngÊm kiÖt ®¬n gi¶n, trong ®ã lu«n sö dông dung m«i míi ®Ó chiÕt ®Õn kiÖt ho¹t chÊt. Ph−¬ng ph¸p ngÊm kiÖt ph©n ®o¹n cã sö dông dÞch chiÕt lo·ng ®Ó chiÕt d−îc liÖu míi. D−îc liÖu ®−îc chia ra nhiÒu b×nh, l−îng ®Òu nhau hoÆc nhá dÇn (vÝ dô 1000 g d−îc liÖu chia lμm ba b×nh 500 g, 300 g, 200 g). TiÕn hμnh chiÕt xuÊt nh− ®· nãi ë trªn, nh−ng dÞch chiÕt lÇn thø nhÊt cña b×nh I (b»ng 80% l−îng d−îc liÖu) ®Ó riªng; dÞch chiÕt lÇn sau dïng lμm Èm vμ chiÕt phÇn d−îc liÖu ë b×nh II. DÞch chiÕt lÇn thø nhÊt cña b×nh II b»ng l−îng d−îc liÖu trong b×nh ®Ó riªng; dÞch chiÕt lÇn sau cña b×nh II l¹i dïng lμm dung m«i chiÕt xuÊt b×nh III, tiÕp tôc nh− trªn cho ®Õn hÕt. Ph−¬ng ph¸p nμy cã −u ®iÓm tèn Ýt dung m«i vμ thu ®−îc dÞch chiÕt ®Ëm ®Æc, nh−ng nh−îc ®iÓm lμ kh«ng chiÕt kiÖt ho¹t chÊt. 3.3. Lo¹i bít t¹p chÊt Khi chiÕt b»ng dung m«i n−íc hay ethanol, dÞch chiÕt th−êng chøa nhiÒu t¹p chÊt. CÇn ph¶i lo¹i t¹p chÊt v× chóng th−êng dÔ ph©n huû ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng cao thuèc. Cao sÏ kh«ng æn ®Þnh, cã mïi l¹, khi hoμ cao vμo n−íc, dung dÞch sÏ kh«ng trong. Tr−êng hîp ®iÒu chÕ cao ®Æc, cao kh«, nÕu hμm l−îng ho¹t chÊt ch−a ®ñ qui ®Þnh còng cã thÓ ph¶i tiÕn hμnh lo¹i bít t¹p chÊt. Ph−¬ng ph¸p lo¹i t¹p phô thuéc vμo b¶n chÊt t¹p chÊt cã trong dÞch chiÕt, tøc lμ phô thuéc vμo b¶n chÊt d−îc liÖu, lo¹i dung m«i vμ ph−¬ng ph¸p chiÕt. Tuy nhiªn cã mét sè ph−¬ng ph¸p chung nh− sau: •

Lo¹i t¹p chÊt tan trong n−íc (th−êng lμ protein, g«m, chÊt nhÇy, pectin, tinh bét)

204

−

Ph−¬ng ph¸p dïng nhiÖt: c« ®Æc dÞch chiÕt cßn 1/2 - 1/4 thÓ tÝch ban ®Çu, ®Ó l¾ng chç m¸t sau ®ã g¹n läc. NÕu dÞch chiÕt cßn vÈn ®ôc, cã thÓ thªm bét giÊy läc nghiÒn nhá hoÆc bét talc vμo n−íc chiÕt, ®un s«i vμ läc. C¸ch nμy cã thÓ lo¹i ®−îc protein, chÊt nhμy vμ c¸c chÊt kh¸c dÔ bÞ ®«ng vãn do nhiÖt.

−

Ph−¬ng ph¸p dïng ethanol: c« dÞch chiÕt ®Õn khi ®¹t tØ lÖ kho¶ng 2 kg nguyªn liÖu/1 lÝt n−íc chiÕt, thªm 2-3 lÇn thÓ tÝch ethanol 95o, khuÊy trén ®Òu, ®Ó l¾ng chç m¸t sau ®ã g¹n läc. CÊt thu håi ethanol råi c« ®Æc ®Õn thÓ tÝch qui ®Þnh. Ph−¬ng ph¸p nμy cã thÓ lo¹i ®−îc chÊt nhÇy, albumin, g«m.

−

•

Ph−¬ng ph¸p ®iÒu chØnh pH: dÞch chiÕt ®· c« ®Æc ®−îc ®iÒu chØnh ®Õn pH ≈ 12, phÇn lín c¸c ho¹t chÊt vμ t¹p chÊt sÏ tña, khi cho acid vμo ®Ó cã pH = 5 - 6 th× mét sè ho¹t chÊt tan trë l¹i cßn hÇu hÕt c¸c t¹p chÊt kh«ng tan. Ph−¬ng ph¸p nμy th−êng ¸p dông ®èi víi dÞch chiÕt chøa ho¹t chÊt flavonoid, alcaloid.

Lo¹i t¹p chÊt tan trong ethanol (nhùa, chÊt bÐo).

−

C« ®Æc dÞch chiÕt ®Ó h¹ thÊp ®é cån, nhùa vμ chÊt bÐo sÏ kÕt tña. §Ó lo¹i chóng triÖt ®Ó h¬n, cã thÓ pha lo·ng gÊp ®«i b»ng n−íc (hoÆc n−íc acid nÕu ho¹t chÊt lμ alcaloid), hoÆc thªm 2% bét talc ®Ó hÊp phô t¹p chÊt vμ t¹o ®iÒu kiÖn cho nã kÕt tña.

−

Dïng parafin: dÞch chiÕt ®−îc c« ®Æc cßn l¹i 1/2 - 1/4 thÓ tÝch ban ®Çu, thªm parafin vμo dÞch chiÕt nãng, khuÊy kü vμ ®Ó nguéi. Vít líp parafin ®· hoμ tan t¹p chÊt.

−

Ngoμi ra, cã thÓ dïng ether ®Ó chiÕt chÊt bÐo vμ nhùa ra khái dÞch chiÕt n−íc.

3.4. C« ®Æc vμ sÊy kh« §Ó ®iÒu chÕ cao thuèc, th−êng ph¶i tiÕn hμnh bèc h¬i dung m«i. Víi cao láng th× c« ®Æc dÞch chiÕt ®Õn tØ lÖ qui ®Þnh (1 ml cao láng t−¬ng øng víi 1 g d−îc liÖu). Khi chiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p ng−îc dßng hay ngÊm kiÖt, ®Ó tr¸nh t¸c ®éng cña nhiÖt nªn ®Ó riªng phÇn dÞch chiÕt ®Çu ®Ëm ®Æc (phÇn nμy chøa l−îng lín ho¹t chÊt chiÕt ®−îc). Sau ®ã c« ®Æc c¸c phÇn dÞch chiÕt tiÕp theo råi phèi hîp víi dÞch chiÕt ®Çu. §Ó ®iÒu chÕ cao ®Æc, c« dÞch chiÕt ®Õn ®é Èm kh«ng qu¸ 20%. Tr−êng hîp chÕ cao kh«, tiÕp tôc sÊy kh« ®Õn ®é Èm kh«ng qu¸ 5%. Cã thÓ dïng nhiÒu thiÕt bÞ c«, sÊy kh¸c nhau, nh−ng tèt nhÊt lμ tiÕn hμnh ë ¸p suÊt gi¶m vμ ë nhiÖt ®é sao cho sù ph©n huû ho¹t chÊt lμ tèi thiÓu (th−êng kh«ng qu¸ 600C). Tr¸nh c« hoÆc sÊy kÐo dμi ë nhiÖt ®é cao. 3.5. X¸c ®Þnh vμ ®iÒu chØnh tû lÖ ho¹t chÊt §èi víi cao thuèc cã qui ®Þnh hμm l−îng, sau khi ®iÒu chÕ ph¶i ®Þnh l−îng ho¹t chÊt, nÕu ch−a ®¹t ph¶i ®iÒu chØnh ®Ó cao cã tØ lÖ ho¹t chÊt ®óng qui ®Þnh. Tr−êng hîp cao láng cã tû lÖ ho¹t chÊt thÊp h¬n quy ®Þnh, th× tiÕn hμnh c« tiÕp ®Ó lo¹i bít dung m«i. NÕu hμm l−îng ho¹t chÊt cao h¬n quy ®Þnh, cã thÓ pha lo·ng b»ng dung m«i thÝch hîp. Cao ®Æc vμ cao kh« cã hμm l−îng ho¹t chÊt thÊp h¬n qui ®Þnh, ph¶i c« tiÕp dung m«i hoÆc lo¹i bít t¹p chÊt. NÕu cao h¬n qui ®Þnh cã thÓ dïng c¸c t¸ d−îc ®én tr¬ nh− dextrin, lactose, tinh bét hay b· d−îc liÖu nghiÒn mÞn. L−îng t¸ d−îc ®én tÝnh theo c«ng thøc sau: 205

(100 − R )a − T b

Trong ®ã: a : l−îng ho¹t chÊt (g) cã trong cao b: hμm l−îng ho¹t chÊt qui ®Þnh (%) R: hμm Èm cho phÐp (%) T: khèi l−îng c¾n kh« cña tæng l−îng cao (g) x: khèi l−îng t¸ d−îc ®én cÇn thªm (g) §Ó ®¶m b¶o tÝnh ®ång nhÊt khi thªm t¸ d−îc ®én, cã thÓ tiÕn hμnh nh− sau:

−

C« dÞch chiÕt ®Õn thÓ cao mÒm. C©n vμ x¸c ®Þnh tØ lÖ c¾n kh« vμ hμm l−îng ho¹t chÊt. Tõ ®ã tÝnh ®−îc l−îng t¸ d−îc ®én cÇn dïng. Sau khi ®· thªm t¸ d−îc ®én, cao mÒm ®−îc lμm kh« ®Õn khi ®¹t hμm Èm mong muèn.

−

Tr−êng hîp cao kh« ®· ®¹t hμm Èm qui ®Þnh, cã thÓ thªm t¸ d−îc ®én b»ng c¸ch nghiÒn cïng víi cao kh«.

Ngoμi ra ®Ó ®iÒu chØnh hμm l−îng ho¹t chÊt trong cao thuèc cã thÓ thùc hiÖn b»ng c¸ch phèi hîp c¸c mÎ cao cã hμm l−îng ho¹t chÊt kh¸c nhau. 3.6. Hoμn chØnh chÕ phÈm

−

Cao láng ®Ó uèng cã thÓ thªm c¸c chÊt ®iÒu h−¬ng vÞ nh− sir« ®¬n, menthol, tinh dÇu, vanilin...

−

Thªm c¸c chÊt b¶o qu¶n chèng nÊm mèc nh−: acid boric, acid benzoic, natri benzoat, nipagin, nipasol. ViÖc thªm c¸c chÊt b¶o qu¶n vμo cao th−êng ®−îc thùc hiÖn ë cuèi giai ®o¹n c« ®Æc.

4. C¸c chØ tiªu chÊt l−îng cao thuèc

−

C¶m quan: cao thuèc ph¶i cã thÓ chÊt, mμu s¾c, ®é ®ång nhÊt theo qui ®Þnh; cã mïi, vÞ cña d−îc liÖu t−¬ng øng …

−

§é tan: cao láng ph¶i tan hoμn toμn trong dung m«i ®· dïng ®Ó ®iÒu chÕ cao.

−

MÊt khèi l−îng do lμm kh«: th«ng th−êng cao ®Æc kh«ng qu¸ 20%, cao kh« kh«ng qu¸ 5%.

−

C¸c chØ tiªu kh¸c: ®é nhiÔm khuÈn, giíi h¹n thuèc b¶o vÖ thùc vËt, kim lo¹i nÆng, chÊt b¶o qu¶n, ®Þnh tÝnh, ®Þnh l−îng.

5. B¶o qu¶n, ghi nh·n B¶o qu¶n cao thuèc trong bao b× kÝn, tr¸nh ¸nh s¸ng, ®Ó n¬i kh« r¸o, tho¸ng m¸t, nhiÖt ®é Ýt thay ®æi. Néi dung nh·n cÇn chØ râ lo¹i cao (láng, ®Æc, 206

kh«); tªn d−îc liÖu ®· dïng; tr¹ng th¸i d−îc liÖu (t−¬i hay kh«); tØ lÖ cao so víi d−îc liÖu; tªn vμ l−îng t¸ d−îc thªm vμo (®Ó pha lo·ng, æn ®Þnh, b¶o qu¶n); lo¹i dung m«i ®· sö dông vμ hμm l−îng ho¹t chÊt (nÕu cã). 6. Mét sè vÝ dô cao thuèc B¶ng 16.1. Mét sè cao thuèc th−êng gÆp Tªn cao thuèc

D−îc liÖu

Dung m«i vµ ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt

Hµm l−îng

Cao láng canhkina (D§VNI tËp 1)

Vá canhkina

N−íc acid, ngÊm kiÖt

≥ 3,5% alcaloid toµn phÇn

Cao kh« benladon (D§VNI tËp 1)

L¸ benladon

Ethanol 70o, ngÊm kiÖt

1,4-1,5% alcaloid toµn phÇn tÝnh theo hyoscyamin

Cao ®Æc (D§VNIII)

L¸ actis«

actis«

≥ 2,5% cynarin

Cao Ých mÉu (D§VNIII)

H−¬ng phô, Ých mÉu, ng¶i cøu

N−íc, s¾c

Cao kh« l¸ benladon chuÈn ho¸ (BP 2003)

L¸ benladon

Ethanol 70o

0,95-1,05% alcaloid toµn phÇn tÝnh theo hyoscyamin

Cao láng ipeca chuÈn ho¸ (BP 2003)

RÔ ipeca

Ethanol 70o

1,9-2,1% alcaloid toµn phÇn tÝnh theo emetin

Cao láng cam th¶o chuÈn ho¸ (BP 2003)

RÔ cam th¶o

Ethanol 70o

3,0-5,0% acid glycyrrhizic

Cao kh« l¸ keo chuÈn ho¸ (BP 2003)

L¸ c©y keo

Ethanol 80o

Cao kh« l« héi chuÈn ho¸ (Ph Eur 1997)

Nhùa l¸ l« héi

N−íc

50o-

5,5-8,0% hydroxyanthracen glycosid, tÝnh theo sennosid B 19-21% hydroxyanthracen tÝnh theo barbaloin

Tù l−îng gi¸ 1. Tr×nh bμy kh¸i niÖm cao thuèc. Ph©n biÖt c¸c lo¹i cao láng, cao ®Æc, cao kh«, cao qui ®Þnh hμm l−îng ho¹t chÊt vμ cao chuÈn ho¸. 2. Nªu nh÷ng yªu cÇu cña dung m«i dïng ®iÒu chÕ cao thuèc. 3. Tr×nh bμy kü thuËt ®iÒu chÕ cao thuèc. 4. Nªu c¸c chØ tiªu chÊt l−îng chÝnh cña cao thuèc. 5. Nªu mét sè vÝ dô cao thuèc: nguyªn liÖu, dung m«i vμ ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ.

207

Ch−¬ng 17

ChiÕt xuÊt Alcaloid

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Çc tÝnh chÊt lý hãa chñ yÕu cña çc alcaloid. 2. Çc ph−¬ng ph¸p chung chiÕt vμ t¸ch çc alcaloid. 3. S¬ ®å qui tr×nh s¶n xuÊt vμ m« t¶ qui tr×nh s¶n xuÊt mét sè alcaloid: quinin, strychnin, atropin, berberin, palmatin, rotundin vμ çc alcaloid thuèc phiÖn.

1. §¹i c−¬ng vÒ alcaloid 1.1. §Þnh nghÜa Alcaloid lμ mét chÊt h÷u c¬ cã chøa nit¬ ®a sè cã nh©n vßng, cã ph¶n øng kiÒm, th−êng gÆp trong thùc vËt vμ ®«i khi trong ®éng vËt, th−êng cã d−îc lùc tÝnh m¹nh vμ ®éc, cho kÕt tña vμ ph¶n øng mμu víi mét sè thuèc thö gäi lμ thuèc thö cña alcaloid. 1.2. Ph©n bè Alcaloid th−êng chøa trong çc bé phËn cña c©y nh− hoa, l¸, rÔ, h¹t, vá. §«i khi trong cïng mét c©y th× bé phËn nμy rÊt giμu alcaloid bé phËn kh¸c l¹i kh«ng cã. L−îng alcaloid vμ tû lÖ thμnh phÇn çc alcaloid trong c©y cã thÓ thay ®æi tïy theo mïa thu h¸i, tuæi cña c©y, ®iÒu kiÖn khÝ hËu, thæ nh−ìng... Trong mét c©y th−êng chøa çc alcaloid cã cÊu tróc ho¸ häc gÇn gièng nhau. §Æc biÖt trong mét sè c©y cã chøa tíi vμi chôc alcaloid nh− c©y thuèc phiÖn, c©y canhkina. Çc alcaloid trong c©y tån t¹i d−íi d¹ng muèi víi çc acid h÷u c¬ nh− acid succinic, acid oxalic, acid malic, acid meconic. TØ lÖ phÇn tr¨m çc alcaloid trong çc bé phËn cña c©y cã thÓ rÊt cao tõ 10 ®Õn 15% hoÆc rÊt thÊp vμi phÇn ngh×n, thËm chÝ vμi phÇn v¹n. 208

Th¶m thùc vËt vïng nhiÖt ®íi th−êng cã nhiÒu c©y cã chøa alcaloid víi hμm l−îng cao. 2. TÝnh chÊt chung cña alcaloid Alcaloid th−êng cã cÊu tróc phøc t¹p gåm cã C, H, N, vμ O, trong ®ã nit¬ th−êng n»m trong m¹ch vßng (dÞ vßng cã nit¬) vμ mang l¹i tÝnh kiÒm cho nã. Chóng cã mét sè tÝnh chÊt lÝ ho¸ chÝnh sau. 2.1. TÝnh chÊt lÝ häc

• ThÓ tr¹ng: Alcaloid th−êng lμ çc chÊt cã träng l−îng ph©n tö cao, th−êng ë thÓ r¾n ë nhiÖt ®é th−êng. Çc alcaloid ë thÓ r¾n th−êng lμ çc alcaloid kh«ng bay h¬i, çc alcaloid bay h¬i th−êng ë thÓ láng. Çc alcaloid ë thÓ r¾n th−êng lμ çc chÊt dÔ kÕt tinh vμ cã ®é ch¶y x¸c ®Þnh. Mét sè alcaloid kh«ng ®o ®−îc ®é ch¶y do nã bÞ ph¸ huû ë nhiÖt ®é thÊp h¬n ®é ch¶y. Çc alcaloid ë d¹ng láng ë nhiÖt ®é th−êng th−êng kh«ng cã oxy trong ph©n tö (nicotin, spartein). Çc alcaloid ë thÓ láng d−íi d¹ng tù do nh−ng khi t¹o muèi víi acid th× nã cã thÓ chuyÓn sang thÓ r¾n (spartein ë thÓ láng nh−ng spartein sulfat ë thÓ r¾n). Tuy nhiªn cã mét vμi ngo¹i lÖ mét sè alcaloid cã oxy trong ph©n tö nh−ng vÉn ë thÓ láng nh− arecolin (C18H15ON2), pilocarpin (C11H16O2N2).

• Mμu s¾c §a sè çc alcaloid th−êng kh«ng mÇu hoÆc mÇu tr¾ng (çc alcaloid cã nit¬ bËc 3), mét sè cã mμu vμng (çc alcaloid lμ çc hydroxyd amoni bËc 4). Ngoμi ra cã mét sè alcaloid ë d¹ng base kh«ng mμu nh−ng muèi cña nã víi acid l¹i cã mμu (VD sanguinarin base kh«ng mμu nh−ng muèi cña nã cã mμu ®á).

• Mïi vÞ Alcaloid th−êng cã vÞ ®¾ng.

• N¨ng suÊt quay cùc Do cÊu tróc cña ph©n tö alcaloid phøc t¹p cã chøa carbon bÊt ®èi nªn cã t¸c dông vμo ¸nh s¸ng ph©n cùc. Th−êng alcaloid tù nhiªn cã t¸c dông quay mÆt ph¼ng ¸nh s¸ng ph©n cùc sang tr¸i (t¶ tuyÒn). Mét sè alcaloid tån t¹i trong thùc vËt d−íi d¹ng ®ång l−îng c¸c ®ång ph©n t¶ vμ h÷u ta cã d¹ng racemic.

• §é tan: Alcaloid th−êng kh«ng tan trong n−íc, trõ mét sè ë tr¹ng th¸i láng nh− nicotin dÔ tan trong n−íc. Alcaloid tan tèt trong çc dung m«i h÷u c¬ nh− cån, benzen, toluen, diclomethan. Ng−îc l¹i, muèi cña nã víi çc acid h÷u c¬ vμ v« c¬ dÔ tan trong n−íc vμ mét sè dung m«i h÷u c¬ ph©n cùc vμ kh«ng tan trong dung m«i h÷u c¬ kh«ng ph©n cùc. Çc dung m«i h÷u c¬ ph©n cùc m¹nh nh− ethanol vμ methanol th−êng hoμ tan c¶ alcaloid d¹ng muèi vμ d¹ng base. 209

2.2. Hãa tÝnh TÝnh kiÒm: Alcaloid cã nit¬ ho¸ trÞ 3, cã tÝnh kiÒm t−¬ng tù nh− NH3 t¸c dông víi acid t¹o muèi.

Alc

N + HCl

Alc

. HCl

Muèi hydroclorid Alcaloid cã nit¬ hãa trÞ 5 t¹o muèi víi acid lo¹i n−íc:

Alc

+ HCl

Alc

H2O

Muèi clorid Çc muèi th−êng v÷ng bÒn h¬n alcaloid base v× ë tr¹ng th¸i muèi chóng khã biÕn thμnh ®ång ph©n hç biÕn. MÆt kh¸c, d−íi d¹ng muèi víi acid chóng tan rÊt tèt trong n−íc nªn chóng th−êng ®−îc dïng lμm thuèc. §é bÒn v÷ng cña çc muèi cña alcaloid ®èi víi sù thñy ph©n phô thuéc vμo tÝnh kiÒm m¹nh yÕu kh¸c nhau cña çc alcaloid vμ b¶n chÊt cña acid mμ nã kÕt hîp víi. Trõ alcaloid nhãm xanthin, ®a sè çc alcaloid cã gi¸ trÞ pK nhá h¬n 7. Alcaloid lμ çc base yÕu nªn chóng dÔ dμng bÞ çc base m¹nh vμ trung b×nh nh− NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3, NaHCO3, NH4OH ®Èy ra khái muèi cña chóng víi acid t¹o alcaloid base. TÝnh chÊt nμy cña alcaloid ®−îc øng dông trong chiÕt xuÊt alcaloid tõ d−îc liÖu. 3. Çc ph−¬ng ph¸p chung chiÕt alcaloid Trong nguyªn liÖu thùc vËt ngoμi alcaloid cßn cã v« sè çc chÊt kh¸c nh− protein, nhùa, tanin, terpenoid, glycosid, s¸p.... ChiÕt xuÊt çc alcaloid lμ t¸ch chóng ra khái d−îc liÖu d−íi d¹ng tinh khiÕt, kh«ng lÉn çc t¹p chÊt ho¸ häc kh¸c nhau cã chøa trong d−îc liÖu. Dùa vμo çc tÝnh chÊt chung cña alcaloid ng−êi ta ®−a ra 2 ph−¬ng ph¸p chung ®Ó chiÕt t¸ch çc alcaloid ra khái nguyªn liÖu thùc vËt. 3.1. Ph−¬ng ph¸p chiÕt alcaloid d−íi d¹ng base b»ng dung m«i h÷u c¬ kh«ng ph©n cùc (H×nh 17.1) ¦u ®iÓm: HiÖu suÊt chiÕt çc ho¹t chÊt tõ d−îc liÖu cao do dÞch chiÕt rót ra s¹ch, dÔ tinh chÕ lo¹i çc t¹p ®i kÌm theo. Çc dung m«i h÷u c¬ kh«ng ph©n cùc th−êng lμ çc dung m«i cã kh¶ n¨ng chiÕt chän läc ®èi víi alcaloid ë d¹ng base. Nh−îc ®iÓm: Dung m«i h÷u c¬ th−êng lμ çc dung m«i ®¾t tiÒn. Khi sö dông çc dung m«i nμy ®Ó chiÕt ®ßi hái çc thiÕt bÞ phøc t¹p ®Çu t− cho thiÕt bÞ lín. 210

Ph−¬ng ph¸p tiÕn hμnh gåm çc giai ®o¹n sau: Giai ®o¹n 1: ChuÈn bÞ nguyªn liÖu §Ó t¨ng kh¶ n¨ng chiÕt ta ph¶i chia nhá d−îc liÖu tr−íc khi chiÕt nh»m lμm t¨ng bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a hai pha r¾n vμ láng ®Èy nhanh qu¸ tr×nh khuÕch t¸n. Tuy nhiªn nÕu ta chia nhá d−îc liÖu qu¸ dung m«i sÏ khã chuyÓn ®éng qua khèi d−îc liÖu vμ ta rÊt khã thu ®−îc dÞch chiÕt, do ®ã tuú thuéc vμo tõng lo¹i d−îc liÖu ta cã thÓ xay nhá kh¸c nhau ®Ó võa ®¶m b¶o ®Èy nhanh qu¸ tr×nh khuÕch t¸n võa dÔ dμng trong rót dÞch chiÕt. KiÒm ho¸ vμ lμm tr−¬ng në nguyªn liÖu b»ng dung dÞch kiÒm (th−êng dïng Ca(OH)2, NH4OH, Na2CO3... ) ®Ó chuyÓn alcaloid trong nguyªn liÖu sang d¹ng base. Giai ®o¹n 2: ChiÕt Sö dông çc dung m«i chiÕt lμ çc dung m«i h÷u c¬ kh«ng ph©n cùc (çc dung m«i kh«ng hoμ lÉn víi n−íc). Giai ®o¹n 3: Tinh chÕ Tinh chÕ thu çc alcaloid b»ng çch chuyÓn d¹ng muèi víi acid vμ chuyÓn d¹ng base b»ng kiÒm vμ ph©n chia chóng gi÷a hai pha dung m«i h÷u c¬ kh«ng ph©n cùc vμ n−íc ®Ó lo¹i çc t¹p chÊt kh«ng ph¶i lμ alcaloid.

Dd kiÒm Bét d−îc liÖu Dm h÷u c¬ ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt Acid lo·ng T¹p chÊt/dm h÷u c¬ Muèi alc/n−íc acid Dm h÷u c¬ T¹p chÊt/n−íc acid Alc base/dm h÷u c¬ N−íc th¶i Dm h÷u c¬

CÊt thu håi dung m«i Alcaloid base tinh khiÕt

H×nh 17.1. S¬ ®å chiÕt alcaloid d−íi d¹ng base b»ng dung m«i h÷u c¬

211

øng dông: HiÖn nay hÇu hÕt c¸c alcaloid ®−îc s¶n xuÊt trong n−íc còng nh− trªn thÕ giíi sö dông ph−¬ng ph¸p nμy. MÆt kh¸c ph−¬ng ph¸p nμy khi sö dông chiÕt c¸c d−îc liÖu cã nhiÒu chÊt nhÇy cã ®é tr−¬ng në cao, tr¸nh ®−îc sù tr−¬ng në qu¸ møc cña d−îc liÖu vμ sù hoμ tan chÊt nhÇy vμo dung m«i g©y khã kh¨n cho rót dÞch chiÕt vμ tinh chÕ. 3.2. Ph−¬ng ph¸p chiÕt alcaloid d−íi d¹ng muèi b»ng dung m«i n−íc, n−íc acid hoÆc cån (ethanol, methanol) ¦u ®iÓm:

−

Dung m«i rÎ tiÒn, dÔ kiÕm.

−

ThiÕt bÞ chiÕt xuÊt ®¬n gi¶n, ®Çu t− Ýt.

Nh−îc ®iÓm: DÞch chiÕt rót ra lÉn nhiÒu t¹p chÊt, khã tinh chÕ do ®ã mÊt m¸t nhiÒu trong kh©u tinh chÕ lμm cho hiÖu suÊt chiÕt thÊp. §èi víi çc d−îc liÖu chøa nhiÒu chÊt nhÇy, viÖc sö dông n−íc lμm dung m«i chiÕt gÆp khã kh¨n trong kh©u rót dÞch chiÕt. Ph−¬ng ph¸p tiÕn hμnh gåm çc giai ®o¹n sau: ChuÈn bÞ nguyªn liÖu: Nguyªn liÖu thùc vËt ®−îc xay th«, sau ®ã ®−îc lμm Èm cho tr−¬ng në b»ng n−íc. TiÕn hμnh chiÕt: Sö dông dung m«i lμ n−íc chiÕt alcaloid d−íi d¹ng muèi tù nhiªn hoÆc muèi víi acid v« c¬, hoÆc dung m«i lμ cån ethylic hoÆc methylic ®Ó chiÕt alcaloid c¶ d−íi d¹ng muèi vμ base. Tinh chÕ: Trong tr−êng hîp chiÕt b»ng n−íc, alcaloid base ®−îc gi¶i phãng tõ dÞch chiÕt b»ng çch thªm kiÒm sau ®ã ®−îc chiÕt b»ng mét dung m«i h÷u c¬ kh«ng hßa tan trong n−íc. TiÕp tôc tinh chÕ b»ng çch bèc h¬i dung m«i vμ kÕt tinh l¹i trong dung m«i h÷u c¬ hoÆc chuyÓn sang d¹ng muèi kÕt tinh l¹i. Trong tr−êng hîp chiÕt b»ng cån, dÞch chiÕt cån ®−îc c« ®Æc, thªm acid vμ lo¹i çc t¹p chÊt b»ng çch chiÕt b»ng dung m«i h÷u c¬ kh«ng ph©n cùc, thªm kiÒm chuyÓn alcaloid sang d¹ng base råi chiÕt alcaloid b»ng mét dung m«i h÷u c¬. Bèc h¬i dung m«i h÷u c¬ råi kÕt tinh alcaloid hoÆc chuyÓn sang d¹ng muèi kÕt tinh l¹i. §èi víi çc alcaloid khã t¸ch cã thÓ sö dông ph−¬ng ph¸p s¾c ký hÊp phô hoÆc ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion. 212

4. Çc ph−¬ng ph¸p t¸ch alcaloid d−íi d¹ng tinh khiÕt 4.1. Th¨ng hoa Th¨ng hoa cã thÓ thùc hiÖn trùc tiÕp trªn d−îc liÖu nh− t¸ch caffein tõ chÌ hoÆc cã thÓ sö dông ®Ó t¸ch vμ tinh chÕ çc hîp chÊt cã trong dÞch chiÕt th«. Çc thiÕt bÞ hiÖn ®¹i cho phÐp sö dông ¸p suÊt gi¶m vμ kiÓm so¸t ®−îc nhiÖt ®é trong qu¸ tr×nh th¨ng hoa. 4.2. CÊt CÊt ph©n ®o¹n th−êng ®−îc sö dông ®Ó t¸ch çc hîp phÇn trong mét hçn hîp çc chÊt dÔ bay h¬i. Trong hãa thùc vËt nã ®−îc sö dông réng r·i trong ph©n lËp çc hîp phÇn cña tinh dÇu. Tuy nhiªn khã cã thÓ sö dông ph−¬ng ph¸p nμy ®Ó t¸ch çc hîp phÇn phô trong hçn hîp tinh dÇu d−íi d¹ng tinh khiÕt. §Ó ph©n lËp tinh dÇu vμ acid hydrocyanic vμ mét sè alcaloid thÓ láng nh− spartein, nicotin tõ thùc vËt th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p cÊt l«i cuèn h¬i n−íc. 4.3. Gi¶i phãng ph©n ®o¹n Mét sè nhãm çc hîp chÊt tù nhiªn cã thÓ gi¶i phãng ph©n ®o¹n tõ mét hçn hîp. Cã thÓ lÊy vÝ dô mét hçn hîp muèi alcaloid trong dung dÞch n−íc nÕu thªm tõ tõ võa ®ñ tõng phÇn kiÒm lóc ®Çu çc base yÕu nhÊt sÏ ®−îc gi¶i phãng ra d−íi d¹ng base tù do. T¨ng dÇn ®é kiÒm lªn sÏ lÇn l−ît gi¶i phãng çc base cã tÝnh kiÒm m¹nh dÇn. Mçi lÇn thªm kiÒm vμo ta l¾c hçn hîp víi dung m«i h÷u c¬ ta sÏ thu ®−îc mét lo¹t çc ph©n ®o¹n base. Cã thÓ dïng ph−¬ng ph¸p nμy ®Ó t¸ch çc acid h÷u c¬ cã thÓ hoμ tan trong dung m«i kh«ng trén lÉn n−íc. NÕu ta cã mét hçn hîp muèi çc acid h÷u c¬ ta cã thÓ gi¶i phãng ph©n ®o¹n çc acid ®ã b»ng çch thªm dÇn çc acid v« c¬. 4.4. KÕt tinh ph©n ®o¹n §©y lμ mét ph−¬ng ph¸p ph©n lËp ®· ®−îc sö dông nhiÒu tr−íc ®©y vμ hiÖn nay vÉn cã gi¸ trÞ trong viÖc t¸ch çc hçn hîp khã t¸ch. Ph−¬ng ph¸p nμy sö dông ®é tan kh¸c nhau cña mét hîp phÇn cña mét hçn hîp cÇn t¸ch trong mét dung m«i hoÆc hçn hîp dung m«i nhÊt ®Þnh. Ng−êi ta th−êng sö dông çc dÉn xuÊt cña çc hîp phÇn cÇn t¸ch ®Ó thay ®æi ®é tan cña nã (vÝ dô muèi picrat cña çc alcaloid, asazon cña ®−êng). 4.5. S¾c ký hÊp phô Trong çc tr−êng hîp kh¸c nhau t¸ch vμ ph©n lËp çc hîp chÊt tõ thùc vËt, kü thuËt s¾c ký lμ mét trong nh÷ng kü thuËt ®−îc sö dông nhiÒu nhÊt. §Ó tÈy mμu vμ lμm trong dung dÞch ta sö dông than ho¹t, çc t¹p chÊt mμu sÏ bÞ hÊp phô bëi than ho¹t vμ sau khi läc ta sÏ thu ®−îc mét dung dÞch kh«ng mμu. 213

TÊt c¶ çc chÊt r¾n khi ®−îc ph©n chia nhá ®Òu cã kh¶ n¨ng hÊp phô Ýt nhiÒu çc chÊt kh¸c trªn bÒ mÆt cña nã vμ ng−îc l¹i tÊt c¶ çc chÊt ®Òu cã thÓ bÞ hÊp phô tõ dung dÞch ë çc møc ®é kh¸c nhau. HiÖn t−îng hÊp phô chän läc lμ nguyªn lý c¬ b¶n cña s¾c ký. Qu¸ tr×nh c¬ b¶n cña s¾c ký cã thÓ ®−îc m« t¶ dùa trªn thÝ nghiÖm cña Tswett nh− sau: DÞch chiÕt ether dÇu ho¶ (40-60OC) cña l¸ c©y t−¬i ®−îc cho qua mét cét thuû tinh th¼ng ®øng trong cã chøa bét calci carbonat. Çc s¾c tè trong cét bÞ hÊp phô vμo chÊt nhåi cét vμ sÏ t¸ch trong qu¸ tr×nh ch¶y qua cét. Çc s¾c tè hÊp phô m¹nh h¬n nh− xanthophyl vμ clorophyl sÏ tËp trung thμnh çc b¨ng mμu ®Æc tr−ng râ rÖt gÇn ®Ønh cét trong khi çc s¾c tè cã ®é hÊp phô kÐm h¬n nh− çc caroten tËp trung ë çc b¨ng thÊp h¬n phÝa d−íi. Th−êng viÖc t¸ch hoμn toμn çc thμnh phÇn thμnh çc b¨ng râ rÖt kh«ng x¶y ra ë giai ®o¹n hÊp phô ®Çu tiªn mμ trong giai ®o¹n nμy çc b¨ng cßn tËp trung gÇn nhau ë phÇn ®Ønh cét. TiÕp tôc triÓn khai cét b»ng dung m«i tinh khiÕt, çc chÊt bÞ hÊp phô sÏ di chuyÓn dÇn xuèng phÝa d−íi vμ çc b¨ng ®−îc t¸ch ra xa nhau h¬n. Trong nhiÒu tr−êng hîp qu¸ tr×nh ®−îc tiÕn hμnh hiÖu qu¶ h¬n nhê sö dông dung m«i triÓn khai kh¸c mμ çc chÊt Ýt bÞ hÊp phô tõ nã h¬n. VÝ dô nÕu ether dÇu háa cã chøa mét Ýt alcol ®−îc cho th¼ng qua cét trong thÝ nghiÖm ®−îc m« t¶ ë trªn th× çc b¨ng sÏ t¸ch ra xa nhau h¬n vμ sÏ ch¹y qua cét nhanh h¬n so víi khi chØ dïng ether-dÇu háa ®Ó triÓn khai. Khi ta cho dung m«i tiÕp tôc ch¹y qua cét b¨ng thÊp h¬n trong cét sÏ ch¹y tíi ®¸y vμ biÕn mÊt, s¾c tè sÏ thu ®−îc ë dÞch ch¶y ra ë ®¸y cét. Qu¸ tr×nh nμy gäi lμ qu¸ tr×nh gi¶i hÊp phô (elution), dung dÞch ®ã ®−îc gäi lμ dung dÞch gi¶i hÊp phô (eluate). Çc chÊt dÔ dμng hÊp phô tõ çc dung m«i kh«ng ph©n cùc nh− ether dÇu háa, benzen th−êng dÔ dμng gi¶i hÊp phô b»ng çc dung m«i ph©n cùc nh− alcol, n−íc, piridin... Mét vμi çc hîp chÊt bÞ hÊp phô ë pH nhÊt ®Þnh sÏ ®−îc gi¶i hÊp phô ë mét pH kh¸c. Çc chÊt kh¸c nhau th−êng ®−îc dïng lμm chÊt hÊp phô lμ: nh«m oxyd, silicagel, magnesi oxyd, kaolin, calci carbonat, than ho¹t vμ çc lo¹i ®−êng. Sucrose ë d¹ng bét ®−îc Tswett sö dông ®Ó t¸ch çc chlorophyl A vμ B. Khi ta tiÕn hμnh s¾c ký çc chÊt kh«ng mμu, çc b¨ng cña çc chÊt bÞ hÊp phô kh«ng thÓ tr«ng thÊy ®−îc. Trong mét sè tr−êng hîp cã thÓ sö dông ®Ìn tö ngo¹i ®Ó x¸c ®Þnh çc vïng ph¸t quang d−íi ¸nh s¸ng tö ngo¹i hoÆc cã thÓ chia s¾c phæ ra nhiÒu phÇn nhá riªng biÖt vμ gi¶i hÊp phô hoÆc chiÕt tõng phÇn nhá ®ã riªng rÏ. §«i khi ng−êi ta thu dÞch gi¶i hÊp phô cña toμn bé cét thμnh çc phÇn riªng biÖt råi tiÕn hμnh ph©n tÝch riªng çc phÇn riªng biÖt ®ã. Dông cô ®Ó tiÕn hμnh s¾c ký hÊp phô rÊt ®¬n gi¶n chØ gåm mét cét b»ng thuû tinh trong nhåi chÊt hÊp phô. S¾c ký hÊp phô th−êng ®−îc sö dông trong ph©n lËp vμ tinh chÕ çc vitamin, hormon, mét sè çc alcaloid, çc glycosid tim, antraquinon...

214

5. ChiÕt xuÊt mét sè alcaloid 5.1. S¶n xuÊt alcaloid hä Cμ 5.1.1. §¹i c−¬ng Hä cμ lμ mét hä lín gåm kho¶ng 1200 c©y, cã lo¹i dïng ®Ó ¨n, cã lo¹i ®éc dïng trong kü nghÖ, cã loμi dïng lμm thuèc. C¸c loμi ®éc chøa rÊt nhiÒu alcaloid ta cã thÓ chia chóng ra thμnh 3 nhãm chÝnh: •

Nhãm alcaloid kh«ng cã oxy: Gåm cã 5 alcaloid pyrolidin, nicotelin, anabazin, nicotyrin, nicotin.

Nicotin lμ mét alcaloid cña nhiÒu lo¹i thuèc l¸, vμ cã tû lÖ thÊp nhÊt thay ®æi tõ 0,6-0,8%. Lμ mét alcaloid láng s¸nh nh− dÇu, ®éc cho tim vμ n·o. Dïng ®Ó tæng hîp acid nicotinic chÕ t¹o vitamin PP. Ngoμi ra cã thÓ dïng ®Ó diÖt s©u bä ph¸ ho¹i c©y cèi.

N N

Nornikotin •

CH3

N N

Nikotin

H Anabazin

Nhãm alcaloid cã oxy:

Gåm 7 alcaloid: atropin, hyoscyamin, pseudo hyoscyamin, atropamin, benladonin, methelsidin, scopolamin. Nhãm nμy rÊt quan träng v× cã nhiÒu alcaloid dïng lμm thuèc. Atropin, hyoscyamin, scopolamin lμ 3 alcaloid quan träng. C¶ 3 alcaloid nμy ®Òu cã khung tropan, atropin vμ hyoscyamin lμ este cña 1 alcol ®Æc biÖt lμ tropanol vμ acid tropic cßn scopolamin lμ este cña scopinol vμ acid tropic.

CH 3

N MÆt ph¼ng ®èi xøng

Tropan

Tropanol

O Scopinol

215

(1) (2) (3) HOOC CH CH2OH C6H5

Acid Tropic

Apotropic

HOOC

Acid phenyl 2, ol 3 propionic

CH2

C6H5 Atropin

Tropanol R + Acid tropic R

Tropanol R + Acid tropic L OH

HO OC

Hyoscyamin L (tr¸i)

(-)

CH2OH

C6H 5 + H2O

N Atropin, Hyoscyamin

Scopinol + Acid tropic L HO OC

Scopolamin

(-)

O OC

CH CH2OH

CH 2OH

C6H5

C6H5 CH3

CH 2OH

CH3

C6H5 CH3

CH3

O Scopolamin

+ H2O

Trong y häc scopolamin dïng ë d¹ng hydrobromid •

Nhãm alcaloid-glycosid:

Solanin lμ mét alcaloid-glycosid, nã cã nhiÒu tÝnh chÊt t−¬ng tù nh− saponin. §em thuû ph©n solanin ta thu ®−îc 1 phÇn alcaloid vμ 3 phÇn ®−êng:

C45H73O15N

C27H43ON

C6H12O6

+ C6H12O6

+ C6H12O5

Solanidin Solanidin chØ gÆp trong mét sè c©y thuèc loμi Solanum cô thÓ trong mÇm khoai t©y, nã kh¸ ®éc nªn khi ¨n khoai t©y ®· mäc mÇm ph¶i khoÐt bá hÕt mÇm. Tr−íc ®©y solanin ®−îc sö dông lμm thuèc trõ s©u. 5.1.2. TÝnh chÊt cña nhãm alcaloid cã nh©n tropan

Lý tÝnh:

Tr¹ng th¸i: §Òu ë tr¹ng th¸i r¾n t¹i nhiÖt ®é th−êng, ®Òu kÕt tinh ®−îc, tÊt c¶ ®Òu kÕt tinh kh«ng ngËm n−íc trõ scopolamin kÕt tinh víi 1 ph©n tö n−íc. 216

§é tan: Ýt tan trong n−íc (scopolamin dÔ tan h¬n), dÔ tan trong cån vμ trong cloroform. Hyoscyamin 108,50C

§é ch¶y:

Atropin 1150C - 1170C Scopolamin 590C N¨ng suÊt quay cùc: Trõ atropin lμ racemic cßn l¹i lμ t¶ tuyÒn.

Hãa tÝnh:

Hãa tÝnh cña amin bËc ba: V× cã amin bËc ba nªn mang l¹i tÝnh kiÒm cho ph©n tö, lμm ®á phenolphtalein, lμm xanh giÊy quú vμ t¹o muèi víi c¸c acid. Hãa chøc cña oxy (ester): Cã thÓ thuû ph©n ®Ó cho tropanol vμ acid tropic. O C6H5 OH

O C CH CH2 OH

C6H5 HOH

CH3

HOOC CH CH2 OH

NÕu thuû ph©n ë 1300C víi n−íc, ph¶n øng yÕu, kh«ng hoμn toμn. NÕu sö dông HNO3 ®Æc, ë nhiÖt ®é th−êng th× x¶y ra tõ tõ. NÕu dïng NaOH vμ ®un s«i ph¶n øng m¹nh. §ång ph©n hãa: Hyoscyamin ®em ®èt trong ch©n kh«ng ë 1100C hoÆc hßa tan trong cån chøa 10% NaOH, hoÆc ®un s«i víi cån 2-3 ngμy víi èng sinh hμn ng−îc th× sÏ biÕn thμnh atropin. Atropin ®em hßa tan vμo H2SO4 ®Æc vμ ®æ dung dÞch nμy vμo n−íc th× atropin mÊt 1 ph©n tö n−íc ®Ó thμnh atropamin.

C 6H 5

CH 3 N

CH 2 OH H 2O

C6H 5

CH 2

CH 3 N

5.1.3. D−îc lùc tÝnh

−

Atropin vμ hyoscyamin ®Òu cã t¸c dông øc chÕ hÖ thÇn kinh phã giao c¶m.

−

Lμm gi·n ®ång tö.

−

Kh¸ng bμi tiÕt, k×m h·m sù ho¹t ®éng cña c¸c tuyÕn n−íc bät, må h«i, tuyÕn tôy mËt. 217

−

T¨ng nhÞp tim.

−

Gi¶m co giËt, lμm tª liÖt c¸c c¬ tr¬n.

−

Gi¶m h« hÊp.

−

Hyoscyamin cã t¸c dông nh− atropin nh−ng ®éc h¬n, lμm gi·n ®ång tö m¹nh h¬n. Chóng ®−îc dïng trong khoa ch÷a m¾t, ®au d¹ dμy, trî tim, gi¶m co giËt.

−

Hyoscin (scopolamin) cã t¸c dông an thÇn m¹nh g©y ngñ, g©y mª. Muèi hydrobromid cña nã ®−îc dïng phèi hîp víi morphin (g©y ngñ), cloroform g©y mª).

5.1.4. Nguån gèc thiªn nhiªn Nh÷ng alcaloid kÓ trªn cã trong nhiÒu lo¹i c©y thuéc hä Cμ nh− hyoscyamin cã nhiÒu trong c©y hyoscyamus, vμ trong c©y Atropa benladona. Ngoμi ra, cßn cã trong mét sè loμi Cμ kh¸c nh−ng víi tû lÖ thÊp h¬n. Trong l¸ Atropa benladona cã tõ 0,2-1,2%, rÔ tõ 0,45- 0,85%, hoa tõ 0,5-0,65% vμ h¹t kho¶ng 0,8% alcaloid, chñ yÕu lμ hyoscyamin. Trong Atropa benladona hyoscyamin lμ alcaloid chñ yÕu nh−ng v× d−íi t¸c dông cña nhiÖt dÔ biÕn thμnh d¹ng racemic tøc lμ atropin, v× vËy tr−íc ®©y ng−êi ta t−ëng thμnh phÇn chñ yÕu cña Atropa benladona lμ atropin. Atropa benladona mäc nhiÒu ë Nam ¢u, T©y ¸ vμ B¾c Phi. §−îc trång ë nhiÒu n−íc nh− Liªn X«, Anh, Ph¸p, Ên §é, ë ViÖt Nam ch−a t×m thÊy loμi nμy. Scopolamin lμ alcaloid chñ yÕu cña c©y Cμ ®éc d−îc (Datura metel) víi tû lÖ kho¶ng 0,24%. Trong Datura metel ngoμi scopolamin cßn cã mét Ýt hyoscyamin. Loμi c©y nμy mäc hoang ë ViÖt Nam, Lμo, Campuchia. Ngoμi ra cßn cã ë Trung Quèc, Ên §é, Malaysia... Nh©n d©n ta th−êng dïng l¸ kh« th¸i nhá hót hay x«ng ®Ó ch÷a hen. Trong kh¸ng chiÕn Cμ ®éc d−îc ®· hoμn toμn thay thÕ cho Atropa benladona thÊy kÕt qu¶ tèt. D¹ng dïng: Cån thuèc 1/10 (ng−êi lín 0,5-3 g, trÎ em 0,1 g) Sir« cã 50g cån trong 1 lÝt (10-60 g cho ng−êi lín, trÎ em mçi tuæi 2 g). 5.1.5. Ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt a. S¶n xuÊt hyoscyamin sulfat •

ChiÕt hyoscyamin:

RÔ benladon ®−îc t¸n thμnh bét, ®em chiÕt ng−îc dßng trong 4 b×nh. Mçi b×nh 450 kg bét vμ kho¶ng 1000 lÝt methanol, sau 2 giê rót dÞch chiÕt ra. CÊt thu håi methanol: dÞch chiÕt rót ra ®−îc cÊt thu håi methanol ®Õn cßn 1/5 thÓ tÝch thu ®−îc d¹ng cao láng. 218

Tinh chÕ: Cø 200 kg cao cho thªm vμo 200 kg diclomethan 400 lÝt n−íc vμ 1,5 lÝt HCl ®Æc, khuÊy m¹nh trong 80 phót cho alcaloid chuyÓn sang d¹ng hidroclorid tan trong n−íc. ChuyÓn hçn hîp dung dÞch hydroclorid alcaloid vμ diclomethan vμo thiÕt bÞ ph©n ly. §Ó yªn 1 ®ªm diclomethan sÏ l¾ng xuèng, mang theo mét sè t¹p chÊt vμ chÊt mμu. G¹n lÊy pha n−íc. Cø 200 kg dung dÞch cho 200 kg diclomethan vμ 2 lÝt amoniac më m¸y khuÊy 15 phót. §Ó ph©n líp, g¹n lÊy pha dung m«i h÷u c¬. ChuyÓn d¹ng muèi-base nhiÒu lÇn, sau ®ã pha dung m«i h÷u c¬ ®−îc cÊt thu håi dung m«i. DÞch c« ®Ëm ®Æc ®Ó ë nhiÖt ®é phßng 24 giê hyoscyamin sÏ kÕt tinh, läc thu ®−îc hyoscyamin th«. •

S¶n xuÊt hyoscyamin sulfat:

Hyoscyamin th« hßa tan trong methanol khan ë nhiÖt ®é phßng vμ läc qua than ho¹t ë l¹nh. Dung dÞch nμy ®−îc lμm l¹nh ®Õn -50C vμ trung hßa víi mét dung dÞch l¹nh H2SO4 trong methanol. §iÒu chØnh pH dung dÞch b»ng H2SO4 (thö b»ng giÊy quú). Dung dÞch trung tÝnh ®−îc xö lý víi than ho¹t ë l¹nh vμ bèc h¬i d−íi ch©n kh«ng t¹i nhiÖt ®é thÊp. Hyoscyamin sulfat sÏ kÕt tinh tõ cÆn sau khi thªm vμo aceton vμ ®Ó yªn. NÕu nguyªn liÖu t¸ch ra gièng nh− dÇu, thªm vμo 1 Ýt methanol th× kÕt tinh thùc hiÖn dÔ dμng h¬n. KÕt tinh l¹i nÕu thÊy cÇn thiÕt hoÆc xö lý víi than ho¹t trong dung dÞch methanol ë l¹nh (dung dÞch 10%) nh− trªn. b. S¶n xuÊt atropin sulfat •

S¶n xuÊt atropin:

Tinh chÕ: Hoμ tan hyoscyamin th« trong methanol thμnh dung dÞch 10%, thªm vμo ®ã 1-2% than ho¹t, ®un s«i, läc röa than b»ng 1 l−îng nhá methanol nãng. Dung dÞch thu ®−îc dïng ®Ó racemic hãa thμnh atropin. Racemic hãa: Dung dÞch trªn ®−îc ®un s«i cã sinh hμn ng−îc víi 1-2% (träng l−îng) phenol trong 36 giê, thö ho¹t tÝnh quang häc xem hyoscyamin ®· chuyÓn hÕt thμnh atropin ch−a, nÕu ch−a hÕt th× ph¶i lμm thªm 1 thêi gian n÷a (c¸ch thö: lÊy kho¶ng 2 g alcaloid l¾c kü víi dung dÞch 50 ml HCl 1N, läc qua than ho¹t, thö ho¹t tÝnh quang häc ph¶i kh«ng cã, nÕu cã tøc lμ racemic ho¸ ch−a tèt). Ph¶i chó ý r»ng nguyªn liÖu th« ë ®©y chØ cã kho¶ng 75% hyoscyamin. Dung dÞch nãng atropin l¹i ®−îc xö lý víi than ho¹t. DÞch läc ®−îc bèc h¬i d−íi ¸p suÊt gi¶m (62,5 mmHg) cho ®Õn khi thu ®−îc dung dÞch ®Ëm ®Æc s¸nh nh− sir«, thªm vμo dung dÞch ®Ëm ®Æc nμy khi nã cßn nãng ®ång l−îng thÓ tÝch aceton, atropin sÏ kÕt tinh läc lÊy tinh thÓ, röa tinh thÓ b»ng aceton ®Ó lo¹i hÕt chÊt mμu. T¶i ra khay vμ sÊy. 219

Atropin nμy dïng lμm nguyªn liÖu ®iÒu chÕ atropin sulfat ch−a ®¹t atropin tinh khiÕt hãa häc. •

Tinh chÕ chuyÓn d¹ng atropin sulfat:

12 kg atropin th« ®−îc hßa tan trong 50 lÝt methanol khan, läc nãng víi 82g than ho¹t, röa than b»ng 4 lÝt methanol nãng. DÞch läc ®Ó yªn trong b×nh thÐp kh«ng gØ dung tÝch 100 lÝt. Dung dÞch nμy ®−îc lμm l¹nh b»ng n−íc ®¸ vμ muèi hay dung dÞch n−íc muèi tõ tñ l¹nh (chó ý tr¸nh lμm b¾n n−íc muèi vμo dung dÞch atropin) vμ khuÊy tèt b»ng que khuÊy thñy tinh hoÆc thÐp kh«ng gØ. Duy tr× nhiÖt ®é ë -50C. •

§iÒu chÕ dung dÞch H2SO4:

Dung dÞch nμy ph¶i ®−îc ®iÒu chÕ tr−íc khi dïng kho¶ng 12 giê, tèt nhÊt lμ dù tr÷ ë gÇn ®iÓm ®«ng ®Æc. Ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ dung dÞch nμy nh− sau: Nhá tõ tõ 1050 ml H2SO4 ®Æc vμo 8-9 lÝt methanol ®· ®Ó l¹nh vμ khuÊy cÈn thËn. Ph¶i duy tr× dung dÞch t¹i nhiÖt ®é ®ã. •

T¹o muèi atropin sulfat:

Nhá tõ tõ dung dÞch H2SO4 nμy vμo trong dung dÞch atropin cho ®Õn khi hçn hîp ph¶n øng chuyÓn giÊy quú xanh sang mμu hång nhÑ lμ ®−îc. TiÕp tôc khuÊy dung dÞch trong 80 phót. Ph¶i duy tr× nhiÖt ®é ph¶n øng t¹i -50C (mÊt kho¶ng 6 giê). •

KÕt tinh atropin sulfat:

Dung dÞch atropin sulfat ®−îc xö lý víi 80 g than ho¹t ë nhiÖt ®é 50-600C vμ läc. Dung dÞch läc ®em bèc h¬i ë ¸p suÊt th−êng ®Õn khi cßn 1/2 thÓ tÝch. Sau ®ã bèc h¬i t¹i ¸p suÊt gi¶m ®Õn ®é sir«, thªm vμo 800 ml methanol vμ khuÊy. Sau ®ã thªm vμo 5 lÝt aceton vμ khuÊy ®Òu. Atropin sulfat kÕt tinh. Lμm l¹nh trong nhiÒu giê. Läc, b¸nh läc ®−îc röa kü víi aceton cho ®Õn khi hÕt mμu. T¶i ra khay vμ sÊy. Atropin thu ®−îc nh− vËy th−êng tr¾ng; kh«ng cã t¸c dông quang häc vμ cã ®iÓm ch¶y ®óng. c. S¶n xuÊt scopolamin hydrobromid •

ChiÕt xuÊt scopolamin tõ Datura metel (phÇn chiÕt ®−îc thùc hiÖn nh− môc chiÕt hyoscyamin).

Mét sè t¸c gi¶ khuyªn nªn dïng Na2CO3 hay NaHCO3 ®Ó kiÒm hãa tr−íc, nh− vËy cã thÓ lo¹i trõ ®−îc sù ph¸ hñy liªn kÕt oxy trong scopinol vμ ®ång thêi cã thÓ gi¶m ®Õn møc tèi thiÓu qu¸ tr×nh racemic hãa thμnh atroscin. •

220

ChuyÓn d¹ng scopolamin hydrobromid

Scopolamin th« hßa tan trong 3 phÇn thÓ tÝch aceton, dung dÞch ®−îc lμm l¹nh tèt. Thªm vμo ®ã dung dÞch ®Ëm ®Æc HBr 48% trong n−íc cho ®Õn khi ph¶n øng acid nhÑ, thö b»ng giÊy quú (chó ý lμm l¹nh tèt). Thªm vμo 1 l−îng aceton, ®Ó l¹nh qua ®ªm, scopolamin hydrobromid sÏ kÕt tinh víi 1 ph©n tö n−íc. Läc röa b»ng alcol, sÊy t¹i nhiÖt ®é phßng. N−íc mÑ chøa c¶ scopolamin vμ atroscin hydrobromid. NÕu tiÕp tôc bèc h¬i t¹i ¸p suÊt gi¶m thu thªm ®−îc scopolamin hydrobromid. Qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ scopolamin tõ Datura metel cã thÓ tãm t¾t theo s¬ ®å ë h×nh 17.2. Bét d−îc liÖu DÞch chiÕt

Methanol Thu håi ë ¸p suÊt gi¶m Tetraclorua carbon

CÆn sir«

Tetraclorua carbon thu håi

HCl lo·ng

dd n−íc acid

NH4OH vµ CHCl3

dd cloroform

HCl lo·ng

Dung dÞch n−íc acid

NH4OH vµ diclorometan

dd diclorometan

HCl lo·ng

dd n−íc acid

NH4OH vµ ether isopropyl

dd alc.trong ether isopropyl

Na2SO4 khan

N−íc bá ®i

CHCl3 thu håi

N−íc bá ®i

Diclorometan thu håi

N−íc bá ®i

Läc cÊt ë ¸p suÊt gi¶m §Ó l¹nh, kÕt tinh Läc, sÊy kh«

H×nh 17.2. §iÒu chÕ scopolamon tõ Datura metel

221

5.2. S¶n xuÊt c¸c alcaloid cña thuèc phiÖn 5.2.1. §¹i c−¬ng C©y thuèc phiÖn cßn cã tªn lμ A phï dung, A phiÕn ... Tªn La tinh: Papaver somniferum L, hä Papaveraceae. C©y thuèc phiÖn ®−îc trång nhiÒu nhÊt t¹i Ch©u ¸: Thæ NhÜ Kú, Ir¾c, Ên §é, Trung Quèc, NhËt B¶n, ViÖt Nam (Hμ Giang, Lai Ch©u, S¬n La ...); t¹i Ch©u ¢u: Nam T−, Bungari, Hy L¹p, Liªn X«.... Qu¶ thuèc phiÖn (Anh tóc x¸c) cã gÇn hÕt c¸c alcaloid cña thuèc phiÖn nh−ng tû lÖ thÊp 0,06 - 0,26%. §−îc dïng lμm thuèc dÞu ®au, thuèc ngñ nhÑ, thuèc ch÷a ho, t¶, lþ, ®au bông... H¹t cã kho¶ng 25% dÇu (Ðp l¹nh), 45% dÇu (Ðp nãng); h¹t dïng ®Ó ¨n nh− võng; dÇu dïng ®Ó ¨n, chÕ thuèc xoa bãp, thuèc mì, thuèc cao... Nhùa thuèc phiÖn ®−îc dïng d−íi nhiÒu h×nh thøc ®Ó ch÷a bÖnh: thuèc ngñ, thuèc gi¶m ®au, thuèc ®iÒu hßa thÇn kinh, Øa ch¶y, lþ... Trong nhùa thuèc phiÖn cã kho¶ng 30 alcaloid; nãi chung chóng tån t¹i d−íi d¹ng meconat tøc lμ tæ hîp víi acid meconic.

O OH HOOC

COOH

(Acid 3 - hydroxy γ pyron dioic 2 - 6) Trong 30 alcaloid cã 7 alcaloid quan träng lμ:

6 − 21% ⎫

Morphin kho¶ ng Codein kho¶ ng

⎪ ⎬ Phenantren 0,3 − 7,5%⎪ ⎭

0,3 − 7%

Thebain kho¶ ng

0,1 − 4,5%⎫

Papaverin kho¶ ng Laudanozin kho¶ ng Narcotin kho¶ ng Narcein kho¶ ng

222

0,008% ⎪ ⎪

⎬ Benzylisoquinolin ⎪ 0,1 − 0,7% ⎪ ⎭

1,4 − 13%

5.2.2. CÊu tróc •

Khung

Phenantren •

Benzylisoquinolin

Ho¸ chøc

Hãa chøc amin bËc 3: nit¬ nèi liÒn 3 hãa trÞ, hoÆc cã 1 hãa trÞ tù do, hãa trÞ nμy lu«n lu«n ®Ýnh víi nhãm methyl. C¸c hãa chøc oxy: alcol, phenol, ether néi (ether néi lμ 2 hãa chøc cña phenol hay alcol trong cïng 1 ph©n tö ph¶n øng víi nhau cho ether), ether ngo¹i, lacton, acid, ceton nh−ng ®Æc biÖt kh«ng cã ester. 5.2.3. TÝnh chÊt •

•

Lý tÝnh

−

H×nh thÓ: ®Æc, kÕt tinh ®−îc t¹i nhiÖt ®é th−êng.

−

§é tan: khã tan trong n−íc, riªng codein dÔ tan h¬n, tan Ýt trong cån 500. C¸c muèi tù nhiªn cña alcaloid thuèc phiÖn ®Òu cã thÓ tan trong n−íc trõ narcotin.

−

N¨ng suÊt quay cùc: trõ papaverin vμ narcein kh«ng cã carbon bÊt ®èi cßn c¸c alcaloid kh¸c ®Òu cã kh¶ n¨ng quay cùc.

Hãa tÝnh

−

Hãa tÝnh nit¬: tÊt c¶ ®Òu cã 1 nit¬ bËc 3, lμ nh÷ng base yÕu cã thÓ ®Èy ra khái muèi cña chóng víi acid b»ng Na2CO3, NaHCO3, kÕt hîp víi acid t¹o muèi.

−

Hãa tÝnh cña oxy: nhãm hydroxy cña phenol vμ alcol cã thÓ ester hãa vμ cho dÉn xuÊt ch÷a bÖnh rÊt quý, nhãm -OH phenol lμm cho morphin cã thÓ tan trong hydroxyd cña kim lo¹i kiÒm vμ kiÒm thæ.

5.2.4. D−îc lùc tÝnh vμ c«ng dông

Nhãm 1 gåm cã morphin, codein, narcein t¸c dông vμo hÖ thÇn kinh trung −¬ng, lμm tª liÖt c¶m gi¸c, nhÊt lμ c¶m gi¸c ®au ®ín, alcaloid cßn g©y ngñ m¹nh víi møc ®é kh¸c nhau tuú theo tõng alcaloid. Morphin gi¶m ®au g©y ngñ m¹nh, ®−îc dïng trong nh÷ng tr−êng hîp ®au nhiÒu nh−: ung th−, c¬n ®au sái mËt, sái thËn, chøng ®au th¾t tim ... Codein vμ narcein gi¶m ®au, g©y ngñ nhÑ, t¸c dông vμo trung t©m c¶m gi¸c ho nªn ®−îc dïng lμm thuèc ho. 223

•

Nhãm morphin:

Alcaloid chÝnh lμ morphin chiÕm kho¶ng 5-15%, monometylether cña nã lμ codein cã trong nhùa thuèc phiÖn kho¶ng 0,9-6,5%. Ng−êi ta nhËn thÊy trong nhùa thuèc phiÖn tû lÖ morphin cao th× tû lÖ codein thÊp vμ ng−îc l¹i tû lÖ morphin thÊp th× tû lÖ codein cao. Trong ngμnh d−îc dïng khèi l−îng rÊt Ýt morphin, cßn kho¶ng 80-90% chuyÓn hãa thμnh codein (b»ng ph−¬ng ph¸p methyl hãa nh÷ng alcaloid cßn l¹i gÇn nh− kh«ng ®−îc sö dông lμm thuèc), riªng thebain cã thÓ dïng ®Ó tæng hîp codein. •

Nhãm benzylisoquinolin:

Quan träng nhÊt lμ papaverin cßn c¸c alcaloid kh¸c kh«ng cã t¸c dông ch÷a bÖnh. Papaverin lμm gi¶m co giËt, t¸c dông th¼ng lªn c¬ tr¬n, ®−îc dïng ®Ó ®iÒu trÞ c¸c c¬n ®au d¹ dμy, chèng n«n, ho v× co giËt, Øa ch¶y trÎ con. Narcotin g©y co th¾t nhÑ, lμm dÞu ho, tr−íc ®©y dïng lμm thuèc ch÷a ho. HiÖn nay ®−îc dïng lμm nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp kotarnin. RO

CH 3O

H N CH3

Morphin: R Codein : R

-H - CH3

CH3O N

CH3O

CH 3O

Thebain

CH 3 O

OCH3 OCH3

Papaverin

Noscapin: R Narcotolin: R

N CH 3

O R

Laudanosin

C O

H N CH 3

- CH 3

CH 3 3'

O CH 3

- OCH3 - OH

O CH3 O CH3

5.2.5. S¶n xuÊt c¸c alcaloid thuèc phiÖn

Qu¸ tr×nh t¸ch c¸c alcaloid cña thuèc phiÖn b»ng c¸ch chiÕt víi n−íc nãng chiÕt ng−îc dßng). DÞch chiÕt ®Ëm ®Æc chuyÓn sang d¹ng alcaloid base b»ng amoniac. 224

Qu¸ tr×nh t¸ch c¸c alcaloid cña thuèc phiÖn rÊt phøc t¹p, qu¸ tr×nh ®ã ®−îc giíi thiÖu trong h×nh 17.3. nhùa thuèc phiÖn

ChiÕt b»ng n−íc trong m¸y ch©n kh«ng

Dung dÞch ®Ëm ®Æc + mét thÓ tÝch cån §Ó lo¹i c¸c chÊt protein, carbua, nhùa + NH4OH 25% SÏ cã tña morphin vμ narcotin kh«ng tan trong cån, n−íc

Tña morphin vµ narcotin + Acid acetic

DÞch läc (cån, n−íc, amoni) papaverin, thebain, codein + benzen

(Morphin lμ mét kiÒm m¹nh h¬n t¹o thμnh muèi, cßn narcotin lμ kiÒm yÕu h¬n muèi cña nã dÔ bÞ thñy ph©n nªn t¸ch thμnh tña ë d¹ng base)

Tña Narcotin

DÞch läc (Morphin) + NH4OH

Morphin base (Morphin base thu ®−îc ®¹t ®é tinh khiÕt 86% råi chuyÓn sang muèi chlohydrat, kÕt tinh l¹i trong n−íc vμ tÈy mμu b»ng than ho¹t).

Dung dÞch trong benzen (papaverin, thebain, codein) + Acid acetic (Dung dÞch benzen l¾c víi acid acetic 5%, codein vμ thebain lμ kiÒm m¹nh h¬n t¹o thμnh muèi, cßn papaverin ë l¹i trong benzen).

Dung dÞch n−íc acid (thebain, codein) + NH4OH

Tña Thebain Tinh khiÕt qua muèi tartric

Dung dÞch benzen

Dung dÞch Codein

Papaverin

ChiÕt b»ng benzen, tinh khiÕt qua muèi cña acid sulfuric

Tinh khiÕt qua muèi oxalat

H×nh 17.3. Qu¸ tr×nh t¸ch c¸c alcaloid cña thuèc phiÖn

225

Ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt morphin hydroclorid:

B·

Dung dÞch

Dung dÞch ®Æc (d = 1,16-1,2) N−íc cån (thu håi) (Thebain) Tña (Morphin vμ Narcotin) Tña (thu håi) (Narcotin)

Natri hydrosulfit

Dung dÞch (Morphin sulfat) N−íc c¸i (thu håi)

Tña (Morphin base) Natri hydrosulfit Dung dÞch Morphin hydroclorid kü N−íc c¸i (thu håi) Tña

Morphin hydroclorid 3H2O SÊy

§ãng gãi

H×nh 17.4. S¬ ®å quy tr×nh t¸ch morphin hydrat tõ thuèc phiÖn

Theo s¬ ®å h×nh 17.4, tõ nhùa thuèc phiÖn chóng ta míi t¸ch ®−îc morphin, cßn c¸c alcaloid kh¸c ch−a thu håi ®−îc. 226

Ngoμi ra morphin cßn ®−îc ®iÒu chÕ b»ng ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion tõ vá qu¶ thuèc phiÖn ch−a chÝch nhùa, víi tû lÖ 0,5-0,9% morphin. S¬ ®å quy tr×nh ®−îc m« t¶ ë h×nh 17.5.

T¸ch Morphin base

MORPHIN

H×nh 17.5. ChiÕt morphin b»ng ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion (theo Demina - 1963)

5.3. S¶n xuÊt alcaloid cã nh©n berberic 5.3.1. §¹i c−¬ng

Trong nhãm nμy cã 3 alcaloid chÝnh lμ berberin, palmatin, rotundin. Berberin cã nhiÒu trong trong c©y vμng ®¾ng (Coscinium usitatum) víi tû lÖ kho¶ng 1-3%, ngoμi cßn cã trong c©y hoμng b¸ (Phellodendron amurence Rupr) víi tû lÖ kho¶ng 1,6% vμ c©y hoμng liªn gai (Berberis wallichiana) 11%. C¸c c©y nμy ®Òu cã nhiÒu ë Trung Quèc vμ ViÖt Nam. Palmatin cã nhiÒu trong c©y hoμng ®»ng thuéc 2 loμi: Fibraurea recisa Pierre vμ Fibraurea tinctoria Lour hä Phßng kû (Menispermaceae) víi tû lÖ 1-8% . 227

L-tetrahydropalmatin (rotundin) cã nhiÒu trong cñ b×nh v«i Stephania japonica vμ Stephania rotunda, hä Phßng kû. C¶ 3 alcaloid nμy cã cïng 1 khung isoquinolin

CH3

Palmatin

CH3

H 2C

OH O

CH3

OH O CH3

Berberin

O CH3

L - tetrahydropalmatin

CH3

5.3.2. TÝnh chÊt •

Lý tÝnh

−

H×nh thÓ: Lμ c¸c alcaloid ë thÓ r¾n, kh«ng mïi, vÞ ®¾ng, Ýt tan trong n−íc, tan trong dung m«i h÷u c¬.

Berberin vμ palmatin cã mμu vμng. Rotundin cã mμu tr¾ng. − •

N¨ng suÊt quay cùc: Berberin vμ palmatin kh«ng cã C bÊt ®èi kh«ng cã ®ång ph©n quang häc, cßn rotundin t¶ tuyÒn do cã C bÊt ®èi.

Hãa tÝnh

−

Hãa tÝnh cña N:

N cña berberin vμ palmatin lμ hydroxyd amoni bËc 4 ®em tÝnh kiÒm cho ph©n tö. Cã thÓ cho muèi clorid víi HCl

Alc

OH + HCl

N Cl + H2O

L - tetrahydropalmatin cã amin 3 cho muèi hydroclorid:

Alc 228

HCl

[Alc

N ]• HCl

− Hãa tÝnh cña oxy: Cã hãa chøc ete cã thÓ thuû ph©n cho alcol, riªng OH trong hydroxyd amoni bËc 4: N kh«ng v÷ng bÒn, trong m«i tr−êng kiÒm dÔ hç biÕn më vßng, cho chøc aldehyd gäi lμ berberinal hay palmatinal t−¬ng øng. CH 3 CH 3

O O

Palmatin (vµng)

−

N+

CH 3

CHO

Palmatinal (®á)

M¹ch kÐp:

Berberin vμ palmatin cã thÓ mÊt m¹ch kÐp t¹i nh©n gi÷a ®Ó cho c¸c hydro alcaloid kh«ng mμu. LÊy palmatin mμu vμng t−¬i ®em khö víi hçn hîp Zn+H2SO4 sÏ thu ®−îc bét v« ®Þnh h×nh tr¾ng cã ®é ch¶y lμ 2150C lμ DL - tetrahydro palmatin sulfat, cho t¸c dông víi amoniac thu ®−îc DL - tetrahydro palmatin base, kÕt tinh tr¾ng, ®é ch¶y 140-1470C. Tr¸i l¹i L - tetrahydro palmatin tr¾ng ®em oxy hãa b»ng iod sÏ chuyÓn thμnh palmatin mμu vμng. •

C«ng dông

−

Berberin cã t¸c dông kh¸ng sinh ch÷a lþ, gÇn ®©y ph¸t hiÖn ®−îc tÝnh chÊt chèng ung th−.

−

Palmatin tr−íc ®©y dïng lμm thuèc ch÷a m¾t (v× cho lμ cã t¸c dông kh¸ng sinh) hiÖn nay dïng lμm nguyªn liÖu ®iÒu chÕ DL - tetrahydro palmatin.

−

L - tetrahydro palmatin cã t¸c dông an thÇn g©y ngñ.

5.3.3. S¶n xuÊt berberin, palmatin, rotundin a. S¶n xuÊt berberin vμ palmatin

Ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt berberin hay palmatin rÊt gièng nhau, chØ kh¸c lμ chóng thùc hiÖn trªn c¸c nguyªn liÖu hoμn toμn kh¸c nhau mμ th«i. C¶ hai alcaloid ®Òu cã thÓ chiÕt b»ng n−íc vμ b»ng n−íc acid (acetic, sulfuric) hoÆc b»ng cån. NÕu chiÕt b»ng n−íc hay b»ng acid lo·ng nªn thùc hiÖn trong m¸y chiÕt b»ng gç, dÞch chiÕt thu ®−îc cho t¸c dông trùc tiÕp víi HCl (hoÆc H2SO4) thõa ta sÏ thu ®−îc muèi clorid (hay sulfat) kÕt tinh. 229

NÕu chiÕt b»ng cån, dÞch chiÕt bèc h¬i, cÆn hoμ tan víi n−íc Êm råi thªm HCl (hoÆc H2SO4) ta còng thu ®−îc muèi clorid (hay sulfat). •

S¶n xuÊt palmatin −

S¬ ®å tæng qu¸t: H×nh 17.6. Bét th©n rÔ hoµng ®»ng

Cån 80o

CÊt Cån 80o

DÞch chiÕt CÆn

H2O Êm HCl ®Æc

Palmatin clorid

Cån + than ho¹t

Palmatin clorid (Tinh chÕ)

SÊy ë 60oC

C¹o vá ngoµi

§ãng gãi

H×nh 17.6. S¬ ®å quy tr×nh s¶n xuÊt palmatin clorid tõ th©n rÔ hoµng ®»ng

−

230

M« t¶ quy tr×nh s¶n xuÊt: +

ChuÈn bÞ nguyªn liÖu: Th©n rÔ hoμng ®»ng xay th«. Lμm Èm, cho në b»ng cån 800, n¹p vμo thiÕt bÞ chiÕt.

ChiÕt: ChiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p chiÕt ng−îc dßng gi¸n ®o¹n víi dung m«i lμ cån 800, thêi gian chiÕt lμ 12 giê, chiÕt 4 lÇn. DÞch chiÕt lÇn 1 rót ra ®em xö lý thu palmatin. C¸c dÞch chiÕt lÇn 2, 3, 4 dïng lμm dung m«i chiÕt c¸c mÎ sau.

Tinh chÕ: DÞch chiÕt lÇn 1 rót ra ®−îc chiÕt thu håi cån. CÆn cßn l¹i thªm n−íc nãng vμ HCl thu ®−îc tña palmatin clorid. Sau khi lo¹i bá n−íc c¸i palmatin clorid ®−îc hßa tan trong cån 900, tÈy mμu b»ng than ho¹t. Läc bá than ho¹t. DÞch läc ®Ó 24 giê cho kÕt tinh palmatin clorid. Läc lÊy tinh thÓ, röa tinh thÓ b»ng cån 900.

•

SÊy: LÊy c¶ khèi tinh thÓ trong phÔu läc ra hong kh« cån. SÊy ë nhiÖt ®é 600C cho ®Õn kh«. Sau khi sÊy xong phÇn ngoμi cña khèi tinh thÓ sÏ ng¶ mμu ®á. C¹o hÕt líp ngoμi mμu ®á (líp nμy kÕt tinh l¹i trong cån ta cã palmatin vμng). PhÇn palmatin mμu vμng sau khi sÊy xong ®−îc lμm t¬i vμ ®ãng gãi.

S¶n xuÊt berberin: −

S¬ ®å tæng qu¸t: H×nh 17.7. Th©n rÔ vµng ®¾ng Xay Bét th« vµng ®¾ng

Dd H2SO4 0,4% Ng©m 24 giê

B· D−îc liÖu DÞch chiÕt

NaCl KhuÊy tan hÕt, ®Ó 24 giê, vÈy

N−íc c¸i

Berberin clorid th«

Dd HCl 0,4% Röa, vÈy Cån 96o, than ho¹t

Berberin clorid th«

Hoμ tan nãng, tÈy mμu, läc

B· than ho¹t DÞch läc cån

§Ó kÕt tinh, vÈy

N−íc c¸i Berberin clorid

SÊy, ®ãng gãi Berberin clorid d−îc dông

H×nh 17.7. S¬ ®å quy tr×nh s¶n xuÊt berberin clorid tõ th©n rÔ vµng ®¾ng

−

M« t¶ quy tr×nh s¶n xuÊt: +

ChuÈn bÞ nguyªn liÖu: Th©n rÔ vμng ®¾ng chÆt thμnh l¸t máng, ph¬i kh«, xay th«. (cã thÓ chiÕt b»ng nguyªn liÖu t−¬i nh−ng sÏ kÐo theo nhiÒu t¹p chÊt, khã tinh chÕ h¬n).

ChiÕt: D−îc liÖu xay th« ®−îc n¹p vμo thiÕt bÞ chiÕt chÞu acid. Dïng dung dÞch H2SO4 0,4% trong n−íc lμm dung m«i chiÕt. Tû lÖ dung m«i/nguyªn liÖu lμ 5/1. ChiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p ng©m ë nhiÖt ®é phßng trong 24 giê.

Tinh chÕ: Tña berberin clorid: DÞch chiÕt rót ra thïng chøa cã khuÊy, thªm NaCl víi tû lÖ 3%-4% so víi l−îng dÞch chiÕt, khuÊy 231

m¹nh cho tan hÕt NaCl. §Ó yªn 24 giê cho berberin kÕt tña hÕt. Röa tña b»ng dung dÞch HCl 0,4% ®Ó lo¹i t¹p chÊt, sau ®ã röa tña b»ng n−íc cho hÕt ph¶n øng acid. +

KÕt tinh trong cån: Hßa tan nãng berberin clorid th« trong cån 960 víi tû lÖ berberin/cån lμ 1/5. Thªm than ho¹t, ®un håi l−u 10 phót. Läc bá than ho¹t, dÞch läc cån ®Ó kÕt tinh trong 12-24 giê. VÈy ly t©m ®Ó thu tinh thÓ, röa tinh thÓ b»ng cån 900.

SÊy, kiÓm nghiÖm, ®ãng gãi: Tinh thÓ berberin ®−îc cho bay hÕt h¬i cån råi sÊy ë nhiÖt ®é 600C-700C trong 8 giê.

KiÓm nghiÖm theo tiªu chuÈn D−îc ®iÓn ViÖt Nam.

§ãng gãi trong 2 lÇn tói polyethylen.

B¶o qu¶n n¬i kh« r¸o, tr¸nh ¸nh s¸ng.

b. S¶n xuÊt L- tetrahydropalmatin tõ cñ b×nh v«i •

•

ChiÕt xuÊt L - tetrapalmatin d−íi d¹ng base b»ng dung m«i h÷u c¬ −

Alcaloid toμn phÇn: Cñ b×nh v«i ph¬i kh« t¸n nhá, kiÒm hãa víi amoniac 10%. ChiÕt víi cloroform. G¹n lÊy dÞch chiÕt råi c« ®Æc vμ thªm vμo dÞch ®· c« H2SO4 10% sÏ cã muèi sulfat cña alcaloid. L¹i kiÒm hãa sulfat alcaloid b»ng amoniac pH=8 råi chiÕt alcaloid base b»ng cloroform. C« ch©n kh«ng ta ®−îc alcaloid toμn phÇn.

−

T¸ch L - tetrahydropalmatin: Alcaloid ë trªn hßa tan vμo H2SO4 1%.

−

Thªm Na2CO3 ®Õn pH=6. L - tetrahydropalmatin sÏ tña xuèng, läc lÊy tña. N−íc c¸i thªm Na2CO3 ®Õn pH=8 sÏ thu ®−îc tña mét sè c¸c alcaloid kh¸c.

ChiÕt xuÊt L-tetrahydropalmatin tõ cñ b×nh v«i d−íi d¹ng muèi b»ng n−íc (H×nh 17.8).

Cñ b×nh v«i t−¬i ®−îc bμo thμnh l¸t máng chiÕt b»ng dung dÞch acid sulfuric 0,3%. DÞch chiÕt rót ra ®Ó l¾ng trong. G¹n phÇn trong. PhÇn dÞch ®ôc ®−îc läc qua v¶i. DÞch thu ®−îc sau khi g¹n, läc ®−îc tña alcaloid base b»ng dung dÞch Ca(OH)2. Läc lÊy tña alcaloid toμn phÇn. Tña nμy ®−îc sÊy cho kh«. Tña alcaloid toμn phÇn khã thu ®−îc b»ng ph−¬ng ph¸p nμy cã chøa tõ 10% ®Õn 30% L-tetrahydropalmatin. Tña nμy ®−îc tinh chÕ b»ng c¸ch hoμ tan nãng trong cån cao ®é 900-960, tÈy mμu b»ng than ho¹t. §Ó kÕt tinh 24 giê t¹i nhiÖt ®é phßng. Läc hoÆc vÈy lÊy tinh thÓ. SÊy ë nhiÖt ®é 600C-700C thu ®−îc L-tetrahydropalmatin tinh khiÕt.

232

Cñ b×nh v«i t−¬i Bμo L¸t máng cñ b×nh v«i

Dd H2SO4 0,3% Ng©m 24 giê

DÞch chiÕt

N−íc v«i trong pH = 9 Läc

L- tetrahydropalmatin th« SÊy, ph¬i kh« L- tetrahydropalmatin th« kh«

Cån 96o, than ho¹t

Hoμ tan nãng, tÈy mμu, läc nãng DÞch läc §Ó kÕt tinh 24 giê, läc, röa L- tetrahydropalmatin SÊy ë 60oC KiÓm nghiÖm, ®ãng gãi L- tetrahydropalmatin d−îc dông

H×nh 17.8. S¬ ®å quy tr×nh chiÕt L – tetrahydropalmatin tõ cñ b×nh v«i

5.4. S¶n xuÊt c¸c alcaloid cankina 5.4.1. §¹i c−¬ng

Cã nhiÒu loμi Canhkina: Cinchona succirubra Pavon (Canhkina ®á), Cinchona calisaya Wedell (Canhkina vμng), Cinchona officinalis L. (Canhkina x¸m), Cinchona ledgeriana Moens (Canhkina th¬m). Canhkina lμ c©y gç cao tõ l0-25 m. Ng−êi ta th−êng dïng vá ®Ó chiÕt quinin, quinidin. Cã thÓ sö dông c¶ vá th©n, vá rÔ, vá cμnh nh−ng vá th©n lμ tèt nhÊt. 5.4.2. Thμnh phÇn hãa häc cña c©y canhkina

Vá canhkina cã hμm l−îng alcaloid cao (4-15%). Nguyªn liÖu ®−îc sö dông chiÕt quinin, quinidin trong c«ng nghiÖp cã hμm l−îng alcaloid (quinin + quinidin) tõ 6% trë lªn. Th−êng ta dïng vá th©n cña Cinchona calsaya Wedell 233

(Canhkina vμng), Cinchona ledgeriana Moens (Canhkina th¬m) v× chóng cã hμm l−îng alcaloid (quinin+quinidin) kh¸ cao. Alcaloid trong c©y canhkina tån t¹i 1 phÇn d−íi d¹ng kÕt hîp rÊt ch¾c víi tanin catechic mét phÇn kÕt hîp víi c¸c acid h÷u c¬ trong c©y. Ng−êi ta ®· ph©n lËp ®−îc kho¶ng 30 alcaloid chia lμm 2 nhãm: −

Nhãm cinchonin: Gåm 4 alcaloid quinin, quinidin, cinchonin, cinchonidin. Quinin, quinidin còng nh− cinchonin, cinchonidin lμ çc cÆp ®ång ph©n. Çc alcaloid nμy lμ çc alcaloid chiÕm tû lÖ cao trong vá c©y canhkina.

−

Nhãm cinchonamin: Gåm çc alcaloid cinchonamin, cinchophytllin, quinamin. Çc alcaloid nμy chiÕm tû lÖ nhá trong vá c©y canhkina. Çc acid h÷u c¬ trong vá c©y canhkina lμ acid quinic, acid quinotanic. 4

CH 2

HO H

Quinin: R OCH 3

Cinchonidin: R=H

8 9

CH2

N H Quinidin: R OCH3

Cinchonin: R=H

CH 2OH N H

N H

Cinchonamin

5.4.3. Qui tr×nh s¶n xuÊt quinin tõ vá canhkina a. S¬ ®å qui tr×nh chiÕt xuÊt: H×nh 17.9. b. M« t¶ qui tr×nh s¶n xuÊt

• ChuÈn bÞ nguyªn liÖu: Vá canhkina chÆt nhá, ®em ph¬i kh« hoÆc sÊy kh« ë 50 - 700C ®em xay thμnh bét kh«. • KiÒm hãa: Bét vá canhkina ®−îc trén ®Òu víi dung dÞch n−íc s÷a v«i vμ dung dÞch NaOH 30%, trén kü cho ngÊm ®Òu vμ khèi bét trë thμnh d¹ng bét nh·o. Vun thμnh ®èng råi ñ kho¶ng 24 giê. Sau ®ã ®¶o, trén ®Òu lμm t¬i vμ lμm kh« trong khay men. 234

b·o hoµ

giê

b·o hoµ

phót

dd quinin bisulfat

b·o hoµ

H×nh 17.9. Quy tr×nh chiÕt xuÊt quinin tõ vá canhkina

235

• ChiÕt xuÊt: Nguyªn t¾c chiÕt: Cã thÓ chiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p ng−îc dßng liªn tôc hoÆc ng−îc dßng gi¸n ®o¹n tuú ®iÒu kiÖn thiÕt bÞ cho phÐp. NÕu chiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p ng−îc dßng liªn tôc th× ph¶i tÝnh to¸n tèc ®é di chuyÓn cña d−îc liÖu vμ dung m«i phï hîp ®Ó cã thÓ chiÕt kiÖt ®−îc quinin trong d−îc liÖu. NÕu chiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p ng−îc dßng gi¸n ®o¹n th× ph¶i x¸c ®Þnh sè liÖu chiÕt, l−îng dung m«i chiÕt cho mét lÇn vμ chØ rót dÞch chiÕt mét ®em xö lý thu quinin cßn c¸c dÞch chiÕt sau ®−îc sö dông ®Ó chiÕt c¸c mÎ tiÕp theo. • Tinh chÕ: −

Acid hãa t¹o muèi bisulfat tan trong n−íc cña c¸c alcaloid:

Cho dung dÞch H2SO4 3% vμo thiÕt bÞ ph©n ly cã khuÊy ®ùng dÞch chiÕt võa rót ra. KhuÊy 10 phót ®Ó hai pha tiÕp xóc tèt víi nhau. §Ó yªn cho ph©n líp (cho tíi khi hai líp trong l¹i lμ ®−îc). G¹n riªng dung m«i thu håi dung m«i ®Ó chiÕt cho mÎ sau (xö lý b»ng c¸ch kiÒm hãa, khuÊy kü, pH = 6 - 7, ®Ó l¾ng, g¹n bá cÆn). Pha n−íc chøa alcaloid t¸ch ra ®−îc xö lÝ thu c¸c alcaloid canhkina. −

KiÒm hãa t¹o tña quinin sulfat:

Líp n−íc acid trªn ®−îc trung hoμ b»ng dung dÞch Na2CO3 b·o hßa ë nhiÖt ®é çch thuû. Võa nhá tõ tõ dung dÞch kiÒm võa khuÊy kü cho ®Õn khi pH = 6,5. §Ó nguéi cho kÕt tinh hÕt (khi ®ã chØ muèi cña quinin kÕt tinh cßn muèi cña çc alcaloid kh¸c tan trong n−íc çi). Läc lÊy tinh thÓ quinin sulfat b»ng ch©n kh«ng qua phÔu Buchner (cã thÓ vÈy li t©m ®Ó lÊy tinh thÓ). Hót hÕt n−íc çi råi tiÕn hμnh röa b»ng n−íc cÊt ngay trªn phÔu läc. Röa quinin sulfat 3 lÇn, mçi lÇn b»ng 1 l−îng n−íc sao cho võa ®ñ ngËp tinh thÓ. −

TÈy mμu b»ng than ho¹t:

§Ó tÈy mμu tr−íc tiªn ph¶i chuyÓn quinin sulfat basic khã tan trong n−íc sang d¹ng quinin bisulfat dÔ hoμ tan trong n−íc. Cho quinin sulfat vμ mét l−îng n−íc võa ®ñ, thªm H2SO4 3%, chØnh pH = 4, khuÊy ®Òu cho tña tan hÕt, n©ng nhiÖt ®é dung dÞch lªn 90-1000C thªm than ho¹t khuÊy 15-20 phót, läc lo¹i than ho¹t thu dÞch läc. −

T¹o s¶n phÈm lμ quinin sulfat basic:

DÞch läc ®−îc ®un nãng, võa khuÊy võa nhá dung dÞch Na2CO3 vμo chØnh pH = 6,5. §Ó nguéi kÕt tinh. Läc lÊy tña röa b»ng 3 lÇn b»ng n−íc cÊt. Lo¹i n−íc c¸i. Hót kiÖt. §em sÊy kh« ë 60 - 800C trong kho¶ng 2 - 3 giê. Chó ý thØnh tho¶ng ®¶o t¬i lªn ®Ó sÊy cho nhanh kh«. 236

•

§ãng gãi: Trong lä kÝn, tr¸nh s¸nh s¸ng.

•

KiÓm nghiÖm: Theo D§VN.

5.5. S¶n xuÊt alcaloid m· tiÒn 5.5.1. §¹i c−¬ng

C©y m· tiÒn (Strychnnos nux vomica) lμ c©y gç th©n ®øng cao 5-12 m. Ngoμi c©y m· tiÒn, ë n−íc ta cßn cã mét sè loμi m· tiÒn d©y leo th©n gç kh¸c. ë n−íc ta c©y m· tiÒn (Strychnos nux vomica) chØ mäc ë çc vïng nói phÝa Nam. Çc loμi m· tiÒn kh¸c mäc ë hÇu hÕt çc tØnh vïng nói nh− Cao B»ng, L¹ng S¬n, Tuyªn Quang, Hßa B×nh, B¾c Giang, S¬n La, NghÖ An, Hμ TÜnh, Qu¶ng TrÞ...

Nguyªn liÖu chñ yÕu sö dông trong chiÕt xuÊt schychnin lμ h¹t m· tiÒn. Tuy nhiªn alcaloid nμy cßn ph©n bè trong vá vμ ë mét sè loμi m· tiÒn cßn cã trong l¸. 5.5.2. Thμnh phÇn hãa häc

Trong h¹t m· tiÒn (Strychnos nux vomica L) cã chøa tõ 2-5% alcaloid, chñ yÕu lμ schychnin, brucin, ngoμi ra cßn cã mét sè c¸c alcaloid kh¸c nh− α-colubrin, β-colubrin, vomicin...

N R1

Strychnin: R1 R2 - H R1 R2 -OCH3 Brucin:

H H

N H O

α − colubrin: R1 H; R2 - OCH3 β − colubrin: R1 -OCH3 ; R2 H

H H

CH3

R1 R2 R3

R1 R2

-H

R1 R2

N R3

- OCH3

Novaxin:

-H

Vomixin: O

- OH

237

5.5.3. S¶n xuÊt strychnin sulfat a. S¬ ®å qui tr×nh chiÕt xuÊt: H×nh 17.10. H¹t m∙ tiÒn SÊy, xay, c©n

S÷a v«i KiÒm ho¸, 24 giê

Bét h¹t m· tiÒn Lµm t¬i, ®¶o, hong kh«

Dung m«i ChiÕt nãng

Bét h¹t m· tiÒn ®· kiÒm ho¸ B· d−îc liÖu

Dd H2SO4 3% T¹o muèi SO4 ,khuÊy trén

DÞch chiÕt Dung m«i thu håi

§Ó ph©n líp, g¹n Dd Na2CO3 b·o hoµ KiÒm ho¸, pH = 11

Pha n−íc acid N−íc c¸i

§Ó kÕt tña, läc Tña alcaloid toµn phÇn

N−íc (brucine)

Dd HNO3 3% T¹o muèi nitrat pH=4,5

c¸i N−íc cÊt Hoμ tan, c¸ch thuû

Tinh thÓ strychnin NO3

Than ho¹t Dd muèi strychnin NO3 B· than ho¹t

TÈy mμu, khuÊy 10 phót

Läc nãng

Dd Na2CO3 b·o hoµ KiÒm ho¸, pH = 11

DÞch läc N−íc c¸i

§Ó kÕt tinh, läc Tña strychnin

N−íc c¸i

Dd H2SO4 3% T¹o muèi SO4, pH = 4,5

§Ó kÕt tinh, läc, hót kiÖt Tinh thÓ strychnin SO4 SÊy, c©n, kiÓm nghiÖm, ®ãng gãi S¶n phÈm Strychnin sulfat

H×nh 17.10. S¬ ®å qui tr×nh chiÕt xuÊt strychnin sulfat tõ h¹t m· tiÒn

238

b. M« t¶ c¸c giai ®o¹n s¶n xuÊt •

ChuÈn bÞ nguyªn liÖu:

H¹t m· tiÒn sau khi chän ®−îc lo¹i tèt sÊy kh« ë 60 - 800C ®em xay thμnh bét th«. •

KiÒm hãa:

Bét h¹t m· tiÒn ®−îc trén ®Òu víi dung dÞch n−íc s÷a v«i, ®¶o kü cho ®Õn khi t¹o thμnh bét nh·o. Vun thμnh ®èng råi ñ kho¶ng 24 giê. Sau ®ã ®¶o, trén ®Òu lμm t¬i vμ lμm kh«. •

ChiÕt xuÊt:

Nguyªn t¾c chiÕt: ChiÕt nãng ë 90-100oC. B»ng ph−¬ng ph¸p ng−îc dßng gi¸n ®o¹n cã khuÊy trén. Dung m«i chiÕt lμ dÇu ho¶. •

TiÕn hμnh chiÕt:

N¹p bét d−îc liÖu ®· kiÒm hãa vμo thiÕt bÞ chiÕt, ®æ dung m«i, khuÊy trén ®Ó dung m«i tiÕp xóc tèt víi d−îc liÖu. CÊp nhiÖt ®Ó ®¶m b¶o nhiÖt ®é chiÕt kho¶ng 1000C. Rót dÞch chiÕt sau khi chiÕt ®ñ thêi gian qui ®Þnh. •

Tinh chÕ: −

Acid hãa t¹o muèi sulfat tan trong n−íc cña c¸c alcaloid:

Cho dung dÞch H2SO4 3% vμo thiÕt bÞ ph©n ly cã khuÊy ®ùng dÞch chiÕt võa rót ra. KhuÊy 10 phót ®Ó hai pha tiÕp xóc tèt víi nhau. §Ó yªn cho ph©n líp (cho tíi khi hai líp trong l¹i lμ ®−îc). G¹n riªng dung m«i, thu håi dung m«i ®Ó chiÕt cho mÎ sau (xö lý b»ng c¸ch kiÒm hãa, khuÊy kü, pH = 6-7, ®Ó l¾ng, g¹n bá cÆn. Pha acid t¸ch ra ®−a vμo xö lÝ tiÕp giai ®o¹n sau. −

KiÒm hãa t¹o tña alcaloid toμn phÇn:

Líp n−íc acid trªn ®−îc trung hoμ b»ng dung dÞch Na2CO3 b·o hßa, ®Õn pH 10-11 alcaloid toμn phÇn sÏ kÕt tña. Läc lÊy tña b»ng phÔu Buchner (cã thÓ dïng m¸y vÈy ®Ó thu tña). Röa tña 3 lÇn, mçi lÇn b»ng 1 l−îng n−íc sao cho võa ®ñ ngËp tña. Lo¹i bá n−íc c¸i vμ n−íc röa. −

T¹o muèi nitrat cña c¸c alcaloid (lo¹i brucin):

Nguyªn t¾c lo¹i brucin: T¹o muèi nitrat cña c¸c alcaloid t¹i pH = 4-4,5. §Ó strychnin nitrat sÏ kÕt tinh. Thö brucin: Nhá 1 giät HNO3 ®Æc vμo 1 vμi h¹t tinh thÓ, nÕu cã brucin th× sÏ thÊy xuÊt hiÖn mμu hång. −

TiÕn hμnh:

Hoμ tña alcaloid toμn phÇn vμo mét l−îng n−íc võa ®ñ sao cho võa ®ñ ngËp tña, ®un trong nåi c¸ch thuû, võa khuÊy võa nhá dÇn dung dÞch HNO3 239

vμo cho ®Õn khi kÕt tña tan hÕt vμ pH = 4 - 4,5 (chó ý nÕu ®· ®ñ pH mμ vÉn ch−a tan hÕt kÕt tña th× cho thªm n−íc cÊt n÷a, nÕu dung dÞch bÞ lo·ng th× ph¶i c« bít ®Ó t¹o dung dÞch b·o hßa). §Ó kÕt tinh qua ®ªm sÏ t¹o tinh thÓ h×nh kim, th−êng kÕt thμnh chïm. Läc qua phÔu Buchner. Röa tinh thÓ 3 lÇn b»ng n−íc cÊt l¹nh. −

TÈy mμu b»ng than ho¹t:

§Ó tÈy mμu tr−íc tiªn ph¶i hoμ tan tña vμo mét l−îng n−íc cÊt võa ®ñ ®un trong nåi c¸ch thuû khuÊy ®Òu cho tan hÕt. Sau ®ã thªm than ho¹t vμo, khuÊy 10 phót. Läc nãng. −

T¹o s¶n phÈm lμ strychnin sulfat:

Muèn chuyÓn alcaloid tõ d¹ng muèi nμy sang d¹ng muèi kh¸c ®Çu tiªn ta ph¶i chuyÓn qua d¹ng base. ChuyÓn sang d¹ng base: KiÒm hãa dÞch läc trªn b»ng Na2CO3 b·o hoμ, võa nhá võa khuÊy cho ®Õn khi hÕt sñi bät vμ pH=10-11. §Ó nguéi cho kÕt tña (kho¶ng 30 phót). Läc lÊy tña base, röa b»ng n−íc cÊt. ChuyÓn sang d¹ng muèi sulfat: Cho thªm vμo tña trªn mét l−îng võa ®ñ n−íc cÊt ®Æt trªn nåi c¸ch thuû, võa khuÊy võa nhá dung dÞch H2SO4 3% vμo vμ chØnh pH = 4 - 4,5. §Ó nguéi kÕt tinh qua ®ªm. Läc lÊy tinh thÓ röa b»ng n−íc cÊt. Sau khi röa chó ý hót kiÖt n−íc ®Ó sÊy cho nhanh. §em sÊy kh« ë 60 - 700C trong kho¶ng 100-150 phót. Chó ý thØnh tho¶ng ®¶o t¬i lªn ®Ó sÊy cho nhanh kh«. N−íc c¸i sau khi läc tËp trung thu håi strychnin. •

§ãng gãi: Trong lä kÝn, tr¸nh ¸nh s¸ng, d¸n nh·n ®éc b¶ng A, nguyªn chÊt.

•

KiÓm nghiÖm: Theo D§VN.

Tù l−îng gi¸

1. Nªu ®Þnh nghÜa vμ ph©n bè cña alcaloid trong thùc vËt. 2. Tr×nh bμy tÝnh chÊt chung cña alcaloid. 3. Tr×nh bμy çc ph−¬ng ph¸p chiÕt alcaloid. 4. Tr×nh bμy çc ph−¬ng ph¸p t¸ch alcaloid d−íi d¹ng tinh khiÕt. 5. Çc alcaloid nhãm atropin: tr×nh bμy cÊu tróc, tÝnh chÊt, t¸c dông d−îc lý. 6. Tr×nh bμy qui tr×nh chiÕt xuÊt hyoscyamin, atropin, scopolamin. 7. Çc alcaloid chÝnh cña thuèc phiÖn: nªu tÝnh chÊt, cÊu tróc, t¸c dông d−îc lý. 240

8. Tr×nh bμy qui tr×nh chiÕt xuÊt çc alcaloid thuèc phiÖn: morphin, codein. 9. Berberin, palmatin, rotundin: tr×nh bμy tÝnh chÊt, cÊu tróc, t¸c dông d−îc lý. 10. Berberin, palmatin, rotundin: vÏ s¬ ®å qui tr×nh, m« t¶ çc giai ®o¹n s¶n xuÊt. 11. Quinin, quinidin: tr×nh bμy tÝnh chÊt, cÊu tróc, t¸c dông d−îc lý. 12. Quinin sulfat: vÏ s¬ ®å qui tr×nh s¶n xuÊt vμ m« t¶ çc giai ®o¹n s¶n xuÊt. 13. Strychnin: tr×nh bμy cÊu tróc, t¸c dông d−îc lý. 14. Strychnin sulfat: vÏ s¬ ®å qui tr×nh s¶n xuÊt vμ m« t¶ çc giai ®o¹n s¶n xuÊt.

241

Ch−¬ng 18

ChiÕt xuÊt c¸c ho¹t chÊt cã nguån gèc tù nhiªn kh¸c

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Çc thμnh phÇn ho¸ häc chñ yÕu cã trong c©y THHV. 2. CÊu tróc cña artemisinin. 3. Çc tÝnh chÊt lý hãa chñ yÕu cña artemisinin. 4. Çc ph−¬ng ph¸p chiÕt artemisinin tõ c©y THHV. 5. CÊu tróc cña rutin vμ çc ph−¬ng ph¸p chiÕt rutin tõ hoa hoÌ.

1. ChiÕt xuÊt artemisinin vμ acid artemisinic tõ c©y thanh hao hoa vμng 1.1. §¹i c−¬ng vÒ c©y thanh hao hoa vμng

Chi Artemisia cã trªn 300 loμi vμ th−êng ®−îc sö dông lμm gia vÞ, thuèc trõ s©u vμ lμ nguån nguyªn liÖu s¶n xuÊt tinh dÇu. A. vulgaris ®−îc sö dông trong y häc cæ truyÒn Trung Quèc lμm thuèc ®iÒu trÞ ®au d¹ dμy, nhøc ®Çu, Øa ch¶y, sèt, thÊp khíp, viªm phæi... A. absinthium cã chøa absinthe, mét chÊt ma tuý cã t¸c dông g©y ngñ vμ lμ mét nguån cung cÊp tinh dÇu sö dông trong xoa bãp vμ ®au d¹ dμy. A. annua, mét c©y sèng hμng n¨m ë çc vïng cã khÝ hËu «n hoμ cã hÇu nh− trªn kh¾p l·nh thæ cña Trung quèc. ë Mü nã mäc hoang chñ yÕu däc theo çc s«ng ë çc bang New York, New Jersey, Maryland, Virginia, vμ T©y Virginia. Tuy nhiªn, ng−êi ta cho r»ng nã kh«ng cã nguån gèc ë Mü. Nã còng mäc hoang ë Nam T− cò, Hungari, Bungari, Rumani, Italia, Ph¸p, T©y Ban Nha, Thæ NhÜ Kú, Arhentina vμ Liªn X« cò. Çc nghiªn cøu ë Trung Quèc, Ên §é, Thæ NhÜ Kú, Australia víi môc ®Ých n©ng cao hμm l−îng cña artemisinin trong c©y thanh hao hoa vμng. MÆc dï c©y thanh hao hoa vμng mäc ë Trung Quèc ®−îc c«ng bè cã hμm l−îng ®Õn 0,9% nh−ng nãi chung c©y thanh hao hoa vμng mäc ë n¬i kh¸c chØ cã kho¶ng 0,1% artemisinin. Hμm l−îng artemisinin cao nhÊt trong phÇn l¸ ë phÇn ngän (50 cm tõ phÇn ngän trë xuèng) vμ ë thêi ®iÓm tr−íc khi c©y ra hoa. V× 242

artemisinin cã trong c©y víi hμm l−îng thÊp nªn ng−êi ta ph¸t hiÖn çc c©y cã hμm l−îng cao vμ t×m çch n©ng cao hμm l−îng cña nã trong c©y. Ngoμi ra ng−êi ta cßn t×m çch tæng hîp nã, nh−ng qu¸ tr×nh tæng hîp qu¸ phøc t¹p vμ kh«ng cã kh¶ n¨ng ®−a vμo øng dông. Tuy nhiªn nÕu ta sö dông çc hîp phÇn kh¸c trong c©y thanh hao hoa vμng lμm nguyªn liÖu b¸n tæng hîp artemisinin th× cã nhiÒu triÓn väng. 1.2. Çc thμnh phÇn ho¸ häc kh¸c trong c©y thanh hao hoa vμng

Gi¸ trÞ cña artemisinin lμm thuèc kh¸ng sèt rÐt ®· thóc ®Èy nghiªn cøu çc thμnh phÇn kh¸c cã trong c©y thanh hao hoa vμng. Artemisiten, ®−îc ph¸t hiÖn lÇn ®Çu tiªn nhê HPLC-EC (Detector ®iÖn ho¸) vμ sau ®ã ®−îc ph©n lËp tõ c©y thanh hao hoa vμng víi hiÖu suÊt rÊt thÊp. Sau ®ã nã ®−îc tæng hîp tõ acid artemisinic. Ho¹t tÝnh chèng sèt rÐt cña nã in-vitro thÊp h¬n cña artemisinin. Ngoμi ra ng−êi ta cßn chiÕt xuÊt tõ c©y THHV mét lo¹t çc hîp chÊt sesquiterpen vμ çc hîp chÊt h÷u c¬ kh¸c nh− acid artemisinic (Qinghao acid), Qinghaosu I (arteannuin A), Qinghaosu IV, Qinghaosu V (arteannuin E), Qinghaosu III (deoxyartemisinin), artemisinilacton (arteannuin F), artemisiten (dehydroartemisinin), methylether cña acid artemisinic, arteannuin C, Qinghaosu II (arteannuin B), artemisinin G, epidesoxyarteannuin B, artemisinol, vμ acid epoxyartemisinic. TÊt c¶ çc sesquiterpen ®−îc ph©n lËp ra tõ c©y THHV ®Òu cã sù liªn hÖ mËt thiÕt víi nhau vμ ®Òu cã cïng mét ®Æc tr−ng lμ sù cã mÆt cña bé khung cis-decalin trong ph©n tö cña chóng.

CH3

H O

H HO2C

H3C

O Desoxyartemisinin

CH3 H

H O

CH2

H3C

CH3

H HO2C

CH2

Arteannuin C

H3C O

CH3

O O

CH3

CH2

O O O

H3C

H O

Acid artemisinic

H3C H3C

CH3

H H2C

CH3

COOCH3

O Artemisiten

Acid epoxyartemisinic

Acid artemisinic methylester 243

CH3

HO O

CH2 O

Arteannuin E

CH3

O Qinghaosu IV

O Artemisinin G

H3C

H O

CH3

H3C

H O

H3C

O O

H3C

CH3

H O

Arteannuin A 1.3. ChiÕt xuÊt artemisinin tõ c©y THHV 1.3.1. CÊu tróc vμ tÝnh chÊt cña artemisinin

CÊu tróc 14

CH3 H 2 H

H3C

O 4

O 5

10 7

CH3 H 5 H

4 9 8

H O 12 11 CH3 13

O §¸nh sè theo hÖ thèng vßng vµ khung carbon theo mét sè t¸c gi¶ Trung Quèc

H3C

2 1

12a 8a 12

7 8

H O 10 9 CH3 11 O

§¸nh sè theo Merck Index vµ Chemical Abstract

HiÖn nay c¸ch ®¸nh sè theo Merck Index vμ Chemical Abstract th«ng dông h¬n. Artemisinin lμ mét sesquiterpenlacton. Ph©n tö artemisinin cã 15 nguyªn tö carbon vμ 5 nguyªn tö oxy t¹o hÖ thèng 4 vßng liªn hîp A, B, C, D. Vßng A lμ vßng cyclohexan ë d¹ng ghÕ, vßng D lμ mét delta-lacton vμ vßng B, C lμ dÞ vßng no chøa oxy. 244

TÝnh chÊt cña artemisinin

Artemisinin lμ tinh thÓ h×nh kim kh«ng mμu hoÆc bét kÕt tinh tr¾ng cã ®iÓm ch¶y 156-1570C (cã tμi liÖu viÕt 153-1540C), n¨ng suÊt quay cùc 66,30 (C = 1.64, CHCl3). Phæ hång ngo¹i cã ®Ønh hÊp thô ë 1745 cm–1 (deltalacton) vμ ë 772, 831, 881, 1115 cm-1 (peroxyd). Artemisinin tan nhiÒu trong etanol, aceton, cloroform, Ýt tan trong n-hexan, benzen, toluen vμ hÇu nh− kh«ng tan trong n−íc, nã dÔ bÞ thñy ph©n vμ ph©n hñy trong c¸c dung m«i ph©n cùc ë nhiÖt ®é cao, tuy nhiªn trong c¸c dung m«i kh«ng ph©n cùc nã kh¸ bÒn v÷ng. Artemisinin tinh khiÕt kh¸ bÒn v÷ng d−íi t¸c dông cña nhiÖt ®é, nã kh«ng bÞ ph©n hñy ë nhiÖt ®é ch¶y cña nã vμ còng kh«ng biÕn ®æi ë nhiÖt ®é cao h¬n ®é ch¶y cña nã 500C trong vßng 5 phót, v× vËy cã thÓ tinh chÕ b»ng ph−¬ng ph¸p th¨ng hoa. Artemisinin dÔ bÞ ph©n hñy trong m«i tr−êng acid, kiÒm. 1.3.2. Mét sè ph−¬ng ph¸p ®−îc sö dông chiÕt artemisinin vμ acid artemisinic

MÆc dÇu artemisinin ®−îc ph©n lËp ®Çu tiªn ë Trung Quèc (cã thÓ lμ Nam T− cò) nh−ng c«ng bè ®Çu tiªn vÒ ph−¬ng ph¸p chiÕt artemisinin trong phßng thÝ nghiÖm l¹i lμ cña Klayman vμ çc céng sù. L¸ c©y thanh hao hoa vμng ph¬i kh« ®−îc chiÕt víi dung m«i petrolether (30-600C). DÞch chiÕt ®−îc c« ®Æc vμ hoμ tan l¹i trong cloroform, thªm acetonitril vμo ®Ó kÕt tña çc hîp chÊt tr¬ trong c©y nh− ®−êng vμ s¸p. S¾c ký dÞch c« ®Æc trªn cét silicagel triÓn khai b»ng dung m«i cloroform-ethylacetat. Theo dâi dung dÞch gi¶i hÊp phô cña s¾c ký cét b»ng s¾c ký líp máng hiÖn mμu b»ng h¬i iod. PhÇn dÞch gi¶i hÊp thô cã hμm l−îng artemisinin cao cã thÓ kÕt tinh tõ cyclohexan hoÆc tõ cån 50%. El Feraly vμ céng sù ®· m« t¶ kü thuËt chiÕt t¸ch artemisinin ë quy m« s¶n xuÊt nh− sau: L¸ THHV kh« ®−îc chiÕt b»ng hexan. ChØ sö dông l¸ lμm nguyªn liÖu chiÕt do th©n vμ cμnh thanh hao mÆc dï chiÕm ®Õn 80% träng l−îng cña c©y nh−ng v× nã kh«ng cã artemisinin hoÆc nÕu cã th× víi tû lÖ rÊt thÊp. DÞch chiÕt ®−îc ph©n bè gi÷a hai pha láng kh«ng ®ång tan ®Ó c« ®Æc vμ lo¹i bá çc t¹p chÊt. Giai ®o¹n trung gian nμy c¶i thiÖn hiÖu qu¶ cña giai ®o¹n t¸ch b»ng s¾c ký cét. ViÖc ph©n bè dÞch chiÕt hexan ®−îc ®−îc thùc hiÖn b»ng çch sö dông hexan vμ acetonitril-n−íc. Cø 1 g cÆn sö dông 12 ml hexan vμ vμ 4 ml acetonitril 20% n−íc. KÕt qu¶ cña giai ®o¹n ph©n bè nμy lμ hÇu nh− toμn bé artemisinin chuyÓn sang pha acetonitril vμ l−îng chÊt r¾n chuyÓn sang pha acetonitril chØ b»ng 32-36% l−îng cÆn ban ®Çu. Nång ®é cao cña artemisinin trong mÉu ®−a vμo s¾c ký cét lμm t¨ng kh¶ n¨ng t¸ch vμ t¨ng hiÖu qu¶ lμm viÖc cña cét. Tr−íc khi cÊt lo¹i acetonitril cÇn lo¹i bá n−íc. Lo¹i bá n−íc cã thÓ thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p th«ng th−êng nh− cÊt ®¼ng phÝ víi benzen hoÆc cån tuyÖt ®èi hoÆc sö dông natri sulfat khan. Cã thÓ sö dông mét ph−¬ng 245

ph¸p ®¬n gi¶n, hiÖu qu¶ vμ rÎ tiÒn ®Ó lo¹i n−íc b»ng c¸ch lμm b·o hoμ pha acetonitril n−íc b»ng natri clorid, sau ®ã lo¹i bá phÇn n−íc muèi t¸ch ra. Pha acetonitril ®−îc bèc h¬i, thu ®−îc cÆn dÇu mμu vμng n©u cã tû lÖ artemisinin giμu h¬n 3 lÇn cã trong dÞch chiÕt. V× pha acetonitril còng giμu acid artemisinic nªn cã thÓ kÕt tinh mét phÇn acid artemisinic. Do ®ã cã thÓ lo¹i ®i 10% chÊt r¾n trong pha acetonitril tr−íc khi ®−a vμo s¾c ký cét. S¾c ký cét ®−îc thùc hiÖn víi tû lÖ chÊt tan: chÊt hÊp phô = 1: 10 cho kÕt qu¶ tèt nhÊt. NÕu kh«ng lμm giai ®o¹n ph©n chia th× tû lÖ nμy lμ 1: 44. Hçn hîp dung m«i ch¹y cét lμ hexan víi tû lÖ ethylacetat tõ 10 ®Õn 20%. Khi ch¹y s¾c ký cét acid artemisinic sÏ bÞ röa gi¶i ra tr−íc sau ®ã lμ artemisinin, nh−ng do acid artemisinic ®· bÞ lo¹i ra phÇn lín tr−íc ®ã nªn artemisinin thu ®−îc rÊt tinh khiÕt. Qu¸ tr×nh s¾c ký cét ®−îc thùc hiÖn nh− sau:

Cét s¾c ký ®−îc n¹p b»ng silicagel. L−îng silicagel nhåi cét phô thuéc vμo l−îng hçn hîp chøa artemisinin ®−a vμo t¸ch, theo tû lÖ hçn hîp chøa artemisinin: silicagel = 1:10. Hçn hîp chøa artemisinin ®−îc hoμ tan trong aceton vμ luyÖn víi mét l−îng silicagel (theo tû lÖ hçn hîp chøa artemisinin: silicagel = 1:1). §Ó cho bay h¬i hÕt dung m«i vμ n¹p vμo phÇn trªn cña cét. Qu¸ tr×nh röa gi¶i artemisinin vμ acid artemisinic tõ cét ®−îc thùc hiÖn qua çc giai ®o¹n sau: 1. Ch¹y SKC sö dông hÖ dung m«i ethylacetat: hexan = 10:100 l−îng dung dÞch röa gi¶i rót ra b»ng mét thÓ tÝch cét (thÓ tÝch silicagel trong cét nhåi). PhÇn dung dÞch röa gi¶i nμy chøa acid artemisinic). 2. TiÕp tôc ch¹y SKC b»ng hÖ dung m«i ethylacetat: hexan = 15:100 vμ thu l−îng dung dÞch röa gi¶i b»ng 1 thÓ tÝch cét, trong ®ã ph©n ®o¹n ®Çu chøa acid artemisinic = 0,65 thÓ tÝch cét vμ ph©n ®o¹n sau chøa artemisinin = 0,35 thÓ tÝch cét. 3. TiÕp tôc ch¹y SKC b»ng hÖ dung m«i etyl acetat: hexan = 20:100 vμ rót ra 1,5 thÓ tÝch cét dung dÞch röa gi¶i. PhÇn nμy cã chøa artemisinin. Bèc h¬i dung m«i çc ph©n ®o¹n chøa acid artemisinic vμ artemisinin thu ®−îc acid artemisinic vμ artemisinin. Cã thÓ kÕt tinh l¹i trong çc dung m«i kh¸c nhau ®Ó thu ®−îc s¶n phÈm tinh khiÕt. Cét cã thÓ sö dông ®−îc Ýt nhÊt 2 lÇn. Tr−íc khi sö dông lÇn tiÕp theo cét ®−îc röa b»ng 1,5 thÓ tÝch ethylacetat. Khi sö dông cét lÇn 2, hÖ dung m«i ch¹y ph¶i ®−îc gi¶m ®é ph©n cùc, cô thÓ lμ gi¶m l−îng ethylacetat xuèng cßn 8,13 vμ 18%. Hçn hîp ethylacetat/hexan cã thÓ sö dông l¹i sau khi lμm khan b»ng Na2SO4 vμ ®iÒu chØnh thμnh phÇn cña hçn hîp.

246

ë ViÖt Nam, ngay tõ n¨m 1990 ®· nghiªn cøu chiÕt artemisinin. ë quy m« c«ng nghiÖp chóng ta kh«ng sö dông petrol ether cã ®é s«i 300-600C ®Ó chiÕt do gi¸ thμnh cao vμ petrol ether khã kiÕm ë ViÖt Nam. §a sè c¸c c¬ së chiÕt artemisinin ë ViÖt Nam ®Òu dïng x¨ng c«ng nghÖ hoÆc n-hexan lμm dung m«i chiÕt. §Ó t¨ng ®é tan cña artemisinin trong dung m«i chiÕt cã thÓ thªm vμo vμi phÇn tr¨m aceton, cån ethylic hay cloroform vμo x¨ng c«ng nghÖ hoÆc n-hexan. Tuy nhiªn cÇn chó ý lμ khi lμm nh− vËy ®é tan cña artemisinin t¨ng lªn ®¸ng kÓ nh−ng dÞch chiÕt sÏ kÐo theo nhiÒu t¹p chÊt kh¸c ¶nh h−ëng ®Õn giai ®o¹n tinh chÕ sau nμy.

♦ Tinh chÕ artemisinin DÞch chiÕt sau khi rót ra ®−îc cÊt thu håi dung m«i ®Õn khi khèi l−îng cßn 1/20 hoÆc 1/30 d−îc liÖu ®em chiÕt. CÆn cßn l¹i cã thÓ ®−îc tinh chÕ b»ng 2 ph−¬ng ph¸p sau: −

Ph−¬ng ph¸p 1: ChiÕt artemisinin trong cÆn cßn l¹i sau khi cÊt thu håi dung m«i b»ng cån 500 nãng, cån 500 nãng chØ hoμ tan artemisinin mμ kh«ng hoμ tan s¸p (t¹p chÊt chÝnh cã trong phÇn cÆn sau khi cÊt thu håi dung m«i). §Ó nguéi artemisinin sÏ kÕt tinh, kÕt tinh l¹i trong cån 960.

−

Ph−¬ng ph¸p 2: PhÇn dung dÞch c« ®Æc ®−îc ®Ó kÕt tinh trong 24 giê. G¹n phÇn n−íc c¸i, phÇn ®Æc gåm chñ yÕu lμ s¸p vμ tinh thÓ artemisinin. Lo¹i s¸p b»ng nhiÖt vμ x¨ng nãng ta sÏ thu ®−îc artemisinin th«. Hoμ tan trong cån 960, tÈy mμu b»ng than ho¹t, ®Ó nguéi kÕt tinh artemisinin, sÊy ë nhiÖt ®é 70-800C.

1.3.3. Ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt artemisinin ®−îc sö dông ë ViÖt Nam

L¸ THHV ®−îc ph¬i kh«, xay th« vμ n¹p vμo nåi chiÕt. Cã thÓ sö dông dung m«i chiÕt lμ x¨ng c«ng nghiÖp hoÆc n- hexan. Tû lÖ dung m«i/nguyªn liÖu lμ 5/1, chiÕt ë nhiÖt ®é 30-500C, thêi gian chiÕt 3 giê. ChiÕt 3 lÇn, dÞch chiÕt lÇn 1 vμ 2 ®em c« thu håi dung m«i, dÞch chiiÕt lÇn 3 sö dông lμm dung m«i chiÕt lÇn 1 mÎ kh¸c. DÞch chiÕt 1 c« ®Õn khi l−îng dÞch c« ®Æc t−¬ng víi l−îng d−îc liÖu ®em chiÕt. DÞch chiÕt 2 c« ®Õn khi l−îng dÞch c« ®Æc b»ng 1/5 l−îng dÞch c« ®Æc cña dÞch chiÕt 1. DÞch c« ®Æc rót ra ®−îc ®Ó kÕt tinh Ýt nhÊt 24 giê, artemisinin sÏ kÕt tinh lÉn víi s¸p. Lo¹i phÇn dung dÞch b»ng c¸ch g¹n, lo¹i s¸p b»ng nhiÖt ®é vμ x¨ng nãng thu ®−îc artemisinin th« kh«ng lÉn s¸p. Cã thÓ kiÓm tra ®· lo¹i s¸p hÕt b»ng c¸ch hoμ tan artemisinin th« trong aceton, nÕu dung dÞch trong lμ ®· lo¹i hÕt s¸p. Artemisinin th« ®· lo¹i hÕt s¸p ®−îc hoμ tan trong cån s«i, thªm than ho¹t vμ ®un s«i 20 phót víi sinh hμn håi l−u, läc nãng lo¹i than ho¹t vμ ®Ó kÕt tinh ë nhiÖt ®é th−êng tèi thiÓu 24 giê. VÈy ly t©m, röa tinh thÓ b»ng cån vμ sÊy ë 800C.

247

L¸ THHV

Xay Thu håi DM ChiÕt

n-hexan

B· TCHV CÊt thu håi DM

§Ó kÕt tinh

G¹n

Lo¹i s¸p

x¨ng c«ng nghiÖp

S¸p Hoµ tan

TÈy mµu

cån 960

Than ho¹t

Läc lo¹i than

§Ó kÕt tinh

Ly t©m

SÊy

H×nh 18.1. S¬ ®å chiÕt xuÊt artemisinin tõ c©y THHV

248

2. ChiÕt xuÊt Rutin tõ Hoa hoÌ

Hoa hße (Sophora japonica Papilionaceae). C©y hoa hoÌ cao tõ 5-6 m, l¸ kÐp h×nh l«ng chim. ë ViÖt Nam trång kh¾p n¬i, dïng nô hoa hße ®Ó chiÕt rutin. 2.1. Thμnh phÇn hãa häc

Hoa hße chøa tõ 10-28% rutin, khi thuû ph©n sÏ cho quercetin (C15H10O7), glucose vμ rhamnose OH OH HO HO

OH OH OH O

C6H10 O4

C6 H11 O4

+ Glucose +

Rhamnose

Rutin

Quercetin

2.2. ChiÕt xuÊt

Cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p. Ta cã thÓ chiÕt rutin b»ng n−íc nãng, b»ng dung dich kiÒm hoÆc b»ng cån. − ChiÕt b»ng dung dÞch kiÒm: hoa hße gi· dËp. Röa b»ng HCl 0,5% råi röa b»ng n−íc cho hÕt axit. ChiÕt b»ng dung dÞch Na2CO3 1% hoÆc natri borat 1-3%. Rutin sÏ tan nhiÒu do cã chøc phenol trong ph©n tö. Rót dÞch chiÕt ra vμ tiÕp tôc chiÕt cho ®Õn khi hÕt Rutin (3-4 lÇn). Gép c¸c dÞch chiÕt l¹i, dïng HCl ®iÒu chØnh ®Õn pH=2 ta cã Rutin kÕt tña. Läc. Tinh chÕ: Röa tña b»ng n−íc ®Õn pH=4-5. Hoμ tan, kÕt tinh l¹i trong cån. − ChiÕt b»ng n−íc: n−íc s«i: 1 lÝt hoμ tan 5 g rutin. N−íc ë 20oC: 1 lÝt hßa tan 0,13 g rutin. V× vËy cã thÓ chiÕt rutin tõ hoa hoÌ b»ng n−íc nãng sau ®ã ®Ó nguéi rutin sÏ tña nh−ng ph−¬ng ph¸p nμy hiÖu suÊt thÊp. − ChiÕt b»ng cån: dïng cån 90o ®Ó chiÕt. §un s«i cån víi hoa hoÌ trong 2 giê. Rót dÞch chiÕt, cÊt thu håi cån. Ta sÏ thu ®−îc rutin tña, lμm nh− vËy vμi lÇn ®Õn hÕt rutin (nÕu dïng Soxchlet ®Ó chiÕt th× ®ì tèn dung m«i, hiÖu suÊt cao). KÕt tinh l¹i trong cån, tÈy mμu b»ng than ho¹t ta cã rutin tinh khiÕt. Ph−¬ng ph¸p chiÕt b»ng cån cho hiÖu suÊt cao, tû lÖ rutin trong hoa hoÌ cã thÓ lªn ®Õn 20-30%.

249

Tù l−îng gi¸

1. Tr×nh bμy thμnh phÇn hãa häc cña c©y thanh hao hoa vμng. 2. Tr×nh bμy cÊu tróc, tÝnh chÊt lý, hãa cña artemisinin. 3. Tr×nh bμy c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ artemisinin tõ c©y thanh hao hoa vμng. 4. Tr×nh bμy cÊu tróc cña rutin. 5. Tr×nh bμy c¸c ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt rutin tõ hoa hoÌ.

250

tμi liÖu tham kh¶o

1. Bé m«n Bμo chÕ, Kü thuËt bμo chÕ vμ sinh d−îc häc çc d¹ng thuèc, tËp I. Tr−êng §H D−îc Hμ Néi, 2003. 2. Bé m«n C«ng nghiÖp D−îc, Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm, tËp I, Tr−êng §H D−îc Hμ Néi, 2001. 3. §μm Trung B¶o, Lª Quang Toμn, Kü thuËt bμo chÕ çc d¹ng thuèc vμ çc chÕ phÈm, phÇn 2, tËp IV. Tr−êng §H D−îc Hμ Néi, 1971. 4. §ç V¨n §μi, NguyÔn Bin, Ph¹m Xu©n To¶n, §ç Ngäc Cö..., C¬ së çc qu¸ tr×nh vμ thiÕt bÞ c«ng nghÖ ho¸ häc, TËp I, Tr−êng §H B¸ch khoa, 1999. 5. Lª Quang Toμn, Kü thuËt Ho¸ d−îc, tËp 1, Nhμ xuÊt b¶n Y häc, 1971. 6. NguyÔn Bin, Çc qu¸ tr×nh, thiÕt bÞ trong c«ng nghÖ ho¸ chÊt vμ thùc phÈm, TËp IV, NXB KHKT, 2005. 7. NguyÔn V¨n §μn, NguyÔn ViÕt Tùu, Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu ho¸ häc c©y thuèc. NXB Y häc, 1985. 8. Ph¹m Thanh Kú, NguyÔn ThÞ T©m, TrÇn V¨n Thanh, Bμi gi¶ng d−îc liÖu, tËp II, Tr−êng §H D−îc Hμ Néi, 2005. 9. Phan §×nh Ch©u, C¬ së kü thuËt tæng hîp Ho¸ d−îc, Tμi liÖu gi¶ng d¹y sau §¹i häc, Tr−êng §¹i häc D−îc Hμ Néi, 1997. 10. Deak G., Morgos J., Gyurkovics I., Szerves Vegyipari alapfolyamatok, Muegyetemi Kiado, 1993. 11. Fogassy E., Kadas I., Szabo G. T., Gyogyszerkemiai alapfolyamatok, Muegyetemi Kiado, 1993. 12. John E. Hoover, Remington's Publishing Company, 1970.

Pharmaceutical

Siences,

Mack

13. P. H. List and P. C. Schmidt, Phytopharmaceutical Technology, CRC Press. Inc. 1989. 14. R. H. F. Manske, The alkaloid - Chemistry and Physiology, volume XIV, Academic Press - New York - London, 1973. 15. Szantay Cs., Elmeleti szerves kemia, Muszaki konyvkiado, Budapest, 1984.

251

Bé y tÕ

Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm TËp II Kü thuËt s¶n xuÊt thuèc b»ng ph−¬ng ph¸p sinh tæng hîp S¸ch ®µo t¹o d−îc sü ®¹i häc M∙ sè: §20.Z.09 Chñ biªn: PGS.TS. Tõ Minh Koãng

Nhμ xuÊt b¶n y häc Hμ néi - 2007

ChØ ®¹o biªn so¹n Vô Khoa häc & §μo t¹o, Bé Y tÕ

Chñ biªn: PGS.TS. Tõ Minh Koãng

C¸c t¸c gi¶ biªn so¹n: PGS.TS. Tõ Minh Koãng §µm Thanh Xu©n

HiÖu ®Ýnh: §µm Thanh Xu©n

Lêi giíi thiÖu Thùc hiÖn mét sè ®iÒu cña LuËt Gi¸o dôc, Bé Gi¸o dôc vμ §μo t¹o vμ Bé Y tÕ ®· ban hμnh ch−¬ng tr×nh khung ®μo t¹o ®èi t−îng lμ D−îc sü §¹i häc. Bé Y tÕ tæ chøc biªn so¹n tμi liÖu d¹y – häc çc m«n c¬ së, chuyªn m«n vμ c¬ b¶n chuyªn ngμnh theo ch−¬ng tr×nh trªn nh»m tõng b−íc x©y dùng bé s¸ch chuÈn vÒ chuyªn m«n ®Ó ®¶m b¶o chÊt l−îng ®μo t¹o nh©n lùc y tÕ. S¸ch “Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm, tËp 2” ®−îc biªn so¹n dùa trªn ch−¬ng tr×nh gi¸o dôc cña Tr−êng §¹i häc D−îc Hμ Néi trªn c¬ së ch−¬ng tr×nh khung ®· ®−îc phª duyÖt. S¸ch ®−îc çc nhμ gi¸o giμu kinh nghiÖm vμ t©m huyÕt víi c«ng t¸c ®μo t¹o biªn so¹n theo ph−¬ng ch©m: KiÕn thøc c¬ b¶n, hÖ thèng; néi dung chÝnh x¸c, khoa häc; cËp nhËt çc tiÕn bé khoa häc, kü thuËt hiÖn ®¹i vμ thùc tiÔn ViÖt Nam. S¸ch “Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm, tËp 2” ®· ®−îc Héi ®ång chuyªn m«n thÈm ®Þnh s¸ch vμ tμi liÖu d¹y – häc chuyªn ngμnh D−îc sü §¹i häc cña Bé Y tÕ thÈm ®Þnh vμo n¨m 2006. Bé Y tÕ ban hμnh lμm tμi liÖu d¹y – häc ®¹t chuÈn chuyªn m«n cña ngμnh y tÕ trong giai ®o¹n 2006-2010. Trong qu¸ tr×nh sö dông, s¸ch ph¶i ®−îc chØnh lý, bæ sung vμ cËp nhËt. Bé Y tÕ xin ch©n thμnh c¶m ¬n çc çn bé gi¶ng d¹y ë Bé m«n C«ng nghiÖp D−îc cña Tr−êng §¹i häc D−îc Hμ Néi ®· giμnh nhiÒu c«ng søc hoμn thμnh cuèn s¸ch nμy, c¶m ¬n GS. Lª Quang Toμn vμ PGS. TS. Hoμng Minh Ch©u ®· ®äc, ph¶n biÖn ®Ó cuèn s¸ch ®−îc hoμn chØnh, kÞp thêi phôc vô cho c«ng t¸c ®μo t¹o nh©n lùc y tÕ. V× lÇn ®Çu xuÊt b¶n, chóng t«i mong nhËn ®−îc ý kiÕn ®ãng gãp cña ®ång nghiÖp, çc b¹n sinh viªn vμ çc ®éc gi¶ ®Ó lÇn xuÊt b¶n sau ®−îc hoμn thiÖn h¬n.

Vô Khoa häc vμ §μo t¹o Bé Y tÕ

Lêi nãi ®Çu Cuèn gi¸o tr×nh "Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm" ®−îc biªn so¹n ®Ó gi¶ng cho sinh viªn §¹i häc D−îc vμo häc kú 8 ®· ®−îc xuÊt b¶n lÇn thø nhÊt n¨m 2001, gåm 2 tËp. Theo ch−¬ng tr×nh cò, thêi l−îng gi¶ng d¹y m«n häc nμy lμ qu¸ Ýt so víi nh÷ng kiÕn thøc chung cña D−îc sü §¹i häc. §Æc biÖt trong t×nh h×nh hiÖn nay, sau khi cã nghÞ quyÕt cña Bé ChÝnh trÞ (NQ-46/BCT-2005) vÒ ph¸t triÓn nÒn C«ng nghiÖp D−îc cña ®Êt n−íc trong t×nh h×nh míi, ph¶i −u tiªn ph¸t triÓn c«ng nghiÖp s¶n xuÊt nguyªn liÖu lμm thuèc, trong ®ã chó träng C«ng nghiÖp Hãa d−îc vμ C«ng nghÖ Sinh häc. Ban ch−¬ng tr×nh nhμ tr−êng quyÕt ®Þnh t¨ng thªm mét ®¬n vÞ häc tr×nh cho häc phÇn "S¶n xuÊt thuèc b»ng C«ng nghÖ sinh häc". Bé m«n ®· biªn so¹n l¹i ®Ó xuÊt b¶n cuèn gi¸o tr×nh míi gåm 3 tËp. C¶ ba tËp ®Òu cã tªn chung cña gi¸o tr×nh: “Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm”. Gi¸o tr×nh ®−îc biªn so¹n theo hai néi dung: 1. Kü thuËt s¶n xuÊt çc nguyªn liÖu lμm thuèc. 2. Kü thuËt s¶n xuÊt çc d¹ng thuèc thμnh phÈm. Trong ®ã: Néi dung thø nhÊt gåm 2 tËp lμ: * TËp 1. Kü thuËt s¶n xuÊt thuèc b»ng ph−¬ng ph¸p tæng hîp hãa d−îc vμ chiÕt xuÊt d−îc liÖu. * TËp 2. Kü thuËt s¶n xuÊt thuèc b»ng ph−¬ng ph¸p sinh tæng hîp. Néi dung thø hai gåm 1 tËp lμ: * TËp 3. Kü thuËt s¶n xuÊt çc d¹ng thuèc. So víi lÇn xuÊt b¶n tr−íc, çc t¸c gi¶ biªn so¹n ®· cè g¾ng ch¾t läc nh÷ng kiÕn thøc chñ yÕu nhÊt ®Ó cung cÊp cho ng−êi häc hiÓu ®−îc ngμnh khoa häc võa hÊp dÉn võa quan träng nμy. Tuy nhiªn, víi néi dung phong phó, ®a d¹ng vμ thêi l−îng h¹n chÕ nªn kh«ng thÓ ®i s©u h¬n ®−îc. V× vËy cuèn gi¸o tr×nh kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. Çc t¸c gi¶ mong nhËn ®−îc sù gãp ý cña ®äc gi¶ ®Ó chØnh söa cho lÇn xuÊt b¶n sau ®−îc hoμn chØnh h¬n. Xin ch©n thμnh c¶m ¬n.

Bé m«n C«ng nghiÖp D−îc Tr−êng §¹i häc D−îc Hμ Néi

Môc lôc

phÇn I. tæng quan vÒ C«ng nghÖ sinh häc Ch−¬ng 1. Giíi thiÖu vÒ c«ng nghÖ sinh häc 1.1. C«ng nghÖ sinh häc lμ g×? 1.2. C«ng nghÖ sinh häc - mét sù theo ®uæi ®a ngμnh 1.3. C«ng nghÖ sinh häc - h¹t nh©n trung t©m ba thμnh phÇn 1.4. An toμn s¶n phÈm 1.5. NhËn thøc cña céng ®ång vÒ c«ng nghÖ sinh häc 1.6. C«ng nghÖ sinh häc vμ c¸c n−íc ®ang ph¸t triÓn Ch−¬ng 2. Nguyªn liÖu cho c«ng nghÖ sinh häc 2.1. ChiÕn l−îc sinh khèi 2.2. Nguyªn liÖu th« thiªn nhiªn 2.3. TÝnh s½n cã cña s¶n phÈm phô 2.4. Nguyªn liÖu ho¸ häc vμ ho¸ dÇu 2.5. Nguyªn liÖu th« vμ t−¬ng lai cña c«ng nghÖ sinh häc Ch−¬ng 3. Kü thuËt lªn men 3.1. Giíi thiÖu tæng qu¸t 3.2. C¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn cña vi sinh vËt 3.3. ThiÕt bÞ lªn men vi sinh vËt 3.4. Cung cÊp kh«ng khÝ v« trïng cho nhμ m¸y lªn men vi sinh vËt 3.5. Khö trïng m«i tr−êng trong c«ng nghÖ lªn men 3.6. Läc vμ thiÕt bÞ läc trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt kh¸ng sinh 3.7. Tr×nh tù qu¸ tr×nh lªn men 3.8. ThiÕt kÕ m«i tr−êng cho qu¸ tr×nh lªn men 3.9. Lªn men trªn c¬ chÊt r¾n 3.10. Kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo ®éng vËt vμ thùc vËt 3.11. Qu¸ tr×nh tinh chÕ ®Ó thu s¶n phÈm Ch−¬ng 4. Kü thuËt s¶n xuÊt enzym 7

4.1. §¹i c−¬ng 4.2. C¸c øng dông cña enzym 4.3. Kü thuËt di truyÒn trong c«ng nghÖ enzym 4.4. Kü thuËt s¶n xuÊt enzym 4.5. Ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym (immobilised enzym) Ch−¬ng 5. S¶n xuÊt Protein ®¬n bμo 5.1. Sù cÇn thiÕt s¶n xuÊt protein ®¬n bμo 5.2. S¶n xuÊt sinh khèi nÊm men 5.3. S¶n xuÊt t¶o ®¬n bμo 5.4. S¶n xuÊt nÊm sîi 5.5. S¶n xuÊt nÊm ¨n

Ch−¬ng 6. S¶n xuÊt c¸c s¶n phÈm trao ®æi chÊt bËc mét dïng trong Y häc 6.1 S¶n xuÊt c¸c aminoacid 66 6.2. S¶n xuÊt acid glutamic 67 6.3. S¶n xuÊt Dextran

6.4. Sinh tæng hîp Vitamin B12 6.4.1. §¹i c−¬ng

6.4.2. CÊu tróc ho¸ häc vμ tÝnh chÊt 6.4.3. Lªn men sinh tæng hîp 6.4.4. Quy tr×nh s¶n xuÊt

6.4.5. Quy tr×nh chiÕt xuÊt 78 phÇn II. C«ng nghÖ s¶n xuÊt kh¸ng sinh Ch−¬ng 7. §¹i c−¬ng vÒ kh¸ng sinh 7.1. §Þnh nghÜa kh¸ng sinh 83 7.2. §¬n vÞ kh¸ng sinh

7.3. Ph©n lo¹i kh¸ng sinh

7.4. C¸c ph−¬ng ph¸p ph©n lËp vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh

7.5. Ph−¬ng ph¸p g©y ®ét biÕn vi sinh vËt ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt 7.6. Nghiªn cøu ®iÒu kiÖn nu«i cÊy c¸c chñng vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh ph©n lËp ®−îc

7.7. Nghiªn cøu chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ kh¸ng sinh 8

7.8. Nghiªn cøu ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn vμ ®éc tÝnh

7.9. Nghiªn cøu vÒ d−îc lý vμ ®iÒu trÞ cña kh¸ng sinh 90 7.10. Tiªu chuÈn ®èi víi mét kh¸ng sinh 90 7.11. Ph−¬ng ph¸p ®Þnh l−îng kh¸ng sinh

7.12. øng dông kh¸ng sinh ngoμi lÜnh vùc y häc 94 Ch−¬ng 8. S¶n xuÊt kh¸ng sinh nhãm β-lactam 8.1. §¹i c−¬ng vÒ c¸c β -lactam

100

8.2. Sinh tæng hîp c¸c kh¸ng sinh Penicillin

100

8.3. S¶n xuÊt 6-APA vμ c¸c Penicillin b¸n tæng hîp 8.4. S¶n xuÊt c¸c Cephalosporin

110

116

8.5. S¶n xuÊt 7–ACA; 7–ADCA vμ c¸c kh¸ng sinh b¸n tæng hîp nhãm cephalosporin 120 8.6. Sinh tæng hîp acid clavulanic 122 Ch−¬ng 9. s¶n xuÊt kh¸ng sinh nhãm Tetracyclin 9.1. §¹i c−¬ng

128

9.2. C«ng thøc cÊu t¹o vμ tÝnh chÊt

128

9.3. Sinh tæng hîp c¸c Tetracyclin tù nhiªn

130

9.4. Sinh tæng hîp Clotetracyclin 134 9.5. Sinh tæng hîp Tetracyclin

136

9.6. Sinh tæng hîp Oxytetracyclin 139 9.7. C¸c Tetracyclin b¸n tæng hîp 142 Ch−¬ng 10. s¶n xuÊt kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid 10.1. §¹i c−¬ng chung vÒ c¸c aminoglycosid

146

10.2. Sinh tæng hîp Streptomycin 150 10.3. Sinh tæng hîp Gentamicin

157

Ch−¬ng 11. s¶n xuÊt kh¸ng sinh nhãm macrolid 11.1. Tæng quan vÒ c¸c Macrolid 11..2. Sinh tæng hîp Erythromycin

162 165

ch−¬ng 12. s¶n xuÊt kh¸ng sinh chèng ung th− 12.1. §¹i c−¬ng

168

12.2. C¸c ph−¬ng h−íng ®iÒu trÞ bÖnh ung th− 168 9

12.3. C¸c kh¸ng sinh chèng ung th− nguån gèc sinh häc 12.4. Sinh tæng hîp Daunorubicin 172 ch−¬ng 13. s¶n xuÊt kh¸ng sinh cã nguån gèc tõ vi khuÈn

13.1. Sinh tæng hîp Polymyxin

175

13.2. Sinh tæng hîp Bacitracin

178

170

phÇn I. tæng quan vÒ C«ng nghÖ sinh häc Ch−¬ng 1

giíi thiÖu vÒ c«ng nghÖ sinh häc

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Tªn c¸c lÜnh vùc khoa häc cã liªn quan ®Õn C«ng nghÖ sinh häc vμ ph¹m vi øng dông cña C«ng nghÖ sinh häc trong c¸c ngμnh ®ã. 2. TÇm quan träng cña C«ng nghÖ sinh häc trong xu thÕ ph¸t triÓn chung cña khoa häc trong thÕ kû 21.

1. C«ng nghÖ sinh häc lμ g×? Ngμy nay kh«ng ai cßn nghi ngê g× n÷a vÒ nh÷ng thμnh tùu cña c«ng nghÖ sinh häc ®em l¹i cho loμi ng−êi. Ch¼ng thÕ mμ trong hai thËp kØ cuèi cïng cña thÕ kØ XX, kho¶ng 20 gi¶i Nobel ®· ®−îc trao cho nh÷ng kh¸m ph¸ trong lÜnh vùc nghiªn cøu nμy. §Ó hiÓu c«ng nghÖ sinh häc lμ g× ta cã thÓ nªu ra ®©y mét vμi ®Þnh nghÜa vÒ c«ng nghÖ sinh häc. −

“ViÖc øng dông nh÷ng sinh vËt, hÖ thèng vμ qu¸ tr×nh chÕ biÕn vμo s¶n xuÊt vμ c«ng nghiÖp dÞch vô”.

−

“ViÖc kÕt hîp sö dông ho¸ sinh, vi sinh vμ khoa häc c«ng nghÖ ®Ó t¹o ra nh÷ng kh¶ n¨ng øng dông c¸c vi sinh vËt, m« tÕ bμo vμ c¸c bé phËn cña chóng”.

−

“C«ng nghÖ sö dông c¸c hiÖn t−îng sinh häc ®Ó sao chÐp vμ s¶n xuÊt ra nh÷ng vËt phÈm h÷u Ých”.

−

“ViÖc øng dông c¸c ngμnh khoa häc vμ kü thuËt vμo qu¸ tr×nh biÕn ®æi nguyªn liÖu b»ng c¸c t¸c nh©n sinh häc ®Ó s¶n xuÊt hμng ho¸ vμ cung cÊp dÞch vô”.

−

“C«ng nghÖ sinh häc thùc sù chØ lμ mét c¸i tªn ®−îc ®Æt cho mét tËp hîp c¸c qu¸ tr×nh vμ kü thuËt.”

−

“C«ng nghÖ sinh häc lμ viÖc sö dông nh÷ng c¬ thÓ sèng vμ c¸c thμnh phÇn cña chóng trong n«ng nghiÖp, thùc phÈm vμ c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghiÖp kh¸c”. 11

−

“C«ng nghÖ sinh häc lμ viÖc gi¶i m· vμ sö dông c¸c kiÕn thøc vÒ sinh häc”.

Cã thÓ coi ®Þnh nghÜa vÒ c«ng nghÖ sinh häc sau ®©y cña Liªn ®oμn c«ng nghÖ sinh häc ch©u ¢u (EFB) lμ hoμn chØnh h¬n c¶: "C«ng nghÖ sinh häc lμ sù kÕt hîp cña çc ngμnh khoa häc tù nhiªn vμ khoa häc c«ng nghÖ ®Ó ®¹t tíi nh÷ng sù øng dông cña vi sinh vËt, çc tÕ bμo, mét sè thμnh phÇn cña tÕ bμo nh»m t¹o ra nh÷ng s¶n phÈm vμ nh÷ng sù phôc vô (services) cã lîi cho con ng−êi”. Së dÜ nãi ®Õn c¶ mét sè thμnh phÇn cña tÕ bμo v× ngμy nay c«ng nghÖ enzym (enzyme technology) víi çc enzym bÊt ®éng ho¸ (immobilized enzymes) kh«ng cÇn tíi tÕ bμo vÉn t¹o ra ®−îc s¶n phÈm ë qui m« lín. Së dÜ nãi ®Õn nh÷ng sù phôc vô v× trong viÖc xö lý chèng « nhiÔm m«i tr−êng tuy c«ng nghÖ sinh häc kh«ng t¹o ra s¶n phÈm g× nh−ng cã mét vai trß rÊt quan träng. C«ng nghÖ sinh häc ®ang ph¸t triÓn nhanh chãng trªn c¬ së cña mét sè kü thuËt hoμn toμn míi mÎ th−êng gäi lμ kü thuËt ch×a kho¸ (KeyTechnology). §ã lμ kü thuËt di truyÒn (genetic engineering); kü thuËt dung hîp tÕ bμo (cell fusion); kü thuËt sö dông ph¶n øng sinh thÓ (bioreaction technology) bao gåm kü thuËt lªn men (fermentation technology), kü thuËt enzym (enzyme technology) vμ b×nh ph¶n øng sinh vËt (bioreactor); kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo (cell culture technique); kü thuËt nu«i cÊy m« (tissue culture technique); kü thuËt chuyÓn ph«i (embryo tranplantation) vμ kü thuËt chuyÓn nh©n tÕ bμo (nucleus tranplantation). 2. C«ng nghÖ sinh häc - mét sù theo ®uæi ®a ngμnh C«ng nghÖ sinh häc lμ sù −u tiªn cña qu¸ tr×nh theo ®uæi ®a ngμnh. Trong nh÷ng thËp kØ gÇn ®©y, nÐt ®Æc tr−ng cña sù ph¸t triÓn khoa häc vμ c«ng nghÖ lμ ph−¬ng ph¸p dïng nh÷ng chiÕn l−îc ®a ngμnh ®Ó ®¹t ®−îc gi¶i ph¸p cho çc vÊn ®Ò kh¸c nhau. §iÒu nμy dÉn ®Õn sù ra ®êi nh÷ng lÜnh vùc nghiªn cøu ®a ngμnh vμ cuèi cïng sÏ t¹o ra nh÷ng ngμnh míi víi nh÷ng kh¸i niÖm vμ ph−¬ng ph¸p ®Æc tr−ng. KÜ thuËt ho¸ häc vμ ho¸ sinh lμ hai vÝ dô dÔ nhËn thÊy nhÊt cña nh÷ng ngμnh khoa häc ®· cho chóng ta hiÓu s©u s¾c vÒ qu¸ tr×nh ho¸ häc vμ nh÷ng c¬ së ho¸ sinh cña çc hÖ thèng sinh häc. ThuËt ng÷ ®a ngμnh (multidisciplinary) m« t¶ sù më réng vÒ l−îng cña çch tiÕp cËn nh÷ng vÊn ®Ò th−êng x¶y ra trong ph¹m vi mét lÜnh vùc nhÊt ®Þnh. Nã ®ßi hái viÖc s¾p ®Æt nh÷ng kh¸i niÖm vμ ph−¬ng ph¸p tõ mét lo¹t çc ngμnh riªng rÏ vμ øng dông chóng vμo mét vÊn ®Ò ®Æc biÖt cña mét ngμnh kh¸c. Tr¸i l¹i, øng dông ®a ngμnh x¶y ra khi cã sù gÆp gì çc ý t−ëng cña sù hîp t¸c nhiÒu ngμnh vμ dÉn ®Õn viÖc h×nh thμnh mét ngμnh häc míi víi nh÷ng kh¸i niÖm vμ ph−¬ng ph¸p riªng. Trong thùc tÕ, çc tæ chøc kinh doanh nhiÒu ngμnh hÇu nh− ®−îc ®Þnh h−íng cè ®Þnh. Tuy nhiªn, khi sù tæng hîp ®a ngμnh thùc sù x¶y ra lÜnh vùc míi sÏ më ra mét lo¹t vÊn ®Ò nghiªn cøu míi. 12

C«ng nghÖ sinh häc ®· xuÊt hiÖn th«ng qua sù t¸c ®éng qua l¹i lÉn nhau gi÷a nh÷ng phÇn kh¸c nhau cña sinh häc vμ kü thuËt. Mét nhμ c«ng nghÖ sinh häc cã thÓ sö dông çc kü thuËt: ho¸ häc, vi sinh häc, ho¸ sinh vμ tin häc (H×nh 1.1). Môc ®Ých chÝnh lμ sù s¸ng t¹o, ph¸t triÓn vμ tèi −u ho¸ çc qu¸ tr×nh, trong ®ã chÊt xóc t¸c ho¸ sinh gi÷ vai trß nÒn t¶ng vμ kh«ng g× cã thÓ thay thÕ ®−îc. Nhμ c«ng nghÖ sinh häc ph¶i biÕt hîp t¸c chÆt chÏ víi çc chuyªn gia trong nh÷ng lÜnh vùc liªn quan nh− y häc, dinh d−ìng häc, ho¸ häc, d−îc häc, b¶o vÖ m«i tr−êng vμ xö lý chÊt th¶i. ViÖc øng dông c«ng nghÖ sinh häc ngμy cμng cho thÊy tÝnh chÊt phô thuéc H×nh 1.1. TÝnh chÊt ®a ngµnh lÉn nhau cña khoa häc liªn ngμnh, cña c«ng nghÖ sinh häc muèn ®¹t ®−îc thμnh c«ng trong nghiªn cøu cña ngμnh m×nh, cÇn hiÓu ®−îc ng«n ng÷ kü thuËt cña çc ngμnh kh¸c, hiÓu ®−îc nh÷ng tiÒm n¨ng còng nh− nh÷ng h¹n chÕ cña çc ngμnh kh¸c. C«ng nghÖ sinh häc cã yªu cÇu rÊt cao çc kü n¨ng vÒ chuyªn m«n, nghiÖp vô. BiÕt ®Çu t− vμo viÖc ph¸t triÓn ngμnh c«ng nghÖ nμy sÏ ®−îc h−ëng lîi Ých l©u dμi. C«ng nghÖ sinh häc cã mét sè lÜnh vùc ho¹t ®éng nh− sau: −

§iÒu trÞ häc: c¸c d−îc phÈm dïng ®Ó ®iÒu trÞ bÖnh cho ng−êi bao gåm kh¸ng sinh, vaccin, liÖu ph¸p gen.

−

ChÈn ®o¸n: c¸c kÝt dïng ®Ó xÐt nghiÖm chÈn ®o¸n trong l©m sμng, thùc phÈm, m«i tr−êng, n«ng nghiÖp.

−

N«ng nghiÖp, l©m nghiÖp, lμm v−ên: c¸c gièng c©y míi, ®éng vËt, thuèc trõ s©u.

−

Thùc phÈm: bao gåm s¶n xuÊt thùc phÈm, ®å uèng, c¸c phô gia, ph©n bãn.

−

M«i tr−êng: xö lý chÊt th¶i, c¸c chÊt cã b¶n chÊt sinh häc, s¶n xuÊt n¨ng l−îng.

−

Çc ho¸ chÊt trung gian: çc ho¸ chÊt cÇn thiÕt cho c«ng nghÖ sinh häc nh−: çc enzym, ADN, ARN, çc ho¸ chÊt ®Æc biÖt.

−

ThiÕt bÞ: phÇn cøng, phÇn mÒm tin häc, b×nh ph¶n øng sinh häc vμ nh÷ng thiÕt bÞ kh¸c cã tÝnh hç trî cho c«ng nghÖ sinh häc. 13

NhiÒu qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc hiÖn nay cã nguån gèc tõ çc qu¸ tr×nh lªn men cæ truyÒn nh− lªn men r−îu, bia, men b¸nh m×, s÷a chua, pho m¸t, dÊm. ChØ khi c«ng nghÖ lªn men s¶n xuÊt Penicillin trªn qui m« lín th× ngμnh c«ng nghÖ lªn men míi thùc sù cã nh÷ng b−íc nh¶y vät. Tõ ®ã ®Õn nay chóng ta ®· chøng kiÕn sù ph¸t triÓn phi th−êng cña c«ng nghÖ nμy. BiÕt bao s¶n phÈm míi do c«ng nghÖ lªn men cung cÊp lμm phong phó thªm cuéc sèng vμ cøu ch÷a ®−îc bao nhiªu m¹ng sèng tho¸t khái tö thÇn. Nh×n vÒ t−¬ng lai, çc nhμ khoa häc ®Òu cho r»ng thÕ kû XXI sÏ lμ kû nguyªn cña c«ng nghÖ sinh häc còng nh− ho¸ häc vμ vËt lý lμ ®Æc tr−ng cña thÕ kû XX. VÒ mÆt lý thuyÕt, c«ng nghÖ sinh häc cã thÓ chuyÓn mét gen tõ mét sinh vËt bÊt kú sang mét sinh vËt kh¸c, vi sinh vËt kh¸c, thùc vËt hay ®éng vËt kh¸c (xem Ch−¬ng 3), trªn thùc tÕ cã rÊt nhiÒu yÕu tè chi phèi nh− nh÷ng gen nμo ph¶i t¹o dßng v« tÝnh vμ çch chän gen ®ã nh− thÕ nμo. yÕu tè h¹n chÕ nhÊt trong viÖc øng dông kü thuËt di truyÒn lμ sù thiÕu kiÕn thøc khoa häc c¬ b¶n vÒ cÊu tróc cña gen chøc n¨ng. §èi víi thùc vËt ph¶i l−u ý r»ng chØ kho¶ng 150 gen thùc vËt trong tæng sè 10.000 cho ®Õn nay ®· biÕt ®−îc ®Æc ®iÓm ë møc ADN. C«ng nghÖ sinh häc ®ang ph¸t triÓn víi tèc ®é gÇn víi tèc ®é ph¸t triÓn cña vi ®iÖn tö vμo nh÷ng n¨m 70. Tuy nhiªn, çc nhμ nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ sinh häc lu«n h−íng çc nghiªn cøu vμo môc ®Ých th−¬ng m¹i nh»m môc ®Ých võa phôc vô, võa thu lîi nhuËn. C«ng nghÖ sinh häc míi sÏ cã nh÷ng ¶nh h−ëng to lín ®Õn tÊt c¶ çc øng dông c«ng nghiÖp cña çc khoa häc vÒ sù sèng. Cμng ngμy ng−êi ta cμng nhËn thÊy r»ng nguån nhiªn liÖu láng cã nguån gèc ho¸ th¹ch trªn tr¸i ®Êt ch¼ng bao l©u n÷a sÏ hÕt, çc nguån n¨ng l−îng kh¸c sÏ ®−îc nghiªn cøu ®Ó thay thÕ, c«ng nghÖ sinh häc sÏ gióp çc nhμ nghiªn cøu t×m ra çc nguån n¨ng l−îng míi võa rÎ tiÒn võa an toμn h¬n. Nh÷ng quèc gia cã ®iÒu kiÖn khÝ hËu phï hîp víi ®iÒu kiÖn s¶n xuÊt sinh khèi sÏ cã nh÷ng −u thÕ lín lao vÒ mÆt kinh tÕ h¬n çc quèc gia cã ®iÒu kiÖn kÐm phï hîp. Nh÷ng n−íc nhiÖt ®íi ph¶i n¾m ®−îc tiÒm n¨ng to lín cña m×nh ®Ó ®Èy m¹nh ph¸t triÓn c«ng nghÖ sinh häc. C«ng nghÖ sinh häc míi d−êng nh− xuÊt hiÖn sím nhÊt trong lÜnh vùc b¶o vÖ søc khoÎ vμ y häc, tiÕp sau lμ c«ng nghÖ thùc phÈm. N¨m 1982, b»ng c«ng nghÖ gen ®· t¹o ra ®−îc insulin ®Ó ch÷a bÖnh ®¸i th¸o ®−êng. Gen ®Ó s¶n xuÊt insulin tõ tuyÕn tuþ cña ng−êi ®· ®−îc t¸ch ra ®em ghÐp vμo ADN cña E. coli, nu«i cÊy vi khuÈn E. coli thu lÊy insulin b»ng çc kü thuËt thÝch hîp cña ho¸ sinh. Trong viÖc chÈn ®o¸n l©m sμng hiÖn nay ®· cã hμng tr¨m bé kÝt chuÈn kh¸c nhau võa chÝnh x¸c võa cho kÕt qu¶ nhanh chãng. §Æc biÖt ®Ó ph¸t hiÖn çc mÇm g©y bÖnh cã trong m¸u gióp cho viÖc truyÒn m¸u an toμn h¬n. C«ng nghÖ sinh häc gióp cho viÖc c¶i thiÖn chÊt l−îng thùc phÈm, t¨ng dinh d−ìng, t¹o ra çc thùc phÈm chøc n¨ng gióp cho con ng−êi sèng l©u h¬n vμ chÊt l−îng cuéc sèng còng tèt h¬n. Nh÷ng ngμnh c«ng nghiÖp dùa trªn c¬ së c«ng nghÖ sinh häc sÏ kh«ng cÇn nhiÒu nh©n c«ng, mÆc dï chóng t¹o ra mét khèi l−îng vËt chÊt cã gi¸ trÞ lín. Tuy nhiªn nh÷ng lao ®éng nμy ®ßi hái ph¶i cã tri thøc h¬n lμ lao ®éng c¬ b¾p. 14

NhiÒu c«ng ty c«ng nghÖ sinh häc míi ra ®êi do nh÷ng doanh nh©n lμ nh÷ng nhμ khoa häc tõ m«i tr−êng hμn l©m, hä muèn x©y dùng vμ ph¸t triÓn mét ngμnh khoa häc míi cã hμm l−îng chÊt x¸m cao, mét ngμnh c«ng nghÖ mang tÝnh “b¸c häc”. Nh÷ng c«ng ty c«ng nghÖ sinh häc míi cã nh÷ng ®Æc ®iÓm mμ th−êng kh«ng gÆp ë nh÷ng c«ng ty kh¸c. Cã thÓ tãm t¾t nh− sau: −

C«ng nghÖ cã thÓ ®iÒu chØnh vμ gåm nhiÒu ngμnh, viÖc ph¸t triÓn s¶n phÈm cã liªn quan ®Õn c¸c nhμ sinh häc ph©n tö, c¸c nhμ nghiªn cøu l©m sμng.

−

M«i tr−êng th−¬ng m¹i ®−îc ®Æc tr−ng bëi sù thay ®æi nhanh chãng vμ sù rñi ro ®¸ng kÓ, mét sù ®æi míi c«ng nghÖ sinh häc cã thÓ nhanh chãng lμm thay ®æi c¸i kh¸c.

−

CÇn ph¶i qu¶n lý: c¸c c¬ quan chøc n¨ng, nhËn thøc cña céng ®ång, c¸c vÊn ®Ò vÒ søc khoÎ vμ an toμn, ®¸nh gi¸ vÒ sù rñi ro.

−

Sù ph¸t triÓn vÒ th−¬ng m¹i c«ng nghÖ sinh häc phô thuéc rÊt nhiÒu vμo sù ®Çu t−, th−êng lμ nhu cÇu ®Çu t− rÊt lín, tr−íc khi thu ®−îc lîi nhuËn.

3. C«ng nghÖ sinh häc - h¹t nh©n trung t©m ba thμnh phÇn NhiÒu qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc cã thÓ ®−îc coi lμ cã h¹t nh©n trung t©m ba thμnh phÇn. Trong ®ã thμnh phÇn thø nhÊt liªn quan ®Õn chÊt xóc t¸c sinh häc lμm nhiÖm vô ®Æc biÖt cña qu¸ tr×nh. Thμnh phÇn thø hai gióp cho thμnh phÇn thø nhÊt thùc hiÖn ®−îc qu¸ tr×nh kü thuËt tèt nhÊt, cßn thμnh phÇn thø ba th−êng gäi lμ qu¸ tr×nh xu«i dßng (downstream processing) liªn quan ®Õn viÖc t¸ch vμ tinh chÕ s¶n phÈm chÝnh, hoÆc çc s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh lªn men. Trong ®a sè çc chÊt xóc t¸c ®· ®−îc sö dông ®Õn nay, hiÖu qu¶ bÒn v÷ng vμ thuËn tiÖn nhÊt cña qu¸ tr×nh sinh häc lμ vi sinh vËt nguyªn vÑn. V× vËy phÇn lín çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc ®Òu liªn quan ®Õn çc qu¸ tr×nh vi sinh. §iÒu nμy còng kh«ng lo¹i trõ viÖc sö dông çc sinh vËt bËc cao, ®Æc biÖt çc tÕ bμo ®éng vËt vμ thùc vËt ngμy cμng cã vai trß quan träng trong c«ng nghÖ sinh häc hiÖn ®¹i. Trong thiªn nhiªn, çc vi sinh vËt ®−îc coi nh− nh©n tè ®Çu tiªn trong viÖc cè ®Þnh n¨ng l−îng quang hîp, còng nh− nh÷ng hÖ thèng dÉn ®Õn nh÷ng thay ®æi vÒ ho¸ häc trong hÇu hÕt çc lo¹i ph©n tö h÷u c¬ tù nhiªn vμ tæng hîp. Vi sinh vËt chøa mét nguån gen v« cïng phong phó vμ kh¶ n¨ng tæng hîp còng nh− ph©n huû hÇu nh− v« tËn. MÆt kh¸c, vi sinh vËt cã tèc ®é sinh tr−ëng cùc kú nhanh mμ kh«ng ®éng vËt nμo cã ®−îc. Tõ nguån vi sinh vËt phong phó ®ã, ng−êi ta ph©n lËp ra nh÷ng vi sinh vËt thuÇn khiÕt råi ®ét biÕn c¶i t¹o n©ng cao hiÖu suÊt sinh tæng hîp cña chóng 15

b»ng çc kü thuËt di truyÒn th«ng th−êng, hay çc kü thuËt di truyÒn hiÖn ®¹i ®Ó thu ®−îc con gièng cã nh÷ng −u ®iÓm mμ ta mong muèn (Ch−¬ng 3). Nh÷ng vi sinh vËt ®· ®−îc chän läc cÇn ph¶i nghiªn cøu çc biÖn ph¸p nu«i gi÷ ®Ó sao cho kh«ng bÞ mÊt ho¹t tÝnh ®Ó cã thÓ dïng s¶n xuÊt l©u dμi. Mét sè tr−êng hîp chÊt xóc t¸c ®−îc dïng ë d¹ng ®· t¸ch vμ tinh chÕ nh− çc enzym. ViÖc t¸ch vμ tinh chÕ enzym cho môc ®Ých xóc t¸c sinh häc sÏ tr×nh bμy ë Ch−¬ng 5. 4. An toμn s¶n phÈm Trong c«ng nghÖ sinh häc, nh÷ng qui ®Þnh cña Nhμ n−íc sÏ quyÕt ®Þnh vÒ ®Çu t− cho nghiªn cøu vμ cho phÐp ®−a s¶n phÈm nghiªn cøu vμo sö dông. Çc c¬ quan chøc n¨ng cã thÓ ®ãng vai trß “ng−êi g¸c cæng” cho phÐp nghiªn cøu hay s¶n xuÊt mét s¶n phÈm míi vμ sö dông chóng. Çc qui ®Þnh cã thÓ lμ çc rμo c¶n ®¸ng kÓ cho sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ sinh häc. Trªn thùc tÕ nh÷ng rμo c¶n nμy cã nguån gèc tõ chi phÝ cho viÖc thö çc s¶n phÈm cã ®¸p øng çc tiªu chuÈn qui ®Þnh hay kh«ng? Sù chËm trÔ vμ hay thay ®æi trong viÖc th«ng qua çc qui ®Þnh vμ thËm chÝ ph¶n ®èi th¼ng thõng nh÷ng s¶n phÈm míi v× lý do an toμn. ViÖc sö dông c«ng nghÖ t¸i tæ hîp ADN ®· t¹o ra mèi lo ng¹i vÒ ®é an toμn cña s¶n phÈm. Th¸i ®é cña céng ®ång ®èi víi c«ng nghÖ sinh häc phÇn lín liªn quan ®Õn vÊn ®Ò vÒ sù nguy hiÓm t−ëng t−îng hay c¶m tÝnh trong kü thuËt thao t¸c gen. 5. NhËn thøc cña céng ®ång vÒ c«ng nghÖ sinh häc Trong khi c«ng nghÖ sinh häc thÓ hiÖn tiÒm n¨ng to lín trong viÖc b¶o vÖ søc khoÎ vμ ph¸t triÓn s¶n xuÊt, viÖc chÕ biÕn vμ ®¶m b¶o chÊt l−îng thùc phÈm b»ng kü thuËt gen, s¶n xuÊt ph©n bãn, thuèc trõ s©u sinh häc, vaccin, çc lo¹i ®éng vËt vμ çc gièng c©y kh¸c nhau, sù liªn quan cña nh÷ng qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc míi nμy v−ît ra ngoμi nh÷ng lîi Ých vÒ mÆt kü thuËt. ViÖc thùc hiÖn nh÷ng kü thuËt míi nμy sÏ phô thuéc rÊt nhiÒu vμo sù chÊp nhËn cña ng−êi tiªu dïng. Trong b¸o ço vÒ ph¸t triÓn ngμnh c«ng nghÖ sinh häc cña ñy ban t− vÊn vÒ khoa häc vμ c«ng nghÖ Mü ®· viÕt: "NhËn thøc cña céng ®ång vÒ c«ng nghÖ sinh häc sÏ cã mét ¶nh h−ëng to lín ®Õn tèc ®é vμ ph−¬ng h−íng ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ sinh häc, vμ hiÖn ®ang cã sù lo ng¹i ngμy cμng t¨ng vÒ nh÷ng s¶n phÈm biÕn ®æi gen. Liªn quan ®Õn viÖc thao t¸c gen lμ çc c©u hái kh¸c nhau vÒ ®é an toμn, ®¹o ®øc vμ viÖc b¶o vÖ". Cuéc tranh luËn cña céng ®ång lμ rÊt quan träng cho sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ sinh häc, vμ ch¾c ch¾n trong mét t−¬ng lai gÇn, c«ng nghÖ sinh häc sÏ ®−îc xem xÐt kü l−ìng ®Ó ngμnh c«ng nghÖ nμy ph¸t triÓn ®óng h−íng vμ ®em l¹i lîi Ých to lín phôc vô loμi ng−êi. Tuy nhiªn tr×nh ®é hiÓu biÕt khoa häc vÒ C«ng nghÖ sinh häc nãi chung cßn thÊp kh«ng cã nghÜa lμ mäi ng−êi sÏ kh«ng cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt vÒ vÊn ®Ò quan träng nμy cña c«ng nghÖ sinh häc. Trªn thùc tÕ ®ang x¶y ra vÊn ®Ò cã mét vμi nhμ ho¹t ®éng tranh c·i chèng 16

l¹i kü thuËt gen víi giäng ®iÖu c¶m ®éng vμ thiÕu c¬ së lμm cho çc chÝnh trÞ gia vμ céng ®ång nhÇm lÉn. Nh÷ng lîi Ých to lín cña c«ng nghÖ sinh häc ®em l¹i sÏ tù nã nãi lªn vμ sÏ ®−îc bμn ®Õn trong nh÷ng ch−¬ng sau. 6. C«ng nghÖ sinh häc vμ çc n−íc ®ang ph¸t triÓn Mét nÒn n«ng nghiÖp th¾ng lîi lμ c©u tr¶ lêi cho viÖc rót ng¾n kho¶ng çch gi÷a çc n−íc giμu vμ çc n−íc nghÌo. ë nh÷ng n−íc ph¸t triÓn khoa häc vÒ n«ng nghiÖp ph¸t triÓn rÊt m¹nh, s¶n xuÊt ra mét l−îng lín çc s¶n phÈm chÊt l−îng cao. C«ng nghÖ sinh häc n«ng nghiÖp sÏ cμng c¶i tiÕn chÊt l−îng, chñng lo¹i vμ s¶n l−îng n«ng nghiÖp. LiÖu nh÷ng loμi c©y míi ®−îc c¶i biÕn b»ng kü thuËt gen cã t×m ®−îc ®−êng ®Õn víi nh÷ng n−íc ®ang ph¸t triÓn ®¶m b¶o n¨ng suÊt cao h¬n, søc ®Ò kh¸ng bÖnh tèt h¬n vμ dÔ ®−îc thÞ tr−êng chÊp nhËn h¬n? Ch−a cã g× râ rμng, çi g× sÏ x¶y ra khi çc n−íc giμu ngμy cμng ®−îc cung cÊp thõa th·i thùc phÈm. LiÖu cã ®ñ l−¬ng thùc cho mäi ng−êi nh−ng vÉn tiÕp tôc ph©n bè kh«ng ®Òu kh«ng? Sù ph¸t triÓn c«ng nghÖ sinh häc rÊt cÇn ®Çu t− c¶ tiÒn cña vμ lùc l−îng lao ®éng lμnh nghÒ cao. C¶ hai yÕu tè chÝnh ®ã çc n−íc ®ang ph¸t triÓn ®Òu thiÕu. Tr−íc ®©y mét sè quèc gia ®ang ph¸t triÓn ®· hîp t¸c cã hiÖu qu¶ víi çc c«ng ty c«ng nghÖ sinh häc ph−¬ng T©y. Song ngμy cμng thÊy sù ®Çu t− nμy bÞ gi¶m dÇn. VÝ dô tõ n¨m 1986 - 1991, tû lÖ çc tho¶ thuËn ®−îc çc c«ng ty sinh häc Mü thùc hiÖn víi çc n−íc ®ang ph¸t triÓn gi¶m tõ 30% cßn 3%! Çc n−íc ®ang ph¸t triÓn cÇn nh×n râ tiÒm n¨ng cña c«ng nghÖ sinh häc mμ cã ph−¬ng h−íng ph¸t triÓn sao cho phï hîp víi tr×nh ®é vμ tiÒm n¨ng cña ®Êt n−íc m×nh, ph¶i biÕt ®i t¾t ®ãn ®Çu, nhanh chãng héi nhËp vμ cè g¾ng cã nh÷ng ph¸t minh riªng cña m×nh. Cuèi cïng còng cÇn nãi r»ng hÇu hÕt çc ngμnh khoa häc ®Òu tr¶i qua thêi kú vμng son cña m×nh khi mμ nh÷ng çch tiÕp cËn míi më ra con ®−êng cho sù ph¸t triÓn c¬ b¶n vμ nhanh chãng. C«ng nghÖ sinh häc chØ míi b¾t ®Çu, h·y nhí lÊy lêi nh¾n nhñ “hoÆc b¾t ®Çu ngay hoÆc kh«ng bao giê”. T−¬ng lai s¸ng l¹n ®ang chê ta ë phÝa tr−íc.

Tù l−îng gi¸

Ch−¬ng 2

Nguyªn liÖu cho c«ng nghÖ sinh häc

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Tªn çc nguån nguyªn liÖu chñ yÕu cña CNSH. 2. ¦u thÕ cña CNSH so víi çc ngμnh kh¸c trong viÖc tËn dông çc s¶n phÈm phô.

1. ChiÕn l−îc sinh khèi ¦íc tÝnh s¶n l−îng hμng n¨m sinh khèi thùc vËt t¹o ra do kho¶ng 120 tØ tÊn chÊt kh« trªn mÆt ®Êt vμ kho¶ng 5 tØ tÊn tõ Trong sè sinh khèi s¶n ra trªn mÆt ®Êt cã kho¶ng 50% ë lignocellulose. TØ lÖ lín nhÊt cña sinh khèi trªn mÆt ®Êt (44%) (b¶ng 2.1).

quang hîp ®¹i d−¬ng. d−íi d¹ng lμ tõ rõng

B¶ng 2.1. Ph©n chia s¶n l−îng sinh khèi s¶n xuÊt trªn tr¸i ®Êt Sinh khèi s¶n xuÊt trªn tr¸i ®Êt

N¨ng suÊt thùc (% trªn tæng sè )

Rõng vµ vïng cã c©y cèi

44,3%

§ång cá

9,7%

§Êt canh t¸c

5,9%

Hoang m¹c vµ b¸n hoang m¹c

1,5%

N−íc ngät

3,2%

§¹i d−¬ng

35,4%

§iÒu ng¹c nhiªn lμ thu ho¹ch n«ng nghiÖp chØ chiÕm 6% cña hÇu hÕt s¶n l−îng quang hîp, phÇn lín l−¬ng thùc cho ng−êi vμ ®éng vËt, s¶n phÈm cho dÖt vμ giÊy ®Òu tõ nguån nμy (b¶ng 2.2). NhiÒu s¶n phÈm n«ng nghiÖp truyÒn thèng cã kh¶ n¨ng sÏ ®−îc khai th¸c h¬n n÷a cïng víi nhËn thøc c«ng nghÖ sinh häc ngμy cμng t¨ng. §Æc biÖt nh÷ng c¸ch tiÕp cËn míi ch¾c ch¾n sÏ cã ®ñ kh¶ n¨ng ®Ó xö lý mét khèi l−îng chÊt th¶i tõ qu¸ tr×nh chÕ biÕn thùc phÈm theo c¸ch cæ truyÒn mμ gÇn ®©y ®· kh«ng cßn th«ng dông. Thùc tÕ ph¸t triÓn 18

cña c«ng nghÖ sinh häc ë nh÷ng vïng ®ang ph¸t triÓn n¬i cã sù t¨ng tr−ëng thùc vËt tréi h¬n, cã kh¶ n¨ng dÉn ®Õn thay ®æi trong c¸n c©n kinh tÕ. CÇn nhËn thÊy r»ng nguån nguyªn liÖu n¨ng l−îng kh«ng t¸i chÕ ®−îc mμ x· héi hiÖn ®¹i qu¸ phô thuéc nh− dÇu má, than ®¸ ®Òu cã nguån gèc tõ sinh khèi cæ ®¹i. Nh÷ng quèc gia cã c«ng nghiÖp hiÖn ®¹i ngμy cμng phô thuéc vμo dù tr÷ nguån n¨ng l−îng nμy còng nh− nguån nguyªn liÖu cho hμng lo¹t c¸c ngμnh s¶n xuÊt. B¶ng 2.2. S¶n l−îng hµng n¨m cña mét sè s¶n phÈm n«ng, l©m nghiÖp trªn thÕ giíi (Nguån: tõ tæ chøc v× sù ph¸t triÓn vµ hîp t¸c kinh tÕ, 1992) Ngµnh

S¶n phÈm Ngò cèc MÝa §−êng

L−¬ng thùc vµ thøc ¨n gia sóc

Cñ c¶i

C¸ Tinh bét th«

1,8 triÖu

85 triÖu 17

20 triÖu

TiÒm n¨ng gç

13 tû

Gç thu ho¹ch

1,6 tû

Gç nhiªn liÖu

100

200 triÖu

110

DÇu vµ glycerin

DÇu ®Ëu t−¬ng

DÇu cä

DÇu h−íng d−¬ng

DÇu h¹t c¶i

Tinh bét

Cao su tù nhiªn

C¸c lo¹i hoa

Thuèc l¸

Gç c−a GiÊy

Ho¸ chÊt

TrÞ gi¸ (tû $) 250 -

1,0 tû

Tinh bét ®· tinh chÕ

VËt liÖu

S¶n l−îng (tÊn) 1,8 tû 120 triÖu

Kh¸c

GÇn mét thÕ kû qua, thÕ giíi c«ng nghiÖp ho¸ ®· ph¶i nhê ®Õn nguyªn liÖu ho¸ th¹ch mμ ph¶i mÊt hμng tr¨m triÖu n¨m ®Ó h×nh thμnh d−íi lßng ®¹i d−¬ng hay s©u trong lßng ®Êt. H¬n n÷a viÖc sö dông l¹i rÊt kh«ng c«ng b»ng: HiÖn t¹i n−íc Mü víi 6% d©n sè vμ T©y ¢u víi 8% d©n sè thÕ giíi sö dông 31% vμ 20% t−¬ng øng toμn bé s¶n l−îng dÇu vμ khÝ trªn thÕ giíi. Trong khi dù tr÷ than cã thÓ kÐo dμi hμng tr¨m n¨m th× nguån dÇu vμ khÝ víi møc tiªu thô nh− hiÖn nay sÏ c¹n kiÖt vμo mét lóc nμo ®ã cña thÕ kû XXI nμy. C©u tr¶ lêi vÒ vÊn ®Ò nμy lμ ph¶i dïng sinh khèi tõ quang hîp ®Ó cung cÊp n¨ng l−îng vμ nguyªn liÖu cho c«ng nghiÖp. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y cho thÊy hμng n¨m n¨ng l−îng ®−îc sinh ra tõ quang hîp gÊp h¬n 10 lÇn so víi l−îng con ng−êi sö dông. ViÖc khai th¸c sinh khèi qui m« lín dïng cho nhiªn liÖu vμ nguyªn liÖu bÞ h¹n chÕ bëi gi¸ thμnh cßn ®¾t h¬n gi¸ nguyªn liÖu ho¸ th¹ch. Sö dông sinh khèi trùc tiÕp nh− lμ nguån nguyªn liÖu chØ ë nh÷ng vïng c«ng nghiÖp ho¸ nh− Mü la tinh, Ên §é, ch©u Phi. ë nh÷ng n−íc ph¸t triÓn, sinh khèi tõ n«ng nghiÖp vμ l©m nghiÖp ®−îc dïng chñ yÕu trong c«ng nghiÖp vμ thùc phÈm (b¶ng 2.2). HiÖn nay sinh khèi ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt nh÷ng s¶n phÈm c«ng nghiÖp vμ th−¬ng m¹i quan träng (b¶ng 2.3) vμ nh÷ng chÊt dïng trong c«ng nghÖ sinh häc sÏ ®−îc nªu bËt vμ nãi râ trong nh÷ng ch−¬ng sau. B¶ng 2.3. Nh÷ng s¶n phÈm quan träng tõ sinh khèi - Methan (biogas) ®Æc biÖt ë c¸c n−íc ph¸t triÓn - S¶n phÈm cña sù nhiÖt ph©n (khÝ, than) Nhiªn liÖu

- Ethanol (th«ng qua lªn men rØ ®−êng vµ cellulose) - DÇu (tõ hydro ho¸) - §èt trùc tiÕp chÊt th¶i sinh khèi - Ethanol (nguån nguyªn liÖu cã tiÒm n¨ng cho c«ng nghiÖp) - KhÝ tæng hîp (tõ qu¸ tr×nh khÝ ho¸)

Nguyªn liÖu

- Ph©n bãn. - Ph©n trén (compot) - Bïn

Thøc ¨n gia sóc

- Bæ sung trùc tiÕp vµo thøc ¨n gia sóc - §¹m ®¬n bµo

2. Nguyªn liÖu th« thiªn nhiªn Nguyªn liÖu th« thiªn nhiªn phÇn lín cã nguån gèc tõ n«ng nghiÖp, c«ng nghiÖp thùc phÈm vμ l©m nghiÖp. §ã lμ nh÷ng hîp chÊt ho¸ häc kh¸c nhau, trong ®ã chñ yÕu lμ ®−êng, tinh bét, hemicellulose vμ gç. Mét lo¹t c¸c s¶n phÈm phô lÊy tõ nguyªn liÖu th« vμ ®−îc dïng trong c«ng nghÖ sinh häc ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 2.4. 20

B¶ng 2.4. C¸c lo¹i s¶n phÈm phô cã thÓ lµm c¬ chÊt trong CNSH Ngµnh

C¸c s¶n phÈm phô cã thÓ dïng lµm c¬ chÊt R¬m B· mÝa, cñ c¶i ®−êng Lâi ng« Vá cµ phª, c«ca, dõa

N«ng nghiÖp

Vá, l¸ tr¸i c©y ChÊt th¶i cña chÌ B¸nh Ðp tõ c¸c h¹t ®Ó lÊy dÇu ChÊt th¶i tõ b«ng C¸m ThÞt qu¶ cµ chua, cµ phª, chuèi, døa, chanh, « liu ChÊt th¶i cña gia sóc ChÊt th¶i dung dÞch thuû ph©n gç

L©m nghiÖp

Dung dÞch n−íc qu¶ ®· sulfat ho¸ Vá c©y, mïn c−a, c¸c cµnh c©y GiÊy vµ cellulose Sîi phÝp MËt ®−êng ChÊt th¶i cña nhµ m¸y ch−ng cÊt r−îu ChÊt láng gièng nh− n−íc sau khi s÷a chua ®«ng l¹i N−íc th¶i c«ng nghiÖp tõ CN thùc phÈm (« liu, dÇu cä, cµ chua, chµ lµ, chanh, s¾n)

C«ng nghiÖp

N−íc th¶i (tõ ngµnh s÷a, ®ãng hép, b¸nh kÑo, n−íng b¸nh mú, ®å uèng kh«ng cån, m¹ch nha, n−íc ng©m ng«) ChÊt th¶i ngµnh thuû s¶n S¶n phÈm phô cña ngµnh chÕ biÕn thÞt R¸c ®« thÞ N−íc cèng ChÊt th¶i ë lß s¸t sinh.

Nh÷ng nguyªn liÖu th« cã chøa ®−êng nh− cñ c¶i ®−êng, mÝa rÊt s½n vμ thÝch hîp ®Ó dïng lμm nguyªn liÖu cho c«ng nghÖ sinh häc. Do viÖc sö dông ®−êng truyÒn thèng cã thÓ ®−îc thay thÕ b»ng c¸c ®−êng cã hiÖu qu¶ t−¬ng ®−¬ng sÏ dÉn ®Õn thõa ®−êng hμng ho¸ vμ khuyÕn khÝch ph¸t triÓn nh÷ng c¸ch sö dông míi. NhiÒu ngμnh kinh tÕ nhiÖt ®íi sÏ ph¸ s¶n nÕu nh− thÞ tr−êng ®−êng bÞ mÊt ®i. §−êng mÝa ®−îc sö dông ë Brazil lμm nguyªn liÖu cho ch−¬ng tr×nh khÝ gas, mét sè quèc gia kh¸c còng ®ang nghiªn cøu ®Ó ¸p dông tiÒm n¨ng to lín nμy. Nh÷ng s¶n phÈm n«ng nghiÖp chøa tinh bét cã nh−îc ®iÓm lμ ph¶i thuû ph©n thμnh monosaccharid hay oligosaccharid tr−íc khi lªn men. Tuy nhiªn nhiÒu qu¸ tr×nh sinh häc ®· ®−îc thùc hiÖn, bao gåm c¶ s¶n xuÊt nguyªn liÖu. 21

Nguån nguyªn liÖu v« tËn tõ thiªn nhiªn lμ cellulose sÏ trë thμnh nguyªn liÖu chÝnh cho c«ng nghÖ sinh häc. Bëi v× kh«ng cã c©y xanh th× sù sèng trªn tr¸i ®Êt còng kh«ng cßn. Tuy nhiªn hμng lo¹t khã kh¨n vÒ mÆt c«ng nghÖ cÇn ph¶i kh¾c phôc tr−íc khi cã ®−îc lîi Ých kinh tÕ tõ hîp chÊt phong phó nμy. Cellulose nguyªn chÊt cã thÓ ph©n huû b»ng ho¸ häc hoÆc enzym thμnh ®−êng, sau ®ã lªn men ®Ó t¹o thμnh çc s¶n phÈm kh¸c nhau nh− ethanol, aceton, protein ®¬n bμo metan vμ çc s¶n phÈm kh¸c. Ng−êi ta tÝnh to¸n r»ng hμng n¨m cã kho¶ng 3.3 x 1014 kg CO2 ®−îc cè ®Þnh trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt vμ kho¶ng 6% sè nμy, tøc 22 ngμn triÖu tÊn mét n¨m sÏ thμnh cellulose. Trªn thÕ giíi c©y cèi hμng n¨m s¶n xuÊt 24 tÊn cellulose trªn mét ®Çu ng−êi. Thêi gian sÏ cho chóng ta thÊy r»ng lignocellulose lμ nguån carbon h÷u Ých cho sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ sinh häc. 3. TÝnh s½n cã cña s¶n phÈm phô NhiÒu qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc sö dông s¶n phÈm n«ng nghiÖp nh− ®−êng, tinh bét, dÇu thùc vËt... lμm nguyªn liÖu th× rÊt nhiÒu chÊt th¶i tõ n«ng nghiÖp hiÖn nay ch−a ®−îc dïng, ch¾c ch¾n sÏ ®−îc nghiªn cøu ®Ó sö dông trong t−¬ng lai kh«ng xa. ChÊt th¶i n«ng nghiÖp vμ l©m nghiÖp rÊt ®a d¹ng vÒ chñng lo¹i nh−: r¬m ngò cèc, vá vμ lâi ng«, chÊt th¶i tõ ®Ëu t−¬ng, vá dõa, vá h¹t cμ phª, rØ ®−êng mÝa. ChÊt th¶i l©m nghiÖp gåm: vá gç, mïn c−a vá c©y, ... (b¶ng 2.4) míi chØ lμ mét phÇn nhá cña nh÷ng chÊt th¶i trªn ®−îc dïng ë qui m« c«ng nghiÖp, phÇn cßn l¹i hiÖn ch−a ®−îc sö dông. Môc ®Ých chñ yÕu cña c«ng nghÖ sinh häc lμ c¶i tiÕn çch qu¶n lý vμ sö dông mét sè l−îng lín çc chÊt th¶i h÷u c¬ cña n«ng nghiÖp, c«ng nghiÖp vμ ®« thÞ trªn toμn cÇu. Xö lý çc chÊt th¶i ®ã sÏ lμm gi¶m thiÓu çc nguån « nhiÔm, ®Æc biÖt lμ « nhiÔm n−íc vμ biÕn mét sè chÊt th¶i thμnh nh÷ng s¶n phÈm cã Ých. Xö lý n−íc th¶i « nhiÔm cã thÓ b»ng c«ng nghÖ sinh häc, hoÆc b»ng ph−¬ng ph¸p siªu läc. Ng−êi ta sö dông mét mμng xèp cho n−íc ®i qua nh−ng kh«ng cho çc chÊt r¾n hoÆc çc chÊt cã ph©n tö lín ®i qua. Tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p nμy gi¸ thμnh ®¾t, hiÖn ®−îc dïng ë mét sè lÜnh vùc nh− s¶n xuÊt n−íc ngät phôc vô cho nh÷ng ng−êi ®ang sèng trªn biÓn thiÕu n−íc ngät, hoÆc nh÷ng chÊt r¾n kh«ng ®éc ra khái n−íc. Trªn thùc tÕ nhiÒu s¶n phÈm phô cña c«ng nghÖ thùc phÈm th−êng bÞ vøt vμo n−íc th¶i vμ g©y « nhiÔm m«i tr−êng nghiªm träng. CÇn ph¶i xö lý çc chÊt th¶i ®ã tr−íc khi th¶i vμo m«i tr−êng lμ ®iÒu b¾t buéc. NÕu çc chÊt th¶i ®ã ®−îc tËn dông nh− lμ mét nguyªn liÖu ban ®Çu cho mét c«ng nghÖ nμo ®ã th× cμng cã Ých, vμ gi¸ thμnh s¶n phÈm cμng thÊp. Xu h−íng thÕ giíi hiÖn nay lμ ph¶i hîp t¸c trong lÜnh vùc b¶o vÖ m«i tr−êng, çc qui ®Þnh vÒ chÊt th¶i, n−íc th¶i sÏ chÆt chÏ h¬n, nghiªm ngÆt h¬n, sÏ t¨ng tiÒn ph¹t nÆng h¬n cho nh÷ng ai vi ph¹m, tõ ®ã cã kh¸i niÖm gäi chÊt th¶i nh− mét nguyªn liÖu cã “chi phÝ ©m”. Mçi chÊt th¶i ®−îc ®¸nh gi¸ møc ®é phï hîp ®èi víi çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc. ChØ khi mét chÊt th¶i cã s½n víi khèi l−îng lín vμ 22

tån t¹i víi mét kho¶ng thêi gian kÐo dμi th× mét ph−¬ng ph¸p sö dông phï hîp míi ®−îc xem xÐt (b¶ng 2.5). B¶ng 2.5. ChiÕn l−îc CNSH sö dông chÊt th¶i h÷u c¬ phï hîp N©ng cÊp chÊt l−îng chÊt th¶i thùc phÈm ®Ó biÕn chóng thµnh s¶n phÈm thÝch hîp phôc vô viÖc sö dông cña con ng−êi. §−a chÊt th¶i thùc phÈm trùc tiÕp hoÆc qua xö lý vµo lµm thøc ¨n cho lîn, gia cÇm, c¸ hoÆc c¸c vËt nu«i kh¸c. S¶n xuÊt biogas (methan) vµ nh÷ng s¶n phÈm lªn men kh¸c nÕu chi phÝ cho viÖc xö lý chÊt th¶i lµm thøc ¨n gia sóc qu¸ tèn kÐm. Nh÷ng môc ®Ých chän läc kh¸c nh− dïng trùc tiÕp lµm nhiªn liÖu, vËt liÖu x©y dùng ...

Hai chÊt th¶i cã nhiÒu ®−îc øng dông ®Ó lªn men lμ rØ ®−êng vμ n−íc th¶i cña c«ng nghÖ s¶n xuÊt s÷a chua. RØ ®−êng lμ s¶n phÈm phô cña c«ng nghÖ ®−êng cã chøa kho¶ng 50% ®−êng khö. RØ ®−êng ®−îc sö dông réng r·i lμm nguyªn liÖu lªn men s¶n xuÊt kh¸ng sinh, acid amin, acid h÷u c¬, nÊm men th−¬ng m¹i ®Ó s¶n xuÊt b¸nh m× vμ dïng trùc tiÕp ®Ó nu«i gia sóc. N−íc th¶i cña c«ng nghÖ s÷a chua, phom¸t còng ®−îc sö dông cho c«ng nghÖ lªn men. Nh÷ng chÊt th¶i nh− r¬m r¹, b· mÝa rÊt s½n vμ ngμy cμng ®−îc sö dông nhiÒu h¬n do qu¸ tr×nh ph©n huû lignocellulose ngμy cμng ®−îc c¶i tiÕn (b¶ng 2.6). B¶ng 2.6. C¸c xö lý cÇn thiÕt ®Ó c¬ chÊt cã thÓ sö dông lªn men Nguyªn liÖu

C¬ chÊt

C¸c nguyªn chøa ®−êng

liÖu

C¸c nguyªn chøa tinh bét

liÖu

C¸c nguyªn liÖu chøa lignocellulose

Xö lý

MÝa, cñ c¶i ®−êng, rØ ®−êng, n−íc Ðp hoa qu¶, n−íc s÷a

CÇn pha lo·ng hoÆc khö trïng

Ngò cèc, rau qu¶, chÊt th¶i láng tõ qu¸ tr×nh chÕ biÕn

CÇn xö lý thuû ph©n b»ng acid hoÆc enzym, cã thÓ t¸ch nh÷ng thµnh phÇn kh«ng ph¶i tinh bét ra tr−íc

Lâi ng«, trÊu, r¬m r¹, b· mÝa, chÊt th¶i gç, dung dÞch sulfat, chÊt th¶i giÊy

CÇn lµm vôn nguyªn liÖu sau ®ã thuû ph©n b»ng ho¸ häc hoÆc enzym, ®ßi hái nhiÒu n¨ng l−îng vµ ®¾t tiÒn

C¸c chÊt th¶i tõ gç gåm gç chÊt l−îng thÊp, vá c©y, mïn c−a còng t×m ®−îc c¸ch xö lý thÝch hîp b»ng ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ sinh häc. Tû lÖ lín nhÊt trong toμn bé chÊt th¶i lμ tõ ngμnh ch¨n nu«i (ph©n, n−íc tiÓu), tiÕp ®Õn lμ chÊt th¶i trong n«ng nghiÖp, c«ng nghiÖp thùc phÈm, vμ cuèi cïng lμ chÊt th¶i gia ®×nh. ViÖc sö dông nhiÒu lo¹i chÊt th¶i, ®Æc biÖt lμ chÊt th¶i tõ gia sóc trong n«ng nghiÖp truyÒn thèng th−êng sö dông lμm ph©n bãn. Tuy nhiªn khi ch¨n nu«i gia sóc ph¸t triÓn th× viÖc g©y « nhiÔm m«i tr−êng còng ngμy cμng t¨ng. 23

4. Nguyªn liÖu ho¸ häc vμ ho¸ dÇu Bªn c¹nh viÖc ph¸t triÓn s¶n xuÊt protein ®¬n bμo (single cell protein, viÕt t¾t lμ SCP) vμ çc s¶n phÈm h÷u c¬ kh¸c, mét sè nguyªn liÖu ho¸ dÇu, ho¸ häc ®· trë thμnh nguyªn liÖu quan träng cho c«ng nghÖ lªn men. Nh÷ng nguyªn liÖu nμy cã nhiÒu −u ®iÓm nh− s½n cã víi khèi l−îng lín vμ cã cïng chÊt l−îng ë çc ®Þa ®iÓm kh¸c nhau trªn thÕ giíi. Do vËy khÝ tù nhiªn hay methan vμ dÇu khÝ ®−îc coi nh− nguyªn liÖu th« bëi chóng dÔ chÕ biÕn. Mèi quan t©m chÝnh vÒ mÆt th−¬ng m¹i lμ çc n-parafin, methanol, ethanol. Çc chÊt nμy ®−îc sö dông vμo môc ®Ých kh¸c nhau cña c«ng nghÖ sinh häc, ®Æc biÖt ®Ó s¶n xuÊt SCP sÏ ®−îc nãi kü ë phÇn sau. Trong t−¬ng lai çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc ngμy cμng tËn dông ®−îc nh÷ng nguyªn liÖu cã thÓ t¸i chÕ trong thiªn nhiªn, bëi v× çc chÊt th¶i kÐm gi¸ trÞ hiÖn nay g©y « nhiÔm m«i tr−êng. B¶ng 2.7 tãm t¾t vÒ mÆt kü thuËt cÇn l−u ý khi tiÕp cËn víi çc chÊt th¶i muèn sö dông lμm nguyªn liÖu. B¶ng 2.7. Nh÷ng c©n nh¾c vÒ kü thuËt cho viÖc sö dông chÊt th¶i Néi dung Sù s½n cã vÒ mÆt sinh häc

Nång ®é

ChÊt l−îng

VÞ trÝ

Mïa C¸ch sö dông t−¬ng ®−¬ng

TiÒm n¨ng c«ng nghÖ cña ®Þa ph−¬ng

§Æc ®iÓm •

ThÊp (cellulose)

•

Trung b×nh (tinh bét, lactose)

•

Cao (rØ ®−êng, ®−êng hoa qu¶)

•

ChÊt r¾n (phÇn cßn l¹i sau khi xay r¸c)

•

C« ®Æc (mËt mÝa)

•

Lo·ng (lactose, ®−êng trong hoa qu¶)

•

RÊt lo·ng (dung dÞch xö lý trong qu¸ tr×nh)

•

S¹ch (mËt mÝa, lactose)

•

Trung b×nh (r¬m)

•

BÈn (r¸c, chÊt th¶i gia sóc)

•

TËp trung (n¬i ®Æt c¸c thiÕt bÞ lín)

•

TËp trung chuyªn m«n ho¸ (dÇu cä, « liu, chµ lµ, cao su, hoa qu¶)

•

Ph©n t¸n (r¬m, rõng)

•

KÐo dµi (dÇu cä, lactose)

•

RÊt ng¾n (chÊt th¶i cña ngµnh ®ãng hép rau qu¶)

•

Mét sè c¸ch (r¬m)

•

Kh«ng cã (r¸c)

•

C¸ch tiªu cùc (n−íc th¶i)

•

Cao (Mü)

•

Trung b×nh (Brazil)

•

ThÊp (Malaysia)

5. Nguyªn liÖu th« vμ t−¬ng lai cña c«ng nghÖ sinh häc Chóng ta biÕt r»ng sù ph¸t triÓn trong t−¬ng lai cña çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc qui m« lín kh«ng thÓ t¸ch rêi viÖc cung cÊp çc nguyªn liÖu th« vμ gi¸ trÞ cña chóng. Tiªu chuÈn quan träng nhÊt quyÕt ®Þnh viÖc chän nguyªn liÖu th« cho mét qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc bao gåm sù s½n cã, gi¸ c¶, thμnh phÇn vμ h×nh thøc, t×nh tr¹ng oxy ho¸ nguån carbon. Nguyªn liÖu ®−îc sö dông réng r·i nhÊt lμ ng«, ®−êng th«, rØ ®−êng, methanol. Tãm l¹i, ngò cèc sÏ lμ nh÷ng nguyªn liÖu th« chÝnh ng¾n h¹n vμ trung h¹n cho çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ sinh häc vμ cã gi¸ trÞ th−¬ng m¹i, nhÊt lμ tinh bét. Tuy nhiªn viÖc nμy kh«ng ¶nh h−ëng g× ®Õn sù cung cÊp l−¬ng thùc cho ng−êi vμ vËt nu«i. Sù khñng ho¶ng thõa ngò cèc x¶y ra ë nh÷ng n¬i mμ c«ng nghÖ sinh häc ®−îc øng dông réng r·i. §©y lμ mét vÝ dô chøng minh vÒ hiÖu qu¶ cho sù ®Çu t− ph¸t triÓn ngμnh khoa häc ®Çy triÓn väng nμy. MÆc dï ng−êi ta chó ý nhiÒu ®Õn viÖc sö dông nh÷ng chÊt th¶i trong c«ng nghÖ sinh häc, nh−ng vÉn cßn nhiÒu khã kh¨n to lín cÇn v−ît qua. VÝ dô: chÊt th¶i n«ng nghiÖp chØ cã theo mïa vμ theo vïng ®Þa lý, ®«i khi çc chÊt th¶i nμy cßn chøa c¶ ®éc tè. Sù tån t¹i çc chÊt th¶i nμy sÏ g©y « nhiÔm m«i tr−êng, v× vËy vÉn ph¶i t×m mäi biÖn ph¸p ®Ó xö lý. VÒ l©u dμi c«ng nghÖ sinh häc ph¶i t×m çch sö dông cellulose vμ lignocellulose lμm nhiªn liÖu hay nguyªn liÖu, tuy cã khã kh¨n vÒ mÆt kü thuËt. Gç lμ nguån cung cÊp nhiªn liÖu, vËt liÖu cho x©y dùng, nguyªn liÖu cho c«ng nghiÖp giÊy. ViÖc cung cÊp cho nhu cÇu trªn hiÖn ®ang gi¶m ®i nhanh chãng. Nguyªn nh©n lμ viÖc ph¸ rõng trμn lan ë nhiÒu quèc gia. Ph¸ rõng dÉn ®Õn sa m¹c ho¸ vμ xãi mßn ®Êt. C«ng nghÖ sinh häc ®· t¹o ra nh÷ng c©y trång míi ®Ó phñ xanh ®åi träc nh− c©y keo l¸ trμm. Nh÷ng c©y ph¸t triÓn nhanh nh− keo l¸ trμm cßn hÊp thô nhiÒu khÝ CO2 nªn cßn cã t¸c dông kh¾c phôc hiÖu øng nhμ kÝnh. C«ng nghÖ sinh häc sÏ t¹o ra nh÷ng c©y trång biÕn ®æi gen cã kh¶ n¨ng kh¸ng s©u bÖnh, n¨ng suÊt cao chÊt l−îng v−ît tréi so víi gièng cò, v× vËy trong t−¬ng lai mét nÒn n«ng nghiÖp s¹ch, hiÖu qu¶ vμ tiªn tiÕn sÏ lμm cho nhiÒu ng−êi muèn trë thμnh “n«ng d©n” h¬n.

Tù l−îng gi¸ 1. KÓ tªn vμ ®Æc ®iÓm c¸c nguån nguyªn liÖu chñ yÕu cña CNSH. 2. C¸c s¶n phÈm phô dïng cho CNSH cã nh÷ng −u nh−îc ®iÓm g×?

Ch−¬ng 3

Kü thuËt lªn men

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Tr×nh bμy ®−îc tªn çc ph−¬ng ph¸p lªn men, çc qu¸ tr×nh c¬ b¶n cña c«ng nghÖ lªn men. 2. KÓ tªn ®−îc çc thiÕt bÞ c¬ b¶n cña c«ng nghÖ lªn men. 3. Nªu ®−îc tÇm quan träng cña kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo ®éng vËt vμ thùc vËt.

1. Giíi thiÖu tæng qu¸t Tõ xa x−a loμi ng−êi ®· biÕt nÊu r−îu ®Ó uèng, biÕt lμm t−¬ng, muèi d−a, biÕt ñ chua çc thùc phÈm ®Ó gi÷ ®−îc l©u dμi... Çc qu¸ tr×nh ®ã ®−îc gäi lμ lªn men (b¶ng 3.1). B¶ng 3.1. Çc s¶n phÈm lªn men ph©n theo lÜnh vùc c«ng nghiÖp LÜnh vùc c«ng nghiÖp H÷u c¬ (Sè l−îng lín) Ho¸ häc H÷u c¬ (Sè l−îng Ýt )

D−îc phÈm N¨ng l−îng

Thùc phÈm

Ho¹t chÊt Ethanol, aceton, butanol Acid h÷u c¬ (citric, itaconic), enzym Çc chÊt dïng cho mü phÈm Çc polymer (çc polysaccharid) Çc chÊt kh¸ng sinh, vitamin Çc kit chÈn ®o¸n (enzym, kh¸ng thÓ ®¬n dßng) Çc enzym øc chÕ, çc steroid, çc vaccin Ethanol (gasohol), methan (biogas) Çc s¶n phÈm tõ s÷a (phom¸t, s÷a chua, ...) §å uèng (çc lo¹i r−îu, trµ, cµ phª), men lµm në b¸nh m×, çc chÊt phô gia cho thùc phÈm (chÊt chèng oxy ho¸, chÊt mµu, chÊt b¶o qu¶n) Çc thùc phÈm ®Æc biÖt (®Ëu t−¬ng lªn men, çc lo¹i n−íc xèt ®Ó trén), çc acid amin, vitamin. Çc s¶n phÈm tõ tinh bét Glucose vµ siro fructose nång ®é cao Çc pectin, çc protein biÕn ®æi chøc n¨ng

Protein ®¬n bµo, c¸c vaccin cho ®éng vËt N«ng nghiÖp

ñ thøc ¨n cho gia sóc, ñ ph©n bãn Vi sinh vËt trõ s©u h¹i, c«n trïng Rhizobium vµ c¸c vi khuÈn cè ®Þnh nit¬ Lªn men m« vµ tÕ bµo ®Ó nh©n gièng c©y trång…

ChØ khi c«ng nghÖ lªn men ch×m s¶n xuÊt penicillin ra ®êi (1947) th× c«ng nghÖ lªn men míi thùc sù ph¸t triÓn vμ trë thμnh mét ngμnh khoa häc thùc sù – ngμnh c«ng nghÖ lªn men. Çc qu¸ tr×nh lªn men truyÒn thèng chñ yÕu s¶n xuÊt çc thùc phÈm vμ ®å uèng, hiÖn t¹i vÉn cßn nguyªn gi¸ trÞ th−¬ng m¹i. Song hiÖn nay çc qu¸ tr×nh ®ã ®· ®−îc s¶n xuÊt trªn qui m« c«ng nghiÖp víi çc thiÕt bÞ hiÖn ®¹i vμ tù ®éng ho¸, nªn gi¸ thμnh s¶n phÈm h¹ ®i rÊt nhiÒu. Cã thÓ gäi çc qu¸ tr×nh lªn men ®ã b»ng çc tªn sau: −

C¸c chÊt chuyÓn ho¸ bËc mét nh−: acid acetic, acid lactic, glycerol, alcol butylic, amino acid, vitamin vμ polysaccharid;

−

C¸c chÊt chuyÓn ho¸ bËc hai, lμ nh÷ng chÊt Ýt ®ãng vai trß trong chuyÓn ho¸ vμ t¹o ra s¶n phÈm. Nã phô thuéc nhiÒu vμo thμnh phÇn m«i tr−êng lªn men chóng. VÝ dô nh− sù h×nh thμnh c¸c chÊt kh¸ng sinh (penicillin, streptomycin), kÝch tè sinh tr−ëng c©y (giberellin),…

−

C¸c enzym sö dông trong c«ng nghiÖp gåm enzym ngo¹i bμo (amylase, pectinase, protease), c¸c enzym néi bμo (invertase, asparaginase, endonuclease ...).

Çc qu¸ tr×nh lªn men ®Ó s¶n xuÊt ra çc s¶n phÈm nªu trªn hiÖn nay vÉn lμ nh÷ng ®ßi hái thiÕt yÕu cña x· héi hiÖn ®¹i. Bªn c¹nh nh÷ng s¶n phÈm ®ã, kü thuËt sinh häc còng t¹o ra nh÷ng s¶n phÈm míi rÊt quan träng tõ tÕ bμo thùc vËt vμ ®éng vËt. Lªn men tÕ bμo thùc vËt nh»m môc ®Ých t¹o ra çc s¶n phÈm chuyÓn ho¸ bËc hai (çc tinh dÇu, çc chÊt gia vÞ, çc d−îc liÖu). Lªn men tÕ bμo ®éng vËt ®Ó chÕ t¹o vaccin. Kü thuËt lªn men cßn t¹o ra çc protein cã ho¹t tÝnh nh− interferon, interleukin… Mét sè s¶n phÈm do c«ng nghÖ sinh häc t¹o ra, b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc kh«ng thÓ s¶n xuÊt ®−îc (b¶ng 3.2). Cã nh÷ng s¶n phÈm nÕu vi sinh vËt sinh tæng hîp th× chØ cÇn thùc hiÖn ë nhiÖt ®é b×nh th−êng. Song nÕu thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc ®ßi hái ph¶i cã ¸p suÊt ®Õn hμng tr¨m kg/cm2. Mét ®Æc ®iÓm n÷a cña kü thuËt lªn men lμ çc s¶n phÈm kh¸c nhau do vi sinh vËt t¹o ra ®Òu ®−îc thùc hiÖn trong cïng mét thiÕt bÞ gäi lμ b×nh lªn men (fermentor). Mçi vi sinh vËt t¹o ra mét s¶n phÈm nμo ®ã ®−îc nu«i d−ìng ë ®iÒu kiÖn tèi −u (nhiÖt ®é, pH, thμnh phÇn m«i tr−êng...) ®Ó chóng t¹o ra ho¹t chÊt ta mong muèn.

B¶ng 3.2. ¦u nh−îc ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p sinh tæng hîp (so víi ph−¬ng ph¸p ho¸ häc)

−u ®iÓm

•

C¸c ph©n tö phøc t¹p nh− protein, kh¸ng sinh kh«ng thÓ tæng hîp b»ng ho¸ häc.

•

BiÕn ®æi sinh häc cho n¨ng suÊt cao h¬n.

•

Sinh tæng hîp thùc hiÖn ë nhiÖt ®é thÊp.

•

pH gÇn trung tÝnh.

•

Xóc t¸c ph¶n øng cã nhiÒu ®Æc ®iÓm h¬n.

•

S¶n phÈm thu ®−îc kh«ng cã ®ång ph©n.

•

Sinh tæng hîp dÔ bÞ nhiÔm trïng.

•

C¸c s¶n phÈm mong muèn th−êng lÉn trong phøc hîp, cÇn ph¶i t¸ch riªng.

•

CÇn xö lý mét thÓ tÝch m«i tr−êng lín.

•

Qu¸ tr×nh lªn men cÇn thêi gian l©u h¬n so víi biÕn ®æi ho¸ häc.

Nh−îc ®iÓm

2. Çc giai ®o¹n ph¸t triÓn cña vi sinh vËt Qu¸ tr×nh sinh tr−ëng cña vi sinh vËt diÔn ra theo çc giai ®o¹n kh¸c nhau ®−îc gäi lμ çc pha ph¸t triÓn, bao gåm pha tiÒm ph¸t, pha logarit, pha c©n b»ng vμ pha suy vong (h×nh 3.1). H×nh 3.1. §Æc ®iÓm ph¸t triÓn cña vi sinh vËt trong lªn men chu kú

1. Pha tiÒm ph¸t 2. Pha nh©n lªn chËm 3-4. Pha logarit 5. Pha c©n b»ng 6. Pha suy vong

Khi nghiªn cøu qu¸ tr×nh sinh tr−ëng cña vi sinh vËt trong b×nh lªn men, ng−êi ta chó ý tr−íc hÕt ®Õn c¸c qu¸ tr×nh trong ®ã s¶n phÈm mong muèn lμ mét s¶n phÈm trao ®æi chÊt cña vi sinh vËt. Cã hai lo¹i chÊt trao ®æi chñ yÕu ®−îc gäi lμ s¶n phÈm bËc mét vμ s¶n phÈm bËc hai. Mét chÊt trao ®æi bËc mét lμ mét chÊt ®−îc t¹o thμnh trong pha sinh tr−ëng ®Çu tiªn cña vi sinh vËt, trong khi mét chÊt trao ®æi bËc hai lμ mét chÊt ®−îc t¹o thμnh gÇn vμo lóc kÕt thóc qu¸ tr×nh sinh tr−ëng, th−êng vμo gÇn hoÆc vμo chÝnh pha c©n b»ng.

Nghiªn cøu qu¸ tr×nh sinh tr−ëng vμ ph¸t triÓn cña vi sinh vËt trong b×nh lªn men ®Ó ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh sao cho vi sinh vËt ph¸t triÓn tèt nhÊt vμ t¹o ra ®−îc tèi ®a s¶n phÈm mμ ta mong muèn. §Ó theo dâi sù ph¸t triÓn cña vi sinh vËt trong b×nh lªn men th−êng tiÕn hμnh ph©n tÝch mét sè chØ tiªu c¬ b¶n nh− träng l−îng sinh khèi trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch, hμm l−îng protein hoÆc ADN trong tÕ bμo, sè l−îng tÕ bμo/®¬n vÞ thÓ tÝch. Sù t¨ng sinh khèi trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch bao hμm sù t¨ng vÒ sè l−îng tÕ bμo vμ sù t¨ng vÒ kÝch th−íc mçi tÕ bμo. Thêi gian trung b×nh ®Ó t¨ng gÊp ®«i tÕ bμo ®èi víi c¸c vi sinh vËt nh− sau: −

Vi khuÈn

: 0,25 - 1 giê

−

NÊm men

: 1-2 giê

−

NÊm mèc

: 2 - 6,5 giê

−

TÕ bμo thùc vËt

: 20 - 70 giê

−

TÕ bμo ®éng vËt : 15 - 48 giê

§Ó ®¹t ®−îc tèc ®é sinh tr−ëng cña vi sinh vËt theo mong muèn vμ t¹o ra s¶n phÈm víi hiÖu suÊt tèi ®a còng cÇn ph¶i nghiªn cøu thªm çc ®iÒu kiÖn kh¸c n÷a nh− thμnh phÇn m«i tr−êng çc chÊt kÝch thÝch sinh tr−ëng, çc tiÒn chÊt (precusor) ®Ó h−íng dÉn vi sinh vËt t¹o ra çc s¶n phÈm mong muèn. VÝ dô, thªm acid phenylacetic vμo m«i tr−êng lªn men sinh tæng hîp penicillin ta thu ®−îc benzylpenicillin (penicillin G), cßn nÕu ta thªm vμo m«i tr−êng chÊt acid phenoxyacetic ta l¹i thu ®−îc phenoxymethylpenicillin (penicillin V), râ rμng lμ cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc qu¸ tr×nh lªn men theo ý muèn. Trªn thùc tÕ çc viÖn nghiªn cøu, çc nhμ m¸y s¶n xuÊt çc chÕ phÈm sinh häc ®Òu cã phßng nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ lªn men. Trong c«ng nghÖ lªn men, ng−êi ta còng ph©n ra çc kiÓu lªn men (nu«i cÊy) sau: lªn men chu kú (batch fermentation), lªn men b¸n liªn tôc (semi – continuous fermentation) vμ lªn men liªn tôc (continuous fermentation). Trong lªn men chu kú, vi sinh vËt ®−îc nu«i cè ®Þnh trong b×nh lªn men víi mét thÓ tÝch m«i tr−êng x¸c ®Þnh. Vi sinh vËt ph¸t triÓn theo giai ®o¹n (h×nh 3.1) vμ t¹o ra çc s¶n phÈm. KÕt thóc qu¸ tr×nh, ng−êi ta tiÕn hμnh çc c«ng ®o¹n cÇn thiÕt ®Ó thu lÊy s¶n phÈm. Ph−¬ng ph¸p lªn men chu kú ®−îc øng dông ®Ó s¶n xuÊt nhiÒu ho¹t chÊt quan träng nh− acid amin, çc chÊt kh¸ng sinh. Lªn men chu kú cã c¶i tiÕn còng ®−îc ¸p dông nh»m n©ng cao hiÖu qu¶ sö dông b×nh lªn men. VÝ dô nu«i çc nÊm men ®Ó thu sinh khèi tÕ bμo, nh»m thu ®−îc n¨ng suÊt cao trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch nu«i cÊy, trong qu¸ tr×nh nu«i th−êng bæ sung thªm dinh d−ìng (hydrat carbon) vμ çc yÕu tè cÇn thiÕt kh¸c nh»m lμm cho mËt ®é tÕ bμo trong b×nh t¨ng lªn. Lªn men b¸n liªn tôc lμ qu¸ tr×nh lªn men vi sinh vËt trong ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh, khi vi sinh vËt ph¸t triÓn trong mét thêi gian ®ñ ®Ó t¹o ra nång ®é 29

sinh khèi cÇn thiÕt ng−êi ta lÊy bít ®i mét thÓ tÝch m«i tr−êng bao gåm c¶ sinh khèi, ®ång thêi bæ sung thªm mét thÓ tÝch m«i tr−êng míi b»ng chÝnh l−îng m«i tr−êng ®· lÊy ®i. B»ng c¸ch lμm nh− vËy chØ cÇn truyÒn gièng mét lÇn vÉn cã thÓ thu ho¹ch s¶n phÈm nhiÒu lÇn.

H×nh 3.2. S¬ ®å ®¬n gi¶n m« t¶ nguyªn t¾c lªn men liªn tôc

Lªn men liªn tôc lμ qu¸ tr×nh nu«i vi sinh vËt trong thiÕt bÞ ®−îc cÊu t¹o ®Æc biÖt ®Ó sao cho khi vËt nu«i ®· ph¸t triÓn ®Õn mét giai ®o¹n nμo ®ã thÝch hîp cho viÖc lÊy ®i mét thÓ tÝch m«i tr−êng lªn men cïng tÕ bμo vμ çc s¶n phÈm trao ®æi chÊt cña chóng, l¹i bæ sung ®óng mét thÓ tÝch m«i tr−êng dinh d−ìng míi vμo b×nh nu«i cÊy, lóc ®ã ta cã ®−îc tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng. Vi sinh vËt trong b×nh nu«i lu«n lu«n ë pha logarit (h×nh 3.2). §Æc ®iÓm cña çc ph−¬ng ph¸p lªn men vi sinh vËt. B¶ng 3.3. §Æc ®iÓm cña çc ph−¬ng ph¸p lªn men Ph−¬ng ph¸p lªn men

C¸c ®Æc ®iÓm thao t¸c

M«i tr−êng xèp

§¬n gi¶n, rÎ, cã thÓ chän läc

Nu«i bÒ mÆt

C¸c khuÈn l¹c tõ tÕ bµo ®¬n; kiÓm tra qu¸ tr×nh bÞ giíi h¹n

Lªn men ch×m ®ång thÓ ph©n phèi tÕ bµo chu kú

Çc kiÓu b×nh lªn men kh¸c nhau; läc tia, ®Üa quay, èng quay b×nh ph¶n øng t¹o bät tù ®éng ph¶n øng, çc kiÓu b×nh ph¶n øng kh¸c nhau: liªn tôc b×nh ph¶n øng cã khuÊy, b×nh elip, vßng ... cã m¸y khuÊy, hoÆc khuÊy b»ng khÝ nÐn, cã thÓ kiÓm tra çc h»ng sè vËt lý trong chÊt láng, nh−ng chñ yÕu lµ kiÓm tra çc h»ng sè ho¸ häc vµ sinh häc.

Chu kú cã bæ sung

Ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n kiÓm tra vµ ®iÒu chØnh hiÖu qu¶.

Liªn tôc ®ång nhÊt mét giai ®o¹n

KiÓm tra chÝnh x¸c ph¶n øng; rÊt tèt cho nghiªn cøu ®éng häc vµ ®iÒu chØnh; chi phÝ cao cho nghiªn cøu thùc nghiÖm, tuyÖt ®èi v« trïng, ng−êi thao t¸c ph¶i ®−îc ®µo t¹o vµ cã chuyªn m«n cao.

Ph−¬ng ph¸p lªn men liªn tôc ®−îc øng dông ®Ó s¶n xuÊt protein ®¬n bμo (nÊm men) s¶n xuÊt acid acetic, ethanol vμ xö lý n−íc th¶i cña mét sè nhμ m¸y. Tuy nhiªn do nhiÒu nguyªn nh©n nªn ph−¬ng ph¸p lªn men chu kú vÉn hay ®−îc øng dông h¬n. ¦u ®iÓm cña kü thuËt lªn men chu kú vμ chu kú cã bæ sung m«i tr−êng •

Cung cÊp s¶n phÈm theo yªu cÇu víi sè l−îng nhá ë bÊt kú thêi gian nμo, hoÆc ®«i khi cã yªu cÇu.

•

Vßng ®êi cña s¶n phÈm ng¾n.

•

S¶n xuÊt víi nång ®é cao trong dÞch lªn men yªu cÇu qu¸ tr×nh thao t¸c ph¶i tèi −u.

•

Mét vμi s¶n phÈm chuyÓn ho¸ ®−îc t¹o ra chØ ë pha c©n b»ng cña chu kú ph¸t triÓn.

•

TÝnh kh«ng æn ®Þnh cña mét vμi chñng s¶n xuÊt cÇn l−u ý th−êng xuyªn ph¶i chän läc.

•

Qu¸ tr×nh lªn men liªn tôc ®ßi hái kü thuËt phøc t¹p.

3. ThiÕt bÞ lªn men vi sinh vËt (fermentor)

1. Th©n nåi 2. Bé phËn trao ®æi nhiÖt 3. èng ®ùng nhiÖt kÕ 4. èng dÉn khÝ vµo 5. Gi»ng trôc khuÊy 6. Trôc khuÊy 7. C¸nh khuÊy 8. BÖ ®ì nåi 9. Nèi trôc 10. Bé phËn truyÒn ®éng 11. §éng c¬

H×nh 3.3. S¬ ®å cÊu t¹o thiÕt bÞ lªn men ch×m

Trong c«ng nghÖ lªn men vi sinh vËt thiÕt bÞ lªn men lμ vÊn ®Ò v« cïng quan träng. Vi sinh vËt sèng vμ ph¸t triÓn trong ®iÒu kiÖn v« trïng tuyÖt ®èi, ph¶i cung cÊp ®ñ oxy hoμ tan trong m«i tr−êng cho vi sinh vËt h« hÊp. ThiÕt bÞ khuÊy trén cã cÊu t¹o ®Æc biÖt v× võa ph¶i hoμ tan oxy vμo m«i tr−êng, võa ph¶i khuÊy trén mét hçn hîp c¸c tÕ bμo sèng ®Æc qu¸nh kh«ng tan trong n−íc, l¹i lμm viÖc liªn tôc trong thêi gian dμi (th−êng tõ 4-7 ngμy). ThiÕt bÞ lªn men cÇn cã bé phËn trao ®æi nhiÖt h÷u hiÖu, v× ®a sè vi sinh vËt sèng vμ ph¸t triÓn ë nhiÖt ®é tõ 260C-300C.

H×nh 3.4. C¸c d¹ng thiÕt bÞ lªn men vi sinh vËt a) ThiÕt bÞ lªn men cã khuÊy liªn tôc, b) ThiÕt bÞ lªn men h×nh th¸p. c) ThiÕt bÞ lªn men kiÓu vßng (loop), d) ThiÕt bÞ lªn men kþ khÝ, e) B×nh lªn men t¹o methan tõ n−íc cèng, ph©n gia sóc.

KÓ tõ khi penicillin ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p lªn men ch×m (1947), cho ®Õn nay thiÕt bÞ lªn men ®· ®−îc c¶i tiÕn vμ hoμn thiÖn rÊt nhiÒu. VÒ nguyªn lý chung ®ã lμ mét thiÕt bÞ cã h×nh trô chÕ t¹o b»ng thÐp kh«ng rØ (stainless steel) cã dung tÝch kh¸c nhau tõ 5-10 lÝt dïng trong phßng thÝ nghiÖm, 50-500 lÝt ë qui m« pilot, 50.000-150.000 lÝt dïng lªn men t¹o kh¸ng sinh, 300.000 - 500.000 lÝt dïng lªn men s¶n xuÊt acid amin (h×nh 3.3). Çc thiÕt bÞ lªn men hiÖn nay ®−îc chÕ t¹o theo kiÓu d¸ng kh«ng kh¸c tr−íc. Song nã ®−îc g¾n çc ®iÖn cùc ®Ó ®o pH, nhiÖt ®é, oxy hoμ tan, ®iÖn cùc dß bät vμ çc bé c¶m biÕn (sensor) ®−îc khuÕch ®¹i vμ g¾n víi çc m¸y ph©n tÝch tù ®éng çc thμnh phÇn m«i tr−êng, råi l¹i tù ®éng ®iÒu chØnh më çc van ®iÖn tõ bæ sung çc chÊt cÇn thiÕt cho sù ph¸t triÓn cña vi sinh vËt. Nhê qu¸ tr×nh tù ®éng ho¸ vμ m¸y tÝnh cμi ®Æt s½n ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn nªn c«ng nghÖ lªn men ®· trë thμnh mét ngμnh c«ng nghÖ võa hiÖn ®¹i võa cã søc hÊp dÉn nh÷ng ai ®ang lμm viÖc trong lÜnh vùc nμy. 4. VÊn ®Ò cung cÊp kh«ng khÝ v« trïng cho nhμ m¸y lªn men vi sinh vËt

H×nh 3.5. S¬ ®å hÖ thèng thiÕt bÞ läc kh«ng khÝ v« trïng 1. Läc s¬ bé; 2. M¸y nÐn khÝ; 3, 5. ThiÕt bÞ lµm nguéi khÝ; 4. B×nh chøa khÝ; 6. ThiÕt bÞ läc khÝ lÇn thø nhÊt; 7. ThiÕt bÞ sÊy khÝ; 8. ThiÕt bÞ läc khÝ lÇn hai.

Trong qu¸ tr×nh lªn men çc vi sinh vËt hiÕu khÝ ®Ó thu nhËn s¶n phÈm, vÊn ®Ò cung cÊp kh«ng khÝ v« khuÈn lμ mét trong nh÷ng vÊn ®Ò khã nhÊt cña c«ng nghÖ lªn men. §Æc biÖt nh÷ng vïng khÝ hËu nãng Èm quanh n¨m nh− ViÖt Nam l¹i cμng cÇn ph¶i quan t©m. Bëi v× nÕu kh«ng t¸ch hÕt h¬i Èm cã trong kh«ng khÝ th× vËt liÖu läc sÏ bÞ Èm vμ kh«ng cßn kh¶ n¨ng läc s¹ch vi khuÈn cã trong kh«ng khÝ. Trong kh«ng khÝ do giã cuèn theo bôi bÈn tõ ®Êt, tõ vïng d©n c− nªn nång ®é vi sinh vËt cã trong kh«ng khÝ phô thuéc rÊt nhiÒu vμo vÞ trÝ x©y dùng nhμ m¸y. NÕu nhμ m¸y x©y dùng ë ven rõng, xa çch khu d©n c− th× kh¶ n¨ng g©y nhiÔm Ýt h¬n. Yªu cÇu kh«ng khÝ cung cÊp cho çc qu¸ tr×nh lªn men ph¶i s¹ch gÇn nh− tuyÖt ®èi (lo¹i ®i 99,9999%) çc h¹t bôi 33

vμ c¸c vi sinh vËt cã kÝch th−íc (0,5-2,0 μm). Chi phÝ ®iÖn n¨ng cho c«ng nghÖ läc khÝ v« khuÈn còng rÊt lín. Thμnh c«ng hay thÊt b¹i cña c«ng nghÖ lªn men chÝnh lμ vÊn ®Ò v« khuÈn cña kh«ng khÝ. 1

3 4

1. Bé phËn Ðp vËt liÖu läc 2. L−íi trªn 3. VËt liÖu läc 4. Than ho¹t

9 5 6

5. Ng¨n ®Ó chøa vËt liÖu läc 6. L−íi ®ì vËt liÖu läc 7. Th©n thiÕt bÞ läc 8. Vá ngoµi.

H×nh 3.6. ThiÕt bÞ läc khÝ v« trïng

5. Khö trïng m«i tr−êng trong c«ng nghÖ lªn men Trong c«ng nghÖ lªn men ch×m ®Ó thu s¶n phÈm, nÕu c¸c thiÕt bÞ lªn men cã dung tÝch tõ 30 lÝt ®Õn 10.000 lÝt th−êng m«i tr−êng ®−îc pha chÕ trùc tiÕp trong thiÕt bÞ lªn men. Sau ®ã dïng h¬i nãng ®un ®Õn nhiÖt ®é khö trïng qua bé phËn truyÒn nhiÖt gi÷ nhiÖt ®é vμ thêi gian khö trïng thÝch hîp. Khö trïng xong, m«i tr−êng ®−îc lμm nguéi ®Õn nhiÖt ®é thÝch hîp (25-30OC). Khi lªn men vi sinh vËt ë thiÕt bÞ lín h¬n (50.000-300.000 lÝt) nÕu ®un nãng trùc tiÕp ®Ó khö trïng th× ®ßi hái c«ng suÊt cña thiÕt bÞ cung cÊp h¬i lín, nÕu kh«ng thêi gian ®un ®Õn nhiÖt ®é khö trïng qu¸ dμi sÏ lμm ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng c¸c thμnh phÇn dinh d−ìng cã trong m«i tr−êng, tõ ®ã sÏ ¶nh h−ëng ®Õn sù ph¸t triÓn cña vi sinh vËt lªn men ®Ó thu s¶n phÈm. V× vËy trong c«ng 34

H×nh 3.7. S¬ ®å cÊu t¹o thiÕt bÞ khö trïng liªn tôc 1. Th©n cét. 2. èng trao ®æi nhiÖt 3. Bé phËn æn nhiÖt

nghÖ lªn men ch×m ng−êi ta ®· chÕ t¹o ra thiÕt bÞ khö trïng liªn tôc (cét khö trïng) ®Ó kh¾c phôc çc nh−îc ®iÓm trªn. Cét khö trïng liªn tôc cßn cã −u ®iÓm n÷a lμ: cho phÐp pha chÕ riªng tõng thμnh phÇn m«i tr−êng vμ khö trïng ë nh÷ng chÕ ®é riªng nªn m«i tr−êng dinh d−ìng kh«ng bÞ ph¸ huû (h×nh 3.7). 6. Läc vμ thiÕt bÞ läc trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt kh¸ng sinh Trong c«ng nghiÖp vi sinh vËt nãi chung vμ c«ng nghiÖp kh¸ng sinh nãi riªng, th−êng ph¶i läc mét thÓ tÝch lín m«i tr−êng lªn men trong ®ã chøa vi sinh vËt (x¹ khuÈn, nÊm mèc, vi khuÈn). Chóng lμ nh÷ng ç thÓ kÝch th−íc võa nhá l¹i n»m trong m«i tr−êng cã ®é nhít cao do çc s¶n phÈm trao ®æi chÊt cña vi sinh vËt cïng víi thμnh phÇn m«i tr−êng dinh d−ìng ch−a sö dông hÕt, dÇu ph¸ bät... nång ®é çc chÊt kh¸ng sinh trong m«i tr−êng thÊp, nhiÒu chÊt l¹i kh«ng bÒn v÷ng. V× vËy ®Ó chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ ®−îc ho¹t chÊt, c«ng ®o¹n quan träng bËc nhÊt lμ ph¶i läc ®Ó ph©n riªng sinh khèi vμ dÞch läc trong kho¶ng thêi gian ng¾n cho phÐp. §Ó läc ®−îc nhanh cÇn ph¶i thªm çc chÊt trî läc, çc chÊt cã kh¶ n¨ng lμm ®«ng vãn protein... Tuy nhiªn thiÕt bÞ läc còng rÊt quan träng. Cã thÓ dïng läc Ðp khung b¶n ®Ó läc dÞch lªn men. Song nh−îc ®iÓm cña thiÕt bÞ läc Ðp lμ lμm viÖc kh«ng liªn tôc. Khi sinh khèi ®· chÊt ®Çy çc khoang l¹i ph¶i th¸o b· vμ l¾p l¹i thiÕt bÞ råi míi tiÕn hμnh läc tiÕp ®−îc. V× vËy trong çc nhμ m¸y s¶n xuÊt kh¸ng sinh th−êng sö dông thiÕt bÞ läc trèng quay (h×nh 3.8). ¦u ®iÓm cña thiÕt bÞ nμy lμ cã thÓ lμm viÖc liªn tôc, tù ®éng ho¸ viÖc lo¹i b·. M¸y chØ ngõng lμm viÖc khi nμo n¨ng suÊt läc gi¶m, m¸y cã diÖn tÝch bÒ mÆt läc lín nªn n¨ng suÊt läc cao.

1. Thïng rçng 2. BÓ chøa huyÒn phï 3. V¶i läc 4. Dao c¹o b· 5. C¸nh khuÊy 6. C¸c ng¨n 7. èng nèi 8. Vßi phun n−íc röa

H×nh 3.8. S¬ ®å c¾t ngang m¸y läc ch©n kh«ng h×nh trèng

7. Tr×nh tù qu¸ tr×nh lªn men §Ó chuÈn bÞ cho lªn men ë qui m« c«ng nghiÖp, tr−íc tiªn gièng ®−îc chän läc trªn hép petri, lÊy mét khuÈn l¹c nu«i trªn th¹ch nghiªng råi nu«i cho ph¸t triÓn ë nhiÖt ®é thÝch hîp, tiÕp sau chuyÒn vμo b×nh tam gi¸c (erlanmayer) nu«i trªn m¸y l¾c ®Ó cho vi sinh vËt tiÕp tôc ph¸t triÓn. Çc b−íc tiÕp sau ®ã gièng ®−îc nu«i trong çc b×nh lªn men cã khuÊy trén tõ thÓ tÝch nhá ®Õn thÓ tÝch lín h¬n (2 cÊp). Gièng nu«i trªn b×nh nh©n gièng cÊp hai ®−îc kiÓm tra cÈn thËn vÒ tÊt c¶ çc tiªu chuÈn cÇn thiÕt, nÕu ®¹t yªu cÇu míi chuyÒn vμo thiÕt bÞ lªn men nu«i tiÕp ®Ó thu s¶n phÈm (h×nh 3.9).

H×nh 3.9. S¬ ®å qu¸ tr×nh chuÈn bÞ gièng ®Ó lªn men a. èng gièng; b. Gièng nu«i trªn th¹ch nghiªng; c. Gièng nu«i trªn m¸y l¾c; d. B×nh nh©n gièng cÊp 1; e. B×nh nh©n gièng cÊp 2; f. B×nh lªn men t¹o s¶n phÈm.

8. ThiÕt kÕ m«i tr−êng cho qu¸ tr×nh lªn men N−íc lμ thμnh phÇn chÝnh, lμ trung t©m cña mäi qu¸ tr×nh sinh häc. Çc thμnh phÇn dinh d−ìng m«i tr−êng ®Òu hoμ tan vμo n−íc, tõ ®ã çc vi sinh vËt míi cã thÓ hÊp thu vμ ®ång ho¸ ®Ó ph¸t triÓn. Sau khi qu¸ tr×nh lªn men kÕt thóc, viÖc lo¹i bá n−íc ®Ó tinh chÕ thu s¶n phÈm lμ mét vÊn ®Ò kh¸ phøc t¹p. Chi phÝ cho c«ng ®o¹n nμy chiÕm phÇn lín gi¸ thμnh s¶n phÈm. Trong c«ng nghÖ lªn men sö dông kh¸ nhiÒu çc nguyªn liÖu d¹ng th«, cã thÓ coi n−íc còng lμ nguyªn liÖu th«. Trong çc qu¸ tr×nh lªn men, vi sinh vËt cÇn nhiÒu n¨ng l−îng. Nguån cung cÊp n¨ng l−îng ®ã th−êng sö dông hydrat carbon. Nguån nit¬ ®Ó x©y dùng nªn çc thμnh phÇn cña c¬ thÓ, trong ®ã cã d¹ng nit¬ v« c¬ vμ nit¬ h÷u c¬, çc nguyªn tè v« c¬ (b¶ng 3.5). 36

B¶ng 3.5. Nguån hydrat carbon vµ nit¬ dïng cho c«ng nghiÖp lªn men Nguån hydrat carbon

D¹ng dïng

Nguån nit¬ (% nit¬/ träng l−îng)

Glucose

Monohydrat tinh khiÕt, tinh bét thuû ph©n

Lóa m¹ch (1,5-2,0)

Lactose

Lactose tinh khiÕt, bét s÷a

MËt rØ cñ c¶i ®−êng (1,5-2,0) Cao ng« (4,5)

Tinh bét

Lóa m¹ch, bét l¹c, yÕn m¹ch, bét g¹o, bét ®Ëu t−¬ng

Bét l¹c (8,0) Bét yÕn m¹ch (1,5-2,0) Bét ®Ëu t−¬ng (8,0)

Saccharose

MËt rØ cñ c¶i ®−êng, ®−êng th«, mËt, ®−êng kÝnh tinh khiÕt

Bét s÷a (4,5)

Trong mét vμi tr−êng hîp cßn cÇn çc nh©n tè ph¸t triÓn hoÆc çc tiÒn chÊt ®Ó ®iÒu khiÓn vi sinh vËt t¹o ra çc chÊt mμ ta yªu cÇu. VÝ dô lªn men sinh tæng hîp vitamin B12 nhê vi khuÈn Propioni bacterium shermanii cÇn bæ sung vμo m«i tr−êng chÊt 5, 6 dimetylbenzimidasol ®Ó t¹o ra ph©n tö vitamin B12 thËt, vμ hiÖu suÊt còng cao h¬n. Çc nh©n tè ph¸t triÓn hay çc tiÒn chÊt chØ cÇn víi sè l−îng nhá mg/lÝt, thiÕu nã qu¸ tr×nh sinh tæng hîp sÏ thÊt b¹i. M«i tr−êng nu«i vi sinh vËt cÇn ®−îc khö trïng ®Ó lo¹i ®i tÊt c¶ çc vi sinh vËt t¹p nhiÔm lÉn trong nguyªn liÖu. C«ng ®o¹n khö trïng m«i tr−êng còng rÊt quan träng. V× nÕu cßn l¹i nh÷ng ç thÓ vi sinh vËt l¹ ch−a bÞ tiªu diÖt, chóng sÏ tiÕp tôc ph¸t triÓn cïng víi vi sinh vËt nu«i cÊy lμm háng qu¸ tr×nh lªn men. Th−êng gäi ®©y lμ sù nhiÔm trïng. Trong nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû XX, c«ng nghÖ lªn men cho phÐp nhiÔm trïng 10% v× khi ®ã kü thuËt lªn men míi b¾t ®Çu ph¸t triÓn. VÊn ®Ò khö trïng m«i tr−êng vμ läc kh«ng khÝ ®Ó ®¹t ®−îc tuyÖt ®èi v« trïng lμ ®iÒu cùc kú khã kh¨n. Tõ nh÷ng n¨m 70 cña thÕ kû XX, c«ng nghÖ lªn men kh«ng cho phÐp ®−îc nhiÔm trïng. Qu¸ tr×nh lªn men nÕu bÞ nhiÔm trïng ph¶i ®æ ®i sÏ lμm thiÖt h¹i to lín vÒ kinh tÕ. Qu¸ tr×nh lªn men cã thμnh c«ng hay kh«ng phô thuéc chÝnh vμo chÊt l−îng m«i tr−êng dinh d−ìng vμ kü thuËt khö trïng m«i tr−êng. 9. Lªn men trªn c¬ chÊt r¾n Trªn thùc tÕ qu¸ tr×nh lªn men trªn c¬ chÊt r¾n (xèp) còng ®−îc øng dông réng r·i tõ l©u ®êi. Nu«i nÊm mèc A. oryzae, A. niger... trªn c¬m g¹o hay ng« ®Ó lμm t−¬ng theo ph−¬ng ph¸p truyÒn thèng hay c«ng nghiÖp. Nu«i çc nÊm mèc trªn çm vμ trÊu ®Ó t¹o amylase dïng trong c«ng nghiÖp lªn men r−îu, trång nÊm trªn c¬ chÊt lμ r¬m, r¹, mïn c−a b«ng th¶i lo¹i ... vμ nhiÒu thÝ dô kh¸c n÷a. Lªn men trªn c¬ chÊt r¾n cã −u ®iÓm lμ dÔ thùc hiÖn, kh«ng ®ßi hái thiÕt bÞ ®¾t tiÒn, ®iÒu kiÖn v« trïng còng kh«ng cÇn tuyÖt ®èi do ®ã ng−êi thao t¸c còng kh«ng cÇn cã tr×nh ®é cao. Th−êng gäi c«ng nghÖ lªn men trªn c¬ 37

chÊt r¾n lμ c«ng nghÖ gia ®×nh, c«ng nghÖ lªn men truyÒn thèng. ChÝnh c«ng nghÖ nμy ®· bæ sung ®−îc rÊt nhiÒu s¶n phÈm quÝ hiÕm, ®Æc biÖt lμ nh÷ng thùc phÈm lªn men cÇn sè l−îng Ýt giμu dinh d−ìng trong khi c«ng nghÖ lªn men ch×m kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc (b¶ng 3.6). B¶ng 3.6. Mét vµi vÝ dô lªn men trªn c¬ chÊt r¾n VÝ dô

C¬ chÊt

Vi sinh vËt sö dông

Trång nÊm (¢u ch©u vµ ph−¬ng ®«ng)

R¬m, ph©n

Agaricus bisporus, Lentinula edodes, Volvariella volvaceae

D−a c¶i b¾p

C¶i b¾p

Vi khuÈn lactic

T−¬ng

§Ëu t−¬ng vµ g¹o

Rhizopus oligosporus

Chao

§Ëu t−¬ng

Rhizopus oligosporus

Phom¸t

Bét s÷a

Penicillium roquefortii

Acid h÷u c¬

RØ ®−êng

Aspergillus niger

C¸c enzym

C¸m g¹o, m×

Aspergillus niger

Ph©n trén

Hçn hîp c¸c chÊt h÷u c¬

NÊm mèc, vi khuÈn, x¹ khuÈn

Xö lý n−íc th¶i

C¸c thµnh phÇn cña n−íc th¶i

Vi khuÈn, nÊm mèc vµ protozoa

Çc n−íc ph−¬ng t©y th−êng ¸p dông ph−¬ng ph¸p lªn men nμy ®Ó trång nÊm, s¶n xuÊt phom¸t. Mét −u ®iÓm n÷a cña kü thuËt lªn men trªn c¬ chÊt r¾n lμ cã thÓ lªn men cïng mét lóc mét hoÆc hai, ba vi sinh vËt trªn c¬ chÊt ®ã mμ kh«ng gäi lμ nhiÔm trïng. Mét vi sinh vËt t¹o ra s¶n phÈm lªn men chÝnh, vi sinh vËt thø hai cã thÓ t¹o ra h−¬ng vÞ ... lμm cho s¶n phÈm lªn men thªm hÊp dÉn vμ gi¸ trÞ. NÊu r−îu b»ng b¸nh men thuèc b¾c lμ vÝ dô ®iÓn h×nh. Ng−êi ta còng chÕ t¹o ra çc thiÕt bÞ ®Ó lªn men çc c¬ chÊt r¾n, tuy nhiªn cÊu t¹o cña nã ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu so víi thiÕt bÞ lªn men ch×m (h×nh 3.3). 10. Kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo ®éng vËt vμ thùc vËt Çc phÇn trªn ®· m« t¶ çc qu¸ tr×nh kü thuËt lªn men vi sinh vËt (vi khuÈn, nÊm men, nÊm mèc). Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo ®éng vËt vμ thùc vËt ®· ®−îc ®Èy m¹nh nghiªn cøu vμ cã nhiÒu øng dông trong thùc tÕ. Sö dông kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo ®Ó chuyÓn vi sinh vËt vμo mét lo¹i c©y trång nμo ®ã b»ng kü thuËt di truyÒn sÏ ®Ò cËp ®Õn ë mét ch−¬ng riªng. ë ®©y ta chØ xem xÐt ®Õn kh¶ n¨ng nu«i cÊy tÕ bμo thùc vËt thuÇn tuý trong çc b×nh lªn men ®Ó thu s¶n phÈm, gièng nh− lªn men vi sinh vËt. Trªn thùc tÕ ng−êi ta còng ®· thu ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ g©y Ên t−îng 38

vμ cã thÓ chÊp nhËn ®−îc nÕu nh− tiÕn hμnh trªn ®èi t−îng lμ nh÷ng c©y cã gi¸ trÞ kinh tÕ cao nh− c©y d−¬ng ®Þa hoμng (digitalis), nhμi (jasmine), l−u lan h−¬ng (spearmint). Nu«i cÊy tÕ bμo thùc vËt b»ng ph−¬ng ph¸p nu«i cÊy ch×m cã khuÊy trén vμ sôc kh«ng khÝ v« trïng vÒ nguyªn t¾c còng gièng nh− lªn men vi sinh vËt. Tuy nhiªn møc ®é cung cÊp kh«ng khÝ vμ tèc ®é khuÊy ë ®©y thÊp h¬n nhiÒu so víi lªn men vi sinh vËt. Tuy ®· cã nh÷ng s¶n phÈm nu«i cÊy tÕ bμo thùc vËt trªn thÞ tr−êng nh−ng ng−êi ta còng Ýt hy väng lμ nã sÏ cã nh÷ng s¶n phÈm hμng ho¸ c¹nh tranh trªn thÞ tr−êng trong t−¬ng lai. Nu«i cÊy m« tÕ bμo thùc vËt ®−îc ¸p dông ®Ó nh©n gièng v« tÝnh, s¹ch bÖnh cung cÊp gièng c©y trång. Nu«i cÊy tÕ bμo vμ m« ®éng vËt trong vμi chôc n¨m trë l¹i ®©y còng ph¸t triÓn réng r·i do ¸p dông kü thuËt di truyÒn. Hμng lo¹t tÕ bμo vμ m« ®· ®−îc nu«i cÊy nh©n t¹o nh−: tÕ bμo tuû x−¬ng, sôn, gan, phæi, vó, da, ruét, thËn, thÇn kinh, tuyÕn yªn vμ nhiÒu lo¹i tÕ bμo ung th− kh¸c. Sö dông ph−¬ng ph¸p nu«i cÊy tÕ bμo trªn qui m« c«ng nghiÖp ®Ó s¶n xuÊt ra nh÷ng chÕ phÈm sinh häc cã gi¸ trÞ cao dïng trong y häc nh− çc vaccin (b¹i liÖt, sëi, quai bÞ, d¹i ...), interferon, çc hormon, insulin, plasminogen vμ çc kh¸ng thÓ. VÊn ®Ò khã kh¨n chÝnh trong kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo lμ: tÕ bμo nu«i rÊt nh¹y c¶m víi nh÷ng vi sinh vËt nhiÔm trong m«i tr−êng. Do ®ã nu«i cÊy tÕ bμo ph¶i thùc hiÖn ë ®iÒu kiÖn v« trïng tuyÖt ®èi. Khi t¸ch lÊy mét tÕ bμo tõ mét c¬ quan cña ®éng vËt ®· biÕt gäi lμ tÕ bμo gèc chuÈn bÞ cho nu«i cÊy tiÕp sau, ë giai ®o¹n nμy çc tÕ bμo th−êng kh«ng ®ång nhÊt, sau ®ã ph¶i t×m ra ®−îc tÕ bμo ®¹i diÖn cho tÕ bμo kiÓu cha mÑ biÓu hiÖn nh÷ng ®Æc ®iÓm cña m« häc. Sau mét vμi lÇn nu«i cÊy trªn m«i tr−êng chän läc, dßng tÕ bμo chän ®−îc ch¼ng nh÷ng kh«ng chÕt mμ chuyÓn thμnh dßng tÕ bμo liªn tôc. So s¸nh víi dßng tÕ bμo nu«i ban ®Çu th× thÊy râ chóng ®· cã nh÷ng thay ®æi trong h×nh th¸i cña tÕ bμo chÊt, tÕ bμo ph¸t triÓn nhanh h¬n, t¨ng thªm mét sè ®Æc ®iÓm ë nhiÔm s¾c thÓ. TÕ bμo ®éng vËt kh«ng nh÷ng ph¸t triÓn khi nu«i cÊy ë d¹ng nhò dÞch mμ cßn mäc ®−îc trªn bÒ mÆt m«i tr−êng ®Æc. Çc tÕ bμo nh− kiÓu Hela (çc tÕ bμo ®· biÕn ®æi tõ mét tÕ bμo u ¸c ë ng−êi) còng cã thÓ ph¸t triÓn trong m«i tr−êng nu«i cÊy huyÒn dÞch, trong khi ®ã çc tÕ bμo gèc hoÆc tÕ bμo diploid b×nh th−êng chØ mäc trªn bÒ mÆt m«i tr−êng ®Æc. Nu«i cÊy bÒ mÆt çc tÕ bμo ®éng vËt bÞ ¶nh h−ëng bëi diÖn tÝch bÒ mÆt mμ tÕ bμo tiÕp xóc, do vËy ph¶i t¹o ra çc thiÕt bÞ nu«i sao cho bÒ mÆt tiÕp xóc cña tÕ bμo ®¹t ®−îc tèi ®a. Cã nhiÒu kiÓu b×nh nu«i ®−îc thiÕt kÕ theo çc h×nh d¸ng kh¸c nhau nh− d¹ng èng, hoÆc chai bÑt cèt ®Ó cho mÆt tho¸ng réng ®Ó tÕ bμo dÔ dμng h« hÊp. Nu«i cÊy d¹ng huyÒn dÞch cã thÓ tiÕn hμnh trong çc b×nh lªn men nh− nu«i vi sinh vËt. GÇn ®©y cßn kÕt hîp nu«i cÊy d¹ng huyÒn dÞch cã bÒ mÆt tiÕp xóc réng b»ng çch nu«i tÕ bμo trªn nh÷ng h¹t mang tÕ bμo d¹ng ®Æc biÖt gièng nh− Sephadex - DEAE. Çc h¹t nμy cã diÖn tÝch bÒ mÆt 7 cm2/mg. Çc h¹t nμy næi trªn huyÒn dÞch. B»ng çc kü thuËt nu«i cÊy tÕ bμo ng−êi ta ®· s¶n xuÊt thμnh c«ng nh÷ng d−îc phÈm quan träng kh¸ng virus vμ ung th−. 39

11. Qu¸ tr×nh tinh chÕ ®Ó thu s¶n phÈm Sau khi kÕt thóc c«ng ®o¹n nu«i cÊy vi sinh vËt hoÆc tÕ bμo ®éng vËt, ph¶i t×m çch chiÕt xuÊt lÊy ho¹t chÊt vμ tinh chÕ s¶n phÈm ®¹t ®−îc çc tiªu chuÈn cÇn thiÕt theo qui ®Þnh dïng ®iÒu trÞ. Qu¸ tr×nh nμy gäi lμ qu¸ tr×nh xu«i dßng (downstream processing), tuú theo s¶n phÈm chøa trong m«i tr−êng lªn men mμ chän ph−¬ng ph¸p xö lý thÝch hîp. C«ng ®o¹n tinh chÕ s¶n phÈm ®ßi hái nhiÒu nh©n c«ng, nh÷ng nh©n c«ng nμy ph¶i cã kiÕn thøc vμ kü n¨ng cao vÒ chuyªn m«n. Th−êng sö dông çc çn bé ho¸ sinh, ho¸ häc, vÝ dô ë nhμ m¸y Eli Lilly s¶n xuÊt insulin cã 200 çn bé th× h¬n 90% sè ng−êi nμy lμm viÖc ë c«ng ®o¹n tinh chÕ s¶n phÈm. C«ng ®o¹n chiÕt xuÊt ®Ó thu s¶n phÈm cßn quan träng h¬n c«ng ®o¹n lªn men bëi v× çc s¶n phÈm thuéc nhãm nμy th−êng rÊt kh«ng bÒn v÷ng, hμm l−îng chøa trong m«i tr−êng lªn men hoÆc trong tÕ bμo th−êng rÊt thÊp (0,1-3,0%). Do ®ã chiÕt ®Ó lÊy ra ®−îc lμ v« cïng khã kh¨n. C«ng ®o¹n tinh chÕ s¶n phÈm cßn quyÕt ®Þnh tíi gi¸ thμnh cña s¶n phÈm. VÝ dô c«ng nghÖ lªn men s¶n xuÊt penicillin, nh÷ng n¨m 60 cña thÕ kû XX chiÕt xuÊt chØ lÊy ra ®−îc 60% hiÖu suÊt m«i tr−êng. HiÖn nay do c¶i tiÕn kü thuËt ®· cã thÓ chiÕt ra ®−îc 90% hiÖu suÊt m«i tr−êng. Çc ph−¬ng ph¸p sö dông bao gåm: läc, ly t©m, chiÕt b»ng dung m«i, bèc h¬i ch©n kh«ng, hÊp phô, ®iÖn di, thÈm tÝch, läc mμng chän läc... C«ng ®o¹n chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ s¶n phÈm bao gåm nhiÒu b−íc (h×nh 3.10).

H×nh 3.10. C¸c c«ng ®o¹n tinh chÕ s¶n phÈm

Tù l−îng gi¸ 1.

KÓ tªn c¸c bé phËn vμ yªu cÇu thiÕt kÕ cña thiÕt bÞ lªn men vi sinh vËt.

2. Tr×nh bμy c¸c ph−¬ng ph¸p läc kh«ng khÝ v« trïng vμ tÇm quan träng cña läc khÝ v« trïng cho nhμ m¸y lªn men. 3. T¹i sao ph¶i khö trïng m«i tr−êng trong c«ng nghÖ lªn men? 4. Nªu cÊu t¹o c¸c thiÕt bÞ läc trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt kh¸ng sinh. 5. Nªu tr×nh tù qu¸ tr×nh lªn men. 6. Nªu tr×nh tù qu¸ tr×nh tinh chÕ ®Ó thu s¶n phÈm. 40

Ch−¬ng 4

Kü thuËt s¶n xuÊt enzym

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Kü thuËt s¶n xuÊt enzym nãi chung vμ enzym dïng trong y häc ®Ó ®iÒu trÞ bÖnh. 2. Nguyªn t¾c vμ øng dông cña ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym.

1. §¹i c−¬ng Enzym lμ nh÷ng ph©n tö protein phøc t¹p tån t¹i trong çc tÕ bμo sèng, t¹i ®ã chóng ®ãng vai trß xóc t¸c sinh häc lμm biÕn ®æi ho¸ häc çc c¬ chÊt. Do sù ph¸t triÓn cña ho¸ sinh ph©n tö ng−êi ta ®· hiÓu biÕt kh¸ râ vai trß cña çc enzym trong tÕ bμo sèng. Cho dï enzym ®−îc h×nh thμnh trong tÕ bμo sèng, nh−ng nÕu t¸ch rêi enzym ra khái tÕ bμo nã vÉn thùc hiÖn ®−îc chøc n¨ng xóc t¸c sinh häc in vitro. Nhê tÝnh chÊt k× diÖu ®ã ®· lμm t¨ng kh¶ n¨ng sö dông enzym trong çc qu¸ tr×nh c«ng nghiÖp. Hμng n¨m c«ng nghiÖp enzym thÕ giíi s¶n xuÊt hμng ngμn tÊn tËp trung vμo mét sè enzym sau: proteinase, amyloglucosidase, amylase, glucose isomerase, rennet, pectinase… Ho¹t tÝnh cña enzym lμ ®Æc ®iÓm xóc t¸c tù nhiªn cña nã. Mçi enzym thùc hiÖn xóc t¸c cho mét ph¶n øng, trong tÕ bμo sèng cã hμng lo¹t enzym kh¸c nhau ®Ó thùc hiÖn mét chuçi ph¶n øng liªn tôc nh− çc enzym trong m¹ch h« hÊp tÕ bμo. Çc ph¶n øng xóc t¸c cña enzym ®−îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é b×nh th−êng, còng ph¶n øng Êy nÕu thùc hiÖn b»ng ho¸ häc ®ßi hái ë nhiÖt ®é vμ ¸p suÊt cao. Kh¶ n¨ng ph©n gi¶i cña enzym còng thËt kú diÖu, vÝ dô 1 gram vi khuÈn lactic cã thÓ biÕn ®æi mét tÊn lactose thμnh acid lactic trong vßng 1 giê! Enzym t¸ch khái tÕ bμo d−íi d¹ng tinh khiÕt cã thÓ thùc hiÖn ph¶n øng xóc t¸c biÕn ®æi c¬ chÊt nhiÒu lÇn víi kü thuËt ®Æc biÖt cã thÓ kÐo dμi thêi gian sö dông enzym ®Õn 6 th¸ng! Chøc n¨ng xóc t¸c cña enzym cßn phô thuéc vμo cÊu h×nh kh«ng gian cña chóng, chØ cÇn lμm thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian b»ng pH hay nhiÖt ®é lμ enzym bÞ bÊt ho¹t. Mét vμi enzym cã g¾n thªm coenzym, çc coenzym nμy cã thÓ lμ çc ion kim lo¹i, çc nucleotid, çc vitamin ... Do cÊu tróc kh¸c nhau nªn çc enzym cã thÓ thùc hiÖn çc ph¶n øng xóc t¸c ë nhiÖt ®é (0-110C) vμ ë pH tõ 2-14. Enzym kh«ng ®éc, s¶n xuÊt enzym 41

kh«ng ®ßi hái çc thiÕt bÞ chèng ¨n mßn nh− trong c«ng nghÖ ho¸ häc. Kü thuËt enzym bao gåm lªn men vi sinh vËt, chiÕt xuÊt, tinh chÕ råi sö dông enzym ë d¹ng hoμ tan hoÆc d¹ng enzym bÊt ®éng. Enzym ®−îc sö dông trong nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau cña ®êi sèng hμng ngμy, trong çc lÜnh vùc nghiªn cøu khoa häc, dïng trong y häc vμ b¶o vÖ m«i tr−êng. 2. Çc øng dông cña enzym Hμng ngμn n¨m tr−íc ®©y loμi ng−êi ®· biÕt ñ chua ®Ó gi÷ thùc phÈm ®−îc l©u h¬n, biÕt lμm b¸nh m×, phom¸t, lμm t−¬ng, nÊu r−îu vμ lμm vang tõ qu¶ nho (b¶ng 4.1). Hai tr−êng ca næi tiÕng cæ Hy l¹p lμ Iliad vμ Odysei (kho¶ng 700 n¨m tr−íc c«ng nguyªn) còng nãi tíi çch lμm phom¸t, chÕ r−îu nho nh−ng ch¼ng ai biÕt ®−îc thñ ph¹m cña qu¸ tr×nh ®ã lμ enzym vi sinh vËt. ë çc n−íc ph−¬ng T©y, c«ng nghiÖp enzym ®−îc hiÓu biÕt chØ xung quanh vÊn ®Ò nÊm men vμ malt, nghÒ truyÒn thèng cña hä xem nh− chØ cã c«ng nghiÖp lμm b¸nh mú lμ ph¸t triÓn. Do ®ã ë nhiÒu n−íc ph¸t triÓn ho¸ sinh tËp trung vμo lªn men s¶n xuÊt men cho c«ng nghiÖp lμm b¸nh mú vμ biÕn ®æi tinh bét thμnh ®−êng. Tr¸i l¹i çc n−íc ph−¬ng §«ng chó ý nhiÒu ®Õn chÕ biÕn thùc phÈm b»ng lªn men. Hä sö dông çc nÊm ¨n lμm nguån enzym. N¨m 1896 ë çc n−íc ph−¬ng T©y cã giíi thiÖu b¸n enzym ®Çu tiªn tõ vi sinh vËt lμ takadiastase tõ Aspergillus oryzae, ®ã lμ enzym thuû ph©n. Ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt enzym nμy ®· ®−îc b¾t ®Çu hμng ngμn n¨m tr−íc ë Ch©u ¸. Otto Rohm nhμ ho¸ häc næi tiÕng ng−êi §øc ®· t¸ch ®−îc protease ®Çu tiªn tõ ph©n chã, sau ®ã ®· tiÕn hμnh chiÕt enzym nμy tõ çc t¹ng cña ®éng vËt. N¨m 1905, ng−êi ta ®· t¸ch ®−îc pancrease tõ gan bß vμ lîn. Vμo gi÷a nh÷ng n¨m 1950 kü thuËt enzym ph¸t triÓn nhanh chãng. Do c«ng nghÖ lªn men ch×m s¶n xuÊt penicillin ®ßi hái nh÷ng hiÓu biÕt míi ®Ó lªn men ë qui m« lín vi sinh vËt s¶n xuÊt enzym, ng−êi ta ®Æc biÖt chó träng ®Õn enzym tõ vi sinh vËt v× çc lý do sau: Sù hiÓu biÕt c¬ b¶n vÒ çc ®Æc ®iÓm cña enzym ®· ®Én ®Õn viÖc sö dông réng r·i enzym vμo çc lÜnh vùc kh¸c nhau cña ®êi sèng. HÇu hÕt çc enzym øng dông trong c«ng nghiÖp ®Òu do vi sinh vËt t¹o ra. Lªn men vi sinh vËt ë qui m« c«ng nghiÖp ®Ó thu nhËn enzym còng lμ mét c«ng nghÖ lªn men nu«i vi sinh vËt ®Ó thu enzym, vi sinh vËt tiÕt çc enzym vμo m«i tr−êng ®Ó ph©n gi¶i c¬ chÊt ®ång ho¸ thøc ¨n tõ m«i tr−êng, enzym cßn d− thõa trong m«i tr−êng ®−îc nghiªn cøu ®Ó thu håi. Nång ®é enzym t¹o ra trong m«i tr−êng th−êng rÊt thÊp (1-2%), viÖc chiÕt t¸ch ®Ó thu enzym d−íi d¹ng tinh khiÕt còng rÊt khã kh¨n, nhÊt lμ çc enzym cã yªu cÇu tinh khiÕt cao dïng trong y häc. VÝ dô 1 gram enzym tinh khiÕt gi¸ vμi tr¨m ®«la, tr¸i l¹i enzym d¹ng th« ho¹t lùc 1% gi¸ chØ cã 1 ®«la/kg. Th−êng sö dông enzym d¹ng th« cho c«ng nghÖ chÕ biÕn thùc phÈm, lμm trong bia, n−íc qu¶ ... PhÇn lín enzym sö dông trong c«ng nghiÖp ®Òu lμ nh÷ng enzym ngo¹i bμo, 42

mét sè enzym kh¸c còng ®−îc s¶n xuÊt c«ng nghiÖp, nh−ng l¹i lμ enzym néi bμo. VÝ dô glucose oxydase dïng b¶o qu¶n thùc phÈm, asparaginase dïng ®iÒu trÞ ung th− m¸u, penicillinamidase (penicillinacylase) dïng ®Ó s¶n xuÊt 6-APA tõ penicillin lμm nguyªn liÖu b¸n tæng hîp kh¸ng sinh nhãm beta lactam. B¶ng 4.1. C¸c enzym vi sinh vËt vµ øng dông cña chóng Enzym

Amylase (ph©n gi¶i tinh bét)

Protease (ph©n gi¶i protein)

Vi sinh vËt

C«ng nghiÖp

øng dông

•

NÊm mèc

•

B¸nh m×

•

B¸nh m×

•

Vi khuÈn

•

Bao bét

•

GiÊy

•

NÊm mèc

•

S¶n xuÊt glucose

•

Thùc phÈm

•

Vi khuÈn

•

Hå ho¸ v¶i

•

Tinh bét

•

NÊm mèc

•

Trî gióp tiªu ho¸

•

D−îc phÈm

•

Vi khuÈn

•

Rò hå v¶i

•

DÖt

•

Vi khuÈn

•

TÈy vÕt bÈn

•

GiÆt lµ

•

NÊm mèc

•

B¸nh m×

•

B¸nh m×

•

Vi khuÈn

•

TÈy vÕt bÈn

•

GiÆt kh«

•

Vi khuÈn

•

Lµm mÒm thÞt

•

ThÞt

•

Vi khuÈn

•

Lµm s¹ch vÕt th−¬ng

•

Y häc

•

Vi khuÈn

•

Xö lý sîi

•

DÖt

•

Vi khuÈn

•

ë gia ®×nh

•

GiÆt lµ

Invertase (thuû ph©n saccharose)

NÊm men

Glucose oxydase

NÊm mèc

Glucose isomerase

Vi khuÈn

Siro fructose tõ ng«

§å uèng nhÑ

Pectinase

NÊm mèc

Läc lµm trong

Vang, n−íc qu¶

Rennin

NÊm mèc

§«ng tô s÷a

Phom¸t

Cellulase

Vi khuÈn

TÈy röa

GiÆt lµ

KÑo xèp cã nh©n

KÑo xèp

•

Lo¹i bá glucose

•

Thùc phÈm

•

KÝt giÊy thö tiÓu ®−êng

•

D−îc phÈm

Nghiªn cøu çc enzym néi bμo vÉn cßn lμ vÊn ®Ò hÊp dÉn nh»m t×m ra çc enzym ®Æc hiÖu dïng trong chÈn ®o¸n vμ ®iÒu trÞ. ViÖc ph¸t hiÖn ra tÝnh chÊt tÈy röa cña enzym ®· lμm cho c«ng nghÖ nμy ph¸t triÓn nhanh chãng trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, nã lμm gi¶m bít ®i lao ®éng ®¬n gi¶n, gi¶m ®i sù « nhiÔm m«i tr−êng. Çc n−íc T©y ©u th−êng giÆt quÇn ¸o b»ng n−íc nãng (65700C) ®Ó quÇn ¸o ®−îc s¹ch, trong khi ®ã ë Mü vμ Canada th−êng giÆt ë 550C. Ng−îc l¹i ë NhËt B¶n l¹i giÆt ë nhiÖt ®é b×nh th−êng nh−ng thêi gian giÆt kÐo dμi h¬n. Nãi chung ®a sè d©n chóng −a thÝch bét giÆt sö dông ë nhiÖt ®é b×nh th−êng (20-300C). 43

Do kü thuËt s¶n xuÊt enzym ngμy cμng ®−îc c¶i tiÕn nªn gi¸ thμnh liªn tôc gi¶m ®i trong nh÷ng n¨m qua. Theo thèng kª cña Phßng Th−¬ng m¹i vμ C«ng nghiÖp Hoa Kú th× doanh thu enzym trªn toμn thÕ giíi kho¶ng 750 - 850 triÖu USD. 80% doanh sè nμy thuéc vμo 3 enzym sau ®©y: biÕn ®æi tinh bét 40%, tÈy röa 30%, chÕ biÕn s÷a 10%. B¶ng 4.2. S¶n xuÊt enzym c«ng nghiÖp ë mét sè n−íc ph−¬ng T©y S¶n l−îng enzym (tÊn)

Tû lÖ %

USA

6.360

NhËt

4.240

§an M¹ch

24.910

Ph¸p

1.590

§øc

3.180

Hµ Lan

10.070

Anh

1.060

Thuþ SÜ

1.060

530

53.000

100

Mét sè n−íc ph−¬ng t©y

C¸c n−íc kh¸c Tæng sè

Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, kü thuËt t¸i tæ hîp ADN ngμy cμng cã nhiÒu øng dông, nh÷ng vi sinh vËt ®−îc biÕn ®æi gen cã n¨ng suÊt t¹o enzym cao h¬n, cïng víi kü thuËt lªn men vμ thu håi s¶n phÈm ngμy cμng hoμn thiÖn nªn gi¸ thμnh enzym liªn tôc gi¶m. Nh÷ng enzym dïng trong y häc lμm kÝt chÈn ®o¸n hay ®iÒu trÞ mét sæ bÖnh hiÓm nghÌo sè l−îng dïng rÊt nhá (mg hoÆc microgram) nh−ng gi¸ cùc kú ®¾t (100.000 ®«la/kg). §Æc biÖt, kü thuËt bÊt ®éng enzym ra ®êi ®· lμm cho çc qu¸ tr×nh s¶n xuÊt tù ®éng ho¸ nªn hiÖu qu¶ sö dông enzym rÊt cao. Kü thuËt bÊt ®éng enzym cã thÓ coi nh− nh÷ng vi chÝp ®iÖn tö trong m¸y tÝnh, lμm cho c«ng nghÖ enzym trë thμnh mét ngμnh khoa häc hÊp dÉn vμ hiÖu qu¶. ChØ cÇn 1 kg penicillinamidase bÊt ®éng trªn m¹ng polyacriamid cã thÓ s¶n xuÊt ®−îc 1000 kg 6-APA. Sù t¨ng tr−ëng cña thÞ tr−êng enzym trªn thÕ giíi theo hai xu h−íng sau: s¶n xuÊt çc enzym dïng trong c«ng nghiÖp víi sè l−îng lín vμ çc enzym cã ®é tinh khiÕt cao víi sè l−îng nhá dïng trong ph©n tÝch, chÈn ®o¸n vμ ®iÒu trÞ. Hai quèc gia nhá bÐ ë Ch©u ©u lμ Hμ Lan vμ §an M¹ch ®−îc coi lμ nh÷ng “c−êng quèc" s¶n xuÊt enzym dïng trong c«ng nghiÖp (b¶ng 4.2). Trong lÜnh vùc nghiªn cøu vÒ enzym hiÖn nay ng−êi ta tËp trung vμo viÖc xö lý nguån c¬ chÊt v« tËn lμ lignocellulose, mong muèn biÕn ®æi chóng thμnh nh÷ng s¶n phÈm cã Ých phôc vô cho loμi ng−êi. 44

3. Kü thuËt di truyÒn trong c«ng nghÖ enzym Kü thuËt t¸i tæ hîp ADN cho phÐp chuyÓn mét gen ®iÒu khiÓn sinh tæng hîp mét enzym cã Ých nμo ®ã tõ c¬ thÓ nμy sang mét c¬ thÓ kh¸c. C¬ thÓ nhËn gen ngo¹i lai gäi lμ vËt chñ. Môc ®Ých cña qu¸ tr×nh chuyÓn gen nμy lμ ®Ó t¹o ra mét vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng sinh tæng hîp enzym cã Ých mμ viÖc nu«i vi sinh vËt nμy trong ®iÒu kiÖn ®¬n gi¶n h¬n, qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ enzym dÔ dμng h¬n. Nh− vËy sÏ hiÖu qu¶ kinh tÕ h¬n. Nguyªn t¾c chuyÓn gen ®Ó t¹o enzym ®−îc minh ho¹ ë s¬ ®å h×nh 4.1. B»ng kü thuËt chuyÓn gen nªu trªn, h·ng Novo Nordisk ®· thùc hiÖn chuyÓn ®o¹n ADN gen tõ nÊm mèc Humicola languinosa sang cho Aspergillus oryzae t¹o ®−îc enzym lipolase s¶n xuÊt thÝch hîp trªn qui m« c«ng nghiÖp dïng trong nghiªn cøu enzym. C«ng nghiÖp tÈy röa ®¹t hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. Lipolase bÒn v÷ng ë nhiÖt ®é vμ çc pH kh¸c nhau. Sù biÕn ®æi çc enzym nh»m c¶i thiÖn ®Æc ®iÓm xóc t¸c cña chóng chØ míi thùc hiÖn trong vμi thËp kû võa qua. Tr−íc ®©y, c«ng viÖc ®ã x¶y ra mét çch ngÉu nhiªn, cßn hiÖn nay mäi sù thay ®æi ®Òu cã thÓ thiÕt kÕ m« h×nh vμ thùc hiÖn nã mét çch chñ ®éng vμ cã hiÖu qu¶. B¶ng 4.4 cho ta thÊy çc môc tiªu chÝnh ®Ó nghiªn cøu enzym. Sù ph¸t triÓn cña VSV víi enzym ®− îc sö dông

Tinh chÕ enzym

Tinh chÕ mARN tæn g hîp

Ph©n tÝch mét phÇn chuçi amino acid

mARN

Tæng hîp c¸c mÉu oligonu cleotid

T¸i tæ hî p AND vµo E.coli (c.ADN)

X¸c ®Þnh cADN sîi ®¬n b»ng c¸ch lai víi mÉu oligo

ChuyÓn vµo vËt chñ SX c«ng nghiÖp (Aspergillus oryzae)

S¶n xuÊt c«ng nghiÖp enzym

H×nh 4.1. Nguyªn t¾c chuyÓn gen ®Ó t¹o enzym

B¶ng 4.4. Nh÷ng vÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu ®Ó biÕn ®æi enzym •

N©ng cao ho¹t tÝnh cña enzym.

•

T¨ng ®é æn ®Þnh.

•

Cho phÐp enzym ho¹t ®éng ë m«i tr−êng thay ®æi.

•

Thay ®æi pH hoÆc nhiÖt ®é tèi −u.

•

Thay ®æi h¼n ®Æc tÝnh cña enzym nh− chóng cã thÓ xóc t¸c cho sù biÕn ®æi mét c¬ chÊt hoµn toµn kh¸c.

•

Thay ®æi ph¶n øng xóc t¸c.

•

N©ng cao hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh.

Kü thuËt protein cßn ®−îc gäi lμ “phÉu thuËt ph©n tö” ®· ®−îc sö dông ®Ó thùc hiÖn biÕn ®æi çc ph©n tö enzym. Kü thuËt protein cña enzym cã liªn quan ®Õn m« h×nh kh«ng gian ba chiÒu cña mét enzym tinh khiÕt khi tiÕn hμnh nhiÔu x¹ ph©n tö b»ng tia X. Sù thay ®æi cÊu tróc cña enzym còng cã thÓ lμ kÕt qu¶ lμm t¨ng tÝnh æn ®Þnh cña enzym. VÝ dô, pH vμ nhiÖt ®é, yªu cÇu biÕn ®æi ph©n tö enzym ®−îc thùc hiÖn b»ng chÝnh sù thay ®æi m· di truyÒn cña vi sinh vËt t¹o ra enzym. Cã hai con ®−êng chÝnh ®Ó nghiªn cøu thùc hiÖn môc tiªu ®ã. Thø nhÊt lμ ®ét biÕn gen ®Ó vi sinh vËt t¹o ra enzym cã cÊu tróc mμ thμnh phÇn vμ tr×nh tù çc amino acid thay ®æi. Ph−¬ng ph¸p thø hai cã liªn quan ®Õn chiÕt xuÊt enzym tù nhiªn vμ lμm biÕn ®æi cÊu tróc ph©n tö cña chÝnh enzym ®ã b»ng ho¸ häc - ®«i khi cßn gäi lμ ®ét biÕn “ho¸ häc”. Mét vÝ dô ®Ó minh ho¹ cho ®iÒu ®ã lμ: ®· lμm biÕn ®æi cÊu tróc cña enzym phospholipase A2 bÒn v÷ng h¬n trong m«i tr−êng acid vμ enzym nμy ®−îc øng dông réng r·i trong c«ng nghiÖp chÕ biÕn s÷a. Râ rμng lμ kü thuËt gen vμ vμ kü thuËt protein ®· ®ãng vai trß quan träng trong viÖc nghiªn cøu enzym dïng trong c«ng nghiÖp. Kü thuËt gen gãp phÇn lμm gi¶m gi¸ thμnh s¶n phÈm, t¹o ra çc enzym míi tõ vi sinh vËt, çc ch−¬ng tr×nh nghiªn cøu sÏ ph¸t triÓn nhanh h¬n ... 4. Kü thuËt s¶n xuÊt enzym MÆc dï cã nhiÒu enzym ®−îc sö dông cã nguån gèc tõ thùc vËt vμ ®éng vËt, song nguån enzym ®ã kh«ng thÓ tho¶ m·n nhu cÇu cña cuéc sèng, v× vËy ph¶i t×m nguån enzym phong phó tõ vi sinh vËt. Ngay c¶ qu¸ tr×nh ®−êng ho¸ tinh bét tr−íc ®©y sö dông malt (thãc mÇm), th× ngμy nay còng ®· ®−îc thay thÕ b»ng amylase tõ vi sinh vËt hiÖu qu¶ h¬n. Sö dông vi sinh vËt ®Ó s¶n xuÊt enzym cã mÊy lîi thÕ sau:

−

Ho¹t tÝnh cao trªn mét ®¬n vÞ s¶n phÈm tÝnh theo träng l−îng kh«.

−

Kh«ng phô thuéc vμo thêi tiÕt, thêi vô do qu¸ tr×nh thùc hiÖn trong thiÕt bÞ kÝn cã ®iÒu khiÓn.

−

C¸c enzym vi sinh vËt cã ®Æc ®iÓm lμ ho¹t ®é m¹nh trong ph¹m vi réng cña pH vμ nhiÖt ®é, ®ång thêi còng cã tÝnh chän läc cao (asparaginase).

−

Di truyÒn c«ng nghiÖp cho phÐp lùa chän vμ t¹o ra nh÷ng vi sinh vËt cho hiÖu suÊt enzym cao, dÔ dμng lªn men vμ chiÕt xuÊt, tinh chÕ... C¸c enzym ®Æc biÖt khã s¶n xuÊt th−êng ®−îc chuyÓn gen vμo nh÷ng vËt chñ nh− Aspergillus oryzae v× ®· biÕt râ ®Æc ®iÓm ph¸t triÓn cña chóng nªn kh«ng cÇn ph¶i nghiªn cøu tèn kÐm.

§Ó chän nh÷ng vi sinh vËt s¶n xuÊt enzym cÇn chó ý çc tiªu chuÈn sau ®©y: vi sinh vËt ®ã ®ßi hái ®iÒu kiÖn lªn men ®¬n gi¶n, enzym ngo¹i bμo, qui tr×nh thu s¶n phÈm vμ tinh chÕ kh«ng phøc t¹p, enzym æn ®Þnh trong kho¶ng nhiÖt ®é vμ pH réng. Tuú theo môc ®Ých sö dông mμ chän çc enzym cho phï hîp. VÝ dô, çc enzym dïng trong y häc cÇn ho¹t tÝnh enzym cao ë pH trung tÝnh. Çc enzym dïng trong c«ng nghiÖp tÈy röa cÇn cã ho¹t tÝnh cao ë pH kiÒm. Nguyªn liÖu cho c«ng nghiÖp lªn men s¶n xuÊt enzym ph¶i ®¬n gi¶n, rÎ tiÒn. Th−êng dïng bét cña çc lo¹i ngò cèc hoÆc rØ ®−êng, cao ng«. S¶n xuÊt enzym c«ng nghiÖp cã thÓ dïng ph−¬ng ph¸p lªn men xèp hay lªn men ch×m nh− ®· m« t¶ ë Ch−¬ng 3. Kü thuËt lªn men. Ph−¬ng ph¸p lªn men xèp s¶n xuÊt enzym th−êng ¸p dông nu«i nÊm mèc ®· ®−îc øng dông tõ l©u ë mét sè n−íc nh− NhËt B¶n, çc n−íc vïng ViÔn §«ng ®Ó s¶n xuÊt amylase, protease, pectinase vμ cellulase. Lªn men ch×m s¶n xuÊt enzym ®−îc tiÕn hμnh trong çc thiÕt bÞ gièng nh− lªn men s¶n xuÊt kh¸ng sinh (h×nh 4.2).

H×nh 4.2. S¬ ®å minh ho¹ c¸c giai ®o¹n s¶n xuÊt enzym d¹ng dung dÞch 1. èng gièng, 2. Nu«i trªn m¸y l¾c, 3. B×nh nh©n gièng, 4. ThiÕt bÞ lªn men chÝnh, 5. Läc h×nh trèng, 6. Sinh khèi, 7. Cét thÈm thÊu ng−îc, 8. Läc v« khuÈn, 9. Lµm l¹nh vµ kÕt tña b»ng NaCl, 10. Läc thu s¶n phÈm, 11. SÊy kh«, 12. KiÓm tra chÊt l−îng, 13. S¶n phÈm tinh khiÕt.

M«i tr−êng lªn men còng bao gåm c¸c chÊt cung cÊp n¨ng l−îng nh− hydrat carbon, nguån nit¬, m«i tr−êng ®−îc khö trïng trong thiÕt bÞ lªn men, sau ®ã truyÒn gièng vμ tiÕn hμnh lªn men tõ 30 - 150 giê tuú theo chñng vi sinh vËt. C«ng nghiÖp s¶n xuÊt th−êng sö dông thiÕt bÞ tõ 10 - 50 m3. Enzym th−¬ng phÈm ®−îc s¶n xuÊt d−íi hai d¹ng: d¹ng bét kh« vμ d¹ng láng, cã thÓ lμ d¹ng th« hoÆc d¹ng tinh khiÕt (h×nh 4.3).

H×nh 4.3. S¬ ®å chiÕt xuÊt vµ tinh chÕ enzym

Tuy nhiªn, dï s¶n xuÊt ë d¹ng nμo ®i n÷a nÕu c¸c enzym ®ã sö dông trong thùc phÈm hay y häc ®Òu ph¶i thö ®éc tÝnh cña chóng råi míi cho phÐp dïng. Trªn thùc tÕ ®Ó s¶n xuÊt enzym cã ®é an toμn cao cÇn chän nh÷ng vi sinh vËt kh«ng t¹o ra ®éc tè, ®ång thêi nguyªn liÖu dïng s¶n xuÊt còng l−u ý ®Õn viÖc cã t¹o ra ®éc tè hay kh«ng. VÝ dô, nÕu nu«i Aspergillus flavus trªn m«i tr−êng cã kh« l¹c, hay bét l¹c nhÊt ®Þnh sÏ t¹o ra aflatoxin lμ chÊt g©y ung th− gan. 48

Cho ®Õn nay míi chØ cã mét sè l−îng nhá vi sinh vËt ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt enzym. V× vËy h−íng nghiªn cøu t×m kiÕm enzym tõ vi sinh vËt vÉn cßn lμ vÊn ®Ò thêi sù vμ hÊp ®Én. 5. Ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym (immobilised enzym) ViÖc sö dông enzym ®Ó ph©n gi¶i c¬ chÊt cÇn l−u ý ®Õn tÝnh chÊt sau ®©y cña enzym ®Ó khái l·ng phÝ: nÕu enzym ë d¹ng hoμ tan hoÆc tù do trén vμo cïng víi c¬ chÊt ®Ó tiÕn hμnh ph¶n øng th× enzym chØ sö dông ®−îc mét lÇn. V× khi ph¶n øng kÕt thóc ta kh«ng thÓ lÊy l¹i enzym ®ã ®Ó sö dông lÇn sau. Do ®ã kü thuËt bÊt ®éng enzym ra ®êi, vÒ nguyªn lý cã thÓ m« t¶ tãm t¾t nh− sau: enzym ®· tinh chÕ ë d¹ng tinh khiÕt ®−îc g¾n hoÆc gãi trong nh÷ng polymer kh«ng hoμ tan trong n−íc, hoÆc hÊp phô trªn çc chÊt tr¬ v« c¬ hoÆc h÷u c¬. Çc h¹t enzym nμy ®−îc nhåi vμo çc cét h×nh trô cã kÝch th−íc thÝch hîp, sau ®ã cho dung dÞch c¬ chÊt ch¶y qua, enzym sÏ thùc hiÖn ph¶n øng ph©n c¾t c¬ chÊt thμnh s¶n phÈm t−¬ng øng. Thu lÊy s¶n phÈm ®Ó thùc hiÖn çc b−íc tinh chÕ tiÕp sau. Cã thÓ bÊt ®éng ho¸ çc enzym hoÆc çc tÕ bμo vi sinh vËt chøa enzym t−¬ng øng (h×nh 4.4). Khi enzym hoÆc tÕ bμo ®· bÊt ®éng ho¸ th× ph¶n øng ph©n gi¶i c¬ chÊt ®−îc thùc hiÖn liªn tôc víi hiÖu suÊt cao, nÕu duy tr× ®−îc çc ®iÒu kiÖn ph¶n øng kh«ng thay ®æi th× qu¸ tr×nh cã thÓ gi÷ ®−îc hμng ngμn giê, cã nh÷ng qu¸ tr×nh ph¶n øng kÐo dμi ®−îc 100 ngμy míi ph¶i thay ®æi enzym míi. Do ®ã enzym ®−îc sö dông nhiÒu lÇn, gi¸ thμnh s¶n xuÊt mét ®¬n vÞ s¶n phÈm sÏ gi¶m ®i rÊt nhiÒu. Enzym ®−îc bÊt ®éng b»ng çch nμo? Trªn thùc tÕ sö dông c¶ ph−¬ng ph¸p vËt lý vμ ho¸ häc ®Ó bÊt ®éng enzym. B»ng ph−¬ng ph¸p vËt lý enzym cã thÓ ®−îc hÊp phô lªn trªn mét çi khu«n kh«ng hoμ tan, hoÆc ®−îc gãi vμo trong mét gel, hoÆc trong capsul thμnh çc h¹t vi nang, hoÆc d¸n vμo phÝa sau mét mμng b¸n thÊm (h×nh 4.4).

a. C¸c kiÓu bÊt ®éng enzym

b. BÊt ®éng enzym víi glutaraldehyd

H×nh 4.4. Kü thuËt bÊt ®éng enzym vµ tÕ bµo

B»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc, ph©n tö enzym ®−îc nèi l¹i víi nhau t¹o thμnh çc sîi ngang däc b»ng ph¶n øng gi÷a çc nhãm amin cña enzym víi t¸c nh©n polymer ho¸ cña mét ho¸ chÊt nh− glutaraldehyd. Cã nhiÒu ph¶n øng ho¸ häc cã thÓ sö dông ®Ó bÊt ®éng enzym b»ng çch nμy çc nhãm chøc n¨ng kh«ng chÝnh yÕu cña chóng ®−îc g¾n víi çc chÊt mang v« c¬ nh− gèm, thuû tinh, s¾t, titan ... hoÆc víi çc polymer thiªn nhiªn nh− sepharose vμ cellulose, víi çc polymer tæng hîp nh− nilon, polyacriamid, çc polymer vinyl kh¸c vμ chÝnh çc polymer nμy gi÷ ®−îc çc nhãm ho¸ chøc ho¹t ®éng trë l¹i. Trong nhiÒu thñ thuËt thùc hiÖn ®Ó gãi enzym víi chÊt mang b»ng ph−¬ng ph¸p nμy nhËn thÊy çc nhãm ho¹t ®éng ho¸ häc bÞ ph©n t¸n lén xén. V× thÕ çc nghiªn cøu gÇn ®©y ®· chó ý ®Õn kü thuËt bÊt ®éng enzym sao cho çc enzym khi g¾n víi chÊt mang kh«ng bÞ mÊt hoÆc gi¶m ®i ho¹t tÝnh cña m×nh. Giíi h¹n cña kü thuËt bÊt ®éng enzym ®−îc tr×nh bμy ë b¶ng 4.5. B¶ng 4.5. Nh÷ng h¹n chÕ cña kü thuËt bÊt ®éng enzym Ph−¬ng ph¸p

¦u ®iÓm

Nh−îc ®iÓm

Sù g¾n kÕt ®−¬ng l−îng

Kh«ng bÞ ¶nh h−ëng cña pH, ion cña m«i tr−êng hoÆc nång ®é c¬ chÊt

L−íi ho¹t ®éng cã thÓ biÕn ®æi gi¸ thµnh ®¾t

Polymer ho¸ ®−¬ng l−îng

Enzym ho¹t ®éng m¹nh, chËm mÊt ho¹t tÝnh

Ho¹t tÝnh bÞ mÊt trong khi kh«ng hiÖu qu¶ ®èi víi c¸c c¬ chÊt cã ph©n tö l−îng lín; kh«ng cã kh¶ n¨ng t¸i sinh

HÊp phô

§¬n gi¶n, enzym kh«ng bÞ biÕn ®æi, cã thÓ thu håi chÊt mang, gi¸ thµnh thÊp

BÞ thay ®æi trong m«i tr−êng ion ho¸ m¹nh, enzym bÞ ®Èy ra dïng cho protease

Enzym kh«ng bÞ biÕn ®æi vÒ ho¸ häc

C¬ chÊt khuÕch t¸n vµo trong s¶n phÈm ®i ra ngoµi, chuÈn bÞ khã kh¨n, enzym bÞ mÊt ho¹t tÝnh, kh«ng hiÖu qu¶ ®èi víi c¬ chÊt cã ph©n tö lín

BÉy häc

b»ng

ho¸

Kü thuËt “bÉy” enzym vμo trong çc gel lμ mét thμnh c«ng khi tiÕn hμnh polymer ho¸ hoÆc t¹o h¹t b»ng çc ph¶n øng ®«ng tô. Polyacriamid, collagen, silicagel ... lμ nh÷ng chÊt tá ra thÝch hîp cho kü thuËt nμy. Tuy nhiªn qu¸ tr×nh t¹o gel khã kh¨n vμ hiÖu qu¶ ho¹t tÝnh cña enzym thÊp. Trªn thùc tÕ th−êng cã khuynh h−íng bÊt ®éng tÕ bμo h¬n lμ bÊt ®éng enzym v× bá qua ®−îc c«ng ®o¹n chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ enzym mÊt thêi gian, tèn kÐm. BÊt ®éng tÕ bμo ®ang lμ vÊn ®Ò cã tiÒm n¨ng to lín, bëi v× nã cho phÐp thùc hiÖn kh«ng chØ ®èi víi viÖc t¹o ra çc s¶n phÈm chuyÓn ho¸ s¬ cÊp, mμ cßn øng dông ®Ó biÕn ®æi ®Ó t¹o ra çc s¶n phÈm chuyÓn ho¸ thø cÊp rÊt cã gi¸ trÞ, nh− çc kh¸ng sinh b¸n tæng hîp, çc steroid, ®iÒu khiÓn liªn tôc çc qu¸ tr×nh ho¸ häc th«ng qua çc ®iÖn cùc enzym, xö lý n−íc th¶i, cè ®Þnh nit¬... (b¶ng 4.6). 50

B¶ng 4.6. Nh÷ng −u ®iÓm cña c¸c chÊt xóc t¸c sinh häc bÊt ®éng •

Cho phÐp sö dông enzym nhiÒu lÇn

•

Cã thÓ tiÕn hµnh qu¸ tr×nh liªn tôc

•

S¶n phÈm lµ nh÷ng enzym tù do

•

Cho phÐp kiÓm tra chÆt chÏ h¬n qu¸ tr×nh xóc t¸c

•

C¶i thiÖn ®−îc ®é æn ®Þnh cña enzym

•

Cho phÐp ph¸t triÓn hÖ thèng ph¶n øng nhiÒu enzym

•

Cung cÊp tiÒm n¨ng to lín cho c«ng nghiÖp vµ y häc.

Do kÕt qu¶ øng dông thμnh c«ng çc ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym vμ tÕ bμo t¹o ra çc nang, çc h¹t, çc cét vμ çc mμng chøa çc enzym, nhiÒu kiÓu b×nh ph¶n øng sinh häc ®−îc chÕ t¹o ®Ó ®¸p øng cho nghiªn cøu trong phßng thÝ nghiÖm còng nh− trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. Trªn thùc tÕ çc ®Æc ®iÓm xóc t¸c cóa çc enzym c« lËp, bÊt ®éng çc enzym hay tÕ bμo ®−îc thùc hiÖn trong çc b×nh ph¶n øng sinh häc. HÖ thèng b×nh ph¶n øng sinh häc cã nhiÒu kiÓu d¸ng kh¸c nhau, nã phô thuéc vμo kiÓu ph¶n øng vμ ®é æn ®Þnh cña çc enzym (h×nh 4.2). Mét sè n−íc ®· sö dông ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng penicillin-acylase ®Ó s¶n xuÊt 6-APA tõ penicillin G hoÆc V. Tõ 6-APA cã thÓ thay thÕ çc m¹ch bªn kh¸c nhau mμ thu ®−îc çc kh¸ng sinh b¸n tæng hîp cã ho¹t phæ kh¸c nhau dïng trong y häc. Trung b×nh mçi n¨m toμn thÕ giíi s¶n xuÊt kho¶ng 5000 tÊn 6-APA. Glucoisomease ®−îc sö dông ë MÜ, NhËt b¶n vμ ch©u ¢u ®Ó s¶n xuÊt siro fructose tõ tinh bét.

a. B×nh ph¶n øng cã khuÊy trén

b. C¸c b×nh ph¶n øng liªn tôc d¹ng kÝn

c. B×nh ph¶n øng liªn tôc kiÓu tÇng s«i

H×nh 4.5. C¸c kiÓu b×nh ph¶n øng sinh häc chøa enzym hoÆc tÕ bµo bÊt ®éng

Hμng ngμn tÊn siro fructose ®· ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym (h×nh 4.6).

H×nh 4.6. S¬ ®å s¶n xuÊt fructose tõ tinh bét

Mét ®èi t−îng kh¸c còng rÊt quan träng ®ã lμ sö dông ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym aminoacylase ®Ó s¶n xuÊt acid amin. Çc cét chøa aminoacylase ®−îc sö dông ë NhËt B¶n ®Ó s¶n xuÊt hμng ngμn kilogram L - methionin, L phenylalanin, L - tryptophan vμ L - valin. Enzym liªn kÕt d¹ng polymer ®−îc sö dông réng r·i trong ph©n tÝch ho¸ häc vμ ho¸ l©m sμng. Çc cét enzym bÊt ®éng ®−îc sö dông nhiÒu lÇn coi nh− nh÷ng xóc t¸c ®Æc biÖt ®Ó ph¸t hiÖn c¬ chÊt. Çc ®iÖn cùc enzym ®−îc chÕ t¹o gièng nh− nh÷ng detector kiÓu míi hoÆc çi c¶m biÕn sinh häc (biosensor) dïng thö nghiÖm ®o thÕ hoÆc dßng ®iÖn dïng cho c¬ chÊt nh− urª, amino acid, 52

glucose, alcol vμ acid lactic. Trong thiÕt kÕ chÕ t¹o sao cho ®iÖn cùc cã t¸c dông nh− c¸i c¶m biÕn ®iÖn ho¸ khi ®ãng m¹ch enzym cã thÓ thÊm qua mμng b¸n thÊm ®Ó ph¶n øng víi c¬ chÊt (h×nh 4.7).

H×nh 4.7. S¬ ®å ®¬n gi¶n cña biosensor g¾n víi ®iÖn cùc ®iÖn ho¸ vµ enzym bÊt ®éng trªn mµng b¸n thÊm

Çc enzym g¾n vμo mμng t¹o oxy, çc ion hydro, amoni, carbonic vμ çc ph©n tö nhá kh¸c tuú thuéc vμo ph¶n øng cña enzym. MÆc dï çc thμnh phÇn sinh häc ë çi c¶m biÕn sinh häc cã thÓ lμ enzym hoÆc hÖ thèng nhiÒu enzym, nã còng cã thÓ lμ mét kh¸ng thÓ, mét tÕ bμo vi sinh vËt hoÆc çc mÈu cña m«. Kü thuËt enzym thùc nghiÖm lμ mét qu¸ tr×nh rÊt lý thó, nh− çc qu¸ tr×nh chÕ biÕn thùc phÈm, d−îc phÈm, c«ng nghiÖp ho¸ häc, xö lý n−íc th¶i ... cã ý nghÜa rÊt to lín sÏ lÇn l−ît ®−îc xem xÐt ë çc ch−¬ng tiÕp theo. Trong t−¬ng lai nh÷ng thμnh tùu nghiªn cøu míi trong lÜnh vùc enzym sÏ gi¶i quyÕt nh÷ng vÊn ®Ò thiÕt yÕu cña cuéc sèng nh−: ®Ó b¶o vÖ m«i tr−êng, vÊn ®Ò n¨ng l−îng, thùc phÈm vμ nh÷ng nhu cÇu cao cÊp kh¸c cña loμi ng−êi.

Tù l−îng gi¸ 1. KÓ tªn çc vi sinh vËt ®−îc sö dông trong c«ng nghiÖp ®Ó s¶n xuÊt enzym. Nªu −u thÕ cña vi sinh vËt trong s¶n xuÊt enzym. 2. KÓ tªn çc ph−¬ng ph¸p lªn men ®−îc dïng chñ yÕu trong s¶n xuÊt enzym. 3. KÓ tªn çc çc ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym, tªn vμ ®Æc ®iÓm çc c¬ chÊt th−êng ®−îc sö dông trong bÊt ®éng enzym? 53

Ch−¬ng 5

S¶n xuÊt Protein ®¬n bμo

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. TÇm quan träng cña s¶n xuÊt protein ®¬n bμo, c¸c −u nh−îc ®iÓm c¬ b¶n cña protein ®¬n bμo. 2. Tªn c¸c chñng vi sinh vËt th−êng sö dông ®Ó s¶n xuÊt protein ®¬n bμo vμ ®Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh lªn men tõng chñng.

1. Sù cÇn thiÕt s¶n xuÊt protein ®¬n bμo VÊn ®Ò chÝnh bao trïm thÕ giíi lμ vÊn ®Ò d©n téc vμ d©n sè. VÊn ®Ò d©n téc hay s¾c téc thuéc ph¹m trï cña chÝnh trÞ x· héi. VÊn ®Ò d©n sè lμ vÊn ®Ò ph¸t triÓn riªng cña mçi quèc gia. HiÖn nay d©n sè thÕ giíi kho¶ng 6 tØ ng−êi. Møc t¨ng b×nh qu©n hμng n¨m kho¶ng 95 triÖu. Dù tÝnh ®Õn n¨m 2050 d©n sè thÕ giíi lμ 10 tØ. Víi tr×nh ®é ph¸t triÓn n«ng nghiÖp nh− hiÖn nay th× kh«ng thÓ cung cÊp ®ñ l−¬ng thùc thùc phÈm cho nh©n lo¹i, ®Æc biÖt lμ nguån protein kh«ng thÓ tho¶ m·n ®ßi hái cña nhu cÇu. Tæ chøc L−¬ng thùc vμ n«ng nghiÖp thÕ giíi (FAO) ®· c¶nh b¸o vÒ sù thiÕu hôt protein gi÷a çc quèc gia ph¸t triÓn vμ çc quèc gia ®ang ph¸t triÓn. Ýt nhÊt 25% d©n sè thÕ giíi hiÖn nay ®ãi vμ thiÕu dinh d−ìng. §¹i ®a sè trong sè nμy lμ ë çc n−íc ®ang ph¸t triÓn. D©n sè ë çc n−íc ®ang ph¸t triÓn tiªu thô protein chØ ë møc 12 g protein ®éng vËt/ng−êi/ngμy. ViÖc trång çc gièng c©y cã hμm l−îng protein cao nh− ®Ëu t−¬ng, l¹c còng khã kh¨n v× cßn ph¶i phô thuéc nhiÒu vμo thêi tiÕt m−a n¾ng kh«ng thuËn hoμ, s©u bÖnh ph¸ ho¹i ... §Ó ®¶m b¶o nguån protein cÇn thiÕt ®ã cho loμi ng−êi kh«ng thÓ cã con ®−êng nμo kh¸c lμ con ®−êng s¶n xuÊt protein tõ vi sinh vËt. Protein ®¬n bμo (single cell protein - SCP) lμ thuËt ng÷ ®−îc gäi theo qui −íc dïng ®Ó chØ vËt chÊt tÕ bμo vi sinh vËt (bao gåm c¶ ®¬n bμo lÉn ®a bμo nh− vi khuÈn, nÊm men, nÊm sîi, nÊm ¨n vμ t¶o) ®−îc sö dông lμm thøc ¨n cho ng−êi vμ ®éng vËt. ThuËt ng÷ nμy thËt ra kh«ng hoμn toμn chÝnh x¸c v× s¶n phÈm t¹o ra kh«ng ph¶i lμ mét protein nguyªn chÊt, mμ lμ sinh khèi tÕ bμo cña vi sinh vËt, trong ®ã chØ chøa kho¶ng 40-80% protein (b¶ng 5.1).

Tõ cæ x−a c¶ hai nÒn v¨n ho¸ ph−¬ng §«ng vμ ph−¬ng T©y ®· biÕt chÕ biÕn thùc phÈm b»ng vi sinh vËt. Trong khÈu phÇn ¨n ®· cã chøa c¸c vi sinh vËt ®ã cho c¶ ng−êi vμ vËt nu«i. S÷a chua, d−a chua, chao, t−¬ng, m¾m chua ... ®Òu chøa vi sinh vËt. Tuy nhiªn qu¸ tr×nh s¶n xuÊt c«ng nghiÖp ®Çu tiªn c¸c vi sinh vËt cho môc ®Ých dinh d−ìng ®· x¶y ra ë §øc vμo thêi kú §¹i chiÕn thÕ giíi lÇn thø nhÊt, lóc ®ã ®−îc gäi lμ nÊm men “Torula”. Sau chiÕn tranh mèi quan t©m cña §øc gi¶m ®i, song nã l¹i ®−îc phôc håi vμo nh÷ng n¨m 30, vμ trong §¹i chiÕn thÕ giíi lÇn thø hai kho¶ng 15.000 tÊn nÊm men ®· ®−îc s¶n xuÊt mçi n¨m nh»m phôc vô nhu cÇu protein cho binh lÝnh vμ th−êng d©n. Chñ yÕu ®Ó nÊu sóp vμ lμm xóc xÝch. Sau thÕ chiÕn thø hai Mü vμ Anh còng quan t©m ®Õn s¶n xuÊt sinh khèi nÊm men ®Ó phôc vô nhu cÇu ch¨n nu«i c«ng nghiÖp. Tõ gi÷a nh÷ng n¨m 50, c«ng nghiÖp s¶n xuÊt nÊm men míi ®−îc thóc ®Èy m¹nh mÏ. B¶ng 5.1. Thµnh phÇn ho¸ häc cña tÕ bµo mét sè lo¹i nÊm ®−îc sö dông lµm protein ®¬n bµo (SCP) Pacilomyces vaioti

Fusarium graminearum

Candida utilis

Träng l−îng kh« (%)

96,0

94,2

91,0

Protein th« (% N x 6,25)

55,0

54,1

ChÊt bÐo (%)

1,0

1,35

Tro (%)

5,0

6,1

11,0

Lysin (g/16g N)

6,5

3,5

7,2

Methionin (g/16 g N)

1,9

1,23

1,0

Cystin vµ Cystein (g/16 g N)

1,0

0,75

1,0

Thµnh phÇn

Héi nghÞ lÇn thø nhÊt vÒ SCP t¹i ViÖn kü thuËt Massachusett n¨m 1967 ®· cã nhiÒu dù ¸n thùc nghiÖm s¶n xuÊt SCP. Riªng H·ng British Petroleum (BP) ®· tr×nh bμy b¸o ço vÒ s¶n xuÊt c«ng nghiÖp SCP. §Õn héi nghÞ lÇn thø hai vμo n¨m 1973 th× nhiÒu h·ng thuéc nhiÒu n−íc kh¸c nhau ®· s¶n xuÊt trªn qui m« c«ng nghiÖp vμ chøng minh ®−îc kh¶ n¨ng kü thuËt cña hä. Còng chÝnh n¨m 1973 s¶n xuÊt SCP tõ hydrocarbon còng ®−îc ®Èy m¹nh. Nguyªn nh©n nμo ®· thóc ®Èy nhiÒu n−íc ph¶i s¶n xuÊt SCP? ë çc n−íc ph¸t triÓn cã møc sèng cao, çc thøc ¨n hçn hîp giμnh cho ®éng vËt ®ßi hái ph¶i chøa çc nguån protein cã chÊt l−îng cao (bét ç, bét ®Ëu t−¬ng) ®Ó s¶n xuÊt ra trøng, thÞt bß, lîn, gμ ®ñ tiªu chuÈn. Tuy nhiªn nÕu dïng çc thøc ¨n cã chÊt l−îng cao kÓ trªn gi¸ thμnh s¶n phÈm sÏ cao. SCP dïng ch¨n nu«i ®Ó s¶n xuÊt thÞt, trøng, s÷a ®· mang l¹i hiÖu qu¶ to lín, gi¸ thμnh s¶n phÈm gi¶m. C«ng nghiÖp ch¨n nu«i ®· b−íc sang mét trang míi, ng−êi ta nãi ®Õn canh t¸c kh«ng cÇn ®Êt ®ai, kh«ng phô thuéc vμo thêi tiÕt, khÝ hËu. Canh t¸c trong nåi lªn men chÝnh lμ ý nghÜa ®ã. 55

So víi s¶n xuÊt c¸c nguån protein truyÒn thèng, s¶n xuÊt SCP cã nh÷ng −u thÕ sau: −

Tèc ®é s¶n xuÊt t¨ng nhanh.

−

Hμm l−îng protein cao (30-80% tÝnh theo träng l−îng kh«).

−

Cã thÓ dïng c¸c nguån carbon kh¸c nhau (mμ mét sè chÊt ®−îc coi lμ chÊt th¶i).

−

NhiÒu chñng vi sinh vËt cho n¨ng suÊt cao, hμm l−îng protein cao vμ chÊt l−îng tèt.

−

DiÖn tÝch s¶n xuÊt nhá, s¶n l−îng cao.

−

Kh«ng phô thuéc vμo mïa vô, thêi tiÕt.

Mét nh−îc ®iÓm quan träng cña SCP lμ do chóng chøa mét hμm l−îng acid nucleic cao, ®Æc biÖt lμ ë vi khuÈn vμ nÊm men. NÕu çc lo¹i nμy ®−îc sö dông cho ng−êi th× sÏ lμ mét vÊn ®Ò cÇn quan t©m, v× ë ng−êi thiÕu enzym uricase xóc t¸c cho sù oxy ho¸ acid uric thμnh allantoin dÔ hoμ tan. NÕu ¨n nhiÒu çc dÉn chÊt chøa purin sÏ lμm t¨ng hμm l−îng acid uric trong m¸u, acid nμy sÏ t¹o thμnh çc sái ®äng l¹i ë khíp x−¬ng vμ trong bÓ thËn, dÔ sinh ra sái thËn. Hμng ngμy mçi ng−êi lín chØ nªn ¨n 20 g nÊm men (tÝnh theo träng l−îng kh«). §· cã nh÷ng ph−¬ng ph¸p nªu ra nh»m lμm gi¶m hμm l−îng acid nucleic trong SCP. Tuy nhiªn çc ph−¬ng ph¸p xö lý Êy sÏ dÉn ®Õn viÖc lμm gi¶m gi¸ trÞ sinh häc cña protein ®¬n bμo. Çc ph−¬ng ph¸p ®ã cã thÓ lμ: −

Thuû ph©n b»ng kiÒm.

−

ChiÕt b»ng ho¸ chÊt.

−

Ho¹t ho¸ ARNase (b»ng xö lý nhiÖt).

VÒ hiÖu suÊt sinh tæng hîp protein cña vi sinh vËt th× cao h¬n nhiÒu lÇn so víi ®éng vËt ch¨n nu«i trong c¸c trang tr¹i (b¶ng 5.2). Th−êng so s¸nh n¨ng suÊt t¹o protein cña mét con bß nÆng 250 kg víi 250 g vi sinh vËt. Trong khi con bß chØ tæng hîp ®−îc 200 g protein mçi ngμy th× vi sinh vËt nÕu tÝnh trªn lý thuyÕt (trong ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn lý t−ëng) chóng cã thÓ t¹o ®−îc 25 tÊn còng trong thêi gian Êy. Tuy nhiªn con bß còng cã kh¶ n¨ng ®Æc biÖt cña nã ®ã lμ biÕn ®æi cá thμnh s÷a giμu protein. B¶ng 5.2. Thêi gian cÇn thiÕt ®Ó t¨ng gÊp ®«i sinh khèi cña mét sè loµi Tªn loµi Vi khuÈn vµ nÊm men

Thêi gian 20-120 phót

NÊm vµ t¶o

2- 6 giê

Cá vµ mét vµi thùc vËt

1-2 tuÇn

Gµ con

2-6 tuÇn

Bå c©u

4-6 tuÇn

Tr©u, bß (cßn nhá)

1-2 th¸ng

Ng−êi (s¬ sinh)

3-6 th¸ng

Protein tõ SCP còng chøa kh¸ ®Çy ®ñ çc chÊt dinh d−ìng quan träng nh− acid amin, vitamin çc nguyªn tè v« c¬ cÇn thiÕt cho c¬ thÓ (b¶ng 5.3). Còng cã thÓ ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh lªn men vi sinh vËt ®Ó t¹o ra sinh khèi cã chøa nh÷ng chÊt cÇn thiÕt cã gi¸ trÞ sö dông cao. VÝ dô nh− nu«i Saccharomyces uvarum trong m«i tr−êng cã chøa selenid sÏ t¹o ra sinh khèi cã chøa çc hîp chÊt selen h÷u c¬ dïng lμm thuèc antioxydant vμ ®iÒu trÞ ung th−, nu«i t¶o Spirullina chøa β caroten… B¶ng 5.3. Thµnh phÇn acid amin trong protein cña tÕ bµo Saccharomyces Acid amin

mmol/100 g protein

Acid amin

nÊm men

mmol/100 g protein nÊm men

Alanin

114,70

Leucin

74,08

Arginin

40,18

Lysin

1,54

Asparagin

25,43

Methionin

12,66

Acid aspartic

74,38

Phenylalanin

33,44

Cystein

1,65

Prolin

41,13

Acid glutamic

75,45

Serin

46,33

Glutamin

26,33

Threonin

47,85

Glycin

72,56

Tryptophan

7,10

Histidin

16,55

Tyrosin

25,49

Isoleucin

48,17

Valin

66,18

Nu«i vi sinh vËt ®Ó s¶n xuÊt SCP cã nhiÒu −u ®iÓm chÝnh nh− sau: −

Vi sinh vËt ph¸t triÓn víi tèc ®é nhanh ë ®iÒu kiÖn tèi −u, mét vμi loμi cã thÓ t¨ng gÊp ®«i sinh khèi sau 0,5 - 1 giê.

−

Vi sinh vËt dÔ dμng bÞ biÕn ®æi gen h¬n thùc vËt vμ ®éng vËt, do ®ã cã thÓ t¹o ra c¸c loμi míi b»ng biÕn ®æi gen nh»m t¨ng tèc ®é ph¸t triÓn, chÞu ®−îc c¸c ®iÒu kiÖn sèng kh¾c nghiÖt vμ ®iÒu kiÖn lªn men dÔ dμng.

−

Vi sinh vËt chøa hμm l−îng protein cao vμ gi¸ trÞ dinh d−ìng cao.

−

Vi sinh vËt cã thÓ t¹o ra mét l−îng sinh khèi lín trong mét thiÕt bÞ lªn men dung tÝch nhá vμ thùc hiÖn qu¸ tr×nh liªn tôc ®iÒu khiÓn tù ®éng. DiÖn tÝch ®Ó s¶n xuÊt nhá, kh«ng phô thuéc vμo thêi vô, thêi tiÕt.

−

Vi sinh vËt cã thÓ ph¸t triÓn trªn m«i tr−êng chøa nguyªn liÖu th« rÎ tiÒn, còng cã khi chØ lμ chÊt th¶i. Mét vμi loμi vi sinh vËt cã thÓ ph¸t triÓn trªn c¬ chÊt lμ cellulose - nguån nguyªn liÖu thiªn nhiªn v« tËn.

2. S¶n xuÊt sinh khèi nÊm men Trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt sinh khèi nÊm men th−êng hay dïng Saccharomyces cerevisiae lμ loμi ®−îc sö dông vμo nhiÒu lÜnh vùc cña c«ng nghiÖp thùc phÈm (lªn men r−îu, bia, lμm në bét m×, lμm thøc ¨n gia sóc ...). Tuú theo ®iÒu kiÖn lªn men hiÕu khÝ hay kþ khÝ mμ ta cã c¸c s¶n phÈm kh¸c nhau. Khi lªn men kþ khÝ ®Ó t¹o ra alcol ethylic, nÊm men ®· biÕn ®æi ®−êng theo ph¶n øng sau: C12H22O11 + H2O

C2H5OH + CO2 + H2O

Trong ®iÒu kiÖn lªn men hiÕu khÝ, nÊm men sö dông ®−êng ®Ó ph¸t triÓn t¨ng tÝch luü sinh khèi lμ chÝnh. Tuy nhiªn vÉn t¹o thμnh mét l−îng nhá alcol ethylic. Ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn biÕn ®æi ®−êng trong lªn men hiÕu khÝ nh− sau: C12H22O11 + H2O

Sinh khèi + CO2 + H2O

2.1. S¶n xuÊt sinh khèi nÊm men tõ rØ ®−êng Trong c«ng nghÖ s¶n xuÊt ®−êng tõ cñ c¶i ®−êng hoÆc tõ mÝa, sau khi kÕt tinh ®−êng, phÇn cßn l¹i kh«ng kÕt tinh ®−îc n÷a gäi lμ rØ ®−êng. RØ ®−êng dïng lμm nguyªn liÖu cho nhiÒu qu¸ tr×nh lªn men v× cã gi¸ thμnh rÊt rÎ. Trong rØ ®−êng ngoμi thμnh phÇn chÝnh lμ saccharose nã cßn chøa mét sè chÊt v« c¬, h÷u c¬ vμ vitamin cã gi¸ trÞ. S¶n l−îng trung b×nh cña rØ ®−êng chøa 50% saccharose, dao ®éng tõ 3,5% ®Õn 4,5% tÝnh theo nguyªn liÖu dïng chÕ ®−êng. Hμm l−îng saccharose chøa trong rØ ®−êng phô thuéc rÊt nhiÒu vμo hμm l−îng c¸c muèi v« c¬. Muèi K vμ Na lμm c¶n trë qu¸ tr×nh kÕt tinh ®−êng, ng−îc l¹i muèi Mg l¹i lμm t¨ng kh¶ n¨ng kÕt tinh ®−êng. Thμnh phÇn cña rØ ®−êng mÝa vμ cñ c¶i lμ kh¸c nhau (b¶ng 5.4). B¶ng 5.4. Thµnh phÇn cña rØ ®−êng cñ c¶i vµ rØ ®−êng mÝa chøa 75% chÊt kh« Thµnh phÇn

§¬n vÞ tÝnh

RØ ®−êng cñ c¶i

RØ ®−êng mÝa

§−êng tæng sè

(%)

48-52

48-56

ChÊt h÷u c¬

(%)

12-17

9-12

Protein (Nx 6,25)

(%)

6-10

2-4

(%)

2,0-7,0

1,5-5,0

(%)

0,1- 0,5

0,4- 0,8

(%)

0,09

0,06

(%)

0,02-0,07

0,6-2,0

Biotin

(mg/kg)

0,02-0,15

1,0-3,0

Acid pantothenic

(mg/kg)

50-110

15-55

Inositol

(mg/kg)

5.000-8000

2.500-6.000

Thiamin

(mg/kg)

~ 1,3

~1,8

Sù kh¸c biÖt gi÷a rØ ®−êng mÝa vμ rØ ®−êng cñ c¶i lμ hμm l−îng biotin. RØ ®−êng mÝa chøa kho¶ng 2,5 mcg biotin/g, gÊp kho¶ng 20 lÇn rØ ®−êng cñ c¶i. RØ ®−êng cñ c¶i cã hμm l−îng acid pantothenic gÊp 2-4 lÇn rØ ®−êng mÝa. V× vËy khi sö dông rØ ®−êng mÝa ®Ó s¶n xuÊt men b¸nh m× cÇn ph¶i bæ sung acid nμy. RØ ®−êng cÇn ®−îc xö lý tr−íc khi pha chÕ m«i tr−êng ®Ó nu«i cÊy. Th−êng ®−îc acid ho¸ b»ng acid sulfuric tíi pH 4 vμ n©ng nhiÖt ®é lªn 120 1250C trong 1 phót ®Ó kÕt tña mét sè chÊt l¬ löng. §ång thêi bæ sung thªm nh÷ng thμnh phÇn cÇn thiÕt cho men ph¸t triÓn. RØ ®−êng còng lμ m«i tr−êng tèt cho mét sè vi sinh vËt l¹ ph¸t triÓn lμm háng qu¸ tr×nh nu«i men, nªn m«i tr−êng pha chÕ xong cÇn ®−îc khö trïng. §Ó s¶n xuÊt men b¸nh m× th−êng chØ sö dông S. cerevisiae. Còng cã nhiÒu nghiªn cøu t×m çch sö dông çc loμi Torula, Candida vμ Ospora ®Ó s¶n xuÊt men b¸nh m× nh−ng ch−a thμnh c«ng trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. ë Anh cã lo¹i ”nÊm men b«ng” lªn men næi, cã xu h−íng t¹o thμnh b«ng m¹nh vμ do ®ã chóng dÔ dμng t¸ch khái m«i tr−êng mμ kh«ng cÇn ®Õn ly t©m, rÊt thuËn tiÖn cho s¶n xuÊt. Chóng còng ®−îc sö dông lμm men b¸nh m×. S. cerevisiae lμ lo¹i vi sinh vËt cã thÓ sèng vμ ph¸t triÓn trong c¶ ®iÒu kiÖn cã oxy vμ kh«ng cã oxy. Khi sinh tr−ëng trong ®iÒu kiÖn hiÕu khÝ chóng cÇn biotin, cßn nhu cÇu vÒ inositol vμ acid pantothenic thay ®æi theo tõng chñng. Ngoμi çc nhu cÇu trªn, nÊm men cßn cÇn çc thμnh phÇn kh¸c nh− acid bÐo kh«ng no vμ ergosterol, mét sè chñng cßn cÇn c¶ acid nicotinic. Trong ®iÒu kiÖn kþ khÝ b¾t buéc nÕu thiÕu çc thμnh phÇn nμy, nÊm men chØ ph¸t triÓn trong mét vμi thÕ hÖ sau ®ã dõng l¹i hoμn toμn. Quan hÖ cña nÊm men víi oxy lμ mèi quan hÖ phøc t¹p, ®iÒu nμy ®· ®−îc kiÓm chøng qua nghiªn cøu vÒ hiÖu øng trao ®æi «xy cña nÊm men. Ngoμi hiÖu øng Pasteur, cßn cã hiÖu øng Pasteur ng−îc, hiÖu øng glucose hay sù kiÒm chÕ dÞ ho¸. Tèc ®é sinh tr−ëng cña nÊm men phô thuéc rÊt nhiÒu vμo nång ®é oxy trong m«i tr−êng (h×nh 5.1).

H×nh 5.1. ¶nh h−ëng cña oxy lªn sù ph¸t triÓn cña S. cerevisiae

Nång ®é oxy chøa trong m«i tr−êng cã ¶nh h−ëng gi¸n tiÕp lªn c¸c enzym ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh biÕn ®æi glucose. Cã thÓ kiÒm chÕ dÞ ho¸ ®ã b»ng c¸ch nu«i nÊm men ë nång ®é glucose thÊp nh− trong hÖ thèng lªn men liªn tôc. Cã thÓ tÝnh to¸n nång ®é glucose cÇn thiÕt ®Ó men ph¸t triÓn b×nh th−êng, sau ®ã bæ sung ®−êng theo chu kú, khèng chÕ ®Ó men ph¸t triÓn víi tèc ®é tèi ®a. NÕu ®−êng n¹p vμo thõa th× nÊm men sÏ chuyÓn h−íng trao ®æi chÊt tõ thuÇn tuý h« hÊp sang lªn men, lóc ®ã cã thÓ ph¸t hiÖn thÊy ethanol trong khÝ th¶i ra. Qui tr×nh s¶n xuÊt men b¸nh mú cã thÓ minh häa b»ng s¬ ®å (h×nh 5.2).

6 H×nh 5.2. S¬ ®å qui tr×nh s¶n xuÊt men b¸nh m× 1. Men gièng, 2. Nu«i trªn m¸y l¾c, 3. Nh©n gièng, 4. Nh©n gièng, 5. Nu«i ®Ó thu s¶n phÈm, 6. Läc ®Ó thu men •

Men gièng

N¨ng suÊt vμ chÊt l−îng cña men thu ho¹ch phô thuéc rÊt nhiÒu vμo viÖc chuÈn bÞ men gièng. Men thμnh phÈm sau khi thu ho¹ch cã thÓ lÉn vi sinh vËt l¹, nªn kh«ng thÓ sö dông lμm men gièng ®−îc. Mét vμi nhμ m¸y ®· sö dông men thμnh phÈm lμm men gièng, song hiÖu qu¶ kh«ng cao. V× vËy ph¶i b¾t ®Çu b»ng mét èng gièng thuÇn khiÕt, sau ®ã nh©n gièng dÇn dÇn trong ®iÒu kiÖn v« trïng. •

Nh©n gièng

Gièng ®−îc nu«i trong ®iÒu kiÖn v« trïng, th−êng chuÈn bÞ gièng theo ba cÊp. M«i tr−êng nu«i men gièng cÊp 1 vμ cÊp 2 ngoμi ®−êng lμ thμnh phÇn chÝnh, cÇn cã thªm nit¬ d¹ng h÷u c¬ ®Ó men ph¸t triÓn nhanh. §Õn b×nh nh©n gièng cÊp 3 vμ b×nh lªn men ®Ó thu ho¹ch men th× chØ cÇn nguån nit¬ v« c¬. 60

Trong qu¸ tr×nh nh©n gièng ph¶i theo dâi sù ph¸t triÓn cña men, ®ång thêi cung cÊp kh«ng khÝ víi l−u l−îng cÇn thiÕt. Khi truyÒn gièng tõ cÊp ®é lªn men nμy sang cÊp ®é lªn men kh¸c tØ lÖ gièng truyÒn th−êng lμ 10% vμ gièng ®ang ph¸t triÓn ë pha logarit. •

Lªn men ®Ó thu ho¹ch sinh khèi nÊm men

ThiÕt bÞ nu«i men dïng trong s¶n xuÊt cã dung tÝch tõ 50-300 m3. M«i tr−êng nu«i chiÕm 70% dung tÝch cña thiÕt bÞ nu«i. NhiÖt ®é nu«i men th−êng gi÷ ë 30oC - 32oC. CÊp khÝ liªn tôc víi l−u l−îng 1VVM (1 thÓ tÝch kh«ng khÝ/1 thÓ m«i tr−êng/phót). •

Thu sinh khèi nÊm men

Tiªu chuÈn chñ yÕu dïng ®Ó xem xÐt men b¸nh m× th−¬ng phÈm khi kÕt thóc nu«i men lμ cã s¶n l−îng cao, tÕ bμo men ph¶i ®¶m b¶o çc tÝnh chÊt cña nÊm men, cã ho¹t tÝnh lªn men cao vμ chÊt l−îng b¶o qu¶n tèt hay kh«ng. Tiªu chuÈn nμy dÔ dμng ®−îc ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c nhê vμo viÖc ph©n tÝch hμm l−îng mARN vμ çc lo¹i ARN kh¸c hoÆc hμm l−îng protein tæng sè. Trong c«ng nghiÖp ®Ó thu ho¹ch men th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p ly t©m v¾t ®Ó lo¹i bá m«i tr−êng sau ®ã röa b»ng n−íc s¹ch 2-3 lÇn ®Ó lo¹i bá toμn bé m«i tr−êng cßn dÝnh b¸m vμo tÕ bμo men nh»m kh«ng cho çc tÕ bμo men cßn cã thÓ lªn men tiÕp. TÕ bμo men thu ®−îc ë d¹ng men Ðp cã ®é Èm kho¶ng 80% ®−îc bao gãi thμnh tõng ®¬n vÞ nhá tõ 1-5 kg trong giÊy nh«m vμ b¶o qu¶n ë nhiÖt ®é 48˚C. Còng cã thÓ sÊy kh« men ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt vμ nhiÖt ®é thÊp ®Õn ®é Èm cßn 4-6% vμ vÉn gi÷ ®−îc ho¹t tÝnh lªn men cao. •

Vi sinh vËt t¹p nhiÔm trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt sinh khèi nÊm men

Trong s¶n xuÊt men nÕu thùc hiÖn trong ®iÒu kiÖn v« trïng tuyÖt ®èi nh− s¶n xuÊt çc chÊt kh¸ng sinh th× kh«ng cã vi sinh vËt t¹p nhiÔm. Trong ®iÒu kiÖn ®ã ®ßi hái ph¶i ®Çu t− lín, ®Æc biÖt lμ çc mμng läc kh«ng khÝ v« trïng. Lóc ®ã gi¸ thμnh s¶n xuÊt men sÏ cao v× chi phÝ lín. Trªn thùc tÕ s¶n xuÊt men b¸nh m×, th−êng sö dông qui tr×nh ®¬n gi¶n, thiÕt bÞ kh«ng cÇn ®¾t tiÒn, hÖ thèng läc kh«ng khÝ kh«ng cÇn hiÖn ®¹i. Thñ thuËt chÝnh ®Ó ®¶m b¶o qu¸ tr×nh nu«i men thμnh c«ng lμ xö lý m«i tr−êng rØ ®−êng b»ng acid sulfuric ®Õn pH = 2,5 - 3,0. §un s«i m«i tr−êng ®Ó khö trïng ban ®Çu, sau ®iÒu chØnh pH = 3,5 - 4,0. Trong kho¶ng 4 - 5 giê ®Çu nu«i men ë ®iÒu kiÖn kþ khÝ hoÆc hiÕu khÝ nhÑ. NÊm men sÏ lªn men r−îu vμ t¹o ra mét l−îng cån nhÊt ®Þnh cã kh¶ n¨ng øc chÕ sù ph¸t triÓn cña mét sè vi sinh vËt nÕu nhiÔm vμo m«i tr−êng trong ®iÒu kiÖn pH m«i tr−êng thÊp. Sau ®ã tiÕp tôc nu«i men ë ®iÒu kiÖn hiÕu khÝ m¹nh ®Ó cho men ph¸t triÓn tèi ®a. Çc vi sinh vËt g©y nhiÔm trong qu¸ tr×nh nu«i men th−êng lμ vi khuÈn lactic (®a sè çc tr−êng hîp lμ çc vi khuÈn lactic dÞ h×nh), çc vi khuÈn acetic vμ ®Æc biÖt çc vi khuÈn butyric th−êng cã ¶nh h−ëng tíi sù ph¸t triÓn cña nÊm men mét çch râ rÖt. Do cã sù t¹o thμnh acid butyric bëi çc Clostridium trong men Ðp mμ xuÊt hiÖn mïi thiu khã chÞu. 61

NÕu qu¸ tr×nh nu«i men cã lÉn çc loμi men kh¸c nh− Torula, Candida..., chóng th−êng ph¸t triÓn rÊt nhanh vμ lÊn ¸t S. cerevisiae. Çc loμi nÊm men kÓ trªn th−êng khã Ðp vμ lμm gi¶m ®¸ng kÓ n¨ng lùc lªn men cña men Ðp. Hμng lo¹t vi sinh vËt kh¸c x©m nhËp vÒ sau vμo men Ðp lμm háng men. §¸ng sî nhÊt lμ Oidiumlactis th−êng g©y cho men cã mïi ñng khã chÞu. Çc nÊm kh¸c nh− Penicillium t¹o nªn çc ®¸m mμu lôc trªn men Ðp, Aspergillus t¹o nªn çc ®¸m mμu vμng nh¹t tíi mμu x¸m, Mucor vμ Fusarium t¹o çc vÕt vμng vμ ®á trªn men Ðp. Dematium pullutans t¹o nªn çc vÕt mμu n©u bÈn, cßn çc vi khuÈn acetic t¹o nªn nh÷ng vïng è trªn bÒ mÆt, cßn Serratia marcescens l¹i t¹o nªn çc vÕt ®á trªn men Ðp. 2.2. øng dông cña men Ðp Men b¸nh m× ®−îc sö dông trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt b¸nh m×, b¸nh bao vμ çc lo¹i b¸nh lμm tõ bét nhμo dïng trong gia ®×nh. §Ó s¶n xuÊt b¸nh m× tr¾ng cÇn mét tØ lÖ nÊm men kho¶ng 2%, víi çc lo¹i b¸nh ngät nhá cÇn tõ 3-5%, b¸nh s÷a 4-5% (so víi träng l−îng bét m×). Th−êng nhμo bét m× víi men gièng trén ®Òu vμ ñ men ë nhiÖt ®é thÝch hîp. NÊm men sÏ lªn men saccharose, glucose vμ fructose cã s½n trong bét, sau ®ã lªn men maltose hoÆc glucose ®−îc t¹o thμnh nhê çc amylase cã trong bét nhμo. Th«ng th−êng th× bét nhμo kh«ng chøa ®ñ l−îng amylase cÇn thiÕt nªn th−êng ng−êi ta cÇn bæ sung α-amylase bÒn víi nhiÖt vμo men b¸nh m×. CO2 ®−îc t¹o ra do qu¸ tr×nh lªn men lμm khèi bét në phång lªn. Qu¸ tr×nh lªn men t¹o ra kho¶ng 0,5%-1% r−îu vμ cã mïi th¬m ®Æc biÖt. Khi n−íng b¸nh, nhiÖt ®é trong lß ®¹t tíi 5060˚C th× nÊm men sÏ bÞ chÕt. Men Ðp cßn ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt cao nÊm men hay bét nÊm men dïng lμm m«i tr−êng lªn men çc vi sinh vËt trong çc phßng thÝ nghiÖm. Çch chÕ t¹o cao nÊm men hay bét nÊm men rÊt ®¬n gi¶n. Men Ðp ®em hoμ trong n−íc tØ lÖ 1/4 råi ®Ó ë nhiÖt ®é 35-37˚C, çc protein néi bμo sÏ thuû ph©n protein cña nÊm men (autolyse) ®Ó t¹o ra çc acid amin vμ gi¶i phãng çc vitamin cã trong tÕ bμo men ra m«i tr−êng n−íc. §Ó qu¸ tr×nh thuû ph©n ®−îc triÖt ®Ó h¬n cã thÓ thuû ph©n tiÕp b»ng acid hoÆc papain. §iÒu chØnh pH vÒ trung tÝnh råi läc trong, c« d−íi ¸p suÊt gi¶m ®Õn d¹ng cao mÒm hay sÊy phun ®Ó t¹o ra bét nÊm men. Bét hay cao nÊm men chøa hμm l−îng cao vitamin nhãm B vμ çc acid amin kh«ng thay thÕ. Cã thÓ bμo chÕ ra çc d¹ng viªn nÐn, viªn nang, viªn bao ®−êng hoÆc d¹ng thuèc n−íc dïng lμm thuèc båi bæ c¬ thÓ rÊt quÝ. Còng b»ng ph−¬ng ph¸p nu«i S. cerevisiae trong nh÷ng ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt, chóng sÏ t¹o ra hμm l−îng cao vitamin D hoÆc ergosterin lμ nh÷ng thuèc quÝ. 3. S¶n xuÊt t¶o ®¬n bμo §Ó s¶n xuÊt SCP th−êng dïng ba chi lμ Chlorella, Scenedesmus vμ Spirulina, çc loμi nμy chóng cã thÓ ph¸t triÓn nhê quang d−ìng, ho¸ d−ìng 62

hoÆc dÞ d−ìng. Ph−¬ng ph¸p nu«i t¶o nhê quang hîp ®−îc øng dông nhiÒu v× gi¸ thμnh rÎ nhÊt. Nh©n tè quyÕt ®Þnh cho qu¸ tr×nh nμy lμ ¸nh s¸ng mÆt trêi. V× vËy th−êng sö dông çc ao hå hoÆc ruéng ®Ó nu«i t¶o d−íi ¸nh s¸ng mÆt trêi. Tuy nhiªn khi tiÕn hμnh nu«i trªn qui m« lín th× khã gi÷ ®−îc çc ®iÒu kiÖn v« trïng. Trong nh÷ng tr−êng hîp nμy nguy c¬ nhiÔm t¹p lμ nghiªm träng. H¬n n÷a mËt ®é tÕ bμo nu«i theo ph−¬ng ph¸p nμy th−êng thÊp (kho¶ng 1-2 g/lÝt SCP tÝnh theo träng l−îng kh«). Riªng t¶o sîi Spirulina ph¸t triÓn m¹nh h¬n, hμm l−îng protein cao h¬n vμ ®Æc biÖt lμ chøa betacaroten, vitamin B12 lμ nh÷ng thuèc quÝ. D©n c− ë Mehico vμ vïng bê B¾c hå Tchad thuéc ch©u Phi th−êng sö dông loμi t¶o nμy lμm nguån dinh d−ìng protein. NhËt B¶n sö dông Chlorella nh− mét nguån protein vμ vitamin ®Ó bæ sung vμo mét vμi thùc phÈm nh− s÷a chua, kem vμ b¸nh m×. GÇn ®©y cßn chøng minh ®−îc t¸c dông chèng phãng x¹ cña çc chÊt cã trong t¶o Spirulina. 4. S¶n xuÊt nÊm sîi NÊm sîi còng lμ nguån protein ®¬n bμo phong phó. Tèc ®é sinh tr−ëng cña nÊm sîi thÊp h¬n vi khuÈn vμ nÊm men, tuy nhiªn còng cã nh÷ng chñng nÊm sîi cã tèc ®é sinh tr−ëng nhanh nh− nÊm men, ®Æc biÖt nh÷ng chñng nμy nÕu nu«i trªn c¬ chÊt ®Æc vμ b»ng ph−¬ng ph¸p bÒ mÆt. Hμm l−îng protein th« trong nÊm sîi ®¹t 50-55%, khi sinh tr−ëng nhanh hμm l−îng acid nucleic cã thÓ rÊt cao (ARN tíi 15%). CÇn l−u ý ®Õn thμnh phÇn kitin chøa trong thμnh tÕ bμo nÊm. C«ng nghiÖp s¶n xuÊt penicillin ®· t¹o ra l−îng lín sinh khèi nÊm Penicillium chrysogenum. L−îng sinh khèi nμy coi nh− chÊt phÕ th¶i cña c«ng nghÖ penicillin cã thÓ sÊy kh« vμ sö dông vμo nhiÒu môc ®Ých kh¸c nhau nh− lμm thøc ¨n giμu protein cho ch¨n nu«i, hoÆc thuû ph©n ®Ó t¹o ra çc acid amin lμm m«i tr−êng giÇu dinh d−ìng ®Ó nu«i vi khuÈn (Bacillus subtilis) sinh tæng hîp protease hoÆc amylase rÊt kinh tÕ. Cã nh÷ng loμi nÊm sîi ph¸t triÓn rÊt nhanh trªn m«i tr−êng bét s¾n hoÆc s¾n l¸t nghÌo protein (~1,0-1,5%) cã bæ sung thªm kho¸ng vi l−îng nu«i trong 40-48 giê, nÊm ph¸t triÓn, ®em sÊy kh« vμ nghiÒn thμnh bét lμm thøc ¨n cho gia sóc. Bét nμy cã hμm l−îng protein tæng sè lªn tíi 10%. NÊm sîi cã thÓ ®−îc nu«i trªn nhiÒu lo¹i c¬ chÊt ®Ó thu nhËn SCP nh− rØ ®−êng, çc lo¹i bét (s¾n, khoai lang, khoai t©y g¹o ...). Th−êng sö dông çc loμi nÊm sîi: Cladosporium, Spicaria elegans, Fuarium graminearum, Grafium, Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus vμ çc lo¹i kh¸c. Çc loμi nÊm nμy th−êng ®−îc nu«i ë pH (3,0 - 4,5) trong ®iÒu kiÖn nμy sÏ ng¨n c¶n sù ph¸t triÓn cña nh÷ng vi khuÈn nhiÔm vμo m«i tr−êng nu«i. Hμm l−îng protein th« cña çc loμi nÊm sîi ®−îc lùa chän ®Ó lªn men ®¹t trung b×nh tõ 40-60% (b¶ng 5.5).

B¶ng 5.5. Hµm l−îng protein th«, N α-amin vµ N phi protein ë mét sè loµi nÊm Nguån C

Protein th«

N phi protein

α-amin

(kÓ c¶ kitin)

Aspergillus oryzae

tinh bét

50,2

28,7

42,6

A. oryzae

rØ ®−êng

42,3

26,1

38,2

A. niger

rØ ®−êng

47,9

25,5

46,6

P. chrysogenum

®−êng s÷a

56,3

41,5

26,0

P. chrysogenum

rØ ®−êng

48,2

26,8

44,3

Neurospora sitophila

tinh bét

65,7

35,6

45,6

N. sitophyla

rØ ®−êng

50.6

33,7

33,5

Fusarium graminearum

tinh bét

54,0

42,1

22,0

F.moniliorme

rØ ®−êng

51,5

35,6

30,9

Alternaria tenuis

tinh bét

51,5

28,3

49,4

A. tenuis

rØ ®−êng

49,5

22,3

55,0

32,8

19,4

41,0

Loµi nÊm

Agaricus bispora

Paecilomyces elegans, Aspergillus oryzae, Myrothecium verrucaria vμ Trichoderma reesei lμ nh÷ng loμi nÊm thÝch hîp ®èi víi sù t¹o thμnh sinh khèi trªn n−íc th¶i cña c«ng nghiÖp s¶n xuÊt cμ phª vμ r−îu rum. NÕu lªn men ë ®iÒu kiÖn v« trïng pH ban ®Çu 4,2 th× sau 6-8 ngμy lªn men s¶n l−îng sinh khèi cã thÓ ®¹t 20-30 g/lÝt dÞch nu«i, vμ hμm l−îng protein ®¹t 20-34%. Sau khi nu«i nÊm hμm l−îng chÊt h÷u c¬ trong n−íc th¶i gi¶m ®i, tõ 13-15% gi¶m cßn 2-3%. Çc kÕt qu¶ t−¬ng tù còng thÊy khi lªn men Verticillium sp. trªn n−íc th¶i s¶n xuÊt cμ phª; Aspergillus fumigatus trªn b· mÝa, n−íc th¶i cña c«ng nghiÖp thùc phÈm, bét giÊy tõ gç; Penicillium digitatum trªn n−íc th¶i s¶n xuÊt tinh bét khoai t©y ... Trong tr−êng hîp dïng nÊm sîi ®Ó cho ¨n trùc tiÕp, cÇn l−u ý ®Õn hμm l−îng kitin cao trong thμnh tÕ bμo nÊm vμ ®éc tè cña nÊm cã thÓ cã trong thμnh phÈm. CÇn tiÕn hμnh kiÓm tra tr−íc khi sö dông. VÒ chÊt l−îng protein cña nÊm sîi, nhiÒu ph©n tÝch cho thÊy r»ng hμm l−îng çc acid amin chøa l−u huúnh nh− cystein vμ methionin trong nÊm sîi thÊp h¬n protein cña ®éng vËt. 5. S¶n xuÊt nÊm ¨n Çc chÊt th¶i cña n«ng nghiÖp nh− r¬m, r¹, b· mÝa, cña c«ng nghiÖp nh− gç vôn, mïn c−a ... mét phÇn bÞ ®èt ch¸y thμnh tro, mét phÇn ®−îc ñ ®Ó ph©n gi¶i nhê vi sinh vËt. B»ng çc kü thuËt kh¸c nhau çc chÊt th¶i nμy ®· ®−îc dïng lμm c¬ chÊt ®Ó trång çc loμi nÊm quÝ võa lμm thùc phÈm, võa lμm d−îc phÈm. C¬ chÊt trång nÊm sau khi thu ho¹ch nÊm lμ nh÷ng s¶n phÈm ®· ®−îc 64

ph©n gi¶i ®−îc dïng lμm ph©n bãn h÷u c¬, hoÆc chÕ biÕn thμnh çc thøc ¨n cho ç hoÆc mét sè ®éng vËt cã gi¸ trÞ kinh tÕ. Çc b· th¶i h÷u c¬ nhê c«ng nghÖ trång nÊm ®· mang l¹i nh÷ng hiÖu qu¶ sau: •

ChÊt th¶i ®−îc lo¹i bá ®· ®−îc xö lÝ thμnh nh÷ng s¶n phÈm an toμn tr¶ l¹i cho m«i tr−êng xung quanh vμ hoμ nhËp vμo m«i tr−êng sinh th¸i nhê c¸c qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ tù nhiªn.

•

ChÊt th¶i r¾n hay chÊt th¶i láng ®Òu cã thÓ dïng lμm c¬ chÊt cho c«ng nghÖ trång nÊm.

•

Lignhin kh«ng tiªu ho¸ ®−îc cïng c¸c thμnh phÇn cña thμnh tÕ bμo ®· bÞ lignhin ho¸ cao nh− cellulose vμ hemicellulose ®Òu cã thÓ bÞ ph©n huû nhê c¸c enzym cña nÊm lμm biÕn ®æi hoμn toμn.

•

C¸c nguån carbon tõ c¸c chÊt th¶i hÇu nh− kh«ng sö dông ®−îc nhê trång nÊm ta thu ®−îc sinh khèi giμu protein cã gi¸ trÞ dinh d−ìng cao (nÊm r¬m, nÊm mì, nÊm sß, nÊm h−¬ng, méc nhÜ...), nÊm d−îc liÖu (linh chi ...).

* Qui tr×nh trång nÊm ¨n cã thÓ tæng qu¸t vÒ nguyªn t¾c nh− sau: Gièng nÊm ®−îc chuÈn bÞ vμ nh©n gièng trong phßng thÝ nghiÖm nh»m t¹o ra mét sè l−îng lín bμo tö. Sau ®ã ®em r¾c bμo tö nÊm lªn c¬ chÊt trång nÊm ®· ®−îc chuÈn bÞ s½n, c¬ chÊt cã thÓ ñ thμnh luèng nhá (trång nÊm r¬m), hay bã l¹i thμnh çc bÞch h×nh trô vμ xÕp thø tù trªn çc gi¸, nu«i trong nhμ kÝnh, hay nu«i hë ngoμi trêi, hoÆc nhμ cã m¸i che. §iÒu quan träng lμ gi÷ ®−îc nhiÖt ®é vμ ®é Èm thÝch hîp ®Ó bμo tö nÊm nÈy mÇm, sau ®ã t¹o qu¶ thÓ. Trong qu¸ tr×nh ch¨m sãc cho qu¶ thÓ ph¸t triÓn th−êng t−íi hoÆc phun thªm çc dung dÞch cã chøa dinh d−ìng (N,P,K, ...). NÕu ch¨m sãc ®óng kü thuËt sÏ thu ho¹ch qu¶ thÓ ®−îc nhiÒu lÇn vμ n¨ng suÊt sÏ cao. Trång nÊm hiÖn nay lμ mét nghÒ phô cña nhiÒu gia ®×nh n«ng d©n ViÖt Nam gãp phÇn xo¸ ®ãi gi¶m nghÌo, lμm trong s¹ch m«i tr−êng sèng.

H×nh 5.3. Sù ph¸t triÓn cña qu¶ thÓ nÊm tõ bµo tö

NÊm ¨n ®−îc trång ë nhiÒu n−íc trªn thÕ giíi ë c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu kh¸c nhau. C¸c chÊt th¶i cña n«ng vμ c«ng nghiÖp lμ nh÷ng c¬ chÊt thÝch hîp cña nghÒ trång nÊm. NÊm mì ®−îc trång nhiÒu ë ch©u ¸, ch©u óc vμ b¾c MÜ. §μi Loan lμ n¬i s¶n xuÊt nÊm ¨n ®øng thø ba thÕ giíi. Trung Quèc lμ n−íc s¶n xuÊt nÊm r¬m nhiÒu nhÊt, nÊm nμy còng ®−îc trång nhiÒu ë Philipin, ViÖt nam vμ Indonecia.

Tù l−îng gi¸ 1. Ph©n tÝch c¸c −u nh−îc ®iÓm c¬ b¶n cña protein ®¬n bμo 2. C¸c chñng nμo th−êng ®−îc dïng trong s¶n xuÊt sinh khèi nÊm men? Nªu øng dông cña nÊm men vμ sinh khèi nÊm men trong ®êi sèng vμ trong ngμnh D−îc. 3. So s¸nh quy tr×nh s¶n xuÊt protein ®¬n bμo tõ t¶o vμ tõ nÊm sîi.

Ch−¬ng 6

S¶n xuÊt c¸c s¶n phÈm trao ®æi chÊt bËc mét dïng trong Y häc

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Nªu ®−îc kh¸i niÖm vμ tªn c¸c chñng lo¹i s¶n phÈm bËc mét cña vi sinh vËt. 2. Tr×nh bμy ®−îc quy tr×nh s¶n xuÊt mét sè s¶n phÈm cô thÓ.

Vi sinh vËt sèng vμ ph¸t triÓn trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn hay trong ®iÒu kiÖn ®−îc nu«i trong phßng thÝ nghiÖm. Chóng muèn tån t¹i cÇn ph¶i ®ång ho¸ çc chÊt dinh d−ìng cã chøa trong m«i tr−êng xung quanh. Qu¸ tr×nh hÊp thu vμ biÕn ®æi çc chÊt dinh d−ìng ë m«i tr−êng xung quanh ®Ó t¹o ra n¨ng l−îng cÇn thiÕt cho sù ph¸t triÓn cña chóng gäi lμ qu¸ tr×nh ®ång ho¸. Vi sinh vËt sö dông n¨ng l−îng cña qu¸ tr×nh ®ång ho¸ ®Ó tæng hîp nªn çc thμnh phÇn cÊu tróc cña tÕ bμo, ®Ó sinh tr−ëng, ph¸t triÓn vμ duy tr× nßi gièng. Trong qu¸ tr×nh ®ã, mét sè vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng sinh tæng hîp thõa ra mét sè l−îng çc chÊt mμ chÝnh tÕ bμo kh«ng dïng hÕt th¶i ra m«i tr−êng ngoμi nh− çc acid amin, vitamin, çc enzym ... Çc chÊt ®ã ®−îc gäi lμ çc chÊt trao ®æi bËc mét. Lîi dông nh÷ng ®Æc ®iÓm tù nhiªn ®ã cña vi sinh vËt, çc nhμ khoa häc ®· t×m ra ®−îc ph−¬ng ph¸p chän gièng vμ t¸c ®éng lμm biÕn ®æi mét sè ®Æc ®iÓm di truyÒn cña chóng vμ nghiªn cøu çc ®Æc ®iÓm sinh lý ho¸ sinh cña chóng nh»m nu«i cÊy çc vi sinh vËt ®ã ®Ó “siªu tæng hîp” ra nh÷ng ho¹t chÊt mμ ta mong muèn. 1. S¶n xuÊt çc acid amin Trong thμnh phÇn cña protein th−êng chøa 20 acid amin chÝnh. Trong sè ®ã cã ®Õn 8 acid amin c¬ thÓ ng−êi vμ ®éng vËt kh«ng thÓ tù tæng hîp ®−îc ®ã lμ: lysin, methionin, threonin, tryptophan, phenylalanin, isoleucin, leucin vμ valin. Ng−êi ta gäi ®ã lμ nh÷ng acid amin kh«ng thay thÕ. NÕu thiÕu mét trong sè nh÷ng chÊt nμy c¬ thÓ sÏ bÞ rèi lo¹n chuyÓn ho¸ vμ sinh ra çc bÖnh tËt, hoÆc kh«ng thÓ ph¸t triÓn ®−îc. Trong thiªn nhiªn thøc ¨n th−êng chøa mét l−îng nhá çc acid amin kh«ng thay thÕ ®ã. §Ó ®¶m b¶o cã çc acid amin 67

quan träng trªn cÇn ph¶i nghiªn cøu s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p c«ng nghiÖp. S¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p tæng hîp ho¸ häc th−êng bao giê còng t¹o ra mét acid amin d¹ng DL, viÖc t¸ch riªng ®Ó chØ lÊy ®ång ph©n d·y L võa khã, gi¸ thμnh l¹i ®¾t. Sinh tæng hîp acid amin thuËn tiÖn h¬n v× chØ t¹o ra d¹ng acid amin d·y L. Trªn thÕ giíi hiÖn nay hμng n¨m s¶n xuÊt trªn 500 ngμn tÊn acid amin, doanh thu kho¶ng 4,5 tØ USD. Hai acid amin s¶n xuÊt víi sè l−îng lín nhÊt lμ acid glutamic vμ lysin. Trong gi¸o tr×nh nμy giíi thiÖu ph−¬ng ph¸p sinh tæng hîp acid glutamic. 2. S¶n xuÊt acid glutamic 2.1. §¹i c−¬ng Acid glutamic ®−îc s¶n xuÊt víi sè l−îng lín nhÊt trong tÊt c¶ c¸c acid amin v× acid nμy ®−îc dïng mét phÇn trong s¶n xuÊt d−îc phÈm, cßn sè l−îng lín ®−îc dïng trong thùc phÈm lμm chÊt ®iÒu vÞ ®−îc s¶n xuÊt d−íi d¹ng mononatri glutamat. Acid glutamic cã thÓ s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p thuû ph©n protein cña bét lóa m× (gluten). HiÖn nay c¸c nhμ m¸y s¶n xuÊt acid glutamic trªn thÕ giíi ®Òu tiÕn hμnh b»ng ph−¬ng ph¸p lªn men vi sinh vËt v× võa cã n¨ng suÊt cao gi¸ thμnh l¹i thÊp h¬n nhiÒu so víi ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt b»ng ho¸ häc.

Oxaloacetat

H×nh 6.1. Qu¸ tr×nh chuyÓn hãa thµnh acid glutamic b»ng enzym hoÆc ho¸ häc

S¶n xuÊt acid glutamic b»ng ph−¬ng ph¸p lªn men vi sinh vËt còng cã hai çch. Lªn men trùc tiÕp mét vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng siªu tæng hîp acid glutamic sau ®ã chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ thu lÊy s¶n phÈm. Mét sè vi sinh vËt kh¸c l¹i cã kh¶ n¨ng sinh tæng hîp víi mét sè l−îng lín acid α-cetoglutarat. V× vËy cã thÓ nu«i cÊy çc vi sinh vËt nμy ®Ó chóng t¹o ra acid α-cetoglutarat. Sau ®ã biÕn ®æi b»ng enzym hoÆc ho¸ häc acid nμy thμnh acid glutamic theo h×nh 6.1. 2.2. Lªn men sinh tæng hîp acid glutamic 2.2.1. Chñng gièng Cã nhiÒu chñng vi khuÈn cã kh¶ n¨ng sinh tæng hîp acid glutamic. Tuy nhiªn nh÷ng chñng sau ®©y ®−îc nhiÒu nhμ m¸y sö dông ®Ó s¶n xuÊt v× cho hiÖu suÊt cao (80-120 g/lÝt): Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, B. divaricatum. §©y lμ nh÷ng vi khuÈn Gram (+) hiÕu khÝ. NhiÖt ®é nu«i cÊy thÝch hîp 34-37OC vμ thêi gian lªn men lμ 40 - 48 giê. 2.2.2. Nhu cÇu dinh d−ìng M«i tr−êng dinh d−ìng dïng ®Ó lªn men sinh tæng hîp acid glutamic rÊt ®¬n gi¶n. Tuú theo ®Æc ®iÓm chñng s¶n xuÊt yªu cÇu cÇn nghiªn cøu ®Ó cã m«i tr−êng tèi −u cho n¨ng suÊt sinh tæng hîp cao nhÊt. Nguån carbon th−êng lμ glucose, sacharose. Thùc tÕ s¶n xuÊt th−êng sö dông glucose tõ dÞch thuû ph©n tinh bét kÕt hîp víi sacharose trong rØ ®−êng (mÝa hoÆc cñ c¶i ®−êng). §©y lμ nh÷ng nguyªn liÖu rÎ tiÒn. Nguån nit¬ th−êng dïng lμ urª víi tØ lÖ 1,5 2,0%, còng cã thÓ dïng (NH4)2SO4, NH4Cl víi nång ®é 0,5%. Qu¸ tr×nh lªn men t¹o ra acid glutamic lμm cho pH m«i tr−êng gi¶m xuèng. V× vËy th−êng bæ sung urª ®Ó gi÷ cho pH m«i tr−êng ®¹t trung tÝnh, ®¶m b¶o kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn lμm gi¶m hiÖu suÊt sinh tæng hîp, ®ång thêi urª l¹i cã t¸c dông bæ sung thªm nguån nit¬ lμm chÊt dinh d−ìng cho vi khuÈn. YÕu tè rÊt quan träng ¶nh h−ëng nhiÒu ®Õn hiÖu suÊt sinh tæng hîp acid glutamic lμ nång ®é biotin. Nång ®é biotin thÝch hîp tõ 2,0 - 5,0 mcg/lÝt m«i tr−êng. NÕu qu¸ nång ®é nμy vi khuÈn sinh tæng hîp acid glutamic sÏ t¹o ra alanin, acid lactic, acid aspartic, sinh khèi t¨ng m¹nh cßn acid glutamic h×nh thμnh rÊt Ýt. Trong rØ ®−êng th−êng chøa hμm l−îng biotin kh¸ cao, v× vËy cÇn ph¶i khèng chÕ nång ®é cho thÝch hîp. Mét yÕu tè kh¸c còng ¶nh h−ëng nhiÒu ®Õn hiÖu suÊt sinh tæng hîp acid glutamic lμ çc chÊt kh¸ng sinh thªm vμo m«i tr−êng lªn men. Khi thªm çc chÊt kh¸ng sinh cã t¸c dông lªn thμnh tÕ bμo vi khuÈn nh− penicillin G, polymyxin ng−êi ta nhËn thÊy hiÖu suÊt sinh tæng hîp acid glutamic t¨ng lªn. Nång ®é vμ thêi ®iÓm cho kh¸ng sinh vμo m«i tr−êng thÝch hîp cã thÓ lμm t¨ng hiÖu suÊt sinh tæng hîp acid glutamic lªn tõ 15 - 45%.

2.2.3. Quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt S¶n xuÊt acid glutamic th−êng ¸p dông ph−¬ng ph¸p lªn men chu k× (theo mÎ) trªn c¸c thiÕt bÞ lªn men cã dung tÝch tõ 100.000 - 300.000 lÝt trong ®iÒu kiÖn hiÕu khÝ vμ v« trïng tuyÖt ®èi. §Ó chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ acid glutamic cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p. Tuy nhiªn chØ cã hai ph−¬ng ph¸p ®−îc ¸p dông trong c«ng nghiÖp. •

Ph−¬ng ph¸p ®iÓm ®¼ng ®iÖn

Sau khi kÕt thóc qu¸ tr×nh lªn men, dÞch lªn men ®−îc c« ch©n kh«ng ë nhiÖt ®é 50-60OC ®Õn nång ®é nhÊt ®Þnh. Sau ®ã tÈy mμu b»ng than ho¹t, läc lo¹i than, ®iÒu chØnh pH b»ng acid clohydric ®Õn ®iÓm ®¼ng ®iÖn lμ 3,2. Acid glutamic kÕt tinh. Läc hay ly t©m lÊy tinh thÓ. Ph−¬ng ph¸p thu håi s¶n phÈm nμy kh¸ ®¬n gi¶n, tuy nhiªn hiÖu suÊt thu håi thÊp th−êng chØ ®¹t 50 - 60%. •

Ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion

Trong c«ng nghiÖp hiÖn nay ®Ó chiÕt xuÊt acid glutamic th−êng ¸p dông ph−¬ng ph¸p chiÕt b»ng trao ®æi ion theo h×nh 6.2.

H×nh 6.2. S¬ ®å c¸c c«ng ®o¹n chiÕt xuÊt acid glutamic

2.3. S¶n xuÊt m× chÝnh Trong thùc tÕ, acid glutamic ®−îc dïng chñ yÕu ®Ó chÕ t¹o m× chÝnh dïng trong thùc phÈm lμm chÊt ®iÒu vÞ. §Ó s¶n xuÊt m× chÝnh chØ cÇn hoμ tan acid glutamic ®Õn nång ®é nhÊt ®Þnh, sau ®ã t¹o muèi mononatri glutamat b»ng Na2CO3 hoÆc NaOH ë pH 6,8-7,0, khö s¾t, tÈy mμu. Dung dÞch glutamat Natri ®em c« d−íi ¸p suÊt gi¶m ®Õn nång ®é kho¶ng 30 - 30,5 ®é BÐ. Thªm vμi tinh thÓ m× chÝnh lμm mÇm kÕt tinh. TiÕp tôc c« ®Õn ®Ëm ®é 31 - 31,8 BÐ, çc tinh thÓ m× chÝnh kÕt tinh d¹ng h×nh trô ®Òu ®Æn. §iÒu kiÖn ®Ó kÕt tinh m× chÝnh cÇn tu©n thñ lμ: ¸p suÊt ch©n kh«ng: 600 mmHg; nång ®é glutamat: 31,5 31,8 BÐ. NhiÖt ®é c« ®Æc: 60 - 65OC. S¶n phÈm cã hμm l−îng mononatri glutamat ®¹t 98 - 98,5%. HiÖu suÊt chuyÓn ®æi thμnh glutamat ®¹t 85 - 90%. Ly t©m lÊy tinh thÓ. N−íc ãt kh«ng kÕt tinh ®−îc bæ sung thªm natri clorid ®Ó t¹o ra d¹ng bét ngät cã chøa 20 25% mononatri glutamat dïng lμm bét gia vÞ. 3. S¶n xuÊt dextran 3.1. §¹i c−¬ng Dextran lμ çc polysaccharid cã träng l−îng ph©n tö rÊt kh¸c nhau, th−êng lμ dextran 1, 40, 60, 70 hay 110 kDa t−¬ng øng víi 1.000, 40.000, 60.000, 70.000 vμ 110.000. Dextran lμ mét polymer ®−îc trïng hîp bëi nhãm vi khuÈn Lactic nhê çc liªn kÕt 1,6 glucosid.

H2 C O OH OH

CH 2

O OH OH

O OH

Dextran ®−îc sö dông trong y häc nh− mét chÊt dïng thay thÕ huyÕt t−¬ng khi bÞ cho¸ng do mÊt m¸u, chÊn th−¬ng, báng, nhiÔm ®éc, viªm tuþ, viªm mμng bông. Dextran “gia c«ng” hay sephadex ®−îc coi nh− nh÷ng sμng ph©n tö dïng trong kü thuËt läc gel ®Ó tinh chÕ çc protein cã träng l−îng ph©n tö kh¸c nhau th−êng dïng ®Ó tinh chÕ çc enzym hoÆc çc peptid lμm thuèc. Dextran còng ®−îc sö dông lμm çc chÊt keo b¶o vÖ, hoÆc çc chÊt ®én cã tÝnh tr¬ dïng trong d−îc häc. 3.2. Ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt Cã nhiÒu chñng vi khuÈn cã kh¶ n¨ng sinh tæng hîp dextran nh− Streptobacterium dextranicum, Streptococcus mutans. Tuy nhiªn trong c«ng nghiÖp th−êng sö dông chñng Leuconostoc mesenteroides ATCC10830, chñng nμy t¹o ra tíi 95% polymer dextran cã liªn kÕt α-1,6 glucosid (phÇn cßn l¹i lμ liªn kÕt α-1,3) vμ träng l−îng ph©n tö lμ 4-5 x 107 dalton. M«i tr−êng ®Ó sinh tæng hîp dextran rÊt ®¬n gi¶n gåm cã saccharose 6%, cao ng« hoÆc cao nÊm men 2%, KH2PO4 0,1% vμ çc vi l−îng, pH 5,0-6,0. Qu¸ 71

tr×nh lªn men ®−îc tiÕn hμnh ë 25OC, lóc ban ®Çu th«ng khÝ nhÑ vμ khuÊy trén liªn tôc. Khi dextran ®−îc h×nh thμnh dung dÞch trë nªn ®Æc s¸nh vμ cã ®é nhít cao th× ph¶i t¨ng tèc ®é khuÊy vμ cung cÊp ®ñ kh«ng khÝ v« trïng. KÕt thóc lªn men sau 72-96 giê. S¶n phÈm chÝnh lμ khèi keo dextran ®−îc h×nh thμnh, mét Ýt fructose tù do, acid lactic. 3.3. Tinh chÕ vμ chÕ t¹o dextran d−îc dông KÕt thóc qu¸ tr×nh lªn men dïng methanol ®Ó kÕt tña dextran (1/3). Läc thu dextran ®Ó tinh chÕ tiÕp. DÞch th¶i ®−îc cÊt ®Ó thu håi methanol. Dextran cã träng l−îng ph©n tö lín ®−îc thuû ph©n b»ng acid hydrocloric ë nhiÖt ®é 95-100OC. Khèng chÕ träng l−îng ph©n tö b»ng ph−¬ng ph¸p ®o ®é nhít cña hçn hîp ph¶n øng. Trung tÝnh ho¸ dung dÞch b»ng natri hydroxyd. TÈy mμu b»ng than ho¹t, läc lo¹i than. DÞch läc ®−îc läc qua gel. Sau cïng lμ kÕt tña l¹i b»ng methanol, t¸i hoμ tan vμ sÊy phun (h×nh 6.3).

H×nh 6.3. S¬ ®å c¸c c«ng ®o¹n tinh chÕ dextran

4. Sinh tæng hîp vitamin B12 (Cyanocobalamin) 4.1. §¹i c−¬ng C¸c vitamin ®· ®−îc s¶n xuÊt ë quy m« c«ng nghiÖp nhê vi sinh vËt lμ vitamin B12 (Cyanocobalamin), vitamin B2 (Riboflavin). Tõ gi÷a thÕ kû XIX (1849) ®Õn ®Çu thÕ kû XX, nguyªn nh©n cña bÖnh thiÕu m¸u ¸c tÝnh kh«ng ai gi¶i thÝch ®−îc. M·i ®Õn n¨m 1926, khi G. R. Minot vμ W. P. Murphy ph¸t hiÖn ®−îc t¸c dông ®iÒu trÞ bÖnh thiÕu m¸u ¸c tÝnh cña cao gan th× h−íng nghiªn cøu míi ®−îc më ra. N¨m 1927, Castle nhËn xÐt r»ng trong dÞch tiªu ho¸ cã 1 chÊt ®−îc gäi lμ "nh©n tè néi", khi nã kÕt hîp víi 1 chÊt gäi lμ "nh©n tè ngo¹i" cã trong protein cña gia sóc gióp cho c¬ thÓ hÊp thu ®−îc "t¸c nh©n chèng thiÕu m¸u ¸c tÝnh". §Õn n¨m 1948, Ricker vμ céng sù ë Mü vμ Smith-Parkers ë Anh ®· chiÕt vμ kÕt tinh ®−îc nh÷ng tinh thÓ h×nh kim mμu ®á ®Ëm tõ cao gan ®éng vËt vμ gäi lμ vitamin B12. Parker chøng minh ®−îc ®ã lμ "nh©n tè ngo¹i" vμ còng lμ t¸c nh©n ch÷a thiÕu m¸u ¸c tÝnh. Tõ 1 tÊn gan lÊy ®−îc 20 – 25 mg vitamin B12. CÊu tróc ho¸ häc cña vitamin B12 do D. C. Hodgkin (gi¶i th−ëng Nobel 1964) x¸c ®Þnh. Trong ®éng vËt vμ thùc phÈm B12 tån t¹i d¹ng coenzym liªn kÕt víi acid amin. Vitamin B12 lμ yÕu tè sinh tr−ëng, ®iÒu trÞ bÖnh thiÕu m¸u ¸c tÝnh. Nhu cÇu cho ng−êi b×nh th−êng 1 mcg/ngμy. ThiÕu vitamin B12 sÏ ¶nh h−ëng ®Õn chøc n¨ng t¹o hång cÇu g©y ra suy nh−îc toμn th©n. C«ng dông chÝnh cña vitamin B12 lμ ch÷a bÖnh thiÕu m¸u ¸c tÝnh vμ c¸c chøng thiÕu m¸u kh¸c. Vitamin B12 phèi hîp víi vitamin B1, B6 dïng ®iÒu trÞ viªm d©y thÇn kinh g©y ®au khíp, liÖt ch©n, tay rÊt hiÖu qu¶. Calci B12 gióp trÎ con chèng cßi x−¬ng, chËm lín...

Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910-1994)

Vitamin B12 tham gia vμo nhiÒu ph¶n øng trao ®æi chÊt ë c¬ thÓ, kÝch thÝch qu¸ tr×nh tæng hîp protein (th−êng gäi lμ nh©n tè protein ®éng vËt) v× vËy gia sóc, gia cÇm ¨n thøc ¨n cã chøa B12 sÏ t¨ng träng nhanh (10 - 15%). T¨ng tû lÖ ®Î trøng ë gμ vμ t¨ng tû lÖ trøng në thμnh gμ con. Vitamin B12 thuéc lo¹i hîp chÊt ho¹t ®éng sinh lý vμ ®−îc tæng hîp trong tù nhiªn hoμn toμn bëi vi sinh vËt. Sinh vitamin B12 m¹nh nhÊt lμ c¸c vi khuÈn propionic vμ vi khuÈn metan, vitamin B12 n»m trong tÕ bμo cña c¸c vi khuÈn nμy. Ngoμi ra cßn mét sè x¹ khuÈn còng sinh vitamin B12 nh−: Str. griseus, Str. aureofaciens, Str. rimosus… Thùc vËt kh«ng t¹o ®−îc vitamin B12. ë ng−êi, vitamin B12 do vi sinh vËt t¹o ra ë ruét giμ v× thÕ nã kh«ng ®−îc hÊp thu vμo m¸u. Ph©n ng−êi, gia sóc cã vitamin B12. ë ®éng vËt: thÞt bß, gan, thËn, tim (10 mcg/100 g); ë h¶i s¶n: cua, 73

ç, trøng ç; trong çc s¶n phÈm phom¸t, kem, s÷a… ®Òu cã chøa 1 l−îng nhá vitamin B12. 4.2. CÊu tróc ho¸ häc vμ tÝnh chÊt

C«ng thøc cÊu t¹o cyanocobalamin (C63H88CoN14O14 P; 1355) theo BP 2003 TT

Tªn gäi

Tªn cobalamin

Vitamin B12

Cyanocobalamin

Vitamin B12a

Hydroxocobalamin

Vitamin B12b

Aquacobalamin

H2 O

Vitamin B12c

Nitrosocobalamin

Coenzym B12

5'-deoxy-adenosylcobalamin

Methyl vitamin B12

Methylcobalamin

CH3

Ph©n tö vitamin B12 cã d¹ng coenzym liªn kÕt víi acid amin, bao gåm 2 phÇn chÝnh: phÇn Corin (cßn gäi lμ nh©n tè B) vμ phÇn nucleotid gåm base chøa nit¬ lμ 5, 6 dimetylbenzimidazol, ®−êng ribose vμ ph©n tö H3PO4. Nh©n Corin phøc hîp víi nguyªn tö cobalt; cobalt g¾n víi 1 gèc R vμ gäi chung lμ cobalamin. Tuú theo gèc R mμ ta cã c¸c vitamin B12 cã t¸c dông sinh häc. TÊt c¶ c¸c cobalamin ®Òu cã thÓ chuyÓn ®−îc thμnh cyanocobalamin khi cho t¸c dông víi nhãm -CN. Cyanocobalamin vμ hydroxocobalamin lμ 2 d¹ng hay dïng trong y häc. Cyanocobalamin lμ tinh thÓ h×nh kim mμu ®á thÉm. §é ch¶y 300°C. Tinh thÓ dÔ tan trong n−íc, cån, phenol. Kh«ng tan trong ether, cloroform, aceton. Dung dÞch vitamin B12 trong n−íc cã cùc ®¹i hÊp thô trong UV ë 278, 361 vμ 74

550 nm. §Ønh 361 nm dïng ®Ó ®Þnh l−îng vitamin B12 b»ng quang phæ. Vitamin B12 bÞ ¸nh s¸ng ph©n huû. 4.3. Lªn men sinh tæng hîp §Ó s¶n xuÊt vitamin B12 cã 3 con ®−êng sau: 4.3.1. ChiÕt tõ bïn cèng ho¹t ho¸ Mét sè vi sinh vËt ®Æc biÖt thuéc nhãm vi khuÈn sinh metan sèng kþ khÝ trong bïn cèng, ruéng, ao... cã kh¶ n¨ng s¶n sinh ra vitamin B12 víi hμm l−îng 0,5 - 1 mcg/1g bïn kh«. NÕu ñ bïn trong ®iÒu kiÖn kþ khÝ hμm l−îng vitamin B12 cã thÓ t¨ng lªn. Cã thÓ chiÕt lÊy vitamin B12 th« tõ bïn råi bæ sung vμo thøc ¨n ch¨n nu«i gμ lîn. HiÖn nay kh«ng sö dông ph−¬ng ph¸p nμy ®Ó s¶n xuÊt mμ chØ ®Ó kiÓm tra ®é « nhiÔm m«i tr−êng. 4.3.2. ChiÕt tõ n−íc th¶i cña c«ng nghiÖp kh¸ng sinh Mét sè x¹ khuÈn nh− Streptomyces griseus sinh tæng hîp streptomycin, Str. aureofaciens t¹o ra tetracyclin, Str. rimosus t¹o oxytetracyclin..., ngoμi çc kh¸ng sinh cßn sinh tæng hîp ra 1 l−îng vitamin B12 tõ 0,5 ÷ 1cg/ml m«i tr−êng. V× vËy sau khi chiÕt kh¸ng sinh lμ s¶n phÈm chÝnh ng−êi ta cßn chiÕt lÊy vitamin B12 tõ n−íc th¶i bá ®i ®ã. Tõ 100 lÝt n−íc th¶i cã thÓ thu ®−îc 40 mg vitamin B12. 4.3.3. Lªn men sinh tæng hîp Chñng gièng: trong s¶n xuÊt dïng vi khuÈn Propionibacterium shermanii v× cho hiÖu suÊt cao nhÊt. §Æc ®iÓm h×nh th¸i chñng vi khuÈn sinh vitamin B12: vi khuÈn Propionibacterium shermanii thuéc Gram (+), lμ trùc khuÈn nhá, xÕp thμnh ®«i hoÆc chuçi ng¾n kh«ng di ®éng, sèng kþ khÝ hay hiÕu khÝ kh«ng b¾t buéc. Trong ®iÒu kiÖn kþ khÝ cã h×nh cÇu ®−êng kÝnh 0,5 - 0,6 μm, trong ®iÒu kiÖn hiÕu khÝ l¹i cã h×nh que. Ph¸t triÓn m¹nh mÏ khi ë ®iÒu kiÖn kþ khÝ. §iÒu kiÖn nu«i cÊy: sinh tr−ëng trong ph¹m vi pH 4,5 - 7,5 nh−ng thÝch hîp nhÊt lμ pH = 6,8 - 7,0. NhiÖt ®é thÝch hîp cho sinh tæng hîp vitamin B12 lμ 28 - 30OC. Giíi h¹n tèi ®a cho sinh tæng hîp lμ 32OC. Nguån carbon: lªn men ®−îc nhiÒu lo¹i ®−êng nh−ng thÝch hîp nhÊt lμ glucose. Nguån nit¬: çc acid amin, çc muèi amoi. Methionin cã t¸c dông lμm t¨ng hiÖu suÊt sinh tæng hîp B12 tõ 10 - 12%. Çc ion kim lo¹i: bæ sung mét l−îng nhá muèi cobalt (clorid hoÆc nitrat) sÏ t¨ng ®¸ng kÓ hiÖu suÊt sinh tæng hîp B12, cßn çc kim lo¹i s¾t, ®ång, kÏm, mangan lμm gi¶m hiÖu suÊt sinh tæng hîp B12 nhÊt lμ s¾t. 75

C¸c vitamin: cã t¸c dông kÝch thÝch sinh tr−ëng vμ lμm t¨ng hiÖu suÊt sinh tæng hîp vitamin B12 gåm (thiamin, biotin, acid nicotinic, acid folic…). 4.4. Quy tr×nh s¶n xuÊt M«i tr−êng th¹ch gi÷ gièng cã thμnh phÇn gåm (%): Glucose

3,0

Cao ng«

0,5

KH2PO4

0,1

CoCl2. 6H2O

0,01

Agar-agar

1,0

6,8 ÷ 7,2

Khö trïng 110°C/20 phót, cÊy vi khuÈn vμ nu«i trong ®iÒu kiÖn kþ khÝ b¾t buéc ë 30°C trong 72 giê. M«i tr−êng nh©n gièng (%): Glucose

3,0

Cao ng«

1,5

CoCl2. 6H2O

0,015

6,8 ÷ 7,2.

Khö trïng 115°C/30'. Nu«i gièng trong ®iÒu kiÖn kþ khÝ ë 30°C/48 giê. CÊy gièng víi tû lÖ 10% lμ thÝch hîp. M«i tr−êng lªn men t¹o vitamin B12 (%): Glucose

8,0

Cao ng«

2,5

CoCl2. 6H2O

0,015

5,6 DMB

0,015

6,8 ÷ 7,2

Khö trïng 115°C/30 phót. Lªn men trong 6 - 7 ngμy. Vi khuÈn Propionibacterium shermanii sèng kþ khÝ tuú thÝch nh−ng kh«ng thÓ ph¸t triÓn ®−îc trong ®iÒu kiÖn hiÕu khÝ m¹nh. Hμm l−îng vitamin B12 t¹o thμnh nhiÒu trong ®iÒu kiÖn kþ khÝ, do ®ã trong 50h ®Çu nÕu hiÕu khÝ sÏ lμm gi¶m sinh khèi vμ hiÖu suÊt sinh tæng hîp. Trong lªn men c«ng nghiÖp nhÊt thiÕt ph¶i kþ khÝ ë 2 - 3 ngμy ®Çu, tõ ngμy thø t− thæi khÝ nhÑ hoÆc c¸ch 1 giê cÊp khÝ kho¶ng 15 phót. Vi khuÈn Propionibacterium shermanii sinh tr−ëng trong ph¹m vi pH 4,5 - 7,5 nh−ng vitamin B12 tÝch tô cao nhÊt ë pH = 6,8 - 7,2 (h×nh 6.1). Trong qu¸ 76

tr×nh lªn men vi khuÈn ph¸t triÓn sÏ t¹o ra acid propionic lμm pH m«i tr−êng gi¶m xuèng. Mét trong nh÷ng dÊu hiÖu cña qu¸ tr×nh lªn men tèt lμ pH m«i tr−êng nu«i cÊy gi¶m râ rÖt trong nh÷ng ngμy ®Çu. V× vËy lu«n lu«n ph¶i kiÓm tra pH m«i tr−êng vμ ®iÒu chØnh b»ng amoniac ®Ó gi÷ pH lu«n b»ng 7,0.

6,0

7,5

M«i tr−êng nh©n gièng H×nh 6.4. ¶nh h−ëng cña pH m«i tr−êng ®Õn tèc ®é vμ m«i tr−êng lªn men vÒ c¬ sinh tr−ëng cña Propionibacterium shermanii b¶n gièng nhau, tuy nhiªn ë m«i tr−êng lªn men l−îng glucose cÇn nhiÒu h¬n vμ cÇn bæ sung tiÒn chÊt 5,6 DMB (dimethylbenzylmidazol) víi nång ®é 1 - 10 mg/l. Do vi khuÈn cã kh¶ n¨ng t¹o thμnh hμng lo¹t chÊt t−¬ng tù vitamin B12 nªn cÇn bæ sung 5,6 DBM lμ base trong nucleotid cña vitamin B12, nã cã nhiÖm vô chuyÓn toμn bé c¸c nh©n tè B thμnh vitamin B12 thËt vμ hiÖu suÊt sinh tæng hîp cao h¬n. Thêi gian bæ sung 5,6 DMB cã thÓ bÊt kú nh−ng nÕu cho muén qu¸ nh©n tè B ch−a kÞp chuyÓn hÕt thμnh vitamin B12 sÏ lμm gi¶m hiÖu suÊt sinh tæng hîp. Thêi gian lªn men kÐo dμi 6 - 7 ngμy. Ba ngμy ®Çu nu«i kþ khÝ råi bæ sung 5,6 DMB vμo giê thø 72. NÕu cho muén qu¸ nh©n tè B kh«ng chuyÓn hÕt thμnh vitamin B12 ®−îc. Trªn qui m« 100 m3 hiÖn nay hiÖu suÊt cã thÓ ®¹t 80 ÷ 100mg/1 lÝt m«i tr−êng. 4.5. Quy tr×nh chiÕt xuÊt Vitamin B12 lμ s¶n phÈm néi bμo nªn tån t¹i trong sinh khèi vi khuÈn. Sau khi kÕt thóc lªn men, dÞch lªn men ®−îc ®em läc hoÆc ly t©m thu lÊy sinh khèi, lo¹i dÞch trong. TiÕn hμnh chiÕt xuÊt b»ng dung m«i h÷u c¬ hoÆc nhùa trao ®æi ion. Hoμ sinh khèi vμo n−íc t¹o hçn dÞch vμ chØnh pH vÒ 4,5 b»ng HCl 10% vμ thªm chÊt æn ®Þnh. §un nãng hçn dÞch lªn 80oC trong 30 phót ®Ó gi¶i phãng vitamin B12 vμo dung dÞch. Läc lÊy dÞch läc, bá b· hoÆc tËn thu lμm thøc ¨n ch¨n nu«i. ChiÕt vitamin B12 tõ dung dÞch n−íc sang pha h÷u c¬ b»ng hçn hîp dung m«i phenol: n-butanol (1:1) víi tû lÖ V pha h÷u c¬: V pha n−íc lμ 1:10. DÞch chiÕt h÷u c¬ nμy ®−îc pha lo·ng b»ng tricrezol vμ carbon tetraclorid (CCl4) – sau ®ã chiÕt vitamin B12 trë l¹i pha n−íc nhiÒu lÇn b»ng n−íc. ChØnh pH pha dung dÞch n−íc vÒ 8,0 - 8,5 vμ tiÕn hμnh cyanid ho¸. Sö dông KCN ®Ó chuyÓn d¹ng vitamin B12 coenzym thμnh Cyanocobalamin trong 3 giê. ChØnh pH vÒ trung tÝnh, c« ch©n kh«ng ë ≤ 60°C ®Õn nång ®é vitamin B12 ®¹t kho¶ng 10.000 mcg/ml. 77

Qu¸ tr×nh tinh chÕ Vitamin B12 ®−îc tiÕn hμnh trªn cét oxyd nh«m (Brochman alumium oxide) ®· ho¹t ho¸ 3000C/1 giê. HÊp phô dung dÞch vitamin B12 lªn cét trong dung dÞch aceton - n−íc 75%. ChuyÓn dÞch vitamin B12 trªn cét b»ng aceton - n−íc (80%). Sau ®ã ph¶n hÊp phô b»ng aceton - n−íc (50%) thu lÊy ph©n ®o¹n ®Ëm ®Æc nhÊt. Pha lo·ng dÞch ®Ëm ®Æc b»ng aceton, khuÊy nhÑ vμ ®Ó kÕt tinh 12 giê ë 4°C. Läc thu tinh thÓ h×nh kim mμu ®á ®Ëm, röa b»ng aceton nguyªn chÊt vμ sÊy kh« ë nhiÖt ®é thÊp (≤ 50OC). Trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt vitamin B12 hiÖn nay ng−êi ta dïng ph−¬ng ph¸p chiÕt b»ng nhùa hÊp phô XAD2 (h×nh 6.5) DÞch lªn men

Läc, ly t©m

DÞch läc

Ph¸ vì tÕ bµo Hoµ trong n−íc cÊt ChØnh pH 4,5 = HCl §un 800C/30 phót Sinh khèi

Läc

DÞch läc

ChiÕt lÇn 1 Phenol: n-butanol = 1:1 ChiÕt lÇn 2 N−íc cÊt Cyanid hãa KCN pH 8,5 Tinh chÕ Cét oxyd nh«m (3000C/1 giê) aceton/n−íc KÕt tinh Aceton 40C sÊy kh« 500C S¶n phÈm

H×nh 6.5a. C¸c c«ng ®o¹n chiÕt xuÊt vµ tinh chÕ vitamin B12 b»ng dung m«i h÷u c¬

Läc, ly t©m

DÞch läc

Ph¸ vì tÕ bµo Hoµ trong n−íc cÊt ChØnh pH 4,5 = HCl §un 800C/30 phót Läc

Sinh khèi

HÊp phô Nhùa XAD2 Ph¶n hÊp phô Dd aceton 20% C« ch©n kh«ng t0 ≤ 500C Cyanid hãa KCN pH 8,5 S¾c ký Cét oxyd nh«m (3000C/1 giê) aceton/n−íc Ph¶n hÊp phô

KÕt tinh Aceton 40C sÊy kh« 500C S¶n phÈm

H×nh 6.5b. C¸c c«ng ®o¹n chiÕt xuÊt vµ tinh chÕ vitamin B12 b»ng nhùa hÊp phô

Vitamin B12 tinh thÓ ph¶i cã hμm l−îng ≥ 95%. §Þnh l−îng vitamin B12 b»ng quang phæ tö ngo¹i ë b−íc sãng 361 nm. Còng cã thÓ ®Þnh l−îng vitamin B12 b»ng ph−¬ng ph¸p vi sinh vËt - chñng kiÓm ®Þnh lμ E. coli M113-3.

Tù l−îng gi¸ 1. Tr×nh bμy quy tr×nh lªn men sinh tæng hîp acid glutamic vμ c¸c ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o m× chÝnh. 2. Tr×nh bμy quy tr×nh lªn men sinh tæng hîp, ph−¬ng ph¸p tinh chÕ vμ chÕ t¹o dextran d−îc dông. 3. KÓ tªn c¸c ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt vitamin B12. 4. Tr×nh bμy quy tr×nh s¶n xuÊt vitamin B12 b»ng ph−¬ng ph¸p lªn men Propionibacterium shermanii.

phÇn II. C«ng nghÖ s¶n xuÊt kh¸ng sinh Ch−¬ng 7

§¹i c−¬ng vÒ kh¸ng sinh

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Çc b−íc cÇn tiÕn hμnh khi ®i t×m mét chÊt kh¸ng sinh dïng trong y häc. 2. Çc ph−¬ng ph¸p g©y ®ét biÕn vi sinh vËt ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt. 3. Çc øng dông kh¸ng sinh ngoμi lÜnh vùc y häc.

HiÖn nay çc nhμ khoa häc ®· th«ng b¸o ph¸t minh ra h¬n 8.000 chÊt kh¸ng sinh, trong ®ã cã kho¶ng h¬n 100 chÊt ®· ®−îc nghiªn cøu kü vμ ®−a vμo sö dông trong y häc vμ mét sè lÜnh vùc kh¸c. Çc chÊt cßn l¹i hoÆc lμ ®éc tÝnh cao, hoÆc lμ mÊt t¸c dông khi vμo c¬ thÓ. Do vËy viÖc t×m ra mét kh¸ng sinh míi lμ rÊt khã. NÕu kh«ng cã ph−¬ng ph¸p ®Æc biÖt sÏ dÔ nhÇm lÉn víi çc kh¸ng sinh ®· ®−îc ph¸t hiÖn lμm tiªu tèn c«ng søc vμ tiÒn cña v« Ých. VÝ dô: theo tÝnh to¸n cña çc nhμ khoa häc Mü, muèn ph¸t minh ra mét kh¸ng sinh cã ho¹t phæ réng cÇn 55 nhμ khoa häc lμm viÖc liªn tôc 2,5 n¨m ®Ó ph©n tÝch 100 ngμn mÉu ®Êt vμ tiªu tèn kho¶ng 4 triÖu ®«la. §Ó ph¸t minh ra mét kh¸ng sinh ®iÒu trÞ lao cÇn 11 n¨m nghiªn cøu vμ tiªu tèn vμi triÖu ®«la. VËy th× nguyªn nh©n nμo ®· kÝch thÝch çc nhμ nghiªn cøu, çc h·ng s¶n xuÊt d−îc phÈm lín lao vμo con ®−êng nghiªn cøu t×m ra çc kh¸ng sinh míi? Cã lÏ do çc nguyªn nh©n sau ®©y: 1. NhiÒu chÊt kh¸ng sinh lμ nh÷ng ho¸ trÞ liÖu kh«ng cã g× thay thÕ ®−îc ®Ó ®iÒu trÞ çc bÖnh nhiÔm trïng hiÓm nghÌo, bÖnh ung th−. 2. Mét sè kh¸ng sinh mang l¹i hiÖu qu¶ cao cho c©y trång vμ vËt nu«i. 3. Ngμy cμng cã nhiÒu vi sinh vËt g©y bÖnh kh¸ng l¹i thuèc kh¸ng sinh nªn ph¶i nghiªn cøu t×m ra çc chÊt kh¸ng sinh míi thay thÕ çc chÊt kh¸ng sinh cò Ýt cßn t¸c dông. 4. Mét vμi kh¸ng sinh dïng b¶o qu¶n cã hiÖu qu¶ çc thùc phÈm nh− ç, thÞt, phom¸t v.v... 81

V× vËy nghiªn cøu ®Ó ph¸t minh ra çc chÊt kh¸ng sinh míi lu«n lμ vÊn ®Ò thêi sù hÊp dÉn çc nhμ kinh tÕ vμ çc nhμ nghiªn cøu thuéc nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau nh−: vi sinh vËt häc, ho¸ sinh häc, di truyÒn häc, ho¸ häc, d−îc lý häc vμ çc nhμ kü thuËt... Nghiªn cøu kh¸ng sinh lμ vÝ dô ®iÓn h×nh vÒ sù kÕt hîp nhiÒu nhμ khoa häc thuéc nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau, chØ cã biÕt phèi hîp chÆt chÏ míi ®em l¹i th¾ng lîi vμ hiÖu qu¶. 1. §Þnh nghÜa kh¸ng sinh Cã rÊt nhiÒu ®Þnh nghÜa kh¸c nhau vÒ chÊt kh¸ng sinh, song cã thÓ nªu lªn mét ®Þnh nghÜa ®−îc coi lμ hoμn chØnh nhÊt: "Kh¸ng sinh lμ nh÷ng s¶n phÈm ®Æc biÖt nhËn ®−îc tõ vi sinh vËt hay çc nguån tù nhiªn kh¸c cã ho¹t tÝnh sinh häc cao, cã t¸c dông k×m h·m hoÆc tiªu diÖt mét çch chän läc lªn mét nhãm vi sinh vËt x¸c ®Þnh (vi khuÈn, nÊm, protozoa...) hay tÕ bμo ung th−" ë nång ®é thÊp. CÇn ph©n biÖt mét sè chÊt còng do vi sinh vËt t¹o ra nh−ng kh«ng ®−îc gäi lμ kh¸ng sinh nh−: r−îu ethylic, çc acid h÷u c¬... v× chóng t¸c dông lªn vi sinh vËt kh¸c kh«ng mang tÝnh chän läc vμ ë nång ®é cao. 2. §¬n vÞ kh¸ng sinh §Ó biÓu thÞ ®é lín gi¸ trÞ ho¹t tÝnh cña chÊt kh¸ng sinh - trong 1 ml (®v/ml) dung dÞch hay 1 mg chÕ phÈm (®v/mg) th−êng dïng ®¬n vÞ (®v) kh¸ng sinh. §ã chÝnh lμ l−îng kh¸ng sinh tèi thiÓu hoμ tan trong mét thÓ tÝch m«i tr−êng x¸c ®Þnh cã t¸c dông øc chÕ hay tiªu diÖt vi sinh vËt kiÓm ®Þnh. VÝ dô: §¬n vÞ ho¹t tÝnh cña penicillin G lμ l−îng penicillin G Ýt nhÊt hoμ tan vμo 50 ml canh thang cã t¸c dông øc chÕ sù ph¸t triÓn cña Staphylococcus aureus 209 P. §¬n vÞ ho¹t tÝnh cña Streptomycin lμ l−îng Streptomycin Ýt nhÊt hoμ vμo 1 ml canh thang cã t¸c dông øc chÕ sù ph¸t triÓn cña E. coli... V× mçi kh¸ng sinh cã ®¬n vÞ ho¹t tÝnh sinh häc riªng nªn ph¶i ghi râ ®Ó tiÖn khi sö dông. VÝ dô: penicillin G 1 ®¬n vÞ b»ng 0,6 mcg, nghÜa lμ 1mg chøa 1.667 ®¬n vÞ; cßn streptomycin 1 ®¬n vÞ = 1 mcg (1 mg = 1.000 ®v); 1mg Neomycin chøa 300 ®¬n vÞ (1 ®v = 3,3 mcg); 1 ®¬n vÞ bacitracin chøa 20 mcg... 3. Ph©n lo¹i kh¸ng sinh Danh s¸ch çc chÊt kh¸ng sinh ®−îc ph¸t minh ngμy cμng dμi thªm m·i. ViÖc ph©n lo¹i çc kh¸ng sinh lμ cÇn thiÕt v× nã gióp cho çc nhμ khoa häc tèn Ýt thêi gian khi nghiªn cøu çc kh¸ng sinh míi vÒ cÊu tróc ho¸ häc, c¬ chÕ t¸c dông, ®éc tÝnh... Cã thÓ ph©n lo¹i kh¸ng sinh theo nguån gèc (kh¸ng sinh do x¹ khuÈn, vi khuÈn, nÊm) t¹o ra. Song cã chÊt kh¸ng sinh do mét vμi loμi vi sinh vËt cïng t¹o ra th× xÕp s¾p thÕ nμo, do ®ã çch s¾p xÕp nμy kh«ng thÝch hîp. Cã thÓ ph©n lo¹i kh¸ng sinh theo c¬ chÕ t¸c dông (kh¸ng sinh t¸c dông lªn thμnh tÕ 82

bμo, lªn tæng hîp protein, tæng hîp ADN, ARN ...). Çch ph©n lo¹i nμy thÝch hîp cho çc nhμ D−îc lý häc. Çc nhμ Ho¸ häc th× ®Ò nghÞ ph©n lo¹i kh¸ng sinh theo cÊu tróc ho¸ häc. Ph©n lo¹i kh¸ng sinh theo cÊu tróc ho¸ häc lμ khoa häc nhÊt v× nã gióp cho ng−êi nghiªn cøu nhanh chãng ®Þnh h−íng ®−îc çc ®Æc ®iÓm cña chÊt kh¸ng sinh míi ph¸t hiÖn khi biÕt ®−îc cÊu tróc ho¸ häc cña nã, tr¸nh l·ng phÝ thêi gian ®Ó nghiªn cøu vÒ çc ®Æc ®iÓm kh¸c. Ph©n lo¹i kh¸ng sinh theo cÊu tróc ho¸ häc th−êng chia ra çc nhãm chÊt sau ®©y: + Çc chÊt kh¸ng sinh cã cÊu tróc β-lactam (penicillin, cephalosporin) + Çc kh¸ng sinh chøa nh©n th¬m (chloramphenicol) + Çc kh¸ng sinh cã cÊu tróc aminoglycosid (streptomycin, gentamicin) + Çc kh¸ng sinh cã cÊu tróc 4 vßng (çc tetracyclin) + Çc kh¸ng sinh polypeptid (polymyxin, bacitracin) + Çc kh¸ng sinh macrolid (erythromycin, spiramycin) + Çc kh¸ng sinh polyen (nystatin, amphotericin B) + Çc kh¸ng sinh chèng ung th− nhãm antracyclin (daunorubicin) + Çc kh¸ng sinh chèng ung th− nhãm actinomycin (dactinomycin D) +… 4. Çc ph−¬ng ph¸p ph©n lËp vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh §Ó ph©n lËp vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh ng−êi ta ph¶i lÊy mÉu tõ çc nguån c¬ chÊt kh¸c nhau: ®Êt ë ruéng, ®Êt quanh rÔ c©y, ®Êt nÒn ë chuång gia cÇm, gia sóc, bïn, n−íc ë s«ng hå... Tõ çc mÉu trªn ®em ph©n lËp thuÇn khiÕt nh÷ng vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh mμ ta mong muèn b»ng çc ph−¬ng ph¸p ®Æc tr−ng vμ trªn çc m«i tr−êng chän läc. §Ó ph©n lËp x¹ khuÈn th−êng dïng m«i tr−êng cã thμnh phÇn sau: M«i tr−êng 1

M«i tr−êng 2

(NH4)2SO4

KNO3

K2HPO4

NaCl

0,2 g

MgSO4

MgCO3

0,3 g

Tinh bét

10 g

Tinh bét

10 g

Agar – agar

20 g

FeSO4

0,001 g

N−íc m¸y võa ®ñ

1.000 ml

CaCO3

0,5g

Agar - agar

20 g

N−íc m¸y võa ®ñ

1.000 ml

pH tr−íc khi tiÖt trïng 6,8 ÷ 7,0 83

KH2PO4

MgSO4

0,05 g

Saccharose

20 g

Agar – agar

20 g

N−íc m¸y võa ®ñ

1.000 ml

pH tr−íc khi tiÖt trïng 6,0 ÷ 6,2. VÝ dô: §a sè vi khuÈn ph¸t triÓn tèt trªn m«i tr−êng cã thμnh phÇn giμu dinh d−ìng (pepton, canh thang - th¹ch) ë pH 7,0 vμ nhiÖt ®é 30 ÷ 37°C. Trong c¸c ®iÒu kiÖn trªn nÊm mèc vμ x¹ khuÈn ph¸t triÓn chËm h¬n. Cã thÓ kh¸i qu¸t ho¸ thμnh nguyªn t¾c ®Ó thùc hiÖn dÔ dμng nh− sau:

1. Mçi chÊt kh¸ng sinh ®−îc t¹o ra bëi mét hoÆc vμi loμi vi sinh vËt x¸c ®Þnh. VÝ dô: tetracyclin do Str. aureofaciens, Str. viridifaciens t¹o ra; penicillin do P. chrysogenum hoÆc P. notatum t¹o ra. 2. Mçi loμi vi sinh vËt x¸c ®Þnh cã thÓ sinh tæng hîp ra mét hoÆc vμi chÊt kh¸ng sinh theo ®Æc ®iÓm di truyÒn cña chóng. VÝ dô: Str. fradiae cã thÓ t¹o ra neomycin A, neomycin B, neomycin C. Str. rimosus t¹o ra oxytetracyclin … BiÕt ®−îc nguyªn t¾c trªn viÖc ®i t×m çc kh¸ng sinh ®· ®−îc m« t¶ rÊt dÔ dμng. VÝ dô: muèn cã kh¸ng sinh streptomycin chØ cÇn ph©n lËp x¹ khuÈn thuéc chi Streptomyces vμ loμi lμ griseus. Muèn cã kh¸ng sinh fumagillin ta cÇn ph©n lËp nÊm mèc thuéc chi Aspergillus vμ loμi fumigatus. Muèn cã kh¸ng sinh gramyxidin chØ cÇn ph©n lËp vi khuÈn cã bμo tö chi Bacillus loμi brevis... Râ rμng ®Ó ph©n lËp mét vi sinh vËt cho mét chÊt kh¸ng sinh ®· biÕt c«ng viÖc kh«ng phøc t¹p l¾m, song ®Ó ph©n lËp nh÷ng vi sinh vËt sinh chÊt kh¸ng sinh míi ®ßi hái c«ng viÖc phøc t¹p h¬n nhiÒu, nhÊt lμ nh÷ng kh¸ng sinh chèng virus vμ ung th−. 4.1. Ph−¬ng ph¸p cÊy dÞch chiÕt ®Êt lªn bÒ mÆt th¹ch C©n chÝnh x¸c mét l−îng ®Êt, nghiÒn trong cèi sø víi mét l−îng n−íc, sau ®ã cho vμo b×nh l¾c kho¶ng 5 phót. Dïng n−íc v« trïng pha lo·ng thμnh nh÷ng nång ®é cÇn thiÕt. Nhá dung dÞch ®· pha lo·ng lªn m«i tr−êng th¹ch dinh d−ìng g¹t nhÑ lªn bÒ mÆt th¹ch cho ph©n t¸n ®Òu. Nu«i trong tñ Êm 30°C, sau mét thêi gian 3 - 5 ngμy xuÊt hiÖn çc khuÈn l¹c mäc riªng rÏ. CÊy t¸ch khuÈn l¹c ®ã lªn th¹ch nghiªng cho thuÇn khiÕt, sau ®ã nghiªn cøu ho¹t tÝnh kh¸ng sinh cña çc vi sinh vËt ph©n lËp ®−îc. 84

4.2. Ph−¬ng ph¸p cÊy ®Êt trùc tiÕp lªn bÒ mÆt th¹ch ®· chøa s½n vi sinh vËt kiÓm ®Þnh Trªn hép petri cã m«i tr−êng dinh d−ìng vμ chøa vi sinh vËt kiÓm ®Þnh, ®em gieo cÊy trùc tiÕp çc "h¹t" ®Êt lªn bÒ mÆt th¹ch, ®Ó tñ Êm 24 - 48 giê mang ra quan s¸t. NÕu xung quanh çc h¹t ®Êt cã vßng v« khuÈn, ta biÕt ®−îc vi sinh vËt trong h¹t ®Êt ®ã cã sinh ra chÊt kh¸ng sinh chèng l¹i vi sinh vËt kiÓm ®Þnh. Tõ côc ®Êt ®ã ta tiÕn hμnh ph©n lËp vμ ®−îc vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh ®Ó nghiªn cøu tiÕp. Ph−¬ng ph¸p nμy cho biÕt ®−îc ngay lμ vi sinh vËt ®èi kh¸ng ph©n lËp ®−îc cã kh¶ n¨ng øc chÕ ®−îc vi sinh vËt g©y bÖnh thuéc lo¹i g×. 4.3. Ph−¬ng ph¸p lμm giμu ®Êt §Êt tr−íc khi ®em ph©n lËp vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh ®−îc ®−a vμo chËu thuû tinh, gi÷ ®é Èm x¸c ®Þnh - thØnh tho¶ng ta l¹i cho thªm mét Ýt vi sinh vËt kiÓm ®Þnh vμo, trén ®Òu. Nu«i ë tñ Êm sau mét thêi gian ®em ra ph©n lËp theo ph−¬ng ph¸p nªu ë môc 4.1. B»ng ph−¬ng ph¸p nμy ng−êi ta dÔ dμng thu ®−îc vi sinh vËt ®èi kh¸ng víi vi sinh vËt kiÓm ®Þnh mÆc dï ban ®Çu vi sinh vËt ®èi kh¸ng ®ã cã trong ®Êt rÊt Ýt. 4.4. Ph−¬ng ph¸p thªm kh¸ng sinh vμo trong m«i tr−êng ph©n lËp X¹ khuÈn ph¸t triÓn chËm h¬n vi khuÈn vμ nÊm mèc. V× vËy ®Ó dÔ dμng ph©n lËp x¹ khuÈn, ng−êi ta cho thªm kh¸ng sinh chèng nÊm vμ kh¸ng khuÈn víi nång ®é tõ 5 - 25 mcg/ml vμo m«i tr−êng ph©n lËp. Çc kh¸ng sinh th−êng dïng lμ: tetracyclin, neomycin, nystatin, streptomycin, penicillin, chloramphenicol. B»ng çch nμy ng−êi ta dÔ dμng ph©n lËp ®−îc x¹ khuÈn sinh chÊt kh¸ng sinh. 4.5. Ph©n lËp vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh chèng ung th− HÇu hÕt çc kh¸ng sinh chèng ung th− võa cã t¸c dông tiªu diÖt tÕ bμo ung th−, l¹i võa cã t¸c dông tiªu diÖt tÕ bμo vi khuÈn. V× vËy ®Ó sμng läc çc vi sinh vËt t¹o ra kh¸ng sinh chèng ung th− ta cã thÓ dïng vi khuÈn lμm m« h×nh ®Ó thö ban ®Çu, võa ®ì nguy hiÓm võa ®ì tèn kÐm. Nguyªn lý cña ph−¬ng ph¸p cã thÓ tãm t¾t nh− sau: trao ®æi chÊt cña tÕ bμo ung th− kh¸c víi tÕ bμo b×nh th−êng. Sù kh¸c biÖt ®ã ®−îc ®Æc tr−ng ë bé m¸y h« hÊp cña tÕ bμo, ®o c−êng ®é h« hÊp cña tÕ bμo nhËn thÊy c−êng ®é h« hÊp cña tÕ bμo ung th− thÊp h¬n nhiÒu so víi tÕ bμo b×nh th−êng. Trªn c¬ së ®ã Gauze (1958) ®· nªu ý kiÕn dïng t¸c nh©n g©y ®ét biÕn çc tô cÇu ®Ó nhËn ®−îc çc chñng ®ét biÕn cã c−êng ®é hÊp thu oxy thÊp h¬n chñng ban ®Çu tõ 20-80% lμm vi sinh vËt kiÓm ®Þnh ®Ó thö t¸c dông chèng ung th− cña kh¸ng sinh. Umesawa (1961) ®· sö dông çc nÊm men ®ét biÕn cã c−êng ®é h« hÊp thÊp lμm test ®Ó thö t¸c dông chèng ung th− cña kh¸ng sinh. Sau ®ã so s¸nh ®é nh¹y cña ph−¬ng ph¸p dïng tÕ bμo ung th− vμ tÕ bμo cña vi sinh vËt ®ét biÕn nhËn thÊy 85

dïng vi sinh vËt ®ét biÕn cã ®é nh¹y h¬n. Khi ®· chän läc ban ®Çu ®−îc chÊt kh¸ng sinh chèng ung th− råi, cÇn ph¶i thö tiÕp trªn çc dßng tÕ bμo ung th− in vitro vμ in vivo ®Ó kh¼ng ®Þnh chÝnh x¸c xem chÊt kh¸ng sinh t×m thÊy cã t¸c dông trªn tÕ bμo ung th− hay kh«ng? C«ng viÖc nμy hiÖn nay thùc hiÖn t−¬ng ®èi dÔ dμng v× ®· cã nhiÒu dßng tÕ bμo ung th− ®−îc nu«i cÊy thuÇn chñng trong phßng thÝ nghiÖm. 5. Ph−¬ng ph¸p g©y ®ét biÕn vi sinh vËt ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt Vi sinh vËt sinh tæng hîp kh¸ng sinh ph©n lËp ®−îc tõ c¬ chÊt thiªn nhiªn th−êng cã ho¹t tÝnh rÊt thÊp. VÝ dô: çc chñng Penicillium ph©n lËp tõ ®Êt chØ ®¹t tõ 30 - 50®v/ml dÞch nu«i cÊy. V× vËy ®Ó thu ®−îc çc chñng cã ho¹t tÝnh cao ®−a vμo s¶n xuÊt ®ßi hái ph¶i c¶i t¹o chän gièng b»ng çc ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau vμ nghiªn cøu ®iÒu kiÖn nu«i cÊy thÝch hîp. 5.1. Chän chñng cã ho¹t tÝnh cao b»ng phÐp chän läc tù nhiªn Çc vi sinh vËt cã sù biÕn dÞ tù nhiªn theo tÇn sè kh¸c nhau trong èng gièng thuÇn khiÕt, cã ç thÓ ho¹t tÝnh kh¸ng sinh m¹nh gÊp 10 - 20 lÇn nh÷ng ç thÓ kh¸c. CÇn ph¶i chän lÊy ç thÓ cã ho¹t tÝnh cao nhÊt trong èng gièng ®Ó nghiªn cøu tiÕp. TiÕn hμnh cÊy gièng trªn hép petri sao cho mçi hép chØ cã 10 - 20 khuÈn l¹c t¸ch riªng biÖt, sau ®ã tiÕn hμnh kiÓm tra ho¹t tÝnh kh¸ng sinh cña chóng b»ng çc çch sau: −

§æ líp th¹ch cã chøa vi khuÈn kiÓm ®Þnh lªn bÒ mÆt hép petri ®· nu«i vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh. §Æt hép petri vμo tñ Êm, 24 giê sau ®äc kÕt qu¶. Vßng øc chÕ cμng lín ho¹t tÝnh kh¸ng sinh do khuÈn l¹c t¹o ra cμng m¹nh.

−

Cã thÓ khoan çc côc th¹ch cã chøa çc khuÈn l¹c vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh ®Æt lªn hép petri kh¸c ®· chøa s½n vi sinh vËt kiÓm ®Þnh, sau ®ã nu«i ë tñ Êm 24 giê vμ ®äc kÕt qu¶. Tõ khuÈn l¹c cã ho¹t tÝnh kh¸ng sinh m¹nh nhÊt cÊy ra th¹ch nghiªng ®Ó nghiªn cøu tiÕp tôc. Waskman N.S. vμ céng sù (1946) ®· sö dông streptomycin cho vμo m«i tr−êng nu«i cÊy Str. griseus lμ x¹ khuÈn sinh ra streptomycin víi nång ®é 100 mcg/ml. KÕt qu¶ cho thÊy chØ nh÷ng ç thÓ nμo cã kh¶ n¨ng t¹o ra streptomycin víi nång ®é lín h¬n 100 mcg/ml míi sèng sãt vμ ph¸t triÓn. §©y còng lμ ph−¬ng ph¸p ®Ó chän çc chñng cho ho¹t tÝnh cao.

Trong thùc tÕ viÖc chän läc tù nhiªn c¸c c¸ thÓ cã ho¹t tÝnh cao chØ ®Ó nghiªn cøu ban ®Çu, nã kh«ng cã gi¸ trÞ ¸p dông vμo s¶n xuÊt. §Ó thu ®−îc nh÷ng chñng cã kh¶ n¨ng siªu tæng hîp chÊt kh¸ng sinh ng−êi ta ¸p dông ph−¬ng ph¸p ®ét biÕn nh©n t¹o. 86

5.2. §ét biÕn nh©n t¹o Çc t¸c nh©n g©y ®ét biÕn m¹nh nh− tia UV, X hay nh÷ng ho¸ chÊt: iperit, ethylenimin, dimethylsulfat... Cho t¸c dông víi liÒu l−îng vμ thêi gian thÝch hîp sÏ giÕt chÕt çc vi sinh vËt. Nh÷ng ç thÓ nμo nÕu cßn sèng sãt sÏ cã sù ®ét biÕn gen, lμm thay ®æi çc tÝnh tr¹ng dÉn ®Õn hoÆc lμ mÊt kh¶ n¨ng t¹o ra kh¸ng sinh (®ét biÕn ©m tÝnh) hoÆc lμm t¨ng hiÖu suÊt sinh tæng hîp kh¸ng sinh lªn nhiÒu lÇn (®ét biÕn d−¬ng tÝnh). B¶ng 7.1. KÕt qu¶ chän gièng çc chñng vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh Vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh

HiÖu suÊt t¹o kh¸ng sinh (®v/ml) Chñng ban ®Çu

Penicillin

R, UV, I, EI

220

5200

Streptomycin

R, UV

250

4200

Clotetracyclin

R, UV

600

2200

Erythromycin

UV, EI

500

1000

Chó thÝch:

R - R¬nghen

UV - Cùc tÝm

I - Iperit

EI - Etylenimin

§Ó t¹o ra çc chñng cã hiÖu suÊt sinh tæng hîp kh¸ng sinh cao ph¶i tiÕn hμnh ®ét biÕn bËc thang, kÕt hîp víi çc ph−¬ng ph¸p di truyÒn ph©n tö nh− t¸i tæ hîp ®Þnh h−íng çc gen. KÜ thuËt t¸ch dßng gen, kÜ thuËt t¹o vμ dung hîp tÕ bμo trÇn ®· ®em l¹i nhiÒu kÕt qu¶ kh«ng nh÷ng n©ng cao ®−îc hiÖu suÊt sinh tæng hîp cña chñng gièng mμ cßn rót ng¾n ®−îc thêi gian t¹o gièng míi. S¬ ®å chän gièng bËc thang P. chrysogenum NRRL 1951 cho thÊy sù phøc t¹p cña c«ng viÖc vμ lßng kiªn tr× kh«ng biÕt mÖt mái cña çc nhμ nghiªn cøu ®Ó ®¹t ®−îc hiÖu qu¶ cho mét chñng gièng dïng trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt penicillin (h×nh 7.1). 6. Nghiªn cøu ®iÒu kiÖn nu«i cÊy çc chñng vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh ph©n lËp ®−îc Sau khi ®· g©y ®ét biÕn vμ chän läc ®−îc çc chñng cho n¨ng suÊt cao cÇn ph¶i nghiªn cøu tiÕp ®iÒu kiÖn nu«i cÊy thÝch hîp nh−: thμnh phÇn m«i tr−êng, nhu cÇu oxy hoμ tan, pH, nhiÖt ®é, tiÒn chÊt... cã thÓ t¨ng hiÖu suÊt lªn 2 - 3 lÇn. VÝ dô: ®Ó lªn men s¶n xuÊt penicillin V ng−êi ta cho thªm tiÒn chÊt (precursor) lμ acid phenoxyacetic, ®Ó t¹o penicillin G cho thªm acid phenylacetic. Nghiªn cøu ®iÒu kiÖn nu«i cÊy vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh lμ c«ng ®o¹n quan träng cña c«ng nghÖ lªn men, nã gióp cho viÖc tèi −u ho¸ çc th«ng sè cña kü thuËt lªn men vμ lμm t¨ng n¨ng suÊt sinh tæng hîp, h¹ gi¸ thμnh s¶n phÈm. 87

H×nh 7.1. S¬ ®å ®ét biÕn chän gièng P. chrysogenum

7. Nghiªn cøu chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ kh¸ng sinh Kh¸ng sinh lμ nh÷ng s¶n phÈm trao ®æi chÊt thø cÊp. Tuú theo ®Æc tÝnh cña loμi mμ s¶n phÈm thø cÊp ®ã ®−îc tiÕt vμo m«i tr−êng nu«i cÊy (penicillin, streptomycin...) hay gi÷ l¹i trong tÕ bμo (gramicidin, tetracyclin...). §Ó thu lÊy c¸c ho¹t chÊt cã ®é tinh khiÕt cao cÇn t×m ph−¬ng ph¸p chiÕt thÝch hîp. NÕu chiÕt b»ng dung m«i h÷u c¬ th× dung m«i cÇn tho¶ m·n c¸c yªu cÇu sau: −

Dung m«i dÔ kiÕm, rÎ tiÒn, kh«ng ®éc, khã ch¸y.

−

Cã tÝnh chän läc cao: hoμ tan tèt ho¹t chÊt Ýt hoμ tan t¹p chÊt.

−

DÔ cÊt thu håi.

Cã kh¸ng sinh l¹i chiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p kÕt tña (çc tetracyclin, fumagillin...), hoÆc b»ng nhùa trao ®æi ion (kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid, polymyxin...), v× vËy ph¶i nghiªn cøu chän ®−îc chÊt phô gia cho qu¸ tr×nh kÕt tña (çc amoni bËc 4) hoÆc çc cationit cã dung l−îng trao ®æi lín, dÔ ph¶n hÊp phô ®Ó kh«ng ph¸ huû ho¹t chÊt. Kü thuËt chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ kh¸ng sinh thÝch hîp lμm cho s¶n phÈm ®¹t chÊt l−îng cao, b¶o qu¶n ®−îc l©u h¬n ®ång thêi cßn lμm t¨ng tû lÖ thu håi vμ h¹ gi¸ thμnh s¶n phÈm. VÝ dô: trong nh÷ng n¨m 60 - 70 tû lÖ chiÕt xuÊt penicillin tõ m«i tr−êng lªn men chØ ®¹t 60 - 70%. HiÖn nay tû lÖ ®ã ®· ®¹t 90 - 92%. 8. Nghiªn cøu ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn vμ ®éc tÝnh Sau khi chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ ®−îc kh¸ng sinh tinh khiÕt, ph¶i kiÓm tra ho¹t lùc cña nã (phæ t¸c dông) ®èi víi vi sinh vËt kiÓm ®Þnh: vi khuÈn Gram (+), Gram (-), nÊm... x¸c ®Þnh ®−îc MIC (nång ®é tèi thiÓu cã t¸c dông øc chÕ). Ngoμi ra cßn ph¶i kiÓm tra ®é v« trïng cña kh¸ng sinh xem cã lÉn vi sinh vËt l¹, ®Æc biÖt çc bμo tö cña vi sinh vËt g©y bÖnh. §Ó lμm ®−îc viÖc ®ã ph¶i khö ho¹t tÝnh cña kh¸ng sinh, sau ®ã cÊy trªn çc m«i tr−êng ®Æc biÖt: canh thang, th¹ch m¸u..., khö ho¹t tÝnh penicillin b»ng penicillinase hay clohydrat hydroxylamin; streptomycin khö b»ng hydroxylamin hay cystein. NhiÒu kh¸ng sinh kh«ng cã chÊt khö ®Æc tr−ng th× ®é v« trïng cña nã chØ x¸c ®Þnh ®−îc ®èi víi nh÷ng vi sinh vËt kh«ng bÞ t¸c dông cña kh¸ng sinh ®ã. §éc tÝnh kh¸ng sinh ®−îc kiÓm tra b»ng ®éng vËt thÝ nghiÖm. Ng−êi ta th−êng dïng chuét, tiªm tÜnh m¹ch, phóc m¹c hay d−íi da, uèng çc liÒu l−îng kh¸ng sinh cÇn nghiªn cøu. Theo dâi chóng cÈn thËn sau 12 - 15 ngμy thÝ nghiÖm míi cã kÕt luËn vÒ ®éc tÝnh cña kh¸ng sinh ®em thö. 9. Nghiªn cøu vÒ d−îc lý vμ ®iÒu trÞ cña kh¸ng sinh T¸c dông ®iÒu trÞ cña kh¸ng sinh ®−îc tiÕn hμnh trªn ®éng vËt thÝ nghiÖm (th−êng dïng chuét). TiÕn hμnh g©y bÖnh thùc nghiÖm cho ®éng vËt b»ng mét lo¹i vi sinh vËt g©y bÖnh x¸c ®Þnh. Th−êng sö dông liÒu g©y chÕt 50% ®éng vËt thÝ nghiÖm (LD50) vμ liÒu g©y chÕt 100% ®éng vËt thÝ nghiÖm 89

−

Nhãm 2: dïng kh¸ng sinh ®iÒu trÞ sau khi g©y nhiÔm ®éng vËt Ýt nhÊt 5 giê. Trong c¶ 2 tr−êng hîp trªn ®−îc phÐp dïng kh¸ng sinh víi liÒu tèi ®a ®Ó cøu sèng ®éng vËt thÝ nghiÖm.

−

Nhãm 3: lμ nhãm ®èi chøng.

Dùa vμo sè l−îng ®éng vËt sèng sãt mμ kÕt luËn vÒ t¸c dông ®iÒu trÞ cña kh¸ng sinh. L−îng kh¸ng sinh tèi thiÓu cøu ®−îc ®éng vËt tho¸t chÕt lμ liÒu ®iÒu trÞ tèi thiÓu. Mçi kh¸ng sinh dïng trong ®iÒu trÞ ®Òu cã ®éc tÝnh nhÊt ®Þnh. NÕu liÒu ®iÒu trÞ thÊp h¬n ®é ®éc cho phÐp th× kh¸ng sinh ®ã ®−îc sö dông trong ®iÒu trÞ. Trong tÊt c¶ c¸c tr−êng hîp liÒu ®iÒu trÞ b»ng hoÆc gÇn víi liÒu ®éc th× kh«ng cho phÐp sö dông kh¸ng sinh ®ã trong y häc. 10. Tiªu chuÈn ®èi víi mét kh¸ng sinh Kh¸ng sinh lμ nh÷ng ho¸ trÞ liÖu, nhiÒu kh¸ng sinh ®−îc ph¸t hiÖn (> 8.000 chÊt) nh−ng chØ cã kho¶ng 150 chÊt ®−îc øng dông trong y häc. Trong sè ®ã còng chØ cã kho¶ng 30 chÊt ®−îc øng dông réng r·i. Nh÷ng kh¸ng sinh cßn l¹i kh«ng ®−îc sö dông phÇn v× chóng ®éc h¹i víi c¬ thÓ hoÆc bÞ gi¶m t¸c dông khi tiÕp xóc víi dÞch c¬ thÓ. Nh÷ng yªu cÇu cña y häc ®èi víi mét kh¸ng sinh lμ: −

Kh¸ng sinh ph¶i kh«ng ®éc hoÆc rÊt Ýt ®éc ®èi víi c¬ thÓ.

−

Ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn kh«ng bÞ gi¶m khi tiÕp xóc víi dÞch c¬ thÓ.

Trªn thùc tÕ, ngoμi penicillin ra kh«ng cã mét kh¸ng sinh nμo tho¶ m·n c¶ 4 yªu cÇu trªn. V× vËy ng−êi thÇy thuèc ®iÒu trÞ ph¶i hiÓu biÕt ®Çy ®ñ vÒ c¬ chÕ t¸c dông vμ çc ph¶n øng phô cña kh¸ng sinh ®Ó kª ®¬n chÝnh x¸c, nªn phèi hîp çc kh¸ng sinh víi nhau hoÆc kh¸ng sinh víi çc chÕ phÈm kh¸c ®Ó t¨ng c−êng t¸c dông ®iÒu trÞ, gi¶m çc ph¶n øng phô vμ ®éc tÝnh. 11. Çc ph−¬ng ph¸p ®Þnh l−îng kh¸ng sinh §Þnh l−îng kh¸ng sinh trong m«i tr−êng nu«i cÊy hay trong çc chÕ phÈm ®−îc thùc hiÖn b»ng çc ph−¬ng ph¸p ho¸ häc, ho¸ lý hay sinh häc. Ph−¬ng ph¸p sinh häc rÊt hay dïng v× t−¬ng ®èi chÝnh x¸c l¹i kh«ng ®ßi hái thiÕt bÞ ®¾t tiÒn. 90

11.1. Ph−¬ng ph¸p vi sinh vËt §Þnh l−îng kh¸ng sinh b»ng vi sinh vËt dùa trªn nguyªn t¾c kh¸ng sinh t¸c dông k×m h·m sù ph¸t triÓn cña vi sinh vËt kiÓm ®Þnh; so s¸nh t¸c dông víi kh¸ng sinh chuÈn ®· biÕt sÏ tÝnh to¸n ®−îc hμm l−îng cña kh¸ng sinh cÇn ph©n tÝch. Tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p vi sinh vËt còng cã mét sè nh−îc ®iÓm, phô thuéc vμo nhiÒu yÕu tè bªn ngoμi nªn ®é chÝnh x¸c cho phÐp ± 5%. 11.1.1. Ph−¬ng ph¸p pha lo·ng liªn tôc Dïng ®Ó ®Þnh l−îng kh¸ng sinh trong dÞch nu«i cÊy hay trong dÞch chiÕt. Nguyªn t¾c: pha lo·ng kh¸ng sinh trong m«i tr−êng canh thang (trong suèt) trong c¸c èng nghiÖm ®· tiÖt trïng thμnh c¸c nång ®é kh¸c nhau: 1 : 10 ;

1 : 20 ;

1 : 40 ;

1 : 80 ;

1 : 160…

hay

1 : 100 ;

1 : 200 ;

1 : 300 ;

1 : 4001 :

800…

hay

1:2;

1:4;

1:8;

1 : 16 ;

1 : 32...

T¹i mçi nång ®é kh¸ng sinh trong c¸c èng nghiÖm ®ã, cho vμo mét l−îng x¸c ®Þnh vi sinh vËt kiÓm ®Þnh. §Æt c¸c èng nghiÖm vμo tñ Êm 37°C/20 - 24 giê ®em ra ®äc kÕt qu¶. NÕu èng nμo trong suèt tøc lμ t¹i nång ®é pha lo·ng ®ã kh¸ng sinh ®· giÕt chÕt vi sinh vËt kiÓm ®Þnh. VÝ dô: ®Þnh l−îng Streptomycin trong m«i tr−êng nu«i cÊy Str. griseus. Dung dÞch streptomycin chuÈn 10mcg/ml. TiÕn hμnh theo b¶ng sau: Kh¸ng sinh

Sè èng nghiÖm 1

§é pha lo·ng

1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 1:28 1:256 1:512 1:1024 1:2048 1:4096

Streptomycin chuÈn 10 μg/ml

Streptomycin thö

Chó thÝch:

dÊu (-) vi khuÈn bÞ giÕt chÕt dÊu (+) vi khuÈn ph¸t triÓn

ë èng nghiÖm sè 5 (®é pha lo·ng 1:32) cña kh¸ng sinh chuÈn vi khuÈn kiÓm ®Þnh kh«ng ph¸t triÓn ®−îc. Vμ èng sè 10 (®é pha lo·ng 1:1024) cña dÞch kh¸ng sinh cÇn ®Þnh l−îng vi khuÈn kiÓm ®Þnh kh«ng ph¸t triÓn ®−îc. Cã thÓ tÝnh to¸n nång ®é kh¸ng sinh theo c«ng thøc sau: 91

Dt × Xo Dc

trong ®ã: Dc: ®é pha lo·ng cña kh¸ng sinh chuÈn Dt: ®é pha lo·ng cña kh¸ng sinh thö X: nång ®é kh¸ng sinh cÇn ®Þnh l−îng Xo: nång ®é ban ®Çu cña kh¸ng sinh chuÈn trong thÝ nghiÖm trªn ta cã:

X =

1024 × 10 = 320mcg / ml 32

§Ó kÕt qu¶ ®−îc chÝnh x¸c khi ®Þnh l−îng kh¸ng sinh b»ng ph−¬ng ph¸p pha lo·ng cÇn chó ý nh÷ng ®iÓm sau: (1) Dïng m«i tr−êng ®Ó pha lo·ng cã thμnh phÇn æn ®Þnh (2) Thao t¸c ph¶i tuyÖt ®èi v« trïng (3) L−îng vi khuÈn kiÓm ®Þnh cho vμo çc èng nghiÖm ph¶i b»ng nhau. (4) Thêi gian ñ ®Ó cho vi sinh vËt kiÓm ®Þnh ph¸t triÓn ph¶i h»ng ®Þnh. Cã thÓ pha lo·ng kh¸ng sinh cÇn thö vμo m«i tr−êng th¹ch - canh thang sau ®ã ®æ ra hép petri ®îi th¹ch ®«ng ta cÊy çc vi sinh vËt kiÓm ®Þnh vμo, ®Ó tñ Êm cho vi sinh vËt ph¸t triÓn sau 20 - 24 giê mang ra ®äc kÕt qu¶. ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p nμy lμ trªn 1 hép Petri ta cã thÓ thö nhiÒu vi sinh vËt kiÓm ®Þnh. 11.1.2. Ph−¬ng ph¸p khuÕch t¸n trªn th¹ch Nguyªn t¾c: kh¸ng sinh khuÕch t¸n vμo m«i tr−êng th¹ch cã chøa vi sinh vËt kiÓm ®Þnh t¹o ra çc vßng øc chÕ sù ph¸t triÓn cña vi sinh vËt kiÓm ®Þnh. §o ®é lín cña vßng øc chÕ kh¸ng sinh chuÈn vμ kh¸ng sinh thö råi tÝnh to¸n hay tra b¶ng tÝnh s½n nång ®é sÏ cho kÕt qu¶ cÇn ph©n tÝch. Ph−¬ng ph¸p khuÕch t¸n trªn th¹ch rÊt hay dïng ®Ó ®Þnh l−îng kh¸ng sinh. Song ®Ó chÝnh x¸c cÇn l−u ý ®Õn chÊt l−îng th¹ch, ®é dμy líp th¹ch, pH m«i tr−êng vμ nhiÖt ®é nu«i cÊy. Nh÷ng kh¸ng sinh polypeptid rÊt khã khuÕch t¸n trong th¹ch, nªn th−êng cho vμo m«i tr−êng ®Þnh l−îng çc chÊt lμm t¨ng ®é khuÕch t¸n cña kh¸ng sinh (CaCl2 lμm t¨ng kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña gramicidin C). HoÆc ®Æt çc hép petri cã vi khuÈn kiÓm ®Þnh vμo tñ l¹nh (+ 4°C) trong kho¶ng 5 - 6 giê ®Ó kh¸ng sinh kÞp khuÕch t¸n vμo trong th¹ch, sau ®ã míi ®em ®Ó tñ Êm 37°C cho vi khuÈn ph¸t triÓn (h×nh 7.2).

H×nh 7.2. C¸c ph−¬ng ph¸p ®Þnh l−îng kh¸ng sinh a. §Þnh l−îng kh¸ng sinh dïng ph−¬ng ph¸p khoanh giÊy läc

b. §Þnh l−îng kh¸ng sinh dïng ph−¬ng ph¸p ®ôc lç th¹ch

11.2. Ph−¬ng ph¸p ho¸ häc vμ ho¸ lý Trong thùc tÕ mét sè kh¸ng sinh ®−îc ®Þnh l−îng b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc vμ ho¸ lý. ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p nμy lμ thùc hiÖn nhanh, cho kÕt qu¶ ngay. §Ó ®Þnh l−îng penicillin b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc tiÕn hμnh nh− sau: ph¸ huû penicillin b»ng kiÒm, trung hoμ råi oxy ho¸ çc s¶n phÈm ph©n huû b»ng iod. §Þnh l−îng iod thõa b»ng Natri thiosulfat sÏ tÝnh ®−îc iod ®· tiªu thô cho ph¶n øng oxy ho¸ vμ tõ ®ã tÝnh ra hμm l−îng penicillin. Nguyªn t¾c cña ph−¬ng ph¸p ho¸ lý dùa trªn ph¶n øng t¹o mμu cña kh¸ng sinh hoÆc s¶n phÈm ph©n huû cña chóng råi ®o b»ng quang phæ tö ngo¹i hoÆc m¸y so mμu råi tÝnh kÕt qu¶. VÝ dô: ®Ó ®Þnh l−îng çc kh¸ng sinh nhãm tetracyclin cho t¹o phøc víi FeCl3; ®o phæ tö ngo¹i x¸c ®Þnh sù biÕn mÊt çc ®Ønh hÊp thô cùc ®¹i cña kh¸ng sinh sau khi ph©n huû b»ng kiÒm. Ph−¬ng ph¸p so mμu ®Þnh l−îng erythomycin dùa trªn ph¶n øng t¹o mμu cña kh¸ng sinh víi acid sulfuric (27N). §Þnh l−îng kh¸ng sinh b»ng ph−¬ng ph¸p nμo lμ chÝnh x¸c vμ thuËn tiÖn ®· ®−îc qui ®Þnh râ trong çc d−îc ®iÓn cña mçi n−íc. ChØ çc kh¸ng sinh ®· ®−îc kiÓm nghiÖm theo çc qui ®Þnh ë trong d−îc ®iÓn míi cã gi¸ trÞ vÒ ph¸p lý. 12. øng dông kh¸ng sinh ngoμi lÜnh vùc y häc Sau khi penicillin ®−îc ¸p dông ®iÒu trÞ bÖnh nhiÔm trïng cho ng−êi vμo n¨m 1943 ng−êi ta ®· nghiªn cøu ngay viÖc øng dông penicillin vμo ch÷a bÖnh cho gia sóc. Çc nhμ nghiªn cøu vμ nhμ kinh tÕ kÕt hîp víi nhau rÊt chÆt chÏ nh»m ph¸t huy tÝnh hiÖu qu¶ tèi ®a cña kh¸ng sinh. 93

12.1. Kh¸ng sinh dïng trong ch¨n nu«i Gia sóc, gia cÇm còng bÞ vi sinh vËt g©y bÖnh tÊn c«ng g©y chÕt hμng lo¹t. B¸c sÜ thó y ®· sö dông kh¸ng sinh lμm vò khÝ h÷u hiÖu ®Ó ®iÒu trÞ çc bÖnh cho ®éng vËt. Kh¸ng sinh griseoviridin dïng ®iÒu trÞ bÖnh viªm phæi cÊp, viªm vó cña tr©u, bß, metimyxin hoÆc chloramphenicol dïng ®iÒu trÞ çc bÖnh do Brucella g©y ra; fumagillin ®iÒu trÞ bÖnh Øa ch¶y do Protozoa g©y ra ë ong lμm chÕt c¶ ®μn ong. Kh¸ng sinh cßn ®−îc sö dông nh− chÊt kÝch thÝch t¨ng träng ®μn gia sóc, gia cÇm. Gi¶m chi phÝ thøc ¨n; kÝch thÝch t¨ng s¶n l−îng trøng ë gμ, vÞt. ë Mü, çc n−íc T©y ¢u vμ NhËt dïng bacitraxin, flavomycin, avoparxin, monenzin lμm chÊt kÝch thÝch t¨ng träng. Mét sè n−íc kh¸c cßn dïng kh¸ng sinh nhãm tetracyclin. Çc chÕ phÈm Biovit (biomycin vμ vitamin B12), Terravit (teramycin + Vitamin B12) lμ chÊt kÝch thÝch t¨ng träng lîn, gμ, vÞt. Th−êng bæ sung Biovit hay Terravit cã hμm l−îng 15 - 20 g kh¸ng sinh vμ 8 12 mg vitamin B12 vμo 1 tÊn thøc ¨n cho lîn, gμ võa phßng ®−îc bÖnh Øa ch¶y, võa kÝch thÝch t¨ng träng ®Õn 20 - 25% so víi l« chøng. VÒ c¬ chÕ kÝch thÝch t¨ng träng cña vËt nu«i b»ng kh¸ng sinh ë nång ®é thÊp cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu nh−ng vÉn ch−a râ. Ng−êi ta gi¶i thÝch cã thÓ do hai nguyªn nh©n sau ®©y: 12.1.1. T¸c dông cña kh¸ng sinh lªn hÖ vi khuÈn chÝ ë ruét Kh¸ng sinh lμm t¨ng sè l−îng vi sinh vËt cã Ých trong ruét, t¨ng c−êng tæng hîp vitamin, t¨ng c−êng t¸i hÊp thu çc thøc ¨n. Lμm gi¶m ®i çc vi sinh vËt cã h¹i th−êng tiÕt ra çc chÊt ®éc, hoÆc sö dông mÊt çc vitamin, kh¸ng sinh lμm gi¶m pH ë ruét, gi¶m søc c¨ng bÒ mÆt cña tÕ bμo vμ lμm t¨ng c−êng sù sinh tr−ëng... TÊt c¶ çc nguyªn nh©n ®ã ®· gióp cho ®éng vËt t¨ng c−êng trao ®æi chÊt vμ lín nhanh h¬n. 12.1.2. T¸c dông gi¸n tiÕp cña kh¸ng sinh lªn c¬ thÓ ®éng vËt Kh¸ng sinh lμm thay ®æi hÖ vi sinh vËt ë ruét dÉn tíi çc t¸c dông sau:

−

T¨ng c−êng tèc ®é hÊp thu chÊt dinh d−ìng, kÝch thÝch sö dông c¸c chÊt chuyÓn ho¸ ®ång thêi lμm gi¶m tiªu hao n¨ng l−îng ®Ó ph©n gi¶i thøc ¨n.

−

T¨ng c−êng qu¸ tr×nh ®iÒu tiÕt c¸c hormon, ®Æc biÖt lμ hormon sinh tr−ëng gióp c¬ thÓ lín nhanh h¬n.

−

T¨ng c−êng qu¸ tr×nh tæng hîp ®−êng vμ vitamin A tõ caroten; V× vËy t¸c dông kÝch thÝch cña kh¸ng sinh lªn c¬ thÓ ®éng vËt, ®Æc biÖt ®éng vËt cßn non lμ qu¸ tr×nh phøc t¹p gi¸n tiÕp qua hÖ vi khuÈn chÝ ë ruét do nhiÒu nh©n tè kh¸c nhau lμm ¶nh h−ëng ®Õn chuyÓn ho¸ c¬ b¶n c¸c thøc ¨n dïng nu«i ®éng vËt.

12.2. Kh¸ng sinh dïng trong trång trät Çc nÊm, vi khuÈn, virus g©y ra nhiÒu lo¹i bÖnh cho c©y trång lμm mïa mμng thÊt thu lín. MÇm bÖnh cã thÓ nhiÔm tõ h¹t gièng, tõ çc phÕ th¶i cßn l¹i cña mïa mμng, tõ ph©n chuång, tõ ®Êt hoÆc trong bôi kh«ng khÝ. ViÖc chän kh¸ng sinh ®Ó tiªu diÖt vi sinh vËt g©y bÖnh cho c©y trång kh«ng chØ chó ý ®Õn t¸c dông kh¸ng sinh mμ cßn ph¶i quan t©m ®Õn hiÖu qu¶ kinh tÕ. Nghiªn cøu qu¸ tr×nh ph¸t triÓn n«ng nghiÖp trªn thÕ giíi dÔ nhËn thÊy mét hiÖn t−îng cã tÝnh qui luËt: s¶n xuÊt ngμy cμng ®i s©u vμo th©m canh th× møc ®é ph¸t triÓn vμ t¸c h¹i cña s©u bÖnh cμng nghiªm träng. Theo sè liÖu cña Tæ chøc FAO, hμng n¨m tæng sè thiÖt h¹i mïa mμng do s©u bÖnh vμ cá chiÕm tíi 34%, trong ®ã thiÖt h¹i do bÖnh c©y chiÕm 11,6%. Trong sè çc bÖnh cña c©y ®−îc m« t¶, bÖnh nÊm chiÕm 83%. Thuèc ho¸ häc dïng trong b¶o vÖ thùc vËt ®−a l¹i hiÖu qu¶ phßng trÞ râ rÖt, song còng tån t¹i mét sè nh−îc ®iÓm: ®ã lμ tÝnh ®éc kh«ng chän läc, ®Æc tÝnh khã ph©n huû trong ®Êt, sù tÝch luü çc chÊt ®éc trong m«i tr−êng kh«ng nh÷ng lμm thay ®æi ®¸ng kÓ çc mèi quan hÖ phong phó gi÷a çc loμi sinh vËt trong çc hÖ sinh th¸i, ¶nh h−ëng tiªu cùc ®Õn n¨ng suÊt mμ cßn nhiÔm ®éc m«i tr−êng sèng cña con ng−êi, nhiÒu tr−êng hîp dÉn ®Õn tö vong. Nh÷ng thμnh tùu to lín trong trÞ liÖu bÖnh nhiÔm trïng ë ng−êi b»ng thuèc kh¸ng sinh vμo nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû XX ®· gîi më xu h−íng sö dông kh¸ng sinh trong lÜnh vùc b¶o vÖ thùc vËt. Kh¸ng sinh dïng ®Ó ®Êu tranh víi bÖnh thùc vËt ph¶i tho¶ m·n çc yªu cÇu sau: −

−

Th«ng dông nhÊt lμ xö lý h¹t b»ng kh¸ng sinh tr−íc khi ®em gieo trång, xö lý ®Êt trång b»ng kh¸ng sinh hoÆc çc vi sinh vËt ®èi kh¸ng trong ®Êt. HiÖn nay cã kho¶ng 30 chÊt kh¸ng sinh ®· ®−îc sö dông ®Ó ®Êu tranh víi çc bÖnh cña c©y trång do nhiÔm khuÈn vμ nÊm g©y ra. Trong ®iÒu kiÖn thiªn nhiªn kh¸ng sinh bÞ ph©n huû nhanh, v× vËy ph¶i t×m kiÕm çc chÊt kh¸ng sinh cã ®é bÒn v÷ng cao, tiªu diÖt mÇm bÖnh nhanh, kh«ng nªn dïng çc chÊt kh¸ng sinh øng dông trong y häc ®Ó ®iÒu trÞ bÖnh cña c©y trång. ë NhËt, Mü, Liªn X« cò, çc n−íc ch©u ¢u kh¸c ®· s¶n xuÊt víi l−îng lín çc kh¸ng sinh dïng trong thùc vËt. VÝ dô: NhËt B¶n ®· s¶n xuÊt trªn qui m« c«ng nghiÖp h¬n 10 chÊt kh¸ng sinh chuyªn dïng cho b¶o vÖ c©y trång nh−: blastixidin (kasugamyxin), validamyxin. 95

Nh÷ng kh¸ng sinh th−êng dïng trong trång trät lμ: −

−

Blastixidin S (kh¸ng sinh chiÕt tõ Str. griseochromogenes). Cã thÓ tiªu diÖt nhiÒu vi sinh vËt g©y bÖnh cho c©y ë nång ®é 50 - 100 mcg/ml. ë NhËt dïng ®Êu tranh víi bÖnh vμng lôi g©y ra bëi Piricularia oryzae.

−

Kasugamyxin do Str. kasugaensis t¹o ra (Umezawa, 1965) nång ®é 1 mcg/ml ®ñ ®Ó tiªu diÖt Piricularia oryzae (ho¹t tÝnh m¹nh h¬n blastixindin 50 - 100 lÇn). HiÖn nay dïng kasugamyxin thay thÕ cho blastixidin ®Ó chèng bÖnh vμng lôi v× kh«ng ®éc ®èi víi ng−êi.

−

Polyoxin: ®−îc t¹o ra bëi Str. cacaoi cã ho¹t tÝnh chèng nÊm m¹nh: Alternaria, Cocholiobalus, Pircularia (Misato, 1975).

−

Validamyxin: do Str. hygroscopicus var. limoneus lμ kh¸ng sinh ®−îc s¶n xuÊt ë NhËt B¶n, Trung Quèc dïng ®Ó diÖt nÊm Rhizoctonia solani g©y bÖnh kh« v»n h¹i lóa rÊt h÷u hiÖu. Thêi gian b¸n ph©n huû cña validamyxin trong ®Êt lμ 4 giê.

−

Herbicidin A vμ B: lμ kh¸ng sinh diÖt cá do Str. saganonensis t¹o ra (Mamoru, Tatsuo 1976). Herbicidin k×m h·m sù ph¸t triÓn cña Xanthomonas oryzae g©y bÖnh cho lóa.

12.3. Kh¸ng sinh dïng trong c«ng nghiÖp thùc phÈm B¶o qu¶n thùc phÈm t−¬i vμ çc thùc phÈm ®ãng hép lμ vÊn ®Ò rÊt quan träng ®−îc nhiÒu nhμ khoa häc quan t©m. Thùc phÈm ®ãng hép ®Ó gi÷ ®−îc l©u th−êng dïng ph−¬ng ph¸p khö trïng b»ng nhiÖt, ®Ó trong l¹nh. Tuy nhiªn khi khö trïng b»ng nhiÖt sÏ lμm thay ®æi gi¸ trÞ cña thùc phÈm, ®Æc biÖt lμ h−¬ng vÞ, mét sè vitamin bÞ ph©n huû. Nguyªn nh©n lμm háng thùc phÈm lμ do vi sinh vËt (vi khuÈn, nÊm men, nÊm mèc). Sau khi ph©n huû thùc phÈm vi khuÈn cßn tiÕt ra çc ®éc tè, ¨n ph¶i thùc phÈm ®ã sÏ bÞ ngé ®éc nguy hiÓm. §Ó tiªu diÖt vi sinh vËt cã trong thùc phÈm th−êng dïng çc t¸c nh©n vËt lý vμ ho¸ häc. −

−

T¸c nh©n ho¸ häc: acid benzoic, nipazin, SO2... Mét vμi kh¸ng sinh lμ nh÷ng chÊt b¶o qu¶n lý t−ëng thùc phÈm t−¬i vμ ®ãng hép. ChØ cÇn nång ®é kh¸ng sinh rÊt thÊp ®· cã thÓ gi÷ cho thùc phÈm b¶o qu¶n ®−îc l©u dμi.

C¸c chÊt kh¸ng sinh nh− subtilin (do B. subtilis t¹o ra), nisin (do B. licheniformis t¹o ra) dïng b¶o qu¶n thùc phÈm ®ãng hép, cho thªm kh¸ng sinh vμo th× thêi gian khö trïng b»ng nhiÖt ng¾n ®i, nhiÖt ®é khö trïng gi¶m 96

xuèng lμm cho chÊt l−îng s¶n phÈm tèt h¬n çc vitamin kh«ng bÞ ph¸ huû, h−¬ng vÞ Ýt bÞ biÕn ®æi. §Æc biÖt bμo tö çc vi khuÈn −u nhiÖt nh− Clostridium chÕt nhanh h¬n khi khö trïng nhiÖt ®é thÊp cã kh¸ng sinh dïng b¶o qu¶n. Kh¸ng sinh nisin kh«ng dïng trong y häc. Nã ®−îc coi nh− mét "ho¸ chÊt" lý t−ëng ®Ó b¶o qu¶n thùc phÈm ®ãng hép nh−: cμ chua, ®Ëu xanh, b¾p c¶i vμ çc lo¹i rau kh¸c vμ ®Æc biÖt lμ phom¸t. Trong b¶o qu¶n thùc phÈm còng th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p lªn men lactic (muèi d−a, cμ, lμm m¾m, lμm nem chua…) Nguyªn t¾c cña ph−¬ng ph¸p nμy lμ khi acid lactic do vi khuÈn lactic t¹o ra trong m«i tr−êng ®¹t ®Õn nång ®é nhÊt ®Þnh lμm cho pH gi¶m xuèng 3 - 3,5. Çc thùc phÈm nμy b¶o qu¶n ®−îc rÊt l©u vμ vÉn gi÷ ®−îc dinh d−ìng. Sö dông kh¸ng sinh trong ch¨n nu«i, trång trät vμ c«ng nghiÖp thùc phÈm cÇn ph¶i l−u ý ®Õn kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn nh÷ng vi sinh vËt kh¸ng kh¸ng sinh sÏ rÊt nguy h¹i cho viÖc ®iÒu trÞ çc bÖnh nhiÔm trïng ë ng−êi. Thùc phÈm ®Æc biÖt lμ çc s¶n phÈm thÞt, ç, t«m hoÆc s÷a. NÕu xuÊt khÈu tiªu chuÈn kiÓm nghiÖm ®Çu tiªn cÇn x¸c ®Þnh lμ cã chøa kh¸ng sinh hay kh«ng? NÕu cã vÕt kh¸ng sinh phÝa nhËp khÈu sÏ tr¶ l¹i.

Tù l−îng gi¸ 1. KÓ tªn mét sè ®¹i diÖn cña kh¸ng sinh tù nhiªn ®−îc sinh tæng hîp tõ nÊm mèc, tõ x¹ khuÈn, tõ vi khuÈn. 2. Chøng minh ý nghÜa tÝch cùc cña c«ng t¸c ®ét biÕn trong chän gièng ®Ó s¶n xuÊt kh¸ng sinh. 3. KÓ tªn c¸c kh¸ng sinh ®−îc dïng trong ngμnh kh¸c víi môc ®Ých t¨ng träng, ch÷a bÖnh cho c©y trång vμ gia sóc, b¶o qu¶n thùc phÈm.

Ch−¬ng 8

s¶n xuÊt C¸c kh¸ng sinh nhãm β-lactam

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Tªn çc chñng vi sinh vËt ®−îc dïng trong s¶n xuÊt çc kh¸ng sinh nhãm beta-lactam. 2. Quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt penicillin G vμ V. 3. Çc ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt nguyªn liÖu ®Ó ®iÒu chÕ çc beta-lactam b¸n tæng hîp. 4. Quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt acid clavulanic.

CÊu tróc ho¸ häc chung

Kh¸ng sinh ®¹i diÖn

Nh©n Penam

C¸c penicillin tù nhiªn vµ b¸n tæng hîp

N O

C¸c penicillin kh¸ng β-lactamase (acid clavulanic)

N O

Nh©n Clavam

O S

C¸c penicillin kh¸ng (sulbactam, tazobactam)

β-lactamase

O S

Nh©n Cephem

C¸c cephalosporin vµ cephamycin

N O

C¸c carbapenem b¸n tæng hîp tõ thienamycin (imipenem, meropenem) Aztreonam

Kh¸ng sinh nhãm β-lactam bao gåm c¸c chÊt cã chøa vßng β-lactam (vßng amid 4 c¹nh) vμ cã cÊu tróc nh©n c¬ b¶n nh− trong b¶ng 8.1. Theo cÊu tróc ho¸ häc c¸c kh¸ng sinh nhãm β-lactam cã thÓ chia thμnh nh÷ng nhãm sau: −

C¸c Penicillin

−

C¸c Cephalosporin

−

C¸c Carbapenem

−

C¸c Monobactam

§Æc tÝnh chung cña çc kh¸ng sinh β-lactam lμ t¸c dông lªn thμnh tÕ bμo vi khuÈn b»ng çch øc chÕ sù tæng hîp peptidoglycan cña thμnh tÕ bμo vi khuÈn. 2 nhãm kh¸ng sinh quan träng nhÊt cña hä β-lactam lμ çc penicillin vμ çc cephalosporin. Trong khu«n khæ cña gi¸o tr×nh nμy chØ giíi thiÖu vÒ quy tr×nh sinh tæng hîp vμ nguyªn t¾c b¸n tæng hîp mét sè kh¸ng sinh tiªu biÓu cña hä β-lactam. 2. Sinh tæng hîp çc Penicillin 2.1. §¹i c−¬ng Çc penicillin lμ ®¹i diÖn tiªu biÓu cho çc kh¸ng sinh cã nguån gèc tõ nÊm mèc. Ngoμi ra cßn mét vμi kh¸ng sinh kh¸c nh− griseofulvin, trichotexin, fumagillin… còng ®−îc sinh ra tõ çc chñng nÊm mèc kh¸c nhau. Çc penicillin cã cÊu tróc ho¸ häc chung gåm vßng β-lactam nèi víi vßng thiazolidin. Penicillin G lμ chÊt kh¸ng sinh tiªu biÓu ®−îc Alexander Flemming t×m ra ®Çu tiªn vμo n¨m 1928 trong khi nghiªn cøu vÒ tô cÇu khuÈn. ¤ng nhËn thÊy trªn hép petri nu«i cÊy tô cÇu cã nhiÔm nÊm mèc Penicillium notatum vμ t¹o thμnh vßng v« khuÈn. Fleming gäi chÊt øc chÕ t¹o vßng v« khuÈn nμy lμ penicillin. §Õn n¨m 1941, çc nhμ b¸c häc Anh là Howara Walter Florey vμ Ernst Boris Chain míi tinh chÕ ®−îc penicillin d−íi d¹ng tinh khiÕt vμ nghiªn cøu ph−¬ng ph¸p lªn men. N¨m 1943, penicillin ®· ®−îc s¶n xuÊt ë quy m« c«ng nghiÖp ë Mü ®Ó phôc vô ®iÒu trÞ çc bÖnh nhiÔm trïng cho th−¬ng binh trong chiÕn tranh thÕ giíi thø hai. Penicillin còng lμ kh¸ng sinh ®Çu tiªn ®−îc s¶n xuÊt lªn men ch×m ë quy m« c«ng nghiÖp (1947). ViÖc ph¸t minh ra penicillin t¹o ra mét b−íc ngoÆt quan träng trong lÜnh vùc y häc thÕ giíi vμ ®−îc ®¸nh gi¸ lμ mét trong çc ph¸t minh quan träng bËc nhÊt cña thÕ kû XX. Do çc ®ãng gãp to lín ®ã Flemming, Florey vμ Chain ®· ®−îc tÆng gi¶i Noben vÒ y häc (h×nh 8.1). C¬ chÕ t¸c dông cña penicillin lªn tÕ bμo vi khuÈn nh¹y c¶m lμ ng¨n c¶n viÖc tæng hîp thμnh tÕ bμo ë vi khuÈn, cã phæ kh¸ng khuÈn hÑp: t¸c dông lªn cÇu khuÈn Gram (+) nh− tô cÇu, phÕ cÇu, liªn cÇu, mét sè vi khuÈn Gram (-) lËu cÇu, mμng n·o cÇu vμ cßn cã t¸c dông ®iÒu trÞ bÖnh giang mai do xo¾n khuÈn g©y ra. 99

Alexander Flemming

Ernst Boris Chain

(1881 – 1955)

(1906 – 1979)

Howara Walter Florey (1898 – 1968)

H×nh 8.1. C¸c nhµ b¸c häc nhËn gi¶i Nobel y häc n¨m 1945 vÒ c«ng tr×nh penicillin

Penicillin ®−îc coi lμ kh¸ng sinh cã nhiÒu −u ®iÓm nhÊt trong c¸c kh¸ng sinh sö dông: hiÖu qu¶ ®iÒu trÞ cao, Ýt ®éc vμ gi¸ rÎ nhÊt. Tuy nhiªn penicillin còng cã mét sè nh−îc ®iÓm: −

KÐm bÒn v÷ng khi gÆp Èm;

−

Ýt t¸c dông lªn c¸c vi khuÈn Gram (-);

−

Nhanh chãng bÞ kh¸ng thuèc do c¸c lo¹i vi khuÈn cã thÓ tiÕt penicillinase vμ β - lactamase ph¸ huû chÊt kh¸ng sinh.

Tuy cã mét sè nh−îc ®iÓm nhÊt ®Þnh nh−ng hiÖn nay penicillin vÉn lμ kh¸ng sinh ®−îc s¶n xuÊt víi sè l−îng lín nhÊt trong tÊt c¶ çc kh¸ng sinh hiÖn cã (s¶n l−îng toμn thÕ giíi h¬n 45.000 tÊn/n¨m - trong ®ã Hμ Lan chiÕm 15.000 tÊn/n¨m, Trung Quèc 10.000 tÊn/n¨m, sau ®ã lμ Ên §é, Mü, Anh, §øc, Ph¸p…). L−îng penicillin lín nμy chñ yÕu ®−îc dïng lμm nguyªn liÖu ®Ó b¸n tæng hîp t¹o ra çc kh¸ng sinh míi thuéc nhãm β-lactam, cßn trong y häc vμ thó y chØ dïng mét l−îng nhá. 1.2. CÊu tróc ho¸ häc, ph©n lo¹i vμ tÝnh chÊt Çc penicillin ®−îc cÊu t¹o b»ng 2 vßng: β-lactam vμ thiazolidin vμ chØ kh¸c nhau ë gèc R cña m¹ch ngang. Tuy nhiªn cã ý nghÜa lín nhÊt trong ®iÒu trÞ còng nh− trong th−¬ng m¹i lμ penicillin G vμ V (b¶ng 8.2).

S R

CONH N O

100

COOH

Tªn nhãm

C¸c penicillin tù nhiªn

C¸c penicillin b¸n tæng hîp

Tªn kh¸ng sinh Penicillin G, V, N, K, F…

Nguån gèc Sinh tæng hîp B¸n tæng hîp

Ampicillin Amoxycillin

- C¸c aminopenicillin

Bacampicillin Cloxacillin Dicloxacillin - C¸c chÊt kh¸ng l¹i penicillinase

Flucloxacillin Oxacillin Nafcillin Methicillin Carbenicillin

- C¸c penicillin phæ réng (Carboxypenicillin)

Ticarcillin Temocillin Mezlocillin

- C¸c penicillin phæ réng (Ureidopenicillin)

Azlocillin Piperacillin Clavulanic acid

- C¸c chÊt kh¸ng β-lactamase

Sulbactam Tazobactam

Sinh tæng hîp Tæng hîp ho¸ häc

2.3. Quy tr×nh sinh tæng hîp TT

Gèc R

Tªn gäi gèc

Tªn penicillin

CH3(CH2)5 - CH2 -

Heptylpenicillin

Penicillin K (IV)

CH3 - CH2CH = CH - CH2

2-pentenylpenicillin

Penicillin F (I)

CH3 - (CH2)3 - CH2 -

Amylpenicillin

Dihydropenicillin F

C6H5 - CH2 -

Benzylpenicillin

Penicillin G

C6H5 - O - CH2 -

Paraoxybenzylpenicillin

Penicillin X (III)

HO – C6H5 - CH2 -

Phenoxymethylpenicillin

Penicillin V

1-amino-4-carboxybutylpenicillin

Penicillin N

NH2 HOOC-CH(CH2)2-CH2-

101

Trong m«i tr−êng lªn men P. chrysogenum nÕu kh«ng cã chÊt tiÒn thÓ sÏ xuÊt hiÖn mét hçn hîp gåm 4 - 6 penicillin kh¸c nhau (b¶ng 8.3). Trong sè nμy cã penicillin G vμ V lμ 2 chÊt cã nhiÒu −u ®iÓm nªn ®−îc s¶n xuÊt ®Ó dïng trong y häc. D¹ng acid tù do cña penicillin G kh«ng bÒn v÷ng, v× vËy th−êng dïng d¹ng muèi Na, K dÔ tan trong n−íc. Penicillin G d¹ng bét kh« rÊt bÒn v÷ng, khi gÆp Èm rÊt dÔ bÞ ph©n huû v× vËy lä bét kh« khi hoμ tan vμo n−íc ph¶i tiªm ngay. −

1 ®¬n vÞ penicillin G Na = 0,60 mcg hay 1 mg chøa 1.667 UI;

−

1 ®¬n vÞ penicillin G K = 0,64 mcg hay 1 mg chøa 1.530 UI;

Penicillin G kh«ng bÒn trong m«i tr−êng acid: khi bÞ t¸c dông cña dung dÞch acid lo·ng (ë 30°C) vßng β-lactam bÞ më, do ®ã Ýt hÊp thu qua ®−êng uèng (15 – 30%), chØ dïng tiªm (tèt nhÊt lμ tiªm tÜnh m¹ch). Ngoμi ra penicillin G còng dÔ bÞ kiÒm hoÆc penicillinase ph©n huû. Penicillin V ®−îc dïng ®−êng uèng (hÊp thu kho¶ng 60%). 2.3.1. Chñng gièng Cho ®Õn nay ph−¬ng ph¸p duy nhÊt ®Ó s¶n xuÊt penicillin G vμ V lμ sinh tæng hîp tõ nÊm mèc P. chrysogenum.

H×nh 8.2. KhuÈn ty P. chrysogenum

102

Vμo nh÷ng n¨m 1940 – 1950, viÖc nghiªn cøu s¶n xuÊt penicillin th−êng sö dông çc chñng P. notatum vμ P. baculatum. Tõ khi tr−êng §¹i häc Wisconsin (Mü) ph©n lËp ®−îc chñng P. chrysogenum cã ho¹t tÝnh cao h¬n th× chñng nμy ®· dÇn thay thÕ vμ tõ kho¶ng sau nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû XX, tÊt c¶ çc c«ng ty s¶n xuÊt penicillin trªn thÕ giíi ®Òu sö dông çc biÕn chñng P. chrysogenum c«ng nghiÖp. BiÕn chñng P. chrysogenum Wis Q-176 (®−îc tuyÓn chän tõ chñng P. chrysogenum URRL 1951) ®−îc xem lμ chñng gèc cña hÇu hÕt çc chñng c«ng nghiÖp ®ang sö dông hiÖn nay trªn toμn thÕ giíi. N¨ng suÊt n¨m 1947 chØ ®¹t tõ 60 - 80 UI/ml nh−ng nhê cã çc kü thuËt cña c«ng nghÖ di truyÒn häc nh− khuÕch ®¹i gen çc chñng s¶n xuÊt hiÖn nay ®· ®¹t tíi 85.000UI/ml (1993). Chñng nÊm mèc P. chrysogenum thuéc hä nÊm cóc (Aspergillaceae), chi mèc xanh (Penicillium) th−êng gÆp trªn çc chÊt h÷u c¬ môc n¸t, thÓ sîi tr¾ng roi x¸m xanh. Gièng c«ng nghiÖp ®−îc b¶o qu¶n l©u dμi ë d¹ng ®«ng kh«, b¶o qu¶n siªu l¹nh ë – 70OC hoÆc b¶o qu¶n trong nit¬ láng. 2.3.2. Thμnh phÇn m«i tr−êng dinh d−ìng Nh×n vμo c«ng thøc cÊu t¹o cña ph©n tö penicillin cho thÊy ®©y lμ mét tripeptid vßng gåm 3 acid amin lμ: acid aminoadipic, cystein vμ valin. Theo quan ®iÓm phæ biÕn hiÖn nay 3 acid amin nμy lμ tiÒn chÊt ®Ó tæng hîp ra nh©n c¬ b¶n cña penicillin lμ 6-APA. Cã thÓ biÓu diÔn cÊu t¹o cña tripeptid ®ã nh− sau:

HOOC CHNH2 CH2 CH2 CH2

SH O C NH CH CH2 CH (CH3)2 CO NH CH COOH

Acid aminoadipic

Cystein

Valin

V× vËy ®Ó lªn men sinh tæng hîp penicillin víi hiÖu suÊt cao m«i tr−êng cÇn cã nguån ®¹m giμu acid amin ®Ó tÕ bμo nÊm x©y dùng nªn ph©n tö penicillin. Nguån dinh d−ìng ®ãng vai trß rÊt quan träng ®Õn hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh sinh tæng hîp t¹o kh¸ng sinh. VÒ nguyªn t¾c nÕu nguån dinh d−ìng ®−îc cung cÊp ®Çy ®ñ th× sù tÝch tô penicillin sÏ x¶y ra m¹nh mÏ khi hÖ sîi ph¸t triÓn ®¹t tr¹ng th¸i c©n b»ng. NÕu thiÕu thøc ¨n sÏ x¶y ra hiÖn t−îng tù ph©n cña sîi, cßn nÕu thõa th× sîi ph¸t triÓn nhanh qu¸ sÏ kh«ng tÝch tô penicillin mμ tÝch tô nhiÒu acid gluconic vμ acid malic.

103

H2N HOOC

H2N

CH (CH2)3 COOH

HOOC

Acid L-α-aminoadipic

H2N

CH CH2 SH

HOOC

L-cystein

CH3 CH CH L-valin

CH3

δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cystein

H2N HOOC

H CH (CH2)3 CON

SH H N (D)

O δ-(L-α -aminoadipyl)-L-cystein-D-valin H2N HOOC

CH (CH2)3 CONH

(L)

CH3

COOH S

Acid L-α-aminoadipic

CH3

(H−íng II)

CH3

O COOH Isopenicillin N (h−íng I)

H2N

(L)

N O

CH3

Acid phenylacetic

R CONH

CH3 COOH

Acid 6-aminopenicilanic

Penicillin N

(L)

N O

CH3 CH3

COOH Benzylpenicillin (penicillin G)

H×nh 8.3. Qu¸ tr×nh sinh tæng hîp penicillin tõ c¸c acid amin

Thμnh phÇn m«i tr−êng dinh d−ìng bao gåm nh÷ng nguån chÝnh sau: Nguån carbon: Glucose hay lactose lμ nguån n¨ng l−îng chÝnh ®Ó nÊm ph¸t triÓn. Nguån hydrat carbon thÝch hîp nhÊt lμ glucose nªn trong pha ph¸t triÓn ®Ó t¨ng sinh khèi (48 giê ®Çu) cña qu¸ tr×nh, nÊm ®ång ho¸ hÇu nh− toμn bé glucose. V× vËy khi chuyÓn sang pha thø 2 - pha tæng hîp ra ph©n tö penicillin th× nguån n¨ng l−îng bÞ c¹n kiÖt dÉn ®Õn gi¶m hiÖu suÊt sinh tæng hîp. §Ó kh¾c phôc, m«i tr−êng lªn men t¹o penicillin cÇn bæ sung lactose (th−êng tû lÖ glucose vμ lactose lμ 1:1). Trong tr−êng hîp kh«ng cã lactose th× cã thÓ thay hoμn toμn b»ng glucose. Song ph¶i ®Þnh l−îng vμ bæ sung glucose trong suèt qu¸ tr×nh lªn men. Ngoμi ra nÊm cßn cã kh¶ n¨ng ®ång ho¸ tinh bét, dextrin, saccharose, c¸c acid h÷u c¬ nh− acid lactic, acid acetic… Nguån nit¬: NÊm mèc cã kh¶ n¨ng ®ång ho¸ nit¬ v« c¬ nh− c¸c muèi amoni vμ nitrat, nguån nit¬ h÷u c¬ ph¶i lμ nguån ®¹m giμu acid amin ®Ó nÊm 104

x©y dùng nªn ph©n tö penicillin, do ®ã trong m«i tr−êng s¶n xuÊt lu«n cã mÆt cao ng«. Cã thÓ thay thÕ mét phÇn cao ng« b»ng bét ®Ëu t−¬ng, bét l¹c hoÆc bét h¹t b«ng. P. chysogenum cã kh¶ n¨ng tiÕt ra proteinase kh¸ m¹nh nªn çc hîp chÊt protein trong cao ng« hay bét l¹c rÊt dÔ ®−îc nÊm sö dông. Tuy nhiªn l−îng N ph¶i võa ®ñ v× nÕu thiÕu sÏ x¶y ra hiÖn t−îng tù ph©n cña sîi, cßn nÕu thõa th× sîi ph¸t triÓn nhanh qu¸ còng lμm gi¶m hiÖu suÊt sinh penicillin. Nguån l−u huúnh: Cã ý nghÜa ®Æc biÖt trong qu¸ tr×nh sinh tæng hîp penicillin v× nã tham gia vμo cÊu tróc ph©n tö ®Ó t¹o nªn vßng thiazolidin. Nguån l−u huúnh th−êng dïng lμ çc muèi sulfat cña kali, natri vμ amoni. Çc chÊt nμy tham gia vμo tæng hîp methionin, cystin, biotin, thiamin… Hay sö dông nhÊt lμ Natri thiosulfat (Na2S2O3). Nguån kim lo¹i vi l−îng: Mét sè kim lo¹i nh− Mg, Mn, Fe, Zn, Na, Cu … th−êng ®−îc bæ sung d−íi d¹ng muèi sunfat hoÆc cã s½n trong n−íc m¸y hoÆc nguån nguyªn liÖu t¹o m«i tr−êng. ChÊt tiÒn thÓ: P. chrysogenum trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn t¹o ra 4 - 6 penicillin cã gèc R ë m¹ch bªn kh¸c nhau cã ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn kh¸c nhau. Trong c«ng nghÖ lªn men penicillin ng−êi ta ph¶i ®iÒu khiÓn ®Ó t¹o ra penicillin G (benzyl penicillin) vμ penicillin V (phenoxymethyl penicillin) lμ hai chÊt cã t¸c dông m¹nh khi ®−a vμo c¬ thÓ. Thªm acid phenylacetic vμo m«i tr−êng lªn men nhËn thÊy hiÖu suÊt penicillin G t¨ng thªm 30 - 50%. Trong cao ng« cã chÊt phenyl etylamin (C6H5CH2NH2) nªn còng lμm t¨ng hiÖu suÊt sinh tæng hîp penicillin. Ng−êi ta cho r»ng phenyl ethyllamin còng lμ mét chÊt tiÒn thÓ (cung cÊp gèc R) ®Ó sinh tæng hîp ph©n tö penicillin G. §Ó t¹o ra ph©n tö penicillin V chÊt tiÒn thÓ dïng lμ acid phenoxyacetic. Theo lý thuyÕt, nhu cÇu vÒ phenylacetat lμ 0,47 g/g penicillin G (hoÆc 0,47g phenoxylacetat/g penicillin V). Trªn thùc tÕ c¶ 2 cÊu tö nμy ®Òu g©y ®éc cho nÊm nªn ng−êi ta th−êng lùa chän gi¶i ph¸p bæ sung liªn tôc vμ khèng chÕ chÆt chÏ nång ®é theo yªu cÇu ®Ó kh«ng lμm gi¶m n¨ng lùc lªn men cña chñng s¶n xuÊt. M«i tr−êng nh©n gièng cã thμnh phÇn gåm: −

Cao ng«

20 g

−

Glucose

40 g

−

KH2PO4

0,5 g

−

NaNO3

3,0 g

−

MgSO4.7H2O

0,125 g

−

CaCO3

5,0 g

−

N−íc m¸y võa ®ñ

1 lÝt

−

pH sau khi khö trïng

6,0 - 6,1

105

M«i tr−êng lªn men t¹o penicillin cã thμnh phÇn (%): −

Cao ng«

0,5

−

Glucose

0,5

−

Lactose

0,3

−

NH4NO3

0,125

−

MnSO4.5H2O

0,1

−

Na2SO3.10H2O

0,05

−

MgSO4.7H2O

0,002

−

ZnSO4

0,002

−

KH2PO4,

0,2

−

CaCO3

0,3

−

Acid phenylacetic 0,1

−

DÇu ph¸ bät

theo nhu cÇu

2.3.3. §iÒu kiÖn lªn men NhiÖt ®é: Th−êng tiÕn hμnh nh©n gièng ë 30OC, lªn men ë 23 - 25OC. pH: pH thÝch hîp trong kho¶ng 6,0 - 6,5. Trong qu¸ tr×nh lªn men pH m«i tr−êng thay ®æi tuú thuéc vμo tèc ®é sö dông çc chÊt carbon vμ nit¬. §Ó æn ®Þnh pH ng−êi ta cho CaCO3 vμo m«i tr−êng lªn men. Th«ng khÝ: P. chrysogenum lμ chñng rÊt hiÕu khÝ nªn qu¸ tr×nh nu«i cÊy cÇn thæi khÝ (®èi víi lªn men bÒ mÆt), l¾c hoÆc khuÊy trén kÌm theo sôc khÝ (®èi víi lªn men ch×m). Nhu cÇu cÊp khÝ khi cã khuÊy trén liªn tôc lμ 1,2 - 1,5 VVM. Thêi gian: Trong 6 - 7 ngμy. 2.3.4. Quy tr×nh lªn men Trong nh÷ng n¨m 40 cña thÕ kû XX viÖc s¶n xuÊt penicillin ®−îc thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p lªn men, bÒ mÆt cã thÓ lμ c¬ chÊt r¾n hoÆc láng. C¬ chÊt r¾n lμ çc lo¹i h¹t hoÆc çm. §Ó lªn men ë c¬ chÊt láng ng−êi ta nu«i nÊm trong çc chai thuû tinh bÑt (chai Roux) cã chøa m«i tr−êng dinh d−ìng. V¸ng mèc sau khi lªn men cã thÓ dïng cho lªn men lÇn thø 2 b»ng çch cho m«i tr−êng dinh d−ìng míi vμo d−íi líp v¸ng nμy. Qu¸ tr×nh tiÕn hμnh ë 24OC trong 6 - 7 ngμy. Trong qu¸ tr×nh lªn men cÇn thæi khÝ v« trïng. Vμo thêi ®ã, mét sè n−íc sö dông ph−¬ng ph¸p nμy ®Ó s¶n xuÊt dÞch läc penicillin ®Ó röa vÕt th−¬ng. ë ViÖt Nam trong nh÷ng n¨m 1951 – 1953, d−íi sù l·nh ®¹o cña 106

Gi¸o s− §Æng V¨n Ng÷, çc nhμ khoa häc cña n−íc ta còng ®· s¶n xuÊt ®−îc dÞch läc Penicillin phôc vô ®iÒu trÞ vÕt th−¬ng. Tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p nμy cã hiÖu suÊt lªn men thÊp, chØ ®¹t < 200 UI/ml m«i tr−êng nu«i cÊy nªn hiÖn nay kh«ng ®−îc ¸p dông. HiÖn nay ng−êi ta chØ sö dông ph−¬ng ph¸p lªn men ch×m ®Ó s¶n xuÊt çc penicillin. Penicillin G lμ kh¸ng sinh ®Çu tiªn ®−îc s¶n xuÊt b»ng c«ng nghÖ lªn men ch×m vμo n¨m 1947. Qu¸ tr×nh lªn men t¹o penicillin G cã 2 pha: pha sinh tr−ëng vμ pha sinh kh¸ng sinh. ë pha lªn men thø nhÊt nÊm ph¸t triÓn hÖ sîi m¹nh, sinh khèi t¨ng nhanh, chÊt dinh d−ìng ®−îc ®ång ho¸ nhiÒu, c−êng ®é h« hÊp t¨ng dÇn ®Õn cùc ®¹i, pH t¨ng dÇn vμ penicillin G ®−îc t¹o thμnh Ýt. ë pha lªn men thø hai hÖ sîi ph¸t triÓn chËm, lactose ®−îc ®ång ho¸, pH t¨ng ®Õn kho¶ng 7 – 7,5 vμ Penicillin G ®−îc t¹o thμnh chñ yÕu trong pha nμy. HiÖu suÊt sinh tæng hîp phô thuéc nhiÒu vμo l−îng sinh khèi trong m«i tr−êng. Tr−íc ®©y do hiÖu suÊt chñng thÊp, kü thuËt lªn men ch−a ph¸t triÓn nªn gi¸ thμnh 1 kg penicillin ë Mü (1943) lμ 227.270 USD. §Õn n¨m 1953 ®· h¹ xuèng 169 $/kg, n¨m 1993 lμ 34 - 36 $/kg vμ tíi n¨m 2000 chØ cßn 10 $/kg do hiÖu suÊt ®· t¨ng cao nhê ¸p dông çc c«ng nghÖ míi vμ cã thiÕt bÞ hiÖn ®¹i trong lªn men, ¸p dông nh÷ng tiÕn bé trong di truyÒn häc ph©n tö vμo c¶i t¹o gièng (chñng s¶n xuÊt ®¹t tíi 85.000 UI/ml). 2.3.5. ChiÕt xuÊt vμ tinh chÕ penicillin Kh¸ng sinh penicillin ®−îc tiÕt ra m«i tr−êng lªn men. KÕt thóc lªn men, m«i tr−êng ®−îc b¬m vμo çc bån chøa. V× kh¸ng sinh rÊt dÔ bÞ ph©n huû nªn ph¶i h¹ nhiÖt ®é dÞch lªn men ®Õn 4°C. Thªm phô gia ®Ó läc (th−êng thªm 0,1% diatomits) råi läc b»ng läc ch©n kh«ng h×nh trèng quay. D¹ng acid tù do penicillin tan nhiÒu trong dung m«i h÷u c¬ nªn dÞch läc ®−îc acid ho¸ b»ng H2SO4 30% ®Õn pH 2,5. ChiÕt penicillin trªn m¸y ly t©m siªu tèc b»ng dung m«i h÷u c¬ kh«ng trén lÉn víi n−íc (th−êng dïng butyl acetat). Bèc h¬i ch©n kh«ng ®Õn nång ®é nhÊt ®Þnh; thªm than ho¹t (1%) vμo ®Ó tÈy mμu. DÞch läc sau khi lo¹i than ®−îc lo¹i n−íc b»ng çch h¹ nhiÖt ®é xuèng -20°C. KÕt tinh penicillin K, hay Na b»ng çch trung hoμ dÞch kh¸ng sinh b»ng acetat K hay acetat Na. Läc lÊy tinh thÓ, röa tinh thÓ b»ng butanol. SÊy tinh thÓ trong ch©n kh«ng ë nhiÖt ®é 50°C. KiÓm nghiÖm vμ ®ãng gãi kh¸ng sinh trong ®iÒu kiÖn tuyÖt ®èi v« trïng.

107

H×nh 8.4. Qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt vµ tinh chÕ penicillin tõ m«i tr−êng lªn men

3. S¶n xuÊt 6 - APA vμ çc kh¸ng sinh Penicillin b¸n tæng hîp 3.1. §¹i c−¬ng vÒ çc penicillin b¸n tæng hîp N¨m 1941, penicillin G lμ kh¸ng sinh cã hiÖu qu¶ cao, chèng l¹i hÇu hÕt çc chñng Staphylococcus aureus. Tuy nhiªn ®Õn n¨m 1947 phÇn lín çc vi khuÈn ph©n lËp ®−îc trong bÖnh viÖn ®Òu cã tÝnh kh¸ng penicillin. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nμy ng−êi ta ®· nç lùc t×m çc penicillin míi cã t¸c dông ®iÒu trÞ tèt h¬n. VÒ nguyªn t¾c, ®Ó t¹o ra mét penicillin míi trong lªn men sinh tæng hîp cã thÓ dïng ph−¬ng ph¸p thay ®æi m¹ch nh¸nh b»ng çch sö dông çc tiÒn chÊt kh¸c nhau. Tuy nhiªn b»ng con ®−êng lªn men trùc tiÕp hiÖn nay ng−êi ta míi chØ cã kh¶ n¨ng tiÕn hμnh víi penicillin G vμ V. Cßn ®Ó triÓn khai trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp, ng−êi ta sö dông chÝnh penicillin G hay V ®Ó chÕ t¹o ra 6APA lμ nguyªn liÖu chñ yÕu trong qu¸ tr×nh b¸n tæng hîp ra çc penicillin míi. Theo cÊu tróc ho¸ häc, çc penicillin tù nhiªn ®Òu lμ nh÷ng hîp chÊt dÞ vßng cña çc acid amin cã tªn gäi lμ acid 6 - aminopenicillanic (6-APA). ViÖc t×m ra ph©n tö 6 - APA ®· më ra mét h−íng míi ®Ó s¶n xuÊt çc penicillin b¸n tæng hîp b»ng çch g¾n kÕt çc m¹ch nh¸nh kh¸c nhau vμo ph©n tö 6-APA b»ng con ®−êng ho¸ häc hay sinh häc. Cã hai h−íng chÝnh lμ acyl ho¸ nhãm NH2 ë vÞ trÝ sè 6 vμ ester ho¸ nhãm -COOH ë vÞ trÝ sè 3. Tuú theo c¬ chÕ t¸c dông çc penicillin b¸n tæng hîp cã thÓ chia thμnh 3 nhãm chÝnh nh− sau: Nhãm 1: Phæ ho¹t tÝnh hÑp nh− çc penicillin tù nhiªn, chñ yÕu t¸c dông lªn çc vi khuÈn Gram (+) nh− liªn cÇu, tô cÇu kh«ng cã kh¶ n¨ng tiÕt ra 108

enzym penicillinase vμ mét sè nhá vi khuÈn Gram (-) nh− lËu cÇu. Th−êng dïng ®Ó uèng, ®¹i diÖn cña nhãm nμy lμ phenethicillin vμ azidocillin. Nhãm 2: Phæ ho¹t tÝnh hÑp nh−ng cã −u ®iÓm kh¸ng l¹i penicillinase nªn ®−îc dïng ®Ó ®iÒu trÞ çc bÖnh do çc vi khuÈn ®· kh¸ng l¹i penicillin nhãm 1 g©y ra. Th−êng dïng tiªm, trong ®ã cã mét sè cã ho¹t tÝnh khi dïng uèng nh− oxacillin, cloxacillin… Nhãm 3: Gåm çc chÊt cã phæ ho¹t tÝnh réng lªn nhiÒu lo¹i vi khuÈn Gram (+), Gram (-) vμ v÷ng bÒn trong ®−êng tiªu ho¸. §−îc dïng ®Ó ®iÒu trÞ çc bÖnh nhiÔm trïng ®−êng h« hÊp, tiÕt niÖu, sinh dôc vμ nhiÔm khuÈn m¸u. Cã thÓ uèng hoÆc tiªm. Tuy nhiªn chóng vÉn cã nh−îc ®iÓm lμ nhanh chãng bÞ ph¸ huû bëi çc vi khuÈn cã kh¶ n¨ng sinh penicillinase (hay β - lactamase) nh− amoxicillin, ampicillin. Nhãm penicillin nμy còng ®−îc gäi lμ çc penicillin kh«ng pseudomonas vμ ®−îc chia theo cÊu tróc thμnh 2 nhãm: Nhãm carboxypenicillin (ticarcillin vμ carbenicillin) vμ nhãm acylureido penicillin (piperacillin vμ mezlocillin). Mét sè ®¹i diÖn penicillin b¸n tæng hîp phæ biÕn hiÖn nay lμ: −

Benzathin benzylpenicillin (Benzathin penicillin G) b¸n tæng hîp tõ penicillin G cã tÝnh hoμ tan thÊp, ®−îc gi¶i phãng chËm tõ vÞ trÝ tiªm b¾p vμ thuû ph©n thμnh penicillin G cã t¸c dông ®Æc trÞ ®Ó phßng vμ ®iÒu trÞ bÖnh thÊp tim ë trÎ em.

−

Ampicilin: lμ penicillin b¸n tæng hîp phæ réng trªn c¶ cÇu khuÈn Gram (+) vμ (-). Cã t¸c dông øc chÕ sinh tæng hîp mucopeptid thμnh tÕ bμo. D¹ng uèng hoÆc tiªm b¾p hay tÜnh m¹ch thËt chËm.

−

Amoxicillin (amino penicillin) lμ penicillin b¸n tæng hîp bÒn trong acid, phæ t¸c dông réng h¬n penicillin G (®Æc biÖt cã t¸c dông chèng trùc khuÈn Gram (-), t¸c dông øc chÕ sinh tæng hîp mucopeptid thμnh tÕ bμo cña nhiÒu vi khuÈn Gram (+) vμ (-) trong giai ®o¹n nh©n ®«i chñ ®éng. Amoxicillin ®−îc hÊp thu gÇn nh− hoμn toμn qua ®−êng tiªu ho¸.

−

Amoxicillin natri phèi hîp víi clavulanat kali (víi biÖt d−îc Augmentin): cã kh¶ n¨ng bÊt ho¹t nhiÒu β - lactamase th−êng gÆp ë nh÷ng vi khuÈn ®Ò kh¸ng víi kh¸ng sinh β - lactam.

3.2. §¹i c−¬ng vÒ 6-APA Nh− ®· biÕt, cÊu tróc ho¸ häc cña c¸c penicillin lμ nh÷ng hîp chÊt dÞ vßng cña acid 6 - aminopenicillanic (6-APA) - ®ãng vai trß nh©n penicillin. H2N

CH 3 CH 3

N COOH

109

6 – APA (6 – aminopenicillanic) ®−îc Kato ë NhËt t×m thÊy vμo n¨m 1953 trong m«i tr−êng nu«i cÊy P. chrysogenum kh«ng cã chÊt tiÒn thÓ. N¨m 1959 Batchelor vμ céng sù ®· chiÕt ®−îc 6 - APA tõ m«i tr−êng nu«i cÊy P. chrysogenum (W - 5120) kh«ng cã chÊt tiÒn thÓ sau khi ®· chiÕt hÕt penicillin. ¤ng cho r»ng sù h×nh thμnh 6 - APA lμ giai ®o¹n gÇn kÕt thóc cña qu¸ tr×nh sinh tæng hîp penicillin vμ ®· c«ng bè ph¸t minh s¶n xuÊt 6 – APA. Sau nμy ng−êi ta ph¸t hiÖn thÊy nhiÒu vi sinh vËt (®Æc biÖt nhãm vi khuÈn ®−êng ruét) nh− E. coli, B. megatherium... tiÕt ra penicillinamidase cã kh¶ n¨ng thuû ph©n penicillin G hoÆc penicillin V t¹o ra 6 - APA vμ acid phenyl acetic. Penicillinamidase Penicillin G (V)

6-APA + acid phenylacetic

6-APA lμ chÊt kh«ng cã ho¹t tÝnh kh¸ng sinh ®èi víi tô cÇu vμ còng bÞ penicillinase ph¸ huû. Tinh thÓ mμu tr¾ng, kh¸ bÒn, ®é ch¶y 209 - 210OC. Tan Ýt trong n−íc vμ c¸c dung m«i h÷u c¬. 3.3. C¸c ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt 6-APA 3.3.1. Ph−¬ng ph¸p ho¸ häc

Penicillin G

(CH3)3SiCl tert. amin

O PCl5 -40oC

H2O

CH2 C N Cl

CH2CONH

ROH -40C

COOSi(CH3)3

CH2 C N OR

CH2 COOR + H3N O

COO -

H×nh 8.5. S¬ ®å ph¶n øng tæng hîp ho¸ häc 6-APA tõ penicillin G

Ph−¬ng ph¸p ho¸ häc cã hiÖu suÊt chuyÓn ho¸ cao (®Õn 90 - 95%) vμ tèc ®é ph¶n øng nhanh, tuy nhiªn l¹i tiªu hao nhiÒu n¨ng l−îng, nhiÒu dung m«i vμ chøa ®ùng nguy c¬ « nhiÔm m«i tr−êng cao, ®ßi hái c¸c ®iÒu kiÖn ph¶n øng rÊt khã (nhiÖt ®é -40°C, ho¸ chÊt ®¾t tiÒn…). C«ng thøc mét sè Penicillin b¸n tæng hîp ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 8.3. 110

B¶ng 8.3. C«ng thøc mét sè penicillin b¸n tæng hîp R

Tªn kh¸ng sinh

O CH CH 3

Phenethicillin

N3 CH

Azidocillin

CH3

Methicillin

Phæ kh¸ng khuÈn hÑp, chèng l¹i ®−îc c¸c vi khuÈn sinh betalactamase

Oxacillin

øc chÕ sù ph¸t triÓn vi khuÈn Gram (+), ®Æc biÖt trªn tô cÇu Staphylococcus sinh penicillinase

Cloxacillin

øc chÕ sù ph¸t triÓn vi khuÈn Gram (+), ®Æc biÖt trªn tô cÇu Staphylococcus sinh penicillinase m¹nh h¬n oxacillin

CH3

C6H 5 CH 3

O C 6 H 5 Cl

CH 3

Nafcillin

O CH C NH2

O CH C NH 2

CH CO COOH

Ampicillin

Phæ réng, chèng l¹i ®−îc c¸c tô cÇu kh¸ng penicillin G

Amoxicillin

BÒn trong m«i tr−êng acid, phæ réng h¬n ampicillin, cã ho¹t tÝnh trªn phÇn lín vi khuÈn Gram (+) vµ Gram (-) nh−ng vÉn chÞu t¸c dông cña betalatamase

Carbenicillin

T¸c dông chñ yÕu trªn vi khuÈn hiÕu khÝ Gram (-)

Ticarcillin

T¸c dông chñ yÕu trªn vi khuÈn hiÕu khÝ Gram (-), ho¹t tÝnh m¹nh gÊp 2 – 4 lÇn carbenicillin

CH CO S

COOH

CH CO O NH CO N NH

Azlocillin

111

3.3.2. Ph−¬ng ph¸p sinh häc 6-APA cã thÓ ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p lªn men tõ c¸c chñng Penicillium. §éng häc qu¸ tr×nh lªn men t¹o 6-APA t−¬ng tù víi lªn men t¹o penicillin: ®ång ho¸ hydrat carbon nhanh, pH t¨ng dÇn vμ trong giai ®o¹n t¹o 6-APA cã khi lªn ®Õn 7,0 - 7,4. Thêi gian lªn men kÐo dμi tõ 108 - 120 giê. Tuy nhiªn qu¸ tr×nh nμy cho hiÖu suÊt thÊp v× 6-APA ®−îc t¹o thμnh ®ång thêi víi c¸c penicillin tù nhiªn kh¸c, mÆt kh¸c chi phÝ cho viÖc t¸ch chiÕt cao. V× vËy thùc tÕ trong c«ng nghiÖp ng−êi ta kh«ng sö dông ph−¬ng ph¸p nμy. HiÖn nay ph−¬ng ph¸p enzym vi sinh vËt lμ ph−¬ng ph¸p phæ biÕn ®Ó s¶n xuÊt 6-APA trong c«ng nghiÖp. Ng−êi ta sö dông penicillinacylase ®Ó c¾t m¹ch nh¸nh cña penicillin G hay V. Ph−¬ng ph¸p nμy cã nhiÒu −u ®iÓm, ®iÒu kiÖn ph¶n øng dÔ dμng nªn mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. HiÖn nay nhiÒu h·ng d−îc phÈm trªn thÕ giíi ®· s¶n xuÊt 6-APA víi tÊn l−îng lín theo ph−¬ng ph¸p nμy, ®iÓn h×nh lμ h·ng d−îc phÈm Snam Progetti (Italia) víi s¶n l−îng kho¶ng 40 tÊn/n¨m;

R CO N H O

CH3

Penicillinamidase

H2N O

COOH

Penicillin G, V

S N

CH3 CH3

+ R COO -

COOH 6-APA

Cã nhiÒu vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng sinh enzym penicillinamidase: x¹ khuÈn, nÊm men, nÊm mèc cã chøa penicillinamidase ngo¹i bμo. Lo¹i enzym nμy cã kh¶ n¨ng thuû ph©n c¸c penicillin K, F, V nhanh, cßn ®èi víi penicillin G l¹i thuû ph©n rÊt chËm (thÊp h¬n kho¶ng 100 lÇn). Penicillinamidase néi bμo chñ yÕu cã trong vi khuÈn cã t¸c dông thuû ph©n nhanh ph©n tö penicillin G, c¾t ®øt d©y nèi peptid ë m¹ch bªn 6 - APA. Enzym néi bμo vμ ngo¹i bμo cã pH ho¹t ®éng kh¸c nhau: néi bμo ho¹t ®éng m¹nh ë pH = 7,3 - 8,5; cßn enzym ngo¹i bμo ho¹t ®éng m¹nh ë pH = 9,0. Trong c«ng nghiÖp hay dïng E. coli vμ B. megatherium v× chóng cho ho¹t tÝnh enzym m¹nh nhÊt. Vi khuÈn E. coli 9637 hay B. megatherium ®−îc nu«i d−ìng trong m«i tr−êng cã thμnh phÇn m«i tr−êng dinh d−ìng nh− sau: Cao ng«

Pepton

0,5%

Glucose

Acid phenylacetic

0,15%

NhiÖt ®é

30°C

Thêi gian

24 giê

KÕt thóc qu¸ tr×nh nu«i cÊy chiÕt xuÊt lÊy penicillinamidase råi cè ®Þnh enzym trªn polyacriamid - thùc hiÖn qu¸ tr×nh deacyl liªn tôc ph©n tö penicillin G - thu lÊy 6-APA. Còng cã nhμ m¸y dïng ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng tÕ 112

bμo E.coli hay B. megatherium ®Ó s¶n xuÊt 6-APA hiÖu qu¶ cao nh− dïng ph−¬ng ph¸p enzym bÊt ®éng. Ph−¬ng ph¸p nμy cã thÓ sö dông nhiÒu lÇn vμ dÞch penicillin G ch−a bÞ deacetyl ho¸ cã thÓ sö dông l¹i. 6-APA ®−îc t¸ch ra vμ tinh chÕ b»ng s¾c ký trao ®æi ion, sÊy phun s−¬ng hoÆc kÕt tña ë ®iÓm ®¼ng ®iÖn (pH = 4,3). Ph−¬ng ph¸p enzym bÊt ®éng ®Ó s¶n xuÊt 6-APA cho hiÖu suÊt t−¬ng ®èi cao (90 – 95%) vμ ®· ®−îc ¸p dông réng r·i ë nhiÒu n−íc, mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. H¬n 50% s¶n l−îng 6-APA trªn toμn thÕ giíi ®−îc s¶n xuÊt theo ph−¬ng ph¸p bÊt ®éng enzym. HiÖn nay mét sè nhμ m¸y lªn men penicillin chØ cho xuÊt x−ëng thμnh phÈm lμ 6-APA. §Ó t¹o ra çc penicillin b¸n tæng hîp cã thÓ sö dông c¶ ph−¬ng ph¸p ho¸ häc vμ sinh häc b»ng çch acyl ho¸ 6-APA. Tuy nhiªn ë c«ng ®o¹n nμy ng−êi ta sö dông phæ biÕn con ®−êng ho¸ häc nh− ®· ®Ò cËp ë trªn v× enzym acylase th−êng thÓ hiÖn ®ång thêi c¶ 2 ho¹t tÝnh synthetase vμ hydrolase, thay ®æi tuú theo ®iÒu kiÖn ph¶n øng nªn cho hiÖu suÊt thÊp. 4. S¶n xuÊt çc Cephalosporin 4.1. §¹i c−¬ng Çc cephalosporin lμ nhãm thuèc quan träng nhÊt trong çc thuèc kh¸ng sinh hiÖn nay. Nhãm nμy ®øng thø 7 trong sè 10 lo¹i thuèc dïng nhiÒu nhÊt ®Ó ®iÒu trÞ çc bÖnh nhiÔm khuÈn víi doanh sè 7,2 tû ®«la n¨m 1999, sau ®ã lμ çc penicillin vμ çc nhãm kh¸ng sinh kh¸c. Riªng s¶n l−îng cephalosporin C trªn toμn thÕ giíi kho¶ng 3.000 tÊn/n¨m vμ phÇn lín ®−îc dïng ®Ó ®iÒu chÕ 7ACA – mét nguyªn liÖu trung gian ®Ó b¸n tæng hîp ra nhiÒu cephalosporin thÕ hÖ míi. R2

R 1 CONH N

CH 2 R 3

O COOH

N¨m 1945, Giuseppe Brotzu tõ nguån n−íc biÓn t¹i Cagliari (Italia) ®· ph©n lËp ®−îc chñng nÊm Cephalosporium acremonium. DÞch läc m«i tr−êng nu«i cÊy nÊm nμy cã t¸c dông øc chÕ sù ph¸t triÓn cña tô cÇu vμng Staphylococcus aureus vμ cã t¸c dông ®iÒu trÞ bÖnh nhiÔm khuÈn do tô cÇu vμng vμ bÖnh th−¬ng hμn ë ng−êi. Tõ n¨m 1948 ®Õn n¨m 1956, Abraham vμ Neuton (Anh) tõ m«i tr−êng nu«i cÊy nÊm nμy (nay ®−îc gäi lμ Acremonium chrysogenum) ®· chiÕt ®−îc mét hçn hîp kh¸ng sinh cephalosporin P1, cephalosporin C vμ penicillin N. N¨m 1971, tõ chñng Norcardia, Nagarazan chiÕt xuÊt ®−îc cephamycin còng cã cÊu tróc gÇn víi cephalosporin C.

113

Cã nhiÒu cephalosporin tù nhiªn ®−îc sinh tæng hîp tõ çc chñng nÊm mèc kh¸c nhau (xem b¶ng 8.4) nh−ng chóng hÇu nh− kh«ng cã ý nghÜa trong trÞ liÖu. V× vËy ng−êi ta ®· t×m çch t¹o ra çc cephalosporin b¸n tæng hîp trªn c¬ së cÊu tróc vßng β-lactam. ¦u thÕ cña çc cephalosporin lμ cã t¸c dông kh¸ng khuÈn ®èi víi c¶ çc cÇu khuÈn cã ho¹t tÝnh β-lactamase, nhiÒu vi khuÈn Gram (-) vμ ®éc tÝnh rÊt thÊp. V× vËy chóng nhanh chãng chiÕm vÞ trÝ quan träng trong trÞ liÖu. B¶ng 8.4. Mét vµi cephalosporin vµ cephamycin tù nhiªn Tªn kh¸ng sinh Cephalosporin C

Cephamycin A

Cephamycin B

H OO C CH (CH 2 ) 3 H 2N

-H

- OCH3

- OCOCH3

OCH 3 OCOC CH

OH OH

Cephamycin C

H OO C CH (CH 2 ) 3 H 2N

- OCH3

OCH 3 OCOC CH

Oganomycin G

H OO C CH (CH 2 ) 3 H 2N

- OCH3

114

N N

CH3

Oganomycin H

H OO C CH (CH 2 ) 3 H 2N

OSO 3 H

- OCH3

N S

CH 3

Tªn kh¸ng sinh

Phæ t¸c dông

Cephalexin - C¸c Cephalosporin thÕ hÖ 1

Cephalothin Cefazolin

Streptoccoci, Staphylococcus aureus

Cephradin Cefuroxim - C¸c Cephalosporin thÕ hÖ 2

C¸c Cephamycin (®−îc xÕp cïng víi cephalosporin thÕ hÖ 2)

Cefaclor Cefamandol

Cefoxitin Cefmetazol

E.coli, Klebsiella, Proteus H.influenzae, Moraxella catarrhalis kh«ng cã t¸c dông lªn c¸c vi khuÈn Gram (+) Bacteroides Pragilis vµ c¸c Bacteroides kh¸c

Latamocef Cefotaxim

- C¸c Cephalosporin thÕ hÖ 3

Ceftriaxon Ceftazidim Cefoperazon

E.coli, Klebsiella, Proteus H.influenzae, Moraxella catarrhalis, Ýt t¸c dông lªn c¸c vi khuÈn Gram (+) Bacteroides pragilis vµ c¸c Bacteroides kh¸c

Moxalactam Cefepine - C¸c Cephalosporin thÕ hÖ 4

Cefpirome Cefaclidine

Gièng nh− thÕ hÖ 3 nh−ng cã ho¹t tÝnh m¹nh h¬n chèng l¹i c¸c vi khuÈn tiÕt betalactamase

Çc cephalosporin vμ cephamycin cã cÊu tróc gåm vßng β-lactam liªn kÕt víi dÞ vßng dihydrothiazin (nh©n cephem). Çc cephamycin kh¸c víi çc cephalosporin ë nhãm –OCH3 t¹i vÞ trÝ C7 (R2). Nh÷ng cephalosporin cã t¸c dông ®iÒu trÞ trong y häc ®Òu lμ çc cephalosporin b¸n tæng hîp. Chóng ®−îc ph©n lo¹i thμnh çc thÕ hÖ kh«ng chÆt chÏ tuú theo phæ t¸c dông vμ thêi gian c«ng bè thuèc. HiÖn nay cã 4 thÕ hÖ kh¸ng sinh cephalosporin (b¶ng 8.5). Tuy cephalosporin C kh«ng cã ý nghÜa trong ®iÒu trÞ nh−ng nã l¹i lμ nguån nguyªn liÖu ®Ó t¹o ra 7-ACA vμ 7-ADCA lμ nh÷ng nguyªn liÖu trung gian quan träng ®Ó t¹o ra çc cephalosporin b¸n tæng hîp sÏ ®−îc ®Ò cËp ®Õn trong phÇn sau. 115

4.3. Quy tr×nh sinh tæng hîp cephalosporin C §Ó s¶n xuÊt Cephalosporin C ng−êi ta th−êng sö dông c¸c chñng gièng Cephalosporium acremonium cã ho¹t lùc cao. Tuy nhiªn viÖc hoμn thiÖn vμ triÓn khai s¶n xuÊt c«ng nghiÖp cephalosporin C gÆp nhiÒu khã kh¨n h¬n so víi s¶n xuÊt penicillin v× ho¹t tÝnh sinh kh¸ng sinh cña chñng gèc th−êng rÊt thÊp vμ viÖc tuyÓn chän, c¶i t¹o ho¹t tÝnh cña chñng ch−a t¹o ra chñng cã n¨ng lùc siªu tæng hîp nh− chñng sinh penicillin. MÆt kh¸c c¸c chñng lªn men cephalosporin d−êng nh− kh«ng cã ho¹t tÝnh enzym acyltransferase nªn viÖc sö dông tiÒn chÊt t¹o nh¸nh nh»m thay ®æi ho¹t tÝnh cña s¶n phÈm t¹o thμnh trong qu¸ tr×nh lªn men cephalosporin kh«ng mang l¹i kÕt qu¶ ®¸ng kÓ.

H×nh 8.3. H×nh th¸i chñng nÊm mèc C. acremonium

Trong lªn men c«ng nghiÖp ng−êi ta th−êng sö dông çc chñng gièng Cephalosporium acremonium ATCC 48272, 11550, 20339 vμ biÕn chñng cña chóng. Ho¹t lùc kho¶ng 2000 mcg/ml m«i tr−êng nu«i cÊy. Trong m«i tr−êng lªn men, chñng C. acremonium sinh tæng hîp ®ång thêi cephalosporin C, cephalosporin P1 vμ penicillin N. Trong qu¸ tr×nh sinh tæng hîp cephalosporin çc acid amin L-alpha-aminoadipic acid, L-valin vμ L-cystein còng ®ãng vai trß nh− çc tiÒn chÊt t¹o thμnh cÊu tróc penicillin N (xem chuyªn luËn penicillin) ®Ó tõ ®ã h×nh thμnh nªn ph©n tö cephalosporin C theo con ®−êng tr×nh bμy trong h×nh 8.4. M«i tr−êng nu«i cÊy ®Ó sinh tæng hîp Cephalosporin cã thμnh phÇn nh− sau (w/v):

116

Saacharose

36,0 g

Glucose

27,0 g

(NH4)2 SO4

7,5 g

Oleic acid

1,5 g

Methionin

3,0 g

C¸c yÕu tè vi l−îng (K, Fe, Mn, Mg, Zn, Cu…) N−íc m¸y v®

1 lÝt

7,3

VÒ nguyªn lý, quy tr×nh lªn men cephalosporin C cã nhiÒu ®iÓm t−¬ng ®ång víi c«ng nghÖ lªn men sinh tæng hîp penicillin vÒ thμnh phÇn m«i tr−êng nu«i cÊy, th«ng khÝ… còng nh− c¸c th«ng sè kh¸c. H2N HOOC

CH (CH2)3 CONH

CH3 CH3

N Penicillin N

-2H

H2N HOOC

COOH

CH (CH2)3 CONH N

CH3

COOH H2N HOOC

+ O2

CH (CH2)3 CONH N

H2N HOOC

COOH

H2N HOOC

N O

Acetyl-CoA

CH (CH2)3 CONH

H2N HOOC

CH (CH2)3 CONH N

CH2OH COOH

CH2OH

CH3

CH (CH2)3 CONH

O Cephalosporin C

CH2 OCOCH3 COOH

H×nh 8.4. C¬ chÕ sinh tæng hîp cephalosporin C (giai ®o¹n cuèi tõ penicillin N)

5. S¶n xuÊt 7–ACA; 7–ADCA vμ çc kh¸ng sinh b¸n tæng hîp nhãm Cephalosporin 5.1. §¹i c−¬ng Khi ph©n tÝch cÊu tróc cña cephalosporin C ng−êi ta nhËn thÊy nh©n c¬ b¶n cña ph©n tö cephalosporin C lμ acid 7-amino-cephalosporanic (7-ACA). V× vËy tõ nh©n c¬ b¶n nμy ng−êi ta ®· t×m çch t¹o ra çc cephalosporin b¸n tæng hîp. Kh¸c víi çc penicillin, çc cephalosporin b¸n tæng hîp bao gåm c¶ nhãm s¶n phÈm acyl ho¸ gèc 7-amin ë vÞ trÝ bªn c¹nh vßng β-lactam vμ nhãm s¶n phÈm thay thÕ gèc acetoxy ë vÞ trÝ sè 3. XuÊt ph¸t tõ 7-ACA, n¨m 1962 Chauvette ®· tæng hîp ®−îc cephalothin cã hiÖu lùc m¹nh gÊp 100 lÇn penicillin G, phæ kh¸ng khuÈn réng, cã hiÖu lùc trªn c¶ vi khuÈn Gram (-).

117

H2N

H2N O

CH2OCCH3

CH3

COOH

7-ACA

7-ADCA

NÕu lo¹i nhãm acetoxy ë vÞ trÝ C3 cña 7-ACA th× sÏ nhËn ®−îc 7.amino deacetoxy cephalosporanic (7-ADCA). §©y còng lμ mét nguyªn liÖu trung gian quan träng ®Ó t¹o ra çc cephalosporin b¸n tæng hîp. 5.2. Ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt 7-ACA vμ 7-ADCA Tr−íc ®©y 7-ACA chñ yÕu ®−îc s¶n xuÊt theo ph−¬ng ph¸p ho¸ häc b»ng çch c¾t m¹ch nh¸nh cña cephalosporin C. Tuy nhiªn ng−êi ta nhËn thÊy r»ng trong m«i tr−êng lªn men Cephalosporium acremonium tån t¹i ®ång thêi mét hçn hîp kh¸ng sinh cephalosporin P, cephalosporin C vμ penicillin N. Sù tån t¹i ®ång thêi cña penicillin N vμ cephalosporin C trong m«i tr−êng lªn men ®· gîi nªn ý t−ëng b¸n tæng hîp çc kh¸ng sinh míi nhãm cephalosporin tõ penicillin. B»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc, tõ penicillin G ng−êi ta ®· tæng hîp ®−îc 7ADCA theo s¬ ®å ph¶n øng sau: S

CH2CONH O

CH3

CH3COOH > 90%

COOH

Penicilin G

O S

CH2CONH O

CH3 (CH3)3SiN=C

OSi(CH3)3

pyridin HBr COOH

CH2CONH O

CH3

CH3 COOH

> 90% PCl5 ROH

H3N

CH3 COO

7 - ADCA

H×nh 8.5. S¬ ®å ph¶n øng ho¸ häc ®iÒu chÕ 7-ADCA tõ penicillin G

118

Tõ 7-ACA vμ 7-ADCA ®· t¹o ra c¸c cephalosporin b¸n tæng hîp ®−îc dïng trong y häc (b¶ng 8.6) B¶ng 8.6. C«ng thøc mét sè cephalosporin b¸n tæng hîp tõ 7-ACA vµ 7-ADCA Gèc

Tªn KS

C«ng thøc

H C Cephalexin

NH 2

H C

Cefaclor

CONH O

COOH S

CO NH

NH 2

Tõ 7-ADCA

CO O H S

H C CONH NH 2 O

Cephracin

CH 3

CH 3 COOH

Cefadroxil

C H2

Cephalothin

H C CONH NH 2 O

COOH

CONH N

CH2 - O - COCH3

O N

Cefazolin

COOH S

N CH2 - CONH

N N N

CH2 - S -

Tõ 7-ACA

N - OCH3 Cefuroxim

CH 3

COOH

CH2 - O - CO - NH2

CONH

Cefotaxim

CH3

COOH

N H2N

CONH

N - OCH3 O

CH2 - O - CO - CH3 COOH

119

6. Sinh tæng hîp Acid clavulanic 6.1. §¹i c−¬ng Acid clavulanic lμ mét chÊt kh¸ng sinh cã cÊu tróc vßng β-lactam ®−îc Brown vμ céng sù t×m ra vμo n¨m 1976 trong m«i tr−êng nu«i cÊy Streptomyces clavuligerus (Napier vμ cs. còng ph¸t hiÖn ra acid clavulanic vμo n¨m 1981 ®éc lËp víi nghiªn cøu cña Brown). Acid clavulanic lμ mét kh¸ng sinh phæ réng, t¸c dông lªn nhiÒu loμi vi khuÈn bao gåm c¶ vi khuÈn Gram (+) vμ vi khuÈn Gram (-) nh−ng ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn cña chóng rÊt yÕu. Tuy nhiªn −u ®iÓm cña acid clavulanic lμ cã ho¹t tÝnh kh¸ng betalactamase, ®Æc biÖt nã cã t¸c dông øc chÕ m¹nh çc betalactamase truyÒn qua plasmid g©y kh¸ng çc penicillin vμ çc cephalosporin. V× vËy acid clavulanic ®−îc phèi hîp víi amoxicilin thμnh biÖt d−îc mang tªn Augmentin ®−îc bμo chÕ ë nhiÒu d¹ng kh¸c nhau nh− bét uèng, viªn nÐn bao phim, tiªm cña h·ng Glaxo Smithkline. Sù phèi hîp víi acid clavulanic gióp cho amoxicilin kh«ng bÞ betalactamase ph¸ huû, ®ång thêi më réng thªm phæ kh¸ng khuÈn cña amoxicilin mét çch hiÖu qu¶ víi nhiÒu vi khuÈn th«ng th−êng ®· kh¸ng l¹i amoxicilin, kh¸ng l¹i çc penicillin vμ cephalosporin. Khi sö dông riªng ampicillin th× nång ®é diÖt vi khuÈn tèi thiÓu MBC (minimum bactericidal concentration) trªn Staphylococcus aureus lμ 500 mcg/ml, song nÕu sö dông phèi hîp víi acid clavulanic ë nång ®é 5 mcg/ml th× liÒu MBC hiÖu qu¶ gi¶m xuèng 5000 lÇn – tøc lμ chØ cÇn 0,1 mcg/ml. ViÖc phèi hîp amoxicilin víi acid clavulanic lμ mét vÝ dô ®iÓn h×nh cña çc nhμ d−îc häc vÒ nghiªn cøu bμo chÕ phèi hîp çc d−îc chÊt ®Ó t¹o ra çc biÖt d−îc míi t¸c dông tèt trong ®iÒu trÞ nh»m ng¨n c¶n sù kh¸ng thuèc kh¸ng sinh cña vi khuÈn. 6.2. CÊu tróc ho¸ häc vμ tÝnh chÊt VÒ cÊu tróc cña acid clavulanic còng t−¬ng tù nh− çc kh¸ng sinh nhãm β-lactam kh¸c. Ph©n tö acid clavulanic còng chøa vßng β-lactam (®−îc xÕp vμo nhãm β-lactam kh«ng chøa S). Ng−êi ta ®· t×m ra 6 s¶n phÈm lªn men tù nhiªn cã cÊu tróc t−¬ng tù víi acid clavulanic vμ xÕp chóng vμo nhãm clavam. O

N O

120

B¶ng 8.7. CÊu tróc c¸c kh¸ng sinh clavam tù nhiªn Tªn clavam

Acid clavulanic

− COOH

= CHCH2OH

Acid β–hydroxypropionylclavulanic

− COOH

= CHCH2COCH2CH2OH

Acid clavam – 2 – cacboxylic

−H

− COOH

2–hydroxymethylclavam

−H

− CH2OH

2–formyloxymethylclavam

−H

− CH2OCHO

2–(3 – alanyl) – clavam

−H

− CH2CH(NH2)COOH

2–(2 – hydroxyethyl) – clavam

−H

− CH2CH2OH

Khi phèi hîp víi amoxicilin ng−êi ta sö dông d¹ng muèi kali cña acid clavulanic cã c«ng thøc ho¸ häc C8H8KNO5, ptl. 237,25.

CHCH2OH

Acid clavulanic

CHCH2OH

N O

COOH

COOK

Kali clavulanat

Clavulanat d¹ng muèi kali lμ bét tinh thÓ tr¾ng, dÔ hót Èm, tan trong n−íc, tan Ýt trong cån, rÊt Ýt tan trong aceton. 6.3. Lªn men sinh tæng hîp acid clavulanic 6.3.1. Chñng gièng Trong c«ng nghiÖp ng−êi ta sö dông chñng Streptomyces clavuligerus ATCC 27064 hay NRRL 3858 ®Ó s¶n xuÊt acid clavulanic. Trong m«i tr−êng nu«i cÊy ngoμi acid clavulanic th−êng tÝch tô ®ång thêi mét vμi clavam kh¸c, mét sè dÉn xuÊt cephalosporin vμ penicillin N. 6.3.2. Quy tr×nh lªn men Quy tr×nh sinh tæng hîp cña h·ng Beecham Laboratories Ltd. cã nh÷ng c«ng ®o¹n chÝnh sau: Bμo tö gièng ®−îc nu«i cÊy trªn b×nh Roux, nu«i trªn m«i tr−êng ®Æc ë 26OC trong thêi gian 10 ngμy. Nh©n gièng ë 26OC trong 72 giê, cÊp khÝ 1VVM, tèc ®é khuÊy 140 vßng/ph. 121

Thμnh phÇn m«i tr−êng lªn men sinh tæng hîp (w/v): Bét ®Ëu t−¬ng

3,0

Tinh bét

4,7

FeSO4.7H2O

0,01

KH2PO4

0,01

CaCO3

0,3

DÇu ph¸ bät

0,05

N−íc m¸y

v®

M«i tr−êng lªn men ®−îc chØnh pH = 7,0, tiÖt trong thêi gian 30 phót, lμm nguéi råi cÊy truyÒn 5 tr×nh lªn men tiÕn hμnh ë 26OC, tèc ®é khuÊy 100 l−îng 0,75VVM. Thêi gian nu«i cÊy tõ 90 – 100 giê. men th−êng ®¹t 500 mcg/ml dÞch lªn men.

trïng b»ng h¬i ë 121OC lÝt dÞch gièng sang. Qu¸ – 110 v/ph, cÊp khÝ l−u HiÖu suÊt qu¸ tr×nh lªn

6.3.3. T¸ch chiÕt vμ tinh chÕ acid clavulanic Acid clavulanic lμ s¶n phÈm ngo¹i bμo vμ cã thÓ ®−îc chiÕt b»ng çch dïng nhùa trao ®æi ion (th−êng sö dông anionit nh− Amberlite IR4B hay Zeolite FFIP…). KÕt thóc qu¸ tr×nh nu«i cÊy h¹ nhiÖt ®é dÞch lªn men xuèng 5OC, läc hoÆc ly t©m lo¹i sinh khèi, acid ho¸ dÞch läc b»ng acid hydrocloric hoÆc sulfuric ®Õn pH = 2–3, ®ång thêi bæ sung dung m«i kh«ng tan trong n−íc nh− n-butanol hoÆc ethylacetat. Acid clavulanic chuyÓn sang pha dung m«i. ChiÕt acid clavulanic khái pha dung m«i b»ng çc dung dÞch cã pH trung tÝnh nh− dung dÞch ®Öm natri bicarbonat hoÆc kali hydrophosphat, hçn dÞch CaCO3 hoÆc n−íc. DÞch chiÕt ®em hÊp phô b»ng nhùa trao ®æi ion ®Ó thu s¶n phÈm tinh khiÕt hoÆc thu chÕ phÈm th« d¹ng muèi b»ng çch c« ë nhiÖt ®é thÊp (≤ 40OC) vμ ¸p suÊt gi¶m hoÆc sÊy phun ®Ó thu s¶n phÈm. Qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt vμ tinh chÕ cã thÓ tãm t¾t b»ng s¬ ®å sau:

122

dÞch lªn men 5oC läc

sinh khèi

pH = 2 - 3 DD HC l

chiÕt lÇn 1

butanol

chiÕt lÇn 2

®Öm pH 7

t¶y mμu TÈy mμu

than ho¹t

hÊp phô

amberlit

ph¶n hÊp phô

DD N aCl

lo¹i muèi

amberlit

c« ch©n kh«ng

sÊy phun

acid clavulanic

H×nh 8.6. S¬ ®å c¸c c«ng ®o¹n t¸ch chiÕt vµ tinh chÕ acid clavulanic

C¸c kh¸ng sinh kh¸c cã cÊu tróc clavam ®−îc xÕp vμo nhãm nμy lμ sulbactam vμ tazobactam. §©y lμ 2 kh¸ng sinh ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p tæng hîp hãa häc. Sulbactam th−êng ®−îc phèi hîp víi amoxicillin, cßn tazobactam ®−îc phèi hîp víi piperacillin.

123

Sulbactam

O CH 3 CH 2 N

COONa

Tazobactam

Tù l−îng gi¸ 1. KÓ tªn çc chñng vi sinh vËt ®−îc sö dông dïng ®Ó s¶n xuÊt çc kh¸ng sinh nhãm beta-lactam. 2. T×m mèi liªn hÖ gi÷a cÊu tróc ho¸ häc víi chñng gièng vμ quy tr×nh sinh tæng hîp cña 2 nhãm kh¸ng sinh penicillin vμ cephalosporin. 3. Nªu ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh sinh tæng hîp tõ chñng nÊm Penicillium chrysogenum ®Ó nhËn ®−îc kh¸ng sinh penicillin mong muèn? 4. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt 6-APA b»ng con ®−êng sinh häc. 5. Nªu nguyªn t¾c s¶n xuÊt çc kh¸ng sinh b¸n tæng hîp nhãm cephalosporin. 6. Tr×nh bμy ph−¬ng ph¸p lªn men vμ chiÕt xuÊt acid clavulanic.

124

Ch−¬ng 9

s¶n xuÊt kh¸ng sinh nhãm Tetracyclin

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1.

Nguån gèc c¸c kh¸ng sinh tù nhiªn vμ b¸n tæng hîp nhãm tetracyclin.

2. Quy tr×nh lªn men nhËn tõng kh¸ng sinh cô thÓ. 3. Ph−¬ng ph¸p cã hiÖu qu¶ nhÊt trong 3 ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt kh¸ng sinh tõ dÞch lªn men.

1. §¹i c−¬ng Çc tetracyclin ®−îc ph¸t hiÖn rÊt sím (tõ n¨m 1948), lμ nhãm chÊt kh¸ng sinh phæ réng ®Çu tiªn øc chÕ hÇu hÕt çc vi khuÈn Gram (-), Gram (+) vμ Rickettsia… nªn ®−îc sö dông réng r·i cho ®Õn nh÷ng n¨m 80 cña thÕ kû XX, nhÊt lμ ë çc n−íc ®ang ph¸t triÓn. HiÖn nay çc kh¸ng sinh tù nhiªn cña nhãm nμy nh− tetracyclin, clotetracyclin, oxytetracyclin chñ yÕu ®−îc sö dông trong ch¨n nu«i ®Ó ®iÒu trÞ bÖnh cho gia sóc, gia cÇm vμ ®−îc phèi hîp víi vitamin B12 ®Ó bæ sung vμo thøc ¨n trong ch¨n nu«i cã t¸c dông kÝch thÝch t¨ng träng. Çc kh¸ng sinh tetracyclin b¸n tæng hîp ®−îc dïng réng r·i h¬n ®Ó ®iÒu trÞ mét sè bÖnh nhiÔm trïng nh− m¾t hét, m¾t ®á, viªm gi¸c m¹c, viªm phÕ qu¶n, viªm tiÕt niÖu do lËu cÇu … vμ ®Æc biÖt ®Ó ®iÒu trÞ bÖnh dÞch h¹ch. Çc tetracyclin ®Òu dÔ bÞ kh¸ng thuèc (Theo sè liÖu cña ASTS – Ch−¬ng tr×nh gi¸m s¸t quèc gia vÒ tÝnh kh¸ng thuèc cña vi khuÈn g©y bÖnh Antibiotic Sensitivity Testing Studies): ë VN 92,9% Salmonella typhi; 41,4% H. influenzae; 87,9% Klebsiella pneumoniae kh¸ng l¹i tetracyclin… C¬ chÕ t¸c dông cña çc tetracyclin lμ phong to¶ ho¹t ®éng cña nhiÒu enzym chÝnh cña qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt, øc chÕ qu¸ tr×nh tæng hîp protein cña vi khuÈn (g¾n vμo ®¬n vÞ 30S cña ribosom vμ øc chÕ chøc n¨ng cña ribosom lμ tæng hîp protein cña vi khuÈn). Khi kh¸ng thuèc: vÞ trÝ g¾n tetracyclin trªn ribosom bÞ biÕn ®æi do ®ã tetracyclin kh«ng g¾n ®−îc vμo ribosom vμ mÊt t¸c dông.

125

2. C«ng thøc cÊu t¹o vμ tÝnh chÊt C¸c kh¸ng sinh nhãm tetracyclin cã bé khung chÝnh lμ octahydro naphtaxenic: R7

R6a

N(CH3)2 OH

5 2

CONH R2

B¶ng 9.1. C«ng thøc cÊu t¹o mét sè kh¸ng sinh nhãm tetracyclin Tªn

R6a

Clotetracyclin

–H

– OH

– CH3

– Cl

Oxytetracyclin

–H

– OH

– CH3

–H

Tetracyclin

–H

– OH

– CH3

–H

6-Demethyl

–H

Demeclocyclin

–H

– OH

–H

– Cl

Methacyclin

–H

– OH

= CH2

Doxycyclin

–H

– OH

–H

– CH3

–H

Minocyclin

–H

– N (CH3)2

–H

– OH

– CH3

–H

etracyclin

Rolitetracyclin N CH 2

–H

§Æc tÝnh chung cña c¸c tetracyclin lμ bÒn víi acid nªn dïng ®Ó uèng ®−îc nh−ng do nhiÒu t¸c dông phô - ®Æc biÖt lμ t¹o phøc calci bÒn v÷ng lμm r¨ng bÞ vμng è nªn cÊm dïng cho trÎ em d−íi 10 tuæi. Mét sè tÝnh chÊt cña nhãm kh¸ng sinh nμy cÇn ®−îc quan t©m trong qu¸ tr×nh chiÕt xuÊt lμ:

126

−

TÝnh l−ìng tÝnh: Do trong ph©n tö cña çc kh¸ng sinh nhãm tetracyclin cã chøa nhãm dimetylamino cã kh¶ n¨ng t¹o muèi víi acid vμ çc nhãm hydroxyl cã kh¶ n¨ng t¹o muèi víi kiÒm hoÆc víi çc ion Ca++, Mg++ (t¹o tetracyclinat).

−

Kh«ng bÒn v÷ng víi c¸c t¸c nh©n oxy hãa ngay c¶ oxy trong kh«ng khÝ. Trong dung dÞch kiÒm dÔ bÞ oxy hãa t¹o dÉn chÊt cã mμu thÉm.

−

DÔ bÞ ®ång ph©n hãa (do cÊu tróc hydro naphtaxenic) trong dung dÞch n−íc ë pH 2,0 – 6,0 t¹o ra epitetracyclin kh«ng cã t¸c dông kh¸ng sinh. HiÖn t−îng ®ång ph©n hãa x¶y ra nhanh h¬n ë tetracyclin vμ clotetracyclin. N(CH3)2

(CH3)2N

CONH2

CONH2 O

Tetracyclin

−

Epitetracyclin

ë m«i tr−êng qu¸ kiÒm hay qu¸ acid (pH > 9 hoÆc pH < 1) c¸c tetracyclin bÞ khö ho¹t tÝnh do t¹o thμnh c¸c dÉn chÊt anhydro vμ isotetracyclin R1

N(CH3)2

CH3

OH O R1

N(CH3)2

H3C

pH > 9

CONH2 OH

isotetracyclin CONH2 OH

N(CH3)2

CH3

pH < 1

CONH2 OH

anhydrotetracyclin

3. Sinh tæng hîp çc Tetracyclin tù nhiªn Cã gÇn 10 tetracyclin tù nhiªn nh−ng thùc tÕ ng−êi ta chØ s¶n xuÊt ë quy m« c«ng nghiÖp 4 s¶n phÈm lμ clotetracyclin, tetracyclin, oxytetracyclin vμ demeclocyclin. 3.1. Chñng gièng Kh¶ n¨ng sinh tæng hîp kh¸ng sinh nhãm tetracyclin tËp trung chñ yÕu ë x¹ khuÈn. Çc gièng x¹ khuÈn sinh kh¸ng sinh nhãm tetracyclin gåm nh÷ng chñng Streptomyces rimosus; Str.aureofaciens; Str. platensis; Str. gilvus… C¬ chÕ sinh tæng hîp çc tetracyclin rÊt phøc t¹p víi sù chuyÓn ho¸ qua nhiÒu giai ®o¹n trung gian kh¸c nhau (c¬ chÕ sinh tæng hîp clotetracyclin gåm 72 ph¶n øng). Qu¸ tr×nh sinh tæng hîp nμy cã thÓ chia lμm 3 giai ®o¹n chÝnh: 127

−

Sinh tæng hîp chuçi oligoketidamit m¹ch th¼ng tõ c¸c nguån hydratcarbon.

−

KhÐp vßng chuçi oligoketidamit t¹o thμnh bé khung pretetramit (hoÆc 6- metylpretetramit).

−

ChuyÓn ho¸ tiÕp pretetramit (hoÆc 6- metylpretetramit) ®Ó t¹o c¸c tetracyclin. CH3

CH3 OH

CONH2 OH

CONH2

(B)

(A) O

CH3

NH2

CONH2 O

(C)

CONH2 O

(D) H3C

CH3

H3C

CH3

CONH2 O

(E) HO

CH3

H3C

CONH2 O

(F)

CH3 OH

Tetracyclin O

CONH2 O

H×nh 9.1. C¬ chÕ sinh tæng hîp tetracyclin tõ pretenamid (A) H3C

CH3

CH3 OH

Pretenamid (A) OH

CONH2 O

(E) CH3

CH3 H3C OH N OH

H3C

CH3 H3C OH N OH

CONH2 O

Oxytetracyclin

H×nh 9.2. C¬ chÕ sinh tæng hîp Oxytetracyclin tõ anhydrotetracycline (E)

128

3.2. §Æc ®iÓm qu¸ tr×nh lªn men Çc chñng x¹ khuÈn sinh kh¸ng sinh nhãm tetracyclin lμ nh÷ng chñng vi sinh vËt hiÕu khÝ nªn qu¸ tr×nh nu«i cÊy cÇn l¾c hoÆc khuÊy trén kÌm theo sôc khÝ víi l−u l−îng kho¶ng 1VVM. ViÖc ®¶m b¶o th«ng khÝ hîp lý vμ liªn tôc trong suèt qu¸ tr×nh lªn men cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn hiÖu suÊt sinh kh¸ng sinh, ®Æc biÖt lμ trong 6 – 12 giê ®Çu tiªn (qu¸ tr×nh cã thÓ bÞ huû hoμn toμn nÕu ngõng cÊp oxy chØ trong 5 phót). pH tèi −u cho sù ph¸t triÓn lμ 6,6 – 7,2. Mçi bμo tö n¶y 2-4 chåi t¹o thμnh hÖ sîi. Kh¸ng sinh n»m trong sinh khèi x¹ khuÈn. NhiÖt ®é nu«i cÊy thÝch hîp tõ 27 – 28OC. Thêi gian lªn men th−êng kho¶ng 110 – 140 giê. 3.3. Nhu cÇu dinh d−ìng Nguån hydrat carbon chñ yÕu lμ bét ng«, bét m×, tinh bét khoai t©y hoÆc tinh bét ng«. Ngoμi ra ng−êi ta cßn bæ sung vμo m«i tr−êng nu«i cÊy mét sè lo¹i ®−êng nh− glucose (thÝch hîp víi S. rimosus) hoÆc maltose (thÝch hîp víi S. aureofaciens). Çc chñng x¹ khuÈn sinh kh¸ng sinh nhãm tetracyclin kh«ng cã kh¶ n¨ng ph©n gi¶i saccharose vμ lactose. Nguån nit¬: M«i tr−êng s¶n xuÊt cÇn cã c¶ nguån nit¬ v« c¬ nh− (NH4)2SO4 còng nh− Nit¬ h÷u c¬ (cao ng«, bét ®Ëu t−¬ng, bét l¹c...). Nguån phospho: §èi víi qu¸ tr×nh sinh tæng hîp çc tetracyclin hμm l−îng phospho v« c¬ hoμ tan trong m«i tr−êng lªn men (chñ yÕu tõ cao ng«) cã ý nghÜa rÊt quan träng ®Õn hiÖu suÊt t¹o kh¸ng sinh: thiÕu phospho gièng ph¸t triÓn kÐm vμ hiÖu suÊt lªn men thÊp, thõa phospho gièng ph¸t triÓn nhanh nh−ng ho¹t lùc kh¸ng sinh gi¶m ®¸ng kÓ do sù tÝch tô acid acetic vμ acid pyruvic trong m«i tr−êng. §Ó tr¸nh thõa phospho ng−êi ta bæ sung CaCO3 ®Ó t¹o thμnh çc phosphat calci kh«ng tan. Ngoμi ra nã cßn cã t¸c dông gi¶m nång ®é çc kh¸ng sinh hoμ tan ®Ó tr¸nh ®éc tÝnh cña kh¸ng sinh ®èi víi gièng. Nguån kim lo¹i vi l−îng: Çc chñng x¹ khuÈn sinh kh¸ng sinh nhãm tetracyclin còng cÇn mét sè kim lo¹i nh− Mg, Mn, Fe, Cu… vμ th−êng ®−îc bæ sung d−íi d¹ng muèi sulfat. NÕu m«i tr−êng cã cao ng«, bét ®Ëu, bét l¹c… th× kh«ng cÇn bæ sung v× b¶n th©n çc lo¹i nguyªn liÖu nμy ®· s½n cã çc muèi kim lo¹i. CÇn chó ý ®Æc biÖt ®Õn hμm l−îng s¾t v× nÕu s¾t thõa sÏ kÕt hîp víi Tetracyclin t¹o ra nh÷ng phøc chÊt kh«ng cã ho¹t tÝnh kh¸ng sinh. ë pha ph¸t triÓn thø nhÊt trong ®iÒu kiÖn lªn men ch×m, çc chñng x¹ khuÈn nμy sinh tr−ëng m¹nh trong kho¶ng tõ 24 – 48 giê vμ khèi l−îng khuÈn ty ®· ®¹t tíi 70 – 80% møc tèi ®a, l−îng chÊt dinh d−ìng tiªu thô tõ 60 – 80%. B−íc sang pha lªn men thø hai qu¸ tr×nh ph¸t triÓn chËm l¹i nªn tèc ®é tiªu thô chÊt dinh d−ìng gi¶m ®i rÊt nhiÒu, sù t¨ng sinh khèi (l−îng khuÈn ty) chËm l¹i dÇn ®¹t tíi møc ®é cùc ®¹i råi æn ®Þnh vμ x¹ khuÈn b−íc sang giai ®o¹n tù ph©n. Trong giai ®o¹n nμy l−îng chÊt dinh d−ìng trong m«i tr−êng cßn l¹i rÊt Ýt vμ hÇu nh− kh«ng ®−îc sö dông. Sù tæng hîp kh¸ng sinh: Nghiªn cøu ®éng th¸i cña qu¸ tr×nh lªn men cho thÊy çc chñng x¹ khuÈn sinh kh¸ng sinh nhãm tetracyclin b¾t ®Çu pha thø hai ë kho¶ng thêi gian 25 - 35 giê; sinh khèi ®¹t møc cao nhÊt ë 45 - 50 giê (®èi 129

víi Str. aureofaciens) vμ ë 48 - 55 giê (®èi víi Str. rimosus lμ chñng ph¸t triÓn chËm h¬n). L−îng kh¸ng sinh ®¹t tèi ®a ë 120 -144 giê. HiÖu suÊt sinh tæng hîp lªn tíi 20.000 mcg/ml m«i tr−êng lªn men víi nh÷ng chñng siªu tæng hîp. 3.4. Nguyªn t¾c chiÕt xuÊt kh¸ng sinh tõ m«i tr−êng lªn men C¸c kh¸ng sinh nhãm tetracyclin cã tÝnh chÊt l−ìng tÝnh nªn cã thÓ dïng c¶ 3 ph−¬ng ph¸p sau ®Ó chiÕt t¸ch s¶n phÈm ra khái dÞch lªn men: −

ChiÕt b»ng dung m«i h÷u c¬ cã chÊt mang

−

ChiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p kÕt tña

−

ChiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion

Tuú theo lo¹i kh¸ng sinh cô thÓ, ®é tinh khiÕt cÇn thiÕt cña s¶n phÈm mμ ng−êi ta lùa chän ph−¬ng ph¸p thÝch hîp. D−íi ®©y m« t¶ quy tr×nh sinh tæng hîp vμ chiÕt xuÊt mét sè kh¸ng sinh cô thÓ cña nhãm tetracyclin. 4. Sinh tæng hîp Clotetracyclin 4.1. Chñng gièng Clotetracyclin cßn cã tªn kh¸c lμ biomycin, aureomycin vμ ®−îc t×m ra lÇn ®Çu vμo n¨m 1948 trong m«i tr−êng nu«i cÊy chñng x¹ khuÈn Str. aureofaciens. Trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp hiÖn nay ng−êi ta sö dông mét sè biÕn chñng cho hiÖu suÊt sinh tæng hîp cao nh− Str. aureofaciens A377 (NRRL 2009), Str. aureofaciens ATCC 13908-13911. Muèi clohydrat cña clotetracyclin lμ d¹ng bét tinh thÓ mμu vμng, kh«ng mïi, vÞ ®¾ng, bÒn v÷ng trong kh«ng khÝ kh« ë nhiÖt ®é phßng, nÕu ®Ó ra ¸nh s¸ng th× dÇn dÇn mÊt ho¹t tÝnh. Clotetracyclin bÒn trong dung dÞch acid (pH 0,6 – 2,6), kh«ng bÒn trong dung dÞch kiÒm. 4.2. §iÒu kiÖn lªn men Nhu cÇu dinh d−ìng vμ ®iÒu kiÖn lªn men sinh tæng hîp cña chñng Str. aureofaciens mang nh÷ng ®Æc ®iÓm chung nh− phÇn tæng quan nªu trªn. Tuy nhiªn cÇn chó ý thªm mét sè yÕu tè riªng nh− sau: Thμnh phÇn m«i tr−êng lªn men (%):

130

Bét ng«

12,0

Cao ng«

0,5

(NH4)2SO4

1,5

NaCl (hoÆc NH4Cl, NH4NO3)

0,6

Muèi kho¸ng …

0,01

CaCO3

1,5

Benzylthiocyanid

0,0001

pH sau khö trïng

6,6 - 7,2

NhiÖt ®é nu«i cÊy

28OC

Thêi gian lªn men

100-120 giê

Cung cÊp khÝ v« trïng

1VVM

M«i tr−êng lªn men ph¶i cung cÊp ion clo ®Ó t¹o Clotetracyclin. ThÝch hîp nhÊt lμ amoni clorid, natri clorid hoÆc amoni nitrat. Çc tiÒn chÊt sö dông trong sinh tæng hîp clotetracyclin lμ çc hîp chÊt m¹ch vßng, thÝch hîp nhÊt lμ benzylthioxyanid (C6H5CH2-SCN) víi hμm l−îng 1-3 mg/l m«i tr−êng cã thÓ lμm t¨ng hiÖu suÊt ®Õn 30 - 40%. 4.3. Ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt Cã thÓ sö dông ph−¬ng ph¸p kÕt tña ®Ó thu clotetracyclin tõ dÞch lªn men theo s¬ ®å h×nh 9.3a. Çc b−íc tiÕn hμnh nh− sau: DÞch lªn men ®−îc h¹ nhiÖt ®é xuèng 15OC. Sau ®ã acid ho¸ b»ng H2SO4 30% ®Õn pH = 4,5. Läc lo¹i sinh khèi vμ thªm 0,1% CaCl2. KiÒm ho¸ b»ng NH4OH ®Õn pH 8,5 – 9 kh¸ng sinh sÏ kÕt tña d¹ng phøc calci. Läc thu kÕt tña ®Ó tinh chÕ tiÕp qua çc c«ng ®o¹n lo¹i t¹p, tÈy mμu… Clotetracyclin cã ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn m¹nh gÊp 4 lÇn tetracyclin (Test lμ Staphyloccocus aureus) song ®éc tÝnh cao h¬n Tetracyclin nªn hiÖn kh«ng dïng trong y häc. Tr−íc ®©y cã sö dông chÕ phÈm mì tra m¾t (d¹ng clohydrat) vμ viªn nÐn (d¹ng base). HiÖn nay clotetracyclin ®−îc s¶n xuÊt d¹ng th« (chÕ phÈm Biovit) dïng trong ch¨n nu«i gia sóc, gia cÇm. Qui tr×nh s¶n xuÊt Biovit: Cã thÓ ¸p dông mét trong hai quy tr×nh sau (h×nh 9.3b vμ c): (a)

dÞch lªn men Lµm l¹nh 15oC

(b) acid hãa H2SO4 30% pH = 4 - 5

läc

c«

sinh khèi

Cßn 40%

sÊy

sÊy phun

<60oC 600mmHg

(a): Quy tr×nh thu clotetracyclin tinh khiÕt (b, c): Quy tr×nh thu biovit

kÕt tña

biovit

CaCl2 NH4OH

tinh chÕ Lo¹i t¹p Ca, Mg T¶y mµu

s¶n phÈm

H×nh 9.3. Quy tr×nh xö lý dÞch lªn men clotetracyclin

131

DÞch lªn men ®−îc c« ch©n kh«ng ®Õn 40% chÊt ®Æc, sau ®ã sÊy phun thu s¶n phÈm. HoÆc dÞch lªn men ®em läc lÊy sinh khèi (Biomaca) vμ sÊy ch©n kh«ng ë nhiÖt ®é ≤ 60°C vμ p = 600 mmHg. Sau ®ã xay thμnh bét, x¸c ®Þnh ho¹t tÝnh kh¸ng sinh cña bét nμy ®Ó ph©n lo¹i s¶n phÈm. Cã çc lo¹i Biovit 80, Biovit 120 hay Biovit 150 (Mçi kg Biovit cã chøa 80, 120 hay 150 g biomyxin vμ 4 mg vitamin B12). 5. Sinh tæng hîp Tetracyclin 5.1. §¹i c−¬ng Tetracyclin ®−îc ph¸t hiÖn lÇn ®Çu vμo n¨m 1953 b»ng ph−¬ng ph¸p khö clo cña clotetracyclin. Sau nμy ng−êi ta t×m thÊy chñng x¹ khuÈn Str. viridifaciens cã kh¶ n¨ng sinh tæng hîp ra tetracycline nh−ng thùc tÕ trong s¶n xuÊt sö dông chñng Str. aureofaciens trong ®iÒu kiÖn nu«i cÊy ®Æc biÖt (cã bæ sung çc chÊt øc chÕ qu¸ tr×nh Clo ho¸). Tetracyclin base lμ bét kÕt tinh vμng sÉm, Ýt tan trong n−íc vμ dung m«i h÷u c¬. D¹ng base nμy kh«ng bÒn nªn thùc tÕ s¶n xuÊt tetracyclin clohydrat lμ bét vμng s¸ng tan trong n−íc võa bÒn v÷ng, võa dÔ sö dông. 5.2. Quy tr×nh lªn men §iÒu kiÖn vμ ®Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh lªn men t¹o tetracyclin bëi chñng Str. aureofaciens gÇn gièng víi lªn men t¹o clotetracyclin. Tuy nhiªn ®iÓm kh¸c biÖt quan träng nhÊt lμ thμnh phÇn m«i tr−êng nu«i cÊy. Dùa vμo thμnh phÇn m«i tr−êng cung cÊp cho x¹ khuÈn mμ ng−êi ta cã thÓ ®Þnh h−íng ®−îc s¶n phÈm cuèi cïng cña qu¸ tr×nh lªn men. Str.aureofaciens trong ®iÒu kiÖn nu«i cÊy b×nh th−êng t¹o ra clotetracyclin; nh−ng khi nu«i d−ìng trong ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt cã chÊt øc chÕ qu¸ tr×nh clo ho¸ x¹ khuÈn sÏ t¹o ra chñ yÕu tetracyclin. §Ó n©ng cao hiÖu suÊt sinh tæng hîp tetracyclin ph¶i lo¹i nh÷ng vÕt Cl– ra khái m«i tr−êng. Trong phßng thÝ nghiÖm ®Ó lo¹i ion Cl– cã thÓ dïng muèi b¹c, tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p nμy kh«ng thùc tÕ. HiÖn nay ng−êi ta dïng nh÷ng chÊt øc chÕ qu¸ tr×nh clo ho¸ nh− brom, iod, thiocyanid... Tuy nhiªn nÕu t¨ng hμm l−îng bromid trong m«i tr−êng x¹ khuÈn sÏ tæng hîp ra c¶ 7 – bromtetracyclin vμ øc chÕ sinh tæng hîp tetracyclin. V× vËy ngoμi NaBr cßn cho thªm çc chÊt øc chÕ qu¸ tr×nh clo ho¸ kh¸c nh− 2-mercaptobenzothiazol, 2 - thiouracyl, dÉn chÊt cña acid dithiocarbamic ... C¬ chÕ t¸c dông cña çc chÊt nμy ch−a ®−îc râ v× chóng kh«ng cã t¸c dông c¹nh tranh víi ion clo, cã thÓ sù cã mÆt cña nhãm sulfuhydryl (-SH) cã t¸c dông kÝch thÝch ph¶n øng oxy ho¸ khö lμm lo¹i Cl ra khái ph©n tö kh¸ng sinh. Thμnh phÇn m«i tr−êng lªn men (%): Bét ng« 132

10,0

Cao ng«

0,5

NaBr

0,2

Benzylthiocyanid (C6H5CH2-SCN)

0,0001

2-mercaptobenzothiazol

0,001

CaCO3

0,5

DÇu ph¸ bät

theo nhu cÇu

pH sau khö trïng

6,8 – 7,2

NhiÖt ®é nu«i cÊy

28OC

Thêi gian lªn men

120 giê – 144 giê

Cung cÊp khÝ v« trïng

0,8 – 1 VVM

5.3. Qui tr×nh chiÕt xuÊt tetracyclin Còng nh− c¸c kh¸ng sinh kh¸c thuéc nhãm nμy, tetracyclin cã thÓ ®−îc chiÕt b»ng c¶ 3 ph−¬ng ph¸p. ë ®©y giíi thiÖu ph−¬ng ph¸p chiÕt b»ng dung m«i h÷u c¬: DÞch lªn men xong, b¬m vμo thïng chøa, h¹ nhiÖt ®é xuèng 15°C. Thªm acid oxalic vμ h¹ pH = 2,5 – 3,0. Thªm Na2CO3 khuÊy pH = 3,5. Thªm K4Fe(CN)6 khuÊy tiÕp 15 phót ®Ó lo¹i s¾t. LÊy mÉu ph©n tÝch Ca++ vμ Fe++: yªu cÇu Ca++ ≤ 0,4 - 0,6 g/lÝt. Fe++ kh«ng cã. Trong thiÕt bÞ chiÕt thªm hçn hîp isooctanol cã chøa 1,5 - 2,5% acid oleic tØ lÖ dung m«i/dung dÞch kh¸ng sinh lμ 1 : 3 - 1 : 4, thªm NH4OH 5% vμo vμ khuÊy pH = 9 - 9,5. Tetracyclin chuyÓn sang dung m«i, dÞch th¶i chuyÓn vÒ ph©n x−ëng thu håi dung m«i. DÞch chiÕt isooctanol b¬m vμo thiÕt bÞ chøa cïng víi acid oxalic (dung dÞch 5%) thªm vμo víi l−îng 0,5 - 0,6% theo tØ lÖ dÞch kh¸ng sinh. T¹i ®©y sÏ lo¹i ®i Ca++ vμ c¸c kim lo¹i kh¸c d¹ng oxalat. Ly t©m lo¹i oxalat. TÈy mμu b»ng than ho¹t 0,25 0,3%. Sau khi läc lo¹i than trªn läc hót ch©n kh«ng th× kÕt tinh tetracyclin base b»ng dung dÞch NH4OH 10%. KhuÊy ®Ó kÕt tinh ë nhiÖt ®é 15°C vμ pH 3,9 - 4,5. Ly t©m thu s¶n phÈm vμ sÊy kh« b»ng m¸y sÊy tÇng s«i. HiÖu suÊt chiÕt ®¹t 70 – 75%. Trªn thùc tÕ, tetracyclin kh«ng bÒn v÷ng, Ýt hoμ tan trong n−íc nªn khã sö dông. V× vËy th−êng chÕ t¹o d¹ng muèi clohydrat tetracyclin bÒn v÷ng h¬n (cã d¹ng viªn nÐn). T¹i bé m«n C«ng nghiÖp D−îc, Tr−êng §¹i häc D−îc Hμ Néi lμm nh− sau: Trong nåi ph¶n øng cã m¸y khuÊy ®æ 30 lÝt butanol vμ 4 kg tetracyclin base vμo khuÊy liªn tôc vμ thªm 0,6 lÝt acid clohydric ®Æc. KhuÊy ®Õn tan hÕt, h¹ nhiÖt ®é xuèng 5°C gi÷ 1 giê - läc lo¹i tña nÕu cã. NÕu ®Ó chÕ t¹o tetracyclin clohydrat tiªm ph¶i läc qua läc Seizt. DÞch läc ®−îc kÕt tinh trong thiÕt bÞ thuû tinh hay tr¸ng men khi n©ng nhiÖt ®é lªn 40°C. Läc hoÆc ly t©m lÊy tinh thÓ. Röa tinh thÓ b»ng aceton ®Ó lo¹i butanol. SÊy ch©n kh«ng ≤ 40°C. 133

HiÖu suÊt chÕ t¹o clohydrat tetracyclin ®¹t 90%. dÞch lªn men H¹ xuèng 15oC

acid hãa pH = 2,5 - 3,0

lo¹i t¹p acid oxalic K4FeCN6

läc

ChiÕt isooctanol chøa a.oleic chØnh pH 9 - 9,5

t¶y mμu, lo¹i t¹p Lo¹i Ca, Mg T¶y mµu = than ho¹t

läc

kÕt tña NH4OH 10%

läc, ly t©m

sÊy tÇng s«i

kiÓm nghiÖm

tetracyclin base

butanol HCl ®Æc 40oC

tetracyclin HCl

H×nh 9.4. Quy tr×nh chiÕt tetracyclin b»ng dung m«i h÷u c¬

6. Sinh tæng hîp Oxytetracyclin Oxytetracyclin ®−îc ph¸t hiÖn lÇn ®Çu vμo n¨m 1950 trong m«i tr−êng nu«i cÊy Str. rimosus. Giai ®o¹n ®Çu kh¸ng sinh nμy ®−îc sö dông cho ng−êi ë d¹ng dihydrat hay muèi clohydrat víi c¸c biÖt d−îc Abbocin, Clinimycin, Berkmycen, Imperacin, Oxymycin. HiÖn nay oxytetracyclin chñ yÕu ®−îc dïng trong thó y vμ ch¨n nu«i víi c¸c s¶n phÈm mang tªn teravit, terramycin, biostat. Oxytetracyclin base lμ bét kÕt tinh mμu vμng, kh«ng mïi, vÞ ®¾ng. 134

6.1. Chñng gièng Trong c«ng nghiÖp sö dông Str. rimosus. Ngoμi ra c¸c chñng Str. griseoflavus, Str. armilatus còng sinh oxytetracyclin. M«i tr−êng lªn men (%): Bét ng«

6,0

Cao ng«

0,5

(NH4)2SO4

0,6

CaCO3

0,6

CoCl2.6H2O

0,01

pH sau khö trïng

6,8 – 7,0

NhiÖt ®é nu«i cÊy

28OC

Thêi gian lªn men

120 giê – 144 giê

Cung cÊp khÝ v« trïng: 0,8 – 1 thÓ tÝch kh«ng khÝ/1 thÓ tÝch m«i tr−êng/ phót, ¸p suÊt nåi lªn men: 0,3 – 0,4 at. 6.2. §iÒu kiÖn lªn men Trong ®iÒu kiÖn nu«i cÊy ch×m vμ khuÊy trén cã cÊp khÝ, gièng x¹ khuÈn Str. rimosus ph¸t triÓn chËm h¬n so víi Str. aureofacience. Tuy nhiªn tèc ®é sö dông chÊt bÐo ë Str. rimosus nhanh h¬n ë Str. aureofacience, do ®ã qu¸ tr×nh lªn men t¹o oxytetracyclin cÇn nhiÒu dÇu ph¸ bät h¬n ®èi víi lªn men t¹o tetracyclin vμ clotetracyclin. TiÕn hμnh lªn men ë 28OC, cÊp khÝ víi l−u l−îng 1VVM. Thêi gian lªn men tõ 120 giê – 144 giê. Qu¸ tr×nh lªn men oxytetracyclin x¶y ra theo 2 pha: trong 60 giê ®Çu x¹ khuÈn ph¸t triÓn rÊt m¹nh. Tõ giê thø 60 trë ®i b¾t ®Çu pha thø 2. KhuÈn ty ®øt ra l¹i n¶y mÇm t¹o thμnh hÖ khuÈn ty thø cÊp m¶nh h¬n. §©y lμ pha sinh tæng hîp ra kh¸ng sinh. Trong qu¸ tr×nh nμy cÇn theo dâi chÆt chÏ c¸c th«ng sè nh− pH, tèc ®é t¹o bät, nång ®é ®−êng… ®Ó bæ sung kÞp thêi. 6.3. Ph−¬ng ph¸p chiÕt xuÊt kh¸ng sinh §Ó chiÕt xuÊt oxytetracyclin tèt nhÊt lμ dïng ph−¬ng ph¸p kÕt tña. Tuy nhiªn ë ®©y giíi thiÖu quy tr×nh chiÕt oxytetracyclin b»ng ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion. Quy tr×nh chiÕt bao gåm c¸c b−íc sau: T¹o dÞch läc chøa kh¸ng sinh: DÞch lªn men ®−îc h¹ nhiÖt ®é xuèng 15OC. Thªm K4Fe(CN)6 10% (kho¶ng 3 lÝt/m3) ®Ó lo¹i s¾t. Thªm acid oxalic (kho¶ng 5 kg/m3) vμ khuÊy ®Õn pH = 1,9 – 2,0 ®Ó lo¹i ion Ca++. Thªm dÇn Na2CO3 vμ khuÊy cho ®Õn khi ®¹t pH = 3,0 - 3,2 vμ khuÊy tiÕp 15 phót. LÊy mÉu ph©n tÝch Ca++ vμ Fe++ (yªu cÇu Ca++ ≤ 0,4 – 0,6 135

g/l; Fe++ kh«ng cã). DÞch ®−îc ®em läc b»ng läc trèng quay hay Ðp khung b¶n. DÞch läc tinh khiÕt ®em hÊp phô trªn cét chøa nhùa trao ®æi ion. HÊp phô trªn nhùa: DÞch chøa kh¸ng sinh ®−îc lμm l¹nh xuèng 7 – 8OC. B¬m qua läc chøa b«ng thuû tinh ®Ó lo¹i protein vμ c¸c t¹p kh¸c. DÞch läc trong suèt ®−îc b¬m qua cét trao ®æi ion (cét ®−îc coi lμ b·o hoμ kh¸ng sinh khi dÞch ®i qua läc cßn chøa ≤ 200 ®¬n vÞ/ml. Röa cét b»ng n−íc cÊt. Trong dung dÞch acid xuÊt hiÖn cation tetracyclin cã thÓ thay thÕ c¸c cation hydro cña ph©n tö nhùa. +

- + SO3 H +

NH (CH3)2 OH

SO3

NH (CH3)2

Ph¶n hÊp phô: Dïng dung dÞch ®Öm borat amoni cã pH = 9,6 – 10. Th−êng dïng dung dÞch NH4OH 0,3N råi thªm acid boric ®Ó ®¹t nång ®é NH4OH 0,25N. Tèc ®é ph¶n hÊp phô kho¶ng 600 l/giê. Kh¸ng sinh chuyÓn vμo dung dÞch d−íi d¹ng anion +

R SO3

NH (CH3)2

+ 2NH4OH

RSO3 NH4

NH (CH3)2 O

NH4

+ 2H2O

§Ó ph¶n hÊp phô oxytetracyclin cÇn l−îng amoniac sao cho kh«ng chØ thay thÕ c¸c cation kh¸ng sinh trªn nhùa mμ cßn ®ñ ®Ó hoμ tan oxytetracyclin ®−îc ®Èy ra. Ph©n ®o¹n ®Çu vμ cuèi ®Ó riªng ®Ó hÊp phô l¹i; ph©n ®o¹n gi÷a ®em kÕt tinh. KÕt tinh Oxytetracyclin base: Trong nåi ph¶n øng cã m¸y khuÊy, dÞch ph¶n hÊp phô ®−îc acid ho¸ b»ng HCl ®Õn pH = 5 – 5,5. §Ó kÕt tinh 2 giê ë 10OC. Ly t©m lÊy tinh thÓ. Tinh chÕ: Hoμ tan oxytetracyclin base trong HCl 0,1N. TÈy mμu b»ng than ho¹t. Läc lo¹i than ®−îc dÞch läc chøa oxytetracyclin tõ 30 – 40 g/l. Dïng dung dÞch NH4OH 10N chØnh dÞch läc ®Õn pH 3,8 – 4 ®Ó kÕt tinh ë 10OC trong 2 giê. Sau ®ã ly t©m lÊy tinh thÓ. SÊy ch©n kh«ng ë nhiÖt ®é ≤ 60OC hoÆc sÊy tÇng s«i. Thμnh phÈm ®¹t kho¶ng 900 UI/mg. Hoμn nguyªn nhùa: Ph−¬ng tr×nh hoμn nguyªn nhùa nh− sau:

136

R SO3 NH4

+ NaOH

RSO3 Na

HCl

RSO3 Na

NH4OH

NaCl

Cho dung dÞch NaOH 3N ch¶y qua cét víi tèc ®é 300 l/giê. Röa cét b»ng n−íc ®· lo¹i ion ®Õn khi dÞch ch¶y ra cã pH = 8 – 9,0. Sau ®ã cho dung dÞch HCl 1N ch¶y qua cét víi tèc ®é 400 l/giê ®Õn khi pH cña dÞch ch¶y ra ®¹t 2 – 2,5 lμ ®−îc. dÞch lªn men to = 15oC

acid hãa pH = 2,5 - 3,0

lo¹i t¹p acid oxalic K4FeCN6

läc

hÊp phô Nhùa sulfocationit to = 8oC

ph¶n hÊp phô §Öm borat amoni pH = 9,6 -10,0

kÕt tinh dd HCl pH = 5,0 - 5,5

läc, ly t©m

tinh chÕ

s¶n phÈm

H×nh 9.5. C¸c c«ng ®o¹n chiÕt oxytetracyclin b»ng dung m«i h÷u c¬

137

7. S¶n xuÊt mét sè Tetracyclin b¸n tæng hîp Do çc nh−îc ®iÓm vÒ ®éc tÝnh cña çc tetracyclin tù nhiªn nh− ®· tr×nh bμy ë trªn, ng−êi ta ®· t×m çch t¹o ra çc kh¸ng sinh míi cña nhãm nμy. Xu h−íng t¹o çc tetracyclin tù nhiªn míi b»ng çch thay ®æi çc tiÒn chÊt hoÆc ®Þnh h−íng sinh tæng hîp (VD: t¹o bromtetracyclin b»ng çch cung cÊp ion brom thay cho clo; hoÆc t¹o çc 6-demetyl cña tetracyclin, clotetracyclin hay oxytetracyclin b»ng çch thªm vμo m«i tr−êng çc chÊt øc chÕ qu¸ tr×nh metyl ho¸ nh− dÉn suÊt sulfonamit…) ch−a ®em l¹i kÕt qu¶ kh¶ quan. HiÖn nay çc kh¸ng sinh tù nhiªn cña nhãm Tetracyclin chñ yÕu chØ ®−îc dïng trong ngμnh ch¨n nu«i, mét phÇn trë thμnh nguyªn liÖu trung gian b¸n tæng hîp ra çc tetracyclin míi. Cã kho¶ng trªn 3.000 chÊt kh¸ng sinh b¸n tæng hîp nhãm tetracyclin ®· ®−îc c«ng bè, tuy nhiªn chØ mét sè Ýt trong chóng ®−îc sö dông trong ®iÒu trÞ v× t¸c dông phô (nhÊt lμ ®èi víi trÎ em). Nhãm çc tetracyclin b¸n tæng hîp ®−îc chia thμnh 2 lo¹i: 7.1. Çc kh¸ng sinh lμ dÉn xuÊt amid Tõ tetracyclin ng−êi ta cho ph¶n øng víi formaldehyd vμ mét amid t−¬ng øng th× sÏ t¹o nªn mét kh¸ng sinh míi nh− rolitetracyclin (1958), limecyclin hoÆc mepicyclin. Çc kh¸ng sinh nμy cã tÝnh tan trong n−íc tèt h¬n. HO

CH3

H3C

CH3

H3C

CH3

OH N H

NH2 OH

CH2OH

NH OH

Rolitetracyclin

Tetracyclin

Ph¶n øng t¹o Rolitetracyclin

7.2. C¸c kh¸ng sinh ®−îc thay thÕ c¸c nhãm chøc ë vÞ trÝ sè 6 vμ 7 §¹i diÖn tiªu biÓu cña nhãm nμy lμ 3 kh¸ng sinh: methacyclin (1960), Doxycyclin (1962) vμ minocyclin (1967). Methacyclin ®−îc b¸n tæng hîp tõ 6-deoxy-oxytetracyclin theo s¬ ®å sau: CH3

CH3 H3C OH N OH

CONH2 O

6-deoxy-oxytetracyclin

138

CH2

CONH2 O

Methacyclin

Doxycyclin ®−îc b¸n tæng hîp tõ methacyclin theo s¬ ®å: CH3 H3C OH N

CH2

CH3 H3C OH N

CH3

CONH2 O

Methacyclin

CONH2

Doxycyclin

Minocyclin ®−îc b¸n tæng hîp tõ 6-demethyl-tetracyclin: H3C

CH3

H3C

CONH2 O

CH3

CONH2 O

Minocyclin

6-demethyl-tetracyclin

−u ®iÓm cña c¸c kh¸ng sinh nμy lμ liÒu dïng thÊp h¬n nªn Ýt ®éc h¬n vμ cã t¸c dông kÐo dμi. Trong sè nμy doxycyclin ®−îc sö dông phæ biÕn h¬n c¶ d−íi d¹ng monohydrat hay hyclat.

7 8

CH3 H

OH OH O

N(CH3)2 H OH 3

.H O 2

CONH2

Doxycyclin monohydrat

7 8 9

CH 3 H

N(CH3)2 H

OH 3 2

CONH 2 OH

. HCl . HO . C H OH 1/2

1/2

2 5

OH OH O

Doxycyclin hyclat (Doxycyclin hydrochlorid hemihydrat hemiethanolat)

139

Tù l−îng gi¸ 1. Chñng x¹ khuÈn Str. aureofacience trong ®iÒu kiÖn nμo th× t¹o ra s¶n phÈm clotetracyclin, ®iÒu kiÖn nμo th× t¹o ra tetracyclin? 2. T¹i sao trong chiÕt xuÊt kh¸ng sinh nhãm tetracyclin ph¶i lo¹i t¹p Ca++, Mg++, Fe++? 3. Nªu vai trß cña kh¸ng sinh nhãm tetracyclin trong y häc vμ trong ®êi sèng hiÖn nay?

140

Ch−¬ng 10

s¶n xuÊt kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Nguån gèc c¸c kh¸ng sinh tù nhiªn vμ b¸n tæng hîp nhãm aminoglycosid. 2. Nguyªn t¾c chung trong t×m kiÕm vμ s¶n xuÊt kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid.

1. §¹i c−¬ng chung vÒ çc aminoglycosid 1.1. §¹i c−¬ng, ph©n lo¹i Çc kh¸ng sinh thuéc nhãm aminoglycosid chiÕm vÞ trÝ quan träng thø 2 sau nhãm beta-lactam trong ®iÒu trÞ çc bÖnh nhiÔm trïng. §©y lμ çc kh¸ng sinh cã t¸c dông chñ yÕu trªn çc vi khuÈn hiÕu khÝ, vi khuÈn Gram (-) nh− Pseudomonas, Enterobacter… B¶ng 10.1. Mét sè kh¸ng sinh tiªu biÓu nhãm aminoglycosid Tªn KS Streptomycin

N¨m 1944

Dihydrostrep

Chñng x¹ khuÈn

ThÕ hÖ

§−êng dïng

Str. griseus

Tiªm

b¸n TH tõ streptomycin

Tiªm

Neomycin

1949

Str. fradiae

Ngoµi da, uèng

Kanamycin

1957

Str. kanamyceticus

Tiªm, uèng

Paronomycin

1959

Str. rimosus

Tiªm

Gentamicin

1963

M. purpurea

Tiªm, m¾t

Sisomicin

1970

Micromonospora inyoensis

Tiªm

Netilmicin

1975

b¸n tæng hîp tõ sisomicin

Tiªm

Tobramycin

1975

Str. tenebrarius

Tiªm, m¾t

Amikacin

1976

b¸n tæng hîp tõ kanamycin

Tiªm

141

Çc aminoglycosid phæ biÕn ®−îc ph©n lËp tõ çc chñng x¹ khuÈn Streptomyces hoÆc Micromonospora, ngoμi ra cã mét sè chñng Bacillus còng cã kh¶ n¨ng sinh kh¸ng sinh nhãm nμy. Çc aminoglycosid ®−îc ph©n lËp tõ chñng x¹ khuÈn Streptomyces cã tªn gäi kÕt thóc b»ng -mycin, cßn nh÷ng kh¸ng sinh ®−îc ph©n lËp tõ chñng x¹ khuÈn Micromonospora cã tªn gäi kÕt thóc b»ng -micin. Sè l−îng çc aminoglycosid tù nhiªn lªn tíi h¬n 150 chÊt kh¸ng sinh. Nh÷ng kh¸ng sinh quan träng cña nhãm nμy ph¶i kÓ ®Õn: amikacin, gentamicin, kanamycin, neomycin, streptomycin... Çc aminoglycosid cã thÓ chia thμnh 2 thÕ hÖ dùa trªn ®éc tÝnh vμ phæ kh¸ng khuÈn (b¶ng 10.1). Çc kh¸ng sinh thÕ hÖ I cña nhãm aminoglycosid ngμy nay Ýt ®−îc sö dông do ®éc tÝnh vμ phæ kh¸ng khuÈn kÐm h¬n çc kh¸ng sinh thÕ hÖ II bao gåm çc kh¸ng sinh sinh tæng hîp vμ b¸n tæng hîp nh− gentamicin, tobramycin, amikacin, netilmicin… trong ®ã gentamicin ®−îc sö dông phæ biÕn h¬n c¶. 1.2. CÊu tróc ho¸ häc çc aminoglycosid B¶ng 10.2. Çc aminocyclitol cña kh¸ng sinh Aminocyclitol Tªn nhãm

Kh¸ng sinh tiªu biÓu

CÊu tróc

Streptidin

NH2 C

Streptomycin NH

Dihydrostreptomycin

NH OH HO

Bluesin

NH2 C

NH C

NH2

Bluensomycin NH

NH OH HO HO

O NH

NH2

Neomycin

2-deoxy streptamin

Paromomycin

NH2

Kanamycin NH2

HO HO

Gentamicin Sisomicin Apramycin Tobramycin…

142

Actinamin

Spectinomycin HO H3CHN

O OH

Kasugamicin

NHCH3

Validomycin Hygromycin Destomycin

PhÇn lín çc chñng vi sinh vËt sinh tæng hîp kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid trong qu¸ tr×nh sinh tæng hîp cã kh¶ n¨ng t¹o ra ®ång thêi nhiÒu chÊt cã cÊu tróc rÊt gÇn nhau nh− chñng Str. fradiae sinh tæng hîp ®ång thêi neomycin A, B vμ C; chñng Micromonospora purpurea sinh tæng hîp ®ång thêi çc gentamicin C1, C1a vμ C2… VÒ cÊu tróc çc aminoglycosid lμ mét hä gåm rÊt nhiÒu chÊt kh¸ng sinh kh¸c nhau cã cÊu tróc ph©n tö gåm 2 thμnh phÇn chÝnh lμ çc nhãm amin liªn kÕt víi gèc glycosid. Theo ®Æc ®iÓm cÊu tróc ho¸ häc cã thÓ ph©n lo¹i çc aminoglycosid dùa theo nhãm aminocyclitol cña chóng: Nhãm kh¸ng sinh chøa 2-deoxystreptamin cßn ®−îc chia thμnh 2 ph©n nhãm nhá víi çc ph©n tö ®−êng ®−îc g¾n ë vÞ trÝ sè 4 vμ 5 (®¹i diÖn lμ neomycin) vμ çc ph©n tö ®−êng ®−îc g¾n ë vÞ trÝ sè 4 vμ 6 (®¹i diÖn lμ kanamycin, gentamicin). Nhãm chøa actinamin cßn cã tªn gäi lμ nhãm chøa çc acid amin kh¸c nhau: gåm spectinomycin, kasugamicin, validomycin, hygromycin, destomycin. Trong sè nμy chØ cã spectinomycin ®−îc sö dông trong y häc, çc kh¸ng sinh cßn l¹i chñ yÕu sö dông trong n«ng nghiÖp vμ ch¨n nu«i ®Ó trÞ bÖnh cho c©y trång vμ gia sóc. 1.3. TÝnh chÊt ho¸ häc chung vμ c¬ chÕ t¸c dông PhÇn lín aminoglycosid dÔ tan trong n−íc, phæ kh¸ng khuÈn réng, bÒn víi nhiÖt vμ pH. HÇu hÕt kh¸ng sinh nhãm nμy ®−îc sö dông chñ yÕu ë d¹ng tiªm hoÆc thuèc dïng t¹i chç, rÊt h·n h÷u cã d¹ng uèng. ChØ riªng neomycin ®−îc dïng ®−êng uèng trong ®iÒu trÞ bÖnh nhiÔm khuÈn n·o vμ gan v× ®éc tÝnh cao. Hai ph¶n øng cã h¹i chñ yÕu cña çc kh¸ng sinh aminoglycosid lμ ®éc cho c¬ quan thÝnh gi¸c vμ thËn kh«ng håi phôc khi dïng kÐo dμi (nhÊt lμ streptomycin vμ neomycin), chñ yÕu lμ ë èc tai (neomycin) vμ tiÒn ®×nh (streptomycin). C¬ chÕ t¸c dông cña çc aminoglycosid lμ g¾n kÕt v÷ng ch¾c víi mét trong hai vÞ trÝ g¾n aminoglycosid trªn tiÓu ph©n 30S cña ribosom, kÕt qu¶ lμ thuèc øc chÕ tæng hîp protein cña vi khuÈn. Çc aminoglycosid hoμn toμn kh«ng cã t¸c dông trªn çc vi khuÈn kþ khÝ, nÊm vμ virus. KÓ tõ khi xuÊt hiÖn çc penicillin b¸n tæng hîp vμ çc tetracyclin vÞ trÝ cña çc kh¸ng sinh nhãm aminoglicosid trë nªn Ýt cã ý nghÜa h¬n. Tuy nhiªn −u ®iÓm cña çc kh¸ng sinh aminoglicosid lμ gi¸ thμnh rÎ nªn 143

thÝch hîp víi çc n−íc kinh tÕ cßn nghÌo. Ngμy nay çc kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid ®−îc coi lμ çc chÊt kh¸ng sinh dù tr÷, chØ ®−îc sö dông chñ yÕu khi çc kh¸ng sinh kh¸c kh«ng mang l¹i hiÖu qu¶. Mét sè kh¸ng sinh nhãm nμy ®−îc sö dông trong n«ng nghiÖp nh− ë NhËt sö dông kasugamicin ®Ó trÞ bÖnh vμng lôi cho lóa do chñng Piricularia oryzae g©y ra; çc kh¸ng sinh kh¸c ®−îc sö dông ch÷a bÖnh cho gia sóc nh− hygromycin ®−îc sinh tæng hîp tõ chñng S. hygroscopios, destomycin ®−îc sinh tæng hîp tõ chñng S. rimofaciens, validomycin ®−îc sinh tæng hîp tõ chñng S. hygroscopicus… 1.4. C¬ chÕ sinh tæng hîp NH2 HN C

NH2

HN C

NH2

(c)

OdTDP OH

CH2OH

H3C

CH2OH

OH O

CH2OH NH2 OH

OH OH

NH2

(b) H3C

(a)

NH2

CH2OH

Demetyldihydro-streptomycin

NH2

HN C

NH2 C NH

NH2

ONuDP OH O

CHO

H3C

OH OH

O CH2OH CH3NH

Streptomycin O

H×nh 10.1. C¬ chÕ sinh tæng hîp streptomycin tõ streptidin ®· ®−îc phosphoryl ho¸ (a), dTDP-L-dihydrostreptose (b) vµ N-metyl-glucosamin (c) NuDP: nucleotiddiphosphat dTDP: dezoxythimydindiphosphat

144

Do cÊu tróc hÕt søc ®a d¹ng vμ kh¸c nhau, trong qu¸ tr×nh sinh tæng hîp çc nhãm chÊt aminoglycosid sÏ tr¶i qua çc m¾t xÝch trung gian vμ cÇn çc t¸c nh©n c¶m øng hay kiÒm chÕ kh¸c nhau. ë Str. Griseus, dihydrostreptomycin-6phosphat vμ streptomycin ®−îc h×nh thμnh ë giai ®o¹n cuèi nhê ph¶n øng kÕt hîp gi÷a 3 cÊu tö: streptidin ®· ®−îc phosphoryl ho¸, dTDP-L-dihydrostreptose vμ N-metyl-glucozamin (h×nh 10.1). Tõ nguån c¬ chÊt glucose, b»ng çch sö dông çc biÕn chñng vμ ¸p dông çc chÕ ®é c«ng nghÖ t−¬ng øng kh¸c nhau ng−êi ta ®· lªn men ®−îc hμng lo¹t çc aminoglycosid kh¸c nhau. 1.5. Qu¸ tr×nh t¸ch chiÕt s¶n phÈm Çc kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid ®Òu lμ nh÷ng chÊt cã tÝnh base yÕu, t−¬ng ®èi bÒn víi nhiÖt, víi pH, tuy nhiªn trong m«i tr−êng lªn men th−êng tån t¹i ®ång thêi mét hä gåm nhiÒu kh¸ng sinh cã cÊu tróc gÇn gièng nhau víi ho¹t tÝnh kh¸ng sinh kh¸c nhau. Do ®ã trong c«ng nghiÖp ng−êi ta th−êng lùa chän ph−¬ng ph¸p s¾c ký b»ng nhùa trao ®æi ion ®Ó t¸ch vμ tinh chÕ s¶n phÈm. Trong çc c«ng ®o¹n t¸ch ®Çu tiªn ng−êi ta th−êng sö dông cationit, sau ®ã tuú thuéc vμo lo¹i aminoglycosid cÇn t¸ch mμ ng−êi ta chän çc lo¹i nhùa kh¸c nhau. Çc chÊt mang th−êng ®−îc lùa chän lμ carboxymethylcellulose (CMC), CM-sepharose, sephadex, phospho-cellulose, sulfoethylcellulose… Mét sè cationit b¸n trªn thÞ tr−êng hay ®−îc sö dông lμ Amberlit IR-120, Amberlit IRC-50, Diaion SK-1B, Diaion PK-204, Dowex 44, Dowex 50W X2, Duolite C-3, Duolite ES-26… 2. Sinh tæng hîp Streptomycin 2.1. §¹i c−¬ng Streptomycin ®Æc biÖt cã t¸c dông trªn trùc khuÈn lao (Mycobacterium tubeculosis) vμ ®−îc ph¸t hiÖn lÇn ®Çu tiªn vμo th¸ng 4 n¨m 1944 do Waksman S. A vμ céng sù chiÕt ®−îc tõ m«i tr−êng nu«i cÊy Streptomyces griseus. §©y lμ mét mèc quan träng trong lÞch sö y häc v× ®ã lμ chÊt kh¸ng sinh ®Çu tiªn cã kh¶ n¨ng khèng chÕ ®−îc bÖnh lao. MÆc dï cã nh−îc ®iÓm lμ ®éc tÝnh cao trªn c¬ H×nh 10.2. Nhµ b¸c häc quan thÝnh gi¸c nÕu dïng l©u, song streptomycin vÉn Selman Abraham lμ kh¸ng sinh ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu trÞ lao kÕt hîp Waksman (1888 – 1973) víi mét sè thuèc kh¸c cã hiÖu qu¶. HiÖn nay ë çc n−íc ph¸t triÓn streptomycin ®· ®−îc thay thÕ b»ng mét sè kh¸ng sinh b¸n tæng hîp kh¸c v× mét mÆt streptomycin g©y tæn th−¬ng cho c¬ quan thÝnh gi¸c, mÆt kh¸c ngμy cμng cã nhiÒu vi khuÈn cã kh¶ n¨ng kh¸ng l¹i streptomycin. Mét sè chñng x¹ khuÈn ®−îc sö dông ®Ó sinh tæng hîp streptomycin lμ: Str. reticuli, Str. bikiniensis, Str. raneus, Str. humidus, 145

Str. griseocarneus. Tuy nhiªn trong c«ng nghiÖp chñ yÕu ng−êi ta sö dông mét sè biÕn chñng Str. griseus cã kh¶ n¨ng kh¸ng actinophage cao. 2.2. CÊu tróc ho¸ häc vμ tÝnh chÊt C«ng thøc ho¸ häc cña streptomycin ®−îc x¸c ®Þnh tõ nh÷ng n¨m 1946 – 1948. Ph©n tö streptomycin bao gåm 3 phÇn chÝnh ®−îc liªn kÕt víi nhau b»ng d©y nèi glycosid:

(1)

(2)

(3)

1- Streptidin lµ dÉn chÊt diguanidin cña meso - inosid 2- Streptose lµ lo¹i ®−êng L cã chøa nhãm aldehyd ë C3 3- Metyl glucosamin lµ ®−êng lo¹i L cã chøa nhãm metylamin ë C2. Hai phÇn sau liªn kÕt víi nhau b»ng d©y nèi glycosid t¹o ra ph©n tö gåm hai lo¹i ®−êng ®−îc gäi lµ streptobiosamin.

Streptomycin chØ cã ho¹t tÝnh khi ph©n tö cßn nguyªn vÑn. NÕu c¾t bá phÇn nμo trong ph©n tö ®Òu lμm kh¸ng sinh mÊt t¸c dông. Tuy nhiªn nÕu khö nhãm aldehyd (b»ng H2/Pd) thμnh nhãm alcol t¹o ra dihydrostreptomycin l¹i cã t¸c dông m¹nh trªn trùc khuÈn lao nªn dihydrostreptomycin ®−îc sö dông ®iÒu trÞ lao. Tuy nhiªn sau nμy ng−êi ta nhËn thÊy dihydrostreptomycin tuy Ýt ®éc h¬n streptomycin nh−ng l¹i dÔ g©y ®iÕc h¬n nªn hiÖn nay kh«ng sö dông n÷a. Streptomycin lμ bét tr¾ng, kh«ng mïi, vÞ ®¾ng, hót Èm m¹nh. DÔ tan trong n−íc do cã nhiÒu nhãm hydroxyl vμ amin, Ýt tan trong etanol, kh«ng tan trong ete vμ cloroform. §−îc sö dông nhiÒu h¬n c¶ lμ d¹ng muèi sulfat. D¹ng muèi nμy bÒn trong kh«ng khÝ vμ ¸nh s¸ng. Streptomycin kh«ng hÊp thu qua ®−êng ruét nªn dïng ®Ó tiªm b¾p. Cã t¸c dông diÖt khuÈn b»ng c¸ch ng¨n c¶n qu¸ tr×nh tæng hîp protein cña vi 146

khuÈn. Phæ kh¸ng khuÈn cña streptomycin gåm çc vi khuÈn Gram (-) hiÕu khÝ vμ mét sè vi khuÈn Gram (+), streptomycin kh«ng cã t¸c dông trªn çc vi khuÈn kþ khÝ. 2.3. Quy tr×nh lªn men sinh tæng hîp 2.3.1. Chñng gièng Trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp ng−êi ta sö dông çc biÕn chñng cña Streptomyces griseus nh− ATCC11429. X¹ khuÈn S. griseus lμ vi sinh vËt hiÕu khÝ m¹nh nªn qu¸ tr×nh nu«i cÊy cÇn l¾c hoÆc khuÊy trén kÌm theo sôc khÝ. NhiÖt ®é nu«i cÊy thÝch hîp tõ 26 – 28OC. pH tèi −u cho sù ph¸t triÓn lμ 6,8 – 7,2. Thêi gian lªn men kho¶ng 96 – 120 giê – 144 giê. 2.3.2. §iÒu kiÖn lªn men Nguån carbon: Nguån hydratcarbon Str. griseus ®ång ho¸ ®−îc lμ tinh bét, dextrin, maltose, fructose… Chñ yÕu sö dông tinh bét vμ glucose v× c¶ 3 thμnh phÇn cÊu t¹o cña Streptomycin ®Òu cã nguån gèc tõ glucose. Tuy nhiªn ngoμi streptomycin trong m«i tr−êng lªn men cßn t¹o thμnh manosidostreptomycin (hay cßn gäi lμ streptomycin B) cã ho¹t tÝnh kh¸ng sinh yÕu. Khi m«i tr−êng chøa qu¸ nhiÒu glucose th× sÏ t¹o thμnh mét hçn hîp kh«ng mong muèn cña c¶ 2 lo¹i streptomycin. Nguån carbon võa gióp cho vi sinh vËt ph¸t triÓn, cung cÊp n¨ng l−îng cho vi sinh vËt, ®ång thêi tham gia trùc tiÕp vμo ph©n tö kh¸ng sinh streptomycin. Nguån nit¬: Nguån nit¬ v« c¬ thÝch hîp lμ çc muèi amoni vμ kh«ng thÝch hîp víi çc muèi nitrat. Str. griseus cßn cã kh¶ n¨ng sinh tr−ëng vμ t¹o kh¸ng sinh streptomycin trªn m«i tr−êng chøa protein nh− bét ®Ëu t−¬ng, bét ç, men kh«, gluten bét m× v× loμi x¹ khuÈn nμy cã hÖ protease m¹nh nªn cã kh¶ n¨ng ph©n huû çc protein thμnh çc acid amin vμ sö dông çc acid amin nμy trong qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt. Nguån phospho: CÇn phospho v« c¬ hoμ tan cã trong KH2PO4 ®Ó cho gièng sinh tr−ëng vμ ph¸t triÓn b×nh th−êng. ThiÕu phospho hoμ tan th× sinh tr−ëng cña khuÈn ty yÕu do sù ®ång ho¸ carbon vμ nit¬ bÞ chËm vμ ho¹t lùc kh¸ng sinh thÊp. Tuy nhiªn thõa phospho sÏ t¨ng nhanh tèc ®é sö dông hydratcarbon lμm cho qu¸ tr×nh t¹o bμo tö rót ng¾n, do ®ã øc chÕ sù tæng hîp streptomycin. NaCl: Thùc nghiÖm cho thÊy thªm NaCl vμo m«i tr−êng lªn men th× hiÖu suÊt sinh tæng hîp streptomycin t¨ng. Cã lÏ NaCl cã t¸c dông lμm thay ®æi tÝnh thÊm cña thμnh tÕ bμo nªn kh¸ng sinh tiÕt vμo m«i tr−êng dÔ dμng h¬n vμ kh«ng g©y øc chÕ lªn chñng sinh streptomycin. 147

CaCO3: Trong m«i tr−êng nu«i cÊy cÇn cã CaCO3 víi môc ®Ých lμm æn ®Þnh pH. Nguån kim lo¹i vi l−îng: Chñng x¹ khuÈn sinh streptomycin còng cÇn mét sè kim lo¹i nh− Mg, Mn, Fe, Cu… vμ th−êng ®−îc bæ sung d−íi d¹ng muèi sulfat. NÕu m«i tr−êng cã cao ng«, bét ®Ëu, bét l¹c… th× kh«ng cÇn bæ sung v× b¶n th©n çc lo¹i nguyªn liÖu nμy ®· s½n cã çc muèi kim lo¹i. Qu¸ tr×nh lªn men kÐo dμi kho¶ng 120 - 144 giê, nhiÖt ®é thÝch hîp 26 28 C, pH m«i tr−êng 6,8 - 7,2. CÊp khÝ víi l−u l−îng 1 VVM. ë pha ph¸t triÓn thø nhÊt, chñng x¹ khuÈn nμy sinh tr−ëng m¹nh sau 6 - 8 giê. Çc bμo tö n¶y chåi, mçi bμo tö n¶y 1 chåi t¹o thμnh hÖ sîi. KhuÈn ty th¼ng vμ ph©n nh¸nh yÕu, tÕ bμo chÊt −a kiÒm. B−íc sang pha lªn men thø hai qu¸ tr×nh ph¸t triÓn chËm l¹i hÖ sîi kh«ng ph¸t triÓn n÷a mμ b−íc vμo giai ®o¹n tù ph©n ë ngμy thø 3 (kho¶ng 72 giê). Chñng Str. griseus rÊt nh¹y c¶m víi phage, do ®ã qu¸ tr×nh lªn men cÇn gi÷ v« khuÈn rÊt chÆt chÏ vμ cÇn kiÓm tra ®é v« trïng 4 giê/lÇn. O

Trong ®iÒu kiÖn tèi −u hiÖu suÊt sinh tæng hîp t¹o streptomycin cña x¹ khuÈn Str. griseus ®¹t tíi 20.000 – 25.000 ®v/ml m«i tr−êng. C¸c m«i tr−êng sinh tæng hîp cã thμnh phÇn nh− sau: M«i tr−êng gi÷ gièng (%) Glucose

2,0

Pepton

0,5

Cao thÞt

0,5

NaCl

0,5

Agar – agar

2,0

6,8 – 7,2

Khö trïng

115OC trong 20 phót.

NhiÖt ®é nu«i cÊy

28OC

Thêi gian nu«i cÊy

5 –7 ngμy.

148

Glucose

4,0

Bét ®Ëu

3,0

(NH4)2SO4

0,6

NaCl

0,3

CaCO3

0,6

KH2PO4

0,01

DÇu ph¸ bät

0,5

6,8 – 7,2

Khö trïng b»ng h¬i nãng ë 120OC trong 60 phót. Khi m«i tr−êng h¹ nhiÖt ®é xuèng 28 - 30OC th× cÊy gièng vμo víi tû lÖ 0,5 lÝt/600 lÝt m«i tr−êng. Gièng ®−îc nu«i trong vßng 40 – 48 giê ë nhiÖt ®é 28OC. CÊp khÝ v« trïng víi l−u l−îng 1 VVM. M¸y khuÊy víi tèc ®é 110 vßng/phót. Ph¸ bät tù ®éng b»ng dÇu l¹c ®· khö trïng. Gièng ®−îc truyÒn sang nåi nh©n gièng cÊp 2 vμ ®−îc nu«i d−ìng trong ®iÒu kiÖn nh− trªn trong thêi gian 36 – 40 giê. M«i tr−êng lªn men t¹o streptomycin (%) Glucose

4,0

Bét ®Ëu

3,0

(NH4)2SO4

0,6

NaCl

0,25

CaCO3

0,6

KH2PO4

0,01

DÇu ph¸ bät

0,2

6,8 – 7,2

M«i tr−êng ®−îc chuÈn bÞ trong nåi pha chÕ, sau ®ã b¬m qua cét khö trïng liªn tôc ë 134OC. Khi m«i tr−êng h¹ nhiÖt ®é xuèng 28 – 30OC th× truyÒn gièng tõ nåi ñ sang b»ng khÝ nÐn v« trïng. TiÕn hμnh lªn men kh¸ng sinh trong ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é 28OC trong thêi gian 120 – 144 giê. CÊp khÝ v« trïng víi l−u l−îng 0,5 – 1VVM. M¸y khuÊy víi tèc ®é 110 vßng/phót. Ph¸ bät tù ®éng b»ng dÇu l¹c ®· khö trïng. Cø 4 giê lÊy mÉu ph©n tÝch 1 lÇn ®Ó kiÓm tra ®é v« trïng, cã nhiÔm phage hay kh«ng? Cã cÇn bæ sung thμnh phÇn g× vμo m«i tr−êng nu«i cÊy hay kh«ng? CÇn kiÓm so¸t chÆt chÏ hμm l−îng glucose trong m«i tr−êng lªn men ®Ó thu ®−îc chñ yÕu streptomycin A. HiÖn nay ng−êi ta vÉn ch−a x¸c ®Þnh ®−îc tiÒn chÊt trong qu¸ tr×nh sinh tæng hîp streptomycin. 2.4. Quy tr×nh chiÕt xuÊt kh¸ng sinh Streptomycin Streptomycin lμ chÊt kh¸ng sinh cã tÝnh base yÕu nªn cã thÓ sö dông cacboxycationit d¹ng Na+ ®Ó t¸ch chiÕt s¶n phÈm. Qu¸ tr×nh hÊp phô cña Streptomycin trªn cationit cã thÓ biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh: 3R – COO–Na+

+ (Str)3+ R3 (Str.) + 3Na+ 149

DÞch lªn men ®−îc xö lý tr−íc khi t¸ch chiÕt kh¸ng sinh b»ng çch acid ho¸ b»ng dung dÞch H2SO4 30% ®Õn pH 2,5 - 3,0. KhuÊy nhÑ ®Ó cho qu¸ tr×nh kÕt tña tèt h¬n. Läc trªn läc Ðp khung b¶n, hay läc trèng quay lo¹i sinh khèi. KhuÈn ty Str. griseus rÊt m¶nh nªn qu¸ tr×nh läc cÇn cho chÊt trî läc. Kh¶ n¨ng hÊp phô cña streptomycin phô thuéc vμo l−îng t¹p chÊt cã trong dÞch lªn men, ®Æc biÖt lμ çc cation Mg++, Ca++ v× vËy ph¶i lo¹i çc ion ®ã tr−íc khi hÊp phô kh¸ng sinh b»ng çch thªm oxalat natri vμo dÞch läc. KhuÊy 30 phót. Läc lo¹i tña. DÞch läc b¬m vμo thiÕt bÞ chøa vμ h¹ nhiÖt ®é ®Õn 8°C. Thªm 1% formalin ®Ó b¶o qu¶n. Trung tÝnh b»ng NaOH ®Õn pH = 7,0 - 7,5. DÞch ®· tinh chÕ läc qua b«ng thuû tinh råi ®em hÊp phô trªn cét. DÞch läc chøa kh¸ng sinh cho hÊp phô trªn cét víi tèc ®é 800 lÝt/giê. Thêi gian b·o hoμ cét kho¶ng 24 giê. Khi nμo dÞch ch¶y qua cßn kho¶ng 100 ®v/ml th× ngõng. Röa cét b»ng n−íc mÒm ®Ó lo¹i t¹p chÊt h÷u c¬ vμ s¾c tè. HiÖu suÊt giai ®o¹n hÊp phô ®¹t 95%. Ph¶n hÊp phô streptomycin b»ng H2SO4 5%, qu¸ tr×nh ph¶n hÊp phô ®−îc biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh: R3(Strep) + 3H+

3RCOOH + (Strep)3+ dÞch lªn men Lµm l¹nh pH 2,5 - 3 Läc

sinh khèi

läc

DÞch läc Lo¹i Ca, Mg trung hoµ Lo¹i protein Läc

hÊp phô cacboxycationit

ph¶n hÊp phô <50UI/ml 5.000UI/ml

H 2 SO 4 5%

P/®o¹n 2

P/®o¹n 1

60.000UI/ml; pH = 2,0

P/®o¹n 4 500UI/ml, pH = 2,0 95.000UI/ml

P/®o¹n 5

P/®o¹n 3

anionit

+ Na 2 CO 3

streptomycin

H×nh 10.2. Quy tr×nh chiÕt xuÊt vµ tinh chÕ streptomycin

150

Ph©n lo¹i dÞch ph¶n hÊp phô ra c¸c ph©n ®o¹n vμ cã chÕ ®é xö lý kh¸c nhau tuú theo hμm l−îng kh¸ng sinh trong c¸c ph©n ®o¹n ®ã: Ph©n ®o¹n 1: Cho ch¶y vμo èng tho¸t ®Õn khi khi ho¹t tÝnh ®¹t 50 ®v/ml. Ph©n ®o¹n 2: Cã ho¹t tÝnh thÊp, tõ 50 - 20.000 ®v/ml. Ho¹t tÝnh trung b×nh 5000®v/ml vμ cã pH 3,5. §em hÊp phô trë l¹i ®Ó thu håi. Ph©n ®o¹n 3: Cã ho¹t tÝnh cao tõ 20.000 ®v/ml trë lªn. Trung b×nh lμ 95.000 ®v/ml vμ pH = 6,5. Tinh chÕ tiÕp b»ng than ho¹t. Ph©n ®o¹n 4: PhÇn cã ho¹t tÝnh cao vμ pH = 2,0. Ho¹t tÝnh trung b×nh 60.000 ®v/ml ®−îc trung tÝnh ho¸ b»ng anionit d¹ng OH–. Ph©n ®o¹n 5: Ho¹t tÝnh thÊp vμo kho¶ng 500®v/ml vμ pH = 2,0. Trung hoμ b»ng Na2CO3 råi hÊp phô l¹i ®Ó thu håi. Ph©n ®o¹n 3, 4 ®−îc tÈy mμu b»ng than ho¹t víi l−îng 2,5 - 3% (tÝnh theo träng l−îng kh¸ng sinh). Läc lo¹i than. Röa than b»ng n−íc mÒm ®Ó lÊy hÕt kh¸ng sinh. HiÖu suÊt 96% (tÝnh tõ dÞch ®em tÈy mμu). DÞch kh¸ng sinh ®· tÈy mμu cho ch¶y qua cét trao ®æi ion ®Ó lo¹i muèi. Ph−¬ng tr×nh lo¹i muèi nh− sau: R - SO3H + Na+

R – SO3Na+ + H+

Do xuÊt hiÖn ion H+ nªn dung dÞch kh¸ng sinh cã pH acid. DÞch l¹i ®−îc trung tÝnh ho¸ b»ng cét anionit. 2R - NH4OH + SO42-

(RNH3)2SO4 + H+

Dung dÞch streptomycin ®· lo¹i muèi vμ trung tÝnh ho¸ ®−îc bèc h¬i trong ch©n kh«ng ë 740 - 750 mmHg ®Õn ®Ëm ®é 170.000 - 210.000 ®v/ml, sau ®ã phun sÊy ®Ó thu bét streptomycin. §ãng gãi trong ®iÒu kiÖn tuyÖt ®èi v« trïng. 3. Sinh tæng hîp Gentamicin 3.1. §¹i c−¬ng Gentamicin ®−îc ph¸t hiÖn lÇn ®Çu vμo n¨m 1963 trong m«i tr−êng nu«i cÊy chñng x¹ khuÈn Micromonospora purpurea. Cïng víi tobramycin (1975) vμ amikacin (1976), gentamicin cã thÓ ®−îc coi nh− kh¸ng sinh thÕ hÖ 2 cña nhãm aminoglycosid. Gentamicin ®−îc sö dông réng r·i nhÊt trong sè c¸c aminoglycosid v× cã phæ kh¸ng khuÈn réng vμ ®Æc biÖt cã t¸c dông trªn c¸c vi khuÈn Gram (-). 3.2. CÊu tróc ho¸ häc vμ tÝnh chÊt Gentamicin sulfat lμ mét phøc hîp sulfat cña 3 chÊt chñ yÕu cã cÊu tróc gÇn gièng nhau ®−îc gäi lμ gentamicin C1, gentamicin C1a vμ gentamicin C2, 151

ngoμi ra cßn mét phÇn rÊt nhá gentamicin C2a vμ gentamicin C2b. Çc chÊt nμy ®Òu lμ dÉn chÊt cña DOS (2-deoxystreptamin). Gentamicin cã t¸c dông trªn c¶ vi khuÈn Gram (+) vμ Gram (-). Phæ diÖt khuÈn chñ yÕu trªn çc vi khuÈn hiÕu khÝ Gram (-) vμ çc tô cÇu khuÈn, kÓ c¶ çc chñng t¹o ra penicillinase vμ kh¸ng methicillin. Gentamicin kh«ng hÊp thu qua ®−êng tiªu ho¸, ®−îc sö dông d¹ng tiªm tÜnh m¹ch hoÆc tiªm b¾p (th−êng bμo chÕ d¹ng dung dÞch tiªm chøa 2; 10 mg/ml vμ 40; 80; 160 mg/2 ml). Gentamicin th−êng ®−îc dïng phèi hîp víi çc kh¸ng sinh kh¸c (β-lactam) hoÆc cïng víi çc chÊt diÖt khuÈn kh¸c ®Ó më réng phæ t¸c dông vμ t¨ng hiÖu lùc

B¶ng 10.3. CÊu tróc ho¸ häc cña gentamicin theo D−îc ®iÓn Anh BP 2003 Tªn gentamicin

Thµnh phÇn %

C«ng thøc cÊu t¹o

20 - 35

C21H43N5O7

CH3

NH2CH3

C1a

10 - 30

C19H39N5O7

NH2

C20H41N5O7

CH3

NH2

C20H41N5O7

NH2

CH3

C20H41N5O7

CH3

NH2

C2 C2a

40 - 60

C2b

3.3. Quy tr×nh lªn men sinh tæng hîp 3.3.1. Chñng gièng Gentamicin do mét sè chñng x¹ khuÈn thuéc chi Micromonospora t¹o ra. Trong thùc tÕ chñng M. purpurea var. nigrecens vμ M. echinospora lμ nh÷ng chñng quan träng nhÊt ®−îc øng dông vμo s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. M. purpurea var. nigrecens lμ chñng vi sinh vËt hiÕu khÝ, kh«ng hoÆc rÊt Ýt t¹o bμo tö, do ®ã gièng cÇn gi÷ trong ®iÒu kiÖn l¹nh s©u tíi -20 ®Õn -30OC. 152

Micromonospora hÇu nh− chØ cã khuÈn ty c¬ chÊt ph©n nh¸nh, kh«ng h×nh thμnh khuÈn ty khÝ sinh. §−êng kÝnh khuÈn ty tõ 0,4 – 0,8mcm. Khi ch−a t¹o bμo tö bÒ mÆt khuÈn l¹c cã mμu vμng s¸ng ®Õn mμu da cam hoÆc n©u ®á tuú thuéc vμo m«i tr−êng vμ ®iÒu kiÖn nu«i cÊy. 3.3.2. Quy tr×nh lªn men M«i tr−êng gi÷ gièng (%): Pepton

0,6

Cao nÊm men

0,3

Cao thÞt

0,15

0,4

Glucose

1,0

(NH4)2SO4

0,35

KH2PO4

0,1

MgSO4.7H2O

0,5

Th¹ch

N−íc m¸y

v®

6,8 – 7,0

NhiÖt ®é nu«i cÊy

28OC

M«i tr−êng lªn men (%):

1,0

Bét ng«

2,5

Bét ®Ëu t−¬ng

1,0

Bét ®Ëu t−¬ng

3,0

Saccharose

1,0

Saccharose

1,0

CaCO3

0,4

CaCO3

0,4

CoCl2.6H2O

0,002

Alpha amylase

0,001

N−íc m¸y

v®

CoCl2.6H2O

0,002

6,8 – 7,0

DÇu ph¸ bät

0,6

NhiÖt ®é nu«i cÊy

28OC

N−íc m¸y

v®

NhiÖt ®é nu«i cÊy

28OC

6,5 – 6,7

Lªn men t¹o gentamicin ®−îc thùc hiÖn theo ph−¬ng ph¸p nu«i cÊy ch×m. Qu¸ tr×nh nμy ®−îc thùc hiÖn theo c¸c b−íc c¬ b¶n: Gièng Æ Ho¹t ho¸ gièng Æ Nh©n gièng c¸c cÊp Æ Lªn men.

153

Gièng th¹ch nghiªng ®−îc ho¹t ho¸ trong m«i tr−êng gi÷ gièng ë 28OC trong 4 -5 ngμy råi cÊy vμo m«i tr−êng nh©n gièng cÊp 1 vμ l¾c 200 – 250 v/ph trong kho¶ng 48 giê, tiÕp tôc nh©n gièng cÊp 2 víi l−îng gièng cÊy truyÒn 2 4% (nÕu trong b×nh nãn) vμ tiÕp tôc nh©n gièng, l−îng gièng cÊy vμo nåi lªn men lμ 10 - 15%. Qu¸ tr×nh lªn men kÐo dμi kho¶ng 96 – 120 giê, nhiÖt ®é thÝch hîp 26 – 28OC, pH m«i tr−êng 6,8 – 7,2. CÊp khÝ víi l−u l−îng 1 VVM. HiÖu suÊt chñng lªn men th−êng kh«ng æn ®Þnh do s¶n phÈm lμ mét hçn hîp nhiÒu lo¹i gentamicin, cã thÓ ®¹t tíi 1500 mcg/ml hoÆc cao h¬n. 3.3.3. ChiÕt xuÊt vμ tinh chÕ DÞch lªn men ®−îc acid ho¸ b»ng acid sulfuric 4N ®Õn pH 2,0 – 2,5 ®Ó gi¶i phãng c¸c kh¸ng sinh b¸m vμo khuÈn ty, bæ sung chÊt trî läc, khuÊy trén råi läc b»ng läc trèng hay läc Ðp khung b¶n lÊy dÞch läc. Trung tÝnh ho¸ dÞch läc b»ng dung dÞch NaOH 40%, lo¹i ion Ca++ b»ng acid oxalic ®Õn pH = 3 – 3,5. KhuÊy trén råi trung tÝnh ho¸ l¹i ®Õn pH = 7,0 – 7,5. Läc lo¹i tña. DÞch läc ®· xö lý ®−îc chiÕt t¸ch kh¸ng sinh b»ng nhùa trao ®æi ion (th−êng sö dông Amberlit IRC50 ®· ®−îc ho¹t ho¸ ë d¹ng R-COO–Na+). Sau khi cét b·o hoμ röa cét b»ng n−íc ®· khö ion, ph¶n hÊp phô kh¸ng sinh b»ng dung dÞch acid sulfuric 4N. Ph©n ®o¹n ®Ëm ®Æc nhÊt ®−îc chØnh vÒ pH = 4,5 b»ng trietylamin, tÈy mμu b»ng than ho¹t. Läc lo¹i than råi dïng methanol tña lÊy s¶n phÈm th« víi tû lÖ dung dÞch kh¸ng sinh: methanol lμ 1:8,5. Läc röa tña th« b»ng methanol vμ aceton, sÊy ch©n kh«ng ë 40OC vμ 30 – 70 mmHg. S¶n phÈm thu ®−îc lμ gentamicin th« ë d¹ng muèi sulfat. Qu¸ tr×nh tinh chÕ gentamicin th« ®−îc tiÕn hμnh nh− sau: Hoμ gentamicin sulfat th« vμo n−íc cÊt, chØnh pH = 7,0 -7,5. TÈy mμu b»ng than ho¹t (kho¶ng 5%). DÞch läc ®−îc ®em s¾c ký trao ®æi ion víi nhùa cationit Amberlit CG50 d¹ng ho¹t ho¸ NH4. Ph¶n hÊp phô b»ng dung dÞch NH4OH 0,3N. LÊy ph©n ®o¹n ®Ëm ®Æc nhÊt. C« ch©n kh«ng. T¶y mμu b»ng than ho¹t. Sau khi läc lo¹i than th× tña kh¸ng sinh b»ng methanol. Röa tña b»ng aceton. Tinh thÓ sÊy kh« trong ch©n kh«ng ë 40OC vμ 30 – 70 mmHg. S¶n phÈm thu ®−îc ®em ®i kiÓm nghiÖm vμ ®ãng gãi.

Tù l−îng gi¸ 1. KÓ tªn c¸c chñng vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh nhãm aminoglycosid. 2. T×m mèi liªn hÖ gi÷a cÊu tróc cña streptomycin víi thμnh phÇn m«i tr−êng lªn men. 3. Nªu quy tr×nh chiÕt xuÊt streptomycin tõ m«i tr−êng lªn men. 4. Nªu tªn chñng vi sinh vËt sinh gentamicin vμ tr×nh bμy quy tr×nh lªn men sinh tæng hîp gentamicin? 154

Ch−¬ng 11

s¶n xuÊt Kh¸ng sinh nhãm Macrolid

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Tªn c¸c chñng vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng sinh kh¸ng sinh nhãm macrolid. 2. Quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt erythromycin.

1. Tæng quan vÒ çc Macrolid Çc Macrolid lμ nh÷ng kh¸ng sinh cã cÊu tróc heterosid mμ phÇn genin lμ mét vßng lacton cã chøa nhiÒu nguyªn tö (th−êng tõ 12 – 17 hoÆc nhiÒu h¬n) vμ ®−îc chia thμnh 2 nhãm chÝnh: nhãm kh¸ng khuÈn vμ nhãm kh¸ng nÊm hay cßn gäi lμ çc polyen. Nhãm macrolid kh¸ng khuÈn bao gåm çc macrolid cã cÊu tróc vßng lacton (chøa tõ 12 - 17 cÊu tö – cßn gäi lμ vßng esther) cã chøa 1 hay nhiÒu ®−êng (deoxy sugar), (th−êng lμ cladinose vμ desosamin). O O

O O

Vßng lacton 14- cÊu tö (erythromycin, oleandomycin, clarithromycin)

Vßng lacton 15- cÊu tö (azithromycin)

Vßng lacton 16- cÊu tö (leucomycin, josamycin, spiramycin, tylosin)

Phæ biÕn nhÊt trong nhãm nμy lμ c¸c kh¸ng sinh chøa vßng lacton 14 cÊu tö bao gåm erythromycin, oleandomycin, troeandomycin vμ roxithromycin. §©y lμ nh÷ng kh¸ng sinh macrolid thÕ hÖ 1. 155

Erythromycin

Oleandomycin

Leucomycin

Josamycin

B B

Spiramycin

H×nh 11.1. S¬ ®å cÊu tróc kh¸ng sinh nhãm macrolid Vßng L: Vßng lacton; Vßng A: ®−êng ®¬n, Vßng B: §−êng chøa gèc amin; C¸c liªn kÕt glycosid kh«ng chØ ra ë ®©y

Çc kh¸ng sinh thuéc nhãm macrolid thÕ hÖ II gåm mét sè kh¸ng sinh b¸n tæng hîp tõ erythromycin nh− azithromycin (chøa vßng lacton 15 cÊu tö ®−îc c«ng bè n¨m 1980 víi biÖt d−îc cña h·ng Pfizer 1991 lμ Zithromax®); vμ clarithromycin (chøa vßng lacton 14 cÊu tö). Nhãm nμy cã phæ kh¸ng khuÈn réng h¬n erythromycin. §−îc xÕp vμo danh s¸ch çc kh¸ng sinh nhãm macrolid thÕ hÖ II cßn bao gåm çc chÊt cã cÊu tróc vßng lacton 16 cÊu tö nh− spiramycin, leucomycin, josamycin, tylosin hay tylocicin. Trong ®ã tylosin chñ yÕu ®−îc sö dông trong thó y. Mét sè kh¸ng sinh macrolid ®−îc xÕp riªng vμo nhãm çc kh¸ng sinh cÊu tróc ketolid hay cßn gäi lμ nhãm macrolid thÕ hÖ 3. §iÓn h×nh cho nhãm nμy lμ telithromycin ®−îc b¸n tæng hîp tõ erythromycin vμo n¨m 1998.

156

B¶ng 11.1. Mét sè kh¸ng sinh nhãm macrolid Tªn

N¨m ph¸t hiÖn

Chñng sinh KS

Nhãm kh¸ng khuÈn Erythromycin

1952

Str. erythreus

Oleandomycin

1954

Str. antibioticus

Azithromycin (Zithromax®)

1980

B¸n tæng hîp

Clarithromycin (Clacid®)

197?

B¸n tæng hîp

Roxithromycin (Rulid®)

1987

B¸n tæng hîp

Spiramycin

1955

Str. ambefaciens

Leucomycin

1953

Str. kitasatoensis

Josamycin

1964

Streptomyces sp.

Tylosin

1961

Str. fradie

Terithromycin

1998

B¸n tæng hîp

Nystatin

1955

Str. noursei

Amphotericin B

1957

Str. nodosus

Nhãm kh¸ng nÊm

Nhãm macrolid kh¸ng nÊm (cÊu tróc polyen): Cã tμi liÖu xÕp nystatin vμ amphotericin B vμo nhãm kh¸ng sinh ®¹i lacton (chøa 26 – 38 carbon) cã t¸c dông chèng nÊm. Trong nhiÒu n¨m, amphotericin B lμ kh¸ng sinh chèng nÊm toμn th©n cã hiÖu qu¶ cao tuy cã ®éc tÝnh cao. Nystatin th−êng ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu trÞ bÖnh do Candida albicans ë da, niªm m¹c (miÖng, ®−êng tiªu ho¸, ©m ®¹o) vμ kh«ng cã t¸c dông khi nhiÔm nÊm toμn th©n v× kh«ng hÊp thu qua ®−êng tiªu ho¸.

Amphotericin

157

OH H 3C

CH 3

COOH

H 3C O O OH

CH 3 OH NH 2

Nystatin

C¬ chÕ t¸c dông cña 2 thuèc nμy lμ g¾n vμo sterol (chñ yÕu lμ ergosterol) ë mμng tÕ bμo nÊm lμm biÕn ®æi tÝnh thÊm cña mμng. 2. Sinh tæng hîp Erythromycin 2.1. §¹i c−¬ng Erythromycin ®−îc nhãm çc nhμ nghiªn cøu cña h·ng Lilly t¸ch chiÕt tõ chñng Streptomyces erythreus (sau nμy cã tªn lμ Saccharopolyspora erythraea) vμo n¨m 1949 vμ ®−a vμo sö dông trªn l©m sμng tõ n¨m 1952. §©y lμ kh¸ng sinh ®−îc sö dông phæ biÕn nhÊt trong nhãm macrolid. Erythromycin cã phæ kh¸ng khuÈn réng, chñ yÕu lμ k×m khuÈn ®èi víi çc vi khuÈn Gram (+), Gram (-) vμ çc vi khuÈn kh¸c nh− Mycoplasma, Spirochetes, Chlamydia vμ Rickettsia. Tuy nhiªn ë nång ®é cao erythromycin còng cã t¸c dông diÖt khuÈn ®èi víi çc chñng rÊt nh¹y c¶m. C¬ chÕ t¸c dông cña erythromycin lμ g¾n víi tiÓu ®¬n vÞ 50S cña ribosom vi khuÈn nh¹y c¶m vμ øc chÕ tæng hîp protein. ThuËn lîi cña erythromycin lμ cã thÓ dïng cho phô n÷ cã thai vμ trÎ nhá; dïng trong çc tr−êng hîp bÞ dÞ øng víi kh¸ng sinh β-lactam vμ cã thÓ dïng thay thÕ penicillin trong dù phßng dμi h¹n thÊp khíp cÊp tÝnh. Erythromycin d¹ng base kh«ng bÒn, dÔ bÞ ph¸ huû bëi dÞch vÞ nªn th−êng ®−îc sö dông ë çc d¹ng muèi ®Ó t¨ng sinh kh¶ dông. Erythromycin stearat, ethylsuccinat, estolat th−êng ®−îc sö dông çc chÕ phÈm d¹ng uèng; Erythromycin gluceptat, lactobionat ®−îc dïng ngoμi ë d¹ng mì tra m¾t 0,5%; dung dÞch 2% ®iÒu trÞ trøng ç. 2.2. CÊu tróc vμ tÝnh chÊt ho¸ häc

158

Erythromycin R1

OMe

Erythromycin base lμ hçn hîp cña 3 erythromycin A, B vμ C trong ®ã chñ yÕu lμ erythromycin A. Erythromycin base lμ bét tinh thÓ tr¾ng hoÆc h¬i ¸nh vμng, dÔ hót Èm, tan Ýt trong n−íc (®é tan gi¶m khi nhiÖt ®é t¨ng), tan trong ethanol, methanol, tan trong acid lo·ng. Chñng gièng: Streptomyces Saccharopolyspora erythrae.

erythreus

(sau

nμy

cã

tªn

lμ

2.3. Lªn men sinh tæng hîp Saccharopolyspora erythrae lμ chñng vi sinh vËt hiÕu khÝ, nhiÖt ®é nu«i cÊy thÝch hîp trong kho¶ng 30 – 33OC. Quy tr×nh lªn men còng cã nh÷ng ®Æc ®iÓm t−¬ng tù nh− lªn men t¹o c¸c kh¸ng sinh nhãm tetracyclin. Thμnh phÇn m«i tr−êng lªn men nh− sau (w/v): Glucose

5,0 %

CaCO3

0,6

Bét ®Ëu

3,0

7,0

(NH4)2SO4

0,3

t0 nu«i cÊy

33OC

NaCl

0,5

Erythromycin cã thÓ ®−îc chiÕt khái dÞch lªn men b»ng dung m«i h÷u c¬. Quy tr×nh chiÕt xuÊt tiÕn hμnh nh− sau: dÞch lªn men Lµm l¹nh pH 2,5 - 3

läc

sinh khèi

ChiÕt Butyl acetat Dd NaCl hay Na

2 SO 4

c«

kÕt tinh 40 o C

erythromycin

H×nh 11.2. Quy tr×nh chiÕt xuÊt vµ tinh chÕ erythromycin tõ dÞch lªn men

159

DÞch lªn men ®−îc läc b»ng läc Ðp khung b¶n hay läc trèng. DÞch läc ®−îc bæ sung dung m«i h÷u c¬ nh− butyl acetat. KhuÊy trén ®Ó t¹o thμnh mét hçn hîp ®ång nhÊt. Thªm dung dÞch muèi v« c¬ nh− NaCl hay Na2SO4 vμ khuÊy trén kü. Hçn hîp sÏ ph©n líp vμ kh¸ng sinh chuyÓn sang pha h÷u c¬. Kh¸ng sinh ®−îc t¸ch khái dung m«i h÷u c¬ b»ng c¸ch c« ch©n kh«ng vμ kÕt tinh ë 40OC.

Tù l−îng gi¸ 1. KÓ tªn c¸c chñng vi sinh vËt sinh kh¸ng sinh nhãm macrolid. 2. Tr×nh bμy quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt erythromycin.

160

Ch−¬ng 12

s¶n xuÊt kh¸ng sinh chèng ung th−

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy, sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Nªu ®−îc tªn vμ nguån gèc c¸c d−îc phÈm ®−îc dïng trong ®iÒu trÞ ung th−. Ph©n lo¹i ®−îc c¸c kh¸ng sinh dïng ®iÒu trÞ bÖnh ung th−. 2. Tr×nh bμy ®−îc quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt daunorubicin.

1. §¹i c−¬ng Cã thÓ ®Þnh nghÜa ung th− lμ tªn gäi chung cho mét nhãm bÖnh kho¶ng trªn hai tr¨m lo¹i kh¸c nhau mμ nguyªn nh©n chñ yÕu cña chóng lμ do sù ph©n chia kh«ng kiÓm so¸t ®−îc cña tÕ bμo, rÊt nhanh vμ kh«ng theo quy luËt trËt tù. Çc tÕ bμo nμy cã kh¶ n¨ng x©m lÊn vμ chÌn Ðp vμo çc c¬ quan vμ tæ chøc xung quanh. Khi çc ung th− chÌn Ðp hoÆc di c¨n vμo çc c¬ quan gi÷ chøc n¨ng sèng cña c¬ thÓ nh− n·o, phæi, gan, thËn th× bÖnh nh©n sÏ tö vong. BÖnh ung th− kh«ng ph¶i do mét nguyªn nh©n g©y ra. Mçi lo¹i ung th− cã nh÷ng nguyªn nh©n riªng biÖt. Mét t¸c nh©n sinh ung th− cã thÓ g©y ra mét sè ung th− vμ ng−îc l¹i mét lo¹i ung th− cã thÓ do mét sè t¸c nh©n. Mét trong nh÷ng t¸c nh©n chÝnh g©y ung th− cã thÓ kÓ ®Õn lμ khãi thuèc l¸, çc yÕu tè g©y ung th− trong thiªn nhiªn hoÆc t¹o ra do chÕ biÕn thùc phÈm, bÖnh nhiÔm trïng m¹n tÝnh, mét sè lo¹i virus, vi khuÈn, ký sinh trïng, r−îu… 2. Çc ph−¬ng ph¸p ®iÒu trÞ bÖnh ung th− Ung th− cã thÓ ®−îc ®iÒu trÞ b»ng phÉu thuËt, ho¸ trÞ liÖu, x¹ trÞ liÖu hay miÔn dÞch trÞ liÖu. ViÖc chän lùa ph−¬ng ph¸p trÞ liÖu phô thuéc vμo vÞ trÝ vμ ®é cña khèi u, giai ®o¹n cña bÖnh còng nh− t×nh tr¹ng cña bÖnh nh©n. §iÒu trÞ b»ng phÉu thuËt: Khi khèi u cßn nhá cã kh¶ n¨ng ®iÒu trÞ triÖt ®Ó. §iÒu trÞ b»ng ho¸ chÊt (ho¸ trÞ liÖu): Ho¸ chÊt vμ thuèc sö dông trong ®iÒu trÞ ung th− víi çc môc ®Ých kh¸c nhau nh− ®iÒu trÞ triÖt ®Ó; hç trî cho phÉu thuËt vμ x¹ trÞ hoÆc ®iÒu trÞ t¹m thêi (th−êng Ýt dïng, chØ sö dông khi ®· di c¨n toμn th©n v× lo¹i ho¸ chÊt nμy 161

th−êng rÊt ®éc). Cã thÓ ®−îc ph©n chia thμnh c¸c nhãm chÝnh sau (võa theo c¬ chÕ t¸c dông, võa theo nguån gèc ho¸ chÊt): a. Ho¸ chÊt chèng ung th−: −

Dacarbazin; busulphan; c¸c chÊt alkyl ho¸: cyclophosphamid, melphalan, iphosphamid, lomustin.

−

C¸c chÊt chèng chuyÓn hãa: methotrexat, mercaptopurin, cytarabin; fluorouracin (chèng ung th− k×m h·m sù ph¸t triÓn cña tÕ bμo)

−

Çc alkaloid tõ thùc vËt vμ çc s¶n phÈm tù nhiªn kh¸c: vinblastin, vincristin (dõa c¹n); etoposid, teniposid, paclitaxel, çc taxoid (tõ th«ng ®á).

b. Çc kh¸ng sinh: Nhãm çc actinomycin: dactinomycin. Çc antracyclin vμ çc chÊt liªn quan: doxorubicin (adriamycin); daunorubicin; idarubicin. Çc kh¸ng sinh ®éc tÕ bμo kh¸c: bleomycin. c. Ho¸ chÊt chèng ung th− kh¸c: Hîp chÊt platin h÷u c¬: cisplatin, carboplatin. Çc methylhydrazin: procarbazin. Çc chÊt kh¸c: asparaginase; estramustin, tretinoin… §iÒu trÞ néi tiÕt: Dïng néi tiÕt tè hoÆc kh¸ng néi tiÕt tè bao gåm: Hormon vμ çc chÊt liªn quan nh− ethinylestradiol, megestrol, medroxyprogesteron, buserelin… Çc thuèc ®èi kh¸ng hormon vμ çc chÊt liªn quan: tamoxifen, formestan. §iÒu trÞ miÔn dÞch: Môc ®Ých kÝch thÝch miÔn dÞch, t¨ng kh¶ n¨ng ®Ò kh¸ng cña c¬ thÓ ®Ó diÖt tÕ bμo ung th−, bao gåm: −

C¸c cytokin vμ c¸c chÊt ®iÒu hoμ miÔn dÞch.

−

C¸c yÕu tè kÝch thÝch t¨ng tr−ëng côm b¹ch cÇu: filgrastim.

−

C¸c interferon: tù nhiªn (interferon alpha vμ beta) … interferon alpha 2a, 2b, n1, interferon beta 1a, 1b.

−

C¸c interleukin: aldesleukin, interleukin.

§iÒu trÞ b»ng tia x¹: Sö dông tia phãng x¹ γ ®Ó diÖt tÕ bμo ung th−. Cïng víi phÉu thuËt ®©y lμ ph−¬ng ph¸p ®iÒu trÞ ung th− phæ biÕn vμ hiÖu qu¶. ViÖc chän lùa ph−¬ng ph¸p ®iÒu trÞ phô thuéc vμo vÞ trÝ, kÝch th−íc cña khèi u, giai ®o¹n cña bÖnh còng nh− tæng tr¹ng cña bÖnh nh©n. Trong c¸c

162

ph−¬ng ph¸p nμy ho¸ trÞ vμ x¹ trÞ cã thÓ g©y tæn th−¬ng ®Õn çc m« lμnh; phÉu thuËt kh«ng thÓ triÖt ®Ó khi ®· cã di c¨n. 3. Çc kh¸ng sinh chèng ung th− nguån gèc sinh häc Çc kh¸ng sinh cã nguån gèc sinh häc ®−îc sö dông trong ®iÒu trÞ bÖnh ung th− cã thÓ chia thμnh ph©n nhãm chÝnh theo cÊu tróc ho¸ häc nh− sau: Nhãm çc actinomycin Nhãm çc bleomycin Nhãm chøa vßng antracyclin B¶ng 12.1. Çc kh¸ng sinh chèng ung th− nguån gèc sinh häc Kh¸ng sinh

N¨m ph¸t hiÖn

Chñng vi sinh vËt

Actinomycin F1, C…

1952

Str. chrysomallus

Actinomycin D

1952

Str. antibioticus

Actinomycetin

1941

Str. albus

Bleomycin

1956

Str. verticillus

Daunorubicin

1963

Str. peuceuticus; Str. coeruleorubidus

Doxorubicin (adriamycin)

Str. peuceutius var. caesius

1968

Actinomadura carmirtana

Carminomycin

3.1. Nhãm c¸c Actinomycin Sar L -Pro

Sar L-MeVal

D-e-lle

L -Pro

L-MeVal

D-e-lle

L-Thr

O L-Thr

O N

O CH 3

O CH3

H×nh 12.1. CÊu tróc actinomycin D

163

Actinomycin D hay dactinomycin lμ chÊt kh¸ng sinh ®Çu tiªn cã kh¶ n¨ng k×m h·m sù ph¸t triÓn cña tÕ bμo ung th− do C. Hackman t×m thÊy vμo n¨m 1952 ®−îc chiÕt xuÊt tõ chñng x¹ khuÈn Streptomyces antibioticus. Nhãm nμy cßn cã çc actinomycin C, C1, K, F… nh−ng chØ cã actinomycin D ®−îc dïng phæ biÕn h¬n c¶ trong trÞ liÖu. 3.2. Nhãm çc bleomycin Bleomycin ®−îc Hamao Umezawa (1914 – 1983) t×m ra vμo n¨m 1956 tõ chñng x¹ khuÈn Streptomyces verticillus. Trong m«i tr−êng nu«i cÊy chñng x¹ khuÈn nμy sinh tæng hîp ra mét hçn hîp nhiÒu bleomycin kh¸c nhau. Ng−êi ta ®· t×m ra 9 bleomycin tù nhiªn vμ h¬n 100 dÉn xuÊt bleomycin b¸n tæng hîp nh−ng chØ cã hçn hîp chøa bleomycin A2 kh«ng chøa ion kim lo¹i chiÕm 55 – 70% vμ bleomycin B2 (25 – 30%) lμ d¹ng ®−îc sö dông nhiÒu ®Ó ®iÒu trÞ çc bÖnh ung th− vÈy nÕn, tinh hoμn vμ ung th− b¹ch cÇu. O

NH2

NH 2

O NH2

O N

N HO

O H2N

O NH

O N H

H Me

N S

N O

,xH 2SO4

O OH

A2: R = -NH[CH 2]3SMe2 B2: R = -NH[CH 2]4NH C

NH 2

O OH

CONH2

H×nh 12.2. CÊu tróc ho¸ häc cña mét vµi bleomycin

3.3. Nhãm chøa vßng antracyclin Gåm cã daunorubicin (rubomycin), adriamycin (doxorubicin) vμ carminomycin. Kh¸ng sinh ®Çu tiªn cña nhãm nμy lμ daunorubicin cã ®éc tÝnh cao nh−ng l¹i cã t¸c dông k×m h·m mét c¸ch hiÖu qu¶ mét sè d¹ng ung th− trªn ®éng vËt nªn trong thêi kú ®Çu ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu trÞ ung th−. Sau nμy ng−êi ta t×m ra adriamycin tõ biÕn chñng cña S. peuceticus cã ho¹t tÝnh cao h¬n vμ phæ ®iÒu trÞ ung th− réng h¬n. HiÖn nay adriamycin lμ kh¸ng sinh trÞ ung th− ®−îc sö dông phæ biÕn h¬n c¶. 164

OH R1 OH

O R2

CH3 OH NH2

Daunorubicin

COCH3

CH3

Adriamycin

CO CH2OH

CH3

Carminomycin

COCH3

H×nh 12.3. CÊu tróc ho¸ häc cña mét vµi kh¸ng sinh antracyclin

4. Sinh tæng hîp Daunorubicin 4.1. §¹i c−¬ng Daunorubicin ®−îc t×m ra lÇn ®Çu tiªn vμo n¨m 1963 trong m«i tr−êng nu«i cÊy chñng x¹ khuÈn S. peuceticus hay chñng S. coeruleorubidus. Daunorubicin vμ adriamycin lμ 2 kh¸ng sinh cã phæ kh¸ng khuÈn võa ph¶i trªn vi khuÈn Gram d−¬ng nh−ng ho¹t tÝnh rÊt yÕu trªn vi khuÈn Gram ©m vμ rÊt ®éc. Tuy nhiªn chóng cã kh¶ n¨ng k×m h·m sù ph¸t triÓn cña tÕ bμo ung th− theo c¬ chÕ t¸c ®éng trùc tiÕp lªn cÊu tróc ph©n tö xo¾n kÐp lμm biÕn ®æi cÊu tróc sinh häc cña ph©n tö ADN, dÉn tíi k×m h·m qu¸ tr×nh sao chÐp ADN vμ qu¸ tr×nh phiªn m· sang mARN. Trong y häc, c¶ 2 kh¸ng sinh nμy ®−îc sö dông d−íi d¹ng chØ ®Þnh ®éc lËp hay phèi hîp ®Ó ®iÒu trÞ nhiÒu d¹ng ung th− kh¸c nhau, trong ®ã cã hiÖu qu¶ nhÊt lμ bÖnh ung th− b¹ch cÇu cÊp tÝnh, ung th− vó vμ ung th− phæi. Tuy nhiªn c¸c kh¸ng sinh nμy còng cã nhiÒu ph¶n øng phô nh−: ®éc tÝnh cao, k×m h·m sù ph¸t triÓn cña tuû x−¬ng, nÕu tÝch tô nhiÒu trong c¬ thÓ th× sÏ g©y ngé ®éc tim. 4.2. CÊu tróc ho¸ häc vμ tÝnh chÊt Daunorubicin lμ mét glycosid bao gåm 3 thμnh phÇn: tetracyclic aglycon, daunomycinon vμ mét ®−êng amin lμ daunosamin. Daunorubicin hydroclorid lμ bét tinh thÓ mμu ®á cam, dÔ hót Èm, tan trong n−íc vμ methanol, tan Ýt trong ethanol, kh«ng tan trong aceton. Tetracyclic aglycon Daunomycinon

Daunosamin

165

Daunorubicin hydroclorid cã d¹ng bét pha tiªm, cßn daunorubicin citrat cã ë d¹ng vi h¹t lipid dïng pha lo·ng truyÒn tÜnh m¹ch. Do rÊt kÝch øng víi c¸c m« nªn daunorubicin chØ ®−îc dïng ë d¹ng tiªm tÜnh m¹ch. B¶o qu¶n tr¸nh ¸nh s¸ng. D¹ng vi h¹t lipid ph¶i b¶o qu¶n ë 2 - 8OC vμ tr¸nh ®ãng b¨ng. 4.3. §iÒu kiÖn lªn men Chñng x¹ khuÈn sinh daunorubicin S. coeruleorubidus lμ vi sinh vËt hiÕu khÝ, nhiÖt ®é nu«i cÊy thÝch hîp tõ 26 - 27OC M«i tr−êng nh©n gièng (% w/v) Pepton

0,6

NÊm men kh«

0,3

Ca(NO3)2.H2O

4,0

N−íc m¸y

v®

7,2

M«i tr−êng lªn men (% w/v) Bét ®Ëu t−¬ng

4,0

DÞch b· r−îu

0,5

Tinh bét

4,0

DÇu ®Ëu nμnh

0,5

NaCl

1,0

N−íc m¸y

v®

7,2

CÊp khÝ víi l−u l−îng 0,5 VVM; thêi gian lªn men: 60 - 80 giê Daunorubicin vμ c¸c dÉn suÊt kh¸c ®−îc h×nh thμnh trong qu¸ tr×nh lªn men ®Òu lμ nh÷ng chÊt ®éc m¹nh vμ ®−îc xem nh− t¸c nh©n g©y ®ét biÕn. V× vËy qu¸ tr×nh t¸ch vμ tinh chÕ yªu cÇu ®é an toμn nghiªm ngÆt (th−êng tiÕn hμnh trong d©y chuyÒn kÝn) 4.4. Quy tr×nh chiÕt xuÊt Daunorubicin lμ s¶n phÈm néi bμo. KÕt thóc lªn men dÞch ®−îc acid ho¸ b»ng acid oxalic d− ë 50OC ®Ó thuû ph©n c¸c glycosid liªn kÕt víi daunorubicin. Gi÷ trong thêi gian 60 – 90 phót, sau ®ã läc lo¹i sinh khèi. DÞch läc ®−îc chØnh vÒ pH = 4,5 råi hÊp phô daunorubicin trªn nhùa Amberlite IRC-50. Röa cét triÖt ®Ó theo tr×nh tù dung m«i n−íc, methanol 50% trong n−íc vμ b»ng hÖ dung m«i methanol - n−íc (9:1). Ph¶n hÊp phô daunorubicin 166

b»ng hÖ 1% NaCl trong methanol - n−íc (9:1). DÞch ph¶n hÊp phô ®−îc c« ®Æc cßn 1/5 thÓ tÝch; chØnh vÒ pH = 8,5 råi chiÕt b»ng cloroform (tû lÖ b»ng kho¶ng mét nöa so víi dung m«i). Ph©n ®o¹n cloroform trªn ®−îc c« ch©n kh«ng xuèng cßn kho¶ng 1/100 råi bæ sung vμo 10V hexan ®Ó kÕt tinh thu ®−îc daunorubicin th«.

Tù l−îng gi¸ 1. KÓ tªn vμ ph©n lo¹i c¸c kh¸ng sinh chèng ung th− ®−îc s¶n xuÊt b»ng con ®−êng sinh häc. 2. Nªu tªn chñng vi sinh vËt sinh tæng hîp daunorubicin vμ ®iÒu kiÖn lªn men t¹o daunorubicin.

167

Ch−¬ng 13

s¶n xuÊt mét sè kh¸ng sinh cã nguån gèc tõ vi khuÈn

Môc tiªu Sau khi häc xong ch−¬ng nμy sinh viªn ph¶i tr×nh bμy ®−îc: 1. Tªn c¸c kh¸ng sinh ®−îc s¶n xuÊt tõ vi khuÈn trong c«ng nghiÖp. 2. Quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt Polymycin.

Trong danh s¸ch çc kh¸ng sinh ®· m« t¶ cã ®Õn 140 chÊt cã nguån gèc tõ vi khuÈn, nh−ng chØ cã mét sè rÊt Ýt chÊt cã øng dông trong y häc nh−: Polymyxin, gramicidin, bacitracin ..., Ngoμi ra cßn cã nisin chØ ®−îc dïng trong ch¨n nu«i vμ c«ng nghiÖp thùc phÈm. Çc chÊt kh¸c kh«ng ®−îc øng dông v× cã ®éc tÝnh cao ®èi víi c¬ thÓ. VÒ cÊu tróc ho¸ häc, çc kh¸ng sinh do vi khuÈn t¹o ra lμ çc polypeptid. Nghiªn cøu con ®−êng sinh tæng hîp kh¸ng sinh polypeptid sÏ lμ m« h×nh ®Ó tæng hîp çc peptid nãi chung cã ho¹t tÝnh sinh häc lμ mét vÊn ®Ò cã ý nghÜa lý thuyÕt rÊt lín. Sau ®©y giíi thiÖu mét vμi kh¸ng sinh quan träng do vi khuÈn t¹o ra. 1. Sinh tæng hîp Polymyxin 1.1. §¹i c−¬ng Polymyxin lμ tªn gäi cña mét nhãm kh¸ng sinh cã cÊu tróc polypeptid do vi khuÈn Bacillus polymyxa vμ Bacillus circulans t¹o ra. N¨m 1947, ba nhãm çc nhμ khoa häc gåm nhãm Ainsworth, nhãm Benedict vμ nhãm Stansly ®· ph©n lËp ®−îc tõ chñng vi khuÈn Bacillus polymyxa mét hçn hîp gåm 5 polymyxin A, B, C, D vμ E. Çc nghiªn cøu sau nμy cho thÊy polymyxin B, D vμ E l¹i chia ra B1 - B2, D1 – D2 v μ E1 - E2. Danh s¸ch çc polymyxin ®−îc t×m thÊy tõ çc chñng vi khuÈn ngμy cμng nhiÒu nh− polymyxin M, polymyxin F1, F2, F3… Do ®éc tÝnh cao ®èi víi thËn nªn chØ 2 trong çc chÊt trªn lμ polymyxin B vμ polymyxin E ®−îc dïng d−íi d¹ng muèi sulfat ®Ó ®iÒu trÞ çc bÖnh nhiÔm trïng do vi khuÈn Gram (-). §Õn n¨m 1950, Koyama vμ céng sù ®· chiÕt ®−îc tõ m«i tr−êng nu«i cÊy chñng vi khuÈn Bacillus colistinus chÊt colistin (hay colimyxin) bao gåm 3 168

chÊt colistin A, B vμ C cã ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn m¹nh gÊp 4 lÇn polymyxin mμ ®éc tÝnh l¹i thÊp h¬n. C¸c ph©n tÝch vÒ cÊu tróc ho¸ häc sau nμy cho thÊy colistin A chÝnh lμ polymyxin E1. 1.2. CÊu tróc ho¸ häc vμ tÝnh chÊt C¸c polymyxin ®· ®−îc nghiªn cøu kü, riªng polymyxin B, ®· tæng hîp ®−îc. VÒ cÊu t¹o chóng lμ 1 polypeptit vßng chØ kh¸c nhau vÒ thμnh phÇn vμ sè l−îng acid amin. Ph©n tö polymyxin M cã chøa D-leucin, 3 gèc treonin vμ 6 gèc acid α, γ diaminobutyric (DAB). Ngoμi ra cßn chøa 1 gèc acid -6-metyloctanoic. γ NH2

DAB

Thr

DAB

D X

Thr

DAB γ NH2

γ NH2

DAB

γ NH2

Tªn

DAB

Polymyxin B1

(+)-6-methyloctanoyl

Phe

Leu

DAB

Polymyxin B2

6-methylheptanoyl

Phe

Leu

DAB

Polymyxin D1

(+)-6-methyloctanoyl

Leu

Thr

D-Ser

Polymyxin D2

6-methylheptanoyl

Leu

Thr

D-Ser

γ NH2 DAB R

DAB

Thr

DAB

D Leu

Leu

DAB

γ NH2 Thr

γ NH2 Tªn Polymyxin E1 hay Colistin A Polymyxin E2

γ NH2

R (+)-6-methyloctanoyl 6-methylheptanoyl

Polymyxin M

H×nh 13.1. CÊu tróc ho¸ häc cña mét sè polymyxin theo Merck Index 1996 DAB: L-α, γ - diaminobutyric acid R: acid bÐo, X, Y, Z: c¸c acid amin

169

C¸c polymyxin cã t¸c dông diÖt khuÈn, thuèc g¾n vμo phospholipid lμm thay ®æi tÝnh thÊm vμ thay ®æi cÊu tróc mμng tÕ bμo cña vi khuÈn. Ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn cña polymyxin B chØ giíi h¹n trªn mét sè chñng vi khuÈn Gram (-) nh− E. coli, Aerobacter aerogenes, Salmonella, Proteus… vμ ®Æc biÖt trªn trùc khuÈn mñ xanh Ps. aeruginosa. Trong y häc polymyxin B ®−îc dïng t¹i chç, ®¬n ®éc hay phèi hîp víi mét sè hîp chÊt kh¸c nh− neomycin sulfat, oxytetracyclin, hydrocortison… ®iÒu trÞ nhiÔm khuÈn m¾t, tai mòi häng vμ mét sè nhiÔm khuÈn kh¸c. Polymyxin E hay colistin ®−îc dïng trong y häc d−íi d¹ng muèi sulfat ®Ó ®iÒu trÞ t¹i chç nhiÔm khuÈn ®−êng tiÕt niÖu hay ®−êng tiªu ho¸. D¹ng muèi colistin natri mesilat ®−îc dïng d¹ng tiªm ®Ó ®iÒu trÞ nhiÔm khuÈn huyÕt, viªm mμng n·o, nhiÔm khuÈn thËn… vμ chØ sö dông khi kh«ng dïng ®−îc nh÷ng thuèc kh¸c do ®éc tÝnh cao. 1.3. §iÒu kiÖn lªn men §Ó sinh tæng hîp polymyxin ng−êi ta nu«i cÊy B. polymyxa trªn m«i tr−êng th¹ch cã thμnh phÇn (%): Cao ng«

0,5

Cao nÊm men

0,5

Glucose

2,0

Agar

2,0

6,8 ÷ 7,2

1,0

Bét ®Ëu t−¬ng

1,0

Glucose

2,0

Sulfat amoni

0,3

6,8 ÷ 7,2

Khö trïng 115°C/20 phót. CÊy gièng vμo vμ nu«i 18- 20 giê/28°C. M«i tr−êng lªn men t¹o kh¸ng sinh cã thμnh phÇn (%): Cao ng«

1,0

Bét ®Ëu t−¬ng

2,0

Glucose

3,0

vμ mét sè muèi: MgSO4. 7H2O; KH2PO4; NaCl ... Khö trïng m«i tr−êng vμ cÊy gièng vμo víi l−îng 2 ÷2,5%. TiÕn hμnh lªn men ë ®iÒu kiÖn: nhiÖt ®é 28 - 30°C. Th«ng khÝ víi l−u l−îng 1VVM. Thêi gian lªn men 30 - 36 giê. 170

1.4. ChiÕt xuÊt polymyxin tõ m«i tr−êng lªn men Trong c«ng nghiÖp ®Ó chiÕt polymyxin ®· sö dông ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion. B¶n chÊt ho¸ häc cña kh¸ng sinh lμ polypeptid. Çc acid amin trong ph©n tö polymyxin cã chøa çc nhãm amin tù do, cã kh¶ n¨ng trao ®æi víi nhãm carboxyl cña ph©n tö nhùa lo¹i carboxycationit. Nh− KB-2, KB-HP-2, Amberlit, IRC-50 ... Qu¸ tr×nh chiÕt cã thÓ tiÕn hμnh nh− sau: DÞch lªn men xong ®−îc acid ho¸ ®Õn pH 3,5 ÷ 4,0 ®Ó gi¶i phãng kh¸ng sinh (cã thÓ sö dông acid oxalic ®Ó lo¹i ion calci). Läc lo¹i sinh khèi. DÞch läc trung hoμ b»ng NaOH. Cã thÓ chiÕt polymyxin tõ dÞch läc nμy b»ng dung m«i h÷u c¬ n-butanol. Sau ®ã kÕt tña b»ng aceton. DÞch läc ®· trung hoμ ®−îc läc qua b«ng thuû tinh ®Õn trong suèt råi b¬m qua çc cét trao ®æi ion d¹ng Na+(R-COO-Na+). Cét ®· b·o hoμ kh¸ng sinh röa b»ng n−íc cÊt hay n−íc ®· khö kho¸ng. Ph¶n hÊp phô kh¸ng sinh b»ng acid hydrocloric hay sulfuric 10%. DÞch ph¶n hÊp phô tÈy mμu b»ng than ho¹t, läc lo¹i than. DÞch läc ®em lo¹i çc cation kim lo¹i b»ng sulfocationit vÝ dô: KU-2-20 hay SBS - 1. Trung hoμ dÞch b»ng çch cho ch¶y qua cét anionit d¹ng OH–. DÞch kh¸ng sinh ®· trung hoμ ®−îc bèc h¬i trong ch©n kh«ng ë nhiÖt ®é ≤ 35°C, ¸p suÊt 10 – 15 mmHg. Sau ®ã phun sÊy ®Ó thu lÊy kh¸ng sinh. 2. Sinh tæng hîp Bacitracin 2.1. §¹i c−¬ng Bacitracin lμ kh¸ng sinh polypeptid do çc chñng vi khuÈn B. licheniformis t¹o ra (Johnson, Anker et al 1945). Sau ®ã Newton (1949) vμ Abraham (1950) ®· chiÕt ®−îc tõ m«i tr−êng nu«i cÊy B. subtilis mét hçn hîp kh¸ng sinh gäi lμ eifaivin. Eifaivin cã b¶n chÊt polypetid gièng víi bacitracin. Thùc tÕ trong c«ng nghiÖp ®Ó s¶n xuÊt bacitracin ®· sö dông B. licheniformis. 2.2. CÊu tróc ho¸ häc B»ng ph−¬ng ph¸p s¾c ký ng−êi ta ®· x¸c ®Þnh bacitracin lμ 1 hçn hîp gåm 10 kh¸ng sinh kh¸c nhau. §ã lμ bacitracin A, A1, B, C, D, E, F1, F2, F3, vμ G trong ®ã bacitracin A chiÕm kho¶ng 37%. §éc tÝnh cña çc kh¸ng sinh trªn còng kh¸c nhau. Bacitracin C ®éc h¬n bacitracin A vμ B, bacitracin F Ýt ®éc nhÊt. Newton vμ Abraham (l953) ®· x¸c ®Þnh ®−îc cÊu tróc ph©n tö bacitracin A gåm 10 gèc acid amin kÕt hîp víi mét vßng thiazol. Trong ®ã cã 3 gèc Lisoleucin, çc acid amin kh¸c lμ: L-leucin; L-cystein, L-histidin, L-lysin, Lasparaginic, D- phenylalanin, D-ornitin, D-asparaginic vμ D-glutamic. 171

ChÕ phÈm bacitracin chøa chñ yÕu bacitracin A lμ bét tr¾ng x¸m, vÞ ®¾ng g¾t, tan trong n−íc vμ ethanol. Kh«ng tan trong ether, chloroform, aceton. BÒn trong dung dÞch acid, kh«ng bÒn trong dung dÞch kiÒm. Ho¹t tÝnh kh¸ng sinh thÊp dÇn tõ bacitracin A ®Õn bacitracin F. B¶ng 13.1. Ho¹t tÝnh kh¸ng sinh cña c¸c bacitracin Bacitracin

Ho¹t lùc t−¬ng t−¬ng ®èi cña bacitracin trªn Corynebacterium xerosis

0,075

0,500

0,014

0,008

0,055

0,028

0,014

0,140

Bacitracin cã t¸c dông k×m khuÈn hay diÖt khuÈn nhê kh¶ n¨ng øc chÕ tæng hîp vá tÕ bμo cña vi khuÈn. Nã cã ho¹t tÝnh cao ®èi víi c¸c vi khuÈn Gram (+) ho¹t phæ gièng víi penicillin, Ýt t¸c dông trªn vi khuÈn Gram (-). Tr−íc ®©y bacitracin ®−îc dïng ®Ó tiªm nh−ng do ®éc tÝnh cao trªn thËn nªn hiÖn nay chØ dïng t¹i chç ®Ó ®iÒu trÞ c¸c vÕt th−¬ng ngoμi da, mét sè bÖnh vÒ m¾t. Th−êng ®−îc sö dông d−íi d¹ng phøc hîp bacitracin kÏm hay d−íi d¹ng hçn hîp víi neomycin hoÆc polymyxin B. Trong n«ng nghiÖp, phøc hîp bacitracin kÏm ®−îc dïng ®Ó lμm chÊt kÝch thÝch t¨ng tr−ëng.

172

2.3. §iÒu kiÖn lªn men 2.3.1. Chñng gièng B. licheniformis lμ nh÷ng trùc khuÈn cã bμo tö, sèng hiÕu khÝ, nhiÖt ®é nu«i cÊy thÝch hîp lμ 37OC. Trong c«ng nghiÖp ®Ó s¶n xuÊt bacitracin ®· sö dông c¸c chñng cã sè hiÖu ATCC 9945, 10716, 11945, 11946 vμ 14580. 2.3.2. M«i tr−êng dinh d−ìng Tû lÖ gi÷a hydrat carbon vμ nit¬ rÊt quan träng trong thμnh phÇn m«i tr−êng nu«i cÊy B. licheniformis ®Ó sinh tæng bîp bacitracin. NÕu tØ lÖ nμy thÝch hîp sÏ t¹o ra bacitracin vμ nÕu tØ lÖ trªn kh«ng thÝch hîp sÏ t¹o ra licheniformin cã ho¹t tÝnh kh¸ng khuÈn rÊt thÊp.

H×nh 13.2. Trùc khuÈn B. licheniformis sinh bacitracin

M«i tr−êng th¹ch nghiªng gi÷ gièng (w/v): Trypton

5,0

D-glucose

1,0

DÞch chiÕt nÊm men

2,5

Agar

15,0

10,0

Glucose

5,0

Cao thÞt

5,0

NaCl

2,5

MnCl2

0,167

7,0

M«i tr−êng lªn men (w/v): Citric acid

1,0

Glucose

0,5

KH2PO4

0,5

K2HPO4

0,5

MgSO4. 7H2O

0,2

MnSO4. 4H2O

0,01 173

FeSO4. 7H2O

0,01

DÇu ph¸ bät

theo nhu cÇu

7,0

TiÕn hμnh lªn men ë 37OC. B. licheniformis lμ chñng hiÕu khÝ nªn cÇn cÊp khÝ m¹nh víi l−u l−îng 1VVM (nhÊt lμ trong 6 giê ®Çu). M¸y khuÊy tèc ®é 110 vßng/phót. Ph¸ bät b»ng dÇu cä hoÆc dÇu l¹c. Thêi gian lªn men kho¶ng 45-50 giê. Bacitracin cã thÓ ®−îc chiÕt xuÊt b»ng dung m«i h÷u c¬ (n-butanol hay ethanol) theo quy tr×nh sau: DÞch lªn men ®−îc ly t©m ®Ó lo¹i n−íc, acid ho¸ sinh khèi ®Ó chiÕt kh¸ng sinh ra khái tÕ bμo vi khuÈn. Läc lo¹i tÕ bμo. DÞch läc ®em chiÕt kh¸ng sinh b»ng ethanol hoÆc n-butanol. C« kÕt tinh lÊy tinh thÓ bacitracin. D¹ng muèi kÏm cña bacitracin bÒn v÷ng h¬n nªn ng−êi ta cã thÓ t¹o muèi ngay tõ khi chiÕt kh¸ng sinh khái m«i tr−êng lªn men. Ph−¬ng ph¸p nμy hay ¸p dông ®Ó lÊy s¶n phÈm dïng trong ch¨n nu«i. KÕt thóc lªn men thªm dung dÞch ZnSO4 0,01% ®Ó t¹o phøc kÏm – bacitracin bÒn v÷ng. DÞch thu ®−îc ®−îc c« ch©n kh«ng ë nhiÖt ®é ≤ 40OC ®Õn hμm l−îng chÊt ®Æc lμ 40%, sau ®ã phun sÊy sÏ thu ®−îc bét bacitracin th« dïng trong ch¨n nu«i. B¶o qu¶n ë chç kh« m¸t, nhiÖt ®é ≤ 25OC. dÞch lªn men

(a) ly t©m

(b) t¹o phøc ZnSO4

sinh khèi

c« < 40oC hµm l−îng chÊt ®Æc cßn 40%

acid hãa

sÊy phun

pH = 2,5 - 3,0

ChiÕt

S¶n phÈm th« cho ch¨n nu«i

ethanol

c«

kÕt tinh

bacitracin

H×nh 13.3. Quy tr×nh chiÕt xuÊt bacitracin trong y häc (a) vµ trong ch¨n nu«i (b)

174

Tù l−îng gi¸ 1. T×m mèi liªn hÖ chung vÒ cÊu tróc gi÷a polymycin vμ bacitracin. 2. Nªu tªn chñng vi sinh vËt sinh tæng hîp polymycin vμ ®iÒu kiÖn lªn men t¹o kh¸ng sinh. 3. Tr×nh bμy quy tr×nh lªn men vμ chiÕt xuÊt bacitracin.

175

Tμi liÖu tham kh¶o 1. KiÒu H÷u ¶nh - Gi¸o tr×nh vi sinh vËt häc c«ng nghiÖp. NXB Khoa häc vμ Kü thuËt. 1999. 2. Bé m«n C«ng nghiÖp D−îc – Kü thuËt s¶n xuÊt d−îc phÈm, tËp 1. Tr−êng §¹i häc D−îc Hμ néi. 2001. 3. Tõ Minh Koãng - C¬ së c«ng nghÖ sinh häc vμ s¶n xuÊt d−îc phÈm. NXB Y häc. 2004. 4. NguyÔn V¨n C¸ch – C«ng nghÖ lªn men c¸c chÊt kh¸ng sinh. NXB Khoa häc vμ Kü thuËt. 2004. 5. Edward Alcamo - Fundamentals of microbiology (Third Edition). The Benjamin/Cummings Publishing Company Inc., 1991 6. K.P. Gaponov - Process and equipments of microbiology’s production. Light and food industry. Moskva. 1981. (b¶n tiÕng Nga) 7. John E. S. Biotechnology. Third edition. Cambridge University Press; 1996. 8. Lantini D., Parenti F. - Antibiotics. Springer-Verlag New York Inc. 1982 (b¶n tiÕng Nga) 9. Thomas D. B., Michael T. M., John M. M., Jack P. – Biology of Microorganisms. Seventh edition. Prencice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632. 10. Wolfgang Fritsche - C¬ së ho¸ sinh cña vi sinh vËt häc c«ng nghiÖp. NXB Khoa häc vμ Kü thuËt. 1983.

176