3 курс / Фармакология / Фармацевтическая_технология_Том_2_НФаУ
.pdfПРОМЫШЛЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
Физические способы разрушения более экономичны, чем химические и химико-ферментативные. Они осуществляются без применения дорогостоящих и дефицитных реактивов и ферментных препаратов. В то же время этим спосо бам дезинтеграции клеток присуща определенная неизбирательность: обработ ка может отрицательно влиять на качество получаемого продукта. При такой регулировке условий дезинтеграции некоторые из физических методов позво ляют целенаправленно выделить какую-либо одну фракцию внутриклеточного содержимого.
За дезинтергацией клеток следует этап отделения клеточных стенок. Ис пользуют те же методы, что и при сепарации клеток: центрифугирование или фильтрация. Однако, сообразуясь с размерами субклеточных частиц, применя ют более высокоскоростные центрифуги и фильтры с меньшим диаметром пор (часто мембранные), чем при сепарации клеток. В большинстве биотехнологи ческих процессов клеточные стенки отбрасывают как балласт, но возможно и промышленное получение компонентов клеточных стенок как целевого про дукта. В крупномасштабном производстве для разрушения клеток используют гомогенизаторы высокого давления, которые проводят одно и двухступенчатую гомогенизацию и асептическую обработку полупродукта. Включают гомогени затор - трехпоршневой насос высокого давления со встроенным устройством для гомогенизации. Принцип работы гомогенизатора: концентрированная кле точная суспензия перекачивается под высоким давлением через узкое сопло. Резкое падение давления, сопровождаемое сильным ускорением жидкой массы, вызывает разрушение клеток. Короткое время пути в зоне кавитации гаранти рует разрушение только стенок клетки.
Разрушение клеток также проводят в стеклянных или фарфоровых шаро вых мельницах.
ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
Выделение продуктов из культуральной жидкости (КЖ). Выделению целевого продукта из КЖ предшествует отделение продуцента. Далее, в зави симости от характеристики фильтрата и свойств продукта выбирают методы выделения, концентрирования и очистки получаемого вещества. Затраты на эти операции могут превышать затраты на приготовление сред и ферментацию. Так, в производстве ферментов стоимость выделения и очистки составляет до 70% общих затрат, в производстве этанола не превышает 15-20%, в производс тве органических кислот - 30-40%.
Наиболее широко применяемые в биотехнологии методы выделения и очистки продуктов перечислены в таблице 14.1.
Таблица 14.1 Методы очистки и выделения, используемые в биотехнологии
Сущность метода |
Применение |
Дист илляция: превращ ени е продукта в парообраз ное состояние и вы вод из систем ы с последую щ ей конден денсацией продукта
Обезвож ивание: вы паривание, |
вы паривание |
с п о |
следую щ ей суш кой, суш ка |
|
|
Л иоф илизация: зам ораж и вани е |
раствора или |
сус |
пензии клеток и дальнейш ая сублим ация в вакуум е
Вымораж ивание: перевод воды в кристаллическое
состояни е - лед, которы й затем отделяю т м ехан иче ским путем (ф ильтрация, центриф угирование) Осаждение в виде нерастворим ы х солей путем д о
бавления хи м и ческого осадителя в экви м олярны х количествах
Осаж дение: |
изм ен ени е |
раствори м ости вещ ества |
(наприм ер, белка) путем |
добавлени я электролитов, |
|
органических |
растворителей, специф ических ф ло- |
|
кулянтов и др. |
|
|
Р аствори тели |
(этанол, |
ацетон, |
бутанол) |
|
|
К онц ентраты |
(корм овой |
конц ен |
трат лизина, |
корм овы е |
ан ти био |
ти ки и др.) |
|
|
Закваски, вакцины , горм оны и др.
Ферм енты
Лим онная, м олочная кислоты
Ферм енты , белки
Кристаллизация: после предварительной обработки |
И таконовая, глутам иновая и дру |
||||
К Ж и вы п аривания при охлаж дении осущ ествляю т |
гие кислоты |
||||
кристаллизацию |
|
|
|
|
|
Сорбция: |
ион ообм енная хром атограф ия, |
аф ф инная |
А м инокислоты , ф ерм енты , ан ти |
||
хром атограф и я и др. |
|
|
|
биотики и др. |
|
Ж идкостная экстракция: добавлени е |
к |
раствору |
А нтибиотики, витам ины и др. |
||
другого |
экстрагента |
(растворителя), |
которы й п о |
|
|
глощ ает |
продукт с |
последую щ им |
разделен ием |
|
эм ульсии и вы делением целевого вещ ества
ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
М и кр о ф и льт р а ц и я и ульт р а ф и льт р а ц и я : |
ф ильтра |
В ы делен ие м икробны х клеток. |
|
ция раствора на м ем бранн ы х |
ф ильтрах |
с опреде |
Ф ерм енты , белки |
ленн ы м и разм ерам и пор (т. |
е. ф ракционирование |
|
|
вещ еств по разм ерам их м олекул) |
|
|
|
О брат ны й осм ос |
|
|
К онц ентрац ия растворов н и зко |
|
|
|
м олекулярны х вещ еств |
Д и а ли з и элект родиализ |
|
|
Ф ерм енты , белки |
Представленные методы выделения и очистки позволяют получать очи щенные биотехнологические препараты высокого качества.
14.4. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передний край на учно-технического прогресса. Этому, с одной стороны, способствует бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и биофизики, а с другой стороны - острая необходимость в новых технологиях, способных улучшить состояние здравоохранения и охраны окружающей среды, а главное - решить вопросы с нехваткой продовольствия, энергии и минеральных ресурсов.
По оценкам специалистов мировой рынок биотехнологической продук ции составляет более 200 млрд. долларов. По объему выпускаемой продукции и числу зарегистрированных патентов Япония занимает первое место среди стран, преуспевающих в области биотехнологии, и второе - по производству фармацевтической продукции на основе биотехнологии. Второе место после Японии по объему продуктов биотехнологии и первое место по производству фармацевтической продукции принадлежит США. Определенные успехи в об ласти биотехнологии имеются и в других странах мира.
Вкачестве первоочередной задачи перед биотехнологией стоит создание
иосвоение производства лекарственных препаратов: интерферонов, интерлей кинов, инсулинов высокой степени чистоты, гормонов, антибиотиков, вакцин, иммобилизованных ферментов, моноклональных антител и других средств, по зволяющих осуществлять раннюю диагностику и лечение сердечно сосудистых, злокачественных, метаболических, инфекционных, вирусных и на следственных заболеваний. Остро необходимы фармацевтические препараты в виде терапевтических лекарственных систем и биопродуктов, содержащих пеп тиды и пробелки, которые невозможно получить синтетически.
ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
Биологические технологии позволили совершить прорыв в сферу иммун ной диагностики. Отдельные диагностикумы позволяют прогнозировать разви тие патологий задолго до субъективных проявлений. Моноклональные антите ла, полученные путем генной инженерии, позволяют диагностировать беремен ность, предрасположенность к диабету, опухолям, ревматоидному артриту, идентифицировать наследственные заболевания, сопровождающиеся отсутст вием определенных ферментов или других белковых компонентов.
В последние годы большие успехи достигнуты в синтезе пептидных гор монов, которые ранее получали из органов и тканей животных и человека (кро ви доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала и т.д.). Для получения незначительных количеств требовалось переработать много сырья, что отражалось на высокой стоимости препарата. Например, человеческий гор мон роста - соматотропин - получали из гипофиза человека. Гипофиз содержит не более 4 мг гормона, а для лечения одного ребенка, страдающего карликово стью, требовалось около 7 мг соматотропина в неделю, а курс лечения продол жается годами. Сейчас применяют гормон, полученный биотехнологическими методами, который обладает большим специфическим эффектом при более низкой стоимости лечения.
Большое экономическое и социальное значение имеют биотехнологиче ские разработки современных вакцин, которые предусматривают создание ре комбинантных вакцин, вакцин-антигенов (для профилактики гриппа, герпеса, гепатитов и др.), поливалентной вакцины на основе объединения участков ДНК различных патогенов. Поэтому становится понятным возрастающее значение биотехнологии для медицины и фармацевтической промышленности.
Отмечая несомненные успехи биотехнологии в области фармации и ме дицины, нельзя не упомянуть об успехах в пищевой промышленности, где ее интересы тесно переплетены с медициной и связаны с поиском низкокалорий ных, не опасных для больных заменителей сахара, применением эффективных корригентов, использованием «микробной пищи» и др.
ЭМУЛЬСИИ И СУСПЕНЗИИ
ГЛАВА 15. ЭМУЛЬСИИ И СУСПЕНЗИИ
15.1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭМУЛЬСИЙ
Внастоящее время фармацевтическим эмульсиям уделяется более при стальное внимание, поскольку они нашли широкое применение в медицинской практике. Кроме перорального применения, эмульсионные системы интенсивно используются для местного применения в форме мазей, линиментов, кремов, пенообразующих аэрозолей, а также парентерального введения для полноцен ного питания больных. Это стало возможным в связи с качественно новым уровнем научных исследований и достижений в области создания эмульсион ных систем, а также расширением ассортимента вспомогательных веществ и применением нового современного оборудования.
Эмульсии представляют собой гетерогенные дисперсные системы, со стоящие из мелких капель одной жидкости (дисперсной фазы) равномерно рас пределенных в другой жидкости (дисперсионной среды). Как правило, одна из жидкостей - вода, а другая - водонерастворимая жидкость, условно называемая маслом. В зависимости от того, какая из названных жидкостей образует дис персионную среду, существует два типа эмульсий: дисперсия масла в воде или эмульсия первого рода или прямая эмульсия (м/в, 1 -го рода) и дисперсия воды в масле или эмульсия второго рода или обратная эмульсия (в/м, 2 -го рода). Эмульсии 1-го рода водосмываемые, эмульсии 2-го рода - несмываемые водой. Кроме того, существуют еще и множественные эмульсии, в которых в каплях дисперсной фазы диспергирована жидкость, являющаяся дисперсионной сре дой. Множественные эмульсии бывают в/м/в и м/в/м. На рис. 15.1 представле ны типы эмульсий. Размер частиц дисперсной фазы в эмульсиях колеблется в
пределах 1 0 3- 1 0 5см.
Взависимости от содержания дисперсной фазы в системе различают раз бавленные эмульсии, содержащие до 0 , 1 % дисперсной фазы; концентрирован ные эмульсии, содержащие до 74 % дисперсной фазы и высококонцентриро ванные эмульсии с содержанием дисперсной фазы более 74 %.
Вфармацевтических и косметических эмульсиях масляная фаза чаще все го состоит из растительных масел (касторовое, кукурузное, оливковое, мин дальное, хлопковое и др.), или минерального масла (вазелиновое, парфюмер
ЭМУЛЬСИИ И СУСПЕНЗИИ
Коалесценция. Как дисперсным системам с развитой поверхностью разде ла фаз, обладающей избытком свободной поверхностной энергии, им свойст венна термодинамическая неустойчивость. Она проявляется в виде коалесценции, когда выделяются отдельные фазы эмульсии. При этом можно выделить две стадии. В первой, называемой флокуляцией, капли дисперсной фазы обра зуют агрегаты, во второй - собственно коалесценции, агрегировавшие капли соединяются в одну большую.
Кинетическая неустойчивость, появляется вследствие осаждения (седи ментации) или всплытия (кремаж) частиц дисперсной фазы под влиянием силы тяжести согласно закона Стокса.
Обращение (инверсия) фаз. Это нестабильное состояние эмульсии, когда происходит изменение типа от в/м к м/в или наоборот. На обращение фаз влияют их объемное соотношение, природа, концентрация и ГЛБ эмульгаторов, а также способ приготовления эмульсии.
При условии сохранения постоянного значения поверхностное натяжение СТ, диспергированные частицы стремятся к спонтанному уменьшению суммар ной поверхности S, т.е. к укреплению посредством образования агрегатов - флокуляция или полному слиянию - коалесценция - так называемая агрега тивная неустойчивость (рис. 15.2).
В разбавленных эмульсиях возможность коалесценции слабо выражена из-за малой вероятности и эффективности столкновения частиц размером не более 1 0 -5 см, вследствие чего данные системы практически устойчивы и не требуют дополнительной стабилизации.
Для концентрированных эмульсий с размером частиц более 10-5 см харак терна седиментационная (кинетическая) неустойчивость, обусловленная само произвольным оседанием частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести.
Согласно закону Стокса, скорость седиментации может быть рассчитана по формуле:
g х d2 |
х(dф - dср |
|
V = |
18 |
(15.2) |
|
х п |
где V - скорость седиментации, м/с;
d - диаметр частиц дисперсной фазы, м;
2
g_ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с ;
d,^ и d^ - плотность дисперсионной среды и дисперсной фазы соответст-
ЭМУЛЬСИИ И СУСПЕНЗИИ
мики процессы, при которых энтропия системы возрастает, могут идти само произвольно.
Существует некоторое граничное значение межфазного натяжения, обо значаемое символом CTm, ниже которого повышение межфазной энергии, про исходящее при диспергировании капель, полностью компенсируется повыше нием энтропии системы. Такие эмульсии термодинамически устойчивы, эмуль гирование в них происходит самопроизвольно, без внешних механических сил за счет теплового движения молекул. При комнатной температуре Оmприбли зительно равна 10 Дж/м . Эти эмульсии относятся к лиофильным.
В соответствии с этим все дисперсные системы были разделены на две группы: лиофильные, для которых межфазное натяжение О меньше От и ста билизируемые за счет термодинамической устойчивости, и лиофобные для ко торых О значительно больше От и которые можно стабилизировать за счет структурно-механического барьера.
Структурно-механический барьер. Лиофобные эмульсии агрегативно не устойчивы. Их стабильность следует понимать, как время существования. Не устойчивость систем возрастает с уменьшением размера частиц дисперсной фа зы и с увеличением их числа в единице объема. Лиофобные эмульсии для дос таточной агрегативной устойчивости требуют дополнительного стабилизи рующего фактора. Значительная стабилизация, предотвращающая флокуляцию, коалесценцию и кинетическую неустойчивость, может быть достигнута, если в объеме дисперсионной среды и на границе раздела фаз возникает структурно механический барьер, характеризующийся высокими значениями структурной вязкости. Практически создать такой барьер можно за счет применения высо комолекулярных веществ, сильно повышающих вязкость дисперсионной среды, например различных производных целлюлозы, натрия альгината, а также по средством введения ПАВ. Стабилизирующее действие ПАВ на примере эмуль сий представлено на рис. 15.3.
ПАВ накапливаются на межфазной поверхности и уменьшают поверхно стное натяжение до тех пор, пока поверхность не будет полностью покрыта ад сорбционным слоем ПАВ. Концентрация ПАВ, после которой не происходит дальнейшего уменьшения поверхностного натяжения, известна как критиче ская концентрация мицеллообразования (ККМ). При превышении этого зна чения избыток ПАВ образует мицеллы, представляющие собой новую (колло идную) фазу.