Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Снижение загрязненности сточных вод химико-фармацевтических производств сорбционным выделением β-лактамов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Снижение загрязненности сточных вод химико-фармацевтических производств сорбционным выделением β-лактамов"

На правах рукописи

00501

МАРЫНОВА Марина Александровна

СНИЖЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ СТОЧНЫХ ВОД ХИМИКО-ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ СОРБЦИОННЫМ ВЫДЕЛЕНИЕМ р-ЛАКТАМОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 мдр 2012

ПЕНЗА - 2012

005012626

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" на кафедре "Биотехнологии и тех-носферная безопасность".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ТАРАНЦЕВА Клара Рустемовна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Биотехнология, физическая и аналитическая химия» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» ПЛОХОВ Сергей Владимирович; доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Химия» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» ПЕРЕЛЫГИН Юрий Петрович.

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский и

проектно-технологический институт химического мяшиностпоения»

Защита состоится 20 марта 2012 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной технологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а/11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия".

Автореферат разослан "16" февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

jjy Яхкинд Михаил Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Извлечение и регенерация растворителей, применяемых в химико-фармацевтической промышленности при производстве лекарственных средств, является острой проблемой. Значительные количества органических растворителей используются на стадиях экстракционного извлечения и концентрирования при производстве р-лактамов пеницил-линового ряда.

Альтернативным ресурсосберегающим способом извлечения и концентрирования Р-лактамов является сорбционный метод, позволяющий: извлечь необходимое соединение из технологической среды, сократить номенклатуру и объёмы используемых органических растворителей, значительно снизить расходы на их регенерацию и обезвреживание образующихся кубовых остатков.

Исследованиям в данном направлении посвящены работы Г.В. Самсоно-ва, С.М. Навашина, Е.А. Савельева, Э.В. Рабышко, А.Н. Пушкова, Л.Д. Лосевой, М.И. Яхкинда, К.Р. Таранцевой и др.

Целью исследования является разработка ресурсосберегающей сорб-ционной технологии извлечения р-лактамов из технологических сред, позволяющей снизить загрязнённость сточных вод химико-фармацевтических производств за счёт уменьшения номенклатуры и объёмов применяемых органических растворителей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ существующих в мировой практике экстракционных и сорбци-онных технологий извлечения р-лактамов пенициллинового ряда, позволяющий сделать вывод о преимуществах сорбционных технологий за счёт применения меньших объёмов органических растворителей.

2. Разработка сорбционной технологии извлечения р-лактамов, позволяющей сократить номенклатуру и объёмы применяемых органических растворителей: подбор сорбентов, оптимальных параметров химического окисления (температуры, катализаторов, окислителей), составов элюентов.

3. Сравнительный анализ свойств органических растворителей, применяемых в экстракционной и сорбционной технологиях извлечения р-лактамов, способов их регенерации и составов образующихся стоков, подтверждающий минимизацию затрат на их обезвреживание при сорбционном извлечении.

4. Эколого-экономическая оценка предлагаемой сорбционной технологии.

Объектом исследования являются технологические среды химико-фармацевтической промышленности, содержащие р-лактамы пенициллинового ряда, а также стоки, образующиеся на стадии регенерации технологических маточников.

Предметом исследования является технология извлечения и концентрирования Р-лактамов, сокращающая номенклатуру и общий объём применяемых органических растворителей.

В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований: поляриметрический, ВЭЖХ, теоретические расчётные формулы, позволяющие проводить расчёты параметров сорбционных процессов, бактериологические методы для целей биотестирования.

3

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) впервые разработана сорбционная технология извлечения р-лактамов из технологических сред химико-фармацевтических производств с использованием неионогенных полимерных макропористых сорбентов на основе стирола и дивинилбензола с метакрилатами;

2) впервые проведено окисление сорбированных Р-лактамов пеницилли-нового ряда в фазе сорбента с получением полупродуктов для дальнейшей химической трансформации (сульфоксидов бензил- и феноксиметилпенициллина).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1) разработана сорбционная технология извлечения и концентрирования Р-лактамов пенициллинового ряда, позволяющая: исключить из технологического процесса бутилацетат и бутанол путём замены их на ацетон, при этом общий объём органического растворителя уменьшается в 3,5 раза; сократить в 4,5 раза затраты на сырьё; сократить в 3,5 раза расходы тепловой энергии на процесс регенерации; сократить в пять раз выбросы в атмосферу; увеличить выход целевых продуктов в среднем на 10 %;

2) предложены технологические решения по проведению процессов сорбции, обоснованы выбор сорбента, элюента и режимов окисления;

3) проведена сравнительная оценка степени негативного воздействия на окружающую среду кубовых остатков, образующихся на стадиях регенерации растворителей, использующихся при экстракционном и сорбционном выделении Р-лактамов пенициллинового ряда из технологических сред.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Технология сорбционного извлечения р-лактамов из технологических сред и их химического окисления в фазе сорбента Поролас СГ-2Т, позволяющая снизить загрязнённость промышленного стока за счёт исключения из технологического процесса бутилацетата и бутанола с заменой их на ацетон.

2. Технологические решения по проведению процессов сорбции: сорбент неионогенный макропористый Поролас СГ-2Т; химического окисления: перок-сид водорода (33%) в присутствии катализатора натрия вольфрамата; десорбции (состав элюента): ацетон водный 60% с добавлением 2,5% ацетата натрия.

3. Результаты сравнительного анализа воздействия на окружающую среду органических растворителей, применяемых в экстракционной и сорбционной технологиях выделения р-лактамов.

4. Эколого-экономическая оценка предлагаемой сорбционной технологии выделения р-лактамов пенициллинового ряда из технологических сред.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в рамках договора № 42-0263-02 "Разработка и промышленное освоение технологии сорбцион-но-каталитической трансформации бензилпенициллина в 7-АДЦК".

Результаты диссертации использованы в ОАО "Биосинтез" при разработке безэкстракционной технологии выделения р-лактамов пенициллинового ряда из технологических сред путём прямого осаждения. Результаты исследования используются в учебном процессе Пензенской государственной технологичес-

кой академии при подготовке специалистов по направлениям 280202 "Инженерные методы защиты окружающей среды", 240901 "Биотехнология", что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием общепризнанных методов исследования, адекватных предмету, цели и задачам работы; использованием аттестованных и поверенных приборов и оборудования; однородной и представительной выборкой результатов экспериментов, позволяющей при заданной доверительной вероятности определить доверительный интервал значений и судить о сходимости и воспроизводимости представленных данных; апробацией отдельных технологических стадий в реальном производстве; представлением результатов работы на конференциях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на VI Всероссийской научно-практической конференции "Окружающая среда и здоровье" (Пенза, 2007); VII Всероссийской научно-методической конференции "Инновации в науке, образовании и бизнесе" (Пенза, 2009); III научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и образования" (Пенза, 2010); Первом региональном молодежном экологическом форуме "ЭКО-ТЕХНО-2011" (Нижний Новгород, 2011); I Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны" (Пенза, 2011).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 2 патента, 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены диссертантом самостоятельно.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка используемой литературы из 120 наименований, приложения. Основное содержание диссертации включает 125 страниц текста, 34 рисунка, 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, поставлены задачи, решение которых позволяет достичь цели исследования, определены новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первом разделе проведён анализ существующих в мировой практике экстракционных и сорбционных технологий выделения ß-лактамов группы пени-циллинов. Представлен анализ способов получения 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК) и сульфоксидов бензил- и феноксиметилпенициллина (SO-PenX) -ключевых соединений для химического синтеза полусинтетических ß-лактамов.

Выявлено, что на отечественных химико-фармацевтических предприятиях ß-лактамы пенициллинового ряда выделяют из технологических сред с использованием экстракционного метода (рисунок 1). Вначале целевой продукт при подкислении экстрагируют из биосинтетического раствора бутилацетатом,

5

при этом происходит концентрирование выделяемого соединения в органической фазе в форме кислоты. Далее из полученного органического экстракта выделяемое соединение осаждают раствором ацетата калия, выделившийся осадок калиевой соли пенициллина отфильтровывают и промывают бутанолом. Полученный продукт используют для получения 6-АПК. Для получения медицинских субстанций процесс экстракции-реэкстракции повторяют.

Технологическая

Субстанция К-соли Реп X

Рисунок 1 - Технологическая схема экстракционного выделения Р-лактамов пенициллинового ряда

Основным недостатком экстракционной схемы выделения целевых продуктов биосинтеза из технологических сред является необходимость использования значительных объёмов органических растворителей. Так, при получении технических РепХ для производства 6-АПК расход бутилацетата на 1 м3 технологического раствора составляет от 350 до 400 м3, бутанола - от 90 до 110 м3.

Сорбционный метод выделения не требует применения органических растворителей, концентрирование целевых продуктов происходит в фазе полимерной матрицы сорбента. При этом общий объём органических растворите-

лей, входящих в состав элюирующих смесей, в 3-4 раза ниже по сравнению с объёмами органических растворителей, применяемых при экстракции.

Кроме того, упрощается аппаратурное оформление процесса. Если в экстракционной схеме используются противоточные экстракторы-сепараторы, то в сорбционной - сорбционные колонны. На экстракторах-сепараторах периодически образуются стойкие эмульсии органического растворителя в водной фазе, нарушающие штатную работу оборудования, что приводит к аварийному сбросу эмульсии в сборники отработанного нагивного раствора. Содержание бутилаце-тата в отработанном нативном растворе при этом может повышаться до 5 %.

Таким образом, сравнение экстракционных и сорбционных методов позволяет сделать вывод о неоспоримом преимуществе сорбционных методов выделения р-лактамов пенициллинового ряда из технологических сред.

Второй раздел посвящен разработке сорбционной технологии выделения р-лактамов из технологических сред. Изучены сорбционные свойства ионо-генных и неионогенных полимерных адсорбентов по отношению к исследуемым соединениям. С этой целью проводилась серия экспериментов в статических и динамических условиях, результаты которых послужили основой для построения изотерм сорбции, определения констант сорбционного равновесия, определения термодинамических параметров процессов, являющихся индикаторами, позволяющими судить о возможности проведения процесса в целом. В статических условиях эксперимента навеску сорбента загружали в колбы с исследуемым раствором и изучали равновесные состояния сорбент - адсорбат с течением времени при постоянном перемешивании на магнитной мешалке. В динамических условиях - сверху в стеклянную сорбционную колонку (отношение диаметра к высоте 1:8, объём сорбента - 35 мл) подавались растворы исследуемого вещества или элюента и на выходе из неё определялось содержание основного вещества во фракциях определённого объёма.

Разработка сорбционной технологии включала следующие этапы:

1) подбор сорбента и состава элюента на основании данных экспериментов, проведённых на модельных растворах р-лактамов пенициллинового ряда;

2) оценка изменения селективности сорбента по отношению к р-лактамам пенициллинового ряда, основанная на данных сорбционно-десорбционных экспериментов, проведённых с промышленными технологическими средами;

3) оценка пригодности выбранного сорбента к сорбционно-десорбцион-ному процессу по отношению к продуктам окисления р-лактамов пенициллинового ряда;

4) определение ёмкости по целевым продуктам и стабильности характеристик выбранного сорбента в динамических условиях;

5) подбор технологических параметров химического окисления целевых соединений, находящихся в фазе выбранного сорбента.

Перечисленные этапы последовательно повторялись по отношению к каждому из исследуемых сорбентов.

На первом этапе осуществлялся подбор сорбента из группы ионитов. Исследования проводились на модельных растворах, представляющих собой

растворённые в дистиллированной воде калиевые соли бензилпенициллина (PenG) и феноксимегилпенициллина (PenV), относящиеся к классу Р-лактамов.

Из модельных растворов в динамических условиях проводили сорбцию наслабоосновные аниониты: АН-108-7; АН-ВП-1А; АН-120; АН 221; АН-20; АМ-6. Выбор сорбентов обусловлен тем, что калиевые соли PenG и PenV являются солями одноосновной карбоновой кислоты и могут участвовать в ионном обмене в форме однозарядного аниона. Ёмкость каждого из анионитов составляла около 200 г-л"1.

а б

Рисунок 2 - Профили элюции (модельный раствор) с низкоосновных анионитов сульфатом аммония (0,2 М-экв/л) для Репв (а) и для РепУ (б): по оси абсцисс -объем элюата, мл; по оси ординат - массовая концентрация Реп X в элюате, мг-мл"1

Основной задачей являлась оценка возможности десорбции с получением концентрированных элюатов, позволяющих использовать их для выделения целевых продуктов. В ходе сорбционно-десорбционных экспериментов на основании полученных профилей элюции (рисунок 2) был выбран анионит АМ-6. Далее было выявлено, что раствор сульфата аммония с концентрацией 0,5 М-экв/л, используемый в качестве элюента с анионита АМ-6, обладает максимальной элю-ирующей способностью.

Поскольку промышленная технологическая среда в своём составе, кроме Р-лактамов пенициллинового ряда, содержит посторонние соединения органической и неорганической природы, неоднозначно влияющие на процесс сорбции-десорбции, необходимо было провести оценку изменения селективности анионита АМ-6 по отношению к выделяемым веществам в их присутствии. Выявлено, что концентрация получаемых в ходе десорбции элюатов в три раза ниже, чем при работе с модельными растворами. Кроме того, содержащиеся в элюатах примеси не позволяют выделить из них 6-АПК.

Дальнейшие исследования по выбору сорбента проводили на модельных растворах с использованием макропористого неионогенного сорбента Поро-лас Т, являющегося сополимером стирола и дивинилбензола. Выбор сорбента

8

обусловлен тем, что известно применение Пороласа Т при сорбционном выделении р-лактамного антибиотика - цефалоспорина С.

по оси абсцисс - объём элюата, мл

Показано (рисунок 3), что Р-лактамы пенициллинового ряда (Репв - бен-зилпенициллин; РепУ - феноксиметилпенициллин) имеют значительное сродство к сорбенту Поролас Т. Равновесная сорбционная ёмкость Пороласа Т по Репв составляет 60 г-л-1, по РепУ - 70 г-л'1. Форма изотерм сорбции позволяет предположить, что сорбция проходит по мономолекулярному типу, что позволяет использовать линейную форму уравнения Ленгмюра

с _ 1

А~ А.К*А„С

для расчёта констант сорбционного равновесия (К) (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристики процесса сорбции Репв и РепУ на Поролас Т

Температура, °К Константа сорбционнош равновесия РепО Константа сорбционного равновесия РепУ

283 8140 ±500 12000±1000

293 3340 ±200 9000 ± 400

303 2330 ±200 8500 ±500

На их основе рассчитаны изменение энергии Гиббса (дС), определены

величины изменения энтальпии (аЯ) и энтропии ( системы при сорбционном процессе (таблица 2).

Таблица 2 - Изменение термодинамических функций в процессе сорбции Репв и РепУ на сорбент Поролас Т

Соединение Изменение термодинамических функций, кДж моль"1

-ЬС _дн Т- д5

Репв 19,6 ± ОД 13,2 ±0,3 6,4 ± 0,5

РепУ 22,2 ±0,2 13,5 ±0,3 8,7 ± 0,5

Как следует из представленных в таблице 2 данных, вклад энтальпийной составляющей в избирательность сорбции выше, чем энтропийной, что связано с достаточно сильным дисперсионным взаимодействием исследуемых веществ с полимерной матрицей сорбента. Избирательность сорбции на Поролас Т РепУ выше, чем РепС.

Изучение влияния состава внешнего раствора на равновесное распределение р-лактамов пенициллинового ряда между фазами раствора и сорбента Поролас Т при температуре 293 °К являлось основой для подбора состава элюента для десорбции целевого продукта. В качестве элюента предложен 30% водный раствор изопропилового спирта.

Далее проводили сравнительную оценку изменения избирательности Поро-ласа Т при проведении процессов сорбции-десорбции в присутствии посторонних примесей, содержащихся в промышленных технологических средах. Показано, что концентрация элюагов, полученных с использованием промышленных технологических сред, в полтора раза ниже, чем при работе с модельными растворами. Выделенная из таких элюагов 6-АПК не соответствовала установленным требованиям из-за наличия значительных количеств балластных примесей. Сделан вывод о необходимости предварительной очистки промышленных технологических сред.

Дальнейший поиск сорбента, обладающего большей селективностью, для извлечения |3-лактамов пенициллинового ряда продолжили в экспериментах с использованием сорбентов, синтезированных на основе стирола, дивинилбен-зола с добавлением метакрилатов, повышающих их гидрофильность. Испытания проводились в статических условиях на модельных растворах.

На основе зависимости сорбционной ёмкости (г/л) от времени выбраны перспективные для дальнейшего исследования сорбенты: СГ-2Т, 494АЕ, 439АЕ (рисунок 4).

20 40 60 80 100 — 206ГС-»- 211ГС—А-СГ-2Т '-430АЕ^-439АЕ-в-494АЕ —483АЕ-413АЕ—-412АЕ

20 40 СО 80 100 206ГСНК—211ГС СГ-2Т 430АЕ —439АЕ -«-494АЕ -483АЕ-413АЕ —412АЕ

а б

Рисунок 4 - Изменение сорбционной ёмкости исследуемых образцов сорбентов во времени для РетЮ (а) и для РепУ (б): по оси ординат - сорбционная ёмкость, мг-мл"1; по оси абсцисс - время, мин

Так как в процессе окисления р-лактамов пенициллинового ряда образуется сульфоксид соответствующего пенициллина (БО-РепХ), использующийся в последующем синтезе р-лактамов цефалоспоринового ряда, необходимо было изучить его сорбционные характеристики на отобранных образцах сорбентов. С этой целью изучали равновесное распределение сульфоксида Репв между фазами сорбент-раствор (рисунок 5).

Рисунок 5 - Изотермы сорбции ЭО-РепХ из водных растворов на исследуемых сорбентах при 293 °К, рН = 6,0: по оси ординат - сорбционная емкость по БО-РепХ, г-л"1; по оси абсцисс - равновесная концентрация БО-РепХ в фазе раствора, г-л'1

Как видно из рисунка 5, выбранный ранее сорбент Поролас СГ-2Т максимально селективен и по отношению к БО-РепХ, что подтверждает перспективность его использования в разрабатываемой нами сорбционной технологии.

Сравнение кинетических кривых сорбции из модельных растворов на Поролас Т и на Поролас СГ-2Т (рисунок 6) показало, что скорость достижения равновесия при использовании последнего также выше.

Рисунок 6 - Кинетическая кривая процесса сорбции Реп в, Реп V и 80-РепХ на Поролас СГ-2Т из водных растворов при 20 "С: по оси ординат -степень достижения равновесия; по оси абсцисс - время, мин

В ходе экспериментов была определена равновесная ёмкость Пороласа СГ-2Т по отношению к исследуемым соединениям: по БО-РепХ она составляет 82 гл-1, в пересчёте на соответствующую кислоту; по РепО - 70,0 гл"1, в пересчёте на РепО в форме кислоты; РепУ - 75,0 гл-1, в пересчёте на РепУ в форме кислоты.

Известно, что значительное влияние на сорбционные характеристики оказывает состав внешнего раствора. Изменение его полярности или гидрофобнос-ти приводит к смещению равновесия сорбции, являясь основой для изучения свойств сорбента и подбора состава элюента. С этой целью снимались изотермы

Рисунок 7 - Изотермы сорбции БО-РепХ из 30% водно-ацетонового раствора при 293 °К, рН = 6,0: по оси ординат - сорбционная емкость, г-л"1; по оси абсцисс -равновесная концентрация БО-РецХ в растворе, г-л"1

Как видно из рисунка 7, добавление ацетона в фазу внешнего раствора снижает избирательность сорбции Р-лактамов пенициллинового ряда.

Минимальной избирательностью по БО-РепХ, в процессе его сорбции из водного ацетона, обладает сорбент Поролас СГ-2Т. Это свойство обеспечивает получение более концентрированых по БО-РепХ элюатов при применении Пороласа СГ-2Т.

Таким образом, на основании результатов исследования выбран сорбент Поролас СГ-2Т как наиболее перспективный для создания технологии сорбци-онного извлечения в-лактамов пенициллинового ряда из технологических сред.

На следующем этапе проводилось определение динамической ёмкости сорбента Поролас СГ-2Т по отношению к исследуемым соединениям. Выявлено, что динамическая ёмкость по БО-РепХ составляет до 65,0 г/л*1, в пересчёте на соответствующую кислоту; по РепО - до 56,0 г-л1, в пересчёте на Репв в форме кислоты; по РепУ - до 63,0 гл"', в пересчёте на РепУ в форме кислоты.

Исследования процессов десорбции БО-РепХ из фазы сорбента Поролас СГ-2Т в динамических условиях проводили, основываясь на результатах равновесного распределения вещества между фазами сорбента и внешним раствором (рисунок 8).

Мяссомя концентрация S^P.nX • 1лю»т», мг- млг1

100

80

60

"I I

,—I-

Объсмялюата, выходящего ик колонны, мл

IN)

Рисунок 8 - Динамика изменения концентрации БО-РепХ в процессе десорбции: 1 - 60% водный ацетон с 2,5% ацетатом натрия; 2 - 60% водный ацетон

Как видно из рисунка 8, увеличение ионной силы внешнего водно-ацетонового раствора усиливает его десорбирующую силу. Поэтому раствор 1 предложено использовать в качестве элюента.

Таким образом, в результате проведённых исследований: выбран сорбент Поролас СГ-2Т для разработки технологического процесса извлечения натив-ных Р-лактамов из технологических сред; определена ёмкость сорбента Поролас СГ-2Т по PenG, PenV и SO-PenX; подобран состав элюента - 60% водный раствор ацетона с 2,5% ацетатом натрия.

Исследование процессов окисления р-лактамов, сорбированных из модельных растворов и находящихся в фазе сорбента, проводилось с целью исключения из технологического процесса промежуточной стадии - выделения калиевых солей PenG и PenV. Это позволяет сразу в фазе сорбента получать SO-PenX - ключевой продукт для дальнейшего химического синтеза полусинтетических р-лактамов цефалоспоринового ряда.

В серии экспериментов, где переменными параметрами были количество катализатора вольфрамата натрия (Na2W04 ■ 2Н20) и окислителя пероксида водорода (33%), установлено, что полноту трансформации обеспечивают следующие параметры: соотношение сорбированного р-лактама к катализатору - (14,015,0): 1,0 (по массе); мольное соотношение пероксида водорода (33%) к сорбированному Р-лактаму 1:0,15 (моль).

Элюаты анализировали методом ВЭЖХ и по площадям пиков на хроматог-раммах оценивали количества окисленного и неокисленного соединения (рисунок 9). Эффективная концентрация окислителя соответствует отсутствию пика неокисленного соединения. Затем аналогичным образом определяли минимально необходимое количество катализатора вольфрамата натрия (1Va2tVOA ■ 2 НгО).

Рисунок 9 - Графическое изображение ВЭЖХ-хроматограмм элюагов SO-PenX с Пороласа СГ-2Т при различном мольном соотношении перекиси водорода к РепХ: А - мольное соотношение 1:0,21; Б-мольное соотношение 1:0,18;

В - мольное соотношение 1:0,15; 1 — пик SO-PenX; 2 - пик РепХ

В ряде экспериментов, где переменными параметрами были время и температура, установлено, что при температуре от 5 до 8 "С в течение от 180 до 240 минут достигается практически количественная трансформация сорбированного соединения в SO-PenX.

С целью установления стабильности сорбционных характеристик при воздействии на Поролас СГ-2Т химических агентов проводилось 7 последовательных циклов сорбции, трансформации Pen X в SO-PenX и десорбции в динамических условиях. Установлено, что в фазе сорбента не наблюдается изменений основных показателей процесса, т.е. выбранный сорбент имеет высокую химическую, механическую стабильность и пригоден для многократного использования в технологическом цикле.

Таким образом, впервые показана возможность прямого окисления р-лак-тамов пенициллинового ряда в фазе сорбента без выделения их калиевых солей и определены параметры этого процесса.

Третий раздел посвящен технологии сорбционного извлечения Р-лак-тамов из промышленных технологических сред, окисления их в фазе сорбента и выделения из фазы сорбента промежуточных продуктов (PenV и SO-PenX) для последующего получения полусинтетических р-лактамов пенициллинового и цефалоспоринового ряда.

Для предварительной очистки технологических сред от балластных примесей, существенно снижающих сорбционную ёмкость адсорбентов, в технологический процесс ввели стадию микрофильтрации на мембранном аппарате с полыми волокнами.

Разработанная сорбционная технология выделения р-лактамов представлена в виде схем I и II (рисунок 10).

Схема I предложена для выделения SO-PenX, направляемого на стадии синтеза 7-ФДЦК (7-фенилацетамидо-З-дезацетокси-З-ем-цефалоспорановой кислоты) и далее - для получения полусинтетических р-лактамов цефалоспори-

нового ряда. Схема I состоит из следующих стадий: микрофильтрация, сорбция Р-лактамов пенициллинового ряда из технологической среды на Поролас СГ-2Т; промывка сорбента водой; химическое окисление соединений, находящихся в фазе сорбента пероксидом водорода (33%) в присутствии катализатора воль-фрамата натрия (Маг1УОА -2Я20), промывка водой, десорбция 60% водным ацетоном с добавлением 2,5% раствора ацетата натрия.

Промышленная

технологическая среда

Рисунок 10 - Технологические сорбционные схемы I и II получения полусинтетических р-лактамов

Полноту окисления обеспечивают: соотношение сорбированного Р-лак-тама к катализатору - (14,0-15,0):1,0 (по массе); мольное соотношение перокси-да водорода (33%) к сорбированному р-лактаму 1:0,15 (моль).

Концентрированные элюаты подкисляли до величины водородного показателя от 1,6 до 1,8 рН, 10% раствором Н2804, выпавший в осадок БО-РепХ отфильтровывали, промывали водой, высушивали.

Схема II предложена только для РепУ, направляемого на энзиматическое дезацилирование и получение 6-АПК - полупродукта для дальнейшего синтеза полусинтетических Р-лакгамов пенициллинового ряда. Схема II состоит из следующих стадий: микрофильтрация; сорбция РепУ из технологической среды на

Поролас СГ-2Т; промывка сорбента водой; десорбция 60% водным ацетоном с добавлением 2,5% ацетата натрия; отгонка ацетона; осаждение РепУ добавлением 10% раствора Н3804до значения водородного показателя (1,7-1,9) рН; фильтрация; высушивание технической кислоты РепУ.

Полученные в соответствии с разработанной технологией образцы 50-РепХ и 6-АПК соответствовали установленным по отношению к ним стандартным требованиям.

Как видно из представленных схем I и II, предлагаемая сорбционная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с экстракционной. Во-первых, она позволяет получать два продукта: БО-Реп X и РепУ в форме кислоты, для получения полусинтетических р-лактамов как цефалоспоринового, так и пенициллино-вого ряда на одном и том же оборудовании, что выгодно и с технологической, и с экономической точки зрения. Во-вторых, применение сорбционной схемы выделения позволяет исключить бутилацетат и бутанол из технологического процесса путём замены их на ацетон, при этом объём ацетона, применяемого в составе элюента, в 3,5 раза ниже общего объёма бугилацетата и бутанола.

Таким образом, разработана ресурсосберегающая альтернативная сорбционная технология выделения р-лактамов из технологических сред.

В четвёртом разделе проведены сравнительный анализ свойств органических растворителей, применяемых в экстракционной и сорбционной технологиях, и эколого-экономическая оценка предлагаемой сорбционной технологии.

Сравнение экстракционной и сорбционной схем выделения Р-лактамов проводили по следующим критериям: способ регенерации применяемых органических растворителей; возможность обезвреживания технологических стоков; степень воздействия кубовых остатков, образующихся в ходе регенерации, на окружающую среду.

Различия в способах регенерации органических растворителей, применяемых в экстракционной и сорбционной схемах, обусловлены различием их физико-химических свойств.

Сложность технологических схем регенерации бугалацетата (Т^ = 126,3 °С) и бутанола (Т^ = 117,4 °С) обусловлена тем, что данные органические вещества являются высококипящими и дающими тройные гетероазеотропы. Кубовые остатки, полученные после первого цикла регенерации, содержат значительные количества основных веществ (таблица 3), поэтому их направляют на дополнительную стадию обезвреживания - улавливание, а затем после предварительного разбавления отправляют на очистные сооружения предприятия.

В отличие от них ацетон - легко кипящее органическое соединение. Процесс регенерации (рисунок 11) проходит без образования азеотропов и при более низкой температуре (от 56 до 65 °С). Состав образующихся кубовых остатков позволяет без дополнительных приёмов улавливания разбавлять их и направлять на биологические очистные сооружения предприятия.

В процессе регенерации неизбежны потери, связанные с испарениями органических веществ в атмосферу.

Таблица 3 - Сравнительный анализ кубовых остатков процесса регенерации органических растворителей

Регенерируемые вещества Содержание основного вещества в кубовом остатке, мг/л Концентрации веществ, максимально допустимые для биологической очистки, мг/л Эффективность удаления на сооружениях биологической очистки сточных вод, % Кратность разбавления кубовых остатков перед приёмом на станции биологической очистки предприятия, раз

Экстракционное выделение Бутил ацетат: - азеотропная дистилляция, в т.ч бутанол - улавливание 2000 3000 1000 0,1 40 104

Бутанол: - ректификация, в т.ч. бутилацетат - улавливание 1000 5000 1000 10 95 ю2

Сорбционное выделение Ацетон: - ректификация 3000 40 95 75

Водно-ацетоновый маточник с основной технологической стадии, основное вещество - (45-50) %

Промывные воды со вспомогательных стадий подготовки оборудования

Ректификация, температура (55-65)°С

Охлаждение

Отработанный маточник: ацетон -до 0,3 %

Биологическая очистка

Регенерированный ацетон на

технологические нужды: основное вещество - (95-97) %

Рисунок 11 - Схема образования, состав и обезвреживание ацетонсодержащих отходов (сорбционная схема)

Как видно из таблицы 4, потери за счёт испарения растворителей в процессе регенерации ацетона в 2 раза ниже по сравнению с бутанолом и в три раза ниже по сравнению с бутилацетатом.

Таблица 4 - Выход целевых растворителей на стадии их регенерации

Вещество Выход на стадии регенерации, % Потери за счёт испарения (в 100%-м исчислении), % Класс опасности вещества ПДК в воздухе рабочей зоны, максимальная разовая доза, мг/м3

Экстракционное выделение: - бутилацетат - бутанол 94-96 1,0 4 200

92-95 0,6 3 30

Сорбционное выделение: - ацетон 95-97 0,27 4 200

Сравнение схем регенерации и данных таблиц 3, 4 позволяет судить о преимуществах использования ацетона по сравнению с бутилацетатом и бутанолом.

Кубовые остатки - многокомпонентная система, оценить опасность которой методами количественного химического анализа не всегда представляется возможным.

Поэтому в данной работе предложено использовать биотестирование как способ сравнительной оценки потенциальной опасности сложных по составу кубовых остатков, образующихся после регенерации органических растворителей: бутилацетата, бутанола и ацетона.

Изложена методика анализа с использованием в качестве тест-объекта Escherichia coli. Критерием оценки данных биотестов в соответствии с этой методикой являются кривые длительности выживания тест-организмов под влиянием химических ингредиентов сточных вод (рисунки 12, 13, 14).

О 10 20 30

—»-смесь №1 -«-смесь №2

-т*-смесь№3 -^-смесь №8 (контроль)

Рисунок 12 - Влияние ацегонсодержащих кубовых остатков на выживаемость тесг-культуры Esherichia coli 20000 кол/мл: по оси ординат -количество колоний тест-обьекта; по оси абсцисс - время, ч; смесь 1 - автоклавированная природная вода - ацегонсодержащий кубовый остаток 2 г/л, смесь 2 - автоклавированная природная вода - ацетонсодержащий кубовый остаток 4 г/л, смесь 3 - автоклавированная природная вода - ацетонсодержащий кубовый остаток 6 г/л, смесь 8 - автоклавированная природная вода

—•—смесьД —смесьБ —Лг-смвеь8

Рисунок 13 - Влияние различных концентраций бутанольного кубового остатка на выживаемость тест-культуры Esherichia coli 20000 кол/мл: по оси ординат -количество колоний тест-обьекта; по оси абсцисс - время, ч; смесь 4 - автоклавированная природная вода - бутанольный кубовый остаток 2 г/л, смесь 5 - автоклавированная природная вода - бутанольный кубовый остаток 1 г/л, смесь 8 - автоклавированная природная вода

—♦—смесьб —емесь7 —*— r.wficb8

Рисунок 14 - Влияние различных концентраций бутилацетатного кубового остатка на выживаемость тест-культуры Esherichia coli 20000 кол/мл: по оси ординат -количество колоний тест-обьекта; по оси абсцисс - время, ч; смесь 6 — автоклавированная природная вода - бутилацетатный кубовый остаток 1 г/л, смесь 7 - автоклавированная природная вода — бутилацетатный кубовый остаток 0,5 г/л, смесь 8 - автоклавированная природная вода

Степень угнетения роста тест-объекта при контакте с испытуемой средой напрямую зависит от степени потенциальной опасности стока для окружающей среды. Таким образом, оценка длительности выживания тест-объекта Escherichia coli позволяет оценить степень токсичности кубовых остатков.

Анализ кривых выживания микробной тест-культуры после контакта с кубовыми остатками процесса регенерации органических растворителей позволяет сделать вывод о меньшей потенциальной опасности ацетонсодержащего стока по сравнению с бутанол- и бутилацетатным стоками. Показатель резкого снижения выживаемости тест-объекта после контакта с ацетонсодержащими кубовыми остатками (в граммах кубового остатка / 1л смеси) в 3 раза ниже по сравнению с бутанолом и в 6 раз ниже по сравнению с бутилацетатом.

Оценка экономической эффективности от замены экстракционной технологии извлечения Р-лактамов пенициллинового ряда на сорбционную показала общее снижение затрат на производство за счёт экономии текущих издержек на сырьё, топливо, а также за счёт увеличения выхода целевого продукта.

Данные расчётов представлены в таблицах 5, 6, 7.

Таблица 5 - Сравнительная оценка количества тепловой энергии, расходуемой на процесс регенерации растворителей, в пересчёте на 1 т технологической среды

Вещество Удельная теплоёмкость, кДж/(°Скг) Теплота испарения, кДж/кг Расход вещества на 1 т технологической среды, кг Приблизительный расход тепла на регенерацию 1 т органического вещества, кДж

Экстракционное выделение: - бутанол М.м. 74,12 - бутилацетат М.м. 116,16 2,39 706,3 80-100 75050,4-93813,0 (20-117)°С

1,96 312,3 350-400 182707,0-209236 (20-127)°С

Сорбционное выделение: - ацетон М.м. 58,08 2,17 533,6 120-140 73666,8-85944,6 (20-57)°С

Примечание. Расчёт сделан без учёта дополнительного расхода тепла на стадиях улавливания бутилацетата и бутанола.

Таблица 6 - Оценка затрат на сырьё (органические растворители) в стоимостном исчислении, в пересчёте на 1 т технологической среды

Технология выделения Вещество Стоимость 1 т сырья, тыс. руб Стоимость сырья, в пересчёте на 1 т на-тивного раствора, тыс. руб

Экстракционная Еутанол 48,000 3,842-4,80

Бутилацетат 63,500 22,23-25,40

Сорбционная Ацетон 47,000 5,60-6,58

Таблица 7 - Сравнение выхода целевого продукта, получаемого по экстракционной и сорбционной технологиям

Технология выделения Общий выход, %

Экстракционная 65-70

Сорбционная: - с выделением БО-РепХ - с выделением РепУ в форме кислоты 81,0-85,0

83,0-86,0

Таким образом, полученные результаты позволили сделать вывод, что сорбционная технология извлечения р-лактамов из технологических сред имеет как технологические, так и экологические преимущества по сравнению с экстракционной, так как:

-объём используемого ацетона уменьшился в 3,5 раза по сравнению с общим объёмом бутилацетата и бутанола, применяемых в экстракционной технологии;

- затраты тепловой энергии на регенерацию ацетона в 3,5 раза меньше, чем на регенерацию бутилацетата и бутанола;

- затраты, связанные с закупкой органических растворителей для сорб-ционного выделения нативных пенициллинов, в 4,5 раз ниже по сравнению с экстракционным выделением;

- потери, связанные с испарением органических веществ в атмосферу в процессе их регенерации, у ацетона в три раза ниже, чем у бутилацетата и в два раза ниже, чем у бутанола.

- выход полупродуктов для дальнейшего синтеза р-лакгамов в сорбцион-ной схеме выше, чем экстракционной на (10-15)%

Методики экспериментов, теоретические подходы и результаты, полученные в процессе разработки сорбционной технологии извлечения р-лактамов из технологических сред, используются на ОАО "Биосинтез", а также для проведения комплекса НИР по замене экстракционного выделения фузидина из биосинтетических сред на сорбционный, проводимых в рамках НОЦ "Биотехнологии и техносферная безопасность" кафедры БТБ Пензенской государственной технологической академии.

В приложениях А, Б, В приведены акты использования результатов работы.

Приложение А. Акт апробации технологии безэкстракционного выделения р-лакгамов пенициллинового ряда на ОАО "Биосинтез".

Приложение Б. Акт внедрения результатов исследования в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 280202 "Инженерные методы защиты окружающей среды" и по направлению 240901 "Биотехнология".

Приложение В. Акт о проведении НИР в рамках НОЦ "Биотехнологии и техносферная безопасность" кафедры БТБ Пензенской государственной технологической академии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Впервые разработана сорбционная технология извлечения Р-лактамов пенициллинового ряда с использованием неионогенного макропористого сорбента Поролас СГ-2Т на основе стирола, дивинилбензола с метакрилатами, позволяющая сократить в 2 раза номенклатуру и в 3,5 раза общий объём органических растворителей по сравнению с применяемыми в экстракционной технологии.

2. Впервые проведено окисление р-лактамов пенициллинового ряда, находящихся в фазе сорбента. Определены параметры химического окисления: температура (5-8) °С; окислитель - пероксид водорода (33%); катализатор - натрия вольфрамат. Соотношение сорбированного р-лактама к катализатору- (14,015,0): 1,0 (по массе). Мольное соотношение пероксида водорода (33%) к сорби-

рованному ß-лактаму 1: 0,15 (моль). Выбран состав элюента: 60% водно-ацетоновый раствор с добавлением 2,5% ацетата натрия.

3. Проведен сравнительный анализ свойств органических растворителей, применяемых в экстракционной и сорбционной технологиях извлечения ß-лак-тамов пенициллинового ряда, способов их регенерации, составов кубовых остатков. Показано преимущество технологии регенерации низкокипящего ацетона по сравнению с высококипящими и образующими гетероазеотропы бутила-цетатом и бутанолом, так как образующиеся ацетонсодержащие кубовые остатки соответствуют требованиям приёма на биологические очистные сооружения предприятия, а бутилацетат и бутанолсодержащие кубовые остатки требуют дополнительного обезвреживания.

4. Проведена эколого-экономическая оценка предлагаемой сорбционной технологии. Показано, что:

- степень негативного воздействия кубовых остатков, образующихся при регенерации ацетона, используемого в сорбционной схеме выделения, в 3 раза ниже, чем кубовых остатков от регенерации бутанола и в 6 раз ниже, чем кубовых остатков от регенерации бутилацетата, используемых в экстракционной схеме выделения ß-лактамов пенициллинового ряда;

- затраты тепловой энергии на регенерацию ацетона в 3,5 раза ниже, чем на регенерацию бутилацетата и бутанола;

- затраты, связанные с закупкой органических растворителей для сорб-ционного выделения нативных пенициллинов в 4,5 раза ниже по сравнению с экстракционным выделением;

- потери, связанные с испарением органических веществ в атмосферу в процессе их регенерации, у ацетона ниже в три раза по сравнению с бутилацета-том и в два раза ниже по сравнению с бутанолом;

- выход полупродуктов для дальнейшего синтеза ß-лактамов в сорбционной схеме выше, чем в экстракционной в среднем на 10 %;

- с применением сорбционной схемы возможно получение двух соединений PenV и SO-PenX, являющихся полупродуктами для дальнейшей трансформации, с целью получения ß-лактамов как пенициллинового, так и цефалоспо-ринового ряда.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах перечня ВАК

1. Таранцева K.P., Фирсова Н.В., Марынова М.А. Биотестирование как инструмент принятия экологически обоснованных технологических решений // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. - 2011. - № 26. - С. 592 - 596.

2. Таранцева K.P., Мызников А.О., Логвина O.A., Марынова М.А. Моделирование состава сточных вод, поступающих на очистные сооружения // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. - 2011. - № 26. - С. 677 - 682.

3. Таранцева K.P., Марынова М.А., Андреев С.Ю. Технология обезвреживания формальдегидосодержащих промышленных стоков // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. - 2011. - № 26. - С. 671 - 677.

Патенты

4. Способ получения сульфоксида бензил- и феноксиметилпенициллина: Патент 2059640 Рос. Федерация / Савельев Е.А., Пушков А.Н., Богатков Л.Г., Сафиуллина М.А.

5. Метод получения очищенного феноксиметилпенициллина: Патент 2088585 / Савельев Е.А., Пушков А.Н., Сафиуллина М.А., Носов И.А., Соколов В.Н.

Публикации в других изданиях

6. Марынова М.А., Логвина O.A., Мызников А.О. Загрязнение вод АПАВ на примере очистных сооружений г. Пензы // ЭКО-ТЕХНО-2011 : Сборник материалов регионального экологического форума. - Н. Новгород, 2011. - С. 123 - 125.

7. Марынова М.А., Кузьмин A.A., Петренко H.A. Оценка негативного воздействия предприятия химико-фармацевтической промышленности на гидросферу и разработка природоохранных мероприятий // ЭКО-ТЕХНО-2011 : Сборник материалов регионального экологического форума. - Н. Новгород, 2011. - С. 134 - 136.

8. Фирсова О.В., Коростелева A.B., Яхкинд М.И., Марынова М.А. Замена химических процессов на биотехнологические - тенденция нашего времени // Молодежь и наука : модернизация и инновационное развитие страны: Сборник материалов I Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 205 - 207.

9. Марынова М.А., Таранцева K.P., Фирсова Н.В. Анализ промышленных стоков производства антибиотиков U Актуальные проблемы науки и образования : Сборник материалов IV научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Факультет "Институт образовательных технологий". - Пенза :ПГТА, 2011.-С. 26-31.

10. Марынова М.А., Таранцева K.P., Фирсова Н.В. Требования, предъявляемые к производству лекарственных препаратов // Актуальные проблемы науки и образования : Сборник материалов IV научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Ч. 3. Факультет "Институт образовательных технологий". - Пенза : ПГТА, 2011. - С. 84 - 90.

11. Марынова М.А., Бражникова E.H., Яшкина Е.А., Фирсова Н.В. Анализ воздействия на окружающую среду ОАО "Биосинтез" с предложением природоохранных мер // Актуальные проблемы науки и образования : Сборник материалов III научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Ч. 3. Факультет "Институт образовательных технологий". — Пенза : ПГТА, 2010.-С. 166- 168.

12. Марынова М.А., Галаева Ю.Е., Бубнова Н.Я. Анализ техногенной нагрузки предприятия с разработкой природоохранных мер // Актуальные проблемы науки и образования : Сборник материалов II научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Ч. 3. Факультет "Институт образовательных технологий". - Пенза: ПГТА, 2009. - С. 213 - 218.

МАРЫНОВА Марина Александровна

СНИЖЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ СТОЧНЫХ ВОД ХИМИКО-ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ СОРБЦИОННЫМ ВЫДЕЛЕНИЕМ ß-ЛАКТАМОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Л.Ю. Горюнова Компьютерная верстка Д.Б. Фатеева, Е.В. Рязановой

Сдано в производство 14.02.12. Формат 60x84 '/|6 Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,41. Заказ № 2128. Тираж 100.

Пензенская государственная технологическая академия. 440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ ул. Гагарина, 1а/11.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Марынова, Марина Александровна, Пенза

61 12-5/2115

ФГБОУ ВПО «ПЕНЗЕНСКАЯ ЕОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

МАРЫНОВА МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

СНИЖЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ СТОЧНЫХ ВОД ХИМИКО-ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ СОРБЦИОННЫМ ВЫДЕЛЕНИЕМ р-ЛАКТАМОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Таранцева К.Р.

ПЕНЗА-2012

Содержание

Введение 4 Раздел 1 Литературный обзор....................................................... 7

1.1 Характеристика сточных вод химико-фармацевтических

производств..........................................................................................................................................................7

1.2 Способы снижения загрязнённости сточных вод производства Р-лактамов пенициллинового ряда................................................................................................8

1.3 Природные и полусинтетические (3-лактамные антибиотики 11 1.3.1 Способы получения сульфоксидов природных пенициллинов 19

1.4 Экстракционные схемы выделения природных пенициллинов и способы получения 6-АПК и сульфоксидов пенициллинов, применяемые в мировой практике..................................................................... 23

1.5 Безэкстракционные методы выделения природных пенициллинов, существующие в мировой практике............................................... 28

1.5.1 Сорбционные методы выделения природных пенициллинов 29

1.6 Экстракционная схема выделения Р-лактамов пенициллинового ряда, применяемая в отечественной химико-фармацевтической промышленности....................................................................... 35

1.7 Характеристика сорбентов, применяемых в химико-

фармацевтическом производстве...................................................... 39

1.8 Общие подходы к сорбции органических веществ из растворов.......... 42

1.9 Адсорбция растворенного в жидкости вещества на твердом сорбенте... 45

1.10 Выводы по разделу 1............................................................... 51

1.11 Постановка задач исследования................................................. 52

Раздел 2 Разработка сорбционной технологии выделения

р-лактамов.............................................................................. 53

2.1 Общие этапы проведения исследования........................................ 53

2.2 Характеристика используемых Р-лактамов пенициллинового ряда и промежуточных полупродуктов...................................................... 54

2.3 Методика постановки экспериментов в статических и динамических условиях.................................................................................... 55

2.4 Исследование процессов сорбции и десорбции растворов Р-лактамов

пенициллинового ряда на низкоосновных анионитах......................................................57

2.5 Характеристика полимерного молекулярного сорбента Поролас Т и методика подготовки к работе..................................................................................................................61

2.6 Исследование сорбции растворов (3-лактамов пенициллинового ряда на макропористых неионогенных сорбентах..............................................................................62

2.7 Подбор эффективного элюента......................................................................................................76

2.8 Исследование процессов трансформации Репв, РепУ в 80-РепХ в фазе сорбента Поролас СГ-2Т.....................................................................................................79

2.9 Исследование сорбции растворов РепО, РепУ и 80-РепХ на

Поролас СГ-2Т в динамических условиях....................................................................................81

2.10 Выводы по разделу 2..............................................................................................................................84

Раздел 3 Технология сорбционного извлечении Р-лактамов из

Промышленных технологических сред....................................................................................86

3.1 Схемы сорбционного выделения (3-лактамов пенициллинового ряда.... 86

3.2 Выводы по разделу 3................................................................................................................................91

Раздел 4. Эколого-экономическая оценка предлагаемой сорбционной

технологии................................................................................................................................................................92

4.1 Сравнение схем регенерации органических растворителей................................92

4.2 Применение биотестирования для сравнительной оценки потенциальной опасности кубовых остатков процесса регенерации органических растворителей............................................................................................................................................................100

4.3 Оценка ресурсосберегающих преимуществ сорбционной технологии... 106

4.4 Выводы по разделу 4................................................................................................................................107

Заключение................................................................................................................................................................109

Общие выводы по работе............................................................................................................................112

Список литературы..........................................................................................................................................114

Приложения

Введение Актуальность темы исследования

Извлечение и регенерация растворителей, применяемых в химико-фармацевтической промышленности при производстве лекарственных средств, является острой проблемой. Значительные количества органических растворителей используются на стадиях экстракционного извлечения и концентрирования при производстве (3-лактамов пенициллинового ряда.

Альтернативным ресурсосберегающим способом извлечения и концентрирования |3-лактамов является сорбционный метод, позволяющий: извлечь необходимое соединение из технологической среды; сократить номенклатуру и объёмы используемых органических растворителей; значительно снизить расходы на их регенерацию и обезвреживание образующихся кубовых остатков.

Целью исследования является разработка ресурсосберегающей сорбцион-ной технологии извлечения (3-лактамов из технологических сред, позволяющей снизить загрязнённость сточных вод химико-фармацевтических производств за счёт уменьшения номенклатуры и объёмов применяемых органических растворителей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ существующих в мировой практике экстракционных и сорбцион-ных технологий извлечения (3-лактамов пенициллинового ряда, позволяющий сделать вывод о преимуществах сорбционных технологий за счёт применения меньших объёмов органических растворителей.

2. Разработка сорбционной технологии извлечения [3-лактамов, позволяющей сократить номенклатуру и объёмы применяемых органических растворителей: подбор сорбентов, оптимальных параметров химического окисления (температуры, катализаторов, окислителей); составов элюентов.

3. Сравнительный анализ свойств органических растворителей, применяемых в экстракционной и сорбционной технологиях извлечения (3-лактамов, способов их регенерации и составов образующихся стоков, подтверждающий минимизацию затрат на их обезвреживание при сорбционном извлечении.

4. Эколого-экономическая оценка предлагаемой сорбционной технологии.

Объектом исследования являются технологические среды химико-фармацевтической промышленности, содержащие (3-лактамы пенициллинового ряда, а также стоки, образующиеся на стадии регенерации технологических маточников.

Предметом исследования является технология извлечения и концентрирования Р-лактамов, сокращающая номенклатуру и общий объём применяемых органических растворителей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые разработана сорбционная технология извлечения (3-лактамов из технологических сред химико-фармацевтических производств с использованием неионогенных полимерных макропористых сорбентов на основе стирола и дивинилбензола с метакрилатами;

- впервые проведено окисление сорбированных Р-лактамов пенициллинового ряда в фазе сорбента с получением полупродуктов для дальнейшей химической трансформации (сульфоксидов бензил- и феноксиметилпенициллина).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработана сорбционная технология извлечения и концентрирования Р-лактамов пенициллинового ряда, позволяющая: исключить из технологического процесса бутилацетат и бутанол путём замены их на ацетон, при этом общий объём органического растворителя уменьшается в 3,5 раза; сократить в 4,5 раза затраты на сырьё; сократить в 3,5 раза расходы тепловой энергии на процесс регенерации; сократить в пять раз выбросы в атмосферу; увеличить выход целевых продуктов в среднем на 10 %;

- предложены технологические решения по проведению процессов сорбции, обоснованы выбор сорбента, элюента и режимов окисления;

- проведена сравнительная оценка степени негативного воздействия на окружающую среду кубовых остатков, образующихся на стадиях регенерации растворителей, использующихся при экстракционном и сорбционном выделении р-лактамов пенициллинового ряда из технологических сред.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в рамках договора № 42-0263-02 «Разработка и промышленное освоение технологии сорбционно-каталитической трансформации бензилпенициллина в 7-АДЦК».

Результаты диссертации апробированы в ОАО «Биосинтез» при разработке безэкстракционной технологии выделения |3-лактамов пенициллинового ряда из технологических сред путём прямого осаждения. Результаты исследования используются в учебном процессе Пензенской государственной технологической академии при подготовке специалистов по направлениям 280202 «Инженерные методы защиты окружающей среды», 240901 «Биотехнология», что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на VI Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье» (Пенза, 2007); VII Всероссийской научно-методической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Пенза, 2009); III научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, 2010); Первом региональном молодежном экологическом форуме «ЭКО-ТЕХНО-2011» (Нижний Новгород, 2011); I Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2011).

В приложениях А, Б, В приведены акты использования результатов работы.

По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 2 патента, 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены диссертантом самостоятельно.

Раздел 1 Литературный обзор 1.1 Характеристика сточных вод химико-фармацевтических

производств

Производство антибиотиков является многоотходным процессом, что обуславливает относительно высокую загрязненность сточных вод.

Как показало изучение отходов отрасли, в среднем из каждой тонны использованного сырья (при полном цикле производства), не считая воды и воздуха, образуется 8 кг антибиотика, то есть степень использования сырья составляет всего лишь 0,8 %, что значительно ниже средней величины, которая, по данным академика Г.И. Сидоренко, составляет 5-10 %. Таким образом, 99,2 % используемого сырья уходит в виде отходов [1].

Сточные воды химико-фармацевтических предприятий, выпускающих антибиотики, в соответствии с источником их образования, условно можно разделить на три основные группы:

1) сточные воды, образующиеся непосредственно в процессе получения антибиотиков;

2) сточные воды, образующиеся в процессе выполнения вспомогательных операций;

3) хозфекальные сточные воды.

Из этих трех групп наиболее загрязненными являются сточные воды 1-й группы. БПК и ХПК данных стоков в определенных случаях может достигать, соответственно, 10-15 тыс. мг/л и 20-25 тыс. мг/л и более. Их количество составляет от 10 до 20 % [1].

Кроме высоких значений ХПК и БПК, сточные воды производства антибиотиков характеризуются наличием загрязнений с широким диапазоном биоокис-ляемости - от легкоокисляемых до очень трудноокисляемых и инертных органических веществ. Последние могут составлять до 20 % от общего количества загрязнений. Сточные воды производства полусинтетических антибиотиков, в частности производных пенициллина и некоторых других, характеризуются более высокой загрязненностью.

Наибольшее количество загрязнений (около 26 %) приходится на долю органических растворителей. В большинстве случаев органические растворители

применяются в качестве среды для проведения реакций или для выделения и очистки продуктов и лишь в редких случаях непосредственно участвуют в синтезе препарата. Большое количество органических растворителей, расходующихся в производстве, обычно указывает на несовершенство технологии или аппаратурного оформления схемы получения препарата [2]. В производстве биосинтетических антибиотиков доля бутилацетата составляет 27,7 % от доли всех используемых в отрасли растворителей, бутилового спирта - 18,4 %, ацетона - 8 %. При этом в процессах производства |3-лактамов пенициллинового ряда при их экстракционном выделении из промышленных технологических сред расходуется до 63,5 % всего объёма бутилацетата и до 100 % всего объёма бутанола.

Из сказанного следует, что вопрос о регенерации и утилизации растворителей при производстве (3-лактамов пенициллинового ряда приобретает особо важное значение как в целях улучшения экономических показателей, так и с точки зрения охраны окружающей среды.

1.2 Способы снижения загрязнённости сточных вод производства

Р-лактамов

Планомерное снижение антропогенного воздействия технологических объектов химико-фармацевтического производства является достаточно трудной задачей, решение которой требует комплексного подхода. Она включает усовершенствование оборудования и технологических процессов с целью создания замкнутых циклов; сокращение объема или исключение из номенклатуры органических растворителей; разработку и внедрение эффективных методов регенерации, обезвреживания или утилизации; разработку эффективных методов мониторинга вредных веществ в отходах.

Существующие способы регенерация органических растворителей позволяют достаточно полно извлечь их из реакционных смесей или жидких отходов. Степень регенерации растворителей составляет в среднем 92-98 %. Однако относительно небольшие остаточные количества органических растворителей, содержащиеся в кубовых остатках, могут представлять потенциальную опас-

ность для окружающей среды. Поэтому разрабатываются дополнительные приёмы по их обезвреживанию.

Адсорбция используется для глубокой очистки сточных вод от остаточных количеств органических веществ. Эффективность очистки зависит от химической природы, структуры адсорбента, свойств адсорбируемых примесей и может достигать 80-95 %.

Биохимические методы также используют для разложения остаточных количеств органических веществ, поскольку некоторые микроорганизмы способны употреблять органические вещества сточных вод для питания.

В настоящее время практически все сточные воды химико-фармацевтических производств очищаются биологическим способом на очистных сооружениях предприятия.

Показатели процесса биологической очистки во многом определяются природой загрязняющих веществ.

Загрязнённость сточных вод производства Р-лактамов пенициллинового ряда характеризуется следующими показателями: ХПК около 15-12 тыс. мг/л; БПК около 9 тыс. мг/л [3].

Биологическая очистка сточных вод производства Р-лактамов, с высоким содержанием в них органических веществ, возможна лишь при условии соответствующего разбавления (что приводит к повышению норм водопотребле-ния) и использования адаптированного ила.

При биологической очистке особое внимание обращается на факторы, неблагоприятно влияющие на живые организмы активного ила. Так, показано, что концентрации бутилацетата выше 0,1 % в сточной воде значительно ингибиру-ют процесс его биодеструкции [4].

Повышение эффективности биологической очистки проводится по трём направлениям:

1) оптимизация работы очистных сооружений;

2) использование высокоэффективных штаммов-деструкторов загрязнений;

3) выделение на локальную очистку токсических и трудноокисляемых веществ.

Одним из перспективных методов, позволяющих интенсифицировать процесс очистки, является биосорбционный метод, заключающийся в пропускании насыщенной кислородом сточной воды через взвешенный слой гранулированного угля с наросшей на гранулах биопленкой из микроорганизмов активного ила. В результате совместного действия процессов сорбции и биоокисления происходит эффективное изъятие загрязнений.

Одним из направлений электрообработки сточных вод является электрохимическая деструкция, то есть разрушение примесей в результате их анодного окисления и катодного восстановления, а также химических реакций окисления и восстановления в объеме обрабатываемых жидкостей посредством образующихся на электродах окислителей и восстановителей [3,4].

При этом в качестве анодов используется нерастворимый в условиях электролиза материал. В процессе окисления и восстановления присутствующие в воде примеси превращаются в нетоксичные или малотоксичные в