ES2201708T3 - Filtracion por membrana. - Google Patents

Filtracion por membrana.

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ES2201708T3 ES99919252T ES99919252T ES2201708T3 ES 2201708 T3 ES2201708 T3 ES 2201708T3 ES 99919252 T ES99919252 T ES 99919252T ES 99919252 T ES99919252 T ES 99919252T ES 2201708 T3 ES2201708 T3 ES 2201708T3
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Abstract

Un procedimiento para aislar un producto soluble en agua, deseado, de un caldo de fermentación, en el que el caldo se filtra por flujo transversal sobre una membrana cerámica, por el que se aplica una primera presión transmembrana inicial y con posterioridad una segunda presión transmembrana, por el que se aplica la segunda presión transmembrana de al menos 1, 5 bar, y por el que la primera presión transmembrana es menor que la segunda presión transmembrana, después de lo cual una solución acuosa que contiene el producto soluble en agua, atraviesa la membrana, y se recoge con posterioridad.

Description

Filtración por membrana.
La invención se refiere a un procedimiento para aislar un producto soluble en agua, deseado, de un caldo de fermentación.
Fundamentos de la invención
En la actualidad los procedimientos de fermentación para preparar compuestos químicos juegan un papel creciente en química. Como esta clase de procedimientos es altamente selectiva, medioambientalmente atractiva y conduce a altos rendimientos de producto, se llevan a cabo de esta manera incluso preparaciones industriales.
Una vez que se completa una fermentación, se requiere aislar el producto deseado del caldo de fermentación. Tradicionalmente, esto se hace separando primero la fase acuosa del material celular en una etapa de filtración de torta, seguido por una extracción o adsorción del producto a partir del filtrado. Con frecuencia, sin embargo, tal etapa de filtración de torta va acompañada por una pérdida significativa del producto deseado. Esto se debe principalmente al hecho de que la torta de masa filtrante no se puede lavar suficientemente y que una cantidad más bien grande del producto permanece en la tela filtrante. En la práctica, se observa que la eficacia y el rendimiento del procedimiento de filtración dependen fuertemente de la calidad del caldo de fermentación. Además, las proteínas y partículas celulares "disueltas" presentes en el caldo de filtración, se separan deficientemente de la fase acuosa del caldo de fermentación por la filtración de la torta. Esto tiene el efecto de que los procedimientos aguas abajo posteriores experimentan contaminación con proteínas y disminuye su rendimiento.
Para superar los problemas anteriores en el procedimiento de tratamiento final de caldos de fermentación, se ha propuesto hacer uso de otros métodos de filtración, tales como la filtración de membrana. Las membranas usadas para estos propósitos son normalmente membranas poliméricas, tales como membranas de polisulfona.
La ventaja de la filtración de membrana es, que por diseño se pierde menos producto y se obtiene un filtrado más puro (permeado). El permeado contiene significativamente menos proteínas y/o restos de material celular que el filtrado obtenido en una técnica de filtración de torta convencional. Como resultado, la etapa de extracción se puede llevar a cabo más cómodamente y aumenta la eficacia global del procedimiento.
En la solicitud de patente germanooriental DD-A-277 088, se describe un procedimiento para aislar bencilpenicilina de un caldo microbiológico. El procedimiento implica una etapa de filtración de torta convencional para separar la biomasa, y una etapa de ultrafiltración posterior, en la que se separan las proteínas presentes en el filtrado de la primera filtración. El producto de la ultrafiltración se concentra al 5% de su volumen y se aisla de allí la bencilpenicilina deseada por extracción.
Un procedimiento de filtración de membrana por filtración de caldo normalmente comprende tres etapas. En la práctica, particularmente en un procedimiento continuo, la transición de una etapa a otra puede que no sea tan claramente apreciable. Con frecuencia ocurre que dos o todas estas etapas se llevan a cabo al mismo tiempo. Sin embargo, por claridad es útil hacer esta distinción. La primera etapa es una concentración de la composición que se tiene que filtrar. Tal etapa de concentración se puede llevar a cabo convenientemente, haciendo circular el caldo por la superficie de la membrana al tiempo que se mantiene un gradiente de presión sobre la superficie (referido con frecuencia como filtración de flujo transversal). En la segunda etapa, el producto concentrado obtenido se lava durante la filtración de flujo transversal en una etapa de diálisis. Esto quiere decir que se añade una corriente de disolvente a la corriente de caldo que circula. En el caso de que el producto filtrado sea un caldo de fermentación, este disolvente será normalmente agua. En la tercera etapa, el permeado filtrado obtenido se concentra adicionalmente durante la filtración de flujo transversal hasta una extensión adecuada.
En un procedimiento que implica una etapa de filtración de membrana, es necesario controlar las condiciones de flujo del retenido (el residuo de la filtración) por la membrana, por la aplicación de una velocidad de flujo transversal alta (es decir, una velocidad de flujo lineal paralela al plano de la membrana), para maximizar el flujo (rendimiento) del procedimiento. Sin embargo, en la práctica surge una serie de problemas cuando se intenta mantener un flujo rápido del retenido una vez que se ha concentrado. Estos problemas se encuentran particularmente en el caso de que se tenga que filtrar un caldo de fermentación con altos contenidos (3-10%) de residuos celulares y proteínas.
Debido a una viscosidad aumentada, que se observa a factores de concentración altos, también aumenta la caída de presión axial, que es una medida para la energía requerida en el procedimiento. En aplicaciones a gran escala, se aplican bombas centrífugas y el rendimiento de las mismas disminuye como resultado de la caída de presión axial aumentada. Debido a la naturaleza seudoplástica de los materiales implicados en estas condiciones, la viscosidad aumenta incluso más, que a su vez amplifica la disminución del flujo adicionalmente. Además, se genera mucho calor que no es deseado en los casos en que el producto deseado es inestable a altas temperaturas. Por lo tanto, para mantener la temperatura baja y para evitar la degradación del producto, es necesario un dispositivo de enfriamiento grande y caro.
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También, se desea minimizar el tiempo necesario para completar el procedimiento de filtración para evitar la degradación y contaminación del producto deseado. Las medidas disponibles para minimizar el tiempo de filtración son aumentar la superficie de la membrana del filtro, o requerir un rendimiento específico creciente. El rendimiento específico indica cuánto del producto deseado penetra una cierta superficie de la membrana por unidad de tiempo (l/m^{2}.h). Dicho rendimiento se puede aumentar por la aplicación de una presión transmembrana alta, que es la fuerza conductora detrás de la filtración. Una desventaja de la aplicación de una presión transmembrana alta es que normalmente conduce a una retención más alta del producto deseado, es decir, una cantidad grande de producto que no penetra la membrana, que conduce a un procedimiento ineficaz. Además, puede que no sea posible la aplicación de membranas poliméricas tubulares en tales casos, ya que este tipo de membrana se desgasta demasiado en estas condiciones.
Se ha encontrado en el momento presente que se pueden superar los problemas anteriores usando una membrana cerámica y controlando las condiciones del procedimiento de una manera sorprendente.
El uso de membranas cerámicas se ha descrito en la técnica anterior para diversas separaciones de productos deseados de un caldo de fermentación.
En la patente EP 0 522 517 A1 se usa una membrana microporosa de \alpha-alúmina para la separación de metilglucósido de un caldo de fermentación. En una primera etapa el caldo se concentra, después de lo cual se disuelve el metilglucósido insoluble en agua por la adición de metanol, después de lo cual la solución que contiene metilglucósido pasa la membrana y se recupera el antibiótico.
Una técnica similar se describe en la patente de EE.UU. Nº 5.616.595 para la separación de ciclosporina A de un caldo de fermentación.
La patente europea A-0 363 896 describe un procedimiento para el enriquecimiento de las proteínas seleccionadas de fluidos que contienen proteínas por medio de etapas de ultrafiltración de flujo transversal múltiples usado una membrana de ultrafiltración de óxido metálico.
La patente rusa C-2 090 598 describe un procedimiento para la producción de vino que comprende una etapa de microfiltración tangencial.
La patente de EE.UU. A-5 716 526 describe un método para separar liposomas o complejos de lípidos del medio fluídico basado en filtración de flujo tangencial usando membranas cerámicas.
La patente de EE.UU. A-5 503 750 describe un procedimiento de filtración de flujo transversal continuo para la recuperación de ácido láctico de un caldo de fermentación. La patente europea A-0 327 342 describe un procedimiento para la producción continua de eritritol cultivando organismos que producen eritritol, que implica la etapa de cultivar un caldo de fermentación en un tanque al tiempo que se mantiene la concentración de células a un nivel constante haciendo circular el caldo a través de una membrana cerámica por medio de fuerzas centrífugas, y devolviendo el líquido concentrado al tanque.
Ninguno de los documentos mencionados anteriormente describe o sugiere un procedimiento de aislamiento basado en la filtración de flujo transversal que implique la aplicación de dos presiones transmembrana diferentes, por lo que la presión transmembrana inicial es menor que la segunda presión transmembrana, y dicha segunda presión transmembrana es al menos 1,5 bar.
Además, ninguno de los documentos mencionados anteriormente trata el problema de evitar la alta retención de producto deseado por la membrana debido a los altos valores de presión transmembrana usados durante la filtración.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para aislar un producto soluble en agua, deseado, de un caldo de fermentación en el que el caldo se hace circular por una membrana cerámica, y en el que se aplica una presión transmembrana de al menos 1,5 bar, después de lo cual una solución acuosa que contiene el producto deseado atraviesa la membrana y se recoge con posterioridad.
El procedimiento de acuerdo con la invención presenta la ventaja de que se puede hacer realidad un tiempo de filtración muy corto sin el problema conocido de una alta retención del producto deseado. Por lo tanto, el presente procedimiento de filtración es altamente eficaz. Sorprendentemente, se puede aplicar una presión transmembrana alta en un procedimiento de acuerdo con la invención sin encontrarse con una alta retención del producto deseado. Además, se puede controlar la temperatura muy adecuadamente a un valor deseado sin conducir a problemas de viscosidad y sin conducir a la descomposición del producto deseado, con frecuencia térmicamente inestable. Por otra parte, en un procedimiento de acuerdo con la invención no es necesario llevar a cabo una filtración convencional del caldo de fermentación, previa a su sometimiento a la filtración de membrana, como se ha descrito en la patente DD-A-277 088.
Se puede obtener el caldo de fermentación a partir de cualquier procedimiento de fermentación. En tal procedimiento, se fermenta una cepa de microorganismos adecuada por adición de una fuente de carbono, una fuente de nitrógeno, otros nutrientes y aire al caldo. Se pueden encontrar procedimientos y recetas de operación típicos en la bibliografía. Una vez que se ha completado el procedimiento de fermentación hasta una extensión deseada, el caldo comprenderá material celular así como proteínas y el producto deseado. También, pueden estar presentes diferentes contaminantes. Se prefiere que el caldo se obtenga a partir de un procedimiento de fermentación en el que se prepara un compuesto antiinfeccioso. Son ejemplos de tales compuestos diversas \beta-lactamas y compuestos tales como eritromicina y nistatina.
Ejemplos de \beta-lactamas en este aspecto son \beta-lactamas en las que el núcleo de las \beta-lactamas se une a una cadena lateral adecuada, tal como: penicilina G, penicilina V, isopenicilina N, ácido adipil-7-aminocefalosporánico, ácido adipil-7-aminodesacetoxicefalosporánico, ácido clavulánico, cefalosporina C, ampicilina, amoxicilina, cefalexina, cefaclor y cefadroxil. También son posiblemente adecuados los núcleos de \beta-lactamas, tales como ácido 6-aminopenicilánico (6-APA), ácido 7-aminocefalosporánico (7-ACA), ácido 3-cloro-7-aminodesacetoxidesmetilcefalosporánico (3-Cl,7-ACCA), ácido 7-aminodesacetilcefalosporánico (7-ADAC) y ácido 7-aminodesacetoxicefalosporánico (7-ADCA). Los más preferidos son caldos de fermentación obtenidos por procedimientos para preparar: penicilina G, penicilina V, cefalosporina C, isopenicilina N, acil-7-ADCA o acil-7-ACA. Se ha encontrado que un procedimiento de filtración de uno de estos caldos de fermentación se beneficia significativamente de las ventajas de la invención. Incluso aunque muchos de estos caldos de fermentación comprenden productos térmicamente inestables, se ha encontrado que en un procedimiento de acuerdo con la invención, estos productos térmicamente inestables se pueden aislar del caldo sin una pérdida significativa de producto.
La membrana que se usa de acuerdo con la invención es una membrana cerámica. Esto quiere decir que comprende un material inorgánico. Son materiales preferidos: óxidos metálicos tales como \alpha-alúmina, \gamma-alúmina y circonia. El uso de membranas de estos materiales conduce a procedimientos de filtración altamente eficaces, en los que sólo se pierden cantidades muy pequeñas del producto deseado, si es que se pierden, y en los que se obtiene el producto deseado con una pureza muy alta.
Preferiblemente, se usa una membrana cerámica, que tiene un tamaño de poro medio de 4 a 100 nm, más preferiblemente de 20 a 50 nm. Se ha encontrado que el uso de una membrana con un tamaño de poro dentro de estos intervalos conduce a un procedimiento de filtración de membrana altamente selectivo y eficaz.
Durante la circulación del caldo por la membrana (filtración de flujo transversal) llegará a ser concentrado, a medida que penetren cantidades crecientes de los fluidos presentes en el caldo a través de la membrana. Una extensión adecuada de la concentración es 1,5, preferiblemente 2 veces. Dicha concentración se puede llevar a cabo lo más ventajosamente a temperaturas aumentadas, preferiblemente a una temperatura mayor que 20ºC, más preferiblemente mayor que 30ºC. El límite superior de la temperatura durante la concentración será normalmente, por razones prácticas, 50ºC, preferiblemente 45ºC.
De acuerdo con la invención, se ha encontrado que la viscosidad del caldo no alcanza valores altos inaceptables. Cuando el factor de concentración es dos, los valores máximos típicos son: 337 mPa.s a un cizallamiento de 100 s^{-1}, 197 mPa.s a un cizallamiento de 500 s^{-1} y 156 mPa.s a un cizallamiento de 1.000 s^{-1}. Por lo tanto, no se requiere equipo caro adicional para llevar a cabo la circulación a una velocidad de flujo transversal suficiente.
Es posible que la velocidad de flujo transversal muestre una ligera fluctuación durante un procedimiento de acuerdo con la invención y alcance valores de 2-4 m/s. Sin embargo, dicha velocidad se mantiene preferiblemente a un valor de al menos 5, más preferiblemente 6 m/s. Se prefiere que el límite superior de dicha velocidad sea 10, más preferiblemente 8 m/s. Cuando se elige dicha velocidad dentro de los intervalos especificados, el procedimiento de filtración tiene un rendimiento muy alto. Se ha demostrado en el momento presente que es posible mantener la velocidad alta incluso cuando se lleva a cabo la concentración hasta una gran extensión.
Una vez que el retenido se ha concentrado hasta la extensión deseada, se prefiere que se añada agua al caldo que circula (diálisis). Preferiblemente, se añade tal cantidad de agua, que el caldo se diluye 1,5-4 veces, más preferiblemente 2-3 veces. Por esta adición de agua al retenido, disminuye el rendimiento, y por consiguiente la eficacia, del procedimiento de filtración. Aún se pueden recuperar cantidades del producto deseado en el retenido por esta etapa de dilución, que comprende la adición de agua al retenido.
Una gran ventaja del procedimiento de la invención es que se puede conseguir un tiempo de procedimiento muy corto, sin la existencia del problema conocido de una retención alta del producto deseado. Por lo tanto, de acuerdo con la invención la presión transmembrana es más alta que 1,5 bar. En el contexto de la invención, la presión transmembrana se define como la diferencia en la media sobre el lado de retenido y la presión media del lado de permeado de la membrana. En una realización preferida la presión transmembrana es de 2,5 a 7,5, preferiblemente de 4 a 6 bar.
De acuerdo con una realización altamente preferida de la invención, la presión transmembrana inicialmente es menor que la presión especificada anteriormente. Se eligen presiones transmembrana iniciales adecuadas entre 1 y 2,5 bar. El periodo de tiempo durante el que se aplica esta presión transmembrana inicial es relativamente corto. En general, dicho periodo no será más largo que 10%, preferiblemente no más largo que 8% del tiempo de filtración total. En la mayoría de los casos prácticos, dependiendo de la cantidad de caldo de fermentación que se tiene que filtrar, dicho periodo será aproximadamente 10 minutos.
\newpage
Esta realización es ventajosa en que tiene lugar significativamente menor ensuciamiento de la membrana que cuando se aplica la presión transmembrana alta deseada finalmente, desde el comienzo del procedimiento. Debido a esto, la duración de la vida de la membrana aumenta, es decir, aumenta el periodo de tiempo, en el que se puede usar la misma membrana sin que se tenga que limpiar. También, el rendimiento del procedimiento de filtración es mayor, y la selectividad mayor. Sin desear limitarnos por la teoría, se cree que estas ventajas se consiguen debido a una capa de gel proteínico sobre el lado del retenido de la membrana, que se deposita durante el periodo inicial en el que se aplica una presión transmembrana menor.
La presión de entrada del retenido en un procedimiento de acuerdo con la invención, variará, dependiendo de la etapa durante el procedimiento, entre 1 y 8 bar. La caída de la presión axial del retenido variará, también dependiendo de la etapa durante el procedimiento, entre 0 y 3,5 bar. El flujo específico puede variar de 200 l/m^{2}.h.bar a 50 l/m^{2}.h.bar y retroceder a 200 l/m^{2}.h.bar durante el curso del procedimiento.
En el lado del permeado de la membrana se mantendrá normalmente un flujo continuo para recoger el permeado y en particular el producto deseado presente en el mismo. Una vez que se ha recogido el permeado, se puede concentrar ventajosamente. Las extensiones preferidas de concentración del permeado son de 1,5 a 7, más preferiblemente de 2 a 5 veces. Para recuperar el producto deseado presente en el permeado concentrado, se llevarán a cabo normalmente procedimientos de tratamiento final convencionales. Un ejemplo adecuado de tal procedimiento de tratamiento final es una extracción.
Un procedimiento de acuerdo con la invención se puede llevar a cabo bien de modo discontinuo o de manera continua. Se lleva a cabo preferiblemente como procedimiento continuo.
La invención se aclarará adicionalmente por los siguientes ejemplos no restrictivos.
Ejemplo 1
Se alimentaron 156 kg de un caldo de fermentación de penicilina desde un tanque de alimentación, con agitación, a un sistema de filtración de membrana (MF). Dicho sistema comprendía una membrana Membranlox® SCT 3P19 que presentaba una superficie de aproximadamente 0,9 m^{2} y un tamaño de poro medio de 50 nm.
El sistema se desaireó y hizo comenzar el procedimiento de filtración en las condiciones siguientes:
Temperatura 21ºC
tanque de alimentación de la corriente de circulación 2,5 m^{3}/h
ciclo de filtración de la corriente de circulación 35 m^{3}/h
(la velocidad de flujo transversal fue 6 m/s).
Una vez que se separaron 65 l de permeado (\alpha=1,67 (factor de concentración), \beta= 0,4 (factor de dilución)), el caudal de circulación del ciclo de filtración había disminuido a 17 m^{3}/h, que corresponde a velocidad de flujo transversal de 2,9 m/s. El flujo de permeado disminuyó a 70 l/m^{2}h a una presión transmembrana de 4 bar. El factor de concentración fue 1,67. No fue posible concentración adicional. Se hizo comenzar la diafiltración manteniendo constante \alpha, disminuyó de nuevo la velocidad de flujo transversal hasta 5,5 m/s, permaneció constante el flujo de permeado a 72 l/m^{2}.h. El factor de dilución fue 1,72.
El tiempo total del procedimiento fue 250 minutos.
Ejemplo 2
Se alimentaron 154 kg de un caldo de fermentación de penicilina desde un tanque de alimentación, con agitación, al mismo sistema MF como se usó en el Ejemplo 1.
El sistema se desaireó y se hizo comenzar el procedimiento de filtración en las condiciones siguientes:
Temperatura 40ºC
tanque de alimentación de la corriente de circulación 2,5 m^{3}/h
ciclo de filtración de la corriente de circulación 35 m^{3}/h
(la velocidad de flujo transversal fue 6 m/s).
Una vez que se separaron 74 l de permeado (\alpha=1,92; \beta= 0,48) el caudal de circulación del ciclo de filtración sólo había disminuido ligeramente a 26 m^{3}/h. El flujo de permeado disminuyó a 94 l/m_{2}h a un factor de concentración de 2,0 y una presión de transmembrana de 4 bar.
\newpage
Directamente después de comenzar la diafiltración en que \alpha se mantuvo constante, la velocidad de flujo transversal aumentó de nuevo hasta 5,9 m/s y el flujo de permeado se controló para que fuera 110 l/m2h. El factor de dilución fue 1,85.
El tiempo total del procedimiento fue 180 minutos.
Ejemplo 3
Se alimentaron 177 kg de un caldo de fermentación de penicilina desde un tanque de alimentación, con agitación, al mismo sistema MF como se usó en el Ejemplo 1.
El sistema se desaireó y se hizo comenzar el procedimiento de filtración en las condiciones siguientes:
Temperatura 36ºC
tanque de alimentación de la corriente de circulación 2,5 m^{3}/h
ciclo de filtración de la corriente de circulación 35 m^{3}/h
(la velocidad de flujo transversal fue 6 m/s).
Una vez que se separaron 90 l de permeado (\alpha=2,04; \beta= 0,51) la corriente de circulación fue 6 m/s. El flujo de permeado de 511 l/m^{2}h al comienzo de la concentración, disminuyó a 124 l/m^{2}h al final de la concentración. El factor de concentración fue 2,04, y la presión transmembrana fue 5 bar.
Después del comienzo de la diafiltración en que \alpha se mantuvo constante, el flujo de permeado aumentó muy lentamente y se controló para que fuera 255 l/m^{2}h. La presión transmembrana descendió lentamente a 3,8 bar al final del procedimiento. El factor de dilución fue 2,02.
El tiempo total del procedimiento fue 134 minutos.

Claims (13)

1. Un procedimiento para aislar un producto soluble en agua, deseado, de un caldo de fermentación, en el que el caldo se filtra por flujo transversal sobre una membrana cerámica, por el que se aplica una primera presión transmembrana inicial y con posterioridad una segunda presión transmembrana, por el que se aplica la segunda presión transmembrana de al menos 1,5 bar, y por el que la primera presión transmembrana es menor que la segunda presión transmembrana, después de lo cual una solución acuosa que contiene el producto soluble en agua, atraviesa la membrana, y se recoge con posterioridad.
2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se concentra el caldo durante la filtración de flujo transversal sobre la membrana a una temperatura entre 20 y 50ºC.
3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la temperatura es de 30 a 45ºC.
4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la velocidad de flujo transversal es de 5 a 10 m/s.
5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la membrana cerámica comprende un material elegido del grupo formado por óxidos metálicos.
6. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la membrana cerámica presenta un tamaño de poro medio de 4-100 nm.
7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la segunda presión transmembrana es 2,5-7,5 bar.
8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la primera presión transmembrana inicial es 1-2,5 bar.
9. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se añade agua al caldo filtrado por flujo transversal, una vez que dicho caldo se ha concentrado 1,5 veces.
10. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que se añade tal cantidad de agua que el caldo se diluye 1,5-4 veces.
11. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que después de la filtración del caldo, se obtiene un permeado, permeado que se concentra 1,5-7 veces.
12. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se obtiene el caldo de fermentación a partir de un procedimiento de fermentación en el que se prepara un compuesto antiinfeccioso.
13. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el compuesto antiinfeccioso se elige del grupo formado por: eritromicina, nistatina, ácido adipil-7-aminocefalosporánico, ácido adipil-7-aminodesacetoxicefalosporánico, penicilina G, penicilina V, cefalosporina C e isopenicilina N.
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