膜分離技術(shù)在生物制藥的應(yīng)用
膜分離技術(shù)具有在常溫下進(jìn)行、無化學(xué)變化、選擇性好、無相態(tài)變化、適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低等特點(diǎn)。
膜分離技術(shù)在生物制藥的應(yīng)用【1】
摘 要：膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥用純水、生物、環(huán)保、化工等領(lǐng)域，成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。
膜分離技術(shù)具有在常溫下進(jìn)行、無化學(xué)變化、選擇性好、無相態(tài)變化、適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低等特點(diǎn)。
本文對膜分離技術(shù)在生物制藥中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。
關(guān)鍵詞：膜;分離;制藥
膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。
膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，目前已廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)藥用純水、飲用蒸流水、生物、環(huán)保、化工等領(lǐng)域，成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。
膜分離技術(shù)具有在常溫下進(jìn)行、無化學(xué)變化、選擇性好、無相態(tài)變化、適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低等特點(diǎn)。
由發(fā)酵法生產(chǎn)的微生物藥物的分離和純化正面臨著含量低、易失活、收率低等問題，膜分離過程作為一種新型的分離技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。
本文對膜分離技術(shù)在生物制藥中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。
1 膜分離技術(shù)在抗生素、氨基酸和酶類分離純化中的應(yīng)用
1.1 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)
相對于傳統(tǒng)工藝，膜分離具有簡化工藝流程、產(chǎn)品質(zhì)量高、操作簡單、能耗低、收率高、環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
1.2 分離原理
根據(jù)截留組分的不同，可以將膜過程分為微濾、超濾、納濾、反滲透、滲透蒸發(fā)、滲析、電滲析、氣體分離等。
用于發(fā)酵液后處理的膜技術(shù)主要是超濾，其次是納濾、微濾、反滲透以及液膜分離等。
膜的孔徑一般為微米級，依據(jù)其孔徑的不同，可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜，根據(jù)材料的不同，可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜。
抗生素、氨基酸和酶類分離純化主要應(yīng)用超濾膜。
1.2.1 微濾膜又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，分離截留直徑0.01～10?滋m以上的粒子。
液固分離等方面，常作超濾的預(yù)處理過程，如發(fā)酵液中的菌體、細(xì)胞、不溶物等。
1.2.2 超濾膜屬于非對稱多孔膜，是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，孔徑在2～50nm。
超濾膜以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)水流過膜表面時，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過，達(dá)到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。
超濾膜常用于處理發(fā)酵液可以截留病毒、蛋白質(zhì)、酶、多糖等大分子物質(zhì)。
1.2.3 反滲透的分離基本原理是溶解擴(kuò)散學(xué)說，主要應(yīng)用于水處理和熱敏感性物質(zhì)的濃縮，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下：生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、醫(yī)藥行業(yè)工藝用水、制劑用水、注射用水、無菌無熱源純水等。
1.2.4 納濾膜平均孔徑2nm左右，是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù)，其截留分子量在80～1000的范圍內(nèi)，處理發(fā)酵液時截留組分可小到抗生素，合成藥、染料、雙糖等，具有對小分子有機(jī)物有較高的截留性等特點(diǎn)。
1.3 膜分離技術(shù)在抗生素、氨基酸和酶類微生物藥物分離純化中的應(yīng)用
膜分離技術(shù)主要用于B一內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類等抗生素以及氨基酸和酶類微生物藥物分離純化中的應(yīng)用。
李春艷、方富林等采用Ultra-flo超濾系統(tǒng)提純未經(jīng)任何預(yù)處理的頭孢菌素 C發(fā)酵液，過濾收率由原工藝的 78%提高到 83.8%[1]。
梁萬秋、何建勇等比較連續(xù)板式超濾與間歇板式超濾在頭孢菌素C發(fā)酵液過濾提純中的效果，結(jié)果連續(xù)板式超濾適應(yīng)頭孢菌素C的過濾分離及與后續(xù)提取工藝的整合[2]。
馮建立，許振良，王學(xué)軍等采用自制的三種中空纖維超濾膜(U F-1、U F-2和U F-3)對紅霉素發(fā)酵液去除乳化現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明超濾法可達(dá)到去除乳化的目的，同時提高了萃取的收率和質(zhì)量[3]。
張治國，王世展等采用蓬萊反滲透設(shè)備廠生產(chǎn)的NFB系列板式反滲透裝置已成功地應(yīng)用于濟(jì)寧抗生素廠的鏈霉素生產(chǎn)中，收率明顯提高，能耗和物耗大幅度降低[4]。
葉榕等采用超濾-納濾集成膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的薄膜蒸發(fā)法提純濃縮卡那霉素樹脂解吸液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明濃縮倍數(shù)、濃縮收率、損失率、平均膜通量等指標(biāo)均優(yōu)化[5]。
2 分離純化的方式方法
根據(jù)近年來國內(nèi)外應(yīng)用膜分離純化微生物藥物的方式方法，大致有以下幾類。
2.1 分離方式
對于納濾，可以將萃取液用疏水性納濾膜處理進(jìn)行濃縮或用親水性納濾膜對未經(jīng)萃取的抗生素發(fā)酵濾液進(jìn)行濃縮，減少萃取劑的用量。
2.2 多層液膜分離
例如紅霉素在水/油乳狀液滴中的滲透，乳狀液滴中一旦形成的濃團(tuán)，會使分離性能降低。
為防止這種情況發(fā)生，料液和乳狀液應(yīng)分別為分散相和連續(xù)相進(jìn)行分離。
2.3 組合分離
抗生素發(fā)酵液的分離有時候需要多個膜分離操作。
通常先采用微濾或超濾，去除鹽和水，再采用納濾濃縮。
2.3.1 超濾和納濾膜組合分離。
何旭敏等用超濾膜處理6-APA的鉀鹽，經(jīng)反應(yīng)罐中裂解后，再經(jīng)納濾膜濃縮，裂解率為97.5%[6]。
2.3.2 超濾和反滲透膜組合分離。
李十中等先用截留分子量5萬的超濾膜處理土霉素結(jié)晶母液，除去母液中的懸浮物和大分子物質(zhì)，得到土霉素的純度82.9%[7]。
2.3.3 膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相結(jié)合。
膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相結(jié)合，在不同程上吸取了膜分離和傳統(tǒng)分離方法的優(yōu)點(diǎn)而避免了兩者原有的缺點(diǎn)。
李十中等利用超濾/萃取法提取青霉素G、紅霉素和麥迪霉素，發(fā)現(xiàn)新工藝收率高，靜置分層快，不需要離心分離或活性炭脫色。
結(jié)束語
目前的膜分離技術(shù)在生物制藥應(yīng)用研究非�；钴S，廣泛用于生物發(fā)酵液過濾除菌及下游分離純化精制、結(jié)晶母液回收、氨基酸發(fā)酵液過濾澄清及精制、生物蛋白、多肽、酶制劑等酵液過濾澄清及精制等。
膜分離技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)和其廣闊的潛在市場使膜分離技術(shù)將在微生物制藥中發(fā)揮更為重要的作用。
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膜分離技術(shù)在生物科技中的應(yīng)用與進(jìn)展【2】
【摘 要】膜分離技術(shù)作為現(xiàn)代分離技術(shù)中的核心技術(shù)之一與現(xiàn)代科技已經(jīng)緊密的聯(lián)系在了一起。
而它與生命科技的結(jié)合更是使它“英雄有用武之地”，推動了生命科學(xué)的一系列進(jìn)展：小分子有機(jī)物的分離純化，人工器官尤其是人工腎臟的制造和完善，用于污水處理的膜生物反應(yīng)器等等都離不開膜分離技術(shù)的發(fā)展。
本文將就膜分離技術(shù)與現(xiàn)代生命科學(xué)的結(jié)合為切入點(diǎn)，粗淺的介紹一下膜技術(shù)的一些基本特點(diǎn)與基本方法和我個人對于這項(xiàng)潛力巨大的技術(shù)的展望。
【關(guān)鍵詞】膜分離 ; 生物科技; 小分子有機(jī)物分離 ; 蛋白質(zhì)分離; 膜生物反應(yīng)器
1膜分離技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及其在分離技術(shù)中的地位
1.1膜分離技術(shù)的簡介
膜分離技術(shù)是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學(xué)位差的推動作用下對混合物中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離，分級， 提純和富集。
根據(jù)膜材質(zhì)和孔徑大小的不同，我們可以將膜分離技術(shù)分為一般微濾(MF)，超濾(UF)，反滲透(RO)，納濾(NF)等等。
膜分離技術(shù)自從20 世紀(jì)60年代被用于工業(yè)生產(chǎn)以來，經(jīng)歷了膜材質(zhì)從大孔徑到小孔徑，推動力從重力場到多種電化學(xué)作用共同作用的發(fā)展模式。
自從上世紀(jì)90年到之后TFC膜(低壓聚酰胺復(fù)合膜)的成功研制之后，膜分離技術(shù)在現(xiàn)代化工和生物工程的各個方面都得到了廣泛的應(yīng)用。
1.2膜分離技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢
而在這些現(xiàn)代分離技術(shù)中，膜分離技術(shù)的基本原理是利用高分子薄膜的選擇透過性為分離的基本原理，以壓力差，電勢差，電滲差等為動力，以達(dá)到物質(zhì)在薄膜間的傳質(zhì)而達(dá)到分離的目的。
因此在經(jīng)歷了：微孔過濾，滲析，電滲析，反滲透，超濾，氣體分離，滲透氣化等發(fā)展過程后[1]，現(xiàn)代膜分離技術(shù)具有反應(yīng)條件要求低(常溫下即可發(fā)生);是一個物理過程，不發(fā)生化學(xué)變化所以損耗較小;膜分離過程中多以壓力差為動力(滲透壓也包括在內(nèi));膜的性質(zhì)穩(wěn)定的情況下膜分離系統(tǒng)可以有極大的分離范圍;膜分離過程的研究比較透徹，分離的流程控制比較容易控制從而得到更高純度的分離產(chǎn)物[2]。
這些優(yōu)點(diǎn)都使得它在實(shí)際運(yùn)用中都具有很高的價值，而被廣泛使用在工業(yè)和科研中。
1.3膜分離技術(shù)與生命科學(xué)的結(jié)合
近些年來生物領(lǐng)域飛速發(fā)展，一系列系統(tǒng)理論的建立使得生物科學(xué)向更精細(xì)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆较虬l(fā)展，人們對于生物制品需求擴(kuò)大的同時對其的安全性可靠性的要求也越來越高。
尤其是分子生物學(xué)的建立使得生命科學(xué)的范疇更加靠近生命的本質(zhì)。
而隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，它對與物質(zhì)的分離與鑒定的要求也越來越高，傳統(tǒng)的分離手段已經(jīng)無法滿足，但膜分離技術(shù)等為代表的現(xiàn)代分離技術(shù)(其特點(diǎn)前文已述)卻很好的迎合了他的需求，因此被廣泛的運(yùn)用于科研與實(shí)際生產(chǎn)過程中。
2現(xiàn)代膜分離技術(shù)的基本過程與原理詳細(xì)
2.1膜分離技術(shù)的基本原理以及其分類
以壓力差為推動力的液體膜分離過程通�？筛鶕�(jù)分離對象的大小和膜的不同分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)。
根據(jù)待分離樣品的性質(zhì)以及分離所選用薄膜的性質(zhì)尤其是薄膜的孔徑的大小還有分離純度，分離時間，分離速率等方面的要求可以有針對性的選取合適的分離方法，以達(dá)到分離預(yù)期結(jié)果[3]。
2.2膜分離技術(shù)的不同操作模式
膜分離技術(shù)原理簡單，因此它的工藝流程也便于標(biāo)準(zhǔn)化。
由于待分離物質(zhì)中我們想要的目的產(chǎn)物的分子量各有不同，我們的目標(biāo)產(chǎn)物最終出現(xiàn)的位置也不同：小分子物質(zhì)一般會通過薄膜最終在濾過液中富集。
而大分子物質(zhì)會在膜的另一側(cè)由于無法濾過被截留在濃縮液中。
為了使膜分離過程中的損耗盡可能的小，時間盡可能的短，我們會在料液中添加滲濾溶劑，它可以和小分子組分互相作用和小分子物質(zhì)一同穿過薄膜從而加速小分子物質(zhì)過膜速率，使大分子與小分子物質(zhì)的分離加速，從而解決了高濃度的溶液過膜速率過慢的問題。
收集濃縮液得到其中被截留的大分子稱為濃縮。
與此不同，利用滲濾溶劑進(jìn)行的膜分離過程稱為滲濾。
在實(shí)際工作中二者往往搭配使用，操作過程由預(yù)濃縮、恒容滲濾和后濃縮三個階段組成：利用濃縮模式使料液的濃度上升，在過膜速率出現(xiàn)了明顯下降的時候轉(zhuǎn)化為滲濾模式，從而達(dá)到克服高濃度料液透過速率低，減少濃差極化與膜污染的目的，加快分離速率以免影響物質(zhì)活性的目的。
有時為使純度達(dá)到要求還可以采用多級分離的方法從而使物質(zhì)分離的更加徹底。
在選擇具體的膜分離方式時，我們要考慮的因素有：與上下操作間的銜接，對于膜使用壽命的影響，分離效果的好壞等等。
2.3膜分離的計算模型以及效果衡量
膜分離的傳質(zhì)原理有兩個主流理論：雙模理論和溶質(zhì)穿透理論。
雙模理論認(rèn)為，氣液界面間存在的氣膜和液膜集中了主要的傳質(zhì)阻力，溶質(zhì)分子在這兩個膜層內(nèi)梯度擴(kuò)散，按照Fick第一定律進(jìn)行計算。
其中，J為擴(kuò)散速率，D為擴(kuò)散系數(shù)，dC/dX為濃度梯度。
溶質(zhì)穿透理論認(rèn)為，氣液兩相在接觸前都是均一的，接觸后開始互相擴(kuò)散。
靠近界面處溶質(zhì)濃度大。
在一定時間后，液體達(dá)到均一飽和狀態(tài)，此時兩相處于動態(tài)平衡狀態(tài)。
可以按照Fick第二定率計算。
其中C為濃度，t為時間，D為傳質(zhì)系數(shù)，x為離界面的間距。
其中D與濃度無關(guān)，否則要修正為：
衡量膜的好壞時主要看膜的分離性能與透過性能，主要是指截留率，分離系數(shù)，濃差極化，壓密，膜污染速率等系數(shù)。
但是在工藝上來說膜分離效果的衡量主要包括兩個主要參數(shù)：分離時間與分離效果(主要用小分子去除效果來衡量)。
2.3.1分離效果，以小分子去除效果為例：
公式右端是大分子物質(zhì)濃度除以小分子物質(zhì)濃度，可以用來表示小分子物質(zhì)的去除效果。
公式左端表示的過程是料液稀釋后，再濃縮至原體積，重復(fù)n次。
S1與S2分別表示經(jīng)過膜前后溶液中小分子物質(zhì)的濃度。
3膜分離技術(shù)在生物科技領(lǐng)域使用的具體實(shí)例 3.1膜分離技術(shù)在小分子有機(jī)物分離過程中的應(yīng)用
常常使用膜分離技術(shù)進(jìn)行分離的小分子物質(zhì)包括：多肽，氨基酸，抗生素，乳酸，低聚糖等。
此處以氨基酸為例進(jìn)行分析。
氨基酸的膜分離：由于氨基酸本身是兩性物質(zhì)，有自己的等電點(diǎn)，因此我們在分離氨基酸時往往還會調(diào)節(jié)料液的PH值，而且大多采用納濾膜以利用納濾膜的帶電性質(zhì)以達(dá)到最大分離截留效果[4]。
對氨基酸分離用納濾膜分為高分子復(fù)合膜和無機(jī)陶瓷膜，其分離性能與氨基酸混合體系和操作條件有。
關(guān)有人用ZrO2膜表面接枝交聯(lián)PEI的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合納濾膜(膜的等電點(diǎn)為1018)，進(jìn)行了9種氨基酸(其中酸性2種，堿性3種，中性4種)混合物的膜分離實(shí)驗(yàn)。
在pH=2時，帶正電的堿性氨基酸被膜截留(透過率小于25%)，而中性和酸性氨基酸的膜透過率大于85%;在pH=12時，帶負(fù)電的酸性氨基酸被膜截留(透過率小于30%)，而中性和堿性氨基酸的膜透過率大于80%，由此可以看出通過改變膜電性與料液的PH值可以分離大多數(shù)的氨基酸[5]。
3. 2膜分離技術(shù)在蛋白質(zhì)分離中的應(yīng)用
蛋白質(zhì)是一類以復(fù)雜的混合物形式存在的生物大分子，傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)分離方法主要有萃取法、沉淀法等，這些工藝往往操作繁雜、耗時長、蛋白質(zhì)易變質(zhì)，且產(chǎn)品的回收率低、二次污染嚴(yán)重。
膜分離技術(shù)則可以很好地克服傳統(tǒng)蛋白質(zhì)分離技術(shù)的缺點(diǎn)，有效改善產(chǎn)品質(zhì)量，還可以大大提高蛋白質(zhì)的回收率，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的分離和純化。
一般蛋白質(zhì)的膜分離會用兩張膜：一個膜孔較小，能使需要的蛋白質(zhì)全部截住，而讓小的蛋白質(zhì)透出，然后再將截留在第一張膜內(nèi)的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到孔徑較大的膜內(nèi)，截住較大的蛋白質(zhì)使所需的蛋白質(zhì)流過微孔透出，這樣使蛋白質(zhì)得到了提純，如果還有雜蛋白還可以再接著進(jìn)行類似流程。
比如說美國農(nóng)業(yè)部利用膜技術(shù)分離精制了霍霍巴榨油后殘渣中的蛋白質(zhì)、纖維素等成分，分離后各組分分別作為動物飼料及調(diào)節(jié)劑;還有Muller等采用 ZrO2/Al2O3無機(jī)超濾膜從酸性酪蛋白乳清中分離α-乳清蛋白，顯著提高了α-乳清蛋白的純度和產(chǎn)量[6]。
3. 3膜分離技術(shù)與膜生物反應(yīng)器
膜生物反應(yīng)器是一種近些年來膜技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合研究應(yīng)用于生產(chǎn)的熱門方向，主要是將微生物與膜結(jié)合控制料液在膜中的流動利用微生物的各類生化作用來起到去除料液中某些雜質(zhì)而且可以得到并分離產(chǎn)物的目的。
現(xiàn)階段主要運(yùn)用于污水高效處理，已經(jīng)有部分進(jìn)入工廠使用。
這里選擇性介紹無泡曝氣膜生物反應(yīng)器與萃取膜生物反應(yīng)器[7]。
3.3.1無泡曝氣膜生物反應(yīng)器。
生物反應(yīng)器在作用中由于大量污泥(就是大量具有強(qiáng)分解作用的微生物的載體)的存在其過大的需氧量一直是限制其應(yīng)用的主要原因。
而無泡膜生物反應(yīng)器能很好地解決這一問題。
它一般采用的是中空纖維膜，膜的一端封住，空氣或O2在膜的內(nèi)腔里流動，在濃差作用下向膜外側(cè)的活性污泥傳遞。
氣體進(jìn)入污水中不產(chǎn)生氣泡，而且氧的傳遞效率高達(dá)100%，可以滿足各種微生物生化反應(yīng)的需氧要求。
3.3.2萃取膜生物反應(yīng)器。
當(dāng)廢水中含有對微生物有毒害作用的成分(很高濃度的鹽、很大的酸堿度或者是生物難降解的有毒有機(jī)物等)時，直接用生化法是不適宜的。
而萃取膜生物反應(yīng)器能很好處理這些廢水。
萃取膜生物反應(yīng)器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內(nèi)流動，而活性污泥則在膜外流動。
活性污泥中的微生物一般是針對廢水培養(yǎng)出來的專性細(xì)菌。
采用的膜一般是疏水性的硅橡膠膜，且有選擇透過性，能允許揮發(fā)性有機(jī)物透過而水及無機(jī)成分則無法透過。
首先污染物在膜中溶解擴(kuò)散，再以氣態(tài)形式離開膜進(jìn)入膜另側(cè)的混合液中，在混合液中由專性菌分解成CO2、H2O等無機(jī)小分子[8]。
3.4膜分離技術(shù)在醫(yī)藥有效成分提取中的應(yīng)用
3.5膜分離技術(shù)在釀酒中的應(yīng)用
白酒釀造過程中，如果使用傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵方法，不可避免的會產(chǎn)生甲醇，油性脂肪酸，醇油等雜質(zhì)，它們會影響產(chǎn)品口感，外觀，其中甲醇對人體有極大危害。
因此這些物質(zhì)的分離會對白酒品質(zhì)產(chǎn)生極大影響。
有人研究發(fā)現(xiàn)，超濾和微濾是有效的分離此類雜質(zhì)的手段。
在低酒精度下進(jìn)行膜分離，可以有效的延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，改善口感，卻對其其他理化指標(biāo)并不產(chǎn)生太大的不良影響(總酸總酯會有所下降)。
對于清香型白酒，一般稀釋到28到30度之間過非對稱的活性炭吸附膜，之后再于低溫下保存(18攝氏度)，可以有效避免失光，渾濁等現(xiàn)象，同時降低苦味辛辣味，和蒸餾產(chǎn)生的蒸煮味。
除此之外，在啤酒的發(fā)酵過程中由于采用了代謝控制發(fā)酵的方法，往往會有較高的殘?zhí)�，而使用反滲透過濾之后，也將將有效降低殘?zhí)�，達(dá)到改良口感的效果。
3.6其他
膜分離技術(shù)還廣泛的運(yùn)用于其他產(chǎn)業(yè)：高品質(zhì)飲用水的過濾，發(fā)酵廢液的再利用。
4總結(jié)
膜分離技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在已獲得巨大的成功，但仍屬于一門發(fā)展中的年輕綜合性學(xué)科。
理論和應(yīng)用上都有大量的問題有待解決。
比如說：膜壽命過短，易污染;料液粘度大，往往流動性較差;料液固體含量高，膜通量衰減快;膜類型不足，工藝經(jīng)驗(yàn)不足等等 [3]。
總的來說膜分離技術(shù)與生物技術(shù)的結(jié)合無疑是成功的而且還是潛力巨大的，可以想象在解決了這些問題后這項(xiàng)技術(shù)的前景將會多么誘人。
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微生物制藥中膜分離技術(shù)應(yīng)用【3】
【摘要】在當(dāng)代的生物制藥分離工程技術(shù)中，膜分離技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并且具有顯著應(yīng)用意義。
本文就膜分離技術(shù)的應(yīng)用展開討論，主要包括在抗生素、氨基酸、酶類分離純化等的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并且根據(jù)應(yīng)用效果，對膜分離技術(shù)應(yīng)用中存在的問題和針對問題的改進(jìn)方法進(jìn)行了闡述。
【關(guān)鍵詞】膜分離技術(shù);生物制藥;分離濃縮
膜分離技術(shù)是現(xiàn)代生物制藥分離工程的一門新技術(shù)，主要針對生物分離、生物濃縮以及凈化提純技術(shù)，是當(dāng)代廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一，其技術(shù)特點(diǎn)是：節(jié)約能量、保護(hù)產(chǎn)品原有結(jié)構(gòu)不被破壞、無污染、操作簡便、常溫下可持續(xù)操作、有專一性等[1]。
而且在膜分離技術(shù)中有各種不同的機(jī)制，以便用于不同的分離要求，特備是在熱敏性物質(zhì)的分離過程中有顯著的優(yōu)勢，因此在食品的深加工以及醫(yī)藥的分離過程中都具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用意義，具備獨(dú)特性和實(shí)用性。
1膜分離技術(shù)應(yīng)用在抗生素、氨基酸和酶類分離純化中。
1.1應(yīng)用特點(diǎn)
與以往傳統(tǒng)抗生素提煉工藝相比，膜分離技術(shù)程序更為簡便，從傳統(tǒng)的發(fā)酵液過濾、萃取、濃縮，簡化為發(fā)酵液超濾、反滲透，之后經(jīng)過脫色、干燥環(huán)節(jié)，就可直接生成產(chǎn)品。
因此，膜分離技術(shù)不僅簡化工藝、操作簡單，而且投資少、運(yùn)行費(fèi)用低，更節(jié)省資源，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和外觀無破壞，且保證質(zhì)量，材料分離效率和產(chǎn)品收成率均比較高。
由于膜分離技術(shù)對溶劑量的要求極低，因此提純、加工后的廢液處理也更為簡易。
1.2膜分離技術(shù)
膜分離技術(shù)主要用于發(fā)酵液后的處理，根據(jù)截留孔徑的不同和分子量的大小，可將處理過程分成十余種，其中較為主要的是超濾、微濾、納濾、反滲透、滲透蒸發(fā)、液膜分離、電滲析、氣體分離等技術(shù)[2]。
超濾膜分離術(shù)截留孔徑為2-50nm，采用壓差和流速原理，在常溫情況下，利用高分子薄膜滲透性，將小于膜孔徑的低分子量物質(zhì)過濾，而將高分子量物質(zhì)截留，從而提升產(chǎn)品純度。
目前已開發(fā)出1000 - 100萬分子量超濾膜，可根據(jù)分子大小及產(chǎn)品要求純度對發(fā)酵液進(jìn)行過濾處理，從而將酶、多糖、蛋白質(zhì)、病毒等大分子物質(zhì)截留，保證產(chǎn)品純度。
微濾膜分離技術(shù)主要用于細(xì)胞收集、液固分離等技術(shù)環(huán)節(jié)，采用篩分原理，將直徑0.01-10um以上的粒子截留，防止細(xì)菌、細(xì)胞、不溶物等物質(zhì)進(jìn)入發(fā)酵液中，是超濾之前重要的預(yù)處理過程。
納濾膜分離技術(shù)截留孔徑大約在2nm左右，可高度截留小分子物質(zhì)，如抗生素、染料、雙糖、合成藥等小分子物質(zhì)都會進(jìn)行截留，而對于有機(jī)物、無機(jī)鹽、水等小分子物質(zhì)有益物質(zhì)，可以通過，同時對產(chǎn)物起到濃縮作用，由于膜表明呈負(fù)電性，可抵制水垢污染，此膜分離技術(shù)獲得較快發(fā)展。
反滲透分離技術(shù)采用溶解擴(kuò)散原理，通過截留氨基酸、鹽等小分子物質(zhì)，而通過溶劑分子，從而利于有機(jī)物的濃縮，提高純度。
液膜萃取技術(shù)，將萃取與反萃取相結(jié)合，利用液膜的選擇透過性，將兩個液相隔開，進(jìn)行物質(zhì)分離。
液膜采用均質(zhì)膜，其表面活性劑，具有傳質(zhì)速度快、分離率高、選擇滲透性好，且分離、濃縮可同時進(jìn)行等特點(diǎn)，為此近幾年液膜萃取技術(shù)在活性物質(zhì)的分離提取領(lǐng)域備受關(guān)注，如青霉素、紅霉素等抗生素的提取就是液膜萃取技術(shù)應(yīng)用的典型例子。
但液膜萃取所需原料復(fù)雜、膜流動載體單一、易破裂、堵塞等缺點(diǎn)，也是該技術(shù)沒能進(jìn)行廣泛退剛的原因。
2技術(shù)缺陷及改進(jìn)
由于在壓力驅(qū)動下，料液透過膜過程中容易被截留，于是導(dǎo)致膜與本體溶液界面間的濃度越來越高，形成較強(qiáng)滲透壓，容易在膜表面形成沉積，從而為物質(zhì)通過造成阻力，使膜發(fā)生溶脹或使膜性能惡化，結(jié)晶析出，堵塞流道。
此外，在物料處理中，由于粒子、溶質(zhì)分子與膜之間的屋里化學(xué)反應(yīng)，以及濃度極化導(dǎo)致的膜表面濃度超標(biāo)，很難溶解，膜表面及孔內(nèi)吸附、沉積引起孔徑變小或阻塞，而使膜的透過性和分離性出現(xiàn)不可逆的破壞[3]。
針對以上技術(shù)問題，可采用以下方式進(jìn)行改進(jìn)：(1)膜表面改性，可采用改變膜表面極性和電荷的方式，減輕污染;采用吸附力強(qiáng)的溶質(zhì)吸附， 對于醋酸纖維膜可采用陽離子活性劑進(jìn)行輻射嫁接，該表膜表面極性，此方法有助于膜表面改性處理，從而提升膜抗污染性及親水性，增加溶液通量;(2)有效清洗。
針對長期存在的膜污染問題，可采用物理清洗和化學(xué)清洗方法進(jìn)行處理，如果高速流動液體進(jìn)行沖洗，或海綿球擦洗等，也可采用表面活性劑、螯合劑、過氧化氫、磷酸鹽等清洗劑進(jìn)行清洗，從而去除膜孔、膜面的污染物，增強(qiáng)膜面透過性，延長膜壽命;(3)引進(jìn)新型膜材料。
陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜是近幾年開發(fā)的新型膜材料，具有耐高溫、耐溶劑、抗老化、耐細(xì)菌、再生性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且有助于膜截留性能改進(jìn)，在業(yè)界受到廣泛應(yīng)用，是發(fā)展最快、最有前景的品種。
3技術(shù)革新
在膜分離技術(shù)領(lǐng)域，膜萃取、膜反應(yīng)、膜蒸餾、親膜分離等技術(shù)在未來有更廣闊的發(fā)展前景，也是膜分離技術(shù)的發(fā)展方向。
這些技術(shù)將傳統(tǒng)分離技術(shù)與現(xiàn)代膜分離技術(shù)相結(jié)合，取其精華，去除糟粕，將兩種技術(shù)的有點(diǎn)有效結(jié)合，從而提高膜技術(shù)的高分辨應(yīng)用，促使蛋白質(zhì)-病毒分離術(shù)、膜色譜、蛋白質(zhì)切線流分離等技術(shù)更為純熟，效果更好。
這些膜技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，對今后生物制藥的分離技術(shù)、以及現(xiàn)代生物制藥的提純過程有著重要的作用，是不可或缺的重要技術(shù)力量。
為此，在未來膜技術(shù)領(lǐng)域，人們在關(guān)注膜分離滲透性及選擇性的同時，也會更注重膜材料、性質(zhì)、以及相關(guān)技術(shù)原理等內(nèi)容，從而為膜分離技術(shù)的提升和跨越，提供更廣闊的空間。
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