生物制藥提取工段中膜過程的設(shè)計

吳李（浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江　杭州　310012）

生物制藥提取工段中膜過程的設(shè)計

吳李
（浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江杭州310012）

介紹了生物醫(yī)藥提取工段中膜分離的設(shè)計過程，主要包括膜分離技術(shù)的選擇及設(shè)計參數(shù)的確定，最后總結(jié)了膜分離技術(shù)設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題。

生物醫(yī)藥；提取工段；膜分離；設(shè)計

膜分離設(shè)備廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥生產(chǎn)、廢水處理及回收、食品和石油化工等領(lǐng)域。本文主要說明在生物制藥提取工段中膜過程的設(shè)計。

1　生物制藥提取工段膜分離技術(shù)應(yīng)用

生物制藥提取工段典型方塊流程圖見圖1。

圖1　生物制藥提取工段典型方塊流程圖

膜分離技術(shù)在生物醫(yī)藥提取工段主要應(yīng)用于提取預(yù)處理工段中發(fā)酵液的濃縮與過濾。

發(fā)酵液中待提取產(chǎn)物濃度很低并伴有其他雜質(zhì)。這些雜質(zhì)在發(fā)酵液中的濃度常常比目的產(chǎn)物濃度高很多。另外，目的產(chǎn)物的耐熱、耐pH和耐有機溶劑性能差，并易變性失活。因此要從發(fā)酵液中除去這些雜質(zhì)，制取高純度的制藥產(chǎn)品，發(fā)酵液的提取及精制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

將膜分離技術(shù)應(yīng)用在生物發(fā)酵制藥工業(yè)，進行發(fā)酵液濃縮、分離，具有過程簡單，經(jīng)濟性較好，無相變，分離系數(shù)大，節(jié)能，高效，無二次污染，可常溫操作等特點。

2　生物制藥提取工段膜過程的設(shè)計

2.1膜過程設(shè)計路線

生物發(fā)酵制藥工業(yè)中膜過程應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)路線為：

小試選擇合適的分離膜→膜性能和膜型號確定→中試→設(shè)計、制造膜分離裝置→工藝參數(shù)確定→裝置運行考核。

2.2膜分離技術(shù)的選擇

根據(jù)發(fā)酵液的基本組成、物化性質(zhì)和目標(biāo)產(chǎn)品要求，選擇合適的膜分離技術(shù)。

預(yù)處理技術(shù)：（1）燒結(jié)管微孔過濾裝置對放線菌等的發(fā)酵液，采用“助濾+精密微孔過濾”；對細菌發(fā)酵液，則采用 “絮凝+助濾+精密微孔過濾”。這種過濾技術(shù)，適用于發(fā)酵液去殘留菌體與發(fā)酵液除菌渣過濾等；（2）無機或有機高分子微孔過濾（MF）膜、超濾（UF）膜裝置對發(fā)酵液中不同分子量物質(zhì)切割分離，達到凈化除雜或濃縮的目的。

脫鹽技術(shù)：納濾（NF）裝置用于脫除發(fā)酵液中一價離子等，將二價離子及其他物質(zhì)進行濃縮。電滲析（ED）裝置用于脫除發(fā)酵液中無機鹽。

濃縮技術(shù)：濃縮是發(fā)酵液目標(biāo)產(chǎn)品的最終處理步驟，用納濾膜裝置或反滲透（RO）膜裝置將已凈化、脫鹽的發(fā)酵液濃縮成一定濃度的產(chǎn)品，或再用蒸發(fā)干燥設(shè)備處理成干品。

表1列出了發(fā)酵液分離的不同膜過程組合的一般方法。

表1　發(fā)酵液分離的膜過程組合

2.3膜組件連接方式

（1）串聯(lián)連接法

膜組件串聯(lián)連接法主要用于需要提高物料濃縮倍數(shù)的情況。

（2）并聯(lián)連接法

膜組件并聯(lián)連接法主要用于需要提高物料處理量的情況。

（3）塔式連接法

膜組件塔式連接法主要用于物料處理量較大并需達到較高的濃縮倍數(shù)的情況。

2.4膜系統(tǒng)設(shè)計

膜系統(tǒng)設(shè)計就是利用已知數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對所有膜系統(tǒng)設(shè)備，包括膜面積、泵功率、換熱器面積、管徑、儲槽體積等進行設(shè)計，獲得可行的膜過程。

設(shè)計原則：先確定膜過程、組件排列方式及操作方式，再根據(jù)膜的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)和操作條件，利用相關(guān)模型公式對系統(tǒng)作出理論設(shè)計。

膜面積的計算：膜面積S通常根據(jù)物料處理量Q和通量J計算得到，S=Q·ζ/J。

泵的選型：對于大規(guī)?；蛑械驼扯攘黧w，選用離心泵；對于小規(guī)?；蚋哒扯攘黧w，選用往復(fù)泵；對于低剪切力要求的液體，選用齒輪泵。

對于間歇操作過程，泵功率可用下式計算：

式中，E泵為泵功率；Q組件為料液體積流量；PF為操作壓力。

對于多級循環(huán)連續(xù)錯流操作，泵功率可以用下式計算：

式中，Q0為料液的體積流量；△P為料液流過組件造成的壓力損失；N為級數(shù)。

膜組件數(shù)量：膜組件數(shù)量N可按下式求得

式中，SE為單個所選膜組件面積，S為所需總膜面積。

膜殼的數(shù)量：膜殼數(shù)量M可按下式求得

式中，N0為單個膜殼容納的膜組件個數(shù)。

可根據(jù)循環(huán)泵放熱量計算換熱器的面積。

操作流速的選擇：UF/MF為1～5 m/s，NF/RO 為3～8 m/s。通常采用的操作方式是錯流操作。

濃縮倍數(shù)的選擇：通常為3～10倍。

處理時間的選擇：2～4 h之間。

產(chǎn)品的回收率一般為95%～99%。

操作壓力的選擇：對于MF/UF，通常為0.2～1.0 MPa；對于NF/RO，通常為1.0～3.0 MPa。

根據(jù)流量、流速和操作壓力可進行管徑、閥門等的選型。

容積罐的選擇，通常采用圓錐形、低液位報警控制、熱交換、防止空氣進入系統(tǒng)等設(shè)計。

2.5在提取工段中膜過程設(shè)計應(yīng)注意的問題

（1）膜系統(tǒng)管路應(yīng)設(shè)計合理，現(xiàn)多采用內(nèi)循環(huán)設(shè)計法，即大部分物料自循環(huán)，小部分料液回流，這樣可以減小輸送泵功率，管道的管徑也能做得更小，從而減少了料液的死體積。

（2）膜設(shè)備布置時應(yīng)考慮安裝和檢修方便。膜系統(tǒng)應(yīng)盡量緊湊，設(shè)備布置時應(yīng)預(yù)留足夠的操作和維修空間，并應(yīng)設(shè)置吊鉤用于膜設(shè)備吊裝。

（3）膜設(shè)備的循環(huán)泵由于流量大及帶渣運行，在運行過程中噪音大，又易損壞，維修頻率高。在泵選型過程中應(yīng)選擇低噪音及不易損壞的泵。

（4）膜設(shè)備周圍應(yīng)設(shè)置圍堰，防止泄漏。

（5）膜過程包括開機、運行、反沖、停機等過程，均可以實現(xiàn)自控。裝置的重要參數(shù)，如壓力、流量等均應(yīng)設(shè)置在線檢測儀表，并設(shè)置自動報警和自動切斷功能。

（6）一個優(yōu)良膜分離系統(tǒng)，首先要具備相應(yīng)分離性能；其次要具備一定通量，同時必須具備較長使用壽命和方便的清洗方法；最后，進行經(jīng)濟性評估。膜系統(tǒng)的主要費用來自于設(shè)備投資，操作費以及目標(biāo)產(chǎn)品的損耗。

3　結(jié)論

（1）介紹了生物制藥提取工段膜分離技術(shù)應(yīng)用。

（2）介紹了生物制藥提取工段膜分離的設(shè)計過程。

（3）總結(jié)了膜過程設(shè)計應(yīng)注意的問題。

［1］方富林.膜分離技術(shù)在醫(yī)藥及中間體分離提純工藝中的應(yīng)用 ［A］.2007全國醫(yī)藥及精細化工分離純化技術(shù)和設(shè)備發(fā)展研討會暨交流洽談會會議資料.

［2］謝全靈，何旭敏，夏海平，等.膜分離技術(shù)在制藥工業(yè)中的應(yīng)用［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2003，23（4）：180-185，260.

Design of Membrane System for Withdrawing Procedure in Biological Pharmaceuticals

WU Li
（Zhejiang Titan Design&Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310012，China）

Design of membrane system for biomedical extraction section was introduced，Mainly including the selection of membrane techniques and the determination of design parameters.The problems that need attention in membrane separation technology design process were summarized.

biological pharmaceuticals；withdrawing procedure；membrane separation；design

環(huán)保技術(shù)

1006-4184（2016）8-0048-03

2016-06-09

吳李（1985-），男，碩士研究生，工程師，從事醫(yī)藥化工設(shè)計工作。E-mail：wuli@zpcdi.com。