膜分離技術(shù)在微生物制藥中的應(yīng)用

趙明古，王鈺寧

（云南技師學(xué)院，云南昆明 650300）

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和現(xiàn)代基因工程技術(shù)研究進程的不斷深入，為我國微生物制藥事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要契機與良好社會環(huán)境。以傳統(tǒng)發(fā)酵法為主的微生物制藥在分離、純化等環(huán)節(jié)中面臨一系列新的問題，如含量低、提取率低、活性高等。膜分離技術(shù)作為現(xiàn)代基因工程技術(shù)的重要組成部分，可以運用新型的分離技術(shù)來分離純化活性蛋白、氨基酸、疫苗等物質(zhì)，并且取得了良好的臨床試驗效果。在實際應(yīng)用中，膜分離技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、污染小、操作簡單、配膜規(guī)范等優(yōu)勢，且可以根據(jù)微生物制藥中膜過程的不同選擇有針對性的分離機制，所提煉的物質(zhì)具有純度高、含量高的鮮明特點。對此，筆者以膜分離技術(shù)為主要研究內(nèi)容，對其在微生物制藥中的應(yīng)用予以簡要分析與著重探討。

1 膜分離技術(shù)在微生物制藥中的應(yīng)用

1.1 膜分離技術(shù)的特點

以傳統(tǒng)發(fā)酵法為主的抗生素提煉主要是按照“發(fā)酵液→過濾→濃縮→脫色→干燥→產(chǎn)品”的順序進行。而采用膜分離技術(shù)則可以有效簡化傳統(tǒng)工藝流程，在分子水平上，不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時，實現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)，半透膜又稱分離膜或濾膜，膜壁布滿小孔，根據(jù)孔徑大小可以分為微濾膜（MF）、超濾膜（UF）、納濾膜（NF）、反滲透膜（RO）等，膜分離采用錯流過濾或死端過濾方式。與傳統(tǒng)發(fā)酵法相比，膜分離技術(shù)具有工藝流程簡便化、投資成本投入少、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無變化、分離效率高、廢水處理效果佳的優(yōu)勢。

1.2 分離原理

膜分離技術(shù)以截留分組為劃分依據(jù)，膜過程可以劃分為微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、滲透蒸發(fā)、電滲析、液膜分離等。其中，超濾為微生物制藥中的常用技術(shù)，其次分別是納濾、微濾、反滲透、液膜分離等。

1.2.1 微濾技術(shù)

以篩分原理為基礎(chǔ)，分離截留直徑通?？刂圃?.01～10 μm的粒子，如不溶物、細胞、菌體等。

1.2.2 超濾技術(shù)

該種技術(shù)以非對稱多孔膜為主，孔徑最小為2 nm，最大為50 nm，在常溫環(huán)境下借助一定的壓力、流速來促使低分子量物質(zhì)逐步滲透過薄膜，進而保證高分子物質(zhì)被充分截留。

1.2.3 反滲透技術(shù)

此技術(shù)以溶解擴散學(xué)說為主要依據(jù)，以小分子有機物濃縮為主要應(yīng)用范圍，其中僅溶劑分子可以通過，其余的鹽、氨基酸等小分子則會被截留。

1.2.4 納濾技術(shù)

通常納濾技術(shù)采用的納濾膜平均孔徑控制在2 nm左右，截留組分最小可以縮減到抗生素、雙糖、染料、合成藥等，只能夠允許水、有機物、無機鹽等某些小分子物質(zhì)通過。納濾技術(shù)所表現(xiàn)出來的截留性能具有良好的濃縮作用，可以介于超濾技術(shù)、反滲透技術(shù)之間。同時，納濾技術(shù)憑借操作簡單、壓力低的優(yōu)勢，可以對一、二價離子有著不同的選擇性，有效截留有機小分子。

1.2.5 液膜分離技術(shù)

此種技術(shù)主要是將膜展開轉(zhuǎn)換為膜相，在隔開方式的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮液膜的選擇透過性效能，從而實現(xiàn)物質(zhì)分離的目的。液膜分離技術(shù)具有操作簡單、流程同步的鮮明特征，主要應(yīng)用于青霉素、紅霉素等藥物提煉。但其在應(yīng)用過程中也存在某些問題，因原材料成本高、流動載體單一、堵塞破裂等因素的影響使得液膜分離技術(shù)尚未充分應(yīng)用在微生物制藥活動中。

1.3 膜分離技術(shù)在微生物藥物分離純化中的應(yīng)用

1.3.1 微濾技術(shù)

微濾技術(shù)在青霉素G的分離純化中具有極為廣泛的應(yīng)用，所選擇的膜以管式陶瓷膜為主，壓力差通?？刂圃?.35 kg/cm2，溫度為5℃，3.8 m/s的錯流速率，12個循環(huán)后方可實現(xiàn)藥物制取的目的，回收率為98%，極大地縮短了微生物藥物的分離時間[1]。

1.3.2 超濾技術(shù)

超濾技術(shù)在微生物制藥中的應(yīng)用范圍較為廣泛，如青霉素、頭孢菌素C、頭孢菌素、硫酸（雙氫）鏈霉素、硫酸卡那霉素、紅霉素、去甲金毒素等，且具有極高的應(yīng)用價值。以頭孢菌素為例，以MWCO24000平板式超濾器為主要載體，回收率高達98%，與此前傳統(tǒng)分離純化方法相比費用減少約20%，極大地提高了頭孢菌素藥物的分離純化效率[2]。

1.3.3 反滲透技術(shù)

反滲透技術(shù)應(yīng)用于6-APA、鏈霉素、紅霉素、土霉素等微生物藥物的分離純化工作中。以鏈霉素為例，通常一般是板式裝置為主，溫度控制在20～25℃，pH數(shù)值為3～4，通過此種方式得到的鏈霉素藥物的純度與此前相比增加了6.6倍，產(chǎn)品尚未出現(xiàn)相變，回收率高達95%[3]。

1.3.4 納濾技術(shù)

納濾技術(shù)主要應(yīng)用于6-APA、卡那霉素、螺旋霉素、泰樂星等微生物藥物的分離純化環(huán)節(jié)中。以卡那霉素為例，通常采用DK4040膜，溫度為25℃，0.1壓強，膜通量260 L/h。通過此種方式得出的卡那霉素濃縮20倍，無機鹽截留50%，KM截留率為98%[4]。

1.3.5 液膜分離技術(shù)

根據(jù)所采用膜的不同，膜分離技術(shù)可以劃分為不同的技術(shù)方式，其中主要包括乳狀液膜、親和膜、陽離子交換膜。乳狀液膜用于青霉素、青霉素G、紅霉素、麥白霉素等藥物的分離純化，親和膜以β-半乳糖苷酶的分離純化為主，而陽離子交換膜則應(yīng)用于溶菌酶。以麥白霉素的提煉為例，通常膜相和液體石蠟的比例為1∶1，使用表面活性劑3074-12的乳液作為乳化劑，用量為膜相的2%，0.1 mol/L的水溶液為內(nèi)相，被提取液與液膜乳液體積比例為7∶1。通過此種方式極大地提高了藥物的一次提取率，約為48%，兩次提取率超過60%，高于大孔樹脂和溶劑萃取[5]。

2 膜分離技術(shù)面臨的問題、解決方法及發(fā)展方向

現(xiàn)階段，膜分離技術(shù)面臨的問題主要表現(xiàn)為兩方面，分別是濃差極化和膜污染。前者主要是指在分離純化過程中，料液因強大的壓力穿透膜，雖然溶質(zhì)被截留但是會導(dǎo)致膜與本體溶液界面所處區(qū)域的濃度越來越高，從而導(dǎo)致滲透壓增大情況的出現(xiàn)，長此以往，必然會在膜的表面形成凝膠層，無形中改變了膜的分離特性，阻塞流道[6]。后者主要是指在實際操作過程中，因物理化學(xué)因素的影響會出現(xiàn)膜孔徑變小、堵塞等情況的出現(xiàn)，無法保證膜的透過流量性能與分離特性得到有效融合，不可逆變化現(xiàn)象嚴重。

針對膜分離技術(shù)中的此種問題，應(yīng)從膜的選擇、研究、創(chuàng)新與應(yīng)用等方面入手。近年來，在科學(xué)技術(shù)的驅(qū)動下，復(fù)合膜、無機材料膜、改變膜表面極性及電荷等逐步出現(xiàn)。雖然這些膜的處理方式還處于試驗研究階段，但在臨床應(yīng)用中已經(jīng)取得了良好的實驗效果。以無機陶瓷膜為例，在經(jīng)過多年研究后于眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為當(dāng)前膜領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展迅速、潛力頗高的品種之一。

膜分離技術(shù)應(yīng)與傳統(tǒng)分離技術(shù)相融合，并從中衍生出一種全新的膜分離過程，如膜蒸餾、膜反應(yīng)、親和膜等[7-8]。通過兩者的融合、相輔相成可以有效攻克單一分離技術(shù)使用中存在的不足，日漸成為當(dāng)前膜技術(shù)發(fā)展的主要方向。

3 結(jié)語

膜分離技術(shù)在微生物制藥中具有極高的應(yīng)用價值，憑借自身的突出優(yōu)點及廣闊的發(fā)展前景更是受到相關(guān)研究人員的青睞。因此，在微生物制藥活動中要加強對膜分離技術(shù)的研究、創(chuàng)新與應(yīng)用，以便保證其在微生物制藥中充分發(fā)揮自身的效能。

[1]林旭杰.膜分離技術(shù)在制藥中的應(yīng)用探索[J].低碳世界,2017(35):343-344.

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[3]楊棟.生物制藥中膜分離技術(shù)的主要應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2015(33):157.

[4]宋偉杰,王星麗,翟亮,等.膜分離技術(shù)在食用菌多糖分離純化中的應(yīng)用研究進展[J].食用菌,2015,37(6):1-5.

[5]范鐵男,郭爽.膜分離技術(shù)在生物制藥中的應(yīng)用進展[J].黑龍江科技信息,2015(23):40.

[6]涂永江.微生物制藥及微生物藥物研究[J].科技風(fēng),2017(12):270.

[7]楊方威,馮敘橋,曹雪慧,等.膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用及研究進展[J].食品科學(xué),2014,35(11):330-338.

[8]徐龍泉,彭黔榮,楊敏,等.膜分離技術(shù)在中藥生產(chǎn)及研究中的應(yīng)用進展[J].中成藥,2016,35(9):1989-1994.