膜分離技術(shù)在制藥工業(yè)中的應(yīng)用

羅 丹

（湖南長沙金馳生物科技有限公司，湖南 長沙 410023）

引言

膜分離技術(shù)在制藥實踐中能夠發(fā)揮出較高的應(yīng)用優(yōu)勢，能耗成本低、投放設(shè)備與操作工藝簡單、最終獲得的分離效果理想，因此在當(dāng)前的制藥工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛性應(yīng)用。

一、制藥工業(yè)中常用的膜分離技術(shù)要點分析

1.制藥工業(yè)中常用的膜分離技術(shù)

第一，微濾技術(shù)。設(shè)定合適的模孔以及壓力差，以此完成對不同孔徑微粒的篩孔分離、濃度不溶物，可以實現(xiàn)對存在于液體或氣體內(nèi)不溶物質(zhì)（微粒、膠團、細菌等）的截留剔除。

第二，超濾技術(shù)。對于超濾技術(shù)而言，其應(yīng)用原理與微濾技術(shù)基本保持一致，主要完成對存在于液體或氣體內(nèi)的高分子與大分子化合物、病毒、熱原等粒徑在0.02微米左右的微粒的剔除。

第三，納濾技術(shù)。相比于微濾技術(shù)以及超濾技術(shù)而言，納濾技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用時間相對較短，其應(yīng)用原理與上述兩項技術(shù)基本保持一致，最大的區(qū)別在于投放的濾膜不同。在當(dāng)前的實踐中，納濾技術(shù)更多被應(yīng)用于對粒徑在300-1000D之間的微粒的截留操作中，且可以實現(xiàn)有機質(zhì)濃縮處理以及脫鹽處理，提升藥物中有效成分的純度。

第四，反滲透技術(shù)。在壓力差與化學(xué)勢的動力支持下，投放膜孔直徑低于0.1納米的濾膜，可以實現(xiàn)對溶液種存在的溶解鹽等成分的剔除。

2.基于不同技術(shù)的制藥生產(chǎn)中的膜分離過程

在使用微濾技術(shù)進行制藥生產(chǎn)時，膜分離過程為微濾，投放的膜類型為多孔膜，設(shè)定的膜孔徑維持在不低于0.1微米的水平，推動力為壓力差-0.1兆帕，傳遞機理為篩分，主要被應(yīng)用于無菌過濾、細胞收集、去除細菌與病毒等方面；在使用超濾技術(shù)進行制藥生產(chǎn)時，膜分離過程為超濾，投放的膜類型為非對稱膜，設(shè)定的膜孔徑維持在10-100納米的水平，推動力為壓力差0.1-1兆帕，傳遞機理為篩分，主要被應(yīng)用于分離、濃縮、純化、回收大分子溶液以及去除熱源、菌絲與病毒等方面；在使用納濾技術(shù)進行制藥生產(chǎn)時，膜分離過程為納濾，投放的膜類型為非對稱膜或是復(fù)合膜，設(shè)定的膜孔徑維持在1-10納米的水平，推動力為壓力差0.5-1.5兆帕，傳遞機理為篩分、Donna效應(yīng)，主要被應(yīng)用于藥物的純化、濃縮脫鹽與回收等方面；在使用反滲透技術(shù)進行制藥生產(chǎn)時，膜分離過程為反滲透，投放的膜類型為非對稱膜或是復(fù)合膜，設(shè)定的膜孔徑維持在不超過1納米的水平，推動力為壓力差1-10兆帕，傳遞機理為溶解擴散，主要被應(yīng)用于無菌水的制備以及藥物的純化、濃縮與回收等方面。

二、制藥工業(yè)中膜分離技術(shù)的具體應(yīng)用探究

1.在生物制藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.1 在生物發(fā)酵制藥中的應(yīng)用

在當(dāng)前的生物制藥實踐中，抗生素、酶類、氨基酸等藥物的生產(chǎn)與提煉，更常用的方式為生物發(fā)酵制藥方法，此時所投放的主要原材料為糧食。在發(fā)酵液中，實際包含著的目標(biāo)產(chǎn)物濃度維持在偏低水平，其包含雜質(zhì)種類較多、含量較大[1]。同時，部分目標(biāo)產(chǎn)物實際所具備的耐熱性、耐酸堿性、耐有機溶劑性保持在較低狀態(tài)，所以在生物發(fā)酵制藥實踐中，最重要的操作為剔除發(fā)酵液中的雜質(zhì)，即在發(fā)酵液內(nèi)提純目標(biāo)產(chǎn)物。此時，膜分離技術(shù)能夠發(fā)揮出較為理想的應(yīng)用優(yōu)勢，不僅可以獲得較好的目標(biāo)產(chǎn)物回收率，還能夠為在發(fā)酵液內(nèi)剔除出的雜質(zhì)進行回收利用提供支持。例如，膜分離過濾出的蛋白、菌絲體等雜質(zhì)可以應(yīng)用于干燥飼料的制作中。

對于膜分離技術(shù)而言，可以在室溫條件下操作、不存在相變、支持分子級分離、分離系數(shù)維持在較高水平為該技術(shù)的主要特征，在生物發(fā)酵制藥中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，因此在當(dāng)前的制藥工業(yè)中較為常用?，F(xiàn)階段，針對生物發(fā)酵液實施膜分離處理期間，所使用的普遍方法為對發(fā)酵液落實直接性的超濾處理，剔除發(fā)酵液內(nèi)所包含著的如菌絲、蛋白質(zhì)、病毒、熱原等等大分子物質(zhì)，同時，以目標(biāo)產(chǎn)物為主的小分子代謝物質(zhì)、鹽、水可以順利通過超濾膜，最終獲取到高純度目標(biāo)產(chǎn)物[2]。由于不同目標(biāo)產(chǎn)物對于實際生產(chǎn)工藝有著差異性的要求，所以需要結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)物的不同落實對膜處理工藝的微調(diào)。存在部分發(fā)酵液需要在完成超濾后再次實施超濾脫色除雜處理。在本研究中，主要選取基于膜分離技術(shù)的常見藥物產(chǎn)物的生物發(fā)酵制藥工藝為例進行說明，膜分離技術(shù)應(yīng)用于抗生素、酶類、氨基酸等提煉方面更多使用生物發(fā)酵的方式，主要應(yīng)用過程與提煉結(jié)果如下所示：

第一，在使用膜分離技術(shù)提煉青霉素時，投放的膜一般為超濾膜；分離方式設(shè)定為管式陶瓷膜，壓力差為每平方厘米0.35千克，溫度穩(wěn)定在室溫條件下即可，速度為每秒3.8米，錯流速率，12個循環(huán)；能夠得到得提煉結(jié)果為回收率保持在98%左右，分離時間保持在較短水平。

第二，在使用膜分離技術(shù)提煉頭孢菌素時，投放的膜一般為超濾膜；分離方式設(shè)定為MWCO24000，平板式超濾器；能夠得到得提煉結(jié)果為回收率保持在98%左右，整個制藥過程中所需要投放的成本費用有所下降。

第三，在使用膜分離技術(shù)提煉紅霉素時，投放的膜一般為超濾膜；分離方式設(shè)定為0.2微米微濾膜預(yù)處理，中空纖維超濾膜，MWCO20000；能夠得到的提煉結(jié)果表明可以實現(xiàn)對蛋白膜的有效剔除。同時，也可以使用反滲透膜的投放完成對紅霉素的提煉，此時設(shè)定為分離方式為卷式反滲透膜，板框型裝置，膜面積設(shè)定為0.72平方米，控制反應(yīng)壓力為4兆帕；能夠得到的提煉結(jié)果表明可以實現(xiàn)5倍濃縮。另外，還使用乳狀液膜的投放完成對紅霉素的提煉，此時設(shè)定為分離方式為Span-80溶于庚烷中做膜相并控制溫度為25℃，料液pH設(shè)定在8.5-9.5之間，抽提相pH設(shè)定在5.5-6.5之間，料液和抽提相為硼酸g磷酸鈉緩沖溶液；能夠得到的提煉結(jié)果表明濃縮比能夠達到3.4，且在實際分離過程中透過系數(shù)始終保持一致（恒定）。

第四，在使用膜分離技術(shù)提煉鏈霉素時，投放的膜一般為反滲透膜；分離方式設(shè)定為板式裝置，pH保持在3-4的范圍內(nèi)，溫度設(shè)定在20-25℃之間；能夠得到的提煉結(jié)果表明回收率保持在99%左右，可以實現(xiàn)6.6倍濃縮，且不存在相變。

第五，在使用膜分離技術(shù)提煉土霉素時，投放的膜一般為反滲透膜；分離方式設(shè)定為卷式反滲透膜，pH控制在2.15左右，控制反應(yīng)壓力為1.2-1.5兆帕；能夠得到得提煉結(jié)果表明可以實現(xiàn)10倍濃縮，且實際的污染物去除率保持在99%左右。

第六，在使用膜分離技術(shù)提煉6-APA時，投放的膜一般為納濾膜；分離方式設(shè)定為管式，MWCO200，膜面積設(shè)定為1.2平方米，溫度設(shè)定在6-12℃之間，進液壓力控制在5兆帕水平，流量控制為每分鐘38L升；能夠得到得提煉結(jié)果表明可以將透析損失控制在1%以內(nèi)，且實際的截留率保持在99%左右。

第七，在使用膜分離技術(shù)提煉泰樂星時，投放的膜一般為納濾膜；分離方式設(shè)定為卷式納濾膜，截留分子量為250，膜面積設(shè)定為1.4平方米，ESNA20（膜組件）截留L-Asp，透過 L-Phe；能夠得到得提煉結(jié)果為回收率保持在98.7%左右。

另外，在實際的生物發(fā)酵制藥生產(chǎn)實踐中，由于在發(fā)酵液中包含著的目標(biāo)產(chǎn)物濃度相對較低，所以需要在提純期間關(guān)注脫水濃縮處理的質(zhì)量與效果。在以往的脫水處理期間，更多使用多效蒸發(fā)器完成濃縮，不僅實際投入的成本相對較高，還會在整個過程中產(chǎn)生較大的能耗[3]。同時，由于蒸發(fā)中容易發(fā)生相變現(xiàn)象，所以會隨之生成產(chǎn)品損失。如果目標(biāo)產(chǎn)物為含糖量偏高的物質(zhì)，那么蒸發(fā)期間的焦糖化還可能會引起堵塞結(jié)垢問題的發(fā)生。而應(yīng)用膜分離技術(shù)就能夠避免上述問題的發(fā)生，有效緩解傳統(tǒng)蒸發(fā)脫水操作的缺陷與不足，避免相變問題的發(fā)生，獲取更高的目標(biāo)產(chǎn)物回收率，提升目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量水平，且不需要投入過高成本，經(jīng)濟效益理想。

1.2 在現(xiàn)代生物制藥中的應(yīng)用

在當(dāng)前的生物制藥實踐中，制備蛋白質(zhì)產(chǎn)品、純化緩沖劑、針對發(fā)酵培養(yǎng)基進行滅菌過濾處理等過程均可以應(yīng)用膜分離技術(shù)完成，且實際取得的處理效果理想。其中，病毒過濾在生物制藥中占據(jù)著極為重要的地位，是保證目標(biāo)產(chǎn)物安全性的重點分離操作。而對于一些病毒而言，其耐化學(xué)性質(zhì)以及耐熱性質(zhì)均保持在較高水平，如果使用傳統(tǒng)的加熱處理法、化學(xué)失活法進行對這些病毒的處理，則無法保證最終成效達到預(yù)期。相對應(yīng)的，使用微濾技術(shù)或是超濾技術(shù)就能夠達到良好的病毒過濾效果，提升目標(biāo)產(chǎn)物的純度與安全性。

現(xiàn)階段，為更好滿足疾病治療期間對于重組DNA衍生抗體長期性使用以及高劑量使用的要求，需要應(yīng)用膜分離技術(shù)完成生物制藥的提純與回收，并以此實現(xiàn)對生物制藥成本的有效控制。對于膜分離技術(shù)而言，其在生物制藥中產(chǎn)生的能耗與現(xiàn)實成本較低，因此能夠作為電泳與色譜技術(shù)的替代技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代生物制藥實踐中。

在純化蛋白質(zhì)或是核苷酸期間，可以應(yīng)用的新技術(shù)為高效剪切流過濾技術(shù)，該技術(shù)實現(xiàn)了對生物分子間尺寸以及電荷差異的充分性利用，包含在二維純化技術(shù)的范疇內(nèi)，可以實現(xiàn)對具有相同分子量的生物分子的分離，也能夠?qū)崿F(xiàn)對分子量相對較小的生物分子的截留，促使具備大分子量的生物分子順利通過濾膜。相比于傳統(tǒng)剪切流過濾技術(shù)、色譜法、超濾技術(shù)、離子交換技術(shù)等，將高效剪切流過濾技術(shù)應(yīng)用于生物制藥的純化、濃縮以及緩沖劑交換操作中，能夠促使所需成本下降，且實際處理效果也更加理想。

2.在生物提取領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 微濾技術(shù)在生物提取中的運用

在進行顆粒粒徑不低于5微米的微粒、雜質(zhì)的剔除與截留處理期間，微濾膜能夠發(fā)揮出較為理想的作用性與優(yōu)勢性，在當(dāng)前應(yīng)用膜分離技術(shù)展開生物提取生產(chǎn)實踐中，微濾技術(shù)相對常用，投放的微濾膜一般為膜孔徑保持在0.1-5微米范圍內(nèi)的對稱微孔膜；在實際的過濾環(huán)節(jié)中，設(shè)定實際施加的壓力保持在0.05-0.5兆帕的范圍內(nèi)。

2.2 超濾技術(shù)在生物提取中的應(yīng)用

在應(yīng)用膜分離技術(shù)進行生物提取實踐中，還可以應(yīng)用超濾技術(shù)，此時需要投放的膜為非對稱膜，且要求將相應(yīng)膜的孔徑控制在不高于0.1微米的水平；在實際的過濾環(huán)節(jié)中，設(shè)定實際施加的壓力保持在0.1-1兆帕的范圍內(nèi)?，F(xiàn)階段，生物肽類的產(chǎn)品開始慢慢的投放到市場中，化妝品類、保健品類、日化類、食品類都有涉及，如牡蠣肽，牛骨肽，大鯢肽等，此類肽的提取有用到超濾納濾，動物性肽的分子量一般在300D-3500D之間，所以超濾納濾恰恰可以截留此區(qū)間的一個肽。超濾膜截留大分子量，截留10000D以下的生物肽，納濾膜選用200d的膜，除水脫鹽，超濾納濾配合使用的話，就可以提取200-10000D分子量的肽類，最終獲取到的目標(biāo)產(chǎn)物純度以及回收率均能夠保持在較為理想的水平，相比于傳統(tǒng)提純方法，超濾技術(shù)的應(yīng)用所得到的目標(biāo)產(chǎn)物純度以及回收率更高[4]。

大鯢肽是當(dāng)前市場中的一種新型生物肽，這種寡肽分子量大部分集中在800-1500D之間，在實際的生物提純實踐中，可以投放超濾納濾，并通過截留后得到相應(yīng)產(chǎn)物。在此過程中，將原料液投放至原料罐內(nèi)，并在泵的支持下，使得原料液轉(zhuǎn)移至過濾器內(nèi)；利用膜系統(tǒng)實現(xiàn)生物提純，所得到的目標(biāo)產(chǎn)物（以大鯢肽為例）以透過液的形式流出，剩余液體再次返回原料罐，進行下一次過濾以及生物提純，保證原料液中的目標(biāo)產(chǎn)物能夠得到最大程度的提取。實踐中，應(yīng)用的膜系統(tǒng)主要包括無機陶瓷膜系統(tǒng)以及有機卷式膜系統(tǒng)。其中，無機陶瓷膜系統(tǒng)為陶瓷微濾膜系統(tǒng)，在此處的目的是過濾去除懸浮物及大分子蛋白、色素等雜質(zhì)，實際的大鯢肽產(chǎn)物提純期間所選用的型號為50nm[5]。有機卷式膜系統(tǒng)內(nèi)含卷式有機膜，其投放目的在于進一步去除大分子蛋白，同時濃縮、脫鹽；實際的大鯢肽產(chǎn)物提取期間，選用5KD的超濾膜，進一步去除大分子蛋白及多糖；選用200D卷式有機膜用于濃縮。另外，為確保整個生物提取過程的綠色環(huán)保性，投放的所有膜元件均為抗污染型物料膜，該類膜的引入可以在膜元件與膜組件之間實現(xiàn)有效通道沖洗，整個系統(tǒng)無過濾及清洗死角，達到衛(wèi)生清潔無殘留的效果[6]。

結(jié)語

綜上所述，膜分離技術(shù)能夠在制藥生產(chǎn)及生物提取中發(fā)揮出較為理想的應(yīng)用優(yōu)勢，不僅可以獲得較好的目標(biāo)產(chǎn)物回收率，還能夠為提取出的雜質(zhì)進行回收利用提供支持。在當(dāng)前的制藥工業(yè)及生物提取生產(chǎn)實踐中，常用的膜分離技術(shù)較為多樣，而由于不同目標(biāo)產(chǎn)物對于實際生產(chǎn)工藝有著差異性的要求，所以需要結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)物的不同落實對膜處理工藝的微調(diào)，以此確保膜分離技術(shù)在制藥工業(yè)及生物提取中的價值性與作用性得到最大程度的發(fā)揮。