膜分离技术在生物制药的应用
膜分离技术具有在常温下进行、无化学变化、选择性好、无相态变化、适应性强、能耗低等特点。
膜分离技术在生物制药的应用【1】
摘 要：膜分离是在20世纪初出现，目前已广泛应用于医药用纯水、生物、环保、化工等领域，成为当今分离科学中最重要的手段之一。
膜分离技术具有在常温下进行、无化学变化、选择性好、无相态变化、适应性强、能耗低等特点。
本文对膜分离技术在生物制药中的应用进行综述。
关键词：膜;分离;制药
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。
膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，目前已广泛应用于电子、医药用纯水、饮用蒸流水、生物、环保、化工等领域，成为当今分离科学中最重要的手段之一。
膜分离技术具有在常温下进行、无化学变化、选择性好、无相态变化、适应性强、能耗低等特点。
由发酵法生产的微生物药物的分离和纯化正面临着含量低、易失活、收率低等问题，膜分离过程作为一种新型的分离技术得到了广泛的发展。
本文对膜分离技术在生物制药中的应用进行综述。
1 膜分离技术在抗生素、氨基酸和酶类分离纯化中的应用
1.1 膜分离技术的特点
相对于传统工艺，膜分离具有简化工艺流程、产品质量高、操作简单、能耗低、收率高、环保、运行费用低等优点。
1.2 分离原理
根据截留组分的不同，可以将膜过程分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗透蒸发、渗析、电渗析、气体分离等。
用于发酵液后处理的膜技术主要是超滤，其次是纳滤、微滤、反渗透以及液膜分离等。
膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜。
抗生素、氨基酸和酶类分离纯化主要应用超滤膜。
1.2.1 微滤膜又称微孔过滤，它属于精密过滤，分离截留直径0.01～10?滋m以上的粒子。
液固分离等方面，常作超滤的预处理过程，如发酵液中的菌体、细胞、不溶物等。
1.2.2 超滤膜属于非对称多孔膜，是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，孔径在2～50nm。
超滤膜以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。
超滤膜常用于处理发酵液可以截留病毒、蛋白质、酶、多糖等大分子物质。
1.2.3 反渗透的分离基本原理是溶解扩散学说，主要应用于水处理和热敏感性物质的浓缩，主要应用领域包括以下：生物医药、生物发酵、医药行业工艺用水、制剂用水、注射用水、无菌无热源纯水等。
1.2.4 纳滤膜平均孔径2nm左右，是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在80～1000的范围内，处理发酵液时截留组分可小到抗生素，合成药、染料、双糖等，具有对小分子有机物有较高的截留性等特点。
1.3 膜分离技术在抗生素、氨基酸和酶类微生物药物分离纯化中的应用
膜分离技术主要用于B一内酰胺类、大环内酯类、四环素类等抗生素以及氨基酸和酶类微生物药物分离纯化中的应用。
李春艳、方富林等采用Ultra-flo超滤系统提纯未经任何预处理的头孢菌素 C发酵液，过滤收率由原工艺的 78%提高到 83.8%[1]。
梁万秋、何建勇等比较连续板式超滤与间歇板式超滤在头孢菌素C发酵液过滤提纯中的效果，结果连续板式超滤适应头孢菌素C的过滤分离及与后续提取工艺的整合[2]。
冯建立，许振良，王学军等采用自制的三种中空纤维超滤膜(U F-1、U F-2和U F-3)对红霉素发酵液去除乳化现象进行了试验，结果表明超滤法可达到去除乳化的目的，同时提高了萃取的收率和质量[3]。
张治国，王世展等采用蓬莱反渗透设备厂生产的NFB系列板式反渗透装置已成功地应用于济宁抗生素厂的链霉素生产中，收率明显提高，能耗和物耗大幅度降低[4]。
叶榕等采用超滤-纳滤集成膜分离技术代替传统的薄膜蒸发法提纯浓缩卡那霉素树脂解吸液，实验结果表明浓缩倍数、浓缩收率、损失率、平均膜通量等指标均优化[5]。
2 分离纯化的方式方法
根据近年来国内外应用膜分离纯化微生物药物的方式方法，大致有以下几类。
2.1 分离方式
对于纳滤，可以将萃取液用疏水性纳滤膜处理进行浓缩或用亲水性纳滤膜对未经萃取的抗生素发酵滤液进行浓缩，减少萃取剂的用量。
2.2 多层液膜分离
例如红霉素在水/油乳状液滴中的渗透，乳状液滴中一旦形成的浓团，会使分离性能降低。
为防止这种情况发生，料液和乳状液应分别为分散相和连续相进行分离。
2.3 组合分离
抗生素发酵液的分离有时候需要多个膜分离操作。
通常先采用微滤或超滤，去除盐和水，再采用纳滤浓缩。
2.3.1 超滤和纳滤膜组合分离。
何旭敏等用超滤膜处理6-APA的钾盐，经反应罐中裂解后，再经纳滤膜浓缩，裂解率为97.5%[6]。
2.3.2 超滤和反渗透膜组合分离。
李十中等先用截留分子量5万的超滤膜处理土霉素结晶母液，除去母液中的悬浮物和大分子物质，得到土霉素的纯度82.9%[7]。
2.3.3 膜分离技术与传统的分离技术相结合。
膜分离技术与传统的分离技术相结合，在不同程上吸取了膜分离和传统分离方法的优点而避免了两者原有的缺点。
李十中等利用超滤/萃取法提取青霉素G、红霉素和麦迪霉素，发现新工艺收率高，静置分层快，不需要离心分离或活性炭脱色。
结束语
目前的膜分离技术在生物制药应用研究非常活跃，广泛用于生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化精制、结晶母液回收、氨基酸发酵液过滤澄清及精制、生物蛋白、多肽、酶制剂等酵液过滤澄清及精制等。
膜分离技术突出的优点和其广阔的潜在市场使膜分离技术将在微生物制药中发挥更为重要的作用。
参考文献
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膜分离技术在生物科技中的应用与进展【2】
【摘 要】膜分离技术作为现代分离技术中的核心技术之一与现代科技已经紧密的联系在了一起。
而它与生命科技的结合更是使它“英雄有用武之地”，推动了生命科学的一系列进展：小分子有机物的分离纯化，人工器官尤其是人工肾脏的制造和完善，用于污水处理的膜生物反应器等等都离不开膜分离技术的发展。
本文将就膜分离技术与现代生命科学的结合为切入点，粗浅的介绍一下膜技术的一些基本特点与基本方法和我个人对于这项潜力巨大的技术的展望。
【关键词】膜分离 ; 生物科技; 小分子有机物分离 ; 蛋白质分离; 膜生物反应器
1膜分离技术的发展现状以及其在分离技术中的地位
1.1膜分离技术的简介
膜分离技术是指借助膜的选择渗透作用，在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中溶质和溶剂进行分离，分级， 提纯和富集。
根据膜材质和孔径大小的不同，我们可以将膜分离技术分为一般微滤(MF)，超滤(UF)，反渗透(RO)，纳滤(NF)等等。
膜分离技术自从20 世纪60年代被用于工业生产以来，经历了膜材质从大孔径到小孔径，推动力从重力场到多种电化学作用共同作用的发展模式。
自从上世纪90年到之后TFC膜(低压聚酰胺复合膜)的成功研制之后，膜分离技术在现代化工和生物工程的各个方面都得到了广泛的应用。
1.2膜分离技术的独特优势
而在这些现代分离技术中，膜分离技术的基本原理是利用高分子薄膜的选择透过性为分离的基本原理，以压力差，电势差，电渗差等为动力，以达到物质在薄膜间的传质而达到分离的目的。
因此在经历了：微孔过滤，渗析，电渗析，反渗透，超滤，气体分离，渗透气化等发展过程后[1]，现代膜分离技术具有反应条件要求低(常温下即可发生);是一个物理过程，不发生化学变化所以损耗较小;膜分离过程中多以压力差为动力(渗透压也包括在内);膜的性质稳定的情况下膜分离系统可以有极大的分离范围;膜分离过程的研究比较透彻，分离的流程控制比较容易控制从而得到更高纯度的分离产物[2]。
这些优点都使得它在实际运用中都具有很高的价值，而被广泛使用在工业和科研中。
1.3膜分离技术与生命科学的结合
近些年来生物领域飞速发展，一系列系统理论的建立使得生物科学向更精细更严谨的方向发展，人们对于生物制品需求扩大的同时对其的安全性可靠性的要求也越来越高。
尤其是分子生物学的建立使得生命科学的范畴更加靠近生命的本质。
而随着分子生物学的发展，它对与物质的分离与鉴定的要求也越来越高，传统的分离手段已经无法满足，但膜分离技术等为代表的现代分离技术(其特点前文已述)却很好的迎合了他的需求，因此被广泛的运用于科研与实际生产过程中。
2现代膜分离技术的基本过程与原理详细
2.1膜分离技术的基本原理以及其分类
以压力差为推动力的液体膜分离过程通常可根据分离对象的大小和膜的不同分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。
根据待分离样品的性质以及分离所选用薄膜的性质尤其是薄膜的孔径的大小还有分离纯度，分离时间，分离速率等方面的要求可以有针对性的选取合适的分离方法，以达到分离预期结果[3]。
2.2膜分离技术的不同操作模式
膜分离技术原理简单，因此它的工艺流程也便于标准化。
由于待分离物质中我们想要的目的产物的分子量各有不同，我们的目标产物最终出现的位置也不同：小分子物质一般会通过薄膜最终在滤过液中富集。
而大分子物质会在膜的另一侧由于无法滤过被截留在浓缩液中。
为了使膜分离过程中的损耗尽可能的小，时间尽可能的短，我们会在料液中添加渗滤溶剂，它可以和小分子组分互相作用和小分子物质一同穿过薄膜从而加速小分子物质过膜速率，使大分子与小分子物质的分离加速，从而解决了高浓度的溶液过膜速率过慢的问题。
收集浓缩液得到其中被截留的大分子称为浓缩。
与此不同，利用渗滤溶剂进行的膜分离过程称为渗滤。
在实际工作中二者往往搭配使用，操作过程由预浓缩、恒容渗滤和后浓缩三个阶段组成：利用浓缩模式使料液的浓度上升，在过膜速率出现了明显下降的时候转化为渗滤模式，从而达到克服高浓度料液透过速率低，减少浓差极化与膜污染的目的，加快分离速率以免影响物质活性的目的。
有时为使纯度达到要求还可以采用多级分离的方法从而使物质分离的更加彻底。
在选择具体的膜分离方式时，我们要考虑的因素有：与上下操作间的衔接，对于膜使用寿命的影响，分离效果的好坏等等。
2.3膜分离的计算模型以及效果衡量
膜分离的传质原理有两个主流理论：双模理论和溶质穿透理论。
双模理论认为，气液界面间存在的气膜和液膜集中了主要的传质阻力，溶质分子在这两个膜层内梯度扩散，按照Fick第一定律进行计算。
其中，J为扩散速率，D为扩散系数，dC/dX为浓度梯度。
溶质穿透理论认为，气液两相在接触前都是均一的，接触后开始互相扩散。
靠近界面处溶质浓度大。
在一定时间后，液体达到均一饱和状态，此时两相处于动态平衡状态。
可以按照Fick第二定率计算。
其中C为浓度，t为时间，D为传质系数，x为离界面的间距。
其中D与浓度无关，否则要修正为：
衡量膜的好坏时主要看膜的分离性能与透过性能，主要是指截留率，分离系数，浓差极化，压密，膜污染速率等系数。
但是在工艺上来说膜分离效果的衡量主要包括两个主要参数：分离时间与分离效果(主要用小分子去除效果来衡量)。
2.3.1分离效果，以小分子去除效果为例：
公式右端是大分子物质浓度除以小分子物质浓度，可以用来表示小分子物质的去除效果。
公式左端表示的过程是料液稀释后，再浓缩至原体积，重复n次。
S1与S2分别表示经过膜前后溶液中小分子物质的浓度。
3膜分离技术在生物科技领域使用的具体实例 3.1膜分离技术在小分子有机物分离过程中的应用
常常使用膜分离技术进行分离的小分子物质包括：多肽，氨基酸，抗生素，乳酸，低聚糖等。
此处以氨基酸为例进行分析。
氨基酸的膜分离：由于氨基酸本身是两性物质，有自己的等电点，因此我们在分离氨基酸时往往还会调节料液的PH值，而且大多采用纳滤膜以利用纳滤膜的带电性质以达到最大分离截留效果[4]。
对氨基酸分离用纳滤膜分为高分子复合膜和无机陶瓷膜，其分离性能与氨基酸混合体系和操作条件有。
关有人用ZrO2膜表面接枝交联PEI的有机-无机复合纳滤膜(膜的等电点为1018)，进行了9种氨基酸(其中酸性2种，碱性3种，中性4种)混合物的膜分离实验。
在pH=2时，带正电的碱性氨基酸被膜截留(透过率小于25%)，而中性和酸性氨基酸的膜透过率大于85%;在pH=12时，带负电的酸性氨基酸被膜截留(透过率小于30%)，而中性和碱性氨基酸的膜透过率大于80%，由此可以看出通过改变膜电性与料液的PH值可以分离大多数的氨基酸[5]。
3. 2膜分离技术在蛋白质分离中的应用
蛋白质是一类以复杂的混合物形式存在的生物大分子，传统的蛋白质分离方法主要有萃取法、沉淀法等，这些工艺往往操作繁杂、耗时长、蛋白质易变质，且产品的回收率低、二次污染严重。
膜分离技术则可以很好地克服传统蛋白质分离技术的缺点，有效改善产品质量，还可以大大提高蛋白质的回收率，实现蛋白质的分离和纯化。
一般蛋白质的膜分离会用两张膜：一个膜孔较小，能使需要的蛋白质全部截住，而让小的蛋白质透出，然后再将截留在第一张膜内的蛋白质转移到孔径较大的膜内，截住较大的蛋白质使所需的蛋白质流过微孔透出，这样使蛋白质得到了提纯，如果还有杂蛋白还可以再接着进行类似流程。
比如说美国农业部利用膜技术分离精制了霍霍巴榨油后残渣中的蛋白质、纤维素等成分，分离后各组分分别作为动物饲料及调节剂;还有Muller等采用 ZrO2/Al2O3无机超滤膜从酸性酪蛋白乳清中分离α-乳清蛋白，显著提高了α-乳清蛋白的纯度和产量[6]。
3. 3膜分离技术与膜生物反应器
膜生物反应器是一种近些年来膜技术与生物技术结合研究应用于生产的热门方向，主要是将微生物与膜结合控制料液在膜中的流动利用微生物的各类生化作用来起到去除料液中某些杂质而且可以得到并分离产物的目的。
现阶段主要运用于污水高效处理，已经有部分进入工厂使用。
这里选择性介绍无泡曝气膜生物反应器与萃取膜生物反应器[7]。
3.3.1无泡曝气膜生物反应器。
生物反应器在作用中由于大量污泥(就是大量具有强分解作用的微生物的载体)的存在其过大的需氧量一直是限制其应用的主要原因。
而无泡膜生物反应器能很好地解决这一问题。
它一般采用的是中空纤维膜，膜的一端封住，空气或O2在膜的内腔里流动，在浓差作用下向膜外侧的活性污泥传递。
气体进入污水中不产生气泡，而且氧的传递效率高达100%，可以满足各种微生物生化反应的需氧要求。
3.3.2萃取膜生物反应器。
当废水中含有对微生物有毒害作用的成分(很高浓度的盐、很大的酸碱度或者是生物难降解的有毒有机物等)时，直接用生化法是不适宜的。
而萃取膜生物反应器能很好处理这些废水。
萃取膜生物反应器中，污泥与废水并不直接接触，废水在膜腔内流动，而活性污泥则在膜外流动。
活性污泥中的微生物一般是针对废水培养出来的专性细菌。
采用的膜一般是疏水性的硅橡胶膜，且有选择透过性，能允许挥发性有机物透过而水及无机成分则无法透过。
首先污染物在膜中溶解扩散，再以气态形式离开膜进入膜另侧的混合液中，在混合液中由专性菌分解成CO2、H2O等无机小分子[8]。
3.4膜分离技术在医药有效成分提取中的应用
3.5膜分离技术在酿酒中的应用
白酒酿造过程中，如果使用传统固态发酵方法，不可避免的会产生甲醇，油性脂肪酸，醇油等杂质，它们会影响产品口感，外观，其中甲醇对人体有极大危害。
因此这些物质的分离会对白酒品质产生极大影响。
有人研究发现，超滤和微滤是有效的分离此类杂质的手段。
在低酒精度下进行膜分离，可以有效的延长产品的保质期，改善口感，却对其其他理化指标并不产生太大的不良影响(总酸总酯会有所下降)。
对于清香型白酒，一般稀释到28到30度之间过非对称的活性炭吸附膜，之后再于低温下保存(18摄氏度)，可以有效避免失光，浑浊等现象，同时降低苦味辛辣味，和蒸馏产生的蒸煮味。
除此之外，在啤酒的发酵过程中由于采用了代谢控制发酵的方法，往往会有较高的残糖，而使用反渗透过滤之后，也将将有效降低残糖，达到改良口感的效果。
3.6其他
膜分离技术还广泛的运用于其他产业：高品质饮用水的过滤，发酵废液的再利用。
4总结
膜分离技术从产生到现在已获得巨大的成功，但仍属于一门发展中的年轻综合性学科。
理论和应用上都有大量的问题有待解决。
比如说：膜寿命过短，易污染;料液粘度大，往往流动性较差;料液固体含量高，膜通量衰减快;膜类型不足，工艺经验不足等等 [3]。
总的来说膜分离技术与生物技术的结合无疑是成功的而且还是潜力巨大的，可以想象在解决了这些问题后这项技术的前景将会多么诱人。
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微生物制药中膜分离技术应用【3】
【摘要】在当代的生物制药分离工程技术中，膜分离技术已经被广泛应用，并且具有显著应用意义。
本文就膜分离技术的应用展开讨论，主要包括在抗生素、氨基酸、酶类分离纯化等的应用进行了介绍，并且根据应用效果，对膜分离技术应用中存在的问题和针对问题的改进方法进行了阐述。
【关键词】膜分离技术;生物制药;分离浓缩
膜分离技术是现代生物制药分离工程的一门新技术，主要针对生物分离、生物浓缩以及净化提纯技术，是当代广泛应用的技术之一，其技术特点是：节约能量、保护产品原有结构不被破坏、无污染、操作简便、常温下可持续操作、有专一性等[1]。
而且在膜分离技术中有各种不同的机制，以便用于不同的分离要求，特备是在热敏性物质的分离过程中有显著的优势，因此在食品的深加工以及医药的分离过程中都具有深远的应用意义，具备独特性和实用性。
1膜分离技术应用在抗生素、氨基酸和酶类分离纯化中。
1.1应用特点
与以往传统抗生素提炼工艺相比，膜分离技术程序更为简便，从传统的发酵液过滤、萃取、浓缩，简化为发酵液超滤、反渗透，之后经过脱色、干燥环节，就可直接生成产品。
因此，膜分离技术不仅简化工艺、操作简单，而且投资少、运行费用低，更节省资源，对产品的结构和外观无破坏，且保证质量，材料分离效率和产品收成率均比较高。
由于膜分离技术对溶剂量的要求极低，因此提纯、加工后的废液处理也更为简易。
1.2膜分离技术
膜分离技术主要用于发酵液后的处理，根据截留孔径的不同和分子量的大小，可将处理过程分成十余种，其中较为主要的是超滤、微滤、纳滤、反渗透、渗透蒸发、液膜分离、电渗析、气体分离等技术[2]。
超滤膜分离术截留孔径为2-50nm，采用压差和流速原理，在常温情况下，利用高分子薄膜渗透性，将小于膜孔径的低分子量物质过滤，而将高分子量物质截留，从而提升产品纯度。
目前已开发出1000 - 100万分子量超滤膜，可根据分子大小及产品要求纯度对发酵液进行过滤处理，从而将酶、多糖、蛋白质、病毒等大分子物质截留，保证产品纯度。
微滤膜分离技术主要用于细胞收集、液固分离等技术环节，采用筛分原理，将直径0.01-10um以上的粒子截留，防止细菌、细胞、不溶物等物质进入发酵液中，是超滤之前重要的预处理过程。
纳滤膜分离技术截留孔径大约在2nm左右，可高度截留小分子物质，如抗生素、染料、双糖、合成药等小分子物质都会进行截留，而对于有机物、无机盐、水等小分子物质有益物质，可以通过，同时对产物起到浓缩作用，由于膜表明呈负电性，可抵制水垢污染，此膜分离技术获得较快发展。
反渗透分离技术采用溶解扩散原理，通过截留氨基酸、盐等小分子物质，而通过溶剂分子，从而利于有机物的浓缩，提高纯度。
液膜萃取技术，将萃取与反萃取相结合，利用液膜的选择透过性，将两个液相隔开，进行物质分离。
液膜采用均质膜，其表面活性剂，具有传质速度快、分离率高、选择渗透性好，且分离、浓缩可同时进行等特点，为此近几年液膜萃取技术在活性物质的分离提取领域备受关注，如青霉素、红霉素等抗生素的提取就是液膜萃取技术应用的典型例子。
但液膜萃取所需原料复杂、膜流动载体单一、易破裂、堵塞等缺点，也是该技术没能进行广泛退刚的原因。
2技术缺陷及改进
由于在压力驱动下，料液透过膜过程中容易被截留，于是导致膜与本体溶液界面间的浓度越来越高，形成较强渗透压，容易在膜表面形成沉积，从而为物质通过造成阻力，使膜发生溶胀或使膜性能恶化，结晶析出，堵塞流道。
此外，在物料处理中，由于粒子、溶质分子与膜之间的屋里化学反应，以及浓度极化导致的膜表面浓度超标，很难溶解，膜表面及孔内吸附、沉积引起孔径变小或阻塞，而使膜的透过性和分离性出现不可逆的破坏[3]。
针对以上技术问题，可采用以下方式进行改进：(1)膜表面改性，可采用改变膜表面极性和电荷的方式，减轻污染;采用吸附力强的溶质吸附， 对于醋酸纤维膜可采用阳离子活性剂进行辐射嫁接，该表膜表面极性，此方法有助于膜表面改性处理，从而提升膜抗污染性及亲水性，增加溶液通量;(2)有效清洗。
针对长期存在的膜污染问题，可采用物理清洗和化学清洗方法进行处理，如果高速流动液体进行冲洗，或海绵球擦洗等，也可采用表面活性剂、螯合剂、过氧化氢、磷酸盐等清洗剂进行清洗，从而去除膜孔、膜面的污染物，增强膜面透过性，延长膜寿命;(3)引进新型膜材料。
陶瓷膜、玻璃膜、金属膜是近几年开发的新型膜材料，具有耐高温、耐溶剂、抗老化、耐细菌、再生性强等优点，且有助于膜截留性能改进，在业界受到广泛应用，是发展最快、最有前景的品种。
3技术革新
在膜分离技术领域，膜萃取、膜反应、膜蒸馏、亲膜分离等技术在未来有更广阔的发展前景，也是膜分离技术的发展方向。
这些技术将传统分离技术与现代膜分离技术相结合，取其精华，去除糟粕，将两种技术的有点有效结合，从而提高膜技术的高分辨应用，促使蛋白质-病毒分离术、膜色谱、蛋白质切线流分离等技术更为纯熟，效果更好。
这些膜技术的改进和发展，对今后生物制药的分离技术、以及现代生物制药的提纯过程有着重要的作用，是不可或缺的重要技术力量。
为此，在未来膜技术领域，人们在关注膜分离渗透性及选择性的同时，也会更注重膜材料、性质、以及相关技术原理等内容，从而为膜分离技术的提升和跨越，提供更广阔的空间。
参考文献
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