膜分離技術在制藥工業中的應用

羅 丹

（湖南長沙金馳生物科技有限公司，湖南 長沙 410023）

引言

膜分離技術在制藥實踐中能夠發揮出較高的應用優勢，能耗成本低、投放設備與操作工藝簡單、最終獲得的分離效果理想，因此在當前的制藥工業領域得到廣泛性應用。

一、制藥工業中常用的膜分離技術要點分析

1.制藥工業中常用的膜分離技術

第一，微濾技術。設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，可以實現對存在于液體或氣體內不溶物質（微粒、膠團、細菌等）的截留剔除。

第二，超濾技術。對于超濾技術而言，其應用原理與微濾技術基本保持一致，主要完成對存在于液體或氣體內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。相比于微濾技術以及超濾技術而言，納濾技術的開發應用時間相對較短，其應用原理與上述兩項技術基本保持一致，最大的區別在于投放的濾膜不同。在當前的實踐中，納濾技術更多被應用于對粒徑在300-1000D之間的微粒的截留操作中，且可以實現有機質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。在壓力差與化學勢的動力支持下，投放膜孔直徑低于0.1納米的濾膜，可以實現對溶液種存在的溶解鹽等成分的剔除。

2.基于不同技術的制藥生產中的膜分離過程

在使用微濾技術進行制藥生產時，膜分離過程為微濾，投放的膜類型為多孔膜，設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；在使用超濾技術進行制藥生產時，膜分離過程為超濾，投放的膜類型為非對稱膜，設定的膜孔徑維持在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；在使用納濾技術進行制藥生產時，膜分離過程為納濾，投放的膜類型為非對稱膜或是復合膜，設定的膜孔徑維持在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，主要被應用于藥物的純化、濃縮脫鹽與回收等方面；在使用反滲透技術進行制藥生產時，膜分離過程為反滲透，投放的膜類型為非對稱膜或是復合膜，設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、制藥工業中膜分離技術的具體應用探究

1.在生物制藥領域中的應用

1.1 在生物發酵制藥中的應用

在當前的生物制藥實踐中，抗生素、酶類、氨基酸等藥物的生產與提煉，更常用的方式為生物發酵制藥方法，此時所投放的主要原材料為糧食。在發酵液中，實際包含著的目標產物濃度維持在偏低水平，其包含雜質種類較多、含量較大[1]。同時，部分目標產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，所以在生物發酵制藥實踐中，最重要的操作為剔除發酵液中的雜質，即在發酵液內提純目標產物。此時，膜分離技術能夠發揮出較為理想的應用優勢，不僅可以獲得較好的目標產物回收率，還能夠為在發酵液內剔除出的雜質進行回收利用提供支持。例如，膜分離過濾出的蛋白、菌絲體等雜質可以應用于干燥飼料的制作中。

對于膜分離技術而言，可以在室溫條件下操作、不存在相變、支持分子級分離、分離系數維持在較高水平為該技術的主要特征，在生物發酵制藥中的應用優勢明顯，因此在當前的制藥工業中較為常用。現階段，針對生物發酵液實施膜分離處理期間，所使用的普遍方法為對發酵液落實直接性的超濾處理，剔除發酵液內所包含著的如菌絲、蛋白質、病毒、熱原等等大分子物質，同時，以目標產物為主的小分子代謝物質、鹽、水可以順利通過超濾膜，最終獲取到高純度目標產物[2]。由于不同目標產物對于實際生產工藝有著差異性的要求，所以需要結合目標產物的不同落實對膜處理工藝的微調。存在部分發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的常見藥物產物的生物發酵制藥工藝為例進行說明，膜分離技術應用于抗生素、酶類、氨基酸等提煉方面更多使用生物發酵的方式，主要應用過程與提煉結果如下所示：

第一，在使用膜分離技術提煉青霉素時，投放的膜一般為超濾膜；分離方式設定為管式陶瓷膜，壓力差為每平方厘米0.35千克，溫度穩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；能夠得到得提煉結果為回收率保持在98%左右，分離時間保持在較短水平。

第二，在使用膜分離技術提煉頭孢菌素時，投放的膜一般為超濾膜；分離方式設定為MWCO24000，平板式超濾器；能夠得到得提煉結果為回收率保持在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，在使用膜分離技術提煉紅霉素時，投放的膜一般為超濾膜；分離方式設定為0.2微米微濾膜預處理，中空纖維超濾膜，MWCO20000；能夠得到的提煉結果表明可以實現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，此時設定為分離方式為卷式反滲透膜，板框型裝置，膜面積設定為0.72平方米，控制反應壓力為4兆帕；能夠得到的提煉結果表明可以實現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設定在8.5-9.5之間，抽提相pH設定在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始終保持一致（恒定）。

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

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

第六，在使用膜分離技術提煉6-APA時，投放的膜一般為納濾膜；分離方式設定為管式，MWCO200，膜面積設定為1.2平方米，溫度設定在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；能夠得到得提煉結果表明可以將透析損失控制在1%以內，且實際的截留率保持在99%左右。

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

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

1.2 在現代生物制藥中的應用

在當前的生物制藥實踐中，制備蛋白質產品、純化緩沖劑、針對發酵培養基進行滅菌過濾處理等過程均可以應用膜分離技術完成，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著極為重要的地位，是保證目標產物安全性的重點分離操作。而對于一些病毒而言，其耐化學性質以及耐熱性質均保持在較高水平，如果使用傳統的加熱處理法、化學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期。相對應的，使用微濾技術或是超濾技術就能夠達到良好的病毒過濾效果，提升目標產物的純度與安全性。

現階段，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，需要應用膜分離技術完成生物制藥的提純與回收，并以此實現對生物制藥成本的有效控制。對于膜分離技術而言，其在生物制藥中產生的能耗與現實成本較低，因此能夠作為電泳與色譜技術的替代技術應用于現代生物制藥實踐中。

在純化蛋白質或是核苷酸期間，可以應用的新技術為高效剪切流過濾技術，該技術實現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的范疇內，可以實現對具有相同分子量的生物分子的分離，也能夠實現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。相比于傳統剪切流過濾技術、色譜法、超濾技術、離子交換技術等，將高效剪切流過濾技術應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.在生物提取領域中的應用

2.1 微濾技術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、雜質的剔除與截留處理期間，微濾膜能夠發揮出較為理想的作用性與優勢性，在當前應用膜分離技術展開生物提取生產實踐中，微濾技術相對常用，投放的微濾膜一般為膜孔徑保持在0.1-5微米范圍內的對稱微孔膜；在實際的過濾環節中，設定實際施加的壓力保持在0.05-0.5兆帕的范圍內。

2.2 超濾技術在生物提取中的應用

在應用膜分離技術進行生物提取實踐中，還可以應用超濾技術，此時需要投放的膜為非對稱膜，且要求將相應膜的孔徑控制在不高于0.1微米的水平；在實際的過濾環節中，設定實際施加的壓力保持在0.1-1兆帕的范圍內。現階段，生物肽類的產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，最終獲取到的目標產物純度以及回收率均能夠保持在較為理想的水平，相比于傳統提純方法，超濾技術的應用所得到的目標產物純度以及回收率更高[4]。

大鯢肽是當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產物。在此過程中，將原料液投放至原料罐內，并在泵的支持下，使得原料液轉移至過濾器內；利用膜系統實現生物提純，所得到的目標產物（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產物能夠得到最大程度的提取。實踐中，應用的膜系統主要包括無機陶瓷膜系統以及有機卷式膜系統。其中，無機陶瓷膜系統為陶瓷微濾膜系統，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，實際的大鯢肽產物提純期間所選用的型號為50nm[5]。有機卷式膜系統內含卷式有機膜，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有效通道沖洗，整個系統無過濾及清洗死角，達到衛生清潔無殘留的效果[6]。

結語

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