膜分离技术在微生物制药中的应用

2018-03-28赵明古王钰宁

生物化工 2018年1期

赵明古，王钰宁

（云南技师学院，云南昆明 650300）

社会经济的快速发展和现代基因工程技术研究进程的不断深入，为我国微生物制药事业的可持续发展提供了重要契机与良好社会环境。以传统发酵法为主的微生物制药在分离、纯化等环节中面临一系列新的问题，如含量低、提取率低、活性高等。膜分离技术作为现代基因工程技术的重要组成部分，可以运用新型的分离技术来分离纯化活性蛋白、氨基酸、疫苗等物质，并且取得了良好的临床试验效果。在实际应用中，膜分离技术具有节能环保、污染小、操作简单、配膜规范等优势，且可以根据微生物制药中膜过程的不同选择有针对性的分离机制，所提炼的物质具有纯度高、含量高的鲜明特点。对此，笔者以膜分离技术为主要研究内容，对其在微生物制药中的应用予以简要分析与着重探讨。

1 膜分离技术在微生物制药中的应用

1.1 膜分离技术的特点

以传统发酵法为主的抗生素提炼主要是按照“发酵液→过滤→浓缩→脱色→干燥→产品”的顺序进行。而采用膜分离技术则可以有效简化传统工艺流程，在分子水平上，不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离采用错流过滤或死端过滤方式。与传统发酵法相比，膜分离技术具有工艺流程简便化、投资成本投入少、产品结构无变化、分离效率高、废水处理效果佳的优势。

1.2 分离原理

膜分离技术以截留分组为划分依据，膜过程可以划分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析、渗透蒸发、电渗析、液膜分离等。其中，超滤为微生物制药中的常用技术，其次分别是纳滤、微滤、反渗透、液膜分离等。

1.2.1 微滤技术

以筛分原理为基础，分离截留直径通常控制在0.01～10 μm的粒子，如不溶物、细胞、菌体等。

1.2.2 超滤技术

该种技术以非对称多孔膜为主，孔径最小为2 nm，最大为50 nm，在常温环境下借助一定的压力、流速来促使低分子量物质逐步渗透过薄膜，进而保证高分子物质被充分截留。

1.2.3 反渗透技术

此技术以溶解扩散学说为主要依据，以小分子有机物浓缩为主要应用范围，其中仅溶剂分子可以通过，其余的盐、氨基酸等小分子则会被截留。

1.2.4 纳滤技术

通常纳滤技术采用的纳滤膜平均孔径控制在2 nm左右，截留组分最小可以缩减到抗生素、双糖、染料、合成药等，只能够允许水、有机物、无机盐等某些小分子物质通过。纳滤技术所表现出来的截留性能具有良好的浓缩作用，可以介于超滤技术、反渗透技术之间。同时，纳滤技术凭借操作简单、压力低的优势，可以对一、二价离子有着不同的选择性，有效截留有机小分子。

1.2.5 液膜分离技术

此种技术主要是将膜展开转换为膜相，在隔开方式的基础上充分发挥液膜的选择透过性效能，从而实现物质分离的目的。液膜分离技术具有操作简单、流程同步的鲜明特征，主要应用于青霉素、红霉素等药物提炼。但其在应用过程中也存在某些问题，因原材料成本高、流动载体单一、堵塞破裂等因素的影响使得液膜分离技术尚未充分应用在微生物制药活动中。

1.3 膜分离技术在微生物药物分离纯化中的应用

1.3.1 微滤技术

微滤技术在青霉素G的分离纯化中具有极为广泛的应用，所选择的膜以管式陶瓷膜为主，压力差通常控制在0.35 kg/cm2，温度为5℃，3.8 m/s的错流速率，12个循环后方可实现药物制取的目的，回收率为98%，极大地缩短了微生物药物的分离时间[1]。

1.3.2 超滤技术

超滤技术在微生物制药中的应用范围较为广泛，如青霉素、头孢菌素C、头孢菌素、硫酸（双氢）链霉素、硫酸卡那霉素、红霉素、去甲金毒素等，且具有极高的应用价值。以头孢菌素为例，以MWCO24000平板式超滤器为主要载体，回收率高达98%，与此前传统分离纯化方法相比费用减少约20%，极大地提高了头孢菌素药物的分离纯化效率[2]。

1.3.3 反渗透技术

反渗透技术应用于6-APA、链霉素、红霉素、土霉素等微生物药物的分离纯化工作中。以链霉素为例，通常一般是板式装置为主，温度控制在20～25℃，pH数值为3～4，通过此种方式得到的链霉素药物的纯度与此前相比增加了6.6倍，产品尚未出现相变，回收率高达95%[3]。

1.3.4 纳滤技术

纳滤技术主要应用于6-APA、卡那霉素、螺旋霉素、泰乐星等微生物药物的分离纯化环节中。以卡那霉素为例，通常采用DK4040膜，温度为25℃，0.1压强，膜通量260 L/h。通过此种方式得出的卡那霉素浓缩20倍，无机盐截留50%，KM截留率为98%[4]。

1.3.5 液膜分离技术

根据所采用膜的不同，膜分离技术可以划分为不同的技术方式，其中主要包括乳状液膜、亲和膜、阳离子交换膜。乳状液膜用于青霉素、青霉素G、红霉素、麦白霉素等药物的分离纯化，亲和膜以β-半乳糖苷酶的分离纯化为主，而阳离子交换膜则应用于溶菌酶。以麦白霉素的提炼为例，通常膜相和液体石蜡的比例为1∶1，使用表面活性剂3074-12的乳液作为乳化剂，用量为膜相的2%，0.1 mol/L的水溶液为内相，被提取液与液膜乳液体积比例为7∶1。通过此种方式极大地提高了药物的一次提取率，约为48%，两次提取率超过60%，高于大孔树脂和溶剂萃取[5]。

2 膜分离技术面临的问题、解决方法及发展方向

现阶段，膜分离技术面临的问题主要表现为两方面，分别是浓差极化和膜污染。前者主要是指在分离纯化过程中，料液因强大的压力穿透膜，虽然溶质被截留但是会导致膜与本体溶液界面所处区域的浓度越来越高，从而导致渗透压增大情况的出现，长此以往，必然会在膜的表面形成凝胶层，无形中改变了膜的分离特性，阻塞流道[6]。后者主要是指在实际操作过程中，因物理化学因素的影响会出现膜孔径变小、堵塞等情况的出现，无法保证膜的透过流量性能与分离特性得到有效融合，不可逆变化现象严重。

针对膜分离技术中的此种问题，应从膜的选择、研究、创新与应用等方面入手。近年来，在科学技术的驱动下，复合膜、无机材料膜、改变膜表面极性及电荷等逐步出现。虽然这些膜的处理方式还处于试验研究阶段，但在临床应用中已经取得了良好的实验效果。以无机陶瓷膜为例，在经过多年研究后于众多领域中获得了广泛应用，并逐渐成为当前膜领域内发展迅速、潜力颇高的品种之一。

膜分离技术应与传统分离技术相融合，并从中衍生出一种全新的膜分离过程，如膜蒸馏、膜反应、亲和膜等[7-8]。通过两者的融合、相辅相成可以有效攻克单一分离技术使用中存在的不足，日渐成为当前膜技术发展的主要方向。