膜分离技术在生物制药中的应用

课程论文院系：生命科学与技术系班级：09级生物技术（2）班姓名：学号：指导老师：目录摘要................................................错误!未定义书签。关键字..............................................错误!未定义书签。Abstrct.............................................错误!未定义书签。Keywords...........................................错误!未定义书签。1.膜分离技术在抗生素、氨基酸和酶类分离纯化中的应用.................21.1膜分离技术的特点............................................21.2分离原理....................................错误!未定义书签。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..32.分离纯化的方式方法...............................................42.1分离方式....................................................42.2多层液膜分离................................................42.3组合分离....................................................52.4膜分离技术与传统的分离技术相结合............................62.5膜过滤装置的选择............................................63.面临问题、解决方法和发展方向.....................................73.1面临问题....................................................73.2解决方法....................................................73.3发展方向....................................................84.结语.............................................................8参考文献...........................................................101膜分离技术在微生物制药中的应用摘要：膜分离技术已逐渐成为现代生物制药分离工程中具有巨大应用潜力的技术。本文介绍了膜分离技术中微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜以及液膜在内酰胺类、氨基糖苷类、大环内酯类,四环素类等几大类抗生素以及氨基酸和酶等生产中的应用。同时，论述了膜分离技术在微生物制药中应用的一些限制以及相应改进办法。关键词：膜分离技术；生物制药；应用；改进TheApplicationofMembraneSeparationTechnologyinMicrobialPharmaceuticalAbstract:Membraneseparationtechnologyhasbecomethetechnologyofmodernbiopharmaceuticalseparationprojectwithgreatpotential.Thisarticledescribesthemembraneseparationtechnologyinmicrofiltrationmembranes,ultrafiltrationmembranes,nanofiltration,reverseosmosismembranes,aswellasliquidfilm,includinglactam,aminoglycosides,macrolides,tetracyclinesseveralcategoriesofantibiotics,aswellasaminoacidsandapplicationofenzymesproduction.Atthesametime,thediscourseofmembraneseparationtechnologyinsomeofthelimitationsofthemicroorganismsinpharmaceuticalapplicationsaswellaswaystoimproveitaccordingly.Keywords:Membraneseparationtechnology;Biopharmaceutical;Application;Improve2随着基因工程技术的不断发展，由发酵法生产的微生物药物的分离和纯化正面临着一系列新的问题，如含量低、活性高、易失活、提取收率低等。膜分离过程作为一种新型的分离技术，在现代生物制药分离工程中具有巨大的应用潜力，得到了广泛的发展，已经用于酶、活性蛋白、氨基酸、维生素、甾体、疫苗等物质的分离纯化，而膜分离技术在抗生素提炼中的应用也是重点推广的领域之一[1]。成功的生物制品的商业化生产需要经济而又高选择性的分离方法。处理过程视产品价格、生产规模而变化，而各种药物生产过程中所处理的对象很不相同，例如微粒大小、不纯洁度、所需终产品浓度也并不一样。为避免价格昂贵的色谱分离和热分离方法，选择新的分离固液混合物的分离系统的研究就显得十分重要[2]。多数抗生素的分子量在300—1200范围，存在于胞外，从发酵液中提取。传统提取方法主要有：吸附法、溶剂萃取法、离子交换法和沉淀法。各种方法各有特点，但工艺往往都十分繁杂，所需时间长，易变性失活，需消耗大量的原料、能耗高、回收率低、废水污染严重且处理难度大。膜分离过程作为一门新型的分离、浓缩、提纯及净化技术，具有节能，不破坏产品结构、少污染和操作简单、可在常温下连续操作、可直接放大、可专一配膜等特点，且各种膜过程具有不同分离机制，适于不同对象和要求[3]。由于其特别适合用于热敏性物质的分离，在食品加工、医药等领域有其独特的实用性。用于微生物药物分离和纯化中的膜分离技术主要涉及微滤、超滤、纳滤、液膜分离和反渗透等。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膜分离技术的特点传统抗生素提炼工艺；发酵液→过滤或离心或大孔树脂吸附、萃取→浓缩→脱色→干燥→产品。采用膜分离技术工艺可简化为：发酵液→超滤→纳滤(或反渗透)→脱色→干燥→产品。相对于传统工艺，膜分离具有以下优点：大大简化了工艺，一次性投资少，维护、操作简单，运行费用低，节省资源；运行无相变不破坏产品的结构，分离效率高，提高了产品的收率和质量；不需要溶剂或溶剂用量大大减少，因此废水也更易处理。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。(1)微滤膜是利用筛分原理，分离截留直径0．O1～10µm以上的粒子，如发酵液中的菌体、细胞、不溶物等。微溶主要应用于细胞收集。液固分离等方面，常作超滤的预处理过程；(2)超滤膜属于非对称多孔膜，孔径在2～50nm，利用高分子薄膜选择渗透性，在常温下依靠一定的压差和流速，使小于膜孔径的低分子量物质透过膜而使高分子物质被截留。已开发具有不同分子截留的各种超滤膜(1000～100万分子量)，它可按分子大小选择膜孔径，处理发酵液可以截留病毒、蛋白质、酶、3多糖等大分子物质，对目的产物进行纯化；(3)反渗透的分离基本原理是溶解扩散学说，主要应用于小分子有机物的浓缩，只允许溶剂分子通过，盐、氨基酸等小分子被截留；(4)纳滤膜平均孔径2nm左右，处理发酵液时截留组分可小到抗生素，合成药、染料、双糖等，允许水、无机盐、有机物等小分子物质通过，截留性能介于超滤和反渗透之间，对目的产物起浓缩作用，由于其操作压力低，对一、二价离子有不同选择性，对小分子有机物有较高的截留性等特点，加之膜表面具负电性，抗水垢污染，发展较快[4]；(5)液膜萃取是将膜展开成膜相，隔开另两个液相，利用液膜的选择透过性，实现物质分离。实质上是萃取与反萃取的结合。液膜法具有操作简便，分离和浓缩能同时进行等优点。但原料复杂、膜流动载体单一、膜溶胀、稳定性、破裂、堵塞等也是该技术尚未广泛应用的关键问题。液膜是一种均质膜，其中一种形式为乳状液膜，以表面活性剂稳定薄膜，传质速率快、分离效率高、选择性好、节能，近几年来在生物活性物质的分离提取方面受到广泛的重视。液膜萃取技术在抗生素提炼中的应用报道有青霉素、红霉素的提取[5]。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表1分别介绍了微滤、超滤、纳滤、反渗透、液膜分离等五种方法在B一内酰胺类、氨基糖苷类、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。表1膜分离在抗生素、氨基酸和酶类微生物药物分离纯化中的应用42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，可以用以下两种方式对原有抗生素提取工艺进行改进，一是用溶剂萃取抗生素后，萃取液用疏水性纳滤膜处理，浓缩抗生素。可改善操作环境；二是用亲水性纳滤膜对未经萃取的抗生素发酵滤液进行浓缩。除去水和无机盐，再用萃取剂萃取，可大幅度提高萃取过程的生产能力，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(喷雾柱式接触器中)见图1。经过一系列的间歇式和连续式操作，红霉素透过5膜相，在抽提相中浓缩。图1红霉素在喷雾柱式接触器中水/油乳状液滴渗透的示意图[9]一般选择低分配系数的油相，因为这样透过率相对低，料液相液滴分散在乳状液滴膜相中。溶质的渗透可以从两个路径进行：①膜相分离系数高，溶质直接扩散到膜相中的各个抽提相液滴当中；②膜相分离系数低，溶质从料液相一步步传送到乳状液滴中，再传到乳状液滴表面的抽提相中。这样，可以得到更高的分离效果，同时乳状液膜相稳定性也提高了[9]。2.3组合分离抗生素发酵液的分离有时候需要1～3个的膜分离操作。第一步固液分离通常应用微滤或超滤，分离得含抗生素，盐和水的透过液。透过液的质量决定后序方法的选择，有时需再一次用到超滤，之后用纳滤浓缩。是否需要中间净化取决于浓缩抗生素的溶剂萃取结果，如果只用了一次超滤、纳滤后萃取结果满意，就不需中间净化了，否则还需要一中间次净化[10]。(1)超滤和纳滤膜组合分离6一氨基青霉烷酸(6一APA)，是生产半合成青霉素的关键原料。何旭敏等[11]用超滤膜处理6-APA的钾盐，经反应罐中裂解后，在一定温度下，用3mol/I氨水调节反应液pH=7.5～8.8至裂解完全，再经纳滤膜浓缩，裂解率为97.5%。(2)超滤、纳滤和转相组合分离刘路等[12]应用超滤、纳滤和转相组合分离技术，纯化、浓缩林可霉素发酵液，缩短并优化了传统工艺路线，大大节省溶剂和能源，提高了收率及质量。平板超滤器截留固体颗粒及蛋白质等大分子物质，但对林可霉素、Fe3+、Na+等小分子无截留作用，超滤只起净化作用。第二步用平板纳滤器，压力为2．9～3．0MPa，进液温度12.5℃下，截留铁钠离子，浓缩倍数达10倍以上。浓缩液经转相，减压浓缩、加酸、即可结晶得粗粉，所得晶粒大而均匀，色级比原来淡，质量得到控制，提高了收率。该技术另一个重要意义，是解决了污水治理问题，省去了回收溶剂过程，仅在转相时产生小量的污6水。(3)超滤和反渗透膜组合分离李十中等[13]先用截留分子量5万的超滤膜处理土霉素结晶母液，除