生物過濾膜

膜技術在微生物藥物分離純化中的應用摘 要：介紹了分離膜的種類，包括微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜、液膜，和色譜分離膜，以及它們的基本特性。並討論了膜分離技術在微生物藥物分離中的應用和膜材料，膜組件及膜裝置在該領域的一些研究進展，最後總結了膜分離機制發展過程，研究現狀和前景。關鍵詞：膜技術 分離純化 微生物藥物

據資料統計，分離、純化和濃縮部分在微生物製藥產品的總成本中佔相當高的比例,應用現代分離、純化和濃縮工藝是提高製藥工業經濟效益或減少投資的重要途徑。膜分離技術利用各種不同性質的膜作為分離材料,對不同體系中物質進行分離、純化、濃集,是一種高新技術,具有不發生相變（滲透氣化除外）、常温進行、適用範圍廣、裝置簡單、乾淨無污染等特點。

1膜的分類膜可分為生物膜和合成膜兩大類。生物膜的存在具有重要意義，試想如果體內沒有它對物質的選擇性透過作用，那體內將混沌一片。因此，如果能得到穩定的生物膜，將能高效地分離出所需的物質。但由於技術的原因，為了適應大規模生產，只能使用人工合成的膜。合成的膜可以由有機的或無機的材料製造。每種膜都是一類過濾單元，與通常的過濾分離過程一樣，要求被分離的混合物中至少有一種組分幾乎可以無阻礙地通過膜。從膜的相態上分，主要包括 ①固相膜 ②液相膜。此外還有色譜分離膜等。

1.1 按膜孔徑大小不同，固相膜可分為：微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜。

四種基本膜分離技術的主要特點　 推動力 適用的分離範圍 分離機理 應　用微濾(MF) 壓力差~0.1MPA 0.01～10微米 篩分 無菌過濾、細胞收集除顆粒物及細菌 超濾(UF) 壓力差0.1~1MPA 0.001～0.01微米 篩分 除菌絲病毒、熱原和蛋白納濾(NF) 壓力差0.5~1.5MPA 切割分子量(MWCO)200～1000 Donna效應吸附-擴散 藥物的純化、濃縮脱鹽和回收

反滲透(RO) 壓力差1~10MPA 離子級 吸附-擴散 無機鹽、金屬離子等的去除

1.2 液（相）膜 (liquid membrane) 液膜是兩相間形成界面的一液相膜。可分為乳狀液膜和支持液膜。60年代初，Martin在研究反滲透脱鹽時發現的，他把百分之幾的聚乙烯甲醚加入鹽水進料中，結果在醋酸纖維膜和鹽溶液之間的表面上形成了一張液膜。由於這張液膜的存在而使鹽的滲透量稍有降低，但選擇透過性卻明顯增大。此液膜是覆蓋在固膜之上的，因此稱之為支撐液膜。60年代中後期，美籍華裔黎念之（Norman N. Li）博士在用DuNuoy環法測定表面張力觀察到皂草甙表面活性劑的水溶液和油作實驗時能形成很強的能夠掛住的界面膜，從而發現了不帶固膜支撐的新型液膜。這種新型液膜可以製成乳狀液，膜很薄且面積大，因此處理能力比固膜和支撐性液膜大得多，這一重大技術發現奠定了液膜技術發展的基礎。 液膜主要由膜溶劑、乳化劑和添加劑組成，該技術是一種集萃取與反萃取於一體的新興膜分離技術，如今這種區別於固膜分離的液膜分離技術也應用到了微生物製藥的領域中。

1.3 色譜膜（membrane chromatography）在傳統的研究中,膜分離和色譜分離是2 個平行發展的研究方向,在生物分子的分離和純化方面各具特色,但也存在着一些不可克服的技術缺陷。　 隨着生物工程和生命科學的迅速發展,對生物大分子分離純化的要求越來越苛刻. 為獲得高純度、高質量、低成本的生物產品,突破傳統的分離方法,尋找一種既經濟又有效的新型分離途徑已成為迫切需要，於是色譜膜分離技術出現了，它集合了兩者的優點。其中發展較快的有親和膜(affinity membrane)分離技術和離子交換膜（ion-exchange membrane）技術。2膜技術應用的簡單舉例

膜技術的核心是膜本身，也就是膜單元，是指物質在膜上和膜中發生的局部傳遞過程。膜組件有管式膜，毛細管膜，空心纖維膜，平板式膜，卷繞式膜，墊套式膜等類型。對於膜組件來説，還必須考慮場量（濃度，流速，壓力等參數）沿工藝流程段的變化情況。膜組件的組合稱之為膜裝置，在總工藝過程的情況下，就必須考慮膜裝置與其它分離設施之間的最佳耦合方法。 膜技術應用的簡單舉例分離物 方法 備註紅黴素（1）MF 錯流模型，0.2微米親水性膜從CA340（菌株）發酵液中回收多聚乙烯乙二醇（2）UF 醋酸纖維超濾膜組件（CAM-500），凝膠改進膜。L - 苯丙氨酸 和 天冬氨酸（3）NF ESNA2（膜組件）截留L－Asp,透過L-Phe; ES20對兩者都截留。組合而成的膜裝置可濃縮，分離兩者6－APA(4)RO 濃縮與結晶總收率84 %左右青黴素（5）Liquid membrane 乳狀液膜;含 span-80為10%的表面活性混合劑；β-半乳糖苷酶（6）Affinity membrane 瓊脂糖珠（載體）；對氨基苄-1-硫代-β-D-半乳酸吡喃糖苷瓊脂糖（配體）溶菌酶（7）cation-exchange membrane 錯流模型，平板膜組件

由以上的一些例子可以看出，膜技術已發展成為一種有效的規範的微生物藥物分離純化工藝。為讓它更好地服務於微生物藥物的分離純化工作，作者認為應該注意以下幾個問題：（1） 關注膜單元本身：主要是膜材料的性能。（2） 膜組件的開發和優化。（3） 膜裝置的設計。一些科研工作者們為此在該領域內進行了理論和實踐上的有益探索。

3 微生物藥物分離純化領域膜技術研究進展（一） 膜的改進 膜是膜分離技術的核心，膜的形態和結構方面的區別與膜的機理密切相關，因此直接影響到在提取工藝中的應用。分離膜的性能包括選擇性、透過性、物理和化學穩定性。選擇性高低取決於被分離物質透過膜的速率的差別，代表膜的分離效率的高低。透過性表示膜的透過速率（也稱通量）的大小，是膜的處理能力的標誌。對於單一聚合物膜,要同時具備上述兩個要求較為困難。所以常採用化學或物理方法對膜材料的性能進行改進, 使膜具有某些需要的性能, 以提高分離效率。輻射接枝的方法是膜表面改性的途徑之一。shim. J K等採用γ- 射線輻射將親水性的甲基丙烯酸－2－羥乙酯單體接枝到聚丙烯超濾膜表面上, 並用改性後聚丙烯膜對牛血清蛋白溶液進行超濾處理, 發現溶液通量增加, 膜的抗污性增強, 同時膜表面的親水性增強。（8）

（二） 膜組件的開發和優化對於一個具體的分離工藝，除了需要特定性質的膜材料以外，還需要考慮場量沿組件的變化。找到相應的最佳膜載體，以及合適的操作條件等各種因素，這些稱為膜組件的開發和優化。在進行膜組件優化時，除了需要通過實驗來測定膜的特性外，通常還需計算繁瑣的數據，有時也需要對透過機制進行一定的研究探討。Kawasaki等（9）為了探索用液膜提取紅黴素的可能性，進行了一系列預試驗。他們比較了許多溶劑對紅黴素的提取效率，並考慮到水溶性，毒性的因素，最終選定正癸醇為膜的載體，它對紅黴素水溶液的分配係數為122。同時也對紅黴素透過機制進行了研究，實驗數據顯示：當溶液PH小於6時，紅黴素幾乎以質子形式存在，當PH大於10時，成為中性的分子形式。於是實驗以多孔48%，0.02微米的CORETEX（網眼塑料薄膜）作為支撐,以正癸醇為載體該液膜從鹼性發酵液中提取，再用酸性的每升含0.025mol 檸檬酸，0.10mol 硼酸，0.05mol磷酸鈉的緩衝液來脱除質子形式。結果紅黴素能完全透過液膜，到達酸性緩衝液中。

（三） 膜裝置的設計 要圓滿完成一個分離任務，常常需要聯合使用好幾個膜組件，如果要求高質量的產品，就必須設計多級的裝置，這就是膜裝置的設計。 一個好的膜裝置不僅需要考慮膜組件之間的串連、並聯形式的排布問題，還需要考慮可以較好地配合其它分離方法的使用，從而達到最終產品質量的要求。近年來國外研發了用0.2um GVLP（MILLIPORE公司生產的膜牌號）微孔濾膜對頭孢菌素C發酵液進行過濾（MF），除去菌絲及培養液中的固體物，得到的濾液再經另一組PTGC膜的超濾（UF）系統，從濾液中除去一些分子量在10，000以上的蛋白質，多糖以及部分深棕色色素，以獲得色淺較純的頭C濾液，然後用聚纖胺反滲透膜（RO）進行濃縮。（10）通過HPLC進一步純化，最後可分離出相當純的頭孢菌素C，若再與頭孢菌素C的酶法裂解相結合，可直接生產7－ACA而不需分離出頭孢菌素C產品，使頭孢菌素C的分離純化裂解聯成一條龍，將使半合成頭孢菌素的生產過程大大簡化。

4 討論1 回顧膜發展的歷史，從傳統的過濾篩到如今的分子篩，可以看出，隨着過濾孔徑的縮小，分離機理經歷了量變到質變的過程：簡單的篩分原理――微孔篩分――Donna效應――吸附 –擴散理論。可見，當宏觀篩分中可以忽略的許多因素，到了分子，離子級別就變得舉足輕重，分離機理也隨之發生根本變化。而且隨着研究的深入，分離機理正被更清晰地闡述，推動了和其它分離方法的技術耦合（如親和膜，離子交換膜技術）。

2 膜技術在推廣應用的同時也出現了一系列問題，其中主要的問題之一是由於濃差極化和膜污染等造成的滲透通量的下降，有待於設計出優良的膜組件系統和科學的操作策略。

3 如今的膜傳遞過程模型，能將膜的透過性能與操作温度、組分的壓力、濃度等關係作較好的描述，但模型中的特性參數都沒有包括膜材料的結構參數，無法將高聚物的物理、化學結構與膜的滲透特性相關聯。因此急迫需要建立有關的數學模型，將膜材料的微觀結構、膜的特性參數與膜的性能三者之間相互關聯起來。為膜材料的改進及膜組件的開發和優化提供理論依據，從而更好地服務於微生物藥物地分離純化工作。

一次性微孔濾膜過濾器不需要換膜和清洗濾器,省去了複雜、費時的準備工作,在實驗室中廣泛應用。產品主要應用於樣品的預澄清、除顆粒、除菌過濾等。其中針頭式過濾器與一次性注射器配套使用,為實驗室常規使用的快速、方便、可靠的小體積樣品的過濾處理裝置,其過濾直徑為13mm，25mm，30mm,處理量從0.5ml到200ml。