分离分析技术DOC.docx

分离分析技术DOC.docx

《分离分析技术DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分离分析技术DOC.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

分离分析技术DOC

学号：

20105051123

《分离分析技术》课程论文

膜分离技术在生物制药中的应用

学院化学化工学院

专业化学教育

年级2010级化学教育1班

姓名胡话语

指导教师甘甜职称讲师

成绩及评语

2013年1月3日

膜分离技术在生物制药中的应用

姓名：

胡话语学号：

20105051123班级：

2010级化学教育1班

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

引言

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、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[6]

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[7]

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[8]。

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[9]。

（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[10]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[11]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水。

（3）超滤和反渗透膜组合分离李十中等[12]先用截留分子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。

然后反渗透膜处理，这一步脱盐率可达99%。

所得浓缩液，再经截留分子量为1万的超滤膜，体积浓缩10倍，最后调pH值从土霉素结晶母液回收土霉素，得到土霉素的纯度82.9%，效价771u／mg，回收率62%。

2.4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，发展出了一些全新的膜分离过程，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，是膜技术发展的主要方向。

李十中等[14]利用超滤/萃取法提取青霉素G、红霉素和麦迪霉素，通过比较，发现新工艺收率和质量明显优于传统的萃取法，而且不需要加破乳剂，静置分层快，不需要离心分离或活性炭脱色。

可以看出这种结合在抗生素生产中的应用前景是令人鼓舞的。

2.5膜过滤装置的选择

膜过滤组件大致可分为四种型式：

即管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式，各种型式组件的性能比较见表2。

表2各种超滤器性能的比较

板式和管式多用于小批量的浓缩生产，卷式和中空纤维组件由于填充密度高，易规模化生产，造价低，可大规模应用[13]。

超滤过程的操作方式超滤系统可以采用间歇操作或连续操作。

连续操作的优点是产品在系统中停留时间短，这对热敏或剪切力敏感的产品有利，主要用于大规模生产。

主要缺点是在较高浓度下操作，故通量较低。

间歇操作平均通量较高，所需膜面积较小，装置简单，成本也较低，主要缺点是需要较大的储槽。

3面临问题、解决方法和发展方向

3.1面临问题

（1）浓差极化浓差极化是指分离过程中，料液在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面或膜界面区域浓度越来越高，引起渗透压增大，在膜表面形成沉积或凝胶层，增加透过阻力，改变膜的分离特性，使膜发生溶胀或恶化膜的性能，导致结晶析出，阻塞流道[14]。

（2）膜污染膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜发生物理化学相互作用或因浓度极化使某些溶质在膜表面浓度超过其溶解度及机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象[15]。

3.2解决方法

3.2.1膜的处理

（1）使用复合膜在膜上可涂上一层聚乙醇乙烯，改善亲水性和膜表面的光滑度，以免膜污染和提高产物渗透性。

Zhang等用哌嗪和trimesoylchloride界面聚合的复合膜用于抗生素的分离，其分离效率与商用纳滤膜媲美。

分别用平板式和螺旋卷式纳滤膜浓缩793.7～992.1U的大环内酯类抗生素，截留率可达99%，浓缩倍数在实验室为10倍左右，中试阶段为4倍以上。

2）改变膜的表面极性和电荷在膜制备时，改变膜的表面极性和电荷，常可减轻污染。

也可将膜先用吸附力较强的溶质吸附，如聚砜膜可用大卵磷脂的乙醇溶液预处理，醋酸纤维膜用阳离子表面活性剂处理。

辐射嫁接的方法是膜表面改性的途径之一。

Shim等采用7一射线辐射，将亲水性的甲基丙烯酸一2一羟乙酯单体嫁接到聚丙烯超滤膜表面上并用改性后聚丙烯膜对牛血清蛋白溶液进行超滤处理。

发现溶液通量增加膜的抗污性增强，同时膜表面的亲水性增强。

（3）无机材料膜近几年开发的新型制膜材料，主要有陶瓷、玻璃和金属。

目前国内处于实验室研究阶段。

该膜突出的优点是耐高温耐溶剂性能好，不易老化。

可再生性强、耐细菌和强度高等。

有报道制备了7一氧化铝复合膜，并在其表面形成硅烷层，改进了膜的截留性能。

无机陶瓷膜经多年的发展，在众多领域获得了广泛应用，成为膜领域发展最迅速、最有前景的品种之一。

（4）过程处理抗生素的发酵液中成分比较复杂[16]，对料液进行预处理，除去菌体，悬浮杂质，悬浮胶体，可减少膜表面污垢附着