膜分離技術在微生物制藥中的應用

趙明古，王鈺寧

（云南技師學院，云南昆明 650300）

社會經濟的快速發展和現代基因工程技術研究進程的不斷深入，為我國微生物制藥事業的可持續發展提供了重要契機與良好社會環境。以傳統發酵法為主的微生物制藥在分離、純化等環節中面臨一系列新的問題，如含量低、提取率低、活性高等。膜分離技術作為現代基因工程技術的重要組成部分，可以運用新型的分離技術來分離純化活性蛋白、氨基酸、疫苗等物質，并且取得了良好的臨床試驗效果。在實際應用中，膜分離技術具有節能環保、污染小、操作簡單、配膜規范等優勢，且可以根據微生物制藥中膜過程的不同選擇有針對性的分離機制，所提煉的物質具有純度高、含量高的鮮明特點。對此，筆者以膜分離技術為主要研究內容，對其在微生物制藥中的應用予以簡要分析與著重探討。

1 膜分離技術在微生物制藥中的應用

1.1 膜分離技術的特點

以傳統發酵法為主的抗生素提煉主要是按照“發酵液→過濾→濃縮→脫色→干燥→產品”的順序進行。而采用膜分離技術則可以有效簡化傳統工藝流程，在分子水平上，不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時，實現選擇性分離的技術，半透膜又稱分離膜或濾膜，膜壁布滿小孔，根據孔徑大小可以分為微濾膜（MF）、超濾膜（UF）、納濾膜（NF）、反滲透膜（RO）等，膜分離采用錯流過濾或死端過濾方式。與傳統發酵法相比，膜分離技術具有工藝流程簡便化、投資成本投入少、產品結構無變化、分離效率高、廢水處理效果佳的優勢。

1.2 分離原理

膜分離技術以截留分組為劃分依據，膜過程可以劃分為微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、滲透蒸發、電滲析、液膜分離等。其中，超濾為微生物制藥中的常用技術，其次分別是納濾、微濾、反滲透、液膜分離等。

1.2.1 微濾技術

以篩分原理為基礎，分離截留直徑通?？刂圃?.01～10 μm的粒子，如不溶物、細胞、菌體等。

1.2.2 超濾技術

該種技術以非對稱多孔膜為主，孔徑最小為2 nm，最大為50 nm，在常溫環境下借助一定的壓力、流速來促使低分子量物質逐步滲透過薄膜，進而保證高分子物質被充分截留。

1.2.3 反滲透技術

此技術以溶解擴散學說為主要依據，以小分子有機物濃縮為主要應用范圍，其中僅溶劑分子可以通過，其余的鹽、氨基酸等小分子則會被截留。

1.2.4 納濾技術

通常納濾技術采用的納濾膜平均孔徑控制在2 nm左右，截留組分最小可以縮減到抗生素、雙糖、染料、合成藥等，只能夠允許水、有機物、無機鹽等某些小分子物質通過。納濾技術所表現出來的截留性能具有良好的濃縮作用，可以介于超濾技術、反滲透技術之間。同時，納濾技術憑借操作簡單、壓力低的優勢，可以對一、二價離子有著不同的選擇性，有效截留有機小分子。

1.2.5 液膜分離技術

此種技術主要是將膜展開轉換為膜相，在隔開方式的基礎上充分發揮液膜的選擇透過性效能，從而實現物質分離的目的。液膜分離技術具有操作簡單、流程同步的鮮明特征，主要應用于青霉素、紅霉素等藥物提煉。但其在應用過程中也存在某些問題，因原材料成本高、流動載體單一、堵塞破裂等因素的影響使得液膜分離技術尚未充分應用在微生物制藥活動中。

1.3 膜分離技術在微生物藥物分離純化中的應用

1.3.1 微濾技術

微濾技術在青霉素G的分離純化中具有極為廣泛的應用，所選擇的膜以管式陶瓷膜為主，壓力差通常控制在0.35 kg/cm2，溫度為5℃，3.8 m/s的錯流速率，12個循環后方可實現藥物制取的目的，回收率為98%，極大地縮短了微生物藥物的分離時間[1]。

1.3.2 超濾技術

超濾技術在微生物制藥中的應用范圍較為廣泛，如青霉素、頭孢菌素C、頭孢菌素、硫酸（雙氫）鏈霉素、硫酸卡那霉素、紅霉素、去甲金毒素等，且具有極高的應用價值。以頭孢菌素為例，以MWCO24000平板式超濾器為主要載體，回收率高達98%，與此前傳統分離純化方法相比費用減少約20%，極大地提高了頭孢菌素藥物的分離純化效率[2]。

1.3.3 反滲透技術

反滲透技術應用于6-APA、鏈霉素、紅霉素、土霉素等微生物藥物的分離純化工作中。以鏈霉素為例，通常一般是板式裝置為主，溫度控制在20～25℃，pH數值為3～4，通過此種方式得到的鏈霉素藥物的純度與此前相比增加了6.6倍，產品尚未出現相變，回收率高達95%[3]。

1.3.4 納濾技術

納濾技術主要應用于6-APA、卡那霉素、螺旋霉素、泰樂星等微生物藥物的分離純化環節中。以卡那霉素為例，通常采用DK4040膜，溫度為25℃，0.1壓強，膜通量260 L/h。通過此種方式得出的卡那霉素濃縮20倍，無機鹽截留50%，KM截留率為98%[4]。

1.3.5 液膜分離技術

根據所采用膜的不同，膜分離技術可以劃分為不同的技術方式，其中主要包括乳狀液膜、親和膜、陽離子交換膜。乳狀液膜用于青霉素、青霉素G、紅霉素、麥白霉素等藥物的分離純化，親和膜以β-半乳糖苷酶的分離純化為主，而陽離子交換膜則應用于溶菌酶。以麥白霉素的提煉為例，通常膜相和液體石蠟的比例為1∶1，使用表面活性劑3074-12的乳液作為乳化劑，用量為膜相的2%，0.1 mol/L的水溶液為內相，被提取液與液膜乳液體積比例為7∶1。通過此種方式極大地提高了藥物的一次提取率，約為48%，兩次提取率超過60%，高于大孔樹脂和溶劑萃取[5]。

2 膜分離技術面臨的問題、解決方法及發展方向

現階段，膜分離技術面臨的問題主要表現為兩方面，分別是濃差極化和膜污染。前者主要是指在分離純化過程中，料液因強大的壓力穿透膜，雖然溶質被截留但是會導致膜與本體溶液界面所處區域的濃度越來越高，從而導致滲透壓增大情況的出現，長此以往，必然會在膜的表面形成凝膠層，無形中改變了膜的分離特性，阻塞流道[6]。后者主要是指在實際操作過程中，因物理化學因素的影響會出現膜孔徑變小、堵塞等情況的出現，無法保證膜的透過流量性能與分離特性得到有效融合，不可逆變化現象嚴重。

針對膜分離技術中的此種問題，應從膜的選擇、研究、創新與應用等方面入手。近年來，在科學技術的驅動下，復合膜、無機材料膜、改變膜表面極性及電荷等逐步出現。雖然這些膜的處理方式還處于試驗研究階段，但在臨床應用中已經取得了良好的實驗效果。以無機陶瓷膜為例，在經過多年研究后于眾多領域中獲得了廣泛應用，并逐漸成為當前膜領域內發展迅速、潛力頗高的品種之一。

膜分離技術應與傳統分離技術相融合，并從中衍生出一種全新的膜分離過程，如膜蒸餾、膜反應、親和膜等[7-8]。通過兩者的融合、相輔相成可以有效攻克單一分離技術使用中存在的不足，日漸成為當前膜技術發展的主要方向。

3 結語

膜分離技術在微生物制藥中具有極高的應用價值，憑借自身的突出優點及廣闊的發展前景更是受到相關研究人員的青睞。因此，在微生物制藥活動中要加強對膜分離技術的研究、創新與應用，以便保證其在微生物制藥中充分發揮自身的效能。

[1]林旭杰.膜分離技術在制藥中的應用探索[J].低碳世界,2017(35):343-344.

[2]劉家峰,李超.膜分離技術在制藥工業中的應用[J].化工管理,2016(26):170.

[3]楊棟.生物制藥中膜分離技術的主要應用[J].黑龍江科技信息,2015(33):157.

[4]宋偉杰,王星麗,翟亮,等.膜分離技術在食用菌多糖分離純化中的應用研究進展[J].食用菌,2015,37(6):1-5.

[5]范鐵男,郭爽.膜分離技術在生物制藥中的應用進展[J].黑龍江科技信息,2015(23):40.

[6]涂永江.微生物制藥及微生物藥物研究[J].科技風,2017(12):270.

[7]楊方威,馮敘橋,曹雪慧,等.膜分離技術在食品工業中的應用及研究進展[J].食品科學,2014,35(11):330-338.

[8]徐龍泉,彭黔榮,楊敏,等.膜分離技術在中藥生產及研究中的應用進展[J].中成藥,2016,35(9):1989-1994.