膜分离技术及其在中药和生物制药中的.doc

膜分离技术及其在中药和生物制药中的应用进展摘要: 通过对膜分离技术的原理、种类和在中药生产和生物制药生产中的应用现状等的简要介绍,分析目前膜分离技术研究与应用中存在的问题及今后研究开发利用趋势,为该技术的进一步改进提供参考依据,并对膜分离技术在中药和生物制药中的应用进行了展望. 关键词:膜分离技术;应用;中药制剂;生物制药 膜分离技术(membrane separation technique,MST)是一项新兴的高效分离技术,是利用天然或人工合成的具有选择透过性的薄膜,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分体系 进行分离、分级、提纯或富集的技术。膜分离技术(以下简称膜技术)包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等。目前该技术也被广泛应用于中药生产和生物制药领域。1膜分离技术的原理及特点膜分离技术的实质是使用具有选择透过性的膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)时物料依据滤膜孔径的大小而通过或被截留,选择性地透过膜,达到分离、提纯的目的。该技术具有以下特点: ( 1)在常温下操作,适于热敏性物质的分离、浓缩和纯化; ( 2)分离过程不发生相变(除渗透汽化外) ,无二次污染,具有浓缩功能;(3)能耗低; (4)分离系数大; ( 5)操作方便,易于自动化。因此,膜分离技术是现代分离技术中一种效益较高的分离手段,可以部分取代传统的过滤、吸附、冷凝、重结晶、蒸馏和萃取等分离技术,在分离工程中具有重要作用。2 几种常见的膜分离技术21 微滤微滤是最早使用的膜技术,是以多孔薄膜为过滤介质,使不溶物浓缩过滤的操作1。截留粒子的范围约为0. 110m,目前常用的微滤膜有金属膜、无机陶瓷膜、高分子膜等。在工业中,微滤膜主要应用于截留颗粒物,液体的澄清以及大部分细菌的去除,并作为超滤、反渗透过程的前处理。金属膜、无机膜具有耐高温!耐酸碱! 耐有机溶剂等特点,较高分子膜有更广的应用范围,且易于再生,并可重复使用,但其价格较高。2.2 超滤 是20世纪六七十年代发展起来的一种膜分离技术,以微孔滤膜(超滤膜)为过滤介质,在常温下,依靠一定的压力和流速,使药液流经膜表面,迫使低分子物质透膜,高分子物质被截留。超滤膜能截留分子量在上千至数十万的大分子,除能完成微滤的除颗粒、除菌、澄清作用外,还能除去微滤膜不能除去的病菌、热原、胶体和蛋白质等大分子化合物,主要用于物体的分离、提纯、浓缩。在医药行业中超滤膜是发展最快的膜分离技术2 。2.3纳滤纳滤是近年来国外发展起来的另一滤膜系列纳米过滤。它介于反渗透与超滤之间,能分离除去分子量为3001 000的小分子物质,填补了由超滤和反渗透所留下的空白部分3。纳滤膜集浓缩与透析为一体,可使溶质的损失达到最小。2.4反渗透 透膜是从水溶液中除去无机盐及小分子物质的膜分离技术。反渗透膜所用的材料为有机膜,其分离特点是膜仅能透过水等小分子物质,而截留各种无机盐、金属离子和分子。反渗透膜在医药行业中的应用主要是制备各种高品质的医用水注射用水、医用透析水、可代替离子交换树脂,主要用于水的脱盐纯化。2.5电渗析在离子交换膜和直流电场的作用下,从水溶液和其他不带电组分中分离出带电离子组分的一种电化学分离过程. 该技术广泛应用于苦咸水脱盐、锅炉进水的制备、电镀工业废水的处理,其中在乳清脱盐和果汁脱酸等领域已具备工业条件。2.6气体分离根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同,从而达到分离目的。目前气体膜分离技术广泛应用于空气中富氧、浓氮、天然气的分离,合成氨弛散中氢的回收以及工业废气中酸性气体的脱除等领域。3膜分离技术在中药和生物制药中的应用3.1膜分离技术在中药生产中的应用现状48中药是中华民族的瑰宝,随着我国加入WTO ,中药要走向世界,就要改变传统中药制剂方法,采用各种高新技术,推进中药的产业化发展。 中药成分复杂,要克服剂量大、体积大、制剂粗糙的缺点,主要通过精制纯化工艺的优选。中药的精制多以成分间极性差异为基本原理分离杂质(例如溶剂沉淀或萃取、吸附分离等) ,工艺复杂,分离效率低,所用的许多有机溶剂有毒9。膜分离技术是一项新兴的物质分离提纯和浓缩工艺,可在常温下连续操作,无相变;大规模生产中节能、环保;尤其适宜加热易变性的热敏性物质,因而在食品、医药、生化领域发展迅猛10。目前,膜技术在中药生产中的应用主要有以下几个方面:3. 1.1 于提纯中药有效成分中药有效成分的提取分离方法主要采用传统的水醇法、醇水法、改良明胶法、水蒸气蒸馏法、透析法等,其中水醇法应用最普遍,但其存在生产周期长、工艺复杂、生产成本高、有效成分损失严重、成品稳定差、易产生环境污染等问题。近年来,超滤技术在中药现代研究中的应用可以部分地改善这些问题。郭立玮等11比较研究了水醇法与超滤法澄清山茱萸制剂对其制剂所含成分的影响,结果证实超滤法对去除药液中糖类杂质更为有效。马朝阳等用中空纤维超滤膜从苦豆子盐酸提取物中纯化生物碱,研究了超滤膜连续分离过程对生物碱的纯化效果。结果总生物碱的回收率达93. 5% ,同时可以除去87. 3%的蛋白质和64. 7%的固形物,总生物碱的纯度为52. 3%。超滤法的优点在于不消耗溶剂,操作简单,生物碱损失小。虽然总生物碱纯度较低,但超滤液可直接结合阴离子交换树脂对生物碱进行进一步纯化,减少许多中间步骤。肖文军12等人采用微滤、超滤和纳滤集成技术从七叶参中提取皂甙取得了满意的效果。3.1.2 于制备中药口服液中药口服液生产传统的工艺采用水提醇沉法,不仅流程长,所得产品粘度大,还含有大量亚微粒、微粒和絮状物等杂质。故成品静置后易产生沉淀,影响产品质量。其主要原因在于口服液中大都含有鞣质,鞣质为水溶性的多酚类化合物,相对分子量为5003 000,它能同生物碱、蛋白质和多糖作用形成分子间氢键,生成不溶于水的沉淀物,使药液浑浊。将口服液用截留分子量为7 000的膜进行超滤后,产品质量大为改观,不仅澄明度有所提高,口服液中有效成分的含量也有增加。马涵涛13采用超滤法和水醇法分别制得麻杏止咳口服液,发现超滤制品优于水醇法制品。李淑莉等分别用超滤法和醇沉法对黄连解毒汤的水提取液进行纯化,实验结果表明,超滤法比醇沉法能更多地除去料液中的杂质,保留有效成分,同时超滤法节省了乙醇,简化了工序,缩短了生产周期。凌家俊14等采用F6 /型透析柱(8 00015000根毛细血管样的空心纤维构成) ,以聚砜膜为膜材,精制四逆汤提取液,保证了制剂的疗效和澄明度以及去除热原等优点,经高效液相色谱测定,超滤法和醇沉法的峰形基本相似,在实际生产中,超滤的流程简单,生产周期短,节约能耗,并能节省大量乙醇,从而降低了生产成本。3.1.3 用于制备中药注射剂目前临床应用的中药注射剂品种有1400多种,存在的主要问题是有效成分和含量不太明确,制剂纯度不够,致使某些产品质量不太稳定,澄清度不好,甚至出现过敏反应。多年的研究表明,超滤法制备某些中药注射液,效果优于传统的水醇法、醇水法、石硫醇法,可以有效地除去杂质和热原,提高产品的澄明度,减少不良反应,并有一定的脱色作用。贺立中15等采用两步超滤法制备伸筋草注射液,先用截留相对分子质量10 00030 000的超滤膜,除去大分子杂质,再用截留相对分子质量6 000的超滤膜除去小分子杂质及制备过程中加入的氯化钠,制得注射液,澄清度好,氯化钠含量从5%降到1% ,生产方便。张忠义16等采用超临界CO2 萃取大蒜有效成分,分子蒸馏进行分离纯化,然后用截留分子量6 000的超滤膜过滤除菌,制备大蒜注射液,各项指标皆符合中国药典2005年版1B注射剂项下的有关规定。颜峰17等采用超滤法和水醇法分别制备五味消毒饮注射液,结果发现,前者制备的有效成分绿原酸含量、产品澄明度等均优于水醇法。张玉忠等采用超滤法处理双黄连粉针药液,结果表明,超滤法优于传统的水醇法。黄伟文等用超滤法制备丹参注射液和复方丹参注射液,全山从18等采用超滤法制备的补骨脂素注射液,都取得了显著效果。3. 1.4 用于制备药酒膜分离技术用于药酒生产可提高药酒的澄明度。钱百炎19等用超滤工艺纯化了虫草补酒等5种药酒,结果表明:处理前后组成无明显变化;除菌率达100%;澄明度提高,且产品贮存1年后稳定;能耗降低。史国富20等采用膜分离技术进行制备中华鹿龟神酒的工艺研究,结果表明:采用膜分离技术制备中药勾兑酒,对提高成品酒的内在质量、稳定性和澄度有良好效果,提高了中药保健酒的质量。3.2 膜分离技术在生物制药中的应用在生物制药中, 膜分离技术常被用于分离、浓缩、分级与纯化生物产品, 根据目标产品不同, 用的膜分离技术组合也有所不同, 这可从生物化工及制药流程图解中清楚看出(如图1)。图1 膜分离技术在生物化工中的应用示意图3.2.1膜分离法在生物产物的回收和纯化方面的应用：细胞培养基的除菌发酵或培养液中细胞的收集或除去超细胞破碎后碎片的除去目标产物部分纯化后的浓缩或滤除去小分子溶质最终产品的浓缩和脱盐制备用于生物制药产品和清洗产品容器的无热原水。由此可见, 膜分离技术在生物下游工艺过程中频繁使用,因此, 膜分离是生物产物分离纯化过程必不可少的技术。以下简要阐述膜分离法在菌体细胞的分离、小分子发酵产物的回收、蛋白质类生物大分子的浓缩和部分分级纯化方面的应用。3.2.2膜法菌体分离的特点利用微滤或超滤操作进行菌体的错流过滤分离是膜分离法的重要应用之一。与传统的滤板饼过滤和硅藻土过滤相比, 错流过滤法具有如下优点:透过通量大;滤液清净,体回收率高;添加助滤剂或絮凝剂, 回收的菌体纯净, 有利地进一步分离操作（如菌体破碎, 胞内产物的回收等）；适于大规模连续操作;易于进行无菌操作, 防止杂菌污染。3.2.3小分子生物产物的回收氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在2000以下, 因此选用MMCO为11043104的超滤膜, 可从发酸液中回收这些小分子发酵产物, 然后利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量更小的杂质。3.2.4蛋白质的回收、浓缩和纯化胞外的蛋白质产物在微滤除菌的同时即可从滤液中回收, 由于滤液清净, 对进一步的分离纯化操作非常有利。因此,对特定的蛋白质, 需根据其分子特性, 选择合适的膜, 并对料液进行适当的预处理(如调节PH, 离子强度等), 以提高目标产物的回收率。胞外产物的收率较高, 而胞内产物从细胞的破碎物中回收, 收率较低。使用非对称膜时, 料液从孔径较大的一侧(惰性层)流过, 可大大改善目标蛋白的收率。此外,膜分离技术在发酵液的浓缩、生物反应器耦合等方面都有极大的应用前景. 因而膜分离技术被认为是20 世纪末到21 世纪最有发展前途的新技术之一,随着膜分离技术的断发展和完善,它将在生物制药中得到更广泛的应用。4膜分离技术存在的问题及解决方法 21,22膜分离技术在中药生产和生物制药中具有明显的优势,但同样存在许多需要解决的问题,这些问题的存在,制约着膜分离技术的应用和发展。4. 1膜易污染膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或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。它与浓差极化有内在联系, 很难区别。由于溶质与膜之间相互作用产生吸附,开始改变膜特性。对于超滤, 若膜材料选择不合适, 此影响相当大对于微滤膜, 这一影响不十分明显。膜的透量不依赖于所加压力, 引起膜透过通量的急剧降低, 在此种状态下运行的膜, 使用后必须清洗, 以恢复其性能。4. 2膜的选择膜分离首先要选择适宜的膜。根据欲滤取物质的相对分子质量大小选择适当孔径的滤膜。膜的选择包括截留分子量和膜材质的选择两方面(这是针对超滤) 。由于中药的粘度较大,高分子胶体物质较多,膜污染现象严重,因此,一般情况下通常选用膜的截留分子质量稍大的膜。膜材质的表面性能对膜分离效率的影响较大,按对水的亲和性可将膜分为疏水性和亲水性两类。谢宇梅23等指出,乙酸纤维素等亲水性膜对溶质吸附少,截留相对分子质量较小,但热稳定性差,机械强度、抗化学物质、抗细菌侵蚀能力不高。聚砜等疏水性膜机械强度较高,耐高温、耐有机溶剂、耐生物降解能力较高,但膜透水速度低,抗污染能力较低。按膜材质的来源可将膜分为有机膜和无机膜,有机膜规格多,膜的留分子质量可根据要求选择,起到过滤除杂和浓缩有效成分的功能,但不耐酸碱,污染严重,清洗困难,使用寿命较短,现多用于海水处理和生物合成行业。无机膜主要有能耐酸碱,耐有机溶剂,耐高温,使用寿命相对较长的优点,但是规格较少,通常只起到过滤除杂的功能,目前多用于中药提取物的初分。应用时应采用多级膜分离法来处理,并研究开发性能优良的膜材料和进行膜面改良。4. 3避免浓度极化现象浓差极化是指在分离过程中, 料液中的溶剂在压力驱动下透过膜, 溶质被截留, 于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高, 简单的说, 这一现象称为浓差极化。要解决浓度极化现象就需要降低膜表面溶质的浓度,因此,采用降低料液粘度,使用脉冲流动、磁力搅拌,提高进液温度及采用流化床,在过滤各阶段分别采用恒速和恒压滤过等的方法解决,也可用提高流速或装设湍流促进器或与其它分离方法如澄清法、离心分离法连用等。5结语综上所述,虽然目前膜分离技术在中药领域的应用尚存在一些问题,但随着药液预处理手段的不断改善及与其他先进分离方法的联合使用,膜分离技术作为一种新型的分离单元,倍受各界的关注,在众多领域中得到广泛的应用,尤其在中药和生物制药领域中更显示出其优越性。国有关部门已经提出了膜分离技术规范化应用的条文,由此可见膜分离技术的应用前景。离的机理、膜污染、膜分离技术与其他分离技术的联用等问题是目前的研究热点和难点, 随着这些问题的解决,相信在不久的将来,膜分离技术在众多领域中将得到更广泛的应用，大的经济效益和社会效益参考文献:1 张翠萍. 膜分离技术在医药和医院中的应用 J 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