膜分離技術(shù)以其高效、節(jié)能、環(huán)保及分子級過濾的特性,已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)。尤其在藥物分離方面,采用膜技術(shù)具有可提高產(chǎn)品收率、縮短處理時(shí)間、降低能耗、提高產(chǎn)品純度、保證產(chǎn)品活性、易于工業(yè)放大等諸多優(yōu)點(diǎn)。
一、膜技術(shù)用于藥物分離的適應(yīng)性
對于生物制藥,下游工程需處理的體系,通常具有大容量稀漿、組份復(fù)雜、批間差異大、產(chǎn)品含量很低、產(chǎn)品具有活性、易于降解等特點(diǎn)。因而對環(huán)境要求高,通常需要保證密封、無菌,操作行件易于控制,這樣才能保證產(chǎn)品純度和活性。這里包括了抗生素及基因工程藥物等藥物。
采用膜分離技術(shù),由于主要采用篩分原理,無相變,可保持低溫操作。同時(shí),可快速對稀漿濃縮,提高產(chǎn)品含量,從而減少了添加劑、有機(jī)溶劑的使用量,相應(yīng)提高收率。另外,適當(dāng)?shù)哪は到y(tǒng)設(shè)計(jì),可避免生產(chǎn)泡沫,減少與空氣接觸等,從而滿足藥物生產(chǎn)的要求。
二、膜技術(shù)在藥物分離中的主要應(yīng)用
1.細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)品的處理
用于細(xì)胞抑制物的去除,保證發(fā)酵水平的穩(wěn)定性。
用于細(xì)胞濃縮,可去除細(xì)胞碎片,增加發(fā)酵產(chǎn)物。
用于細(xì)胞溶解產(chǎn)物的回收以及去除雜質(zhì)蛋白。
胞外產(chǎn)品的處理,包括整個細(xì)胞濃縮,蛋白質(zhì)的回收等。
細(xì)胞的純化(恒容過濾方式)。
2.蛋白質(zhì)的處理
1)蛋白質(zhì)的濃縮。截留率可達(dá)99%以上,最終濃度可達(dá)20-25%。
2)蛋白質(zhì)的純化。采用恒容過濾方式可在除碎片雜質(zhì)或緩沖液等。
3)采用低壓高切速進(jìn)行蛋白質(zhì)的澄清。
4)采用不同切割分子量的濾膜,對蛋白進(jìn)行分級。
3.血液分級
采用不同切割分子量的濾膜,將血液中血漿、紅血球、白蛋白、血紅蛋白進(jìn)行分級純化。小分子物質(zhì)的濃縮主要采用NF膜,對抗生素、多肽、氨基酸進(jìn)行濃縮純化。
4.藥液除熱原
通常采用切割分子量6000Dalton超濾膜,對無法熱壓滅菌的注射針劑、中草藥注射液進(jìn)行終端除熱源。
三、膜技術(shù)在藥物分離中的工程設(shè)計(jì)問題
一個經(jīng)濟(jì)適用的膜分離系統(tǒng),首先要具備一定分離性能,它取決于所選用的膜的截流性能及恒容過濾的使用程度。其次要具備一定透量,同時(shí)必須具備一定的使用壽命和簡單方便的清洗方法。最后,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估。膜系統(tǒng)的主要費(fèi)用來自于設(shè)備投資(膜面積大小,取決于單位透量和處理時(shí)間),操作費(fèi)(主要包括膜更換費(fèi)用、能耗和清洗費(fèi)用)以及目標(biāo)產(chǎn)品的損耗(即回收率的大小)。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程需要考慮以下問題:
1、根據(jù)分離目的的要求,選用不同種類的膜。如小分子的濃縮,通常采用NF/RO,大分子的澄清采用UF/MF膜。
2、根據(jù)待分離溶液中懸浮物含量,進(jìn)行組件結(jié)構(gòu)形式的選擇。高蛋白含量或高固體含量的處理,通常選用管式或平板。懸浮物含量低的,通常選用中空纖維或卷式。
3、通常采用的操作方式是錯流操作,剪切流速一般在0.9-4.5m/s,若對回收率或純度的要求,多采用恒容過濾。
4、膜孔的選擇的依據(jù),對膜孔而言,被截留分子的大小要與膜孔有1~2個數(shù)量級的差別,或者對膜的截留分子量而言,至少要小于被截留物質(zhì)分子的3~10倍,才能保證好的回收率。
5、濃縮倍數(shù)的選擇,通常在3~10倍。
6、處理時(shí)間的選擇2~4小時(shí)之間。
7、產(chǎn)品的回收率一般為95~99%。
8、操作壓力的選擇。對于MF/UF,通常為0.2~1.0MPa對于NF/RO,通常為 1.0~3.0MPa。
9、剪切流速的選擇,對于UF/MF為1~5 m/s,對于NF/RO為3~8 m/s。
10、泵的選擇,對于大規(guī)模和中低粘度流體,通常選用離心泵;對于小規(guī)模或高粘度流體,選用往復(fù)泵;對于低剪切少要求的液體,選用齒輪泵。
11、管道流速與管道尺寸的選擇,通常利用雷諾數(shù)R進(jìn)行選擇。若R≥4000時(shí),為選擇的區(qū)域。
12、容積罐的選擇,應(yīng)采用圓錐形、低液位控制、熱交換、防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。適用于間歇操作的濃縮過程。
13、系統(tǒng)的主要控制包括高低壓保護(hù)、過溫保護(hù)、快速側(cè)沖、低壓低流速啟動、自動反洗等。
14、組件的完整性檢測,如中空纖維膜采用泡壓法,卷式膜采用氣體擴(kuò)散流的方法。
15、系統(tǒng)的最小死體積的設(shè)計(jì)。
16、膜組件的清洗、消毒及保貯的設(shè)計(jì)。
反沖法和堿洗是有效的清洗方法;熱水和酸堿是較好的消毒方式等。同時(shí),應(yīng)采用了適合的工業(yè)放大步驟,通常采用:
第一步:測試池測試,采用平板膜片(膜面積≤40cm2),可快速,簡單了解膜的有關(guān)分離性能,但無法提供工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
第二步:應(yīng)用實(shí)驗(yàn),通常采用工業(yè)規(guī)模組件(膜面積≥0.6m2),在1-2小時(shí)內(nèi)處理20-150L厚料,可提供工程放大所需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及膜穩(wěn)定性的判定,但無法判定膜的壽命。
第三步:工業(yè)中試,采用工業(yè)規(guī)模組件,至少運(yùn)行20~30天,可獲得長期污染及膜的穩(wěn)定性數(shù)據(jù),但費(fèi)用太高。
四、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用例子
根據(jù)以工業(yè)放大步驟及有關(guān)設(shè)計(jì)依據(jù),我們已成功地在多個品種中應(yīng)用膜分離系統(tǒng)。
1.濃縮過程
氨基酸類
抗生素類,包括泰樂菌素、硫酸新霉素、鹽酸金酶素、去甲基金霉素、紅霉素和硫酸粘菌素等。
動物提取物,硫酸軟骨素等。
植物提取物,靈芝多糖、中藥提取物等。
化學(xué)合成藥,如苯丙氨酸等。
2.澄清純化
發(fā)酵類產(chǎn)品,如氨基酸,維生素等。
生物制藥類,乙肝疫苗,干擾素,尿激酶等。
果糖類
口服液類
3.藥液除熱源
果糖二磷酸鈉,氨基酸注射液,胸腺肽,維腦絡(luò)通等。