膜分离技术近年来广泛应用于医药领域,现代生物技术和制药工业的发展加速了膜技术的进步。本文以膜分离技术为中心,介绍了微滤、超滤、纳滤、反渗透和分子印迹复合膜技术在药物分离纯化中的应用,并就其发展趋势做了分析。
关键词 膜分离技术 药物分离 微滤膜 超滤膜 纳滤膜
膜分离技术(m embrane separation techno logy)以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,从而达到分离、提纯的目的。膜分离技术与常规的离心分离、沉降、过滤、萃取等方法相比,具有操作过程简单、无相变、分离系数大、节能、高效、无二次污染、可常温连续操作、无需外加其他物质等优点,能够实现清洁生产,可直接放大,是一项高新技术,在生物工程、医药等领
域中得到广泛应用[1, 2 ]。
膜分离技术用于药物分离纯化的研究主要涉及以下几种类型:
微滤(M F)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO ) ,如表1所示[3 ]。
表1 制药生产中的膜分离过程
过程 膜类型 膜孔径 推动力压力差(MPa) 传递机理 主要应用
微滤(MF) 多孔膜 ≥0. 1μm ~0. 1 筛分 无菌过滤、细胞收集、去除细菌和病毒
超滤(UF)非对称膜 10~100nm 0. 1~1 筛分 去除菌丝、病毒、热源;大分子溶液的分离、浓缩、纯化和回收
纳滤(NF)非对称膜或复合膜 1~10nm 0. 5~1. 5 筛分、Donna效应 药物的纯化、浓缩脱盐和回收
反渗透(RO) 非对称膜或复合膜 ≤1nm 1~10 溶解扩散 药物的纯化、浓缩和回收;无菌水的制备
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微滤膜的应用
微滤膜是膜分离技术的重要组成部分,主要基于筛分原理。微滤介于常规过滤和超滤之间,通常截留粒径大于0. 05μm的微粒,多采用对称微孔膜,膜的孔径范围为0. 1~5μm ,主要用于药液的澄清,实现固态微粒、胶体粒子等与水溶性成分分离微滤膜材料分有机材料和无机材料两类。有机材料有纤维素酯类、聚矾、聚丙烯等,无机材料包括金属、陶瓷、金属氧化物、玻璃、沸石等。与有机膜相比,无机膜具有化学性质稳定、耐高温、抗污染性强、易清洗、机械强度高等优点,近年来发展迅速。
金万勤等[4]利用Al2 O3微滤膜对枳实水煎液进行了微滤工艺研究,并将辛弗林得率和固形物含量与醇沉法处理结果做对比,为微滤法替代传统醇沉法提供实验依据。研究发现,微滤法处理的枳实水煎液除杂率及辛弗林得率与醇沉法相近,但其操作简单、周期短,省去大量乙醇试剂及浓缩蒸发过程,因此可替代醇沉方法。
刘陶世等[5]采用孔径为0. 2μm的Al2 O3微滤膜
对甘草、生地黄、当归、白芍、黄连、桔梗、大黄等种根及根茎类常见的中药水提液进行微滤,并对比分析水提液在微滤前后性状、固含量、指标成分 (以白芍中的芍药苷、大黄中的大黄酸为指标成分 )等的变化。实验发现, 7种中药水提液微滤前均为浑浊液体,微滤后均变成浅色的澄明液体,总固体去除率为15%~38% ,指标成分损失率一般小于总固体去除率。研究者还将无机膜微滤与高速离心法、乙醇沉淀法进行比较,结果如表2 所示。其中,无机膜微滤法工艺简单,生产周期短,成本低,可以不经降温将煎煮后经滤布粗滤的中药提取液直接进行微滤分离。
表2 无机膜微滤技术与高速离心和乙醇沉淀法的对比
中药 提纯方法 澄明度 固含量( g/100 m l) 指标成分( g/L)
白芍 原液 浑浊 1. 123 0. 275
微滤(0. 2μm)澄明 0. 785 0. 236
高速离心(10000 r/min)微浑浊 1. 005 0. 275 70%
乙醇沉淀 澄明 0. 718 0. 182
大黄 原液 浑浊 2. 467 0. 198
微滤(0. 2μm)澄明 1. 838 0. 150
高速离心(10000 r/min)澄明 2. 225 0. 191 70%
乙醇沉淀 澄明 1. 943 0. 182
注:微滤、高速离心和乙醇沉淀法所用药液为同一提取液。
赵宸煜等[6]采用聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜,用于维生素B2 的提纯,与原离心过滤工艺相比,采用双向流膜分离工艺得到的维生素B2 透过液澄清透明,菌体100%被截留,蛋白和多糖等杂质的去除率远高于离心过滤工艺。
2 超滤膜的应用
超滤技术可从液体混合物中除去0. 001 2 ~0. 05μm的溶质分子和分子量约为
1 000万的高分子化合物、胶体、病毒等,在生物工程中应用极为广泛。与传
统方法相比,超滤过程不发生相变化,操作条件温和,有利于保持生物活性组分的生理活性,减少环境污染,缩短生产周期,提高分离效率。
蒋菁莉等[7]采用超滤法分离酪蛋白降血压多肽溶液,结果表明,超滤技术可以实现不同分子量多肽组分
的分离,且多肽超滤滤过液的ACE抑制活性提高。王子尧等[8]采用切向流超滤技术分离丹皮多糖,研究效果优于醇沉
-大孔吸附树脂法,且工艺操作简单,生产周期短,可以有效地除杂,保留有效成分。
膜分离技术用于发酵液中氨基酸的分离和精制,可以先用微滤或超滤将发酵液中的菌体截留并回收利用,透过液经纳滤或反渗透浓缩后,再通过等电点结晶获得高纯氨基酸产品,提高氨基酸的质量和收率的同时节约了菌种培养费和分离能耗。
Huang等[21]将微滤、反渗透和等电点结晶技术相结合,从发酵液中回收谷氨酸。采用膜孔径0. 121μm的乙酸纤维素微滤膜澄清发酵液,去除大小约
1μm的细菌。将发酵液浓缩7倍后,改用渗滤操作洗出截留液中残留的L -谷氨酸,再将渗滤透过液经反渗透浓缩后得到的截留液经
过真空蒸发进一步浓缩,最后利用等电点结晶技术得到
L -谷氨酸。
梅映东等[22]采用聚醚砜超滤膜和聚酰胺纳滤膜技术,结合板框过滤和树脂洗脱等手段对核苷类抗生素
FKR1565的提取分离进行了实验,结果表明采用超滤和纳滤膜技术可以去除杂质和浓缩树脂洗脱液,避
免加温真空浓缩时FKR1565的分解,产品最终的浓缩倍数在10倍以上,截留率高于99%。
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分子印迹复合膜的应用
分子 印 迹 膜(molecularly imp rinted m embrane,M MI )兼具分子印迹与膜技术的特点,其原理是在聚合介质中加入印迹分子,成膜后将印迹分子除去,将在聚合物网状结构中留下印迹分子的功能尺寸,同时生成的聚合物与印迹分子之间存在相互作用,将此分离膜用于分离由印迹分子与其他物质构成的混合物时,分离膜能识别出印迹分子,从而有效地将混合物分离。
分子印迹复合膜是将分子印迹聚合物镀在多孔支撑膜表面,具有超滤或微滤支撑层,可获得大通量和高选择性,是近年来人们研究和关注的重点[23 ]。
报道的分子印迹技术多用于黄酮类、多元酚类、生物碱类等活性成分的分离纯化。卢春阳等[24]采用紫外光引发原位聚合的方法制备了具有支撑膜的邻香草醛分子印迹复合膜,通过测定模板分子和功能单体之间的结合常数和化学计量比表明在干扰物存在时,印迹膜对模板分子表现出良好的选择透过性,并研究了分子印迹复合膜透过的机理,提示其可用于大规模分离提取中药有效成分。
Lai等[25]以苦参碱为模板制备分子印迹膜,从槐属植物苦参中提取分离苦参碱。结果发现,分子印迹膜对苦参碱的回收率可达到
71. 4%。以上研究结果表
明,分子印迹膜最大的特点就是对模板分子的识别具有可预见性,对于特定物质的分离极具针对性。分子印迹复合膜又将膜分离的可连续化操作特点与分子印迹技术进行了结合,是最有应用前景的一种膜技术。对映异构体在药物中占有很大比例,单一对映异构体药物不仅可以使用药剂量减半,而且具有疗效更好和更安全等显著优点。手性拆分是获得单一对映异构体的重要途径,膜分离拆分法是近几年发展起来的新型节能技术,具有可连续操作、易于放大等优点,被认为是一种极具潜力的大规模拆分对映异构体的方法。其基本原理是基于膜的选择透过性,只允许符合特殊要求的组分通过,把对映异构体中不符合要求的组分截留,从而实现手性拆分。手性拆分膜分离技术已引起人们的广泛关注,成为膜科学界的研究热点。Yoshikawa等[26]用三肽残基与叔氧羰基-L -色氨酸特异性反应形成聚合物分子印迹膜。叔氧羰基-L -色氨酸既是印迹分子也是成孔剂,三肽衍生物会优先识别与印迹分子具有相同构型的异构体,并将其选择性地吸附在膜上。当以浓度梯度为推动力时,透过膜的
D -异构体的量将多于L -异构体,从而达到拆分异构体的目的,其分离因子达到5. 0。
吴洪等[27]用相转化法制备的L -苯丙氨酸(L -Phe)分子印迹壳聚糖膜渗透拆分D -苯丙氨酸和L -苯丙氨酸的混合物,采用碱液处理和硫酸交联的方法降低壳聚糖膜的溶胀度,发现分子印迹壳聚糖膜的分离因子达到1. 43。
分子印迹膜技术被认为是进行大规模手性物质拆分的非常有潜力的方法。但目前这一技术还处于实验室阶段,主要是由于对分子印迹膜的形态结构与分子识别关系的研究相对不足,对影响膜形态结构的因素仍需进一步研究,对分子印迹膜的传质和识别机理的研究相对滞后。因此,分子印迹膜新的潜在的用途还有待进一步开发。
7 膜蒸馏技术
膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程,例如当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时,由于膜的疏水性,两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧,但由于暖侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧,水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧而冷凝,这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似,所以称其为膜蒸馏过程(m em2 brane distillation, MD )。
膜蒸馏作为膜分离家庭的新成员,提出于1967年, 20世纪80年代开始发展,至今已在不少领域取得一系列可喜的研究成果,在水溶液的分离中尤其具有优越性,特别是近年来适合蒸馏用疏水膜的研制成功,使膜蒸馏过程的开发和应用得到了进一步的发展。膜蒸馏技术可用于水溶液中挥发性有机物溶质脱除,水苦咸水脱盐,废水处理等领域[28, 29 ]。
加工人参时产生的人参水和人参露含有人参皂苷、氨基酸及微量元素等多种有效成分,但浓度极低,难以充分利用。吴庸烈等[30]用膜蒸馏技术对其进行了有效的浓缩,为人参的综合利用提供了一个新的高效加工手段。
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结论与展望
膜分离技术应用于药物分离具有其他传统方法无法比拟的优点,呈现出较好的应用前景。但是在实际的生产应用中,仍然存在着大量的问题,严重影响了膜分离技术的推广和应用。膜使用过程中的最大问题是膜的污染和劣化。由于分离的药液大都含有蛋白质、脂肪、纤维素、鞣质及胶体物质,膜在操作时易被污染和堵塞,造成膜通量锐减。而现有的清洗方法难以达到恢复通量的目的,以致不能正常地运行,因此药液的预处理及膜的清洗成了膜技术应用的关键。先进行合适的预处理是防止膜性能变化的最简单的方法,可以有效减轻膜的污染问题。同时,污染膜的清洗和膜性能的再生在实际应用中也非常重要。选择合适的清洗剂、清洗时间以及合适的膜清洗方法对延长膜的使用寿命,有效降低生产成本也是十分的关键。另外,开发新型的不易被污染的膜材料及进行膜面改性是控制膜污染的有效措施。针对中药提取液中杂质含量大和膜面易污染的特点,在深入了解膜污染机理的基础上,从材料设计角度出发,研究新型的适用于药物分离用的、抗污染 性 好 的 膜 材 料,是 很 有 实 际 意 义 的 一 项工作[31 ]。
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