膜分离技术是指在分子水平上，不同粒径的混合物质在通过半渗透膜时，实现机械分离的技术。在 ２０ 世纪初出现，６０ 年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。
在制药产品的成本构成中，分离、纯化和浓缩在总成本中占相当高的比例，应用现代分离、纯化和浓缩工艺是提高制药工业经济效益的重要途径。目前，制药工业正在越来越多地使用膜分离技术代替传统的分离浓缩工艺，并取得了良好的效益。膜技术已经成为制药工业现代化的核心技术。
１ 发酵液的特点
制药工业中抗生素、维生素和氨基酸的生产主要采用以粮食为主要原料的生物发酵法，发酵液中目的产物的浓度很低，一般仅占发酵液体积的 ０．１％—５％左右，并含有大量的其他杂质，如菌丝体、蛋白质、残存可溶底物、中间代谢产物、发酵液预处理过程中加入的物质等；而且某些目的产物的耐热、耐 ｐＨ 值和耐有机溶剂性差。因此要从发酵液中去掉大量杂质，制取高纯度的合乎药典规定的产品，提取及精制是很重要的环节。
选择适当的膜分离过程，可代替某些真空转毂过滤、板框压滤、离心分离、絮凝、离子交换、溶媒抽提、蒸发等多种传统的分离浓缩方法。膜分离技术成为实现发酵制药工业产品分离的重要手段之一。
２ 发酵制药工业中的组合膜工艺（ 图 １）
２． １ 超滤
应用膜分离技术处理生物发酵液时，对发酵液进行直接超滤实现固液分离已经越来越普遍，通过超滤来去除大分子物质，如菌丝、蛋白质、病毒、热原等，而小分子代谢物包括目的产物、盐类和水则几乎全部通过超滤膜。
２． ２ 纳滤
在发酵制药生产中，由于目的产物的浓度低，产品脱水浓缩是重要的提取工序。目前，生产中多采用多效蒸发器进行浓缩，其投资大、能耗高；同时由于蒸发的相变过程，造成产品损失，产品颜色加深；对于某些残糖含量高的产品，焦糖化还可能造成堵塞结垢。在发酵生产的脱水浓缩工艺中采用无相变、低能耗的一级或多级纳滤和反渗透技术，可以极大减少后续工艺中所用溶媒及能耗，同时可以提高收率和产品质量，具有显著的经济效益。
３ 中空纤维微孔膜在发酵行业生产中的应用
３． １ 发酵液的浓缩
采用 Ф ９０ ｍｍ×１ ０００ ｍｍ、膜面积 ４０ ｍ２ 的内压式聚偏氟乙烯中空纤维微孔膜组件，组装双向流工艺流程。将发酵液流以 ２０ ｍｉｎ 为周期进行倒向，即发酵液流向按照通常的下进上出方式运行 ２０ ｍｉｎ后，通过阀门切换，将发酵液流向反转为上进下出方式，运行 ２０ ｍｉｎ 后再次换向，依次循环进行，膜装置进口压力为 ０．１ ＭＰａ、出口压力为 ０．０ ＭＰａ。采用这种双向流进料的膜过滤方式，同样浓缩 １．２ ｔ 发酵液只需要 １ ｈ 即可完成，平均滤过速度为 １５０ Ｌ／ｈ·支，远高于通常的膜工艺下进上出运行方式。这是因为当发酵液流向处于下进上出方式时，膜组件中下半段中空纤维膜处于过滤工作状态，上半段中空纤维膜由于近于无压差而处于等压清洗状态；换向后，刚清洗完的上半段中空纤维膜进入了工作状态，刚工作完的下半段中空纤维膜则进入了等压清洗状态。如此循环交替，同一支中空纤维膜组件始终处于高效的工作与清洗状态。
双向流的工艺特点是同一支中空纤维膜组件在过滤工作过程中，同时处于工作状态和清洗状态，从而保持高分离功效。该工艺尤其适用于发酵液等较粘稠液体的过滤与精制，改变了以往中空纤维膜不能用于粘稠液体的过滤分离的情况，拓展了中空纤维膜的应用领域，具有设备占地少、造价低、浓缩液回收率高等优点，尤其适用于大型发酵液处理。
３． ２ 发酵液澄清精制
利用中空纤维膜进行 ＶＢ１２ 发酵液除菌体试验，发酵液湿菌体含量为 １１．４％—１１．７％，浓缩液湿菌体含量为 ３３％以上；膜对菌体可 １００％截留，过滤液镜检 未发现菌体；过滤液澄清，黏度低，杂质少。这种精制 取代了离心机，降低了成本，提高了收率，彻底改变了染菌后板框过滤机不能过滤而造成的经济损失。
试验表明，聚偏氟乙烯中空纤维膜的通量大，膜性能恢复很好，容易清洗，结果见下表 １。
４ 陶瓷膜在抗生素发酵液澄清中的应用
４． １ 陶瓷膜的特点
陶瓷膜与高聚物分离膜相比优点是：（ １） 热稳定好，适用于高温、高压体系。试用温度一般都可以达到 ４００ ℃，有时可以高达 ８００ ℃。（ ２）化学稳定性好，能耐酸和弱碱，ｐＨ 值试用范围宽。（ ３）抗微生物能力强，与一般微生物不发生生化及化学反应。
（ ４）陶瓷膜组件机械强度大。陶瓷膜一般都是以载体膜的形式应用，而载体都是经过高压和焙烧制成的微孔陶瓷材料和多孔玻璃等，涂膜后再经过高温
焙烧，使膜非常牢固，不易脱落和破裂。（ ５）清洁状态好。本身无毒，不会使被分离体系受到污染。容易再生和清洗。当膜污染被堵塞后、可以进行反吹及冲洗，也可以在高温下进行化学清洗。（ ６）陶瓷膜的孔分布窄，分离性能好。
缺点是：没有弹性，比较脆；不易加工；可用于制造陶瓷膜的材料比较稀少；成本比较昂贵；强碱条件下容易受到污染和侵蚀。
４． ２ 工业化的无机陶瓷膜分离系统
一般包括膜组件、原料输送系统、压力流量测量控制系统等。采用的主要是错流过滤方式，与终端过滤不同的是，错流过滤存在着渗透液和循环流体两股液体。
４． ３ 陶瓷膜在发酵制药业的应用
４．３．１ 核酸类产品
肌苷是我国产量最大的核酸类产品，是一种重要的医药和合成其他药物的原料（ 如利巴韦林等）。肌苷传统的分离技术主要采用离子交换、活性炭吸附、蒸发浓缩、冷却结晶和离心等，这些过程设备投资和操作费用高，且易引起产品的流失及质量的下降。
有专利报道采用超滤膜从发酵液中提取核酸的方法，但由于发酵液中的大分子在膜表面集聚会导致其通量的迅速衰减。可以采用将发酵液加热到 （ ９０—１１０ ℃） 再迅速冷却到超滤过程的操作温度（ ４０—８５ ℃）的方法来增加通量，又可以减少色素的形成；还可以采用在常温下，通过向发酵液中加入聚乙烯亚胺以提高膜通量的方法。
南京工业大学与有关单位合作将陶瓷膜分离技术应用于肌苷工业生产中。与旧工艺的显著不同是在上柱离子交换前采用陶瓷膜除去了菌体和大分子等胶体物质，减少了肌苷的流失，提高了效率；同时由于大量杂质被膜分离后，使滤液的过饱和上柱成为可能，大大地减少了树脂和活性炭的用量，相应地，再生用酸碱也大量地减少，使肌苷厂的排污量大大减少。传统工艺和新工艺就离子交换和活性炭吸附这一工序作比较，其结果见表 ２。
４． ３． ２ 抗生素
发酵法生产抗生素同样也存在除菌过滤问题，陶瓷膜分离技术是取代传统工艺的适宜选择。与传统的离心法相比陶瓷膜过滤过程具有能耗少、回收率高、需要的洗脱剂少等优点。
采用陶瓷膜从发酵液中回收青霉素 Ｇ。当错流速度提高 ２．９ 倍时，膜通量提高 ２ 倍；当错流速度提高 ２．７ 倍时，膜通量提高 １．８ 倍，使处理同样多的料液，可以节省 ４１％的时间。
有人研究采用切割分子量为 １５ ｋＤａ 和 １５０ ｋＤａ的两种管式陶瓷超滤膜和 ２０ ｋＤａ 和 ５ ｋＤａ 的片状有机膜处理克拉维酸发酵液的方法。试验显示 １５０ ｋＤａ的陶瓷膜有较高的膜通量，但处理效果无法代替传统的溶剂萃取过程。１５ ｋＤａ 的陶瓷膜和 ２０ ｋＤａ 的有机膜生产的产品质量较好，同时具有较好的通量。而使用 ５ ｋＤａ 的陶瓷膜处理发酵液同量较低，且所得产品与上述两种膜处理效果并无明显提高。
目前国内一些企业已经将陶瓷膜分离技术应用于抗生素生产中，如在糖肽类抗生素生产中，采用陶瓷膜分离技术替代员工一种的板框过滤进行发酵液的除菌精华，澄清效果由于板框过滤，澄清后发酵液放置时间延长，同时还降低了劳动强度。工业化装置面积为１２０ ｍ２，日处理发酵液 １５ ｍ２，洗水量 １５ ｍ３／ｄ，浓缩比例小于 ６５％。
５ 结束语
制药工业是石家庄经济的支柱产业之一，正在越来越多地使用膜分离技术代替传统的分离、浓缩工艺，该技术已成为二十一世纪最为先进的制药业核心技术之一。随着膜材料、膜组件和膜设备的不断改进，膜分离技术将扮演越来越重要的角色。
