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 2．1 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。截留粒子的范围约为0. 1～10μm,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
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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 。 2.3 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300～1 000的小分子物质,填补了由超滤和反渗透所留下的空白部分。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
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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。
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
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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
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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
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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500～3 000,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
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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
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等采用F6 /型透析柱(8 000～15000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
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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10 000～30 000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
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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
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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
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等采
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
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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：
①细胞培养基的除菌②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④目标产物部分纯化后的浓缩或滤除去小分子溶质⑤最终产品的浓缩和脱盐⑥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:
①透过通量大;②滤液清净,体回收率高;③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）；④适于大规模连续操作;⑤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