膜分离技术在医药行业中的各种应用

 

 

 

本文简述了微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等膜分离过程的定义及机理，重点阐述了5种膜技术的各自特点及其在中药、氨基酸、抗生素、医药化工等行业和医药废水处理中的应用。采用膜技术后使制药工艺实现清洁生产，不但提高了企业产量和改善药品品质，同时达到了节能减排的目的。

新型膜材料和膜技术自二十世纪60年代问世以来不断得到发展。因膜分离技术具有分离高效、节能、无二次污染、过程简化等许多优点，而逐渐代替了其他常规分离方法，已广泛应用在水处理、医药、化工、电子、食品、生物技术、环保等领域。膜分离已迅速发展成产业化过程，并带来显著经济、社会和环境效益。

膜分离技术在中药生产中的应用

膜分离过程主要分为微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等过程。因中草药有效成份的分子量在1000以下，而无效成份的分子量达几万到几十万，非常适合用超滤进行分离提纯，也适合采用纳滤技术对中药进行浓缩，实现节能和提高产品品质目的。

采用超滤技术可以滤除中药水提液或醇提液中相对分子质量大于几万的无效成份，如纤维素、黏液质、树胶、淀粉、鞣质、蛋白质（少数药材除外）、树脂等，比如采用超滤提取中药有效部位和有效成份，如黄芩甘、六味地黄活性多糖、侧柏叶总黄酮等。超滤技术还广泛应用于中药注射液的制备，如采用两步超滤膜制备伸筋草注射液，采用截留分子量为1万~3万超滤膜驱除大分子物质，采用截留分子量6000的超滤膜除去小分子杂质及制备过程中加入的氯化钠。制备得到的注射液，受率高、澄清度好，氯化钠含量从5%下降到1%，流程简单，易批量生产。在中药口服液制备中超滤技术也得到广泛应用，如在生脉饮口服液生产中，超滤法同水提醇沉法相比总固体提高51.83%；总黄酮提高23.40%，总多糖提高90.08%；总有机酸提高8.03%；色泽由棕色变为浅棕色，原工艺（水提醇沉法）生产的生脉饮口服液贮存6个月即产生沉淀，而新工艺（超滤法）生产的生脉饮口服液放置18个月后仍澄清透明。原生产工艺中需大量使用酒精，而且在用专用设备回收酒精时，不但设备投资大，而且酒精耗损量在30%以上，严重污染了环境，而新工艺不存在这些弊端。

 

图1 脱盐和脱色提纯主体处理工艺流程图。

 

由于中药的有效成份分子量一般为1000以下，比较适合用纳滤浓缩。中药的传统浓缩方法，如多效蒸馏有很多的弊端，存在能耗高，有机溶剂损耗严重，对水资源和大气污染严重，有效成份损失高的缺点。纳滤应用于中药的浓缩和分离则有效地解决了以上的问题。由于纳滤膜运行于常温无相变，对于中药中一些热敏性药物如皂甙、甾类、萜类等的分离和浓缩更为合适。

采用纳滤膜分离技术用于云南白药皂甙的醇提液浓缩分离，可将纳滤的透过液（酒精）直接回用于生产工艺，由于膜分离系统可实现封闭循环，乙醇损耗大大减少。蒸汽、真空消耗量也减少，生产工艺简化，人员节省，生产周期缩短，产品质量稳定并提高；采用纳滤膜分离技术用于中药水提液浓缩分离，蒸汽耗量减少，生产周期大大缩短，人员节省，透过液（水）可考虑回用于生产工艺中，产品的质量将更稳定和改善。经初步估算，一年内酒精损耗减少这一项的费用可将设备的投资成本收回。目前该系统运行参数比较稳定，初步满足设计要求。在银杏黄酮、葛根素等中药的生产过程中，也成功地采用纳滤来预浓缩，对料液浓缩20倍以上，再进入负压三效浓缩，实现节能80%以上，同时回收酒精，实现清洁生产。

膜技术在氨基酸行业中的应用

膜分离技术是利用膜对混合物中各组份的选择透过性能来分离、提纯和浓缩的产物的新型分离技术，膜分离过程是一种无相变、低能耗物理分离过程，具有高效、节能、无污染、操作方便和用途广等特点，被国外称为二十一世纪最有发展前途的十大高新技术之一。

苏氨酸是一种必需的氨基酸，主要用于医药、化学试剂、食品强化剂、饲料添加剂等方面。苏氨酸生产过程中离心分离产生的一次母液，无机盐含量高，原工艺采用离子交换树脂法除盐，离交液通过活性炭脱色、去除部分蛋白，制成粗品。传统工艺需要消耗大量的酸碱，树脂再生周期短，易损耗，废酸碱液的排放污染周围环境，脱色环节活性碳消耗大，无形中提高了企业生产运行成本，环保压力重。

在福建生产苏氨酸的工艺中，采用特种“电渗析＋纳滤膜” 作为一次离心母液进行脱盐和脱色提纯主体处理工艺。

苏氨酸一次离心母液先经过0.5％活性炭和微滤处理，其中中空微滤膜系统收率≥98%；处理后的离心母液采用特种电渗析去除大部分的无机盐，初始电导率100 000~130 000μs/cm降至电导率14 000~16 000μs/cm，脱除率达到88％，苏氨酸损失率≤10％；电渗析脱盐液通过纳滤系统脱色提纯，纳滤膜系统包括预处理和脱色提纯系统两部分。预过滤系统除去电渗析脱盐液里可能存在的固体颗粒、悬浮物等机械杂质。脱色提纯系统利用分离效率高、截留分子量约700~800纳滤膜分离物料，在压力驱动下，水和苏氨酸透过纳滤膜进入透过液侧，进入下一道生产工序，同时截留蛋白、大部分色素和大分子有机物等，实现脱盐液的除杂提纯，苏氨酸收率（包括截留液和透过清液）≥98%。

 

表1 对羟基苯甘氨酸电渗析脱盐结果

 

采用多种膜技术处理苏氨酸一次离心母液，简化生产工艺，提高产品品质，从而可以实现经济效益与环境效益相统一。

对羟基苯甘氨酸是一种医药中间体，生产过程中会产生高盐份母液。母液原先的处理工艺是经过离子交换树脂除盐，再通过活性炭脱色，最后与滤液一起进入正常提炼工艺。母液套用一定次数后，杂质累积，影响产品质量，这时需要将母液排放。原工艺的弊端在于酸碱耗量大，树脂损耗量较大，导致生产成本较高，同时由于酸碱的排放，对环境产生较重的污染。

通过现场近一个月的中试，建立60m3/d对羟基苯甘氨酸离心母液特种电渗析脱盐系统。运行的结果见表1

另外，膜技术还应用于在谷氨酰胺、精氨酸等的生产工艺中，如采用电渗析膜脱盐技术加纳滤膜脱色提纯后，精氨酸母液的透光可达80％~92.7％；在谷氨酰胺料液处理工艺中，电渗析膜的脱盐率（以电导率计）可达90％左右。

膜技术在抗生素行业中的应用

目前，膜分离技术在抗生素中的应用主要是在抗生素发酵液的澄清，产品的除蛋白、脱盐浓缩以及废液中抗生素的浓缩回收等几个方面。

现代抗生素的生产一般首先是通过澄清和溶剂萃取从发酵液中加以分离，在对萃取液进行真空蒸发制得。但发酵液中抗生素含量一般较少，浓度较低，且含有大量他杂质，常规提取和浓缩方法存在着有机溶剂用量大，浓缩能耗高，破坏生物活性，产品回收率低，操作环境差等不足。纳滤浓缩技术的采用可有效避免以上不足，提高抗生素类产品品质，降低生产成本，成为生物医药生产中的高效分离手段。

 

表2 MBR处理前后水质指标对比

 

青霉素、红霉素、麦迪霉素等抗生素的萃取分离过程中存在乳化现象，采用超滤后，就从根本上解决了乳化现象。生产中无需使用被乳剂，并提高药物安全性，减少污染；同时因降低或消除蛋白质对抗生素的“增溶作用”，从而提高产品收率和质量。

在卡那霉素生产离子交换脱附工艺过程中，产生很多淋洗液。为了减少污染，需进行薄膜蒸馏，对料液浓缩回收卡那霉素。这一过程中需消耗很高能量，同时浓缩过程中温度高，物料易变色，且不能除去物料中的无机盐，导致产品纯度和收率下降。为了减少能量的消耗，同时对淋洗液中的卡那霉素尽量回收， 纳滤对淋洗液约浓缩40倍，浓缩到波美度为8左右，对卡那霉素的截留为98%以上。与原生产工艺相比，纳滤工艺大大减低生产中薄膜蒸馏所需能耗，产品的收率和纯度均提高，废水的排放量也减少，同时高的截留率也减轻了对环境的污染。

在国外，膜分离技术已广泛应用于制药行业，纳滤膜用于回收6-APA，料液中6-APA、甲醇、甲烷氯化物的含量分别为0.37%、16%和2%。经纳滤处理后，浓缩液中6-APA的含量达4%。使污染物的排放量大大减少。

膜技术在医药化工等行业和医药废水处理中的应用

医药中间体提纯过程中，先采用超滤技术将有效成份和大分子蛋白质等物质分离，再采用二级纳滤浓缩，将物料浓缩100倍。整个纳滤系统对医药中间体的截留率在99%以上。由于膜浓缩过程在常温下进行避免了高温对物料中有效成份破坏，低分子量有机物通过纳滤膜和部分无机盐被纳滤脱除，使产品纯度从90%以下提高到95%以上，产品收率也得到提高，产品价值提高200%，使产品在国际市场更有竞争力。整个浓缩过程能耗约7.0kWh/m3，大大低于常规薄膜蒸馏所需的能耗。

在制药工业排放废水中，含有一定量药物，这些药物尤其是抗生素对微生物具有毒性，同时由于在制药工艺中加入溶媒进行萃取或加入其他一些有机成份和无机盐，导致其废水高色度、高含盐量、高浓度的。采用传统的生化法难以处理。而采用膜分离技术或膜分离技术同传统生化方法相结合即膜生物反应器（MBR）则可以处理废水到达标排放。

洁霉素属抗生素，其产生的废水属高色度、高盐度且含高浓度难降解和具有生物毒性的物质，CODcr含量通常在10 000~80 000mg/L，pH和温度也常波动。由于洁霉素能抑制微生物的正常生长，使常规生化法处理效率受到影响。又由于洁霉素的市场价格较高，采用纳滤工艺分离回收废水中的洁霉素，以达到减少洁霉素对微生物的抑制作用，降低后续单元处理负荷和运行费用，同时也增加企业效益。对于CODcr约为15 000mg/L，洁霉素浓度约为260~300mg/L的废水进行处理。洁霉素的截留率达到90%以上，CODcr的截留率达70%以上。对于洁霉素含量为1900mg/L，CODcr约为75 000mg/L的废水，纳滤膜对CODcr和洁霉素的截留率均在50%以上。

膜生物反应器是活性污泥与超滤或微滤相结合构成分体式或一体式的废水处理装置。其利用膜分离组件的分离截留功能，以膜分离组件代替传统的二沉池强制实现泥水分离。被膜组件截留的微生物、大分子难降解物质回流或留在生物反应器内，被微生物降解后的水透过膜组件而与泥分离。其与传统生化法相比具有许多优点：省去污泥二沉池，流程简单，装置小型化，生物反应器污泥活性好，污泥浓度高，容积负荷大大提高，处理效率和抗冲击能力也相应提高，同时提高了生物降解能力，一般CODCr、BOD5和SS的去除率分别可达95%、98%和99%以上，出水水质好。由于膜生物反应器内污泥水力停留时间较长，而且工艺参数易实现自动控制，使世代时间较长的硝化菌得以富集，提高硝化效果，污泥产量较少。

MBR中污泥水力停留时间较长，污泥浓度较高，菌种易驯化，比较适合于高色度、高盐度且含高浓度难生物降解和具有生物毒性的制药废水。MBR能提高污泥对废水的降解能力，使出水水质更好。从而改善环境。某中药厂排放废水量1000m3/d，原来采用水解酸化和好氧生化工艺，排放水质波动大，经常不达标。采用进口平板膜MBR处理后，出水达标且水质比较稳定。具体指标见表2。

小结

膜分离技术具有高效、低能耗和过程简单等许多其它分离方法无法比拟的优点，在制药工业清洁生产和废水处理应用中将越来越广。其不但能降低投资成本、减少溶媒用量、降低生产能耗（蒸汽、电、冷冻盐水等），而且能提高产品的品质，解决生产瓶颈，提高产能。也能从废水中回收有用资源或使废水更易处理或完全使废水处理后达标排放。使制药工业真正实现清洁生产，符合循环经济要求。随着社会发展科技进步，将开发出新型的更耐污染、通量更大的膜材料，开发出结构设计优化和品种更丰富的膜元件，使膜的使用寿命大大延长，膜分离系统的运行和维护更加简单，膜分离过程的投资和运行成本将进一步下降。膜分离技术必将促进我国制药工业可持续发展，将有灿烂应用前景。