纳滤膜在抗生素提取中的应用进展

纳滤膜在抗生素提取中的应用进展

摘要：综述了纳滤膜的分离原理，详细介绍了纳滤膜在抗生素提取中的应用。关键词：纳滤膜抗生素提取

The Progress in the Application of Nanofiltration Membrane in the

Extraction of Antibiotics

Abstract：The separation mechanism of nanofiltration (NF) membranes arereviwed. Introduced the application of nanofiltration membrane in the extraction of antibiotics.

Key words：Nanofiltration Membranes,Antibiotics,Extraction

纳滤(Nanofilt ration) 膜是80 年代末期问世的新型分离膜[1 ] . 它具有两个显著特征[2 ] : 一个是其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200～2 000 ;另一个是纳滤膜对无机盐有一定的截留率,因为它的表面分离层由聚电解质所构成. 根据其第一个特征,推测纳滤膜可能拥有1 nm 左右的微孔结构,故称之为“纳滤”. 从结构上来看,纳滤膜大多是复合型膜,即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同[3 ] . 纳滤膜分离过程无任何化学反应,无需加热,无相转变,不会破坏生物

活性,不改变风味、香味,因而越来越广泛地被应用于食品、医药工业中的各种分离、精制和浓缩过程. 本文拟从纳滤膜的分离机理及其在抗生素提取中的应用进行一些介绍。

1.纳滤膜的分离机理

电荷模型根据对膜内电荷及电势分布情形的不同假设，分为空间电荷模型(the SpaceCharge Model)和固定电荷模型(the Fixed-Charge Model)。空间电荷模型最早由Osterle等提出该模型的基本方程由Poisson-Boltzmann 方程、

Nernst-P1anck 方程和Navier-Stokes 方程等来描述。运用空间电荷模型，不仅可以描述诸如膜的浓差电位、流动电位、表面Zeta 电位和膜内离子电导率、电气粘度等动电现象，还可以表示荷电膜内电解质离子的传递情形。固定电荷模型最早由Teorell、Meyer 和Sievers提出，因而通常又被人们称为

Teorell-Meyer-Sievers(TMS)模型。固定电荷模型假设膜为一个凝胶相，其电荷分布均匀、贡献相同；离子浓度和电位在传递方向具有一定梯度；主要描述膜浓差电位、溶剂和电解质在膜内渗透速率及其截留性。

道南-立体细孔模型[4](Donnan-steric Pore Model)建立在Nernst-planck扩展方程基础上，用于表征两组分及三组分的电解质溶液的传递现象，假定膜是由均相同质，电荷均布的细孔构成，分离离子时，离子与膜面电荷之间存在静电作用，相同电荷排斥而相反电荷间相互吸引，当离子在极细微的膜孔隙中的扩散和对流传递过程中会受到立体阻碍作用的影响。

近来，Wang 等[5]建立了静电排斥和立体阻碍模型(the E1ectrostatic and Steric-hindranceMode1)又可简称为静电位阻模型。静电位阻模型假定膜分离层由孔径均一、表面电荷分布均匀的微孔构成，其结构参数包括孔径r p、开孔率A k、孔道长度即膜分离层厚度Δx。电荷特性参数则表示为膜的体积电荷密度X(或膜的孔壁表面电荷密度为q)。根据上述膜的结构参数和电荷特性参数，对于已知的分离体系，就可以运用静电位阻模型预测各种溶质(中性分子、离子)通过膜的传递分离特性(如膜的特征参数)。

2.纳滤膜在抗生素提取中的应用

由于纳滤膜具有分离效率高、节能、不破坏产品结构、少污染等特点,在医药产品生产中也得到了日益广泛的运用. 抗生素原料一般在原料液中含量较少,浓度较低,用传统的结晶方法回收率低,损失大,真空浓缩则又会破坏其抗菌活性. 而纳滤则不破坏生物活性且损失较少.

2.1纳滤膜在提取6 - 氨基青霉烷酸(6 - APA) 中的应用

6 - APA 是一种重要的医药半合成原料, 一般是用青霉素G 钾盐在青霉素酰化酶作用下裂解而制得。经过溶媒转相萃取后, 母液中仍有013 %～014 %的6 - APA , 如不回收, 则意味着有10 %的产品将残留在母液中无法回收而损失。但由于6 -APA 受热极易分解, 且母液中含有一定量的有机溶剂(例如2 %的CH2Cl2) , 用普通的溶剂萃取法回收处理困难很大。

针对上述情况, 近年来利用耐溶剂的纳滤膜浓缩6 - APA 裂解液的研究工作越来越多。

吴耀华[6 ]选用英国PCI 公司的AFC30 型耐溶剂管式纳滤膜浓缩6 - APA 裂解液, 该膜截留相对分子质量约200 。操作条件: 温度6～12 ℃, 进液压力5 MPa , 流量为38 L/ min。中试结果表明, 膜对6 - APA 的平均截留率在99 %以上, 而透析损失率小于1 % , 浓缩效果是比较理想的。

葛文越[7]使用凯能公司提供的SelROTM耐溶媒卷式纳滤膜成功实现了6 - APA 的母液回收, 总收率达55 % , 结晶中6 - APA 含量大于95 %。凯能公司生产的NF - 10145 卷式膜浓缩抗生素6 -APA 的发酵液可将含0137 %的6 - APA 的发酵液浓缩到5 % , 该膜对6 - APA 的截留率达95 % , 回收率约90 % , 同时将盐分等杂质除去。

2.2纳滤膜在提取螺旋霉素中的应用

蔡邦肖[8]选用自制的聚酰胺型NF 膜对SPM发酵液进行浓缩研究, 采用全循环操作方式。结果表明, 在进料流量55 L/ h 、操作压力115 MPa条件下, 采用纳滤膜浓缩SPM , 发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留, 膜的渗透通量可高达30 L/ h ,渗透液的吸光率几乎为零, 大大提高了浓缩倍数,得率高, 渗透通量高。但由于发酵液中含有较高浓度的低相对分子质量蛋白质、无机盐等, 这些物质对膜表面会产生严重的污染是导致纳滤渗透通量降低的主要原因。由此可见, SPM 发酵液预处理过程设计微滤膜后的超滤膜工艺中, 去除大分子, 然后离心分离去除溶解的固形物包括大部分无机盐是十分必要的。而在纳滤过程, 设计高的料液流量、提高膜面流速以及开发清洗技术, 这对于保持SPM 发酵液浓缩过程膜的渗透通量水平、提高浓缩倍数是至关重要的[9]。

2.3纳滤膜在提取其他抗生素中的应用

另外, NF 膜还成功地应用于红霉素、金霉素、万古霉素等多种抗生素的浓缩和纯化过程。以上抗生素纳滤膜法浓缩、纯化的工艺大体相同, 待浓缩的发酵母液加入料罐中, 料液经过滤、加高压压入膜组件, 浓缩液循环回料罐中, 经一定时间循环, 直至达到规定的浓缩倍数。

张伟等[10]用NP 型复合纳滤膜及其组件对相对分子质量为800～1 000 的抗生素进行浓缩, 抗生素的初始浓度为12 000 IU/ mL , 经浓缩后, 溶液体积减小到原料液浓度的1/ 10 , 浓度达到110 000 IU/ mL 。在整个浓缩过程中, 膜对抗生素的截留率在99 %以上, 抗生素损失不大于1 % , 证明NP 型复合纳滤膜可广泛用于制药行业中多种抗生素的浓缩与纯化, 满足节能、低污染的新型提取工艺的要求。