内毒素的去除
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第 30 卷 第 5 期 2001 年 9 月
文章编号 :100028020 (2001) 0520315202
卫 生 研 究 JOURNAL OF HYGIENE RESEARCH
超滤法去除细菌内毒素
Vol. 30 No. 5 Sep . 2001 315
·实验技术·
王 铮 张惠新 戴海平
按超滤膜形状不同 ,可将超滤膜分为平板式卷式 、管式和 中空纤维式 ,中空纤维式超滤膜直径很小 ,内压式超滤膜直径 约 1mm ,外压式超滤膜直径约 014mm。用这样细的纤维束组 装成的超滤器 ,纤维可互相支撑 ,不需外加支撑机构 ,因此 ,中 空纤维超滤器及设备结构相对简单 ,设备费用低 。自超滤器 国产化后的近二十年中 ,超滤技术除用于食品 、饮料 、环保领 域中的浓缩 、分离 、净化 、提纯工艺外 ,在医用纯水 、制药等行 业中亦获得成功应用 。
超滤是膜分离技术中应用最广的膜技术之一 。超滤膜的 分离作用 ,是靠超滤膜膜壁上薄薄的外表皮上 (表皮层厚度仅 011～10 微米) 很小的微孔来实现的 ,超滤膜的微孔大小 ,介于 反渗透膜和微孔滤膜之间 ,约 5～100 纳米 。通过微孔的“筛 分”作用 ,水溶液中体积大于微孔的微粒 、细菌 、病毒 、细菌内 毒素等被超滤膜截留后 ,被不断进入超滤器的待过滤水的水 流 ,冲离膜面 ,成浓缩液 ;水分子体积小于超滤膜微孔 ,因此会 透过超滤膜 ,成净化水或称超滤液 (图 1) 。超滤膜的分离能 力主要取决于超滤膜表皮层微孔孔径的大小和微孔数量的多 少 (孔隙率) 。
101 微滤器 111 超滤器 121 清洗槽 图 2 超滤设备流程图
212 超滤去除细菌及细菌内毒素 21211 蒸馏水中细菌及细菌内毒素的去除 在蒸馏水管道
由表 3 数据分析超滤前后 2 组液样的细菌及细菌内毒素 变化情况可知 :放置三天的蒸馏水 ,会造成细菌内毒素的污 染 ,将其按规定剂量注入家兔体内后 ,因热原反应将造成家兔 体温升高 ,三只家兔体温分别上升了 0175 、1162 和 1145 ℃,平 均体温上升为 1127 ℃(标准为 0160 ℃) ,总升温为 3182 ℃,也超 过了标准 (114 ℃) 。经超滤后的净化水 ,接规定剂量注入三只 家兔后 ,平均体温升高仅为 012 ℃,总升温为 0160 ℃,可见超 滤可去除染菌后蒸馏水中的细菌内毒素 ;同样胎盘白蛋白中 的细菌内毒素亦有大幅降低 , (家兔体温的升高由 2115 ℃降至 0127 ℃) 符合了国家药典规定指标 。表 3 数据亦表明 ,超滤膜 对细菌的截留更为有效 。
关键词 :细菌内毒素 中空纤维 超滤装置 中图分类号 :R197139 文献标识码 :B
Study on the elimination of bacterial endotoxins by ultrafiltration device
Wang Zheng , Zhang Huixin ,Dai Haiping Membrane SCI &TECH INST of Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300160 ,China
因细菌内毒素体积小 ,耐热性及化学稳定性强 ,所以一般 的过滤 、加热和化学方法不易去除或灭活 。可能成为细菌滋 生温床的活性碳吸附法及离子交换树脂吸附法 ,也不甚理想 。 目前行之有效的方法 ,多用超滤或反渗透法 。超滤膜孔径 (5 ～100nm) 的下限与细菌内毒素相近 ,所以用小孔径的超滤膜 去除细菌内毒素很可靠 ,其设备造价也比反渗透低的多 。
作者简介 :王铮 ,男 ,大学 ,高级工程师
图 1 外压式超滤器工作情况示意图
1 细菌内毒素
细菌内毒素系指细菌的死体或细菌代谢物 ,所以只要有 细菌的地方 ,就会有细菌内毒素存在 ,细菌内毒素的主要成份 是产生于革兰氏阴性菌 (以革兰氏阴性杆菌最多) 细胞外壁层 的脂多糖类物质 ,其活性主要源于其结构中的类脂 A。 111 细菌内毒素的性质
11113 化学稳定性强 一般化学药品不影响细菌内毒 素的活性 ,只有强酸 、强碱或强氧化剂可以破坏细菌内毒素 。
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
0135 0110 0135 0127 0180
注 : (1) 放置多日 ,有细菌内毒素污染
细菌总数 (个Π毫升)
130
0
1150
0
超滤装置 (图 2) 以胶管泵为动力 ,调节胶管泵的转数和 超滤器浓缩水出口管路上阀门开度的大小 ,即可调整超滤系 统工作压力 。
11 进泵阀 21 进料阀 31 超滤阀 41 超滤阀 51 浓缩总阀 61 浓缩液阀 71 放空阀 8 、131 清洗阀 91 泵
Abstract :An external2pressed polysulfone hollow fiber UF membrane , was made by phase inversion method. The cu2t off molecular weight was 6000. The water permeation rate of this membrane module (φ90 ×500mm) is more than 150 LΠ hr. atm. The operating results show that the elimination of bacterial endotoxins by this membrane has reached the national standard in pharmacopoeia , and this technology is worthy to be extended over to medical industry. In addition , the essence of pyreotogen , the quantification units and measure methods for pyreotogen , and the operating conditions of UF device in the process of eliminating pyreotogen are introduced. Some critical points in operation was discussed.
11111 体积小 细菌内毒素的大小 、形态 、化学组成因 菌种不同而不同 ,细菌内毒素要比细菌小得多 ,直径仅 1～ 50nm ,类脂 A 更小 ,分子量只有几千 ,所以一般的过滤方法不 易祛除 ,因其体小 、质轻 ,有时甚至在蒸馏时会随水蒸气的雾 滴逸出到蒸馏水中 。
11112 热稳定性强 细菌内毒素耐热性很好 ,100 ℃以 下无大变化 ,在 120 ℃高温下加热 4 小时仅能破坏 98 % ,要完 全灭活需在 180 ℃高温下 ,加热 2 小时以上 ,这样的祛除方法 实施起来有相当难度 。
试样种类
蒸馏水 (1) 蒸馏水 (1) 超滤液 胎白原液 胎白液 超滤液
表 3 细菌内毒素检测结果
家兔升温 ( ℃)
1
2
3
平均值 总升温 ( ℃) ( ℃)
0175 1162 1145 1127 3182
0120 0105 0135 0120 0160
2122 2142 1180 2115 6144
316
卫 生 研 究
第 30 卷
112 细菌内毒素的危害 当人 (或动物) 体血液系统的输入液中混入微量的细菌内
毒素时 ,在很短时间内将会使人产生昏迷和高烧 ,若不及时抢 救 ,很可能危及生命 。有研究报道 ,将细菌内毒素浓度为 5ngΠ ml 的试剂 ,按每单位体重 ( kg) 50ng 的剂量注入家兔体内 ,家 兔体温会升高 016 ℃[1] ,人对细菌内毒素的反应比家兔更敏 感 ;细菌内毒素在水中易集成缔合体 ,这种颗粒性污染 ,后果 相当严重 ,会造成微血管栓塞 ,引起组织坏死或导致血管内芽 肿甚至血凝 ,因此国家药典对注射品中细菌内毒素指标有严 格规定 :细菌内毒素 < 1EUΠml 。 113 细菌内毒素的祛除方法[2]
超滤器直径 超滤器长度 有效膜面积 产水量
(mm)
(mm)
( m2 )
(LΠh·atm)
90
500
8
150
的支管中 ,取蒸馏水 50000ml ,放置三天后受到细菌及细菌内 毒素污染 ,将其在 32 ℃、0116MPa 条件下进行超滤 ,8 分钟后 , 得超滤液 47000ml ,取原液和超滤液各 200ml 以 0185 % (重量 gΠ体积 ml) 的比例加入 NaCl 后 ,按“家兔法”进行热原检测 。 21212 胎盘血白蛋白中细菌及细菌内毒素的截留 取污染 细菌 及 细 菌 内 毒 素 的 胎 盘 白 蛋 白 16830mL , 蛋 白 浓 度 为 10169 % ,在 32 ℃,0115～012MPa 下循环超滤浓缩 45 分钟 ,得 超滤液 11900ml , (此时浓缩液约 4000ml ,蛋白浓度约为 34 %) , 取超滤液和胎盘白蛋白原液各 200ml ,以 0185 %的比例加入 NaCl 后 ,进行热原检测 。 213 热原检测
Key words :bacterial endotoxins , hollow fiber , ultrafiltration
被誉为新兴分离技术的膜分离技术 ,因具有分离精度高 (可完成纳米级分离) ;分离速度快 ;占地面积小 ;能耗低 ;使用 寿命长等诸多长处 ,因此 ,近年取得了令人瞩目的ห้องสมุดไป่ตู้速发展 。
采用我国药典规定的标准检测方法 - 家兔法 。即 : 取 3 只健康家兔 ,注入规定量试样 ,在一天内若单兔体温上升不超 过 016 ℃,3 只兔总升温不超过 114 ℃,可认为试样中细菌内毒 素含量合格 。
3 结果与讨论
311 经检测证明 含细菌及细菌内毒素的蒸馏水和胎盘白蛋白溶液经超滤
后 ,超滤液中细菌及细菌内毒素含量 (表 3) 均符合国家药典 规定指标 。
根据被处理药液特性及其细菌内毒素含量的多少 ,选择 孔径较小且孔径分布均匀的截留分子量 6000 的外压式超滤 膜 ,可有效截留细菌及细菌内毒素 ,使其含量指标达到标准 。 而表皮层 (即起有效截留作用的活性层) 薄 ,膜内针孔多 ,孔径 分布不匀 ,截留能力低或截留分子量不稳定的超滤膜 ,易造成 细菌及细菌内毒素透过 ,而不被采用 ;外压式超滤膜 ,纤维内 腔不易污染 ,在要求较高的净化工艺中多被选用 。 312 超滤设备污染控制
2 超滤法去除细菌内毒素
211 设备与方法 21111 超滤设备 用外压式中空纤维超滤膜 (表 1) ,组装成 超滤器 (表 2) 。
膜材料 膜型式 聚砜 外压
表 1 超滤膜技术指标
中空纤维外径
纤维壁厚
(μm)
(μm)
400
90～100
截留分子量 6000
纤维根数 10000
表 2 超滤器技术指标
天津工业大学膜科学与技术研究所 ,天津 300160
摘要 : 利用聚砜为膜材料 ,通过相转化法制成外压式聚砜中空纤维超滤膜 ,制成的中空纤维超滤器 (φ90mm ×500mm) ,水通量大于 150 LΠh·atm ,截留分子量在 6000 左右 ,可去除细菌内毒素 ,达到药典规定的指 标 。文中介绍了热原本质 、定量表示及测定方法 ;介绍了外压式中空纤维超滤装置在药液除热原工艺中的使 用情况 ,并提出在运用时应注意的问题 。
作为除细菌及细菌内毒素的超滤设备 ,一般作为整个工 (下转第 318 页)
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
文章编号 :100028020 (2001) 0520315202
卫 生 研 究 JOURNAL OF HYGIENE RESEARCH
超滤法去除细菌内毒素
Vol. 30 No. 5 Sep . 2001 315
·实验技术·
王 铮 张惠新 戴海平
按超滤膜形状不同 ,可将超滤膜分为平板式卷式 、管式和 中空纤维式 ,中空纤维式超滤膜直径很小 ,内压式超滤膜直径 约 1mm ,外压式超滤膜直径约 014mm。用这样细的纤维束组 装成的超滤器 ,纤维可互相支撑 ,不需外加支撑机构 ,因此 ,中 空纤维超滤器及设备结构相对简单 ,设备费用低 。自超滤器 国产化后的近二十年中 ,超滤技术除用于食品 、饮料 、环保领 域中的浓缩 、分离 、净化 、提纯工艺外 ,在医用纯水 、制药等行 业中亦获得成功应用 。
超滤是膜分离技术中应用最广的膜技术之一 。超滤膜的 分离作用 ,是靠超滤膜膜壁上薄薄的外表皮上 (表皮层厚度仅 011～10 微米) 很小的微孔来实现的 ,超滤膜的微孔大小 ,介于 反渗透膜和微孔滤膜之间 ,约 5～100 纳米 。通过微孔的“筛 分”作用 ,水溶液中体积大于微孔的微粒 、细菌 、病毒 、细菌内 毒素等被超滤膜截留后 ,被不断进入超滤器的待过滤水的水 流 ,冲离膜面 ,成浓缩液 ;水分子体积小于超滤膜微孔 ,因此会 透过超滤膜 ,成净化水或称超滤液 (图 1) 。超滤膜的分离能 力主要取决于超滤膜表皮层微孔孔径的大小和微孔数量的多 少 (孔隙率) 。
101 微滤器 111 超滤器 121 清洗槽 图 2 超滤设备流程图
212 超滤去除细菌及细菌内毒素 21211 蒸馏水中细菌及细菌内毒素的去除 在蒸馏水管道
由表 3 数据分析超滤前后 2 组液样的细菌及细菌内毒素 变化情况可知 :放置三天的蒸馏水 ,会造成细菌内毒素的污 染 ,将其按规定剂量注入家兔体内后 ,因热原反应将造成家兔 体温升高 ,三只家兔体温分别上升了 0175 、1162 和 1145 ℃,平 均体温上升为 1127 ℃(标准为 0160 ℃) ,总升温为 3182 ℃,也超 过了标准 (114 ℃) 。经超滤后的净化水 ,接规定剂量注入三只 家兔后 ,平均体温升高仅为 012 ℃,总升温为 0160 ℃,可见超 滤可去除染菌后蒸馏水中的细菌内毒素 ;同样胎盘白蛋白中 的细菌内毒素亦有大幅降低 , (家兔体温的升高由 2115 ℃降至 0127 ℃) 符合了国家药典规定指标 。表 3 数据亦表明 ,超滤膜 对细菌的截留更为有效 。
关键词 :细菌内毒素 中空纤维 超滤装置 中图分类号 :R197139 文献标识码 :B
Study on the elimination of bacterial endotoxins by ultrafiltration device
Wang Zheng , Zhang Huixin ,Dai Haiping Membrane SCI &TECH INST of Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300160 ,China
因细菌内毒素体积小 ,耐热性及化学稳定性强 ,所以一般 的过滤 、加热和化学方法不易去除或灭活 。可能成为细菌滋 生温床的活性碳吸附法及离子交换树脂吸附法 ,也不甚理想 。 目前行之有效的方法 ,多用超滤或反渗透法 。超滤膜孔径 (5 ～100nm) 的下限与细菌内毒素相近 ,所以用小孔径的超滤膜 去除细菌内毒素很可靠 ,其设备造价也比反渗透低的多 。
作者简介 :王铮 ,男 ,大学 ,高级工程师
图 1 外压式超滤器工作情况示意图
1 细菌内毒素
细菌内毒素系指细菌的死体或细菌代谢物 ,所以只要有 细菌的地方 ,就会有细菌内毒素存在 ,细菌内毒素的主要成份 是产生于革兰氏阴性菌 (以革兰氏阴性杆菌最多) 细胞外壁层 的脂多糖类物质 ,其活性主要源于其结构中的类脂 A。 111 细菌内毒素的性质
11113 化学稳定性强 一般化学药品不影响细菌内毒 素的活性 ,只有强酸 、强碱或强氧化剂可以破坏细菌内毒素 。
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
0135 0110 0135 0127 0180
注 : (1) 放置多日 ,有细菌内毒素污染
细菌总数 (个Π毫升)
130
0
1150
0
超滤装置 (图 2) 以胶管泵为动力 ,调节胶管泵的转数和 超滤器浓缩水出口管路上阀门开度的大小 ,即可调整超滤系 统工作压力 。
11 进泵阀 21 进料阀 31 超滤阀 41 超滤阀 51 浓缩总阀 61 浓缩液阀 71 放空阀 8 、131 清洗阀 91 泵
Abstract :An external2pressed polysulfone hollow fiber UF membrane , was made by phase inversion method. The cu2t off molecular weight was 6000. The water permeation rate of this membrane module (φ90 ×500mm) is more than 150 LΠ hr. atm. The operating results show that the elimination of bacterial endotoxins by this membrane has reached the national standard in pharmacopoeia , and this technology is worthy to be extended over to medical industry. In addition , the essence of pyreotogen , the quantification units and measure methods for pyreotogen , and the operating conditions of UF device in the process of eliminating pyreotogen are introduced. Some critical points in operation was discussed.
11111 体积小 细菌内毒素的大小 、形态 、化学组成因 菌种不同而不同 ,细菌内毒素要比细菌小得多 ,直径仅 1～ 50nm ,类脂 A 更小 ,分子量只有几千 ,所以一般的过滤方法不 易祛除 ,因其体小 、质轻 ,有时甚至在蒸馏时会随水蒸气的雾 滴逸出到蒸馏水中 。
11112 热稳定性强 细菌内毒素耐热性很好 ,100 ℃以 下无大变化 ,在 120 ℃高温下加热 4 小时仅能破坏 98 % ,要完 全灭活需在 180 ℃高温下 ,加热 2 小时以上 ,这样的祛除方法 实施起来有相当难度 。
试样种类
蒸馏水 (1) 蒸馏水 (1) 超滤液 胎白原液 胎白液 超滤液
表 3 细菌内毒素检测结果
家兔升温 ( ℃)
1
2
3
平均值 总升温 ( ℃) ( ℃)
0175 1162 1145 1127 3182
0120 0105 0135 0120 0160
2122 2142 1180 2115 6144
316
卫 生 研 究
第 30 卷
112 细菌内毒素的危害 当人 (或动物) 体血液系统的输入液中混入微量的细菌内
毒素时 ,在很短时间内将会使人产生昏迷和高烧 ,若不及时抢 救 ,很可能危及生命 。有研究报道 ,将细菌内毒素浓度为 5ngΠ ml 的试剂 ,按每单位体重 ( kg) 50ng 的剂量注入家兔体内 ,家 兔体温会升高 016 ℃[1] ,人对细菌内毒素的反应比家兔更敏 感 ;细菌内毒素在水中易集成缔合体 ,这种颗粒性污染 ,后果 相当严重 ,会造成微血管栓塞 ,引起组织坏死或导致血管内芽 肿甚至血凝 ,因此国家药典对注射品中细菌内毒素指标有严 格规定 :细菌内毒素 < 1EUΠml 。 113 细菌内毒素的祛除方法[2]
超滤器直径 超滤器长度 有效膜面积 产水量
(mm)
(mm)
( m2 )
(LΠh·atm)
90
500
8
150
的支管中 ,取蒸馏水 50000ml ,放置三天后受到细菌及细菌内 毒素污染 ,将其在 32 ℃、0116MPa 条件下进行超滤 ,8 分钟后 , 得超滤液 47000ml ,取原液和超滤液各 200ml 以 0185 % (重量 gΠ体积 ml) 的比例加入 NaCl 后 ,按“家兔法”进行热原检测 。 21212 胎盘血白蛋白中细菌及细菌内毒素的截留 取污染 细菌 及 细 菌 内 毒 素 的 胎 盘 白 蛋 白 16830mL , 蛋 白 浓 度 为 10169 % ,在 32 ℃,0115～012MPa 下循环超滤浓缩 45 分钟 ,得 超滤液 11900ml , (此时浓缩液约 4000ml ,蛋白浓度约为 34 %) , 取超滤液和胎盘白蛋白原液各 200ml ,以 0185 %的比例加入 NaCl 后 ,进行热原检测 。 213 热原检测
Key words :bacterial endotoxins , hollow fiber , ultrafiltration
被誉为新兴分离技术的膜分离技术 ,因具有分离精度高 (可完成纳米级分离) ;分离速度快 ;占地面积小 ;能耗低 ;使用 寿命长等诸多长处 ,因此 ,近年取得了令人瞩目的ห้องสมุดไป่ตู้速发展 。
采用我国药典规定的标准检测方法 - 家兔法 。即 : 取 3 只健康家兔 ,注入规定量试样 ,在一天内若单兔体温上升不超 过 016 ℃,3 只兔总升温不超过 114 ℃,可认为试样中细菌内毒 素含量合格 。
3 结果与讨论
311 经检测证明 含细菌及细菌内毒素的蒸馏水和胎盘白蛋白溶液经超滤
后 ,超滤液中细菌及细菌内毒素含量 (表 3) 均符合国家药典 规定指标 。
根据被处理药液特性及其细菌内毒素含量的多少 ,选择 孔径较小且孔径分布均匀的截留分子量 6000 的外压式超滤 膜 ,可有效截留细菌及细菌内毒素 ,使其含量指标达到标准 。 而表皮层 (即起有效截留作用的活性层) 薄 ,膜内针孔多 ,孔径 分布不匀 ,截留能力低或截留分子量不稳定的超滤膜 ,易造成 细菌及细菌内毒素透过 ,而不被采用 ;外压式超滤膜 ,纤维内 腔不易污染 ,在要求较高的净化工艺中多被选用 。 312 超滤设备污染控制
2 超滤法去除细菌内毒素
211 设备与方法 21111 超滤设备 用外压式中空纤维超滤膜 (表 1) ,组装成 超滤器 (表 2) 。
膜材料 膜型式 聚砜 外压
表 1 超滤膜技术指标
中空纤维外径
纤维壁厚
(μm)
(μm)
400
90～100
截留分子量 6000
纤维根数 10000
表 2 超滤器技术指标
天津工业大学膜科学与技术研究所 ,天津 300160
摘要 : 利用聚砜为膜材料 ,通过相转化法制成外压式聚砜中空纤维超滤膜 ,制成的中空纤维超滤器 (φ90mm ×500mm) ,水通量大于 150 LΠh·atm ,截留分子量在 6000 左右 ,可去除细菌内毒素 ,达到药典规定的指 标 。文中介绍了热原本质 、定量表示及测定方法 ;介绍了外压式中空纤维超滤装置在药液除热原工艺中的使 用情况 ,并提出在运用时应注意的问题 。
作为除细菌及细菌内毒素的超滤设备 ,一般作为整个工 (下转第 318 页)
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