膜分离技术在医药行业中的各种应用
本文简要介绍了微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等膜分离过程的定义和机理，重点介绍了五种膜技术的特点及其在中药、氨基酸、抗生素、医药化学品和制药废水处理中的应用。膜技术的运用使制药工艺实现清洁生产，不仅增加了企业产量、提高了药品质量，还达到了节能减排的目的。
自20世纪60年代问世以来，新型膜材料和膜技术不断发展，膜分离技术因具有分离效率高、节约能源、无二次污染、简化工艺流程等诸多优点，已逐步取代其他常规分离方法，广泛应用于水处理、医药、化工、电子、食品、生物技术、环境保护等领域，并迅速发展成为工业化生产过程，带来了显著的经济效益、社会效益和环境效益。
膜分离技术在中药生产中的应用
膜分离工艺主要分为微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等。由于中药材有效成分的分子量在1000以下，而无效成分的分子量则为几万至几十万，所以非常适合采用超滤进行分离纯化，也适合采用纳滤技术对中药进行浓缩，以达到节能降耗、提高产品质量的目的。
超滤技术可用于滤除中药水提物或醇提物中相对分子质量大于数万的无效成分，如纤维素、粘液质、树胶、淀粉、鞣质、蛋白质（少数药材除外）、树脂等。例如，用超滤提取中药有效部位和有效成分，如黄芩、六味地黄有效多糖、侧柏叶总黄酮等。超滤技术在中药注射剂的制备中也有广泛的应用，如用两级超滤膜制备土茯苓注射剂，用截留分子量为1万～3万的超滤膜除去大分子物质，用截留分子量为6000的超滤膜除去小分子杂质及制备过程中加入的氯化钠等。 制备出来的注射剂吸收率高、澄明度好，氯化钠含量由5%降至1%，工艺简单，易于大规模生产。超滤技术在中药口服液制备中也有广泛的应用，如生脉饮口服液生产中，超滤法较水提醇沉法总固形物增加51.83%；总黄酮增加23.40%，总多糖增加90.08%；总有机酸增加8.03%；颜色由棕褐色变为浅棕褐色。原工艺(水提醇沉法)生产的生脉饮口服液存放6个月后产生沉淀，而新工艺(超滤法)生产的生脉饮口服液存放18个月后依然澄清透明。 原生产工艺需用大量酒精，采用专门设备回收酒精时，不但设备投资大，而且酒精消耗量达30%以上，严重污染环境，而新工艺则不存在这些弊端。
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图1 脱盐脱色净化主要处理工艺流程图。
由于中药有效成分分子量一般在1000以下，更适合采用纳滤浓缩。传统的中药浓缩方法如多效蒸馏等存在能耗高、有机溶剂损失严重、对水资源和空气污染严重、有效成分损失大等缺点。将纳滤应用于中药浓缩分离可有效解决以上问题。由于纳滤膜在常温下操作，无相变，更适合中药中一些热敏性药物的分离浓缩，如皂苷类、甾体类、萜烯类等。
纳滤膜分离技术用于云南白药皂苷醇提物的浓缩分离，纳滤透过液（酒精）可直接回用于生产过程，由于膜分离系统可实现闭路循环，乙醇损失大大减少，蒸汽和真空消耗也减少，简化了生产流程，节省了人员，缩短了生产周期，产品质量稳定提高；纳滤膜分离技术用于中药水提物的浓缩分离，蒸汽消耗减少，生产周期大大缩短，节省了人员，透过液（水）可考虑回用于生产过程，产品质量将更加稳定提高。初步估算，一年内减少酒精损失的费用即可收回设备的投资成本。目前，系统运行参数比较稳定，初步达到设计要求。 在银杏黄酮、葛根素等中药生产过程中，也成功利用纳滤进行预浓缩，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。
膜技术在氨基酸工业中的应用
膜分离技术是利用膜的选择渗透性对混合物中的产品进行分离、纯化和浓缩的一种新型分离技术。膜分离过程是一种无相变、低能耗的物理分离过程，具有高效、节能、无污染、操作简便、应用广泛的特点，被国外誉为21世纪十大最有发展前景的高科技技术之一。
苏氨酸是人体必需的氨基酸，主要用于医药、化学试剂、食品强化剂、饲料添加剂等。苏氨酸生产过程中离心分离产生的初级母液无机盐含量较高，原工艺采用离子交换树脂除盐，离子交换液再经活性炭脱色，除去部分蛋白质，制得粗品。传统工艺需酸碱量大，树脂再生周期短，易磨损，废酸碱液排放污染周围环境，脱色工序活性炭消耗量大，无形中增加了企业生产运营成本，对环保造成很大压力。
福建在苏氨酸生产过程中，采用特殊的“电渗析+纳滤膜”作为对第一次离心母液进行脱盐、脱色的主要处理工艺。
苏氨酸母液先经过0.5%活性炭微滤处理，中空微滤膜系统收率≥98%；处理后的母液经过特殊的电渗析处理，去除大部分无机盐，初始电导率100,000~130,000μs/cm降至14,000~16,000μs/cm，去除率达88%，苏氨酸损失率≤10%；电渗析脱盐液经过纳滤系统脱色净化，纳滤膜系统包括预处理和脱色净化系统两部分。预滤系统除去电渗析脱盐液中可能存在的固体颗粒、悬浮物等机械杂质。脱色净化系统采用分离效率高、截留分子量在700~800左右的纳滤膜进行物料分离。 在压力的驱动下，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，同时截留蛋白质、大部分色素及大分子有机物，实现脱盐液的除杂和净化，苏氨酸收率（包括截留液和清透过液）≥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初级离心母液，可以简化生产工艺，提高产品质量，从而实现经济效益和环境效益的统一。
对羟基苯甘氨酸是一种医药中间体，其生产过程中会产生高盐母液，原对母液的处理工艺是先通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的精制工序。母液使用一定次数后，杂质积累，影响产品质量，需要将母液排放。原工艺的缺点是酸碱消耗大，树脂损耗大，导致生产成本高。同时由于酸碱的排放，对环境造成严重的污染。
经过近一个月的现场中试，建立了60m3/d对羟基苯甘氨酸离心母液专用电渗析脱盐系统，运行结果见表1
此外，膜技术还应用于谷氨酰胺、精氨酸等生产工艺中，例如采用电渗析膜脱盐技术，经加纳滤膜脱色净化后，精氨酸母液透光率可达80%~92.7%；在谷氨酰胺原液处理过程中，电渗析膜脱盐率(以电导率衡量)可达90%左右。
膜技术在抗生素工业中的应用
目前膜分离技术在抗生素中的应用主要在抗生素发酵液的澄清、蛋白质的去除、产品的脱盐与浓缩、抗生素废液的浓缩与回收等方面。
现代抗生素生产一般采用澄清、溶剂提取的方法从发酵液中分离，然后将提取液真空蒸发。但发酵液中抗生素含量普遍较低，浓度较低，含有大量其他杂质。常规提取浓缩方法存在有机溶剂用量大、浓缩能耗高、破坏生物活性、产品回收率低、操作环境差等缺点。采用纳滤浓缩技术可有效避免上述缺点，提高抗生素产品质量，降低生产成本，成为生物制药生产中一种高效的分离方法。
表2 MBR处理前后水质指标对比
青霉素、红霉素、麦迪霉素等抗生素在提取分离过程中，都会出现乳化现象，采用超滤可以从根本上解决乳化现象，生产中不需要添加乳化剂，提高了用药安全性，减少了污染，同时减轻或消除了蛋白质对抗生素的“增溶作用”，从而提高了产品的收率和质量。
卡那霉素生产在离子交换解吸过程中，会产生大量的洗脱液，为了减少污染，需采用薄膜蒸馏法对料液进行浓缩回收卡那霉素，此过程能耗较大，同时浓缩过程中温度较高，物料易变色，物料中的无机盐不能去除，导致产品纯度和收率下降。为降低能耗，尽可能回收洗脱液中的卡那霉素，采用纳滤将洗脱液浓缩约40倍至波美度8度左右，卡那霉素的保留率在98%以上。与原生产工艺相比，纳滤工艺大大降低了生产中薄膜蒸馏所需的能耗，提高了产品的收率和纯度，减少了废水的排放量，高保留率也减少了对环境的污染。
在国外，膜分离技术在制药工业中已得到广泛的应用，采用纳滤膜回收6-APA，料液中6-APA、甲醇、甲烷氯化物的含量分别为0.37%、16%、2%，经过纳滤处理后浓缩液中6-APA含量可达4%，大大减少了污染物的排放。
膜技术在医药化工行业及制药废水处理中的应用
在医药中间体的纯化过程中，先采用超滤技术将有效成分与大分子蛋白质等物质分离，再采用二级纳滤将物料浓缩100倍。整个医药中间体的纳滤系统截留率在99%以上。由于膜浓缩过程是在常温下进行的，避免了高温对物料中有效成分的破坏。通过纳滤膜纳滤去除低分子量有机物，纳滤去除部分无机盐，使产品纯度由不足90%提高到95%以上，产品收率也得到提高，产品价值提高200%，使产品在国际市场上更具竞争力。整个浓缩过程的能耗约为7.0kWh/m3，远低于常规薄膜蒸馏所需的能耗。
制药行业排出的废水中含有一定量的药物，这些药物对微生物具有一定的毒性，特别是抗生素。同时，由于制药过程中加入了提取用的溶剂或其他有机组分、无机盐，使得废水色度高、含盐量高、浓度高，采用传统的生化方法很难处理。而采用膜分离技术或膜分离技术与传统生化方法相结合，即膜生物反应器（MBR）可以对废水进行处理，使其达到排放标准。
克林西亚霉素是一种抗生素，其产生的废水色度高、盐度高，含有高浓度的难降解及生物毒性物质，CODcr含量通常在10000～/L之间，pH值、温度经常波动。由于克林西亚霉素能抑制微生物的正常生长，影响常规生化处理的效率。由于克林西亚霉素的市场价格较高，采用纳滤工艺对废水中的克林西亚霉素进行分离回收，降低克林西亚霉素对微生物的抑制作用，降低后续单元处理负荷和运行成本，同时也增加了企业的效益。对于CODcr在/L左右，克林西亚霉素浓度在260～300mg/L左右的废水，克林西亚霉素的截留率在90%以上，CODcr的截留率在70%以上。 对于含克林西亚霉素150mg/L、CODcr约/L的废水，纳滤膜对CODcr和克林西亚霉素的截留率均在50%以上。
膜生物反应器是将活性污泥法与超滤或微滤相结合的分体式或一体化污水处理装置，利用膜分离组件的分离截留作用，代替传统的二沉池，实现泥水强制分离。被膜组件截留的微生物及大分子难降解物质回流或滞留在生物反应器内，被微生物降解的水则穿过膜组件与泥水分离。与传统生化法相比，它具有诸多优点：省去了污泥二沉池，工艺简单，装置小型化，生物反应器内污泥活性好，污泥浓度高，容积负荷、处理效率及抗冲击性能大大提高，可生化性得到改善。一般对CODCr、BOD5、SS的去除率分别可达95%、98%、99%，出水水质良好。 由于污泥在膜生物反应器内的水力停留时间较长，且工艺参数容易实现自动控制，可以使世代时间长的硝化细菌得到富集，提高硝化效果，同时污泥产量较少。
MBR中污泥水力停留时间长，污泥浓度高，细菌容易驯化，更适合于高色度、高盐度、高浓度难生物降解、生物毒性大的制药废水。MBR可以提高污泥降解废水的能力，使出水水质更好。从而改善环境。某中药厂日排放废水，原采用水解酸化、好氧生化工艺，外排水质波动较大，经常不达标。经进口平板膜MBR处理后，出水达标，水质比较稳定。具体指标见表2。
概括
膜分离技术具有其它分离方法无法比拟的高效、低能耗、工艺简单等诸多优点，在制药工业清洁生产和废水处理中将得到越来越广泛的应用，不仅可以降低投资费用，减少溶剂用量，降低生产能耗（蒸汽、电、冷冻盐水等），还可以提高产品质量，解决生产瓶颈，提高生产能力，还可以从废水中回收有用资源或使废水更易于处理或处理后完全使废水达标排放，使制药工业真正实现清洁生产，满足循环经济的要求。随着社会的发展和科技的进步，将开发出具有更高抗污染能力和通量的新型膜材料，开发出结构设计优化、品种更加丰富的膜元件，这将大大延长膜的使用寿命，使膜分离系统的操作和维护更加简单，进一步降低膜分离工艺的投资和运行费用。膜分离技术必将促进我国制药工业的可持续发展，具有光明的应用前景。