陶瓷膜：生物制藥領域的“利器”
發(fā)布時間：
2024-09-12 15:45
關鍵詞：陶瓷膜：生物制藥領域的“利器”
中國粉體網訊
生物制藥行業(yè)在生產過程中對分離和純化系統有非常嚴格的要求，必須能夠應對高溫侵蝕性溶劑、強酸、強堿、進料固含量高、黏度大和其他苛刻的操作條件。陶瓷膜因其獨特的耐細菌、耐高溫和化學穩(wěn)定性等特性，已成為生物制藥行業(yè)優(yōu)先選擇的分離技術。
陶瓷膜概述
陶瓷膜是一種經特殊工藝制備而形成的無機膜，常采用Al2O3、ZrO2、TiO2、SiC、SiO2以及其組合物等無機陶瓷材料作為原材料。陶瓷膜孔徑涵蓋微濾（孔徑﹥50nm）、超濾（2nm<孔徑<50nm）以及納濾（孔徑<2nm）等全部膜孔徑范圍。 現有商業(yè)化陶瓷膜一般有平板、卷式、管式、中空纖維式和毛細管式五種類型。所有類型的陶瓷膜一般具有三層結構：底層為疏松多孔支撐體，在不影響通量的情況下為整個膜提供機械強度，利用干壓成型或注漿成型，通過固態(tài)粒子燒結法制備而得；支撐層之上為中間層，再到分離層，其膜孔逐漸變小，通過孔徑篩分起到選擇透過的功能，多為浸漿成型后，采用溶膠凝膠法制備。
陶瓷膜的發(fā)展歷史
陶瓷膜誕生于20世紀40年代，是指將陶瓷材料經特殊工藝制備而形成的非對稱膜，早在二戰(zhàn)期間，就被應用于鈾的同位素分離，屬于軍方核工業(yè)研究內容；發(fā)展至20世紀80年代，陶瓷膜進入了以微濾膜和超濾膜為主的液體分離階段；至20世紀90年代，陶瓷膜在氣體分離領域和陶瓷膜分離器－反應器組合構件方向得到了迅猛發(fā)展。
陶瓷膜的優(yōu)勢 陶瓷膜是一種剛性材料，機械強度高，在高壓下能保持完整的孔結構，不會像聚合物膜發(fā)生變形，影響過濾性能。在相同孔徑條件下，陶瓷膜可在高壓下操作，其滲透通量可以達到聚合物膜的2倍，具有更高的效率。 陶瓷膜抗污性能好，且滲透通量大。無機材料構成的陶瓷膜具有較好的親水性，使其具有較好的抗污性能。此外，陶瓷膜具有耐高溫的特性，能在高溫條件下操作，從而減少了高粘度物料對滲透通量的影響。因此，陶瓷膜具有更強的抗污性能和能有效維持穩(wěn)定的滲透通量。 陶瓷膜具有較好的清洗效率。首先，由于陶瓷膜的親水性，容易通過簡單的水或化學在線清洗，能長期保持良好的通量。其次，由于陶瓷膜耐酸堿性強，可進行深度清洗，提高清潔效率。在制糖工業(yè)中，高粘度的糖類更傾向于選擇陶瓷膜分離技術。陶瓷膜具有良好的化學和機械穩(wěn)定性，通?？墒褂肗aOH、NaClO去除污染后陶瓷膜的蛋白質、多糖和懸浮雜質，使膜表面的沉積物和凝膠層松散、分解，通量恢復率高達95%以上。
陶瓷膜的制備方法
（1）浸漬法 浸漬法是粉體與分散劑和粘合劑形成穩(wěn)定且分散均勻的懸浮液，將陶瓷支撐體浸沒于懸浮液中，浸漬一定時間后取出。在毛細管力和黏附力的作用下，懸浮液中的物質在陶瓷支撐體表面形成過濾層，經過干燥固化，燒結形成陶瓷膜。此方法操作簡單，但形成高質量的膜層與懸浮液的黏度、浸漬時間、提出速率以及支撐體結構有關，支撐體需要有合適的孔徑大小及分布和表面平整光滑，一定的孔隙率保證成膜過程中的吸漿性能。
（2）溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法是制備具有納米孔徑陶瓷膜的常用方法。該方法以金屬醇鹽或者無機鹽作為前驅體，在溶液中發(fā)生水解和縮合反應，形成穩(wěn)定的溶膠，然后將溶膠涂覆在支撐體表面，干燥后形成凝膠，最后低溫燒結形成膜。溶膠-凝膠法可制備納米級孔徑的陶瓷膜，但是存在燒結不易致密的問題。
（3）化學氣相沉積法 化學氣相沉積法是在一定溫度和壓強下，氣態(tài)物質之間發(fā)生化學反應并在基材表面沉積成膜。此方法可以實現對微孔膜的孔徑調控以及形成致密膜，并且可以在復雜形狀的支撐體表面形成膜。該方法操作復雜，設備昂貴，不適宜商業(yè)化大規(guī)模生產。
（4）陽極氧化法 陽極氧化法是利用電化學的原理在支撐體表面形成膜，最常見用于Al2O3和TiO2分離膜的制備。主要原理是以金屬為陽極，放置于酸性電解質溶液中，通過外加電流，電子的轉移使得金屬發(fā)生電解反應，在金屬膜一側形成致密氧化層。陽極氧化的方法可以形成10~25nm的孔徑，但是由于設備限制，該方法不適合在工業(yè)上大規(guī)模的使用。
陶瓷膜在生物制藥領域的應用
陶瓷膜已成為生物制藥行業(yè)優(yōu)先選擇的分離技術，可替代傳統精制技術如吸附、沉淀、溶媒萃取、離子交換等。醫(yī)藥領域為陶瓷膜最大需求端，需求占比達30.0%。與高分子膜相比，陶瓷膜具有更好的重復蒸汽滅菌能力和更易于使用刺激性化學物質清洗，能充分滿足制藥生產的無菌要求，因此其在制藥工業(yè)中的適用性越來越強。
（1）發(fā)酵液過濾及目標產物濃縮 目前陶瓷膜分離純化技術在各大藥企抗生素工業(yè)生產，紅霉素、頭孢菌素、萬古霉素等抗生素藥物均使用該技術?？股刂饕捎梦⑸锇l(fā)酵合成法，其含量占發(fā)酵液的0.1~5（w/v）%，分子量在300~1200Da。可采用微濾去除發(fā)酵液的菌體，超濾澄清，納濾濃縮或者篩分抗生素。
（2）制藥工業(yè)中除熱源 目前常規(guī)除熱源的方法有兩種：一種方法是用高溫消毒去除物料中所含的熱源，但能耗和成本較高。另一種方法是采用吸附劑，利用吸附法除熱源的效率較低，且吸附劑的再生也比較困難。而陶瓷膜既能有效地去除熱源，且不影響產物中的有效成份，能明顯提高產品質量和收率降低生產成本提高經濟效益。
（3）制備發(fā)酵用無菌潔凈空氣 利用無機陶瓷膜孔徑均勻、抗污染、易清洗的性能，可從氣相中截留細菌、微粒及其他污染雜質，以達到除菌凈化的目的，用于制備生物發(fā)酵用無菌潔凈空氣及無菌室氣體處理，解決了其他設備制備潔凈空氣中存在的漏菌、無法截留病毒和熱源的問題，為制藥用清潔空氣制備提供了一種新型有效的方法。
（4）酶的分離提取 傳統的離心、沉淀、透析濃縮、脫鹽等分離提取方法，收集的酶液由于酶活比較低，還需要進一步濃縮，存在工序多、能耗大、易失活、回收率低等缺點。陶瓷膜技術具有設備簡單、操作方便、處理效率高和節(jié)能等優(yōu)點，可以在很短的時間內即分離得到高濃度的菌體，而且酶活沒有損失。采用陶瓷膜分離技術可以簡化酶的提取、純化和脫鹽程序，縮短時間，減少勞動強度，降低成本，提高產品的質量和穩(wěn)定性能，具有傳統工藝無法比擬的優(yōu)勢。
（5）生物制藥廢水的處理 生物制藥廢水處理是環(huán)保領域的難題，其廢水間歇排放，污染負荷高，成分復雜，由于存在抑菌作用，傳統生化處理方法很難解決。陶瓷膜生物反應器是生物技術和膜分離技術應用于污水處理一項新技術，是一種新型、高效的污水處理工藝。其具有處理水質好、占地面積小、污泥濃度高、操作簡單易實現自動化等優(yōu)點，為生物制藥行業(yè)污水處理和水資源重復利用提供了可靠的新方法。
小結： 陶瓷膜在生物醫(yī)學領域有著廣闊的發(fā)展空間。對于生物制藥而言，陶瓷膜能滿足其產品的分離純化過程的低溫、無菌、抗污染等要求，具有其他分離設備無法比擬的優(yōu)勢。然而，陶瓷膜分離技術在生物制藥領域的應用仍存在挑戰(zhàn)。尋找高可靠材料和新制備技術開發(fā)，生產低孔徑且孔徑分布窄的高精度的陶瓷膜也將拓寬陶瓷膜分離技術在生物制藥領域的應用。
著作權歸作者所有。
商業(yè)轉載請聯系作者獲得授權，非商業(yè)轉載請注明出處。
鏈接： https://news.cnpowder.com.cn/78828.html
來源：中國粉體網
相關新聞
錨定現代化 改革再深化/從“吃上水”到“吃好水”智慧水利解民憂
央視網消息：黨的二十屆三中全會提出，在發(fā)展中保障和改善民生是中國式現代化的重大任務。山西祁縣農村地域廣闊，農村人口占比80%以上。
陶瓷膜在生物醫(yī)學領域有著廣闊的發(fā)展空間。對于生物制藥而言，陶瓷膜能滿足其產品的分離純化過程的低溫、無菌、抗污染等要求，具有其他分離設備無法比擬的優(yōu)勢。
清華大學深圳國際研究生院張錫輝教授為上述論文通訊作者，清華大學深圳國際研究生院2020級博士研究生陳茜茜為上述論文第一作者。相關工作得到國家自然科學基金項目、廣東省重點領域研究研發(fā)項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的支持。
SAF Coolest v1.2 設置面板 UHVSX-ZQPG-AFSZE-ZZW
無數據提示
Sorry，當前欄目暫無內容！
您可以查看其他欄目或返回 首頁