中國粉體網(wǎng)訊 生物制藥行業(yè)在生產(chǎn)過程中對(duì)分離和純化系統(tǒng)有非常嚴(yán)格的要求，必須能夠應(yīng)對(duì)高溫侵蝕性溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、進(jìn)料固含量高、黏度大和其他苛刻的操作條件。陶瓷膜因其獨(dú)特的耐細(xì)菌、耐高溫和化學(xué)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(shù)。
（圖片來源：久吾高科官網(wǎng)）
陶瓷膜概述
陶瓷膜是一種經(jīng)特殊工藝制備而形成的無機(jī)膜，常采用Al2O3、ZrO2、TiO2、SiC、SiO2以及其組合物等無機(jī)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(xiàn)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(xì)管式五種類型。所有類型的陶瓷膜一般具有三層結(jié)構(gòu)：底層為疏松多孔支撐體，在不影響通量的情況下為整個(gè)膜提供機(jī)械強(qiáng)度，利用干壓成型或注漿成型，通過固態(tài)粒子燒結(jié)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(jì)40年代，是指將陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而形成的非對(duì)稱膜，早在二戰(zhàn)期間，就被應(yīng)用于鈾的同位素分離，屬于軍方核工業(yè)研究內(nèi)容；發(fā)展至20世紀(jì)80年代，陶瓷膜進(jìn)入了以微濾膜和超濾膜為主的液體分離階段；至20世紀(jì)90年代，陶瓷膜在氣體分離領(lǐng)域和陶瓷膜分離器－反應(yīng)器組合構(gòu)件方向得到了迅猛發(fā)展。
陶瓷膜的優(yōu)勢(shì)
陶瓷膜是一種剛性材料，機(jī)械強(qiáng)度高，在高壓下能保持完整的孔結(jié)構(gòu)，不會(huì)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(dá)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(jī)材料構(gòu)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(duì)滲透通量的影響。因此，陶瓷膜具有更強(qiáng)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(xué)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(qiáng)，可進(jìn)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(shù)。陶瓷膜具有良好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，通�？墒褂肗aOH、NaClO去除污染后陶瓷膜的蛋白質(zhì)、多糖和懸浮雜質(zhì)，使膜表面的沉積物和凝膠層松散、分解，通量恢復(fù)率高達(dá)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(shí)間后取出。在毛細(xì)管力和黏附力的作用下，懸浮液中的物質(zhì)在陶瓷支撐體表面形成過濾層，經(jīng)過干燥固化，燒結(jié)形成陶瓷膜。此方法操作簡單，但形成高質(zhì)量的膜層與懸浮液的黏度、浸漬時(shí)間、提出速率以及支撐體結(jié)構(gòu)有關(guān)，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(jī)鹽作為前驅(qū)體，在溶液中發(fā)生水解和縮合反應(yīng)，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?zé)Y(jié)形成膜。溶膠-凝膠法可制備納米級(jí)孔徑的陶瓷膜，但是存在燒結(jié)不易致密的問題。
（3）化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法是在一定溫度和壓強(qiáng)下，氣態(tài)物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在基材表面沉積成膜。此方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微孔膜的孔徑調(diào)控以及形成致密膜，并且可以在復(fù)雜形狀的支撐體表面形成膜。該方法操作復(fù)雜，設(shè)備昂貴，不適宜商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
（4）陽極氧化法
陽極氧化法是利用電化學(xué)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(zhì)溶液中，通過外加電流，電子的轉(zhuǎn)移使得金屬發(fā)生電解反應(yīng)，在金屬膜一側(cè)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(shè)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(lǐng)域的應(yīng)用
陶瓷膜已成為生物制藥行業(yè)優(yōu)先選擇的分離技術(shù)，可替代傳統(tǒng)精制技術(shù)如吸附、沉淀、溶媒萃取、離子交換等。醫(yī)藥領(lǐng)域?yàn)樘沾赡ぷ畲笮枨蠖�，需求占比達(dá)30.0%。與高分子膜相比，陶瓷膜具有更好的重復(fù)蒸汽滅菌能力和更易于使用刺激性化學(xué)物質(zhì)清洗，能充分滿足制藥生產(chǎn)的無菌要求，因此其在制藥工業(yè)中的適用性越來越強(qiáng)。
（1）發(fā)酵液過濾及目標(biāo)產(chǎn)物濃縮
目前陶瓷膜分離純化技術(shù)在各大藥企抗生素工業(yè)生產(chǎn)，紅霉素、頭孢菌素、萬古霉素等抗生素藥物均使用該技術(shù)�？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�？刹捎梦V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(chǎn)物中的有效成份，能明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益。
（3）制備發(fā)酵用無菌潔凈空氣
利用無機(jī)陶瓷膜孔徑均勻、抗污染、易清洗的性能，可從氣相中截留細(xì)菌、微粒及其他污染雜質(zhì)，以達(dá)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(shè)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(tǒng)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(jìn)一步濃縮，存在工序多、能耗大、易失活、回收率低等缺點(diǎn)。陶瓷膜技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作方便、處理效率高和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)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(shù)可以簡化酶的提取、純化和脫鹽程序，縮短時(shí)間，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性能，具有傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)勢(shì)。
（5）生物制藥廢水的處理
生物制藥廢水處理是環(huán)保領(lǐng)域的難題，其廢水間歇排放，污染負(fù)荷高，成分復(fù)雜，由于存在抑菌作用，傳統(tǒng)生化處理方法很難解決。陶瓷膜生物反應(yīng)器是生物技術(shù)和膜分離技術(shù)應(yīng)用于污水處理一項(xiàng)新技術(shù)，是一種新型、高效的污水處理工藝。其具有處理水質(zhì)好、占地面積小、污泥濃度高、操作簡單易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，為生物制藥行業(yè)污水處理和水資源重復(fù)利用提供了可靠的新方法。
小結(jié)：
陶瓷膜在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。對(duì)于生物制藥而言，陶瓷膜能滿足其產(chǎn)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(shè)備無法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，陶瓷膜分離技術(shù)在生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在挑戰(zhàn)。尋找高可靠材料和新制備技術(shù)開發(fā)，生產(chǎn)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(shù)在生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用。
參考來源：
1、周洋.納米孔徑可控陶瓷膜的制備與應(yīng)用基礎(chǔ)研究
2、沈心.基于粘結(jié)劑噴射技術(shù)制備梯級(jí)孔結(jié)構(gòu)陶瓷膜
3、張銳，江靜等.陶瓷膜分離技術(shù)及其在生物制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展
4、王宏，常曉菲等.陶瓷膜分離純化技術(shù)在生物制藥中的應(yīng)用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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