超滤和纳滤膜分离技术提取螺旋霉素

·52· 中国抗生素杂志2005年1月第30卷第1期 文章编号:1001-8689(2005)01-0052-04 超滤和纳滤膜分离技术提取螺旋霉素 ，一 韩少抑， 叶骥“ 薛强2 彭奇均‘ (1江南大学化学与材料工程学院， 无锡214036; 2无锡市第二制药厂， 无锡214041) 摘要: 为探索膜分离技术在螺旋霉素(SPM)生产提取中的适用情况，本文采用超滤、纳滤操作对工业生产的螺旋霉素板框过 滤液进行处理，实验结果明，操作压力、操作时间及料液流速对超滤过程有很大影响，本实验所选膜件较好去除蛋白等大分子杂 质，起到纳滤预处理作用;然后采用纳滤膜对超滤液进行浓缩纯化，操作条件如进料压力、料液pH、浓缩倍数及操作方式对纳滤过 程均有很大影响。应用超滤、纳滤技术提取SPM，其收率可达76. 3 %，大大高于传统溶媒提取收率，产品质量也符合要求。 关键词: 超滤; 纳滤; 螺旋霉素; 膜分离 中图分类号:R978. 1+5 文献标识码:A Spiramycin extraction membrane separation ? ? Han Shao-ging'， Ye Ji2， Qiang2 (1 School of Chemical and Material Engineering, Southern 2 The Second of Pharmaceutical Factory of Wuxi， Wuxi and Peng Qi-jun' Yangtze University. Wuxi 214036; 214041) ABSTRACT Fermentation broth of spiramycin for industrial production was nanofiltration. Results indicated that operation pressure，time and flow velocity cess greatly. The impurities such as protein and coloring matter were wiped off treated by ultrafiltration and influenced ultrafiltration pro- in this pretreatment process. Then ultrafiltrate was concentrated and purified by nanofiltration membranes. In this process tions such as pressure，pH，concentration multiple and different operation process this condition，the total extraction rate was increased to 76. 3%. w ere also operation condi- studied. Under KEY WORDS Ultrafiltration; Nanofiltration; Spiramycin; Membrane separation 螺旋霉素(spiramycin, SPM)是临床应用较多的 一类十六元大环内醋类抗生素，是由产二素链霉菌 (Streptomycin ambofabiens)经生物发酵制得[，〕，其主 要成分为SPM I、 SPM II和SPM 1。分子结构中除含 有1个十六元内醋环外，还含有1个碳霉糖、碳霉氨基 糖和1个福乐氨基糖，在中性水中溶解度较小，易溶于 醇类和醋类[2.3;，其工业提取主要根据SPM在酸性条 件下溶于水相，碱性条件下转人醋相的特性进行提取。 目前，几乎所有生产厂家都采用溶媒提取法生产，但溶 媒提取法存在着有机溶剂消耗量大、SPM得率低以及 排放大量废液污染环境等问题[4j;树脂吸附法提取 SPM，许多学者也都做了探索研究工作(1.5.6_，但存在 树脂吸附量容量小、解吸困难、设备要求高等问 题，一直未能实现工业化生产。 膜分离技术是一门新兴多学科交叉的分离纯化技 术，由于其在分离过程不发生相变，能耗小，可在室温 和低温下进行，较适于处理热敏性和生物活性物质，且 膜分离装置简单，操作方便，易于实现自动控制等优 点，近年来发展尤为迅猛〔’」。将膜分离技术应用于抗生 素提炼生产的研究也十分活跃[8-io]，是膜分离技术重 点推广的领域之一。本文以生产SPM过滤液为原料， 采用先超滤后纳滤的纯化工艺分离浓缩SPM，并对工 艺过程进行研究。 1 材料和方法 1.1 实验材料和设备 SPM过滤液和SPM对照品由无锡第二制药厂提 收稿日期:2003-12-25 修回日期:2004-04-06 作者简介:韩少卿.男.生于1976年，在读硕士研究生。主要从事膜分离技术方面的研究。 Email: hanshao211@163. com 万方数据 超滤和纳滤膜分离技术提取螺旋霉素 韩少卿等 .53。 供;微滤膜，无锡市超滤设备厂提供;超滤膜(切割分子 量5000,Molecular Weight of Cut-Off,MWCO)，纳滤 膜(MWCO 800)，上海亚东核级树脂有限公司购得; 紫外分光光度计，北京普析通用仪器公司购买。 1.2 实验方法 SPM过滤液经转速为3000r/min的高速离心机 离心分离预处理，再用孔径为。. 221im微滤膜过滤，去 除悬浮粒子。滤液在不同超滤条件下透过超滤膜，主要 去除蛋白、色素等大分子物质，防止对纳滤膜的污染。 超滤液在不同操作条件下通过纳滤膜，截留SPM，透 过无机盐和低分子量有机物。 SPM测定方法[[11〕 精确称量SPM工作对照品， 用pH4的缓冲溶液溶解后稀释至。.lmg/ml，分别量 取0,1,2,3,4,5,6ml该液，置25ml容量瓶定容、摇 匀，于232nm波长下测吸光度，绘制工作曲线，从曲线 上查找相应浓度。过滤液、超滤液、纳滤液均可用此法 进行检测。 2 结果与讨论 2.1 预处理 由于板框过滤液中含有未被除去的菌丝体、胶体 粒子和其他悬浮颗粒杂质，超滤时易吸附在超滤膜面， 引起膜面污染，细微颗粒还会渗人膜孔，引起膜孔堵 塞，故超滤前必须进一步除去这些胶体粒子、悬浮颗粒 杂质。本实验采用 3000r/min的离心机离心分离 10min，然后通过0. 22p.m的微滤膜，较好地去除这些 杂质，结果见表to 由表 1可看出，颗粒杂质得到有效地去除，且 SPM效价损失较少，不到2%，粘度也有所下降，可以 实现连续化生产。 超滤膜对SPM板框过滤液进行超滤实验，在进料浓 度和操作时间相同的条件下，对不同操作压力下的膜 通量进行测定，结果见图to 由图1看出，随着操作压力的增大，料液透过通量 也随之增加，当压力达到0. 22MPa后，超滤通量趋于 稳定，这可能因为操作压力增大到一定程度时，增加了 超滤膜和主体料液之间的浓度差，使膜面上凝胶层形 成较快，增大了料液通透阻力，使渗透通量稳定在一定 的水平。 2.2.2 操作时间对渗透通量的影响 操作时间同样 影响超滤特性。由图2可知，超滤膜透过速率随时间的 衰减速率是不同的。在一定的压力和料液浓度下，超滤 运行的最初几分钟内，水通量衰减很快，随着时间的推 移，其水通量下降趋缓，此时是超滤过程的主要工作阶 段。可能因为在超滤进行的最初阶段，化学吸附导致凝 胶层的形成，使膜面污染程度加重，此是导致通量下降 较快的主要原因;随着超滤过程的进行，膜面吸附趋于 饱和，凝胶层厚度相对稳定，料液通透阻力不再增大， 故渗透通量也趋于平稳，此时浓差极化起主要作用。 2.2.3 料液流速对渗透通量的影响 料液流速对渗 透通量的影响主要基于流速增大，改变了料液流动状 态而影响膜通量。如图3所示，随着料液流速增加，增 大了流体主体湍流程度，减弱了膜面凝胶层和流动边 界层厚度，浓差极化现象减弱，使得渗透通量增加并趋 于稳定。 2.3 纳滤过程研究 纳滤介于超滤和反渗透之间，孔径纳米级，截留分 子量数百级，可对分子量低于1000的抗生素物质进行 分离和浓缩。SPM三个组分分子量均在1000以下，且 表 1 螺旋霉素预处理结果 颗粒杂质 SPM效价 ? ?、 ? ?? ? ? ? 。???? ??? 板框过滤液 处理后料液 (9/L) 0. 7253 0.0213 (u/ml) 22420 22369 赞赓 kcp少 1.579 1. 071 2.2 超滤过程研究 与一般超滤过程相似，超滤操作条件对SPM料 液通量影响很大，本实验主要考察了操作压力、操作时 间及料液流速对超滤过程的影响，为可能的生产过程 提供依据。 2. 2. 1 操作压力对渗透通量的影响 由于超滤过程 近似于一定操作条件下的机械筛分过程，膜两侧的操 作压力作为过程推动力，对超滤膜分离特性具有较大 影响。本实验利用MWC()为5000的卷式芳香聚酞胺 0 0.1 ()2 0.3 0.4 操fj)I;.力(M Pa) 料液浓度8X.操作时间1h 图1 操作压力对超滤通量的影响 1.51.0?? ????? ? 图 2 O-- T0, -一.~~，- -，-，， 0 20 40 60 操们n寸1"'J(min) 料液浓度8%.操作压力0. 2MPi 操作时间对超滤通量的影响 万方数据 .54。 中国抗生素杂志2005年1月第30卷第1期 写 E 渗透通量受PH变化的影响不大。此现象可由不同pH 下SPM呈不同荷电状态得到解释:SPM是一弱碱性 抗生素，在水溶液呈二级电离状态，pK,=7.1,pK2= 8.4(图6)131,pH值小于8.5时，SPM主要以SPM+, SPM2十的形式存在，SPM所带电荷与膜面电性相反， 异性相吸，使之在膜面处吸附层加厚，膜面处SPM浓 度大于主体浓度和膜相浓度，浓差极化现象增强，浓差 梯度使得扩散作用加强，静电作用和浓差极化双重作 用使得截留率较低;pH大于8.5时，中性SPM则占 绝对优势，浓差极化作用减弱，纳滤膜的筛分作用是重 要因素，因而截留率较高。但在pH>10之后，SPM会 在强碱条件下产生降解，故pH不可过高。 2.3.3 浓缩倍数对纳滤膜分离性能的影响 不同浓 缩倍数条件下纳滤膜分离性能的变化情况见图7, 由图7可知，随着浓缩倍数的增加，其渗透通量迅 速下降，而SPM截留率变化不大。主要因为随浓缩倍 数的增加，料液浓度增大，加厚了膜面上的传质层，以 及由此产生的浓差极化现象，使得膜面污染情况加重， 。 。?。??? ? ? 料液流速(103MI/min) 料液浓度8%，操作压力0. 2MPa 图3 料液流速对渗透通量的影响 ，一‘3 ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ?? ? ? ? SPM板框过滤液经超滤后具有较高的盐含量，可用纳 滤膜进行分离和浓缩。本实验选用MWCO为800的 卷式芳香聚酞胺纳滤膜件，对料液进行纳滤浓缩。 2.3.1 进料压力对纳滤膜分离性能的影响 图4给 出了不同压力下纳滤通量和SPM截留率的关系曲 线。从图中可知，随着操作压力增加，渗透通量基本上 呈线性增加，而整个过程SPM截留率则变化不大，这 可能因为超滤过程中大分子蛋白去除较彻底，没有形 成大分子凝胶层，此条件下渗透通量主要取决于操作 压力，故渗透通量随操作压力的增加基本上呈线性变 化;而SPM截留率主要取决于纳滤膜孔径的大小，根 据筛分机理可知截留率变化应不大。 2.3.2 pH对纳滤膜分离性能的影响 在料液浓度、 操作压力一定的条件下，研究不同pH对纳滤膜分离 性能的影响。 由图5可看出，pH较低时，SPM截留率低于 94%，当pH达到8.5以上时，截留率则迅速升高，而 ，\ 2 ? ? ?? ? ?? 0 2 4 6 1:SPM2+; 8 10 pH 2:SPM+ 12 14 16 3:SPM 不同状态分数 ?? ?? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ， ? ? ?? ?， ? ? ? ? 不同pH下SPM 0 1 2 3 4 操们]!、力(MPa) 1:通量; 2:截留率 料液浓度2%.料液pH8. 5 图4 操作压力对纳滤膜分离性能的影响 着 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? 。?????? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ? ? ??? ?。???? ?? ? ? 00 2 4 6 8 10 12 浓缩倍数 1:通量; 2:截留率 图7 浓缩倍数对纳滤膜分离性能的影响 旧 表 2 不同操作方式对膜分离性能对比表 循环式 问歇式 浓缩倍数 n't Iglmin ?? ?? ??? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????????。?????? 0 1-一 一~.一 一 一-，~一 一--a 90 2 4 6 8 10 12 pH 1:通量; 2:截留率 料液浓度 .2% 操作压力 1. SMPa 图5 料液pH对纳滤膜分离性能的影响 SPM效价 (u /nil) 时间 (min) SPM效价 (u八n1) 原液 22369 44428 88579 121358 22369 44398 87931 120896 ?? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ????????????????????，? ? ?? ?? ， ? ????? ? ?? ???????????????????? ? ? ? ? ? 万方数据 超滤和纳滤膜分离技术提取螺旋霉素 韩少卿等 。55. 导致渗透通量迅速下降。 2.3.4 操作方式对膜分离性能的影响 实验采用一 级一段工艺流程，对间歇式、连续式两种不同操作方式 下SPM截留量进行测定，研究在相同浓缩倍数下所 需操作时间长短和SPM截留率大小，以确定最佳操 作方式。操作参数:操作压力1.SMPa，室温操作，料液 浓度2%。结果对比见表2。 由表2可知，达到相同浓缩倍数所需的时间，循环 式大于间歇式，即在相同时间内，循环式浓缩倍数高于 间歇式，因此采用循环式操作，可以提高浓缩效率，节 省操作时间。且以上两种方式，SPM 回收率均高于 95%，可以看出膜技术在抗生素生产应用中的优点:节 能、收率高。 2.4 实验结果与讨论 采用MWCO为5000的超滤膜超滤后，纳滤过程 没有发生严重的通量衰减，说明超滤对去除杂蛋白是 有效的，纳滤过程没有受到污染。纳滤过程对料液同时 进行脱盐和浓缩，减少产品灰分，提高了产品纯度，且 有效地控制产品中间损失。纳滤后的浓缩液在45‘C、 pHg.0条件下结晶、干燥后得成品，SPM 收率达 76.3%，大大高于传统溶媒提取收率(约为52%)。经 过膜法提取，螺旋霉素成品效价高达432ou/mg，且 SPMI、11、111组分含量分别达86.5%、0，8%、6.6%， 组分之和为93.9%;而溶媒提取法效价为4130u/mg， SPMI、11、111组分含量分别为83.7%、0.6%、4.3%， 组分之和为88，6%，由此可见，膜法提取螺旋霉素无 论产品收率或效价均优于溶媒法;就经济成本核算而 言，现有溶媒工艺生产螺旋霉素，每公斤约需人民币 800元，照无锡第二制药厂每年30 吨的产量计算，应 用膜分离技术提取该产品，每年可节约成本 1200万 元，故膜分离技术在螺旋霉素提取中的应用将有与溶 媒法无可比拟的优势。 3 实验结论 (1)SPM超滤操作，可看作纳滤过程的预处理过 程，操作压力和操作时间及料液流速对超滤通量的影 响较大;纳滤操作起到浓缩和纯化作用，操作压力对纳 滤通量产生较大影响，料液pH主要影响截留率，浓缩 倍数、操作方式同样影响纳滤膜分离性能，采用循环式 较间歇式省时节能。 (2)经过超滤、纳滤操作，再经结晶、干燥处理，得 到SPM成品，提取率达76.3%，大大高于传统溶媒提 取法52%的收率，质量也优于溶媒提取。 参 考 文 献 [1〕介平言，冯闻铮，周调，等.螺旋霉素发酵液提取过程工艺 研究[J〕.清华大学学报(自然科学版)，1997，37(12):64 [2]KuehneME.Structureofspiramycinandmagamycin〔J〕. 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