吳李（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江　杭州　310012）

生物制藥提取工段中膜過(guò)程的設(shè)計(jì)

吳李
（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江杭州310012）

介紹了生物醫(yī)藥提取工段中膜分離的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要包括膜分離技術(shù)的選擇及設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，最后總結(jié)了膜分離技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。

生物醫(yī)藥；提取工段；膜分離；設(shè)計(jì)

膜分離設(shè)備廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥生產(chǎn)、廢水處理及回收、食品和石油化工等領(lǐng)域。本文主要說(shuō)明在生物制藥提取工段中膜過(guò)程的設(shè)計(jì)。

1　生物制藥提取工段膜分離技術(shù)應(yīng)用

生物制藥提取工段典型方塊流程圖見(jiàn)圖1。

圖1　生物制藥提取工段典型方塊流程圖

膜分離技術(shù)在生物醫(yī)藥提取工段主要應(yīng)用于提取預(yù)處理工段中發(fā)酵液的濃縮與過(guò)濾。

發(fā)酵液中待提取產(chǎn)物濃度很低并伴有其他雜質(zhì)。這些雜質(zhì)在發(fā)酵液中的濃度常常比目的產(chǎn)物濃度高很多。另外，目的產(chǎn)物的耐熱、耐pH和耐有機(jī)溶劑性能差，并易變性失活。因此要從發(fā)酵液中除去這些雜質(zhì)，制取高純度的制藥產(chǎn)品，發(fā)酵液的提取及精制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

將膜分離技術(shù)應(yīng)用在生物發(fā)酵制藥工業(yè)，進(jìn)行發(fā)酵液濃縮、分離，具有過(guò)程簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好，無(wú)相變，分離系數(shù)大，節(jié)能，高效，無(wú)二次污染，可常溫操作等特點(diǎn)。

2　生物制藥提取工段膜過(guò)程的設(shè)計(jì)

2.1膜過(guò)程設(shè)計(jì)路線(xiàn)

生物發(fā)酵制藥工業(yè)中膜過(guò)程應(yīng)用開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線(xiàn)為：

小試選擇合適的分離膜→膜性能和膜型號(hào)確定→中試→設(shè)計(jì)、制造膜分離裝置→工藝參數(shù)確定→裝置運(yùn)行考核。

2.2膜分離技術(shù)的選擇

根據(jù)發(fā)酵液的基本組成、物化性質(zhì)和目標(biāo)產(chǎn)品要求，選擇合適的膜分離技術(shù)。

預(yù)處理技術(shù)：（1）燒結(jié)管微孔過(guò)濾裝置對(duì)放線(xiàn)菌等的發(fā)酵液，采用“助濾+精密微孔過(guò)濾”；對(duì)細(xì)菌發(fā)酵液，則采用 “絮凝+助濾+精密微孔過(guò)濾”。這種過(guò)濾技術(shù)，適用于發(fā)酵液去殘留菌體與發(fā)酵液除菌渣過(guò)濾等；（2）無(wú)機(jī)或有機(jī)高分子微孔過(guò)濾（MF）膜、超濾（UF）膜裝置對(duì)發(fā)酵液中不同分子量物質(zhì)切割分離，達(dá)到凈化除雜或濃縮的目的。

脫鹽技術(shù)：納濾（NF）裝置用于脫除發(fā)酵液中一價(jià)離子等，將二價(jià)離子及其他物質(zhì)進(jìn)行濃縮。電滲析（ED）裝置用于脫除發(fā)酵液中無(wú)機(jī)鹽。

濃縮技術(shù)：濃縮是發(fā)酵液目標(biāo)產(chǎn)品的最終處理步驟，用納濾膜裝置或反滲透（RO）膜裝置將已凈化、脫鹽的發(fā)酵液濃縮成一定濃度的產(chǎn)品，或再用蒸發(fā)干燥設(shè)備處理成干品。

表1列出了發(fā)酵液分離的不同膜過(guò)程組合的一般方法。

表1　發(fā)酵液分離的膜過(guò)程組合

2.3膜組件連接方式

（1）串聯(lián)連接法

膜組件串聯(lián)連接法主要用于需要提高物料濃縮倍數(shù)的情況。

（2）并聯(lián)連接法

膜組件并聯(lián)連接法主要用于需要提高物料處理量的情況。

（3）塔式連接法

膜組件塔式連接法主要用于物料處理量較大并需達(dá)到較高的濃縮倍數(shù)的情況。

2.4膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是利用已知數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)所有膜系統(tǒng)設(shè)備，包括膜面積、泵功率、換熱器面積、管徑、儲(chǔ)槽體積等進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得可行的膜過(guò)程。

設(shè)計(jì)原則：先確定膜過(guò)程、組件排列方式及操作方式，再根據(jù)膜的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)和操作條件，利用相關(guān)模型公式對(duì)系統(tǒng)作出理論設(shè)計(jì)。

膜面積的計(jì)算：膜面積S通常根據(jù)物料處理量Q和通量J計(jì)算得到，S=Q·ζ/J。

泵的選型：對(duì)于大規(guī)?；蛑械驼扯攘黧w，選用離心泵；對(duì)于小規(guī)?；蚋哒扯攘黧w，選用往復(fù)泵；對(duì)于低剪切力要求的液體，選用齒輪泵。

對(duì)于間歇操作過(guò)程，泵功率可用下式計(jì)算：

式中，E泵為泵功率；Q組件為料液體積流量；PF為操作壓力。

對(duì)于多級(jí)循環(huán)連續(xù)錯(cuò)流操作，泵功率可以用下式計(jì)算：

式中，Q0為料液的體積流量；△P為料液流過(guò)組件造成的壓力損失；N為級(jí)數(shù)。

膜組件數(shù)量：膜組件數(shù)量N可按下式求得

式中，SE為單個(gè)所選膜組件面積，S為所需總膜面積。

膜殼的數(shù)量：膜殼數(shù)量M可按下式求得

式中，N0為單個(gè)膜殼容納的膜組件個(gè)數(shù)。

可根據(jù)循環(huán)泵放熱量計(jì)算換熱器的面積。

操作流速的選擇：UF/MF為1～5 m/s，NF/RO 為3～8 m/s。通常采用的操作方式是錯(cuò)流操作。

濃縮倍數(shù)的選擇：通常為3～10倍。

處理時(shí)間的選擇：2～4 h之間。

產(chǎn)品的回收率一般為95%～99%。

操作壓力的選擇：對(duì)于MF/UF，通常為0.2～1.0 MPa；對(duì)于NF/RO，通常為1.0～3.0 MPa。

根據(jù)流量、流速和操作壓力可進(jìn)行管徑、閥門(mén)等的選型。

容積罐的選擇，通常采用圓錐形、低液位報(bào)警控制、熱交換、防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。

2.5在提取工段中膜過(guò)程設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）膜系統(tǒng)管路應(yīng)設(shè)計(jì)合理，現(xiàn)多采用內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)法，即大部分物料自循環(huán)，小部分料液回流，這樣可以減小輸送泵功率，管道的管徑也能做得更小，從而減少了料液的死體積。

（2）膜設(shè)備布置時(shí)應(yīng)考慮安裝和檢修方便。膜系統(tǒng)應(yīng)盡量緊湊，設(shè)備布置時(shí)應(yīng)預(yù)留足夠的操作和維修空間，并應(yīng)設(shè)置吊鉤用于膜設(shè)備吊裝。

（3）膜設(shè)備的循環(huán)泵由于流量大及帶渣運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中噪音大，又易損壞，維修頻率高。在泵選型過(guò)程中應(yīng)選擇低噪音及不易損壞的泵。

（4）膜設(shè)備周?chē)鷳?yīng)設(shè)置圍堰，防止泄漏。

（5）膜過(guò)程包括開(kāi)機(jī)、運(yùn)行、反沖、停機(jī)等過(guò)程，均可以實(shí)現(xiàn)自控。裝置的重要參數(shù)，如壓力、流量等均應(yīng)設(shè)置在線(xiàn)檢測(cè)儀表，并設(shè)置自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)切斷功能。

（6）一個(gè)優(yōu)良膜分離系統(tǒng)，首先要具備相應(yīng)分離性能；其次要具備一定通量，同時(shí)必須具備較長(zhǎng)使用壽命和方便的清洗方法；最后，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。膜系統(tǒng)的主要費(fèi)用來(lái)自于設(shè)備投資，操作費(fèi)以及目標(biāo)產(chǎn)品的損耗。

3　結(jié)論

（1）介紹了生物制藥提取工段膜分離技術(shù)應(yīng)用。

（2）介紹了生物制藥提取工段膜分離的設(shè)計(jì)過(guò)程。

（3）總結(jié)了膜過(guò)程設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題。

［1］方富林.膜分離技術(shù)在醫(yī)藥及中間體分離提純工藝中的應(yīng)用 ［A］.2007全國(guó)醫(yī)藥及精細(xì)化工分離純化技術(shù)和設(shè)備發(fā)展研討會(huì)暨交流洽談會(huì)會(huì)議資料.

［2］謝全靈，何旭敏，夏海平，等.膜分離技術(shù)在制藥工業(yè)中的應(yīng)用［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2003，23（4）：180-185，260.

Design of Membrane System for Withdrawing Procedure in Biological Pharmaceuticals

WU Li
（Zhejiang Titan Design&Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310012，China）

Design of membrane system for biomedical extraction section was introduced，Mainly including the selection of membrane techniques and the determination of design parameters.The problems that need attention in membrane separation technology design process were summarized.

biological pharmaceuticals；withdrawing procedure；membrane separation；design

環(huán)保技術(shù)

1006-4184（2016）8-0048-03

2016-06-09

吳李（1985-），男，碩士研究生，工程師，從事醫(yī)藥化工設(shè)計(jì)工作。E-mail：wuli@zpcdi.com。