滤过灭菌在制药过程中的应用----滤过灭菌

2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,恭祝会议圆满成功,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜技术将为制药工业的发展增辉,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,滤过灭菌在制药过程中的应用,余献国,上海德圆科技发展有限公司,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,随着现代制药工艺要求不断发展，普通灭菌方法已远远不能满足制剂新的要求，尤其是生物制剂。,膜技术将为此作出杰出的贡献,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,目录 摘要一 前言二 膜结构过滤原理三 生物制剂中内毒素的清除四 膜在制药过程中的应用五 结语,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜现象无处不在,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,摘 要 膜过滤为制药业中各种制剂的灭菌工艺开拓了一片新天地，它无需高温、无需加化学灭菌剂，这对保证药剂药效都有良好的作用。膜过滤技术除菌、除内毒素等病毒的工艺正在制药业中逐渐展开，相信膜技术在制药业中起到的作用将会日益增加。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,本世纪将是一个生物科学大发展的时代，未来的膜材料将是具有生物学意义的，未来的膜科学技术及材料将为人类的健康事业与提高人类生活质量作出礼程碑的贡献。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,一 前言,一 前言 从生物学角度认识“膜”时，这里的“膜”不仅是一个选择性的屏障、而是具有了生物活性，在生物膜中所有的特性都具有了活性。“膜”若从生物学角度来定义，它就具有生命了，它是一个活体，它可以在每个部位上以“选择性功能-吐纳”来维持机体的生命，生物膜的功能自始至终地发挥着作用，真至生物膜发生病理变化失效为止。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜是一门高新技术，并非有了膜就能解决一切问题，常常因为对膜功能不了解以及对被处理物质特性不清楚，导致了许多膜工程的失败，最后给人的感觉是膜技术还不成熟。要使每一项膜工程都能成功地应用在每一项目中，只有对膜的性能多加了解，膜的应用才会更广泛、更成功。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,随着生物制药业的发展，近年来越来越多的药物采用动植物做原料，如中草药就是这样的一种典型药剂。这些原药中含有大量的微生物，这些原药经过制药时各种相关工序的处理，或经高温煎煮，微生物是杀灭了，但是微生物的尸体仍然没有去除，还留在药物之中。如果制成注射剂问题就更严重了，这就会使内毒素残留在药剂内，注射后病人仍会有发烧等反应，严重者还会危及到生命。因此，药剂的灭菌及除内毒素是一项十分重要的工序，必须引起充分的重视。,二 膜结构过滤原理,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜技术发明于200多年以前，德国人从猪膀胱的渗析中得到启示，其实人类肾脏肾小球的膜就是最典型的膜功能。,人类肾脏,肾小球形貌,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,肺泡膜形貌,肠粘膜绒毛,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2.1 膜的一般概念,2.1.1 生物膜膜广泛存在于自然界， 人体就是最完美的膜组合，生物体中最小单元就是细胞，细胞之间就是以膜为分界并且以膜来实现细胞新陈代谢功能的。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,生物膜的组织形貌之一 红血球图像,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,细胞膜的电镜形貌图,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,细胞膜上的蛋白质等其它物质的通道,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,细胞膜上水、钙及离子的通道,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜过滤原理图,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2.2 膜材料 目前用于物质分离的膜材料有很多种类，主要有高分子材料、陶瓷材料、金属材料，当前使用最多的是高分子材料、其次是陶瓷材料、金属材料使用较少。有些材料带负电荷，有些材料带正电荷。对于被过滤物质而言，在使用过程中应根据不同物质的特性，选择不同材料的膜材料。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜功能主要是分离，要用一句简明的语言描述，可以把膜理解为是泥瓦匠的筛子，只不过这把筛子是纳米、微米级的。从膜孔径来看有微滤、超滤、纳滤、反渗透膜。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2.4 膜组织结构,微滤膜,超滤膜,纳滤膜,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,左上：单皮层内压膜右上：指状孔膜结构左下：截留层膜结构,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜孔径尺寸的离散度越小则过滤精度越高。一些标称孔径多少万道尔顿的膜，要考核它的是标称范围的物质过滤质量，选择一个优质的膜品种对于药剂过滤是很重要的。,高分子材料制成的膜，它具有很大的塑性。对它施以高压，会把膜孔压扁、压密，使原来的膜孔反而缩小，最终也会导致通量的下降。如果被处理物质是高粘度的，更应该使用低压高流量的处理方法，这样使膜的通量不易衰减，反而提高使用寿命。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,上图：膜的衰减曲线,下图：压力与超滤通量的关系,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2.5 膜型式,中空纤维膜型式,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2.6膜组件与过滤方式,下图膜过滤原理图,上图膜组件型式图,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,内压式,外压式,静置式,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2.2 膜过滤细菌、病毒的原理,2.2.1 膜孔径截留细菌,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,A:链球菌,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,B：大肠杆菌,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,C：螺旋菌,C：弧状菌,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,放大15000倍的膜孔图13 细菌及膜孔径形貌,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜过滤网格示意图,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,根据上述细菌的尺寸，用微滤级的膜即可截留去除。微滤膜的孔径大小基本上在微米级以上，通常比较典型的例子，即大肠杆菌直径是0.5m,可以用0.2m孔径的微滤膜去除。膜过滤孔径的选择是小于被过滤物质的1/2为好。膜孔越小，通量也越小，为了保证产量，可根据不同的菌种选择不同规格的膜种，这样既保证了质量，也提高了产量。也不要一味地追求产量而选用过大的膜孔径，这样会导致膜过滤功能的过早衰退。因为大孔径的膜容易进入大分子物质，容易造成对膜孔的污堵，使膜寿命大幅度下降。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,2.2.2 膜孔径截留病毒 细菌代谢过程中产生的毒素则更小，用微滤膜过滤就不能去除。如藻类毒素是致肝癌原凶之一，在制药水中需要用超滤膜进行去除，超滤膜的孔径属于纳米级别，对于病毒或细菌产生的毒素有良好的去除作用。德圆公司生产的中空纤维超滤膜对微囊藻类毒素进行清除，经上海预防研究所检测后证明有非常好的去除功效。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,藻类毒素过滤效果表,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,藻类菌,肝炎病毒,爱兹病毒,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,冠状病毒,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,病毒的颗粒很小，其尺寸均属于纳米级别。过滤病毒则是超滤膜最为特长的功能。它可以将病毒完全清除掉，只要选择的截留规格完全正确。下图A是一种DNA的病毒颗粒和RNA的病毒颗粒，其图片分别标定了尺寸为300nm和50nm。而B是超滤膜的孔径，只有几个纳米。从下图两套图片可以看到扫描电镜图片中的超滤膜孔远小于病毒颗粒。这样对于去除病毒，又保留了有药效的成分有着很重要的意义。因此制剂过程中对于膜的这种过滤功能应该加以很好的利用。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,膜孔径,病毒微粒,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,三 生物制剂中内毒素的清除 细菌内毒素又称热原，是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产物。热原的致热效能很强，人类对热原的反应比动物敏感，所以在静脉注射药液时，如将热原带进血液，约15分钟到8小时之内就发生冷战、哆嗦、体温明显升高等症状，甚至休克以至死亡。 德圆公司研制出数种超滤膜，均可一次去除水中、针剂中的细菌和热原。鲎法、兔法检测，未经超滤的样品热原反应均为阳性，凡经超滤的样品均为阴性，效果理想。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,3.1 内毒素的来源与结构 细菌内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁上的一种脂多糖（Lipoply Saccharide）和微量蛋白（Protein）的复合物，它不是细菌或细菌的代谢产物，而是细菌死亡或解体后才释放出来的一种具有内毒素生物活性的物质。其化学成分广泛分布于革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、布氏杆菌、伤寒杆菌、变形杆菌、沙门氏菌等）及其它微生物（如衣原体、立克次氏体、螺旋体等）的细胞壁层的脂多糖，其化学成份主要是由O-特异性链、核心多糖、类脂A三部分组成。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,细菌结构剖析,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,内毒素结构图,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,脂多糖主要功能有四方面：1 革兰氏阴性细菌致病物质内毒素的物质基础；与磷壁酸相似，也有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子以提高这些离子在细胞表面的浓度的作用；2 由于LPS结构的变化，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性，例如，据统计（1983），国际上已报道过的根据LPS的结构特性而鉴定过Salmonella（沙门氏菌属）的表面抗原类型多达2107个；3 许多噬菌体在细胞表面的吸附受体。4 脂多糖要维持其结构的稳定性需要足量Ca2+的存在。如果用螯合剂去除Ca2+，内毒素就解体。这时，革兰氏阴性细菌的内壁层肽聚糖就暴露出来，因而就可被溶菌酶所水解。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,3.2 内毒素膜去除法内毒素广泛地存在于水、医药制剂、体液、食品之中，其危害性之大是人所皆知的。人们想尽一切办法去除内毒素，可效果不理想。通常有用活性碳吸附法，这种方法在吸附内毒素的同时把蛋白等有用物质同步吸附了。萃取方法比较好，但工艺相当复杂，成本也很高。超滤有着较为理想的效果，而且成本低。对于水的超滤，内毒素可以去除99.99% 。如果是混合物，则可采用一些辅助办法同时超滤，这样可以把内毒素去除。如血红蛋白Ao中的内毒素会发生解聚。一次超滤后残存的内毒素较多。向滤液中加入Ca2+可以使其中的内毒素重新聚合，再次超滤后内毒素含量可以大幅度降低，效果理想。这种方法即简便，又有效，只要有超滤器即可完成。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,此外还可用尼龙制成的微滤膜为基础，用琼脂糖、组氨酸做成的亲和膜，可以去除大输液、牛血清蛋白、氨基酸注射液、赖氨酸等溶液中的内毒素，去除率可达75-95%，有效成分回收率达85-98%。 多粘菌素B与膜键合后也可去除血清中的内毒素，而且效果很好，日本已有产品用于临床。随着生物药物的日益增多，以天然生物材料为原料的药物越来越多。包括人体、动物、植物、微生物和各种海洋生物。如基因工程制药中有许多制剂必须在合适的宿主细胞中表达，才能获得产物，如大肠杆菌生长迅速，常用作基因工程研究中的原核表达体系，大肠杆菌会产生很难去除的内毒素。当前对于各种新技术制造的新药考核很严，所以研究药物的同时都把去除内毒素作为课题项目的重要内容之一。,2017/11/17,上海德圆科技发展有限公司,四 膜在制药过程中的应用膜科学技术已广泛地应用于制药业中产品分离的予处理，下游产品回收与纯化、除菌与除热原等各方面。在生物工程中用得较多且比较成熟的是超滤与微滤技术，其主要用于血将制品、疫苗、酶、发酵产品和一些注射剂去热源等。近年随着膜技术的发展，开发了具有独特功能或微结构的高分子材料，同时又开辟了膜过程的一个新的应用，就是把膜作为固定催化剂（例如酶）或固定特种络合剂（例如亲和配位基）的基质，由此而产生新的化学合成过程，为复杂生物产品的工业规模纯化提供崭新而有效的应用。在生物工程中对于多肽蛋白质，核苷酸、酶等生物大分子及细胞等纯化分离要求日益高涨。亲和分离技术被认为是复杂生物体系中提取微量目标产品的高效方法之一。,2017/11/