生物制藥行業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、耐高溫和化學穩定性等特性，已成為生物制藥行業優先選擇的分離技術。
（圖片來源：久吾高科官網）
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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）等全部膜孔徑範圍。
現有商業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型別。所有型別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，利用幹壓成型或註漿成型，透過固態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，透過孔徑篩分起到選擇透過的功能，多為浸漿成型後，采用溶膠凝膠法制備。
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陶瓷膜的發展歷史
陶瓷膜誕生於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，早在二戰期間，就被套用於鈾的同位素分離，屬於軍方核工業研究內容；發展至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，陶瓷膜在瓦斯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展。
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陶瓷膜的優勢
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，不會像聚合物膜發生變形，影響過濾效能。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。
陶瓷膜抗汙效能好，且滲透通量大。無機材料構成的陶瓷膜具有較好的親水性，使其具有較好的抗汙效能。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汙效能和能有效維持穩定的滲透通量。
陶瓷膜具有較好的清洗效率。首先，由於陶瓷膜的親水性，容易透過簡單的水或化學線上清洗，能長期保持良好的通量。其次，由於陶瓷膜耐酸堿性強，可進行深度清洗，提高畫質潔效率。在制糖工業中，高粘度的醣類更傾向於選擇陶瓷膜分離技術。陶瓷膜具有良好的化學和機械穩定性，通常可使用NaOH、NaClO去除汙染後陶瓷膜的蛋白質、多糖和懸浮雜質，使膜表面的沈積物和凝膠層松散、分解，通量恢復率高達95%以上。
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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定且分散均勻的懸浮液，將陶瓷支撐體浸沒於懸浮液中，浸漬一定時間後取出。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，經過幹燥固化，燒結形成陶瓷膜。此方法操作簡單，但形成高品質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效能。
（2）溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是制備具有奈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，在溶液中發生水解和縮合反應，形成穩定的溶膠，然後將溶膠塗覆在支撐體表面，幹燥後形成凝膠，最後低溫燒結形成膜。溶膠-凝膠法可制備奈米級孔徑的陶瓷膜，但是存在燒結不易致密的問題。
（3）化學氣相沈積法
化學氣相沈積法是在一定溫度和壓力下，氣態物質之間發生化學反應並在基材表面沈積成膜。此方法可以實作對微孔膜的孔徑調控以及形成致密膜，並且可以在復雜形狀的支撐體表面形成膜。該方法操作復雜，裝置昂貴，不適宜商業化大規模生產。
（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，最常見用於Al2O3和TiO2分離膜的制備。主要原理是以金屬為陽極，放置於酸性電解質溶液中，透過外加電流，電子的轉移使得金屬發生電解反應，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，但是由於裝置限制，該方法不適合在工業上大規模的使用。
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陶瓷膜在生物制藥領域的套用
陶瓷膜已成為生物制藥行業優先選擇的分離技術，可替代傳統精制技術如吸附、沈澱、溶媒萃取、離子交換等。 醫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於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，因此其在制藥工業中的適用性越來越強。
（1）發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生產，紅黴素、頭孢菌素、萬古黴素等抗生素藥物均使用該技術。抗生素主要采用微生物發酵合成法，其含量占發酵液的0.1~5（w/v）%，分子量在300~1200Da。可采用微濾去除發酵液的菌體，超濾澄清，納濾濃縮或者篩分抗生素。
（2）制藥工業中除熱源
目前常規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，能明顯提高產品品質和收率降低生產成本提高經濟效益。
（3）制備發酵用無菌潔凈空氣
利用無機陶瓷膜孔徑均勻、抗汙染、易清洗的效能，可從氣相中截留細菌、微粒及其他汙染雜質，以達到除菌凈化的目的，用於制備生物發酵用無菌潔凈空氣及無菌室瓦斯處理，解決了其他裝置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、沈澱、透析濃縮、脫鹽等分離提取方法，收集的酶液由於酶活比較低，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。陶瓷膜技術具有裝置簡單、操作方便、處理效率高和節能等優點，可以在很短的時間內即分離得到高濃度的菌體，而且酶活沒失真失。采用陶瓷膜分離技術可以簡化酶的提取、純化和脫鹽程式，縮短時間，減少勞動強度，降低成本，提高產品的品質和穩定效能，具有傳統工藝無法比擬的優勢。
（5）生物制藥廢水的處理
生物制藥廢水處理是環保領域的難題，其廢水間歇排放，汙染負荷高，成分復雜，由於存在抑菌作用，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套用於汙水處理一項新技術，是一種新型、高效的汙水處理工藝。其具有處理水質好、占地面積小、汙泥濃度高、操作簡單易實作自動化等優點，為生物制藥行業汙水處理和水資源重復利用提供了可靠的新方法。
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小結
陶瓷膜在生物醫學領域有著廣闊的發展空間。對於生物制藥而言，陶瓷膜能滿足其產品的分離純化過程的低溫、無菌、抗汙染等要求，具有其他分離裝置無法比擬的優勢。然而，陶瓷膜分離技術在生物制藥領域的套用仍存在挑戰。尋找高可靠材料和新制備技術開發，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套用。
參考來源：
1、周洋.奈米孔徑可控陶瓷膜的制備與套用基礎研究
2、沈心.基於粘結劑噴射技術制備梯級孔結構陶瓷膜
3、張銳，江靜等.陶瓷膜分離技術及其在生物制造領域的套用進展
4、王宏，常曉菲等.陶瓷膜分離純化技術在生物制藥中的套用
文章來源：粉體網
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