کاربرد فناوری جداسازی فیلتر ممبران در صنعت داروسازی

فناوری غشاء و فرآیندهای غشایی دستخوش یک توسعه طولانی و تاریخی در تحقیقات آزمایشگاهی شده است و اولین کاربرد صنعتی عمده خود را در دهه 1960 به دست آورد. غشاء نوعی ماده با عملکرد جداسازی انتخابی است و می تواند یک جزء را انتقال داده و سایر اجزا را به دلیل خواص ویژه اجزاء محدود کند. فناوری های اصلی غشاء شامل میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، تبخیر، الکترودیالیز و بیوراکتورهای غشایی [ 3 ] است. فن آوری جداسازی غشاء دارای مزایای منحصر به فردی مانند راندمان بالا، کاربرد وسیع و کمترین تأثیر زیست محیطی است. با پیشرفت سریع در چند دهه گذشته، فناوری جداسازی غشایی به یکی از فناوری‌های نوظهور تبدیل شده و در بخش‌های صنعتی متعددی مورد استفاده قرار گرفته است.

با توسعه سریع فناوری غشاء، استفاده از فناوری جداسازی غشا در صنعت داروسازی به طور فزاینده ای گسترده می شود. محققان کاربردهای گسترده ای در فرآیندهای دارویی مانند تصفیه دارو، تصفیه فاضلاب و استفاده از منابع فاضلاب یافته اند [ 4 ، 5 ]. کاربردهای علمی و معقول فناوری جداسازی غشایی در زمینه دارویی می تواند کارایی تولید را بهبود بخشد، پیشرفت فرآیندهای دارویی را تضمین کند، آلودگی را کاهش دهد و توسعه صنعت داروسازی را به سمت مسیری سبزتر، دوستدار محیط زیست و بسیار کارآمد ارتقا دهد.

این مطالعه مروری جامع بر روی کاربرد فناوری جداسازی غشایی در صنعت داروسازی ارائه می‌کند. تاریخچه کاربرد فناوری غشاء در صنعت داروسازی خلاصه شده و موارد مهندسی عملی ارائه شده است. انواع مختلفی از فناوری های غشایی به کار رفته در بخش داروسازی مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند. موارد کاربردی شرکت های معتبر داخلی و بین المللی فناوری غشاء در زمینه داروسازی معرفی می شود. در نهایت، چالش‌های موجود و چشم‌انداز فناوری جداسازی غشایی در حوزه صنعت داروسازی شناسایی می‌شوند.

کاربرد فناوری غشایی در زمینه داروسازی با تهیه آب با درجه دارویی آغاز شد. در سال 1972، GOW از انگلستان از غشاهای اسمز معکوس استات سلولز برای تولید آب عاری از پیروژن استفاده کرد [ 6 ]. به دنبال آن، در سال 1974، شرکت داروسازی ایالات متحده Upjohn از فیبر توخالی پلی آمید معطر تولید شده توسط Dupont، ماژول های غشایی اسمز معکوس برای تولید آب تزریقی، مطابق با استانداردهای نظارتی برای آب تزریقی استفاده کرد. ویرایش نوزدهم US Pharmacopeia در سال 1975 روش های غشایی را برای تولید آب تزریقی معرفی کرد و باور سنتی در مورد قابلیت اطمینان تقطیر به تنهایی را به چالش کشید [ 8 ]. در دهه 1980، فناوری غشاء به تدریج به تصفیه و تولید مواد دارویی گسترش یافت. Millipore، در اوایل دهه 1980، ترکیبی از تکنیک های فیلتراسیون غشایی را برای جداسازی و تصفیه سفالوسپورین C از آبگوشت تخمیر به کار برد. در سال 1983، یک سیستم اولترافیلتراسیون توسعه یافته توسط صنایع شیمیایی آساهی ژاپن گزارش شد که از غشاهای فیبر توخالی برای تصفیه دارو استفاده می کرد [ 10 ]. متعاقباً، مواد غشایی مانند فیبر توخالی، اولترافیلتراسیون و غشاهای اسمز معکوس برای استخراج آنتی بیوتیک ها، ویتامین ها و پروتئازها استفاده شدند.

از زمان ورود به قرن بیست و یکم، فناوری جداسازی غشایی به تدریج در تصفیه فاضلاب دارویی استفاده شده است. یک کارخانه تصفیه فاضلاب در کوئینزلند از میکروفیلتراسیون و فناوری اسمز معکوس برای درمان یازده نوع دارو و دو نوع مختل کننده غدد درون ریز از دسته های مختلف تصفیه استفاده کرد. نتایج نشان داد که سیستم‌های میکروفیلتراسیون و اسمز معکوس می‌توانند غلظت آلاینده‌ها را با یک مرتبه کاهش دهند و راندمان حذف کلی آب در گردش بالاتر از 97 درصد است [ 15 ]. علاوه بر این، محققان ترکیب فناوری جداسازی غشایی با واحدهای تصفیه بیولوژیکی برای تصفیه فاضلاب دارویی را پیشنهاد کردند. پس از سال 2011، فناوری غشایی در صنعت داروسازی با افزایش کاربردهای پس از سال 2016، به ویژه بر حذف داروها، هورمون‌ها، مختل‌کننده‌های غدد درون ریز و ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی از فاضلاب، توسعه سریعی را تجربه کرد [ 19 ]. مروری بر تاریخچه کاربرد بین المللی فناوری غشاء در صنعت داروسازی در شکل 1 نشان داده شده است . در دهه 1970، فناوری غشاء عمدتاً برای تهیه آب با درجه دارویی استفاده شد. با حرکت به دهه 1980 و 1990، این امر به سمت تصفیه و تولید دارو حرکت کرد. پس از ورود به قرن بیست و یکم، تغییر قابل توجهی به سمت استفاده از فناوری غشایی برای تصفیه فاضلاب دارویی صورت گرفت.

در چین، کاربرد فناوری غشایی در صنعت داروسازی را می توان به دهه 1960 ردیابی کرد. مؤسسه تجهیزات بهداشتی آکادمی علوم پزشکی نظامی (IHDAMMS) تجهیزات آب خالص الکترودیالیز را توسعه داد که از فرآیندهای چند مرحله ای ترکیب شده با فن آوری های پیش تصفیه آب خام استفاده می کند تا مستقیماً آب لوله کشی تیانجین را به آب تزریقی تبدیل کند که مطابق با استانداردهای داروسازی است. در اواخر دهه 1970، با پیشرفت تکنولوژی غشایی، IHDAMMS شروع به تحقیق در مورد استفاده از اسمز معکوس برای تولید آب با درجه دارویی کرد. در دهه 1980، فناوری جداسازی غشایی برای استخراج داروهای سنتی چینی نیز به کار گرفته شد. در سال 1979، دفتر داروسازی بیمارستان نیروی هوایی پکن PLA از فناوری جداسازی غشایی برای استخراج اجزای مؤثر از داروهای سنتی چینی استفاده کرد که کارایی اولترافیلتراسیون را در حذف ناخالصی‌ها و در عین حال حفظ اجزای اصلی نشان داد [ 22 ]. در سال 1981، آنها بیشتر از این روش برای تهیه تزریقات طب سنتی چینی استفاده کردند. در اواخر دهه 1990، فناوری غشاء کاربرد خود را در تولید آنتی بیوتیک پیدا کرد. در سال 1989، کارخانه داروسازی دالیان تجهیزات غشایی اسمز معکوس بهداشتی DDS دانمارکی را برای تغلیظ محلول رنگ زدایی سولفات استرپتومایسین معرفی کرد [ 9 ]. در سال 1994، دستگاه اسمز معکوس از نوع صفحه ای سری NFB از کارخانه تجهیزات اسمز معکوس Penglai در تولید استرپتومایسین در کارخانه آنتی بیوتیک جینینگ با موفقیت استفاده شد و کیفیت بهبود یافته، عملکرد بالاتر و کاهش مصرف انرژی و مواد را نشان داد [ 24 ]. در سال 1999، Santar Membrane به پیشرفتی در فناوری حیاتی برای تولید سفالوسپورین دست یافت و یک فرآیند مبتنی بر جداسازی غشایی را برای تولید 7-ACA توسعه داد. در سال 2000، کارخانه عمومی داروسازی Northeast از سیستم‌های غشایی اولترافیلتراسیون Ultra-Flo برای حذف ناخالصی‌ها در آبگوشت تخمیر ویتامین C استفاده کرد که پتانسیل فناوری جداسازی فیلتر ممبران را در کوتاه کردن فرآیندهای تولید، کاهش هزینه‌ها و افزایش بازده نشان داد [ 26 ]. متعاقبا، استفاده از فناوری جداسازی غشایی به تولید آنتی بیوتیک های دیگر مانند اریترومایسین و پنی سیلین گسترش یافت. پس از ورود به قرن بیست و یکم، با توسعه سریع فناوری غشاء، تکنیک‌های جداسازی غشایی بیشتر برای تصفیه فاضلاب دارویی اعمال شد. از سال 2010، فناوری بیوراکتور غشایی به طور گسترده ای برای تصفیه فاضلاب دارویی استفاده شده است و کاربردهای مهندسی متعددی را که در جدول 1 نشان داده شده است، محقق می کند .

سفر چینی فناوری غشاء در صنعت داروسازی، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، تکامل آن را از دهه 1960 تا 1970 عمدتاً در تهیه آب با درجه دارویی تا کاربرد تدریجی آن در استخراج طب سنتی چینی در دهه 1980، تولید آنتی بیوتیک در سال 1990 نشان می دهد. و در نهایت، تصفیه فاضلاب در قرن بیست و یکم.

کاربرد فناوری غشایی در صنعت داروسازی عمدتاً شامل میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، بیورآکتورهای غشایی، الکترودیالیز، اسمز، تبخیر اسمزی و فرآیندهای ترکیبی می‌شود. همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، این فناوری های فیلتر ممبران عمدتاً برای تولید دارویی، تصفیه فاضلاب و بازیابی محصول فاضلاب استفاده می شوند .

میکروفیلتراسیون اولین تکنولوژی غشایی است. مکانیسم جداسازی میکروفیلتراسیون، الک کردن با اندازه منافذ فیلتر ممبران 0.01-1 میکرومتر است که می تواند به ترکیبات آلی ماکرومولکولی و جامدات محلول اجازه عبور دهد [ 2 ]. عمدتاً برای رهگیری ذرات، باکتری ها و آلاینده ها از فاز مایع یا گاز برای دستیابی به اهداف تصفیه و حذف باکتری ها استفاده می شود [ 48 ]. در صنعت داروسازی، میکروفیلتراسیون عمدتاً برای فیلتراسیون استریلیزاسیون، شفاف سازی محلول های دارویی، حذف ذرات و ویروس ها، تصفیه آب پزشکی و پیش تصفیه فرآیندهای اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس استفاده می شود [ 49 ]. در میان آنها، یک غشای میکروفیلتراسیون با اندازه منافذ 0.6-0.8 میکرومتر می تواند برای حذف باکتری ها و فیلتراسیون گازها استفاده شود. غشای میکروفیلتراسیون با اندازه منافذ 0.45 میکرومتر رایج ترین مورد استفاده است که اغلب برای تصفیه مواد مایع و آب استفاده می شود و فیلتر ممبران میکروفیلتراسیون با اندازه منافذ 0.2 میکرومتر می تواند برای فیلتراسیون ضدعفونی کننده داروی مایع استفاده شود [ 49]. ].

اولترافیلتراسیون نوعی روش فیلتراسیون فیلتر ممبران با غشای سطح مولکولی با اندازه منافذ 10-10 نانومتر است. از اختلاف فشار در دو طرف غشا برای جداسازی انتخابی املاح با وزن‌های مولکولی متفاوت استفاده می‌کند. در صنعت داروسازی، از اولترافیلتراسیون نه تنها می توان برای حذف باکتری ها، ویروس ها و ذرات استفاده کرد، بلکه می توان از پیروژن ها، هیف ها و پروتئین ها نیز استفاده کرد. اغلب برای تفکیک و نمک زدایی از مواد درشت مولکولی، خالص سازی مواد مولکولی کوچک، و depyrogenation آماده سازی های دارویی و بیوشیمیایی استفاده می شود.

نانوفیلتراسیون یک فرآیند جداسازی فیلتر ممبران بین اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس است که اندازه منافذ غشا 10-1 نانومتر است. مکانیسم جداسازی نانوفیلتراسیون، جذب – انتشار است. در صنعت داروسازی، نانوفیلتراسیون می‌تواند برای شفاف‌سازی، استریل‌سازی، فیلتراسیون، حذف پروتئین، و جداسازی و خالص‌سازی آبگوشت‌های تخمیر مانند آنتی‌بیوتیک‌ها، ویتامین‌ها، اسیدهای آمینه و آنزیم‌ها استفاده شود [ 51 ]. همچنین می توان از آن برای نمک زدایی و غلظت 6-APA، 7-ACA، 7-ADCA و سایر آنتی بیوتیک های نیمه مصنوعی استفاده کرد.

اسمز معکوس همچنین یک فرآیند فیلتراسیون غشایی است که توسط فشار هدایت می شود. اندازه منافذ یک غشای اسمز معکوس کمتر از 1 نانومتر است و وظیفه آن رهگیری مواد یونی است که فقط از حلال عبور می کنند. مولکول های آلی و معدنی از طریق فرآیند انتشار محلول از محلول خوراک جدا می شوند [ 52 ]. در صنعت داروسازی، اسمز معکوس عمدتاً برای غلظت دارو، تصفیه و جداسازی، نمک زدایی، آماده سازی آب برای آماده سازی، آب برای تزریق، آب دیالیز و آب استریل استفاده می شود [ 50 ].

بیوراکتور غشایی یک فناوری جدید تصفیه فاضلاب است که فناوری جداسازی فیلتر ممبران را با تصفیه بیولوژیکی ترکیب می کند [ 53 ]. این فناوری از یک جزء غشایی غوطه ور با ساختار منحصر به فرد استفاده می کند که در یک مخزن هوادهی قرار می گیرد. پس از هوادهی هوازی و تصفیه بیولوژیکی، فاضلاب از طریق یک غشای فیلتر پمپ شده و سپس به بیرون پمپاژ می شود [ 54 ]. در صنعت داروسازی، بیورآکتورهای غشایی اغلب با سایر فناوری‌ها برای تصفیه فاضلاب دارویی ترکیب می‌شوند [ 55 ].

فناوری فیلتر ممبران یک جایگزین عملی برای جداسازی، تصفیه و تصفیه فاضلاب معمولی در پردازش دارویی ارائه می‌کند. به طور گسترده ای در تولید دارو، تصفیه فاضلاب دارویی و بازیافت فاضلاب استفاده می شود. راندمان بالای فناوری فیلتر ممبران جایگزینی برای تولید دارو فراهم می کند. امکان سنجی اقتصادی و پیشرفت فناوری MBR گزینه بهتری برای تصفیه فاضلاب دارویی نسبت به روش های سنتی ارائه می دهد. با این حال، استفاده از فناوری فیلتر ممبران هنوز با اشکال اصلی رسوب فیلتر ممبران محدود است. با پیشرفت مداوم فناوری فیلتر ممبران ، به ناچار پیشرفته تر و کامل تر می شود. صنعت داروسازی باید به طور مستمر پیشرفته‌ترین فناوری جداسازی غشایی را معرفی کند و کاربردهای جدید آن را توسعه دهد تا از مزایای آن در زمینه داروسازی حداکثر استفاده کند و توسعه پایدار صنعت داروسازی را ارتقا دهد.