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基于膜及其集成過程的中藥“綠色濃縮”技術研究進展、關鍵科學問題與對策

2019-07-10 08:48:00 杭州沃騰膜工程有限公司 已讀

 要:中藥工業能耗驚人,能耗的重頭濃縮工段的蒸汽耗量約占全廠的60%左右,甚至更高。膜濃縮技術具有“能耗小、成本低”的重要優勢,但因不同膜過程本身技術原理所造成的各自缺陷,而受到制約。引進國際先進的膜集成設計策略與方法,針對有望适用于中藥物料濃縮需求的“反滲透與膜蒸餾集成”的技術關鍵——濃縮過程對中藥物料流變性的劣化及其對膜傳質作用的拮抗,以代表性中藥複方為實驗體系,借鑒流變學理論與計算流體力學(CFD)手段,通過工藝過程動态精密分析,建立“時間-物料流變學特征-膜傳質過程”三維模型;融合多學科手段,探索中藥物料流變學規律及其對膜濃縮過程的影響,闡述膜濃縮過程對中藥物料的傳質作用及機制,尋找臨界滲透壓(反滲透過程)與臨界通量(膜蒸餾過程)2個關鍵工藝參數的平衡點,探索“反滲透”與“膜蒸餾”2種膜過程的優化組合方案。破解膜濃縮工藝中藥行業産業化的技術瓶頸,為其成套技術設備研制及工藝設計提供支撐,促進中藥制藥工程理論和技術創新。

近幾年,中藥制藥工業經濟保持比較穩健的發展态勢。2015年,中藥制藥工業總産值接近8000億元,約占全國醫藥産業總産值的28.55%[1]。中藥産業發展迅速、優勢明顯、市場前景廣闊,已成為我國國民經濟中的朝陽産業,但伴随而來的是急劇提升的中藥制造工業成本。2017年醫藥制藥業成本總額19 248億元,不可否認,其中能耗占有很大的比例。

濃縮工段對大多數中藥制藥廠家來說是能耗(蒸汽)的重頭。目前中藥廠家普遍采用的“三效”或“雙效”真空濃縮工藝,因加熱溫度高達7595 ℃,具有明顯的缺陷:(1)易使有效成分分解;(2)因固形物易黏附于加熱管壁,使垢層炭化造成濾液污染;(3)傳熱速度慢、浪費能源;(4)須耗費巨大數量的蒸汽、水去冷凝、冷卻第3效或第2效後蒸出的水蒸汽。按照能耗統計,水蒸出的能耗為1.2噸蒸汽/噸,冷凝冷卻水蒸汽及其熱水的水耗為34噸水/[2]

膜濃縮的基本技術原理是膜材料對溶劑的選擇透過性,即在一定的壓力、溫度等操作條件下,膜表面隻允許某種溶劑(如水)及小分子物質通過,而成為膜“滲透液”;而待分離料液中與膜材料不具親和性的溶劑(物質)、體積大于膜孔徑的物質則被截留在膜的進液側,成為“截留液”(即濃縮液),從而實現對原料液的分離、濃縮目的。與傳統的蒸發濃縮相比,在中藥制藥濃縮工藝中得到應用的超濾(ultrafultration[3-10]、反滲透(reverseosmosis[11-13]、納濾(nanofiltration[14-16]、膜蒸餾(membrene distillation[17-20]等膜濃縮過程中無相變,可以在常溫及低壓下進行,因而能耗低;物質在濃縮分離過程中不發生質的變化,适合熱敏物質的處理;能将不同相對分子質量的物質分級分離;在使用過程中膜無雜質脫落,保證料液的純淨,并且整個膜濃縮過程操作簡便、成本低廉[21],适用于工業化生産。

膜蒸餾是将膜與蒸餾過程相結合的一種新型膜分離技術。該技術利用疏水性微孔膜将兩種不同溫度的溶液分開,較高溫度側溶液中易揮發的物質呈氣态透過膜進入另一側并冷凝的分離過程。膜蒸餾與傳統蒸餾相比,其不需要複雜的蒸餾系統,且能得到更純淨的餾出液;與一般的蒸發過程相比,其單位體積的蒸發面積大;與反滲透比較,其對設備的要求低且過程中溶液濃度變化的影響小。另外,膜蒸餾過程能在常壓和較低溫度下操作,被認為是一種節能高效的分離技術,迄今膜蒸餾技術在中藥領域研究也非常廣泛。

20年來,膜技術在我國得到快速的發展,其原因主要得益于高分子材料科學的進展及環境友好戰略的實施,一批大中型醫藥企業,如吉林敖東、湖北勁酒、江蘇康緣、江蘇揚子江等将膜分離技術用于中藥提取、分離、純化等流程,已取得一批重要的成果。與此同時,也應看到膜分離科技在中藥濃縮領域的潛力還遠未發揮。雖然醫藥中間體、食品等工業生産采用超濾、納濾、反滲透、膜蒸餾等膜分離過程作為濃縮技術日益趨多[22],中藥制藥行業,如納濾技術用于中藥醇提、水提工藝技術改造[14];膜蒸餾工藝濃縮鮮益母草汁[17];丹芍複方采用反滲透膜濃縮[23];反滲透膜從胡蘆巴中濃縮4-羟基異亮氨酸[24]等也已取得令人鼓舞的進展,但遠未達到滿足工業應用的要求。

1  制約中藥膜濃縮技術優化的主要問題及解決方案——集成膜過程

1.1  集成膜濃縮技術

膜污染導緻膜過程效率的下降是制約中藥膜濃縮技術産業化的主要因素,除了這一膜技術領域的共性問題外,各種膜濃縮過程因其技術原理而造成的缺陷,也影響到其優勢的發揮。如反滲透過程透水速率比較高,但濃縮倍數較小。其原因在于:物料自身的滲透壓随濃縮倍數的增加而提高,由此造成的物料高密度、高滲透壓使反滲透過程無法進行。再如,膜蒸餾充分結合了“膜分離”與“蒸餾”2個過程的優勢,可将物料濃縮至較高的濃度,但膜蒸餾過程也存在嚴重的缺陷:(1)運行過程中膜通量波動較大;(2)料液達到較高濃縮倍數時,可因膜面蒸氣壓下降而出現通量衰減狀态[18]

由于膜過程各有利弊,同時在實際的工業應用中又易受多種複雜因素的影響,一般而言,任一膜過程都無法适應複雜的工業生産局面。為适應不同應用體系,優化生産過程,需采用膜過程集成的策略,即科學組合多種膜過程,通過取長補短,以“技術集成”的形式,即以“膜分離系統”,而并非某種單一的膜分離過程,用于工業生産。該系統的組成單元可是多種不同的膜過程,也可是膜過程與非膜過程,稱其為“集成膜過程”。21世紀以來,膜集成工藝在中藥濃縮技術領域的受接納程度日益增加,如大蒜素超濾/納濾集成純化工藝[25];茶黃素的陶瓷膜微濾/卷式超濾膜/納濾膜集成制備工藝[26];活性多糖的超濾/納濾集成濃縮法[27];黃芩苷的微濾/超濾/納濾集成濃縮、純化[28];山楂的反滲透/超濾集成濃縮[29-30]等研究報道層出不窮。

由于反滲透與膜蒸餾分别在高透水速率與高濃度物料濃縮方面具有獨到優勢,反滲透與膜蒸餾這2種技術的組合,如反滲透/膜蒸餾(OD)集成、超濾/反滲透/OD已成為膜集成濃縮工藝的成功典範[31-32]

國際上成功地将膜集成濃縮技術用于實際生産,并産生了明顯效益,主要得益于采取了科學的基本策略:實驗研究與計算機流體力學(CFD)模拟相結合,準确、系統掌握待濃縮物料的流變學特征,深入開展膜傳質機制研究、通過數學模型的構建,開展工藝優化設計。近年來,筆者課題組在國家自然科學基金資助下,比較深入、系統地開展了相關研究,目前已取得一批成果[33-35]。如優選了真空膜蒸餾法濃縮黃芩提取液的工藝、确認了超濾-反滲透集成工藝濃縮黃芩水提液的可行性、成功采用陶瓷微濾與反滲透集成工藝為西安金花集團制藥公司的中藥開展了中試規模的濃縮實驗,氨基酸的回收率達到98%,工藝過程穩定、可控。

1.2  面向中藥物料濃縮過程的膜材料與膜過程研究

膜材料是發展膜技術的核心課題。以膜蒸餾技術為例,加以闡述。用于膜蒸餾的膜材料應該滿足疏水性和多孔性2個要求,以保證水不會滲入到微孔内和具有較大的通量。另外,足夠的機械強度、好的熱穩定性、對酸堿及有機溶劑的高耐受性,以及低的導熱系數也是必需的。近年來,用于膜蒸餾過程的膜材料研究開發主要集中在聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP),它們的疏水性能都比較好,PTFEPVDFPP的表面張力依次為253323340.04 mN/m,說明PTFE的疏水性最強。從耐氧化性質和化學穩定性來看,PTFE也優于其他幾種膜材料。這使得PTFE膜應用的物系非常廣泛,PVDF膜次之。雖然PP膜耐氧化性質和化學穩定性相對較差,但因為價格低廉,市場應用廣闊[36]。鑒于中藥制藥行業所面對的基本物料——中藥水提液的複雜性而導緻的膜通量衰減及其成因:膜污染的特殊性,面向中藥物料濃縮過程的膜材料與膜過程研究成為攻克中藥膜濃縮技術瓶頸的重要一環。

膜過程與溶液環境密切相關。中藥水提液的溶液環境系指溶液體系所具有的電導率、pH、離子強度、黏度等物理化學特性。這些理化特征可直接影響膜的表面性質,還可改變物料中待分離微粒或大分子溶質的理化性質,導緻膜的分離性能發生改變。為有效的監控膜過程,各膜應用領域的科學家建立了面向相關物料體系的各種數學模型,以闡述膜傳質過程及膜污染機制。但國内外未見有關中藥水提液的膜傳質與污染模型的文獻報道。此外,由于長期以來中藥基礎研究的缺乏,對組成極其複雜的水提液的“溶液環境”表征研究,如對密度、黏度、表面張力等基礎物性數據的檢測、分析,基本處于空白狀态,其結果是中藥生産工藝選擇或設計實質上仍處于“粗放、估算”的層面,遠未達到“精準”水平。

目前教科書中僅有從宏觀的角度對中藥水提液的定義:一種由包含有真溶液、混懸液和乳濁液的複雜混合體系。該體系的主要化學組成是什麼、有何特點,其熱力學、動力學性質又有何特征等一系列理論與技術問題未見有具體、深入的研究報道。自2001年以來,在國家自然科學基金等項目資助下,筆者課題組以數百種單味中藥及複方為實驗對象,結合膜通量測試,對相關中藥品種的水提液做了濁度、黏度、pH、導電率、粒徑分布等表征分析。與此同時,對其中澱粉、蛋白質、果膠等非藥效共性高分子物質組成進行了檢測,繼而對通量、表征與物質組成做了初步的相關性研究。結果發現各水提液樣品固含物中,這幾類高分子組成均占很大比例,且是影響水提液的物理化學表征參數及膜通量變化的主要因素[37-38]

2  集成膜濃縮過程需解決的關鍵科學問題對策及成效

2.1  關于解決中藥制藥膜濃縮技術瓶頸的研究思路

在大量文獻研究及上述有關前期工作的基礎上,提出下述解決中藥制藥膜濃縮技術瓶頸的基本思路。

因處方與提取工藝不同,各中藥物料體系具有不同的化學組成,也具有不同的流變學參數。根據流變學與膜科學原理,對膜過程産生影響的參數有密度、黏度、滲透壓等。這些參數共同構成的集合可科學表征中藥物料對膜濃縮過程産生的影響;它們可通過理論計算獲得,或由儀器直接測定。考慮到實際可行性,從中選取若幹參數作為研究對象。

反滲透、膜蒸餾等技術屬于不同的膜過程,因而具有不同的膜傳質機制、各自的膜污染及能耗規律,亦各自兼容于物料的不同流變學性能。對于傳統認識方式很難揭示内部機制的中藥複雜體系膜過程,可借鑒CFD手段,計算預估其特性,數學建模,提煉膜過程原型的部分信息構成原型替代物等方法,對技術系統進行優化設計。

在膜器固定的條件下,膜濃縮功能與物料流變學特征具有相關性。為使膜過程與物料的流變學性能相互适應,可采用化學分析與膜工程手段對傳質過程進行精密分析,跟蹤物料體系流變學參數動态變化,根據臨界通量、臨界滲透壓呈現點,及時将膜過程切換為與其适應的傳質狀态,以解決膜污染與能耗最小化問題,實現集成工藝優化。

2.2  中藥膜濃縮技術優化面臨的科學問題

對于中藥物料這一複雜體系而言,由于化學組成的多元性及物料種類的多樣性,如何探讨膜濃縮工藝優化規律?顯然必須改變粗放的方式,以現代科學概念與相關實驗數據表述物料體系的流變學特征、與膜過程的相互作用,體系理化參數動态演化過程及其作用機制,從而促使中藥膜濃縮研究由“描述科學”向“精密科學”的轉變。

由上述分析可知,反滲透與膜蒸餾集成工藝是中藥膜濃縮技術切實可行的重要選項。就該集成過程而言,由此需面對的工藝設計問題:(1)能否預測反滲透過程因物料密度升高所産生的最高滲透壓(臨界滲透壓),并将其控制在膜設備額定壓力可承受的範圍;(2)如何預測并控制膜蒸餾過程因物料密度升高、水蒸氣壓下降而導緻的最低膜通量(臨界通量);(3)怎樣尋找臨界滲透壓(反滲透過程)及臨界通量(膜蒸餾過程)平衡點,實現反滲透與膜蒸餾這2種膜過程的優化組合。上述3個問題的科學本質是濃縮過程對中藥物料流變性的劣化及其對膜傳質作用的拮抗。

綜上所述,中藥物料的流變學規律及其與膜傳質過程的相關性是優化中藥膜濃縮工藝的關鍵科學問題。為此,解決該關鍵科學問題的對策:(1)探索中藥物料的流變學規律及其與膜濃縮過程的相互影響;(2)确認反滲透與膜蒸餾等不同膜過程的臨界滲透壓、臨界通量;(3)闡述膜濃縮過程對中藥物料的傳質作用及機制,尋找可與其匹配的膜技術組合方案。

2.3  針對集成膜濃縮過程關鍵科學問題的解決對策及其成效

針對集成膜濃縮過程關鍵科學問題,從本課題組已建立的“中藥水提液膜基礎數據庫”中選擇了清熱靈、四逆湯、玄麥甘桔顆粒等複方及黃芩、甘草、栀子等單味藥材為實驗體系(兼顧物料初始黏度、入藥部位及所含主要指标性成分具有代表性等),開展相關對策的研究。

2.3.1  探索中藥物料體系的流變學特征及其與膜過程的相互影響

1建立、完善流變學特征參數表征體系:首次在中藥膜科技領域提出臨界滲透壓的概念,根據分離科學的原理,能影響膜過程的流變學參數主要有黏度、雷諾數(Re)等。此外,物料的滲透壓與蒸氣壓[39]可分别反映反滲透過程對操作壓力的影響及膜蒸餾過程膜通量衰減程度,亦為表征物料體系流變特性的基本參數。

在筆者課題組已建成的“中藥水提液膜基礎數據庫”(擁有200多種中藥體系的黏度、密度、pH等參數)基礎上,進一步建立、完善可科學、有效表征與反滲透及膜蒸餾工藝過程有關的中藥物料流變學特征參數體系,對該數據庫補充了與濃縮工藝相關的流變學數據,如滲透壓、蒸氣壓等,并從中挖掘各流變學參數的相關性規律[40-44]

藥液的滲透壓限制着反滲透濃縮倍數,因此在設計反滲透膜過程時,必須掌控溶液的滲透壓數據。能否預測反滲透過程因物料密度升高所産生的臨界滲透壓,對于設計或選擇反滲透膜及其設備額定壓力可承受的範圍具有指導作用。

為此,以白蒺藜、牛蒡子、山楂3種果實類中藥水提液體系為研究對象,首次提出臨界滲透壓的概念,當藥液滲透壓不随反滲透膜濃縮時間的推移而改變時所對應的滲透壓稱之為臨界滲透壓。根據範特霍夫規則可知,當溫度一定時,滲透壓的大小與溶液的溶質濃度和溶質分子的相對分子質量相關。因此,根據滲透壓在膜過程中的變化可以推測藥液濃度的變化。當滲透壓趨于穩定後,即可知道此時藥液濃度亦趨于穩定,濃縮過程難以繼續進行。将臨界滲透壓的概念引入中藥水提液反滲透過程研究,通過不同中藥水提液膜過程阻力分布和污染模型的拟合,分析滲透壓與膜通量衰減率的關系,揭示了測定臨界滲透壓值對于反滲透膜濃縮過程的作用。研究結果揭示,反滲透膜過程通量衰減率與滲透壓呈正相關。在藥液滲透壓小于臨界滲透壓時,膜污染較輕,便于清洗。

2尋找各流變學數據之間的相關性規律:發現中藥水提液的鹽度、電導、總溶解固體(total dissolved solidsTDS)三者之間呈顯著線性相關。通過系統考察根類、葉子類、果實類和全草類及相關複方中藥水提液的反滲透膜過程理化參數的變化規律,發現電導率與滲透壓之間普遍存在相關性,相關系數達到0.928 9(銀杏葉)、0.996 2(栀子)。因此可推測,電導率在某種程度上可以替代滲透壓,用以在線監測反滲透膜過程。同時,發現樣品藥液的鹽度-電導、TDS-電導、TDS-鹽度的線性方程及其相關系數分别為Y18 873 X33.871r20.9877Y0.508 8 X4.748 0r20.9961Y9 618.6 X11.614r20.987 5。表明盡管化學組成複雜,但中藥提取液體系鹽度、電導、TDS三者之間仍具有顯著的線性相關性,為采用物理化學手段建立在線檢測、控制中藥膜工藝過程的新方法提供了依據。

3發現“臨界通量”與中藥物料體系流變學特征的關系:“臨界通量”的概念由流體力學、表面化學、質量傳輸和過濾理論有機結合而成(其值可由實驗或計算得出)[45],系指一種無污染理想狀态下膜設備運行的現象,也是膜過程優化的重要标志[46]。影響臨界通量的主要因素為料液密度與流動類型(層流、湍流等)。料液密度高時,遷移率降低,膜表面沉積因溶質顆粒覆蓋而增厚,緻使臨界通量下降[47-48]。湍流可通過減少或延緩溶質顆粒在膜表面的沉積而提高膜通量。由于Re可判斷料液的流動性質(Re4 000時發生湍流)[49],而雷諾數與黏度、密度等密切相關,因而可通過改變物料流變學性質的方法來提高臨界通量[50]

2.3.2  探讨膜濃縮過程中中藥物料的傳質作用及其機制

1通過計算流體力學方法和計算機化學研究模式研究中藥膜過程及其機制:計算流體動力學(computational fluid dynamicsCFD)是一種新型的計算機化學手段,它可通過數值方法求解流體力學控制方程,并對流體運動規律進行預測。CFD技術具有成本低、速度快、資料完備、風險小等優點,已成為流體科技領域與實驗研究、理論分析同等重要的手段。CFD方程的通用形式[51]如下。

ρ為密度,U為速度,t為時間變量,φ為通用變量,Γ為廣義擴散系數,S為廣義源項

其中處在τS位置的變量不必為原物理意義的量,而是數值計算模型方程中的一種定義。因此CFD用于具有暫無公認定義表達的某些特征的複雜體系。

影響膜過程的因素相當複雜,其中膜組件中的流場分布是主要因素之一,因此将CFD技術引進膜過程分析正成為膜科技領域研究的熱點,且已在增加優化可信度等方面取得顯著效果。本課題組正借鑒國内外CFD先進成果[52-56],在吸收、消化CFD技術的基礎上加以創新,以形成具有中醫藥特色的軟件系統。

研究者對膜傳質作用開展了大量研究,從宏觀或微觀角度建立了各種模型[43-44]。但是,由于膜過程中傳質作用涉及的因素極其複雜,模型的構建又涉及衆多學科,建立普遍适用的膜過程模型難度較大。因此,采用計算機化學預測膜過程的研究模式應運而生。近年來,筆者課題組針對中藥體系所具有的複雜數據特征,結合不确定數據流預測、異常數據預測等20種相關算法,形成一整套信息處理流程,其内容包括樣本可靠性評估、watechliuhede變量組合優選、定性和定量數學建模。并以此技術手段進行了基于計算機化學方法的中藥膜過程研究[57-62]

2中藥水提液的反滲透膜污染過程基本符合完全堵塞模型:以完全堵塞模型、半堵塞模型、标準堵塞模型、濾餅過濾模型4種經典的膜過濾堵塞模型拟合白蒺藜等藥液反滲透過程,結果發現,各樣品的反滲透膜污染過程實驗數據基本符合完全堵塞模型,與各樣品的反滲透過程阻力分布數據不謀而合。完全堵塞模型的基本假設是物料體系中所有分子到達膜表面後完全堵住膜孔,但不能夠進入膜孔,且分子之間不相互疊加,均勻平鋪在膜表面。中藥水提液中大分子雜質占很大比例,反滲透膜的平均膜孔徑1.0 nm,導緻大分子物質被截留下來,從而在膜表面堆積,一方面,堵住膜孔,減小滲透通量;另一方面,增強濃差極化阻力。上述兩因素是産生臨界滲透壓的主要原因。

3反滲透、膜蒸餾過程的Fluent模拟:采用實驗室自行組裝的計算處理服務站及ANSYS 15AUTO CAD 2014軟件。為盡可能接近實際情況,本課題所使用中空纖維膜為外徑0.4 mm,内徑0.25 mmPVDF膜,建立相同尺度的模型。模拟結果顯示,不同的孔道、不同的流速有着不同的流體力學,流體力學會對膜過程産生重要的影響,如膜蒸餾過程中介質兩側存在明顯的壓差且随着膜蒸餾過程的進行壓差逐漸增加,污染物在進料的沖刷作用下在膜中心結集;反滲透過程中壓力、污染狀況并非平均分布,而是随着膜過程的進行,出現明顯的“高壓區”和“高污染區”。

通過對比數值模拟結果和實驗觀察到的現象,實測數據與模拟數據趨于相近,表明建立的數值模拟方法切實、可行,為後續中藥水提液濃縮的反滲透-膜蒸餾耦合一體化裝置的優化設計提供了研究依據和方法。

2.3.3  面向膜蒸餾、反滲透膜濃縮過程的中藥物料預處理研究

1藥液預處理方法對膜蒸餾過程的影響:藥液未經預處理時含有的大量懸浮物等可導緻膜孔堵塞,膜潤濕現象發生于1 h左右,通量急速衰減。預處理選擇離心或離心後采用不同截留相對分子質量(6×1048×1043×1045×104)的膜超濾等方法,通過預處理前後藥液的理化性質對比、膜蒸餾過程的變化等因素優選預處理方法。結果表明,離心和超濾可除去膜污染物,有效緩解膜污染。其中,離心和超濾均不同程度降低果膠等高分子含量,且3×1045×104超濾較6×1048×104超濾去除率更高。研究發現,未離心、離心、離心+超濾後藥液的平均粒徑分别為2 276274.4274.9 nm,從而提示,去除大顆粒物質可能是預處理緩解膜污染的主要作用之一。

2确定适用于中藥物料反滲透預處理的方法:中藥水提液是由無機鹽、膠體等懸浮物和溶解性有機物質所組成的複雜體系。在反滲透濃縮過程中,濃液側體積逐漸減小,懸浮顆粒和溶質濃度不斷增大。膜表面産生的懸浮顆粒沉積,使膜孔發生堵塞,摩擦阻力增加,反滲透膜通量降低,嚴重影響反滲透過程的運行。

研究發現,濁度小于1 NTU的進料液對反滲透膜造成污染的概率幾乎為零。通過考察截留分子質量1×1042×1045×1046×1048×1048×1041×105的超濾膜作為預處理手段對根、果實、花、葉、全草等各類藥材及複方(一清顆粒、六味地黃丸、八正合劑)等的适用性,确認截留相對分子質量2×1045×104的超濾膜最适合作為反滲透預處理用的超濾膜。經以黃芩水提液為研究對象,發現在實驗的初始階段,藥液在反滲透膜表面産生濃差極化,造成膜污染,使得通量急速下降。當滲透通量下降至一定水平後,由于滲透壓阻滞的作用,膜表面達到平衡狀态,此時膜通量不再降低,趨于穩定。同時,運行4 h時,超濾預處理的藥液體積濃縮倍數達到3.2倍,藥液密度由0.992g/cm3增大1.008 g/cm3。而未經預處理的藥液體積濃縮倍數僅1.6倍,藥液密度由1.007g/cm3升至1.013 g/cm3。以上數據說明預處理可對反滲透膜過程産生顯著影響,并提示進入反滲透系統前的藥液,以2×1045×104超濾膜進行預處理是可行、有效的。

2.3.4  真空膜蒸餾過程中膜污染及膜清洗方法研究  以複方二丁顆粒及單味藥黃芩、白芍的水提液為實驗體系,分别開展濃縮及恒濃實驗,定時記錄料液主體和膜進出口兩端的溫度,檢測濃度變化對膜通量的影響,計算膜濃縮過程中的溫度極化系數(τ)。結果發現τ值均大于0.98,真空膜蒸餾(VMD)過程中溫差極化效應可忽略;而VMD過程中濃差極化效應可導緻膜通量下降。

為提高濃縮效率、延長膜使用壽命,分别考察了堿液分次清洗、堿+酸液清洗、超聲+堿液清洗等不同膜清洗方法對膜通量恢複率及膜表面結構(電鏡掃描)的影響。結果發現,中藥提取液膜蒸餾過程中較合适的清洗方法是堿+酸液清洗,但清洗時間過長會對疏水膜的接觸角産生影響,甚至可破壞疏水性。文獻報道,超聲可有效提高超濾膜清洗效率,但本實驗對PVDF疏水膜采用超聲技術清洗的研究發現,超聲對疏水膜結構具破壞作用,影響程度可能與膜材質及清洗條件有關,尚需進一步研究。

3  結語

在多年工作的基礎上,筆者課題組借鑒國際先進的膜集成工藝設計策略與方法,以突破中藥生産共性關鍵技術為目标,針對有望适應中藥物料濃縮需求的“反滲透與膜蒸餾集成”技術關鍵——濃縮過程對中藥物料流變性的劣化及其對膜傳質作用的拮抗,在膜科學原理指導下,以若幹代表性中藥複方為實驗體系,借鑒流變學方法與CFD手段,獲取中藥體系物料流變學、膜動力學等特征量,進一步豐富和完善中藥工程學物性數據庫,通過中藥學與現代分離科學、計算機化學等多學科交叉研究,探索中藥體系物料流變學特征與膜傳質過程的相關性,為實現中藥膜濃縮技術優化提供依據,深化中藥制藥工程理論研究,促進中藥膜技術創新。

參考文獻(略) 

來  源:潘林梅,李  博,郭立玮,張劉紅,石飛燕,楊  晨,金唐慧. 基于膜及其集成過程的中藥“綠色濃縮”技術研究進展、關鍵科學問題與對策 [J]. 中草藥, 2019, 50(8):1768-1775.


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