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面向中藥産業新型分離過程的特種膜材料與裝備設計、集成及應用

2019-07-10 08:49:35 杭州沃騰膜工程有限公司 已讀

 人類社會的發展曆程是以材料為主要标志的。《學術引領系列國家科學思想庫未來10年中國學科發展戰略:材料科學》指出:材料科學已經成為現代科學技術賴以發展與深化的實質性環節,對科學技術的發展起着基礎和先導作用;一類新材料的出現還可以帶動一個産業領域的誕生。過程工業對資源、能源的過度消耗和對環境的污染已經成為制約人類社會可持續發展的瓶頸問題,而化學工程一直是實現物質高效轉化和能量有效利用的重要手段,進入21世紀,化學工程的目标已轉化為:依托性能優越、環境友好和功能齊備的新型結構功能材料發展新的過程工業技術,形成新的工藝流程和集成技術,以達到高效、低耗、無污染的目的。膜技術以先進分離材料為載體,可在溫和、低成本條件下實現物質分子水平的分離,特别适合現代工業對節能、低品位原材料再利用和消除環境污染的需要,已成為解決當代人類面臨的能源、水資源、環境等領域重大問題的共性關鍵技術。膜材料與裝備應用于中藥産業可顯著提升生産效率。通過分析膜材料與技術在國外醫藥産業和國内中醫藥産業的應用概況,面向中藥産業應用過程的産業升級與綠色發展,提出将材料化學工程理論與方法引入中醫藥領域,開展具有自主知識産權的原創研究,構建以膜分離技術為核心的新型分離過程、分離流程及其專屬裝備,實現中藥生産過程的節能減排。通過闡述20年來本課題組在中藥及其複方水提液體系、油水混合體系等複雜體系分離過程産業化基礎研究探索與工程化應用實踐,為建立以特種膜技術為核心的中藥新型分離過程的設計、集成與應用提供理論基礎與應用示範。


材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他産品的物質。人類社會的發展曆程是以材料為主要标志的。2011年中國政府公布的促進經濟轉型的七大戰略性新興産業中就包括新材料,而其他6項中的4——新能源、節能環保、新能源汽車、新一代信息技術,也都與材料密切相關。《學術引領系列國家科學思想庫未來10年中國學科發展戰略:材料科學》指出[1]:“毋庸置疑,材料科學已經成為現代科學技術賴以發展與深化的實質性環節,對科學技術的發展起着基礎和先導作用”。材料科學理論的每一次跨越都會促進材料技術、材料工程的革新,一種關鍵材料技術的突破可以推動其他若幹科學技術領域的發展,一類新材料的出現還可以帶動一個産業領域的誕生。

過程工業給人類帶來了豐富的物質基礎,但其對資源、能源的過度消耗和對環境的污染也已經成為制約人類社會可持續發展的瓶頸問題,而化學工程一直是實現物質高效轉化和能量有效利用的重要手段。化學工程在20世紀經曆了“單元操作”和“傳遞原理和反應工程”2個階段,進入21世紀,化學工程的目标已轉化為[2]:依托性能優越、環境友好和功能齊備的新型結構功能材料發展新的過程工業技術,形成新的工藝流程和集成技術,以達到高效、低耗、無污染的目的。

膜技術是典型的以材料為基礎的過程工程單元技術,膜的制備屬于材料學科,膜的應用涉及過程工業。2010年出台的《國務院關于加快培育和發展戰略性新興産業的決定》将高性能膜材料列入戰略性新興産業。2012年科技部發布了《高性能膜材料科技發展“十二五”專項規劃》,提出“十二五”期間膜材料的發展目标,即實現58種關鍵膜材料國産化,建成膜生産線36條,到2015年形成千億元産業。

1  膜材料與技術在中醫藥行業的應用概況

千百年來,以水煎服為主的中藥湯劑,是中醫臨床用藥的主要方式,充分顯示了自中藥水提液中獲取藥效物質的安全性與有效性。中藥水提液是創新藥物研究的重要載體,通過對中藥水提液的高效分離得到小劑量中間體是創制藥物研究的關鍵環節,而中藥膜技術以水為基本溶劑,可保留中醫傳統用藥的優勢和特色。研究表明[3],微濾(microfiltrationMF)技術可部分取代傳統的乙醇沉澱工藝,MF-超濾(ultrafiltratioUF)等雙膜法集成工藝可實現中藥水提液中有效部位的富集,如《中國藥典》2015年版記載的宮血甯膠囊的生産工藝,即通過MF技術實現有效部分的富集。可見,膜分離及其集成技術有望成為創新藥物研究的共性關鍵分離技術。

目前,國内外絕大多數中藥生産廠家仍以由水煎煮而成的中藥水提液作為生産過程的基本物料,采用膜材料與裝備可以在不改變傳統生産流程的基礎上實現生産過程的有效控制,采用MF-UF-納濾(nanofiltrationNF)等膜集成工藝進行中藥提取物生産的某企業車間見圖1。膜材料與裝備的工程化應用還可顯著提升生産效率,如某企業對比了水提醇沉工藝與膜濾工藝的生産流程,同一産品單元生産周期可由712 d縮短為0.52.0 d,能耗降低10%25%,資源利用率提高15%50%,勞動生産率提高30%70%

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1.1  膜材料與技術在國外醫藥産業的應用現狀分析

膜技術是當今分離科學中最重要的新型分離技術之一,但在國外醫藥産業的應用現狀未見系統報道。以NF技術為例,根據SCI數據顯示,在19942011年,有68個國家發表了2 195篇與NF膜技術相關的文獻[4];美國的論文發表數量最多,有428篇,排名前10的國家中有5個來自“七國集團”,而隻有2個是新興國家。美國研究NF膜技術的學科集中在工程、高分子科學、環境科學和生态學、水資源、化學、材料科學等領域。中國、美國和日本共占全球NF膜技術專利總量的78%,在水處理和分離技術方面具有強大的技術優勢[5]。在20072017年,有1 902篇關于NF研究的文獻在Science Direct上發表。在近5年中,關于有機溶劑納濾,制藥和生物應用,膜過程的設計、經濟學核算的文獻發表數量顯著增長[6]。由此看出,全球膜技術的基礎性研究正逐漸受到關注。對技術的應用源自于基礎研究水平的保障,從統計數據可以看出,美國等發達國家對NF膜技術研究學科分布廣泛,科技成果轉化能力強。

膜分離技術也是最有前景的清潔水生産技術之一[7-9],如膜技術有效并廣泛用于去除油脂。國外膜技術制造商緻力于開發新型膜技術并實現産業化應用。如位于阿德萊德的燒結金屬過濾器制造商Advanced Material SolutionsAMS)已經商業化推出了一種使用钛膜的過濾系統。钛的強度使得膜不受鹽或化學物質(如氯)的影響,可以通過調節篩選出特定的材料。美國陶瓷制造商Coors Tek近年推出了2種新型工業陶瓷膜過濾技術,專門用于水溶液中微粒、超濾分子和顆粒。

在現有膜技術的基礎上,國外膜技術研究領域不斷實現關鍵技術突破。如膜生物反應器(MBR)工藝采用傳統的活性污泥工藝和膜過濾,在減少有機物質、懸浮固體和病原體方面提供更高的處理效率。中藥生産工藝過程需要使用大量的乙醇及其他有機溶劑,如丙酮、異丙醇、甲醇、醋酸乙酯等,因而制藥過程産生的廢水、廢氣中常常存在低濃度有機物(volatile organic compounds, VOCs)而引起污染問題,采用分子篩膜技術可以有效對上述廢液、廢氣進行回收利用[10],這對于減少VOCs對人和動物的危害具有重要意義。

國外膜技術工程化應用是基于科學領域的研究和商業發展的需要[11-12]1960年,洛布(Loeb)和索裡拉金(Sourirajan)研制出第一張高通量和高脫鹽率的醋酸纖維素反滲透膜,膜分離技術自此進入了裝置研制階段;1967年,DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。上述20世紀60年代在膜分離方面的2項突破标志着膜技術真正實現了工業化。目前已經成熟和不斷研發出來的MFUF、反滲透(RO)、NF、電滲析(ED)、氣體分離(GS)、滲透汽化(PV)、無機膜等技術逐漸實現設備與工藝過程優化,并随着信息技術的應用和計算流體力學的發展逐漸傾向于與工程有關的複雜流動進行模拟,進而實現高選擇性與高滲透性相統一的高效分離。

2012年全球膜産品銷售額已超過120億美元,并以每年8%10%的增長率擴大,其中,用于制水和污水處理的MFUFRO占膜分離技術市場總額的40%左右。日本的漢方藥在國際中藥市場中所占份額超過80%,其主要原因之一是日本早在20世紀80年代将膜技術成功應用于中藥生産。如在20世紀80年代,日本在黃連解毒湯粉針劑的生産中就可以超濾去除相對分子質量大于50 000的雜質;其規模最大的漢方制劑生産企業津村順天堂也采用UF技術去除提取液中的高分子雜質,由此可将葛根湯片的劑量由每付18片減少至4片,其産品完全符合聯合國WHO關于傳統藥物“安全、有效、穩定、經濟”的原則,深受市場歡迎。

由此可見,通過高性能膜材料的研制與裝備的應用,膜技術在國外醫藥産業的作用逐漸顯現,為高效、清潔地利用能源和資源生産醫藥産品提供了可能。

1.2  膜材料與技術在我國中醫藥産業的應用現狀分析

10年來,材料科學的快速發展及環境友好戰略的實施使膜技術步入了新階段,膜技術在我國中藥行業的應用也初步實現工業化,雲南白藥、揚子江海陵藥業、敖東藥業等一批大中型中醫藥企業在中藥分離、純化等流程采用膜分離技術取得了重要成果。

根據南京中醫藥大學圖書館情報中心檢索數據顯示,在19702017年,以“膜技術(過濾、微濾、超濾、納濾、反滲透)”“中藥”“中醫”“資源利用”為關鍵詞發表的中文文獻共有1 760篇,主要應用于中藥複方注射液的UF工藝研究,如芪紅脈通注射劑、熱毒甯注射液、活血通絡注射液等UF工藝優化;中藥(含複方)水提液的除雜工藝研究,如黃芪顆粒的陶瓷膜微濾技術精制、銀黃方口服液的超濾和納濾組合式膜分離精制、黃芪等4種藥材提取液的無機陶瓷膜精制等。少量文獻報道UFNF等膜技術應用于總黃酮、多糖等部位的分離以及膜濃縮技術用于複方制劑水提液的濃縮工藝研究。然而,上述研究大多處于實驗室工藝篩選和優化階段。20世紀90年代,徐南平院士[13]率先将陶瓷膜微濾技術引入我國中藥制藥過程,取代傳統的醇沉工藝,顯著提升了生産效率和産品質量。目前,膜技術在中醫藥行業中的規模化應用主要體現在2個方面:中藥制藥生産過程、中藥制藥過程保障。在中藥制藥生産過程領域,可采用MFUFRONF等技術用于中藥提取液精制與濃縮,膜工藝與大孔樹脂工藝的比較分析見表1。在中藥制藥過程保障領域,RO技術已作為制藥用水生産關鍵技術列入《中國藥典》,如“RO+連續電除鹽系統(EDI)”技術已在制藥企業得到大規模推廣應用。

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随着中藥現代化進程的深入開展,膜分離技術的戰略轉型升級作用日益彰顯,越來越多的研究者嘗試将膜技術應用于制藥過程的各個環節。在工業化大生産中,湖南康麓生物、雲南天士力帝泊洱等企業采用滲透汽化技術回收乙醇;在膜材料與裝備的研發中,筆者項目組也嘗試采用UF技術和滲透汽化技術用于中藥揮發油分離富集[14]、采用膜乳化術制備新型納米乳劑[15]、采用MBR技術和分子篩技術處理中藥廢水/[16]等。上述研究為中藥特種膜材料的研發與膜裝備的創制提供了廣闊的前景[17-19]


為進一步了解膜技術在我國中藥企業中的應用情況,對來自25個省市的73家中藥制藥企業進行了問卷調研。調研結果顯示,從膜技術的認知與使用情況來看,目前,膜技術知識的普及度已經超過80%,并且已經有超過50%的客戶在生産中應用了膜技術,客戶對于國産化膜技術應用于新産品開發是大力支持的,但是由于政策壁壘、成本高的原因,有接近70%的客戶對于膜技術的普及表示擔憂。如何準确找到政策切入口,高效兼容中藥工藝開發與應用成為了膜行業在中藥領域發展的關鍵點。在已使用膜進行中藥生産的相關企業中,所用的大多為UFUFRO膜技術,而NF膜占極少部分。其中,大部分企業所使用的為進口膜,普遍對國産膜信心不足。

由此可見,膜技術由于“節能、降耗、減排”等特征,特别适用于解決中藥産業中面臨的生産效率低、能耗大、污染高等共性問題。但目前,運行成本較高仍成為制約膜技術在中藥産業推廣應用的制約因素。如何依據中藥生産特性及應用需求開發專用膜産品是解決膜技術應用問題的關鍵,也是中藥工業綠色生産的重要手段之一。

2  面向中藥産業應用過程的特種膜材料與裝備設計集成策略

分離技術是中藥生産過程的共性關鍵技術,也是決定中藥工業醫藥資源利用率及生産工藝能耗的關鍵環節之一,其高效與否直接關系着中藥生産水平。201611月,國家工信部、國家發改委、國家科技部、商務部、國家衛生計生委和國家食品藥品監督管理總局聯合發布了《醫藥工業發展規劃指南》,重點部署了“十三五”期間醫藥工業的發展目标,旨在加快醫藥工業由大變強的轉變,并提出:“推動綠色改造升級作為‘十三五’時期醫藥工業的主要任務之一;要提升行業清潔生産水平,建設綠色工廠和綠色園區,提升全行業‘環境、職業健康和安全’(EHS)管理水平”。

膜材料是膜分離技術的關鍵。在國際上,膜材料的應用開發起步較早,技術較為成熟,已實現多種膜材料的系統化大規模生産及工程應用。我國膜材料的研究與開發起步較晚,主要膜材料長期依賴進口。筆者項目組在20年來的基礎研究與應用開發中亦發現,由于中藥水提液組成極其複雜,與膜系統的兼容性是困擾膜技術推廣應用的主要問題之一。中藥特種分離膜(針對特殊“中藥溶液環境”[20]而設計,能夠在高溫、溶劑和化學反應等苛刻環境下實現物質分離的薄膜材料)的缺失,使得膜技術應用多年來仍然停留在以“試錯法”為主的中藥提取液澄清、除雜、除熱源等低效分離,遠未發揮其獨特的技術性和經濟性優勢,高效拆分、超濾分離、膜蒸餾、催化反應等高性能分離的應用鮮見報道。

面向中藥産業應用過程的産業升級與綠色發展,筆者項目組提出:将材料化學工程理論與方法引入中醫藥領域,開展具有自主知識産權的原創研究,構建以膜分離技術為核心的新型分離過程、分離流程及其專屬裝備,實現中藥生産過程的節能減排。材料化學工程是材料科學和化學工程的交叉學科,要實現用化學工程的原理指導“做”材料和“用”材料,核心在于建立材料結構、性能(應用)與制備(生産)三者的關系。材料化學工程強調依托新材料(如新型分離材料、新型催化材料等)發展新的化工技術和理論,特别是新的過程工程技術形成新的流程工藝和集成技術,以達到高效率、低能耗和環境友好的目的。

膜技術應用實踐證明,膜過程的傳遞特性調控與強化是高性能膜設計的關鍵和依據,也是膜運行成本控制的核心和依據。針對中藥體系應用過程中存在的問題,筆者項目組率先提出“中藥溶液環境”學術思想,并通過現代分離理論推導,從218種中藥單、複方獲得的數萬膜分離工藝參數組成的數據庫中,篩選出可客觀反映中藥水提液膜分離過程的理化參數集,創建與分離性能相吻合的“中藥溶液環境”評價系統;旨在解析膜濾過程的動态變化,創建解析中藥藥效物質膜分離過程共性規律的研究方法,以精确、易測的“中藥溶液環境”參數動态評判膜傳質過程,解決膜污染、膜潤濕等運行過程中存在的共性關鍵技術問題,針對性進行中藥特種膜材料設計與裝備選擇性組裝,實現中藥物料膜分離過程的“量體裁衣”。

面向中藥行業新型分離過程的特種膜材料與裝備設計、集成研究,筆者項目組提出:應圍繞科學問題的闡釋和關鍵技術的突破,建立基于應用過程的膜材料的設計理論與方法,研究思路見圖2。基礎研究重在闡明中藥多組分分子結構與膜材料微結構的相互作用機制,诠釋膜材料微結構與分離性能的構效關系。應用過程研究應基于化學工程基本原理和流場特性的膜成套裝備設計與制造技術,以及膜法組合工藝與現有中藥生産工藝的耦合集成技術。通過上述研究,實現技術集成與設備創制,建立符合中藥特點的環境友好生産線,實現中藥工業生産中制劑前處理“提取、精制、濃縮”等環節的高效、環保、穩定與智能控制。

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3  面向中藥行業應用過程的特種膜分離材料與裝備應用實踐

膜分離及其集成技術的核心是膜的性能,膜性能又與膜材料的性質密切相關。筆者項目組自1997年以來,以中藥經典複方、臨床有效驗方為實驗體系,圍繞其水提液的高效分離與有效性、安全性評價,不斷嘗試将材料化學工程理論與方法引入中醫藥領域,開展具有自主知識産權的原創研究,構建以膜分離技術為核心的綠色分離技術及其專屬裝備。

3.1  中藥複方水提液為前體化學組成的創新藥物研究模式形成與應用

“中藥溶液環境”研究中需要解決的核心問題是面向中藥複雜體系的特種膜材料微結構與分離性能的構效關系。

中藥水提液成分極其複雜,除了生物堿、黃酮、有機酸、苷類等小分子有效成分外還含有澱粉、果膠、蛋白質、多糖等高分子物質,其相對分子質量從幾十到幾百萬。其中待分離物質的膜透過效率主要受兩方面的影響:(1)膜孔徑的機械篩除作用,主要與待分離物質的相對分子質量、體積和幾何形态有關;(2)膜與待分離物質間的相互作用,主要與膜及待分離物質的電性有關。而上述兩方面的作用都與待分離物質的結構參數有很大關系。中藥水提液中成分的物理性質和化學性質,如溶液黏度、濃度、離子強度、電解質成分、粒子或溶質大小、分子結構、形态、分散狀态、表面張力等直接影響到與之接觸的膜的表面性質,同時溶液性質的變化還會改變其中所含待分離的顆粒或大分子溶質的性質,進而造成了膜與溶劑、顆粒溶質等之間的作用發生變化,從而影響或改變膜的分離性能。

上述問題的本質是膜材料作為先進材料,一個鮮明特點是具有介觀尺度的結構(MFUFNF等膜材料孔徑處于微米至納米之間),從而展現出違反常規的物質運動特性[21]。材料化學工程研究表明[2],傳統的化學工程以宏觀流體為對象,用宏觀流體的熱力學基礎物性數據和模型實現了化學工程模拟,進而推動了過程的放大和強化;但是随着先進材料的應用,需要對傳統的熱力學方法和傳遞理論進行延拓,才能深入認識納米尺度下流體的微結構和介觀尺度下界面處的流體傳遞行為。筆者項目組以經典複方黃連解毒湯為模型藥物,該方由黃連、黃柏、黃芩和栀子4味中藥組成,主要藥效成分包括生物堿、黃酮、環烯醚萜、苷類等類成分,對于中藥藥效成分具有一定代表性,研究發現[22-25]:(1)膜過濾過程,小分子藥效物質的透過行為受到膜表面吸附和溶液中共性高分子物質的共同作用,其作用強度與高分子物質的種類、濃度密切相關;(2)計算機仿真技術分析表明,蛋白質、澱粉、果膠等共性高分子物質與小檗堿、巴馬汀、黃芩苷、栀子苷等小分子物質共存時的“溶液結構”具有顯著差異,且與膜表面作用差異較大。上述實驗結果在宏觀上表現為:(1)中藥水溶液中共性高分子物質(蛋白質、多糖、果膠等)是中藥膜過程的主要污染物質;(2)經典的化學工程中的傳質模型與中藥體系不兼容,無法準确預測一定截留相對分子質量的膜與中藥成分之間的透過率。

在“中藥溶液環境”評價系統建立的基礎上,筆者項目組初步建立以膜分離為核心的新型中藥精制技術,對傳統“水醇法”形成突破,逐步形成新型分離過程、分離流程與工藝:根據不同物料“中藥溶液環境”所具有的相對分子質量分布特征,可選擇一定孔徑的MF/UF膜,替代水提醇沉工藝除去高分子雜質以對中藥進行精制,并系統開展了膜适用性、膜設備選型、膜工藝過程優化等産業化關鍵環節的研究。針對膜污染、運行成本高等嚴重制約膜技術在中藥生産過程中大規模推廣應用的瓶頸問題,創建技術應用[3,26]:構建面向中藥的“膜過程優化”系列共性關鍵技術——基于溶液環境優化機制的物料預處理技術;中藥膜污染預報、防治技術;“超聲-膜分離”耦合技術;創新節能高效膜組件制備,從膜過程前、中、後3環節入手,通過系統集成創新,實現高通量和高分離因子的統一,為膜技術用于中藥生産提供可靠保障。

在上述基礎研究的基礎上,還進行了以下應用實踐:(1)根據國家中藥新藥注冊技術規範,将産品指标(主要指标成分與得膏率、HPLC特征圖譜、主要藥效學指标等)與傳統水醇精制法進行比較,并系統評估産品的臨床安全性、有效性。(2)将膜分離與樹脂吸附等分離技術集成,形成中藥精制的一種基本方法。所得産物純度高(有效部位或指标成分質量分數70%左右)、臨床服用量小(得膏率6%左右),便于制成現代給藥劑型。将該技術用于中藥新藥“糖渴清”和“銀香顆粒”的研制,并已分别獲得新藥臨床批件與新藥證書。其中,“銀香顆粒”經過IIIII期各232例、437例的臨床安全性與有效性(随機雙盲、陽性藥、平行對照、多中心臨床研究總結)的評價。

3.2  新型膜分離材料裝備設計與集成的應用實踐

基于“中藥溶液環境”的分離技術應用體系的形成與應用,創建以膜技術為核心的中藥“清潔生産”應用流程,實現節能減排。

筆者項目組利用膜篩分機制精制中藥水提液,以“MF-UF-NF”一體化膜技術建立新型中藥提取分離“固液分離、純化、濃縮”流程,并創制“一體化特種膜裝備”,形成了以膜集成技術為核心的中藥“清潔生産”應用流程,實現中藥提取分離的高效、環保與智能控制。引入過程分析技術(process analytical technologyPAT),以密度、pH、溫度等物理化學參數評判生産過程物料的一緻性,如勁酒集團中藥提取生産線,以0.05 μm Al2O3陶瓷膜處理中藥,以1×1045×104有機膜截留處理多糖、總黃酮等成分,以NF濃縮處理提取液,生産周期由12d縮短為2 d,能耗降低10%,資源利用率提高15%,勞動生産率提高30%,其在線檢測點384個、質量控制點1 800個,實現中藥物料提取分離過程的節能減排。

創建中藥揮發油膜富集流程與裝置,替代溶劑萃取法,解決水蒸氣蒸餾工藝收油率低、環境污染問題。根據揮發油在水中形成顆粒的“中藥溶液環境”特征,利用膜分離技術截留微小油粒,從常規水蒸氣提取揮發油生産工藝所産生的“油水混合”廢水中回收揮發油[27-30]:(1)以12個科50種常用中藥及其含油水體為實驗樣本,系統考察膜種類、油水混合體系理化性質、操作工況和操作環境對油水分離過程的影響,建立了油水分離過程工藝參數數據庫和數學模型,成功研制了膜富集揮發油裝置。(2)通過系統研究揮發油對膜的污染機制與防治方法,研制出專用膜清洗劑,建立了膜富集揮發油應用流程與集成技術。該研究成功替代“揮發油溶劑萃取法”,解決工業生産中水蒸氣蒸餾工藝收油率低、環境污染問題,屬國内外首創的基于膜分離技術的中藥揮發油工業生産模式。(3)采用水蒸氣滲透膜技術系統采集了27種中藥溶解态揮發油,收油率生産周期由12 h縮短為6 h,收油率提高50%,從而為設計創制中藥揮發油整體、無損、快速分離的特種分離膜奠定基礎。

3.3  膜技術在中藥資源循環利用中的應用實踐

近年來,随着中藥資源循環經濟模式的建立,筆者項目組采用膜分離及其集成技術對中藥脈絡甯注射液生産過程産生的廢棄物進行資源化利用[31-32]。中藥脈絡甯注射液由牛膝、玄參、石斛、銀花4味中藥組成,生産過程産生的廢棄物主要有水提取後4味藥的混合藥渣、乙醇沉澱物、醋酸乙酯萃取後剩餘物,及制藥過程産生的大量廢水。在前期研究中已發現:(1)混合藥渣富含上述4味投料藥材中的藥效成分,如石斛因質地堅硬,水提取後剩餘石斛堿、多糖等有效物質;(2)混合藥渣可用作飼料、菌類培養基、生物質能源、造紙原料等;(3)廢水中殘留水溶性藥效成分,如不進行資源化利用,不僅造成浪費,作為廢水排放還會造成二次污染。在研究中首次采用不同孔徑超濾膜對廢棄乙醇沉澱物進行多糖部位的分離[33];提出中藥廢水零排放的膜處理工藝,采用PVDF超濾膜自制藥廢水中富集青皮揮發油,提取率達67.5%[34]采用“MF-UF”膜集成技術富集脈絡甯注射液廢水中相對分子質量<1 000的小分子藥效組分的同時,以陶瓷膜反應器實現“二級處理-三級處理”的中水回用[35]。上述探索性研究為中藥特種分離膜的精準構築奠定了實驗基礎。

4  結語

膜技術以先進分離材料為載體,可在溫和、低成本條件下實現物質分子水平的分離,特别适合現代工業對節能、低品位原材料再利用和消除環境污染的需要,已成為當代解決人類面臨的能源、水資源、環境等領域重大問題的共性關鍵技術,受到各國政府高度重視。膜分離過程為物理分離過程,膜過程與其他分離過程如與吸附樹脂技術、萃取技術、蒸餾技術等的集成,均是以提高目的産物的分離選擇性系數并簡化工藝流程為目标。因此,膜技術與現有分離技術的集成可以顯著降低能耗、縮短生産周期和提高資源利用率。

中藥綠色制造的技術關鍵是提高中藥藥效物質的分離效率。但目前由于藥效物質分離效率不高,導緻分離能耗高、藥材利用率低、污染大等問題,制約了中藥工業的可持續發展。筆者項目組20年來在中藥及其複方水提液體系、油水混合體系等複雜體系分離過程産業化基礎研究探索與工程化應用實踐中,不斷探索構建基于特種膜材料的“理論研究-關鍵集成技術及裝備制造-應用示範”中藥綠色制造技術創新鍊,為建立以特種膜技術為核心的中藥新型分離過程的設計、集成與應用提供理論基礎與應用示範。

參考文獻(略) 

來  源:朱華旭,唐志書,潘林梅,李  博,郭立玮,付廷明,張啟春,潘永蘭,段金廒,劉紅波,邢衛紅,高從堦. 面向中藥産業新型分離過程的特種膜材料與裝備設計、集成及應用 [J]. 中草藥, 2019, 50(8):1776-1784.


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