李骁翾 曲刚 (广东万年青制药有限公司 广东汕头 515064)
【摘要】采用膜分离技术对溪黄草提取液进行预浓缩，膜浓缩的透过液通量受料液浓度、料液温度、操作压力等因素的影响，降低料液浓度、提高温度、提高压力可以提高透过液通量。综合考虑各方面因素，较优选的条件为，选用美国GE公司生产的DK系列纳滤膜组件，溪黄草提取液的固含量通常在0.6%～1.5%之间，在膜浓缩过程中控制料液温度不超过40℃、操作压力不要超过2.5MPa、浓缩倍数以不超过5倍为宜。溪黄草提取液采用膜浓缩与传统加热蒸发的浓缩方法相比，在节约能耗、降低成本、提高收率、提高生产效率等方面均有明显优势。
【关键词】溪黄草提取液 膜分离 浓缩
【中图分类号】R9 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2013）34-0023-03
膜分离是利用具有选择性分离功能的无机或有机膜材料，实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程；依据膜孔径的不同（或称为截留分子量）可分为微滤、超滤、纳滤、反渗透几种膜分离方式；膜分离技术用于植物提取液浓缩一般是纳滤方式。膜分离过程的显著特点是：分离过程是一种物理过程，无任何化学反应，不需加热，不发生相变，不会破坏生物活性，不改变被分离物的性状。
溪黄草为民间习用中草药，可用于治疗湿热泻痢、跌打瘀肿、急性黄疸型肝炎、急性胆囊炎等疾病。溪黄草含萜类、黄酮类、酚类、氨基酸等多种化学成分，同时也是消炎利胆片等中成药制剂的主要成分；现代医药工业生产中，中药材都需要经过提取、浓缩、分离等工艺过程，最后才能制得中成药。在《中国药典》2010版一部[1]收载的消炎利胆片药品标准中，溪黄草提取加工的制法是“溪黄草加水煎煮二次，煎液滤过，滤液合并，浓縮至相对密度为1.20～1.25(55～60℃)。”，中成药厂生产时，溪黄草是通过多功能提取罐加水煎煮提取，得到溪黄草的水提取液，常规就是用双效浓缩器蒸汽加热进行浓缩。
由于溪黄草水提取液的浓度通常较低，固含量在0.6%～1.5%之间，因此在后续制药工艺上，蒸发浓缩阶段的能耗非常大；本文对溪黄草提取液采用膜分离技术进行预浓缩实验研究，研究过程中测定了纯水通量、膜截留率、提取液透过通量及膜浓缩过程中操作温度、操作压力和料液浓度等影响因素；结果表明，膜分离技术用于溪黄草提取液的预浓缩，在技术上是可行的，经济上具有较大优越性，测定的有关数据可用于工业化大生产膜浓缩工艺设计的参考。
1 实验材料、仪器设备和实验方法
1.1实验材料
溪黄草提取液：按照《中国药典》2010版一部[1]消炎利胆片“制法”项中溪黄草的加工方法进行提取，溪黄草用多功能提取罐加水煎煮二次，煎液滤过，滤液合并，当过滤后的提取液温度降到40℃以下时，加到膜分离实验机进行膜分离浓缩操作。
试剂：硫酸镁(分析纯)，GF254薄层板(MERCK)，三氯甲烷(分析纯)，丁酮(分析纯)，乙酸乙酯(分析纯)，甲酸(分析纯)，纯水(广东万年青制药有限公司纯水机自产)。
1.2仪器设备
小型膜分离实验机(由中科院过程工程研究所定制提供，上海凡为环境工程有限公司组装),膜组件为美国GE公司生产的DK1812纳滤膜组件，有效膜面积0.32m2；电导率仪(DDS-ⅡA型，上海雷磁新泾仪器有限公司)，薄层扫描仪(CS-9301PC型，日本岛津)，红外烘干仪(WS70-1型，上海吴淞五金厂)，万分之一电子分析天平，蒸发皿、烧瓶、烧杯，量筒，秒表，漏斗，滤布(200目)。
1.3实验方法
1.3.1测定膜浓缩透过液通量的方法：从膜分离实验机透过液出口量取透过液，利用量筒和秒表，测定单位时间内得到膜浓缩的过膜透过液体积，或测定得到单位体积的膜浓缩透过液所需耗费的时间，再通过以下公式计算通量J(L/m2?h)：
J=V/S×T
式中：V为透过液的体积，L；
S为膜面积，m2；
T为时间，h。
1.3.2判断膜完好性的检测方法：取硫酸镁试剂，加入纯水中，配制成浓度为0.2%的溶液，加压至1.0MPa进行过膜，对过膜前的硫酸镁溶液和加压30分钟后过膜的透过液分别取样，测定各自电导率，再通过以下公式计算截留率M(%)，重复取样测定，若都是截留率M≥90%，则表明膜无泄漏是完好的(纳滤膜对二价及多价盐的截留率均在90%以上)。
M=(1-D2/D1)×100%
式中：D2为透过液的电导率，us/cm；
D1为过膜前硫酸镁溶液的电导率，us/cm。
1.3.3判断溪黄草药用成分是否截留的鉴别方法[1]：取溪黄草对照药材0.2g，加水50ml，加热回流30分钟，放冷，离心，取上清液，用乙酸乙酯振摇提取2次，每次40ml，合并乙酸乙酯液，蒸干，残渣加甲醇2ml使溶解，作为对照品溶液。以膜浓缩的过膜透过液为供试品溶液，按照薄层色谱法（《中国药典》2010版一部附录ⅥB）进行试验，吸取上述两种溶液各2～5ul,分别点于同一硅胶GF254薄层板上，以三氯甲烷-丁酮-乙酸乙酯-甲酸（10∶1.5∶3∶0.5)为展开剂，展开，取出，晾干，在紫外光灯（365nm)下检视。若溪黄草的主要药用成分能被纳滤膜完全截留，则供试品色谱中，在与对照品色谱相应的位置上，应无相同颜色的荧光斑点。
1.3.4浓缩倍数的测算方法：可同时用二种测算方法对实验数据进行校核。
1.3.4.1直接称量法：对溪黄草提取液、膜浓缩的过膜透过液分别直接称重或量取体积，并通过以下公式计算浓缩倍数N：
N=G1/(G1-G2) 或 N=V1/(V1-V2)
式中：G1为过膜前提取液的总重量，kg；
G2为过膜后透过液的总重量，kg；
V1为过膜前提取液的总体积，L；
V2为过膜后透过液的总体积，L。
1.3.4.2固含量折算法：取溪黄草提取液、过膜后的浓缩液，用红外烘干仪烘至恒重，精密称重，分别测定固含量W(%)，然后通过以下公式计算浓缩倍数N：
N= W2 / W1
式中：W1为溪黄草提取液的固含量，%；
W2为过膜后浓缩液的固含量，%。
2 结果与讨论
2.1膜的选择 膜选择的目的是确定一种适合的膜，该膜需要同时具有较大的透过液通量和对溪黄草药用成分的较高截留率，因此，在膜选择过程中，透过液通量和药用物质成分的截留率越大越好。根据文献[2]报道的溪黄草药用物质成分和市售各类纳滤、反渗透商品膜的型号性能，并考虑到药品注册法规和GMP对中药浓缩工序的要求，确定应采用截留分子量≥200的纳滤膜或反渗透膜，经测试透过液通量及考察透过液中药用物质是否有泄漏，最后选择了美国GE公司生产的DK系列纳滤膜组件。
2.2纯水透过通量及膜截留率测定 纯水和0.2%MgSO4溶液的透过通量如表1：
表1：
图1表示的是在溪黄草提取液浓度、料液温度、操作压力保持不变的情况下，透过液通量随时间的变化，这表明在较长时间的膜浓缩实验过程中，由于浓差极化的原因，纳滤膜出现了污染和劣化的现象，所以，纳滤膜在膜浓缩实验结束后应清洗再生。
2.4纳滤浓缩的单因素实验 在测定了纯水通量、膜截留率、提取液透过通量之后，进行了纳滤截留的单因素实验，3个因素分别为料液浓度、料液温度及操作压力，目的在于研究各因素对纳滤浓缩溪黄草提取液过程的影响。
2.4.1料液浓度的影响 在常规错流模式的膜浓缩过程中,料液的浓度与浓缩的速度都是在不断变化的,随着时间推移,料液的浓度不断变大,而浓缩的速度却不断降低；这主要是因为随着浓缩倍数的增加,提取液中的大分子物质的滞留,造成部分膜孔被阻塞,膜表面浓差极化作用加强,而导致浓缩速度下降[3]。而本实验是采用中科院的新型膜过滤-汲取集成专利技术[4]，膜浓缩过程中,料液浓度是固定不变的，溪黄草提取液的固含量通常在0.6%～1.5%之间，料液浓度一直保持在较低水平，因此能减轻膜污染的程度。但通过采用不同浓度的溪黄草提取液来进行膜浓缩试验，也同样证明，在其他操作条件相同的情况下，料液浓度对透过液通量有较大影响，浓度增大，透过液通量显著减小。
2.4.2料液温度的影响
图2 温度对透过液通量的影响
从图2的试验结果可以看出，在其他操作条件相同的情况下，料液温度越高，透过液通量越大；但考虑到料液温度过高，纳滤膜及膜组件易老化损坏、使用寿命缩短，同时也会影响膜对溶质的截留效果，因此，在膜浓缩过程中，应控制料液温度不超过40℃为好。
2.4.3操作压力的影响 通过试验也表明，在其他操作条件相同的情况下，操作压力越高，透过液通量越大；但综合考虑膜材料及密封件的使用寿命和能耗等因素，溪黄草提取液膜浓缩时的操作压力最好不要超过2.5MPa。
2.5浓缩倍数
表3 多批溪黄草提取液膜浓缩情况表
从表3多批溪黄草提取液的膜浓缩情况可以看出，溪黄草提取液采用膜分离预浓缩的效果良好，浓缩倍数至少可达到4倍，甚至7倍以上，也就意味着过膜后至少可去除掉75%以上的水；但综合考虑若提高浓缩倍数，会带来操作时间延长、操作压力增高、膜污染后清洗难度增加等问题，因此，实际生产应用时的浓缩倍数应以不超过5倍为宜。纳滤膜使用完毕要及时清洗，并且不能等到膜通量下降到很低的时候才清洗，这样不利于膜的恢复。
2.6初步工艺设计 溪黄草提取液膜分离预浓缩用于工业化大生产的工艺路线可初步设计如图3：
2.7能耗及成本 根据相关研究文献[5]-[7]的记载，中药提取液采用膜浓缩，可有效节约能源，并降低浓缩过程中物料的损失率。用双效浓缩设备的传统蒸发浓缩方法，每蒸发一吨水需耗蒸汽约0.7吨，蒸汽的成本约200元/吨；按上述初步的工艺设计，以2m3/h的溪黄草提取液处理量计算，采用膜方法脱水直接成本约2元/吨，膜设备按一年折旧，其他按10年折旧，折旧费用约24元，则膜浓缩的吨水成本约26元，仅占加热蒸发方法的直接蒸汽成本的18.6%（不考虑多效蒸发装置的耗电量和折旧），膜浓缩的节能可达到80%以上，按9600吨的溪黄草提取液年处理量，每年可降低直接蒸汽成本约一百万元左右；同时还可提高收率、减少排污，节能降耗效果较显著。
3 结论
⑴膜浓缩透过液通量受料液浓度、料液温度、操作压力等因素的影响，降低料液浓度、提高温度、提高压力可以提高透过液通量。
⑵溪黄草提取液通过膜分离装置预浓缩后，可去除掉大部分水，膜浓缩后的浓液再通过真空浓缩器，就可很快进入浓缩、收膏阶段；一方面可提高生产效率、减小锅炉的供汽负荷，节约能耗；另一方面还能缩短药液在浓缩时的受热时间，避免药用有效成分降解，提高药品质量。
⑶膜分离技术用于溪黄草提取液的预浓缩具有传统方法无法比拟的优点，对提高中药制剂质量、提高生产效率、节能降耗、降低环境污染等方面均有积极作用，该方法能节约能耗、降低成本、收率高、质量好，安全可靠，具有经济竞争力。
参考文献
[1]国家药典委员会.中国药典（一部）[S] .北京：中国医药科技出版社，2010：1031
[2]郑琴，崔炯谟，傅宏征.溪黄草的化学成分研究[J].中国中药杂志，2011，16：2203-2206
[3]王频衣等.纳滤膜浓缩绿茶提取液的研究.农业工程学报，2001,17 (4):5～10
[4]万印华，陈向荣，苏志国，等.利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法及其装置：中国，200710064721.9[P].2011-06-01
[5]杨祖金,袁雨婕,葛发欢,等.纳滤技术在中药浓缩中的应用[J].中药材，2008,31(6):910-912
[6]苏薇薇,王永刚,刘忠政,等.现代中药制药生产中的膜分离技术及其装备.世界科学技术，2009,11(6):906-911
[7]纪晓声,楼永通,高从堦.膜分离技术在中药制备中的应用.水处理技术，2006,32(3):11-14
论文作者:李骁翾,曲刚
论文发表刊物:《医药前沿》2013年12月第34期供稿
论文发表时间:2014-1-15
标签：通量论文; 滤膜论文; 提取液论文; 浓度论文; 膜分离论文; 操作论文; 温度论文; 《医药前沿》2013年12月第34期供稿论文;