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膜分离技术概述

   日期:2013-03-09     来源:发酵设备网    浏览:1154    评论:0    
核心提示:一、概述药物有效成分提取的传统方法主要是首先采用有机溶剂萃取,然后通过层析、重结晶等分离技术使有效成分的纯度进一步提高,
一、概述

药物有效成分提取的传统方法主要是首先采用有机溶剂萃取,然后通过层析、重结晶等分离技术使有效成分的纯度进一步提高,最后应用于临床。传统方法存在以下方面的问题:首先,提取过程中有效成分可能与有机成分发生作用,使其失去原有效用,如采用醇沉工艺时,有效成分损失率有时高达60%。而且,大量有机溶剂的使用既提高了生产成本,又造成了环境污染;第二,提取过程多而复杂,技术要求苛刻,能耗高,生产周期长,特别是有效成分含量太低时,提取就变得十分困难;第三,无效成分不能很好的去除,浓缩率不够高,口感差,临床疗效不能得到充分的发挥;第四,分离过程常采用高温操作,从而会引起热敏性成分的大量分解;第五,过分注重单个组分的作用,使中药失去了原有的复方特色,影响药效。传统方法的上述缺陷使其难以满足国际市场及患者对药品质量(包括内在质量如重金属和残留农药成分等以及外在质量如剂型和外观等)的日渐苛刻的要求,也因高新技术含量太低缺乏国际竞争力。

膜分离在工业上的应用以1925年sartorious公司成立滤膜公司为起点,此后差不多每十年就有一项新的膜分离得到研究和应用开发。如20世纪30年代的微滤,40年代的渗析,50年代的电渗析,60年代的反渗透,70年代的超滤,80年代的气体分离,90年代的渗透蒸发(渗透汽化),尤其是1960年Loeb和Sourirajan首次研制成用于反渗透过程的非对称膜,在膜分离技术中是一个重要的里程碑,膜分离技术自此进入了大规模工业化应用的时代。

自20世纪90年代以来,膜分离技术以其高效、节能、绿色等特点在中药制剂生产中的应用越来越多。然而,由于对中药药理了解不够清晰,鉴定方法不够系统,对膜分离过程认识肤浅等原因,膜分离技术至今还没有在中药制剂生产中发挥其应有的作用。然而,其在中药有效部位和有效成分的提取分离中有显著的优势和良好的前景。膜技术在中药制剂生产中应用的关键问题包括设计制造适用于中药工业化生产的专用膜装置,制定膜工艺和产品的质量控制标准和找到在中药生产流程中的最佳切入点。

二、膜分离

2.1 膜分离过程的概念和分类

膜分离过程是用天然的或合成的、具有选择透过性的薄膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时,原料侧液体或气体混合物中的某一或某些组分选择性的透过膜,以达到分离、分级提纯或富集的目的。通常膜原料侧称膜上游,透过侧称膜下游。

各种膜分离过程尽管有不同的机理和适用范围,但是有许多共同点。

① 膜分离过程通常是一个高效的过程。例如,在按物质颗粒大小分离的领域,以重力为基础的分离技术最小极限是微米,而膜分离却可以做到将相对分子质量为几千甚至几百的物质(相应的颗粒大小为微米)进行分离,难分离的混合物有时仅比一稍大一些,而膜分离的分离系数要大的多,有时甚至是无穷大。

② 大多数膜分离过程无相变发生,且通常在室温下进行,能耗通常较低,特别适用于对热敏物质的分离、分级、浓缩与富集。膜分离可以保证不发生局部过热现象,大大提高了药品使用的安全性。

③ 膜分离过程一般无需从外界加入其他物质,从而可以节约资源和保护环境。

④ 膜分离过程可以实现同时分离与浓缩、分离与反应,从而大大提高了分离效率。

⑤ 选择范围广,适用性强。膜分离过程不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范围的有机物和无机物的分离,而且适用于许多由理化性质相近的化合物构成的混合物如共沸物或近共沸物的分离。膜分离技术作为成熟的工业技术已经有广泛的应用和分类(反渗透、超滤、微滤、渗析等)为适用于各种药品生产的需求提供了广阔的选择空间。

⑥ 膜分离设备本身没有运动的部件,工作温度又在室温附近,所以很少需要维护,可靠度很高。操作十分简便,而且从开动到得到产品的时间非常短,可以在频繁的启、停下工作。

⑦ 膜分离过程的规模和处理能力可以在很大范围内变化,而它的效率、设备单价。欲行费用等都变化不大。

⑧ 膜分离由于分离效率高,通常设备的体积都比较小,而且膜分离可以直接插入已有的生产工艺流程。膜分离过程可以实现连续操作,易与其他分离过程结合,易自控和维修,易于放大。

以上特点决定了膜分离技术在制药工业中有广泛的用途。其应用和推广对于我国中药产业的现代化发展和赶超世界先进水平来说,具有非常现实和深远的战略意义。膜分离过程研究和开发的出发点或者着眼点是膜的选择透过性,膜分离过程的生产能力以及操作可靠性。

表1 膜分离技术类型

类型 推动力适用的分离范围 分离机理应用

微滤 压力差 0.01-10微米

超滤 压力差0.001-0.01微米

纳滤 压力差 切割分子量200-1000

反渗透 分离物的分压 分离物浓度在0.1%~10%

渗透汽化 浓度差离子极

透析 分压差

分离物在膜中的相对溶解度 筛分

筛分

吸附-扩散

吸附-扩散

吸附-扩散

筛分和吸附-扩散

吸附扩散 除颗粒物及细菌

除病毒、热原和蛋白

分子的浓缩

无机盐、金属离子等的去除

水/有机物,有机物/有机物分离

血液净化

富氧的制备

2.2膜分离技术的基本原理

物质通过膜的传递时,根据膜的结构和性质等的不同,其机理也不相同。任一组分通过膜的传递都受到膜两侧的自由能差或者化学位差所推动。这些推动力可能是位于膜上游侧和下游侧的压强差、电位差、或这些因素的综合差异。

① 筛分机理

筛分机理是一种较为理想化的机理。把膜的表面看成具有无数微孔,正是这些实际存在的不同孔眼像筛子一样截留住那些直径相应大于它们的溶质很颗粒,从而达到分离目的。其分离机理主要依据分子大小的差异。主要用于纳滤、超滤、微滤过程中。

② 溶解—扩散机理

假设溶质和溶剂都能溶解与膜中,然后各自在浓度差或压力差造成的化学位差推动下扩散通过膜,再从膜下游解吸。溶质和溶剂在膜相中溶解度和扩散性的差异强烈的影响着他们的通量大小。第一步,溶质和着溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解;第二步,溶质和溶剂之间没有相互作用,它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散方式(不存在溶质和溶剂的对流传递)通过膜;第三步,溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。该机理最适用于应用致密膜的传质,如反渗透、渗透蒸发等。

③ 孔流模型

若将流体通过膜孔的流动视为毛细管内的层流,则其流速可用Hagen-Poiseuille(均匀圆柱孔)或Darcy定律(复杂结构孔)表示。流过这类膜时,一般不发生组分分离,除非某种组分由于大小或电荷原因被膜孔物理的排斥。

④ 优先吸附——毛细管流动模型

当水溶液与具有微孔的亲水膜相互接触,由于膜的化学性质,使它对水溶液中的溶质具有排斥作用,结果,靠近膜表面的浓度梯度急剧下降,从而在膜的界面上形成一层被膜吸附的纯水层。这层水在外加压强的作用下进入膜表面的毛细孔,并通过毛细孔流出。该模型主要用于反渗透脱盐、渗透蒸发透水等。

超滤

3.1超滤简介

超滤是利用孔径在1~100nm左右的膜,通过筛分作用,选择性透过溶剂和某些小分子溶质的性质,对料液侧施加压力(操作压差范围大约在0.9MPa~1.0MPa),使大分子溶质或细微粒子从溶液中分离出来的过程。超滤是一种机械分离方法,只有小于0.002μm粒子、水、盐糖和芳香物等能够通过超滤膜,超滤膜空隙尺寸在15~1000埃,过滤粒子尺寸范围0.002~0.2μm。采用的滤膜较反渗透膜粗,类似盐、糖的溶质能够通过滤膜,蛋白质等大分子的溶质被隔在膜外,超滤的滤膜分子量吸收限制值在500至几十万道尔顿,直径大于0.1μm的溶质,如蛋白质、果胶、脂肪及所有微生物,尤其是酵母菌、霉菌,不能通过超滤膜。一般认为,超滤是一种筛孔分离过程,以压力或浓度为驱动力,进行固液分离,或将大分子溶质与小分子溶质进行分离。由于超滤膜具有不对称微孔结构,采用磨擦流道和湍流促进结构以减少膜污染,使得在分离过程中大分子溶质和微粒(如胶体、淀粉等)随溶液切向流经膜表面,小分子物质和溶剂则在压力驱动下穿过致密层上的微孔而进入膜另一侧,因而超滤膜可以长期连续使用并保持较恒定的产量和分离效果。在超滤中,大分子溶质或被吸附在过滤膜的表面上和孔中(基本吸附),或被保留在孔内或者从孔内被排除(堵塞),或机械地被截留在过滤膜的表面上(筛分),被脱除的物质大都在表面上,易于清除。这也是非对称超滤膜的优点。

超滤膜的组件类型主要有板框式膜、中空纤维膜、卷式膜以及管式膜等几种。目前的超滤膜大多为有机高分子膜,无机的陶瓷超滤膜也开始应用,且无机膜因其可再生、易清洗、耐酸碱等特点,更适于条件苛刻的情况使用,尤其是在生物制药的生产过程中。

3.2超滤膜分离技术在医药工业中的应用

3.2.1在中药制剂中的应用

中药的化学成分非常复杂,通常含有无机盐、生物碱、氨基酸和有机酸、酚类、酮类、皂苷、甾族和萜类化合物以及蛋白质、多糖、淀粉、纤维素等,其相对分子质量从几十到几百万道尔顿不等。中药在制剂时除了要保留有效成分外,还要尽可能除去鞣质、蛋白质、淀粉、树脂等杂质。传统的中药制剂工艺方法如蒸馏法和沉除法等,不仅杂质不易除尽,而且容易损耗有效成分,此外还需要消耗大量的有机溶剂,对环境污染较大。一般来讲,高相对分子质量物质主要是胶体和纤维素等非药用性成分或药用性较差的成分,药物有效部位的相对分子质量一般较小,仅几百到几千道尔顿。由此不难分析出,基于筛分机理的超滤技术非常适合于中药有效部位和有效成分与非药用性成分或药用性较差的成分的分离。采用膜分离技术,可以达到有效去除杂质、保留有效成分的目的,而且对环境污染较小。

超滤技术应用于中药制剂的精制过程,与传统的醇沉法相比,具有明显的优越性。首先,超滤为物理过程,不加入化学试剂,对药物有效成分影响小,同时能减轻环境污染。其次,超滤方法操作简单,可缩短生产周期,节约成本。由于膜分离技术能最大限度地除去高相对分子质量非药效成分或低药效成分,因而是降低中药制剂服用剂量、改善制剂的口感和成品质量的有效方法。同时通过滤除在溶液中不稳定的胶团、大分子等杂质、热原、鞣质,提高了液体制剂(如注射液、口服液)的澄明度,提高了注射液的安全性。且超滤时无相变,有利于保存中药的生理活性及理化稳定性。近年来,超滤技术在中药领域已有较多的成功范例。

3.2.1.1 中药提取液的纯化

桂枝茯苓胶囊是一种主要用于治疗妇女子宫肌瘤、慢性盆腔炎性包块等妇科常见多发病的用药。江苏康缘药业(前身是连云港中药厂)应用微滤和超滤膜分离技术精制桂枝茯苓胶囊,使活性成分苷类、酚类等在常温环境下实现物质分离,有效脱除杂质。此工艺既克服了常规分离法容易造成相对分子质量小于1000的活性物质的流失、无效大分子(相对分子质量大于5×10)不易分离的缺点,又不引起成分变化,无二次污染,丰富了中药成品的精制手段,具有很大的潜在优势。

于涛等使用超滤技术对银杏叶黄酮类化合物的提取产品进行精制,超滤后产品中黄酮质量分数由5.96%提高到了33.99%。

3.2.1.2浸膏制剂的制备

目前浸膏制剂的制备工艺是先提取中药材中有效成分,再经过过滤、浓缩、干燥,制成片剂或丸剂。所得的制剂中常含有大量杂质,如淀粉、多糖、蛋白质、树脂等,使得浸膏制剂存在崩解缓慢、服用量大等缺点。超滤法去除了淀粉、蛋白质、树脂等高分子无效成分,使崩解速度加快,而且在有效成分含量基本相同的前提下,服用量比常规方法制得的浸膏减少1/3~1/4。

郭立玮等将大孔树脂吸附和超滤联用,精制六味地黄丸,得到的提取物质量只有原药材的4.0%,而70%~76%的有效成分被富集。结果表明,两者联用可发挥各自的优势,适用于中药复方的精制。

3.2.1.3 口服液的生产

杭州市胡庆余堂制药厂的产品“人参精口服液”,传统工艺中冷冻过滤的环节能耗大、过滤效果差、产品质量不稳定。通常产品在常温下放置一定时间后即产生沉淀,影响了产品的外观质量,成为制约该产品出口的一大难题。用超滤单元取代原工艺中的冷冻过滤,不仅提高了产品的质量,解决了产品稳定性的问题,而且节省了能源。

金钱通淋口服液传统的制备工艺为水提醇沉法,此工艺存在乙醇用量多、耗时长、产品黏度大、色泽深、稳定性差等不足。采用超滤膜分离新工艺后,药液色泽大为改观,为红棕色,澄明度好,无有机溶剂消耗,药液稳定性好。

3.2.1.4 注射剂的制备

超滤法制备中药注射剂,以水为溶剂,工艺流程简便,生产周期短,可代替传统方法。如复方丹参注射液,原工艺水醇法,生产周期12~30d,超滤法缩短至2、3d,而且节省了大量乙(相当配制量5、6倍),有效成分含量超滤产品较其他方法高015~1倍。杭州中药二厂和第二医大学长海医院在采用超滤法制备中药注射液方面均获得了成功。

许桂艳等应用超滤膜分离技术生产双黄连注射液,与原工艺相比,药液颜色稍浅,成品验各项指标合格,能有效地除去热原,提高产品质量。经破坏性实验及留样观察、加速实验证明比原工艺生产的产品更具稳定性。

3.2.1.5 热原(内毒素)的去除

热原对人体的危害相当大,热原注入人体能引起急性高烧、寒战和白细胞增高,有的发生急性休克甚至死亡。

膜分离法是一种除热原的新技术,并正在中药行业中推广应用。目前主要用于去热原注射用水和注射液的制备。美国和日本等国的药典已允许大输液除热源采用超滤技术。

3.2.2在维生素C生产中的应用

我国首创的生产维生素C(以下简称Vc)二次发酵法,是使山梨醇直接发酵制备Vc中间体2-酮基-L-古龙酸(钠),全工艺包括发酵、提取和转化三大步骤。由于采用细菌发酵,发酵液中残留着菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质。板式超滤技术应用于Vc生产工艺流程后,发酵液不需经过预处理,直接进入超滤系统,既简化了工序、降低了成本,又提高了收率,各项性能指标均达到(部分超过)进口设备的性能指标。采用超滤膜分离新设备———Sun-flo超滤膜分离系统一步截留不经预处理的维生素C发酵液中的菌丝体、蛋白质和悬浮的固体颗粒等杂质。滤液质量高、过滤收率高达99.24%。

3.2.3在抗生素提炼中的应用

在传统的抗生素生产过程中,要经过过滤、萃取、浓缩、结晶等工艺过程,存在过程冗长、收率低、能耗大等缺点。采用膜分离技术可以克服这些缺点。目前,国内外有不少研究者在膜分离技术应用于抗生素生产方面做了大量工作。河北科技大学环境科学与工程学院的王亚卿等人研究发现,PES-10超滤膜对土霉素的分离具有特殊的性能,它能去除绝大部分的蛋白质及影响色度的色素分子,对土霉素的截留率较大,透过液结晶色泽较好,且母液中土霉素含量低、损失少,还提高了结晶过程的收率及纯度。江南大学的韩少卿等人在螺旋霉素工业生产中应用超滤、纳滤技术提取螺旋霉素,其收率可达76.3%,大大高于传统溶媒提取收率,产品质量也符合要求。此外,超滤分离技术在头孢菌素、硫酸(双氢)链霉素、红霉素、硫酸卡那霉素、青霉素等抗生素的生产中也得到广泛应用。

3.3超滤膜技术的应用前景

膜分离技术被认为是20世纪末到21世纪最有发展前途的新技术之一。近年来,膜技术特别是超滤技术在医药工业中已经得到了广泛的应用,呈现良好的发展势头,虽然目前多处于试验阶段,但发展的潜力很大,前景很乐观。特别是随着药品质量要求的不断提高,以及降低生产成本的需要,膜技术优势越来越明显,其必将取代传统低效的技术,在医药行业中得到更加广泛的应用。

纳滤

4.1 纳滤简介

纳滤是一种相对较新的压力驱动膜分离过程,它通过膜的渗透作用,借助外界能量或化学位差的推动,对两组份或多组分混合气体和哦液体进行分离、分级、提纯和富集。它介于反渗透与超滤之间,能分离除去分子量为300~1000的小分子物质,填补了由超滤和反渗透所留下的空白部分。

20世纪70年代,以色列脱盐工程局提出了一个新名词——杂化过滤——来描述介于反渗透和超滤之间的过程,这就是纳滤的最初定义。20世纪80年代初,纳滤膜继反渗透膜之后开发出来。20世纪90年代初,纳滤膜在脱盐、浓缩、给水排水的处理等方面得到了广泛的应用,国内对纳滤膜的机理和应用研究起步于20世纪90年代。

4.2 纳滤的应用

纳滤主要用于一下一些场合:①高分子量与低分子量有机物的分离;②有机物与小分子无机物的分离;③溶液中不同价态的离子的分离;④盐与其对应酸的分离;⑤对单价盐并不要求很高的截留率的分离等。

4.2.1 低聚糖分离精制

低聚糖具有很好的保健功能,因而得到愈来愈广泛的应用。天然低聚糖通常是从菊芋或大豆中提取。大豆低聚糖从大豆乳清中分离得到。Matsubara等人研究从大豆废水中提取低聚糖。他们用超滤分离去除大分子蛋白,反渗透除盐和纳滤分离低聚糖,大大提高了经济效益。合成低聚糖则通过蔗糖的酶化反应制取。采用纳滤技术可以除去原料蔗糖和另一产物葡萄糖,甚至在很高的浓度区域实现三糖以上的低聚糖同葡萄糖、蔗糖的分离和精制,而且大大降低了操作成本。

4.2.2 多肽和氨基酸的分离纯化

离子和荷电膜之间存在道南效应。氨基酸和多肽带有离子官能团,在等电点时中性,在高于或低于等电点时带正电荷或者负电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团,基于静电相互作用,对离子有一定的截留率,可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于等电点的氨基酸和多肽等溶质的截留率几乎为零,而对于低于等电点的氨基酸和多肽等溶质的截留率表现出较高的截留率。目前,用纳滤膜和超滤膜直接浓缩肽和多肽,不仅不会使其受破坏,节约有机/水淋洗液,而且可将小分子的有机物和盐除去。

4.2.3 抗生素的分离纯化

纳滤技术可从两方面改进抗生素的浓缩和纯化工艺。

①用纳滤膜浓缩未经萃取的抗生素发酵滤液,除去可自由透过膜的水和无机盐,然后再用萃取液萃取,这样可大幅度提高设备的生产能力,并大大减少萃取剂的用量。

②用溶剂萃取抗生素后,用耐溶剂纳滤膜浓缩萃取液,透过的萃取剂可循环使用,这样可节省蒸发溶剂的设备投资费用以及所需热能,同时也可改善操作环境。

纳滤膜已经用于VB12的回收、浓缩以及红霉素、金霉素、万古霉素和青霉素的浓缩和纯化过程中,日益显示出其高效、经济的分离特色。

4.2.4 其他制药工业

纳滤膜的表面分离层由聚电解质所构成,对离子由静电相互作用而达到分离目的,能截留糖类低分子有机物和多价盐(如MgSO4),对单价盐的截留率为10%~80%,而二价及多价盐的截留率均在90%以上。

杭州水处理中心采用钠滤技术改进生产工艺,建造了12m3·d的中药醇提取液和24m3

•d-1的中药水提液纯化设备。原生产工艺由于采用三效蒸馏,酒精损耗量较大(损失20%~30%),多级蒸馏的效率低,蒸汽耗量较大,蒸汽量人为控制,温度波动较大,从而导致药品的量也随着波动。采用纳滤膜分离技术后,浓缩过程中能耗降低;透过膜的酒精浓度没有变化,直接回收利用,每天节约的酒精量约为1500kg,价值约1万元;对皂苷的截留率达到99.5%以上由于在常温条件下分离,无相变运行,药品的质量也更稳定;分离效率提高,使生产周期缩短到原来的1/3~1/5,给企业带来较显著的经济和环境效益。

肖文军等利用截留分子质量为2500u的纳滤膜分离七叶参皂苷,可制得纯度为42%以的七叶参皂苷产品。选择截留分子质量为500u的纳滤膜对纳滤分离液进行浓缩,可进一步提高七叶参皂苷的纯度。

4.2.5 饮用水制备

纳滤最大的应用领域是饮用水的软化和有机物的脱除。在水中,硫酸和碳酸的钙、镁盐产生了水硬度,通过两步纳滤分离过程,残余水中含有大部分的硫酸盐和碳酸盐,这些水被排放,进一步的氯处理便可制成标准饮用水。

纳滤膜只需较低的操作压力,从而降低了生产成本。同时,在泵和管道设计方面,与反渗透相比,均可节省许多费用,操作和维护相当于反渗透膜,但是,价格昂贵的纳滤膜却抵消了技术成本上的优势。

4.2.6 超纯水制备


, 超纯水水中须无杂质颗粒、细菌残尸,且TOC含量要少于5ng/g,而具有低接触角的带负电性的纳滤膜能很好的降低TOC的含量,达到超纯水要求。但由于膜材主要为有机高聚物,所以对TOC含量会带来一定的负面影响,因而以采用多级纳滤膜分离为宜。

五 微滤

5.1 微滤概述

膜微滤(MF)是膜分离技术的重要组成部分,是一种精密过滤技术,主要基于筛分原理,它的孔径范围一般为0.1~75μm,介于常规过滤和超滤之间。从二十世纪50年代至今,世界膜微滤技术得到了迅速的发展,应用范围从实验室的微生物检测急剧发展到制药、医疗、航空航天、生物工程微电子、环境检测、饮料和饮用水深度处理等广阔的领域,全世界MF膜的量一直居于领先地位。我国微滤膜的研究始于20世纪70年代初,目前已在工业纯水、超滤水的终端过滤、矿泉水、纯净水的除菌过滤、大输液用水的过滤和家用净水器等领域得到了广泛的应用,已初步形成我国自己的微滤产业。

中药是我国的传统医学,由于中药的成分非常复杂,含有大量的鞣质、蛋白、淀粉、树脂等无药效的大分子。而现在中药的生产大多为传统工艺,如水醇法、改良明胶法等,生产

成本高生产周期长,易降低药效,杂质含量高,澄清度低,稳定性差。膜微滤能有效地去除比膜孔大的微粒子和微生物,而且在分离时不受热、具有能耗低、无二次污染、分离效率高等特点,在中药工业中既可用于中药液体制剂的澄清又可用于中药的精制。随着膜微滤在中药制备中的应用与研究,必将推动中药工业现代化的进程。

5.2 微滤的应用

微滤膜是膜分离技术的重要组成部分,是一种精密过滤技术,主要基于筛分原理。它的孔径范围一般为0.1~75μm,介于常规过滤和超滤之间,主要用于药液的澄清,实现固态微粒、胶体粒子等与水溶性成分分离。

5.2.1 微滤在中药制剂中的应用

采用陶瓷微滤膜错流过滤技术澄清中药药液,不仅显示了技术上的可行性,也显示了技术上的优越性。其优点在于:适用范围广,使用寿命长;能耗低、无二次污染;微粒、亚微粒及悬浮杂质等去除彻底,渗透液质量好;膜再生方便且可蒸汽原位消毒。澄清后的药液可直接超滤处理,由此可开发出中成药制备的膜分离工艺;无需超滤处理的口服药液经澄清后便可直接灌装为成品口服液。

高红宁等用无机陶瓷微滤膜对苦参水提液进行微滤澄清研究,对水提液微滤前后在性状、固形物、指标成分等方面进行对比分析。苦参水提液微滤前为深黄色的浑浊液体,微滤后成为颜色变浅的澄清透明液体。苦参水提液中固形物去除率为39.50%,有效成分的保留率优于醇沉法。

5.2.2 中药精制

目前中药的精制多以成分间极性差异(溶剂沉淀或萃取、吸附分离等)为基本原理分离杂质,存在较多不足。膜分离方法则以成分间分子量差异为分离原理,其在中药精制中的应用,目前主要是针对口服液或注射液,以滤除细菌、微粒、大分子杂质(胶质、鞣质、蛋白质、多糖)等,或脱色为主,这方面的应用,可望取代水醇法。郭立玮等用陶瓷膜分离仪(孔径0.25μm,南京化工大学膜科学研究所研制),进行了水醇法与膜分离法精制山茱萸中药制剂的比较。他们以复方山茱萸制剂、抗厥注射液和单味山茱萸煎剂为例,比较研究不同浓度水醇法与不同孔径微滤膜分离澄清中药制剂对其所含成分的影响。得到(1)膜分离澄清技术可用于单味药材的水煎液,也可用于中药复方制剂,单、复方中山茱萸有效成分马钱素保留情况相似;(2)从药液去杂质程度(固形物减少量)来分析,无机陶瓷微滤膜(0.25μm)处理药液,其澄清效果相当于40%醇浓度处理;(3)膜分离方法对中药药液中的糖类杂质(多糖、糖蛋白等)的去除比醇沉法更有效等有意义的结论。

郭立玮等通过研究得出,采用陶瓷膜微滤作为预处理技术对中药水提取液直接进行澄清处理,可有效地减少了水提液中悬浮杂质对树脂的毒化作用,提高单位树脂的吸附容量。陶瓷膜微滤操作简单,单元操作周期短,省去了大量乙醇浓缩蒸发过程,适合于工业化生产。微滤-大孔吸附树脂联用技术可以有效地除去杂质,提高精制产物有效(指标)成分含量,是中药精制的新方法。

5.2.3 纯水的制备

微孔滤膜在纯水制备中的用处主要有两方面。一是在反渗透或电渗析前用作保安过滤器,用以清除细小的悬浮物质,一般用孔径3-20um的卷绕式微孔滤芯。二是在阳、阴离子交换柱后,作为最后一级过滤手段,用它滤除树脂碎片或细菌等杂质。此时,一般用孔径为0.2-0.0um的滤膜,对膜材强度的要求十分严格,且要求纯水经过膜后不得再被污染,电阻率不得下降,微粒和有机物不得增加。

六 反渗透

6.1 反渗透概述

6.1.1反渗透的工作原理

反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的截留,在高于溶液渗透压的压差的推动力下,使溶剂渗透过半透膜,达到溶液脱盐的目的。反渗透膜构造上在表层有一层很薄的致密层(0.1~

1.0μm),即脱盐层或活性层,在表层下部是多孔支撑层,厚度为100~200μm,活性层基本上决定了膜的分离性能,支撑层只是起着活性层的载体作用,基本上不影响膜的分离性能。

反渗透膜的孔径仅为1/10000μm相当于大肠杆菌的1/6000,病毒的1/3000,在高压的情况下,只有水分子能够通过反渗透膜,水中的细菌、病毒、无机化合物、有机化合物等都被拒于膜

外,并被高压水流冲出,而渗透到另一面的水即是纯净水。

6.2 反渗透的应用

反渗透在中药领域中主要用于药液的浓缩、各种无机盐的脱除和水的回用。

6.2.1 反渗透技术在水处理中的应用

自然渗透现象中,水分子从浓度低的溶液一侧透过半透膜往浓度高的溶液中迁移。当我们在含有有机、无机离子的地表水或地下水上加上外来的高压后,水分子在压力的驱动下由浓度高的溶液侧透过半透膜往浓度低的溶液一侧迁移,而离子、细菌等穿透半透膜的数量很少,这种现象就是反渗透。根据这个原理我们就可以从苦咸水中制取纯水,可以对污水进行处理。

孔祥国通过研究将反渗透应用于纯净水的制备,而在美国、加拿大、德国、韩国、日本等更是在军用水制备中就有应用反渗透技术。张福勇,张博通过研究得出双级反渗透技术在医院用水中的有一定的推广应用价值。魏扬城等通过研究更是得出了反渗透水处理设备在污水处理中应用只要工艺设计合理,优化操作系统,防止膜的污染,它在污水处理和污水回用方面可广泛应用的结论。

6.2.2 反渗透技术在口服制剂生产中的应用

刘长文等通过研究,提出了二级反渗透制纯水在口服制剂应用中,生产操作简单,运行稳定,连续生产效率高,不须酸、碱再生处理,电导率直接检测等等优点,做为一个新型的制纯化水设备,其优点正不断开发和利用,为促进制剂和其它行业的发展做出自己的贡献的观点。翟建文等对麻黄碱的反渗透分离特性进行了系统的研究,提出了生产中引入反渗透浓缩工艺。

膜分离技术存在的问题及解决方法

7.1膜的污染问题

由于中药液大都含有蛋白质、脂肪、纤维、鞣质及胶体物质,膜在操作时极易被污染和阻塞,造成膜通量锐减。而现有的清洗方法难以达到恢复通量的目的。所以料液的预处理及清洗成了膜技术应用的关键;另外,开发新型的不易被污染的膜材料及进行膜面改良也是控制膜污染的有效措施。

7.2 膜的选择问题

膜分离在生产中的应用日益广泛,但由于影响其因素众多,诸如膜材料的选择、膜分离时的压力、温度、药液浓度、流速等,需要对其工艺条件作更深入的研究和考察。

7.3 浓度极化现象

由于滤膜上筛孔极小,沉积在膜面的物质易形成一层等高浓度的凝胶层,使膜的通过速度和截流性能受到很大影响,称为浓度极化现象。应采取相应措施,如降低料液黏度;在超各

阶段合理的调节压力,分别采用恒速和恒压滤过;或与其他分离方法如澄清法、离心法联用等。

7.4 膜的性能有待提高

膜材料的品种少,膜孔径分布宽,性能欠稳定,如常用的亲水性膜材料对溶质吸附少,截留分子量较小,但热稳定性差,机械强度、抗化学药品性、抗细菌侵蚀能力通常不高,疏水性膜材料机械强度高、耐高温、耐溶剂、耐生物降解,但膜透水速度低、抗污染能力较低。另外,由于滤膜本身的孔径不可能完全均匀一致,滤过时部分微粒、热原从较大的滤孔滤出,从而导致初滤液不合要求。故应用时应采用多级超滤法来提高药液质量,并应研究开发性能优良的滤膜,克服其自身的缺点。

7.5 膜对中药复方成分的影响

由于中药及其复方具有成分多样性、作用多向性的特点,膜分离技术在中药及其制剂的应用中,对各类成分的影响及影响程度如何,是否有效的去除杂质,保留所需成分,是否保持了中医药的传统特色等,都是值得深入探讨的问题。加之滤膜成本高,故膜在中药现代研究中的应用尚待进一步研究推广。

八 展 望

膜分离技术在制药,特别是植物药开发、应用中愈加彰显优势。如何在21世纪将膜分离技术应用于植物药深加工工程研究、开发具有“天然组合化学库”的植物药,是植物药深加工工程研究人员的一项重要课题。目前,膜分离技术在植物药领域的应用多数还停留在实验室研究水平,其原因:①由于分离的药液大都含有蛋白质、脂肪、纤维素、鞣质及胶体物质,膜在操作时易被污染和堵塞,造成膜通量锐减。而现有的清洗方法难以达到恢复通量的目的,以致不能正常地运行,因此药液的预处理及膜的清洗成了膜技术应用的关键。②目前还未有商业化的膜成套设备适合于中药体系的分离,影响了该技术的推广。③膜分离技术在中药制剂领域中的应用缺乏系统的理论研究,对存在的问题难以深入了解和有效解决。值得注意的是,膜技术与其他技术集成联用,可充分发挥各自的优势,如大孔树脂吸附与超滤技术联用精制技术可显著提高六味地黄丸中丹皮酚和马钱素的含量。随着植物药深加工工程研究的不深入,膜分离技术必将在21世纪推动中药工业的发展中,为社会带来巨大的经济效益和社会效益。
 
标签: 膜分离
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