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曹云台 ,郭立玮 3 ,施栋磊 ,潘林梅 , 朱华旭 3
(南京中医药大学 中药复方分离工程重点实验室 ,江苏 南京 　210029)
摘 　要 :陶瓷膜因具有耐高温、化学稳定性好、孔径分布窄、强度高、易于清洗等优异的材料性能 ,在中药行业具有
普遍的适用性。该技术的推广应用将对我国中药加工工艺的变革产生重要影响。对近年来陶瓷膜精制中药技术
的研究进展 ,从陶瓷膜与其他精制技术的比较、陶瓷膜过程及其机制、膜污染与防治等方面进行简要的总结。
关键词 :中药 ;陶瓷膜 ;微滤 ;精制 ;膜污染与防治
中图分类号 :R28313 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :0253 2670 (2010) 02 0314 04
Advances in studies on ceramic membrane applied in Chinese materia medica ref ining
CAO Yun2tai , GUO Li2wei , SHI Dong2lei , PAN Lin2mei , ZHU Hua2xu
( Key Laboratory of Separation Engineering for Chinese Medicine Compound , Nanjing University
of Traditional Chinese Medicine , Nanjing 210029 , China)
Key words : Chinese materia medica ( CMM) ; ceramic membrane ; microfilt ration ; refining ; fouling
and cont rol of membrane
　　膜分离技术具有节能、高效、无相变化、耗能低、操作方
便、无二次污染等特点 ,是对传统分离方法的一次革命 ,被国
际上公认为 21 世纪最具有发展前途的一项重大高新技术 ,也
被认为是我国中药制药工业中急需推广的高新技术之一[1 ,2 ] 。
陶瓷膜因具有耐高温、化学稳定性好、孔径分布窄、强度高、易
于清洗等优异的材料性能 ,而在化学工业、石油化工、冶金工
业、生物工程、环境工程、食品、发酵和制药等领域有着广泛的
应用前景。其研究与开发工作长期以来一直受到发达国家的
·413· 中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 41 卷第 2 期 2010 年 2 月
3 收稿日期 :2009205206　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (30171161 ,30572374 ,30873449)
作者简介 :曹云台 ,男 ,硕士 ,从事中药复方分离工程、药物制剂新剂型与新技术的研究。　Tel :13914736531 　E2mail :yuntai @live. com3 通讯作者　郭立玮 (1948 —) ,福建上杭人 ,教授 ,博士生导师 ,从事以膜技术为主体的中药复方分离工程研究。
政府和一些公司的大力支持。我国在这一领域同样如此 ,从
20 世纪 80 年代开始 ,国家自然科学基金、国家高技术研究发
展计划 (“863”计划) 、国家重点科技攻关计划、国家重点基础
研究发展计划 (“973”计划) 均对陶瓷膜的研究与产业化工作
予以重点支持 ,促进了我国陶瓷膜的发展。
陶瓷膜应用发展到今天 ,呈现出新的需求特点 :在中药
产业开始获得规模化应用 ;而在生物制药行业 ,从有机酸、氨
基酸到抗生素 ,陶瓷膜系统普遍得到应用 ,成套装置的规模
一般在 500 m2 以上 ;在提高产品收率和质量、降低能耗和工
业废水量等方面 ,取得了极好的技术经济效益 [3 ] 。本文从陶
瓷膜与其他精制技术的比较、陶瓷膜过程及其机制、膜污染
与防治等方面对近年来陶瓷膜精制中药技术的研究进展进
行简要的总结。
1 　中药陶瓷膜精制技术的优势
目前 ,用于精制中药水提液的方法主要有醇沉法、絮凝
澄清法及大孔树脂吸附法等 ,其目的都是除去非药效高分子
物质。上述方法或可达到不同程度的精制效果 ,但都无一例
外的存在着有效成分的损失、精制程度不高等共性问题 ,且
还存在着各自的缺陷。如醇沉法时间长、成本高、产物在下
步成型困难 ;絮凝法、大孔树脂法因采用了化学分离介质 ,存
在着絮凝剂或树脂残留的问题。现代膜分离技术因其高效、
节能等优势正日益在中药制剂中得到应用 [4 ] 。特别是陶瓷
膜技术因具有上述提及的特点 ,尤其适合于中药水提液的精
制 ,在我国中药行业具有普遍的适用性 [3 ] 。
1. 1 　陶瓷膜技术与其他技术比较研究 :郭立玮等 [5 ] 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膜分离澄清中药制剂对其所含成
分的影响。结果表明 ,用无机陶瓷微滤膜处理药液 ,其澄清
效果相当于 40 %乙醇浓度处理 ,与 50 %～70 %乙醇浓度处
理效果相当的超滤膜截留分子在 1 ×103～1 ×104 。首次提
出了以膜技术部分代替传统醇沉工艺的可能性与有效性。
在此基础上开展了膜分离工艺对糖渴清总固体量及降血糖
作用的影响研究 [6 ] ,将陶瓷膜技术用于中药新药糖渴清的开
发 ,该品种已获得国家食品药品监督管理局的临床研究批
件 ,成为我国陶瓷膜法新工艺的首例中药新药。徐南平院
士 [3 ]认为该技术将对我国中成药加工工艺的变革产生重要
影响。
刘陶世等 [7 ]采用陶瓷膜微滤、超滤、醇沉、离心、絮凝、大
孔树脂吸附 6 种技术精制清络通痹复方水提液。以性状、青
藤碱损失率和杂质除去率为指标 ,对各技术精制效果进行对
比研究。发现 6 种技术均能使药液澄明度显著提高 ;除杂率
以树脂法最高 ,达 80 %以上 ,陶瓷膜微滤除杂率为 21. 7 % ,
小于醇沉和超滤 ,但高于絮凝澄清和高速离心 ;青藤碱损失
率以 AB28 树脂法最低 (6. 39 %) ,而 85 %乙醇沉淀法最高
(58. 44 %) ,陶瓷膜微滤法损失率为 15. 31 % ,小于超滤、醇
沉、高速离心和絮凝 ;树脂吸附液的色谱图与煎煮液色谱图
差别较大 ,但陶瓷膜微滤等其他 5 种精制液的色谱图与煎煮
液色谱图差别较小。因此 ,认为陶瓷膜微滤具有除杂率适
中 ,有效成分损失少 ,工艺简单等优点 ,是清络通痹复方水提
液的最佳精制技术。
韩燕全等 [8 ]采用苯酚2硫酸显色法测定六味地黄口服液
中多糖的量。比较微滤、超滤和醇沉法对六味地黄口服液中
多糖量的影响。3 种工艺六味地黄口服液多糖的量以葡萄
糖计分别为 8. 22、7. 04、7. 24 mg/ mL 。可见 ,经孔径为 0. 18
μm 微滤膜处理后的六味地黄口服液中多糖的量最高。
徐南平等 [3 ]将陶瓷膜技术引入中药口服液的生产 ,并将
新工艺与原工艺进行比较。结果采用陶瓷膜直接处理中药
水提液 ,有效地除去了药液中的大分子、鞣质及其他非药用
物质 ,提高了药液有效成分的量 ,使得产品的收率和品质得
到了显著的提高 ,生产周期由原来的 15 d 缩至 9 d。
1. 2 　陶瓷膜技术与其他技术联用研究 :高红宁等 [9 ] 采用陶
瓷微滤膜和大孔吸附树脂联用精制苦参水提液中总黄酮 ,并
与醇沉和大孔吸附树脂联用进行比较。结果发现微滤2大孔
吸附树脂法处理的苦参水提液中总黄酮的吸附率及除杂效
果优于醇沉2大孔吸附树脂法 ,而且操作简单、周期短 ,可以
有效地除去杂质 ,选择性地保留有效成分 ,是中药精制的新
方法。在此基础上 ,高红宁等 [10 ]又考察了陶瓷膜微滤2大孔
树脂法精制苦参中氧化苦参碱、苦参总黄酮的效果。结果表
明苦参提取液经微滤2大孔树脂法处理后 ,氧化苦参碱、苦参
总黄酮的保留率分别为 78. 88 %和 73. 4 % ,固形物去除率为
38. 95 %。说明微滤2大孔树脂法较醇沉法可更有效地保留
有效成分、去除杂质。
郭立玮 [11 ]比较了陶瓷膜微滤、高速离心和醇沉 3 种预
处理方法对 AB28 树脂吸附苦参水提液中总黄酮量及精制
效果的影响。发现陶瓷膜微滤法提高 AB28 树脂吸附苦参
总黄酮能力强于高速离心法 ,其精制总黄酮效果优于醇沉
法。陶瓷膜微滤可有效减轻中药水提液对树脂的毒化作用 ,
提高中药精制效果。
金万勤等 [12 ]考察了 Al2 O3 陶瓷微滤膜微滤技术对枳实
水提液和苦参水提液的澄清效果 ,并与传统的醇沉法进行对
比。结果发现 Al2 O3 陶瓷微滤膜处理的两种水提液的除杂
率及有效成分得率与醇沉法接近 ,并且该微滤膜经过一定处
理可以再生。提示 Al2 O3 陶瓷微滤膜微滤技术有望成为澄
清中药水提液的一种新技术。
2 　中药陶瓷膜精制技术的膜过程及其机制
2. 1 　膜过程与中药水提液溶液环境的相关性 :膜科学技术
原理指出 ,膜过程与应用系统溶液环境有密切关系。从物理
化学角度出发 ,中药水提液可被视为一种十分复杂的混合分
散体系。按线度大小 ,该分散体系可由分子分散系统 (粒子
的线度 < 1 nm) 、胶体分散系统 (粒子的线度为 1～100 nm)
以及粗分散系统 (粒子线度 > 100 nm) 组成。其中胶体分散
系统又由亲水胶体和疏水胶体组成。胶体分散系统具有高
度的分散性和热力学不稳定性 ,但中药水提液中某些高分子
成分 (如蛋白质、淀粉等)又可形成均相稳定系统的真溶液而
成为热力学稳定体系 [13 ] 。如此复杂的体系其光学性质、热
力学性质及电学性质等将对膜过程产生何种影响 ,膜过程又
·513·中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 41 卷第 2 期 2010 年 2 月
对此复杂体系的组成及相关性质产生何种改变 ,这是研究膜
精制中药的膜过程及其机制必须解决的首要问题。
通过考察无机陶瓷膜微滤对中药水提液物理化学性质
的影响 ,探索中药水提液复杂体系在无机陶瓷膜分离过程中
的微观表现。陈丹丹等 [14 ] 用 0. 2μm ZrO2 陶瓷膜微滤 ,测
定了膜分离前后生地黄、黄芪水提液的 p H 值、浊度、固含
物、电导率、ζ电位等指标。结果表明 ,生地黄水提液 p H 值
在4. 55～4. 69 ;浊度由膜前的 140 N TU 降至膜后的 0. 165
N TU ,而截留液的浊度上升至 586 N TU ;固含物由 52. 8 g/ L
变为渗透液的 46. 0 g/ L 和截留液的 54. 5 g/ L ,电导由 1 300
μs/ cm 下降至 1 200μs/ cm。黄芪水提液的 p H 值在 5. 58～
5. 98 ;浊度由膜前的 376 N TU 降至膜后的 1. 2 N TU ,而截
留液的浊度上升至 877 N TU ;固含物由 28. 6 g/ L 变为渗透
液的 23. 5 g/ L 和截留液的 28. 9 g/ L ;电导由 1 430μs/ cm 下
降至 1 270μs/ cm。通过测定枳实、陈皮水提液经过 0. 2μm
陶瓷微滤膜前后的 p H、浊度、电导率、粒径分布等指标 ,发现
枳实、陈皮水提液的理化性质与其通量衰减变化在一定程度
上表现出相关性 [15 ] 。
樊文玲等 [16 ]研究生地黄等 7 种药材和清络通痹复方中
药水提液中可溶性有机物相对分子质量分布的特点 ,以及与
0. 2μm 孔径陶瓷膜稳定通量的相关性 ,结果发现除半夏和
生地外 ,水提液中相对分子质量小于 4 000 的溶解性有机物
所占比例均超过 30 % ,金银花和清络通痹复方达到 50 %左
右 ;膜稳定通量近似的体系 ,则其相对分子质量分布变化规
律基本一致。因此得出了膜稳定通量与中药水提液中可溶
性有机物质相对分子质量分布情况存在一定的相关性的结
论。
2. 2 　膜过程优化研究 :郭立玮等 [17 ]用数据挖掘技术研究常
见的 7 种中药水提液体系中淀粉、果胶等高分子物质组成、
物理化学性质与 Al2 O3 陶瓷膜膜通量之间的关系。结果发
现该实验体系 : (1)中药水提液的黏度、粒径分布 (D50 ) 分别
与有关变量呈近线性关系 ,且果胶量对黏度、D50 的影响较
大 ; (2)中药水提液的 p H 值与固含物、果胶量等没有简单的
线性关系 ,但采用模式识别方法 ,可以找到 p H 值的定性规
律 ; (3)初步认识到中药水提液这一复杂体系影响 Al2 O3 陶
瓷微滤膜膜通量的主要因素 ,即水提液中的蛋白质量、原液
p H 值和粒径分布 (D90 ) ; (4) 利用自行开发的数据挖掘软件
处理有关数据 ,得到膜通量下降速率与原液中粒径分布参
数、p H 值之间的定量关系 ,“留一法交叉验证”表明该定量
关系的预报结果正确 ,基本锁定了造成该体系通量衰减的主
要因素 ,使得中药水提液膜过程优化设计取得突破性进展。
樊文玲等 [18 ]以糖渴清复方水提液为实验体系 ,从膜过
滤阻力角度考查不同预处理方法 (调节 p H 值、絮凝、离心和
粗滤等)对 0. 2μm Al2 O3 陶瓷膜微滤过程的影响。发现采
用不同的方法预处理后 ,膜通量随着时间延长仍有一定程度
下降 ,且基本均在 15 min 后膜通量达到稳定状态 ;预处理
后 ,膜滤过总阻力均大幅度减小 ,孔内阻力比例增大 ,膜表面
吸附阻力比例变小 ;水提液经离心后 ,膜滤过总阻力最小 ,膜
通量最高 ,为最佳方法。
3 　中药陶瓷膜精制技术的膜污染与清洗研究
膜污染是指由于被过滤料液中的微粒、胶体粒子或溶质
分子与膜存在物理化学作用而引起的各种粒子在膜表面或
膜孔内吸附或沉积 ,造成膜孔堵塞或变小并使膜的透过流量
与分离特性产生不可逆变化的现象。一方面膜污染度同膜
材质、孔径、膜过程的操作压力有关 ;另一方面 ,待分离实验
体系中大分子溶质的浓度、性质、溶液的 p H 值、离子强度、
电荷组成等因素也影响着膜污染度 [19 ] 。
董洁等 [20 ]采用 Al2 O3 陶瓷微滤膜对清络通痹水提液进
行滤过澄清 ,考察了不同孔径的陶瓷膜对该体系的适用性 ,
通过扫描电镜对膜面切片污染物进行分析 ,同时结合膜过程
中滤过阻力的测定 ,分析污染物的存在形态、位置与形成规
律。发现对于清络通痹水提液 ,孔径为 0. 2μm 陶瓷膜较为
适用 ,有较高的稳定通量和较高的成分保留率 ,同时污染较
轻 ;孔径为 50 nm、0. 2μm、0. 8μm 的 Al2 O3 膜 ,浓差极化阻
力和表面沉积阻力是主要滤过阻力 ;0. 8μm 孔径膜的浓差
极化阻力占主导地位 ,接近总阻力的 90 % ;随着膜孔径的减
小 ,浓差极化阻力也减小 ,表面沉积阻力逐渐增大。0. 8μm
孔径氧化铝膜表面污染严重 ,污染物大量堆积在膜表面 ,几
乎覆盖了所有膜孔 ;0. 2μm 和 50 nm 孔径膜污染相对较轻。
该体系的膜阻力在总阻力中所占比例较小 ,可逆阻力为主要
阻力。因此 ,优化膜过程工艺参数 ,采用适当清洗方法可以
减少膜的污染 ,使膜的性能有较大恢复和再生 ,对工业化生
产有一定的指导意义。
林瑛等[21 ,22 ]对杞菊地黄复方水提液陶瓷膜处理过程中
膜污染机制进行了研究。根据 Darcy2Poiseuille 定律确定滤过
阻力分布情况 ,同时对污染膜表面和截面进行高分辨扫描电
镜 (SEM)观测。发现膜阻力主要集中在表面沉积层 ,膜本身
的阻力及浓差极化层阻力起到次要作用 ,膜孔内部污染阻力
所占比例最小 ,并且 ,这与通过对 SEM 图像的分析所得到的
结果大致相吻合。该体系采用了超声、NaO H 溶液、HCl 溶
液、NaO H 溶液的清洗步骤 ,膜的渗透通量基本可以完全恢
复 ,确定了根据膜污染机制的不同 ,可选用适当的清洗方法的
结论。魏凤玉等[23 ]对无机陶瓷微滤膜错流滤过板蓝根、枇杷
叶、川芎、黄芩 4 种常见的根茎类和叶类中药水提液的膜污
染、膜清洗方法及影响因素进行探讨。发现水的清洗效果较
差 ,NaO H(包括 NaO H + EDTA2Na) 溶液的清洗效果明显优
于其他清洗剂 ;确定清洗方法为水清洗 →压缩空气反冲 →
NaO H 溶液化学清洗。最后确定该实验中的 4 种中药水提液
体系 ,较适宜的化学清洗条件 :以 1 %NaO H 溶液 ,在 52 ℃、
0. 1 MPa下清洗 30 min ,膜通量恢复率可达到 90 %左右。
王天瑶等 [24 ]以金银花、麦冬、当归水提液为研究对象 ,
进行膜通量测定 ,研究了 0. 2μm ZrO2 陶瓷膜微滤中药水提
液过程中的膜污染机制。发现膜阻力主要集中在表面沉积
层 ,浓差极化层阻力起了次要作用 ,膜本身的阻力及膜孔内
部污染阻力所占比例比较小 ;通过高分子测定对膜污染物进
行定性 ,定量分析可知膜污染物中分子为淀粉、鞣质、果胶和
·613· 中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 41 卷第 2 期 2010 年 2 月
蛋白质 ,且果胶量直接影响膜通量 ;水提液粒径小于 10μm
的颗粒影响通量的大小。认为研究微滤过程中的膜污染机
制对于采用减缓膜通量减少的措施及寻找有效的膜再生方
法有重要指导作用。
樊文玲等 [25 ]研究孔径为 0. 2μm 的 Al2 O3 陶瓷膜微滤
澄清糖渴清复方水提液过程中的滤过阻力分布 ,在其指导下
得到行之有效的膜清洗方法。方法重现性好 ,对今后的工业
化生产有一定的指导意义。
4 　结语与展望
由于无机陶瓷膜具有耐高温 ,适用于处理高温、高黏度
流体 ;机械强度高 ,具良好的耐磨、耐冲刷性能 ,可以高压反
冲使膜再生 ;化学稳定性好 ,耐酸碱、抗微生物降解 ;使用寿
命长 ,一般可用 3～5 年 ,甚至 8～10 年等优点 [13 ] ,与有机高
分子膜相比较 ,使其在许多方面有着潜在的应用优势 ,尤其
适合于中药水提液的精制。
然而仍存在一些制约该技术在中药行业产业化的关键
问题 ,其中最主要的就是因膜污染等原因引起的膜通量显著
下降。污染严重时 ,膜通量可下降 80 %以上 ,以致膜分离过
程难以进行 [26 ] 。可见 ,膜污染始终是制约膜分离技术实际
应用的主要因素之一。针对制约陶瓷膜精制中药技术的膜
污染关键问题 ,郭立玮等 [27 ] 在深入研究“中药水提液”复杂
体系的过程中 ,针对其所具有的“药效物质组成的多元性及
物料体系的多样性”的特点 ,提出了“面向中药复方体系的陶
瓷膜污染机制研究思路与方法”,依据现代分离科学基本原
理 ,建立起可科学表征中药水提液复杂体系的物理化学特征
的标准技术规范 ,以具有代表性的中药及其复方为实验体
系 ,采集膜过程相关参数 ,建立膜污染基础数据库 ,综合运用
模式识别、人工智能、支持向量机等方法进行数据挖掘、知识
发现 ;应用中药制剂学、物理化学、计算机化学、化学工程学 ,
跨学科交叉研究中药水提液膜污染的规律 ,其目标是 :对不
同中药体系实现“表征参数检测2膜污染预报2提供优化治理
方案”个体化膜污染控制模式。该研究为类似复杂体系的膜
污染机制与防治提供了一种全新的研究模式 ,对进一步拓宽
膜科学在中药领域的应用 ,丰富膜科学的理论与技术具有重
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·713·中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 41 卷第 2 期 2010 年 2 月