膜分離技術及其裝備在中藥制藥過程中的應用

王艷艷王團結彭 敏

（1.江蘇聯合職業技術學院連云港中醫藥分院，江蘇連云港222006；2.江蘇康緣藥業股份有限公司，江蘇連云港222001；3.廣東省江門市藥品檢驗所，廣東江門529000）

0 引言

從18世紀以來人們對生物膜有了初步的認識，Nolle在1748年揭示了膜分離現象。在近200年的發展與認識中，人們對膜分離技術的基本理論有了廣泛的認識。在20世紀60年代初，Loeb S和Sourirajan S等在反滲透的理論和應用的研究上取得了重大突破，自此，膜分離技術迅速崛起，發展日新月異。由于膜分離技術具有能耗低、無污染等特點，與傳統分離技術的高能耗、污染環境形成鮮明的對比，使得膜分離技術成為分離科學中重要的組成部分，被認為是“21世紀最有前途、最有發展前景的高新技術之一，在工業技術改造中起著戰略性作用”。世界上許多國家包括中國在內，都把膜分離技術及其應用列為國家重點發展項目。膜分離技術對許多傳統產業的發展起著關鍵作用，甚至有人預言“誰掌握了膜分離技術，誰就掌握了化學工業的未來”。

隨著科技進步和研究的深入，膜分離技術在中藥領域的應用與研究越來越受到廣泛的關注。隨著中藥現代化的推行，研究者在中藥研究中“除偽存真”，將中藥中有害的或非有效成分盡可能除去，或將有效成分或成分群的有效部位富集，以制備作用更好、副作用更小、使用更方便、質量更穩定的藥物。這一趨勢，也促進了許多原來僅在實驗室中從事天然產物研究應用的技術發展，如大孔樹脂、聚酞胺以及各種吸附層析、膜分離技術從實驗室走進車間。其中，膜分離技術由于其環保、節能的特性，引起了越來越多的中藥研究者與生產者的關注。

1 膜分離概述

1.1 膜分離的概念

膜分離是在外界能量或化學位差的推動下，用選擇性透過膜作為選擇膜，使混合物中的一部分通過選擇性透過膜，一部分被截留，并利用各組分透過膜的遷移率不同，達到對混合物進行分離、提純和濃縮的目的。

1.2 膜分離技術的特點

膜分離技術具有如下特點：

（1）膜分離過程為物理過程，在分離中無需引入新物質，可以節約能源和減少對環境的污染；

（2）大多數膜分離過程不發生相變化，消耗能量低，因此新興的膜分離技術是一種節能技術；

（3）膜分離過程的工作溫度在室溫附近，特別適用于對熱敏物質的處理，如對果汁以及一些藥品的分離；

（4）由于膜分離技術的驅動力為壓力差或化學勢能差，因此膜分離設備本身沒有運動的部件，結構簡單，便于操作，易于維修。

1.3 膜分離過程的基本方法及其原理

1.3.1 超濾與微濾

超濾與微濾是根據膜孔徑的大小在壓力差的作用下進行的篩分過程，可視為用膜作為介質進行過濾的過程。其原理為：在一定的壓力差作用下，含有大分子物質和小分子物質的混合液體透過膜時，小于孔徑的分子透過膜，被富集起來，而混合物中的大分子物質被截留下來，從而實現對混合物的分離。但是在分離的過程中，大分子物質滯留在分離膜上，導致膜的通量下降非常嚴重，實際通量低于純水通量的5%，這主要是由于濃差極化、吸附和阻塞等造成的膜污染。超濾膜能截留直徑為5～10μm、分子量在5×102～1×106Da之間的分子，其操作的壓差為0.1～1.0 MPa，其主要應用于含大分子和膠狀物質等溶液的提純、分離，也用于氣體的分離。微濾膜能夠截留直徑為0.03～5μm的分子，操作壓差為0.01～0.2MPa，用于分離或純化含有微粒、細菌的溶液。

1.3.2 納濾

納濾是介于反滲透和超濾之間的一種膜分離技術，與超濾分離過程一樣，納濾也是以壓力差為動力的膜分離過程。其分離機理可以用電荷模型、靜電排斥、立體阻礙模型以及細孔模型來描述。其截留物的分子直徑在1 nm左右，截留物的相對分子量在200～1 000Da之間。納濾膜最大的特征為膜本體帶有電荷，使得其在很低的壓力下具有較高的脫鹽率。但是，對于單價離子的脫除率較低，僅在50%～70%。一般情況下納濾過程所需要的操作壓力低于1 MPa，這樣降低了對設備的要求，減少投資費用。其次，納濾膜具有較高的耐壓性和抗污染能力。

1.3.3 反滲透

在溶液一側施加大于溶液滲透壓的一定的壓力，使得溶劑分子從溶質濃度高的溶液側透過膜流向溶劑側的數量大于溶劑分子向溶液側透過的數量，該過程稱為反滲透。其需要滿足2個條件：具有選擇性透過膜和大于滲透壓的靜壓差。

反滲透膜能夠截留分子的直徑為0.1～1.0 nm，操作壓力一般為1.5～10.5MPa。由于反滲透膜截留的分子較小，這種分離技術廣泛地應用于食品、制藥工業，以及造紙工業某些有機物和無機物的分離。

1.4 膜分離裝備系統

中藥提取使用的膜分離系統主要為無機陶瓷膜系統、中空纖維膜系統和有機卷式復合膜系統。在除雜方面，膜分離系統主要為無機陶瓷膜系統和有機卷式復合膜分離系統。

1.4.1 無機陶瓷膜系統

無機陶瓷膜是在大孔徑的支撐體表面涂上4～6μm的致密的微孔膜層復合而成，獨特的膜層配方配以復雜嚴格的高溫燒結工藝，使得膜層的孔徑分布很窄，絕對精度很高，保證提取液中的各種雜質無法輕易透過膜層，對提取液中的大分子雜質去除率高。與有機高分子濾膜相比，由于高溫燒結的陶瓷膜為剛性多孔結構，且與酸堿接觸時呈惰性，避免了使用高分子濾膜時存在的膜孔易壓縮變形、清洗再生困難、清洗劑昂貴、膜片不耐磨易損壞、可靠性不高、濃縮倍數不高、收率不高、使用壽命短和膜更換費用高等致命缺點，目前，其分離精度一般在20～1 200 nm之間，對于不同的分離要求可以選擇不同分離精度的陶瓷系統對提取液進行除雜。

陶瓷膜分離系統具有如下特點：

（1）分離精度高，透過液澄清透明，大大減輕后續處理難度；

（2）膜元件耐酸堿極佳，膜使用壽命長；

（3）膜元件強度高，耐磨性好；

（4）PLC上位機全自動化控制，操作簡單，極大地降低勞動強度，易于清洗和維護；

（5）膜材料及輔助設備材料均為無污染材料，密封件選用硅膠或聚四氟乙烯，滿足藥廠生產需求。

陶瓷膜系統對中藥提取液進行澄清除雜時，對其進料要求很低，僅需要過濾浸體液中的大渣即可。由于陶瓷膜系統分離精度均勻，其透過液質量穩定。

1.4.2 中空纖維膜系統

中空纖維膜通常用于料液的復濾除雜處理，浸提液經過粗濾后，進一步過濾以提高有效部位的含量，或對水醇沉法的清液進行復濾，提高有效部位的含量。但由于該系統單位膜面積的產能低、膜面流速相對較低、耐污染能力比較弱等缺點，一定程度上限制了該類系統在中藥提取中的應用。

中空膜分離系統具有如下特點：

（1）分離精度高，分離效率較高；

（2）可反沖洗操作，降低膜污染累積，實現過濾的連續性運行；

（3）膜系統低壓運行，裝機總功率小，運行能耗低；

（4）PLC上位機全自動化控制，操作簡單，極大地降低勞動強度，易于清洗和維護。

1.4.3 有機卷式復合膜分離系統

有機卷式復合膜的應用主要集中在2點：一是有機卷式超濾系統對來料中的可溶性的物質進一步分離、純化；二是采用納濾或反滲透系統對液料進行濃縮、脫小分子。有機卷式膜系統的分離精度更高，主要對提取澄清液中可溶性的有機分子，比如對澄清液中蛋白、多糖等進一步分離，以提高料液的純度，便于后續工段的精制，該類系統的分離范圍限于分子級別。該系統分離類別為深度純化工段，其進料為提取經過前段的澄清之后的料液—真溶液狀態。

有機卷式復合膜分離系統具有如下特點：

（1）分離精度高，涵蓋微濾至反滲透，膜芯的品種豐富；

（2）可實現常溫或低溫密閉操作，避免有效成分活性的熱失活現象；

（3）PLC上位機全自動化控制，操作簡單，極大地降低勞動強度，易于清洗和維護；

（4）膜芯填裝密度高，設備制作緊湊，占地面積小。

2 膜分離技術在中藥領域中的應用

2.1 中藥制劑用純水的制取

膜分離技術制備藥用純水已經廣泛運用于制藥企業，通過粗濾、超濾、電滲析、納濾、反滲透等，可以有效、穩定、低能耗地去除自來水中的微粒、熱原、無機鹽等雜質和有害物質。

2.2 中藥有效成分的提取、分離和濃縮

藥物的提取分離是藥品生產尤其是中藥生產的重要環節。中藥的化學成分非常復雜，通常含有酚類、酮類、無機鹽、生物堿、氨基酸和有機酸、皂甙、甾體類和萜類化合物以及蛋白質、多糖、淀粉、纖維素等，除了有效成分之外，往往還有輔助成分和無效成分。因此，最大限度地獲得有效成分和減少無效成分是至關重要的。利用某一分子量的截留值的超濾膜獲得的濾過液，不同于現在通常所說的“有效部位”，它是一個包含多類成分的更加復雜的體系，可以說是一個“有效部位群”。從這種意義上說，超濾技術更能體現中藥及復方的特性，發揮其臨床療效優勢。目前，用于藥物分離純化的技術有很多，膜分離技術是比較新興的一種手段，較之其他的方法也體現出很多優勢。

此外，中草藥活性成分的含量較低，提取過程較為復雜，而且提取過程中需使用大量的有機溶劑，從而造成嚴重的污染問題。而采用膜分離技術進行濃縮，不僅可以去除大分子雜質以及其他可沉淀的成分，還可以濾除藥液中水分、小分子等雜質，既節省能耗，又提高藥品的純度，比通常所采用的方法效果更為理想。

近些年來，膜分離技術在中藥活性成分提取中的應用研究取得了豐富的研究成果。歐陽麗等對利用反萃分散液膜分離提取黃連中的藥根堿、巴馬汀和小檗堿進行了研究，結果表明，經過液膜分離后，料液中的生物堿高效地被傳輸進了反萃相，該反萃分散液膜體系對黃連中的藥根堿、巴馬汀和小檗堿連續傳輸8 h，分別達到了86%、88%和89%的提取效率。劉志昌等利用膜分離技術分離純化白藜蘆醇，以虎杖苷液態發酵后濃縮，用60%的乙醇以1:8的料液比在常溫下提取，過濾得到濾液，然后將濾液用兩級膜進行處理，用高效液相色譜（HPLC）法檢測白藜蘆醇的純度。經微濾膜處理后白藜蘆醇的純度達30.5%，再經超濾膜處理，純度達55.8%。該方法可降低生產成本，不使用有毒有害的溶劑，實現清潔生產。王龍德等研究了微孔濾膜和超濾膜從苦楝樹皮的微波提取液中膜分離提純苦楝素的相關膜工藝條件及參數，并篩選出較為理想的聚砜超濾膜。研究結果表明，截留分子量為6 kDa的聚砜UEOS-503超濾膜分離提純苦楝素的效果要優于截留分子量分別為10 kDa和20～50 kDa的聚砜USIC-503和UPIS-503。為提高苦楝素的純度和苦楝素轉移率，得出超濾膜分離提純苦楝素優化工藝條件：料液質量濃度為0.369mg/m L，料液溫度為35℃，膜操作壓力差為0.10 MPa，膜面流速6.17×10-4m/s，膜濾液pH=7.0。在優化條件下，苦楝素的轉移率為92.8%，提取液中苦楝素的純度由0.89%提高到15.22%。焦光聯等采用超濾法測定了黃芪多糖的分子量分布，以截留分子量為10 kDa的超濾膜對黃芪多糖進行超濾分離，有效地實現了黃芪多糖提取液中活性多糖成分與大分子蛋白多酚等物質的分離。易克傳等選擇截留分子量為3.0×104Da的超濾膜有效地分離純化絞股藍皂苷，該工藝操作簡單可靠，純化效率高。顏棟美等結合中空纖維膜分離與聚酰胺吸附對金花茶中的茶多酚進行純化研究，考察了金花茶提取液分別經過分子量為300 Da、100 Da、10 Da、3 kDa的中空纖維膜分離后，茶多酚純度得到大幅提高。

2.3 廢水中有效成分的回收

中藥生產中，原藥的洗滌液以及提取后的藥渣洗滌液，多含有一定量濃度極低的有效成分，往往作為廢水直接排放，運用膜技術能很好地回收利用。凌秀菊等對運用納濾膜技術分離回收金銀花蒸餾殘渣中綠原酸的過程進行研究，結果表明，殘渣液中綠原酸濃度由723.3 mg/L濃縮至17 964 mg/L，濃度提高了24.8倍，綠原酸的純度由2.8%上升到27.0%，純度提高了9.6倍，而總可溶性固形物由2.52%增加到6.61%，提高將近3倍。

2.4 中藥制劑的制備

2.4.1 浸膏制劑的制備

浸膏制劑作為后續制劑原料，其雜質含量直接影響成品制劑的質量。目前中藥浸膏制劑的制備多采用煎煮法或滲漉法提取藥材中的有效成分，提取液過濾、低溫濃縮成浸膏，浸膏中含多量淀粉、多糖、蛋白質、樹脂等雜質，制取的固體制劑，存在崩解緩慢、服用量大等缺點，膜分離技術在解決這些問題方面提供了新的途徑。趙宜江等研究表明，超濾法可以去除藥液中淀粉、樹膠、果膠、黏液質、蛋白質等可溶性大分子雜質，減少浸膏劑的服用量，在保證有效成分含量基本相同的前提下，浸膏體積縮小為原來的1/3～1/5，且浸膏干燥容易，吸濕性小，添加賦形劑少，節約大量有機溶劑和相應回收設備，縮短生產周期，減少工序及人員，節約熱能。

2.4.2 中藥口服液的制備

在中藥口服液生產中，傳統的生產工藝采用水提醇沉法，由于成品中存在少量膠體、微粒、鞣質等，在使用過程中久置會出現明顯的絮體沉淀物，影響藥液的外觀性狀及質量。而采用微孔濾膜或超濾工藝去除其中的雜質后，可使口服液達到很高的純度。朱才慶等探討膜分離金錢通淋口服液時不同膜組件及操作參數對膜分離效果的影響。通過采用不同截留分子量的膜組件、操作參數的正交設計，以研究與總黃酮相關的各種指標，考察不同膜組件及操作參數對膜分離效果的影響。結果顯示截留分子量為20 kDa的PS膜具有較好的膜分離效果，選擇壓力0.08 MPa、料液溫度40℃、進料流速2.8 L/m in的操作參數工作效率更高，但對干膏中總黃酮含量沒有顯著性影響。新工藝制備的口服液色澤好，澄清度大為改善，且具有良好的藥效作用。馮敬文等探討膜分離技術應用于小兒清熱利肺口服液制備的可行性。以藥材的水提液、未加糖漿的總混藥液和加入糖漿的總混藥液為研究對象，以濁度作為藥液澄清度的考察指標，并以綠原酸與鹽酸麻黃堿的保留率、鞣質和固形物的清除率以及膜通量變化為指標評價膜濾工藝。結果微濾可顯著改善藥液的澄清度，陶瓷膜濾過效率高于振動膜濾過效率。焦光聯等采用微濾、超濾膜技術對新生化口服液制備進行了研究，通過考察操作壓力、運行溫度等對膜滲透通量的影響，得出最佳操作壓力為0.1MPa，溫度35℃，進料流速4 L/s，為進一步中試實驗提供一定的依據。

2.4.3 緩釋藥物制備

用滲透性膜將藥物包覆起來，膜上開微孔，進入胃腸道后，胃腸液水分經膜滲透而進入膜內溶解藥物，在滲透壓作用下，藥液從微孔隨滲透的進行而緩慢壓出，達到緩釋的目的，這是新型緩釋藥物的熱門研究領域。

2.4.4 中藥注射液制備

賀立中等采用2步超濾法制備伸筋草注射液，先用截留相對分子量10～30 kDa的超濾膜，除去大分子雜質，再用截留相對分子量6 kDa的超濾膜除去小分子雜質及制備過程中加入的氯化鈉，制備得到的注射液收率高、澄清度好，氯化鈉含量從5%降到1%，流程簡單，易批量生產。薛東升等通過考察超濾前后細菌內毒素檢測、脫色效果、指標性成分（黃芩苷、熊去氧膽酸、氨基酸、總固體）透過率和指紋圖譜相似度評價，對超濾膜進行篩選，并以膜滲透通量為指標，對超濾參數進行優選。用靈敏度為0.25 EU/m L的鱟試劑檢查，飲用水通過截留相對分子量為10 kDa、8 kDa、5 kDa、3 kDa的膜后均符合注射用水內毒素標準要求，不同孔徑超濾膜對藥液色澤、黃芩苷、熊去氧膽酸、總固體透過率影響較大，對氨基酸透過率和指紋圖譜相似度影響較小；在泵轉速250 r/m in、操作壓力193.06 kPa、藥液溫度40℃時膜滲透通量最大。結果顯示選擇截留相對分子量為5 kDa的超濾膜能有效去除細菌內毒素，改善痰熱清注射液顏色，對注射液整體化學成分影響不大，指標性成分含量及指紋圖譜相似度符合痰熱清注射液質量標準。孫晶波等采用正交試驗法考察不同孔徑的超濾膜、操作壓力、泵轉數、藥液溫度對膜通量和細菌內毒素的影響，采用紫外可見分光光度法和HPLC法考察既定的超濾膜前后5批冠心寧注射液藥液總酚酸含量及指紋圖譜的變化情況。結果表明，當采用10 KD膜超濾、藥液溫度40℃左右、泵轉速280 r/m in、操作壓力為0.05MPa時，膜滲透通量大，細菌內毒素降低明顯；5批產品超濾膜前后的指紋圖譜相似度在0.8以上，超濾膜后的藥液總酚酸含量平均值58mg/m L，在可接受范圍內。選擇截留相對分子量為10 kDa的超濾膜能有效降低冠心寧注射液中的細菌內毒素，膜的孔徑對膜通量和細菌內毒素有顯著影響，使用超濾對冠心寧注射液的整體化學成分影響不大，且有效成分含量符合冠心寧注射液質量要求。

3 膜分離技術存在的主要問題

3.1 膜易污染、難清洗

在中藥分離純化領域，中藥提取液黏度大，大分子雜質含量多，極易在膜表面形成黏附層，堵塞膜孔，造成膜污染，膜通量銳減，極大地影響膜的使用周期和壽命。而現有的清洗方法難以達到很好地恢復膜通量的效果。因此，選用適宜的藥液預處理方法和膜清洗工藝是膜技術應用的關鍵。

3.2 膜分離技術的基礎理論研究薄弱

由于膜材質及膜分離的生產工藝性能有限，膜分離技術在中藥領域的應用也缺乏系統的理論研究，目前還沒有適合于中藥體系分離的膜成套設備，嚴重影響了膜分離技術在中藥領域中的工業化應用進程。

3.3 濃差極化現象

濃差極化是膜分離技術普遍存在的一個問題，極大地影響膜的通透速率和截留性能。目前一般采用提高料液溫度、流速、脈沖流動、磁力攪拌等方法，在過濾各階段分別采用恒速和恒壓濾過，或與其他分離方法如澄清法、離心分離法聯用。

3.4 膜材料有待開發

目前在膜分離技術的應用過程中，主要存在膜使用壽命短、通量衰減、膜污染及其清除等問題。因此，開發耐污染、抗劣化和低成本的膜材質是推廣膜分離技術在中藥領域中應用的一個重要方向。

4 結語

膜分離技術作為一門新興的分離技術，相比傳統方法已經顯示出其獨特的優勢，表現出極好的發展前景。但由于其在中藥生產領域的應用研究還不夠深入，一些工藝和技術問題還有待解決，以達到大規模生產應用的目的。但總體來說，膜分離技術在中藥領域的應用越來越廣。隨著學者對膜分離技術不斷系統深入地研究，以及為適應人們對提高醫藥產品質量和降低生產成本的需求而不斷開發出適合于不同藥物成分的新型膜材料、新型膜分離過程及膜集成技術，有理由相信膜分離技術必將取代傳統分離技術成為醫藥領域應用的熱點，在促進我國中藥現代化和工業化生產方面發揮更重要的作用。

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