近幾年，中藥制藥工業(yè)經(jīng)濟保持比較穩健的發(fā)展態(tài)勢。2015年，中藥制藥工業(yè)總產(chǎn)值接近8000億元，約占全國醫藥產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的28.55%^[1]。中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速、優(yōu)勢明顯、市場(chǎng)前景廣闊，已成為我國國民經(jīng)濟中的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，但伴隨而來(lái)的是急劇提升的中藥制造工業(yè)成本。2017年醫藥制藥業(yè)成本總額19 248億元，不可否認，其中能耗占有很大的比例。

濃縮工段對大多數中藥制藥廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)是能耗（蒸汽）的重頭。目前中藥廠(chǎng)家普遍采用的“三效”或“雙效”真空濃縮工藝，因加熱溫度高達75～95 ℃，具有明顯的缺陷：（1）易使有效成分分解；（2）因固形物易黏附于加熱管壁，使垢層炭化造成濾液污染；（3）傳熱速度慢、浪費能源；（4）須耗費巨大數量的蒸汽、水去冷凝、冷卻第3效或第2效后蒸出的水蒸汽。按照能耗統計，水蒸出的能耗為1.2噸蒸汽/噸，冷凝冷卻水蒸汽及其熱水的水耗為3～4噸水/噸^[2]。

膜濃縮的基本技術(shù)原理是膜材料對溶劑的選擇透過(guò)性，即在一定的壓力、溫度等操作條件下，膜表面只允許某種溶劑（如水）及小分子物質(zhì)通過(guò)，而成為膜“滲透液”；而待分離料液中與膜材料不具親和性的溶劑（物質(zhì)）、體積大于膜孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側，成為“截留液”（即濃縮液），從而實(shí)現對原料液的分離、濃縮目的。與傳統的蒸發(fā)濃縮相比，在中藥制藥濃縮工藝中得到應用的超濾（ultrafultration）^[3-10]、反滲透（reverseosmosis）^[11-13]、納濾（nanofiltration）^[14-16]、膜蒸餾（membrene distillation）^[17-20]等膜濃縮過(guò)程中無(wú)相變，可以在常溫及低壓下進(jìn)行，因而能耗低；物質(zhì)在濃縮分離過(guò)程中不發(fā)生質(zhì)的變化，適合熱敏物質(zhì)的處理；能將不同相對分子質(zhì)量的物質(zhì)分級分離；在使用過(guò)程中膜無(wú)雜質(zhì)脫落，保證料液的純凈，并且整個(gè)膜濃縮過(guò)程操作簡(jiǎn)便、成本低廉^[21]，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

膜蒸餾是將膜與蒸餾過(guò)程相結合的一種新型膜分離技術(shù)。該技術(shù)利用疏水性微孔膜將兩種不同溫度的溶液分開(kāi)，較高溫度側溶液中易揮發(fā)的物質(zhì)呈氣態(tài)透過(guò)膜進(jìn)入另一側并冷凝的分離過(guò)程。膜蒸餾與傳統蒸餾相比，其不需要復雜的蒸餾系統，且能得到更純凈的餾出液；與一般的蒸發(fā)過(guò)程相比，其單位體積的蒸發(fā)面積大；與反滲透比較，其對設備的要求低且過(guò)程中溶液濃度變化的影響小。另外，膜蒸餾過(guò)程能在常壓和較低溫度下操作，被認為是一種節能高效的分離技術(shù)，迄今膜蒸餾技術(shù)在中藥領(lǐng)域研究也非常廣泛。

近20年來(lái)，膜技術(shù)在我國得到快速的發(fā)展，其原因主要得益于高分子材料科學(xué)的進(jìn)展及環(huán)境友好戰略的實(shí)施，一批大中型醫藥企業(yè)，如吉林敖東、湖北勁酒、江蘇康緣、江蘇揚子江等將膜分離技術(shù)用于中藥提取、分離、純化等流程，已取得一批重要的成果。與此同時(shí)，也應看到膜分離科技在中藥濃縮領(lǐng)域的潛力還遠未發(fā)揮。雖然醫藥中間體、食品等工業(yè)生產(chǎn)采用超濾、納濾、反滲透、膜蒸餾等膜分離過(guò)程作為濃縮技術(shù)日益趨多^[22]，中藥制藥行業(yè)，如納濾技術(shù)用于中藥醇提、水提工藝技術(shù)改造^[14]；膜蒸餾工藝濃縮鮮益母草汁^[17]；丹芍復方采用反滲透膜濃縮^[23]；反滲透膜從胡蘆巴中濃縮4-羥基異亮氨酸^[24]等也已取得令人鼓舞的進(jìn)展，但遠未達到滿(mǎn)足工業(yè)應用的要求。

1  制約中藥膜濃縮技術(shù)優(yōu)化的主要問(wèn)題及解決方案——集成膜過(guò)程

1.1  集成膜濃縮技術(shù)

膜污染導致膜過(guò)程效率的下降是制約中藥膜濃縮技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主要因素，除了這一膜技術(shù)領(lǐng)域的共性問(wèn)題外，各種膜濃縮過(guò)程因其技術(shù)原理而造成的缺陷，也影響到其優(yōu)勢的發(fā)揮。如反滲透過(guò)程透水速率比較高，但濃縮倍數較小。其原因在于：物料自身的滲透壓隨濃縮倍數的增加而提高，由此造成的物料高密度、高滲透壓使反滲透過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。再如，膜蒸餾充分結合了“膜分離”與“蒸餾”2個(gè)過(guò)程的優(yōu)勢，可將物料濃縮至較高的濃度，但膜蒸餾過(guò)程也存在嚴重的缺陷：（1）運行過(guò)程中膜通量波動(dòng)較大；（2）料液達到較高濃縮倍數時(shí)，可因膜面蒸氣壓下降而出現通量衰減狀態(tài)^[18]。

由于膜過(guò)程各有利弊，同時(shí)在實(shí)際的工業(yè)應用中又易受多種復雜因素的影響，一般而言，任一膜過(guò)程都無(wú)法適應復雜的工業(yè)生產(chǎn)局面。為適應不同應用體系，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，需采用膜過(guò)程集成的策略，即科學(xué)組合多種膜過(guò)程，通過(guò)取長(cháng)補短，以“技術(shù)集成”的形式，即以“膜分離系統”，而并非某種單一的膜分離過(guò)程，用于工業(yè)生產(chǎn)。該系統的組成單元可是多種不同的膜過(guò)程，也可是膜過(guò)程與非膜過(guò)程，稱(chēng)其為“集成膜過(guò)程”。21世紀以來(lái)，膜集成工藝在中藥濃縮技術(shù)領(lǐng)域的受接納程度日益增加，如大蒜素超濾/納濾集成純化工藝^[25]；茶黃素的陶瓷膜微濾/卷式超濾膜/納濾膜集成制備工藝^[26]；活性多糖的超濾/納濾集成濃縮法^[27]；黃芩苷的微濾/超濾/納濾集成濃縮、純化^[28]；山楂的反滲透/超濾集成濃縮^[29-30]等研究報道層出不窮。

由于反滲透與膜蒸餾分別在高透水速率與高濃度物料濃縮方面具有獨到優(yōu)勢，反滲透與膜蒸餾這2種技術(shù)的組合，如反滲透/膜蒸餾（OD）集成、超濾/反滲透/OD已成為膜集成濃縮工藝的成功典范^[31-32]。

國際上成功地將膜集成濃縮技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)，并產(chǎn)生了明顯效益，主要得益于采取了科學(xué)的基本策略：實(shí)驗研究與計算機流體力學(xué)（CFD）模擬相結合，準確、系統掌握待濃縮物料的流變學(xué)特征，深入開(kāi)展膜傳質(zhì)機制研究、通過(guò)數學(xué)模型的構建，開(kāi)展工藝優(yōu)化設計。近年來(lái)，筆者課題組在國家自然科學(xué)基金資助下，比較深入、系統地開(kāi)展了相關(guān)研究，目前已取得一批成果^[33-35]。如優(yōu)選了真空膜蒸餾法濃縮黃芩提取液的工藝、確認了超濾-反滲透集成工藝濃縮黃芩水提液的可行性、成功采用陶瓷微濾與反滲透集成工藝為西安金花集團制藥公司的中藥開(kāi)展了中試規模的濃縮實(shí)驗，氨基酸的回收率達到98%，工藝過(guò)程穩定、可控。

1.2  面向中藥物料濃縮過(guò)程的膜材料與膜過(guò)程研究

膜材料是發(fā)展膜技術(shù)的核心課題。以膜蒸餾技術(shù)為例，加以闡述。用于膜蒸餾的膜材料應該滿(mǎn)足疏水性和多孔性2個(gè)要求，以保證水不會(huì )滲入到微孔內和具有較大的通量。另外，足夠的機械強度、好的熱穩定性、對酸堿及有機溶劑的高耐受性，以及低的導熱系數也是必需的。近年來(lái)，用于膜蒸餾過(guò)程的膜材料研究開(kāi)發(fā)主要集中在聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP），它們的疏水性能都比較好，PTFE、PVDF、PP的表面張力依次為25～33、23～34、0.04 mN/m，說(shuō)明PTFE的疏水性*強。從耐氧化性質(zhì)和化學(xué)穩定性來(lái)看，PTFE也優(yōu)于其他幾種膜材料。這使得PTFE膜應用的物系非常廣泛，PVDF膜次之。雖然PP膜耐氧化性質(zhì)和化學(xué)穩定性相對較差，但因為價(jià)格低廉，市場(chǎng)應用廣闊^[36]。鑒于中藥制藥行業(yè)所面對的基本物料——中藥水提液的復雜性而導致的膜通量衰減及其成因：膜污染的特殊性，面向中藥物料濃縮過(guò)程的膜材料與膜過(guò)程研究成為攻克中藥膜濃縮技術(shù)瓶頸的重要一環(huán)。

膜過(guò)程與溶液環(huán)境密切相關(guān)。中藥水提液的溶液環(huán)境系指溶液體系所具有的電導率、pH、離子強度、黏度等物理化學(xué)特性。這些理化特征可直接影響膜的表面性質(zhì)，還可改變物料中待分離微?；虼蠓肿尤苜|(zhì)的理化性質(zhì)，導致膜的分離性能發(fā)生改變。為有效的監控膜過(guò)程，各膜應用領(lǐng)域的科學(xué)家建立了面向相關(guān)物料體系的各種數學(xué)模型，以闡述膜傳質(zhì)過(guò)程及膜污染機制。但國內外未見(jiàn)有關(guān)中藥水提液的膜傳質(zhì)與污染模型的文獻報道。此外，由于長(cháng)期以來(lái)中藥基礎研究的缺乏，對組成極其復雜的水提液的“溶液環(huán)境”表征研究，如對密度、黏度、表面張力等基礎物性數據的檢測、分析，基本處于空白狀態(tài)，其結果是中藥生產(chǎn)工藝選擇或設計實(shí)質(zhì)上仍處于“粗放、估算”的層面，遠未達到“精準”水平。

目前教科書(shū)中僅有從宏觀(guān)的角度對中藥水提液的定義：一種由包含有真溶液、混懸液和乳濁液的復雜混合體系。該體系的主要化學(xué)組成是什么、有何特點(diǎn)，其熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)又有何特征等一系列理論與技術(shù)問(wèn)題未見(jiàn)有具體、深入的研究報道。自2001年以來(lái)，在國家自然科學(xué)基金等項目資助下，筆者課題組以數百種單味中藥及復方為實(shí)驗對象，結合膜通量測試，對相關(guān)中藥品種的水提液做了濁度、黏度、pH、導電率、粒徑分布等表征分析。與此同時(shí)，對其中淀粉、蛋白質(zhì)、果膠等非藥效共性高分子物質(zhì)組成進(jìn)行了檢測，繼而對通量、表征與物質(zhì)組成做了初步的相關(guān)性研究。結果發(fā)現各水提液樣品固含物中，這幾類(lèi)高分子組成均占很大比例，且是影響水提液的物理化學(xué)表征參數及膜通量變化的主要因素^[37-38]。

2  集成膜濃縮過(guò)程需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、對策及成效

2.1  關(guān)于解決中藥制藥膜濃縮技術(shù)瓶頸的研究思路

在大量文獻研究及上述有關(guān)前期工作的基礎上，提出下述解決中藥制藥膜濃縮技術(shù)瓶頸的基本思路。

因處方與提取工藝不同，各中藥物料體系具有不同的化學(xué)組成，也具有不同的流變學(xué)參數。根據流變學(xué)與膜科學(xué)原理，對膜過(guò)程產(chǎn)生影響的參數有密度、黏度、滲透壓等。這些參數共同構成的集合可科學(xué)表征中藥物料對膜濃縮過(guò)程產(chǎn)生的影響；它們可通過(guò)理論計算獲得，或由儀器直接測定?？紤]到實(shí)際可行性，從中選取若干參數作為研究對象。

反滲透、膜蒸餾等技術(shù)屬于不同的膜過(guò)程，因而具有不同的膜傳質(zhì)機制、各自的膜污染及能耗規律，亦各自兼容于物料的不同流變學(xué)性能。對于傳統認識方式很難揭示內部機制的中藥復雜體系膜過(guò)程，可借鑒CFD手段，計算預估其特性，數學(xué)建模，提煉膜過(guò)程原型的部分信息構成原型替代物等方法，對技術(shù)系統進(jìn)行優(yōu)化設計。

在膜器固定的條件下，膜濃縮功能與物料流變學(xué)特征具有相關(guān)性。為使膜過(guò)程與物料的流變學(xué)性能相互適應，可采用化學(xué)分析與膜工程手段對傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行精密分析，跟蹤物料體系流變學(xué)參數動(dòng)態(tài)變化，根據臨界通量、臨界滲透壓呈現點(diǎn)，及時(shí)將膜過(guò)程切換為與其適應的傳質(zhì)狀態(tài)，以解決膜污染與能耗*小化問(wèn)題，實(shí)現集成工藝優(yōu)化。

2.2  中藥膜濃縮技術(shù)優(yōu)化面臨的科學(xué)問(wèn)題

對于中藥物料這一復雜體系而言，由于化學(xué)組成的多元性及物料種類(lèi)的多樣性，如何探討膜濃縮工藝優(yōu)化規律？顯然必須改變粗放的方式，以現代科學(xué)概念與相關(guān)實(shí)驗數據表述物料體系的流變學(xué)特征、與膜過(guò)程的相互作用，體系理化參數動(dòng)態(tài)演化過(guò)程及其作用機制，從而促使中藥膜濃縮研究由“描述科學(xué)”向“精密科學(xué)”的轉變。

由上述分析可知，反滲透與膜蒸餾集成工藝是中藥膜濃縮技術(shù)切實(shí)可行的重要選項。就該集成過(guò)程而言，由此需面對的工藝設計問(wèn)題：（1）能否預測反滲透過(guò)程因物料密度升高所產(chǎn)生的*高滲透壓（臨界滲透壓），并將其控制在膜設備額定壓力可承受的范圍；（2）如何預測并控制膜蒸餾過(guò)程因物料密度升高、水蒸氣壓下降而導致的*低膜通量（臨界通量）；（3）怎樣尋找臨界滲透壓（反滲透過(guò)程）及臨界通量（膜蒸餾過(guò)程）平衡點(diǎn)，實(shí)現反滲透與膜蒸餾這2種膜過(guò)程的優(yōu)化組合。上述3個(gè)問(wèn)題的科學(xué)本質(zhì)是濃縮過(guò)程對中藥物料流變性的劣化及其對膜傳質(zhì)作用的拮抗。

綜上所述，中藥物料的流變學(xué)規律及其與膜傳質(zhì)過(guò)程的相關(guān)性是優(yōu)化中藥膜濃縮工藝的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。為此，解決該關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的對策：（1）探索中藥物料的流變學(xué)規律及其與膜濃縮過(guò)程的相互影響；（2）確認反滲透與膜蒸餾等不同膜過(guò)程的臨界滲透壓、臨界通量；（3）闡述膜濃縮過(guò)程對中藥物料的傳質(zhì)作用及機制，尋找可與其匹配的膜技術(shù)組合方案。

2.3  針對集成膜濃縮過(guò)程關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的解決對策及其成效

針對集成膜濃縮過(guò)程關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，從本課題組已建立的“中藥水提液膜基礎數據庫”中選擇了清熱靈、四逆湯、玄麥甘桔顆粒等復方及黃芩、甘草、梔子等單味藥材為實(shí)驗體系（兼顧物料初始黏度、入藥部位及所含主要指標性成分具有代表性等），開(kāi)展相關(guān)對策的研究。

2.3.1  探索中藥物料體系的流變學(xué)特征及其與膜過(guò)程的相互影響

（1）建立、完善流變學(xué)特征參數表征體系：首次在中藥膜科技領(lǐng)域提出臨界滲透壓的概念，根據分離科學(xué)的原理，能影響膜過(guò)程的流變學(xué)參數主要有黏度、雷諾數（Re）等。此外，物料的滲透壓與蒸氣壓^[39]可分別反映反滲透過(guò)程對操作壓力的影響及膜蒸餾過(guò)程膜通量衰減程度，亦為表征物料體系流變特性的基本參數。

在筆者課題組已建成的“中藥水提液膜基礎數據庫”（擁有200多種中藥體系的黏度、密度、pH等參數）基礎上，進(jìn)一步建立、完善可科學(xué)、有效表征與反滲透及膜蒸餾工藝過(guò)程有關(guān)的中藥物料流變學(xué)特征參數體系，對該數據庫補充了與濃縮工藝相關(guān)的流變學(xué)數據，如滲透壓、蒸氣壓等，并從中挖掘各流變學(xué)參數的相關(guān)性規律^[40-44]。

藥液的滲透壓限制著(zhù)反滲透濃縮倍數，因此在設計反滲透膜過(guò)程時(shí)，必須掌控溶液的滲透壓數據。能否預測反滲透過(guò)程因物料密度升高所產(chǎn)生的臨界滲透壓，對于設計或選擇反滲透膜及其設備額定壓力可承受的范圍具有指導作用。

為此，以白蒺藜、牛蒡子、山楂3種果實(shí)類(lèi)中藥水提液體系為研究對象，首次提出臨界滲透壓的概念，當藥液滲透壓不隨反滲透膜濃縮時(shí)間的推移而改變時(shí)所對應的滲透壓稱(chēng)之為臨界滲透壓。根據范特霍夫規則可知，當溫度一定時(shí)，滲透壓的大小與溶液的溶質(zhì)濃度和溶質(zhì)分子的相對分子質(zhì)量相關(guān)。因此，根據滲透壓在膜過(guò)程中的變化可以推測藥液濃度的變化。當滲透壓趨于穩定后，即可知道此時(shí)藥液濃度亦趨于穩定，濃縮過(guò)程難以繼續進(jìn)行。將臨界滲透壓的概念引入中藥水提液反滲透過(guò)程研究，通過(guò)不同中藥水提液膜過(guò)程阻力分布和污染模型的擬合，分析滲透壓與膜通量衰減率的關(guān)系，揭示了測定臨界滲透壓值對于反滲透膜濃縮過(guò)程的作用。研究結果揭示，反滲透膜過(guò)程通量衰減率與滲透壓呈正相關(guān)。在藥液滲透壓小于臨界滲透壓時(shí)，膜污染較輕，便于清洗。

（2）尋找各流變學(xué)數據之間的相關(guān)性規律：發(fā)現中藥水提液的鹽度、電導、總溶解固體（total dissolved solids，TDS）三者之間呈顯著(zhù)線(xiàn)性相關(guān)。通過(guò)系統考察根類(lèi)、葉子類(lèi)、果實(shí)類(lèi)和全草類(lèi)及相關(guān)復方中藥水提液的反滲透膜過(guò)程理化參數的變化規律，發(fā)現電導率與滲透壓之間普遍存在相關(guān)性，相關(guān)系數達到0.928 9（銀杏葉）、0.996 2（梔子）。因此可推測，電導率在某種程度上可以替代滲透壓，用以在線(xiàn)監測反滲透膜過(guò)程。同時(shí)，發(fā)現樣品藥液的鹽度-電導、TDS-電導、TDS-鹽度的線(xiàn)性方程及其相關(guān)系數分別為Y＝18 873 X＋33.871，r²＝0.9877；Y＝0.508 8 X－4.748 0，r²＝0.9961；Y＝9 618.6 X＋11.614，r²＝0.987 5。表明盡管化學(xué)組成復雜，但中藥提取液體系鹽度、電導、TDS三者之間仍具有顯著(zhù)的線(xiàn)性相關(guān)性，為采用物理化學(xué)手段建立在線(xiàn)檢測、控制中藥膜工藝過(guò)程的新方法提供了依據。

（3）發(fā)現“臨界通量”與中藥物料體系流變學(xué)特征的關(guān)系：“臨界通量”的概念由流體力學(xué)、表面化學(xué)、質(zhì)量傳輸和過(guò)濾理論有機結合而成（其值可由實(shí)驗或計算得出）^[45]，系指一種無(wú)污染理想狀態(tài)下膜設備運行的現象，也是膜過(guò)程優(yōu)化的重要標志^[46]。影響臨界通量的主要因素為料液密度與流動(dòng)類(lèi)型（層流、湍流等）。料液密度高時(shí)，遷移率降低，膜表面沉積因溶質(zhì)顆粒覆蓋而增厚，致使臨界通量下降^[47-48]。湍流可通過(guò)減少或延緩溶質(zhì)顆粒在膜表面的沉積而提高膜通量。由于Re可判斷料液的流動(dòng)性質(zhì)（Re＞4 000時(shí)發(fā)生湍流）^[49]，而雷諾數與黏度、密度等密切相關(guān)，因而可通過(guò)改變物料流變學(xué)性質(zhì)的方法來(lái)提高臨界通量^[50]。

2.3.2  探討膜濃縮過(guò)程中中藥物料的傳質(zhì)作用及其機制

（1）通過(guò)計算流體力學(xué)方法和計算機化學(xué)研究模式研究中藥膜過(guò)程及其機制：計算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）是一種新型的計算機化學(xué)手段，它可通過(guò)數值方法求解流體力學(xué)控制方程，并對流體運動(dòng)規律進(jìn)行預測。CFD技術(shù)具有成本低、速度快、資料完備、風(fēng)險小等優(yōu)點(diǎn)，已成為流體科技領(lǐng)域與實(shí)驗研究、理論分析同等重要的手段。CFD方程的通用形式^[51]如下。

ρ為密度，U為速度，t為時(shí)間變量，φ為通用變量，Γ為廣義擴散系數，S為廣義源項

其中處在τ與S位置的變量不必為原物理意義的量，而是數值計算模型方程中的一種定義。因此CFD用于具有暫無(wú)公認定義表達的某些特征的復雜體系。

影響膜過(guò)程的因素相當復雜，其中膜組件中的流場(chǎng)分布是主要因素之一，因此將CFD技術(shù)引進(jìn)膜過(guò)程分析正成為膜科技領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，且已在增加優(yōu)化可信度等方面取得顯著(zhù)效果。本課題組正借鑒國內外CFD先進(jìn)成果^[52-56]，在吸收、消化CFD技術(shù)的基礎上加以創(chuàng )新，以形成具有中醫藥特色的軟件系統。

研究者對膜傳質(zhì)作用開(kāi)展了大量研究，從宏觀(guān)或微觀(guān)角度建立了各種模型^[43-44]。但是，由于膜過(guò)程中傳質(zhì)作用涉及的因素極其復雜，模型的構建又涉及眾多學(xué)科，建立普遍適用的膜過(guò)程模型難度較大。因此，采用計算機化學(xué)預測膜過(guò)程的研究模式應運而生。近年來(lái)，筆者課題組針對中藥體系所具有的復雜數據特征，結合不確定數據流預測、異常數據預測等20種相關(guān)算法，形成一整套信息處理流程，其內容包括樣本可靠性評估、watechliuhede變量組合優(yōu)選、定性和定量數學(xué)建模。并以此技術(shù)手段進(jìn)行了基于計算機化學(xué)方法的中藥膜過(guò)程研究^[57-62]。

（2）中藥水提液的反滲透膜污染過(guò)程基本符合完全堵塞模型：以完全堵塞模型、半堵塞模型、標準堵塞模型、濾餅過(guò)濾模型4種經(jīng)典的膜過(guò)濾堵塞模型擬合白蒺藜等藥液反滲透過(guò)程，結果發(fā)現，各樣品的反滲透膜污染過(guò)程實(shí)驗數據基本符合完全堵塞模型，與各樣品的反滲透過(guò)程阻力分布數據不謀而合。完全堵塞模型的基本假設是物料體系中所有分子到達膜表面后完全堵住膜孔，但不能夠進(jìn)入膜孔，且分子之間不相互疊加，均勻平鋪在膜表面。中藥水提液中大分子雜質(zhì)占很大比例，反滲透膜的平均膜孔徑＜1.0 nm，導致大分子物質(zhì)被截留下來(lái)，從而在膜表面堆積，一方面，堵住膜孔，減小滲透通量；另一方面，增強濃差極化阻力。上述兩因素是產(chǎn)生臨界滲透壓的主要原因。

（3）反滲透、膜蒸餾過(guò)程的Fluent模擬：采用實(shí)驗室自行組裝的計算處理服務(wù)站及ANSYS 15、AUTO CAD 2014軟件。為盡可能接近實(shí)際情況，本課題所使用中空纖維膜為外徑0.4 mm，內徑0.25 mm的PVDF膜，建立相同尺度的模型。模擬結果顯示，不同的孔道、不同的流速有著(zhù)不同的流體力學(xué)，流體力學(xué)會(huì )對膜過(guò)程產(chǎn)生重要的影響，如膜蒸餾過(guò)程中介質(zhì)兩側存在明顯的壓差且隨著(zhù)膜蒸餾過(guò)程的進(jìn)行壓差逐漸增加，污染物在進(jìn)料的沖刷作用下在膜中心結集；反滲透過(guò)程中壓力、污染狀況并非平均分布，而是隨著(zhù)膜過(guò)程的進(jìn)行，出現明顯的“高壓區”和“高污染區”。

通過(guò)對比數值模擬結果和實(shí)驗觀(guān)察到的現象，實(shí)測數據與模擬數據趨于相近，表明建立的數值模擬方法切實(shí)、可行，為后續中藥水提液濃縮的反滲透-膜蒸餾耦合一體化裝置的優(yōu)化設計提供了研究依據和方法。

2.3.3  面向膜蒸餾、反滲透膜濃縮過(guò)程的中藥物料預處理研究

（1）藥液預處理方法對膜蒸餾過(guò)程的影響：藥液未經(jīng)預處理時(shí)含有的大量懸浮物等可導致膜孔堵塞，膜潤濕現象發(fā)生于1 h左右，通量急速衰減。預處理選擇離心或離心后采用不同截留相對分子質(zhì)量（6×10⁴～8×10⁴、3×10⁴～5×10⁴）的膜超濾等方法，通過(guò)預處理前后藥液的理化性質(zhì)對比、膜蒸餾過(guò)程的變化等因素優(yōu)選預處理方法。結果表明，離心和超濾可除去膜污染物，有效緩解膜污染。其中，離心和超濾均不同程度降低果膠等高分子含量，且3×10⁴～5×10⁴超濾較6×10⁴～8×10⁴超濾去除率更高。研究發(fā)現，未離心、離心、離心＋超濾后藥液的平均粒徑分別為2 276、274.4、274.9 nm，從而提示，去除大顆粒物質(zhì)可能是預處理緩解膜污染的主要作用之一。

（2）確定適用于中藥物料反滲透預處理的方法：中藥水提液是由無(wú)機鹽、膠體等懸浮物和溶解性有機物質(zhì)所組成的復雜體系。在反滲透濃縮過(guò)程中，濃液側體積逐漸減小，懸浮顆粒和溶質(zhì)濃度不斷增大。膜表面產(chǎn)生的懸浮顆粒沉積，使膜孔發(fā)生堵塞，摩擦阻力增加，反滲透膜通量降低，嚴重影響反滲透過(guò)程的運行。

研究發(fā)現，濁度小于1 NTU的進(jìn)料液對反滲透膜造成污染的概率幾乎為零。通過(guò)考察截留分子質(zhì)量1×10⁴、2×10⁴～5×10⁴、6×10⁴～8×10⁴、8×10⁴～1×10⁵的超濾膜作為預處理手段對根、果實(shí)、花、葉、全草等各類(lèi)藥材及復方（一清顆粒、六味地黃丸、八正合劑）等的適用性，確認截留相對分子質(zhì)量2×10⁴～5×10⁴的超濾膜*適合作為反滲透預處理用的超濾膜。經(jīng)以黃芩水提液為研究對象，發(fā)現在實(shí)驗的初始階段，藥液在反滲透膜表面產(chǎn)生濃差極化，造成膜污染，使得通量急速下降。當滲透通量下降至一定水平后，由于滲透壓阻滯的作用，膜表面達到平衡狀態(tài)，此時(shí)膜通量不再降低，趨于穩定。同時(shí)，運行4 h時(shí)，超濾預處理的藥液體積濃縮倍數達到3.2倍，藥液密度由0.992g/cm³增大至1.008 g/cm³。而未經(jīng)預處理的藥液體積濃縮倍數僅1.6倍，藥液密度由1.007g/cm³升至1.013 g/cm³。以上數據說(shuō)明預處理可對反滲透膜過(guò)程產(chǎn)生顯著(zhù)影響，并提示進(jìn)入反滲透系統前的藥液，以2×10⁴～5×10⁴超濾膜進(jìn)行預處理是可行、有效的。

2.3.4  真空膜蒸餾過(guò)程中膜污染及膜清洗方法研究  以復方二丁顆粒及單味藥黃芩、白芍的水提液為實(shí)驗體系，分別開(kāi)展濃縮及恒濃實(shí)驗，定時(shí)記錄料液主體和膜進(jìn)出口兩端的溫度，檢測濃度變化對膜通量的影響，計算膜濃縮過(guò)程中的溫度極化系數（τ）。結果發(fā)現τ值均大于0.98，真空膜蒸餾（VMD）過(guò)程中溫差極化效應可忽略；而VMD過(guò)程中濃差極化效應可導致膜通量下降。

為提高濃縮效率、延長(cháng)膜使用壽命，分別考察了堿液分次清洗、堿＋酸液清洗、超聲＋堿液清洗等不同膜清洗方法對膜通量恢復率及膜表面結構（電鏡掃描）的影響。結果發(fā)現，中藥提取液膜蒸餾過(guò)程中較合適的清洗方法是堿＋酸液清洗，但清洗時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )對疏水膜的接觸角產(chǎn)生影響，甚至可破壞疏水性。文獻報道，超聲可有效提高超濾膜清洗效率，但本實(shí)驗對PVDF疏水膜采用超聲技術(shù)清洗的研究發(fā)現，超聲對疏水膜結構具破壞作用，影響程度可能與膜材質(zhì)及清洗條件有關(guān)，尚需進(jìn)一步研究。

3  結語(yǔ)

在多年工作的基礎上，筆者課題組借鑒國際先進(jìn)的膜集成工藝設計策略與方法，以突破中藥生產(chǎn)共性關(guān)鍵技術(shù)為目標，針對有望適應中藥物料濃縮需求的“反滲透與膜蒸餾集成”技術(shù)關(guān)鍵——濃縮過(guò)程對中藥物料流變性的劣化及其對膜傳質(zhì)作用的拮抗，在膜科學(xué)原理指導下，以若干代表性中藥復方為實(shí)驗體系，借鑒流變學(xué)方法與CFD手段，獲取中藥體系物料流變學(xué)、膜動(dòng)力學(xué)等特征量，進(jìn)一步豐富和完善中藥工程學(xué)物性數據庫，通過(guò)中藥學(xué)與現代分離科學(xué)、計算機化學(xué)等多學(xué)科交叉研究，探索中藥體系物料流變學(xué)特征與膜傳質(zhì)過(guò)程的相關(guān)性，為實(shí)現中藥膜濃縮技術(shù)優(yōu)化提供依據，深化中藥制藥工程理論研究，促進(jìn)中藥膜技術(shù)創(chuàng )新。

參考文獻（略） 

來(lái)  源：潘林梅，李  博，郭立瑋，張劉紅，石飛燕，楊  晨，金唐慧. 基于膜及其集成過(guò)程的中藥“綠色濃縮”技術(shù)研究進(jìn)展、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與對策 [J]. 中草藥, 2019, 50(8):1768-1775.