材料是人類(lèi)用來(lái)制造機器、構件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展歷程是以材料為主要標志的。2011年中國政府公布的促進(jìn)經(jīng)濟轉型的七大戰略性新興產(chǎn)業(yè)中就包括新材料，而其他6項中的4項——新能源、節能環(huán)保、新能源汽車(chē)、新一代信息技術(shù)，也都與材料密切相關(guān)?！秾W(xué)術(shù)引領(lǐng)系列?國家科學(xué)思想庫?未來(lái)10年中國學(xué)科發(fā)展戰略：材料科學(xué)》指出^[1]：“毋庸置疑，材料科學(xué)已經(jīng)成為現代科學(xué)技術(shù)賴(lài)以發(fā)展與深化的實(shí)質(zhì)性環(huán)節，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著(zhù)基礎和先導作用”。材料科學(xué)理論的每一次跨越都會(huì )促進(jìn)材料技術(shù)、材料工程的革新，一種關(guān)鍵材料技術(shù)的突破可以推動(dòng)其他若干科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，一類(lèi)新材料的出現還可以帶動(dòng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的誕生。

過(guò)程工業(yè)給人類(lèi)帶來(lái)了豐富的物質(zhì)基礎，但其對資源、能源的過(guò)度消耗和對環(huán)境的污染也已經(jīng)成為制約人類(lèi)社會(huì )可持續發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，而化學(xué)工程一直是實(shí)現物質(zhì)高效轉化和能量有效利用的重要手段?；瘜W(xué)工程在20世紀經(jīng)歷了“單元操作”和“傳遞原理和反應工程”2個(gè)階段，進(jìn)入21世紀，化學(xué)工程的目標已轉化為^[2]：依托性能優(yōu)越、環(huán)境友好和功能齊備的新型結構功能材料發(fā)展新的過(guò)程工業(yè)技術(shù)，形成新的工藝流程和集成技術(shù)，以達到高效、低耗、無(wú)污染的目的。

膜技術(shù)是典型的以材料為基礎的過(guò)程工程單元技術(shù)，膜的制備屬于材料學(xué)科，膜的應用涉及過(guò)程工業(yè)。2010年出臺的《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》將高性能膜材料列入戰略性新興產(chǎn)業(yè)。2012年科技部發(fā)布了《高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項規劃》，提出“十二五”期間膜材料的發(fā)展目標，即實(shí)現5～8種關(guān)鍵膜材料國產(chǎn)化，建成膜生產(chǎn)線(xiàn)3～6條，到2015年形成千億元產(chǎn)業(yè)。

1  膜材料與技術(shù)在中醫藥行業(yè)的應用概況

千百年來(lái)，以水煎服為主的中藥湯劑，是中醫臨床用藥的主要方式，充分顯示了自中藥水提液中獲取藥效物質(zhì)的安全性與有效性。中藥水提液是創(chuàng )新藥物研究的重要載體，通過(guò)對中藥水提液的高效分離得到小劑量中間體是創(chuàng )制藥物研究的關(guān)鍵環(huán)節，而中藥膜技術(shù)以水為基本溶劑，可保留中醫傳統用藥的優(yōu)勢和特色。研究表明^[3]，微濾（microfiltration，MF）技術(shù)可部分取代傳統的乙醇沉淀工藝，MF-超濾（ultrafiltratio，UF）等雙膜法集成工藝可實(shí)現中藥水提液中有效部位的富集，如《中國藥典》2015年版記載的宮血寧膠囊的生產(chǎn)工藝，即通過(guò)MF技術(shù)實(shí)現有效部分的富集?？梢?jiàn)，膜分離及其集成技術(shù)有望成為創(chuàng )新藥物研究的共性關(guān)鍵分離技術(shù)。

目前，國內外絕大多數中藥生產(chǎn)廠(chǎng)家仍以由水煎煮而成的中藥水提液作為生產(chǎn)過(guò)程的基本物料，采用膜材料與裝備可以在不改變傳統生產(chǎn)流程的基礎上實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的有效控制，采用MF-UF-納濾（nanofiltration，NF）等膜集成工藝進(jìn)行中藥提取物生產(chǎn)的某企業(yè)車(chē)間見(jiàn)圖1。膜材料與裝備的工程化應用還可顯著(zhù)提升生產(chǎn)效率，如某企業(yè)對比了水提醇沉工藝與膜濾工藝的生產(chǎn)流程，同一產(chǎn)品單元生產(chǎn)周期可由7～12 d縮短為0.5～2.0 d，能耗降低10%～25%，資源利用率提高15%～50%，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高30%～70%。

1.1  膜材料與技術(shù)在國外醫藥產(chǎn)業(yè)的應用現狀分析

膜技術(shù)是當今分離科學(xué)中*重要的新型分離技術(shù)之一，但在國外醫藥產(chǎn)業(yè)的應用現狀未見(jiàn)系統報道。以NF技術(shù)為例，根據SCI數據顯示，在1994—2011年，有68個(gè)國家發(fā)表了2 195篇與NF膜技術(shù)相關(guān)的文獻^[4]；美國的論文發(fā)表數量*多，有428篇，排名前10的國家中有5個(gè)來(lái)自“七國集團”，而只有2個(gè)是新興國家。美國研究NF膜技術(shù)的學(xué)科集中在工程、高分子科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)、水資源、化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。中國、美國和日本共占全球NF膜技術(shù)專(zhuān)利總量的78%，在水處理和分離技術(shù)方面具有強大的技術(shù)優(yōu)勢^[5]。在2007—2017年，有1 902篇關(guān)于NF研究的文獻在Science Direct上發(fā)表。在近5年中，關(guān)于有機溶劑納濾，制藥和生物應用，膜過(guò)程的設計、經(jīng)濟學(xué)核算的文獻發(fā)表數量顯著(zhù)增長(cháng)^[6]。由此看出，全球膜技術(shù)的基礎性研究正逐漸受到關(guān)注。對技術(shù)的應用源自于基礎研究水平的保障，從統計數據可以看出，美國等發(fā)達國家對NF膜技術(shù)研究學(xué)科分布廣泛，科技成果轉化能力強。

膜分離技術(shù)也是*有前景的清潔水生產(chǎn)技術(shù)之一^[7-9]，如膜技術(shù)有效并廣泛用于去除油脂。國外膜技術(shù)制造商致力于開(kāi)發(fā)新型膜技術(shù)并實(shí)現產(chǎn)業(yè)化應用。如位于阿德萊德的燒結金屬過(guò)濾器制造商Advanced Material Solutions（AMS）已經(jīng)商業(yè)化推出了一種使用鈦膜的過(guò)濾系統。鈦的強度使得膜不受鹽或化學(xué)物質(zhì)（如氯）的影響，可以通過(guò)調節篩選出特定的材料。美國陶瓷制造商Coors Tek近年推出了2種新型工業(yè)陶瓷膜過(guò)濾技術(shù)，專(zhuān)門(mén)用于水溶液中微粒、超濾分子和顆粒。

在現有膜技術(shù)的基礎上，國外膜技術(shù)研究領(lǐng)域不斷實(shí)現關(guān)鍵技術(shù)突破。如膜生物反應器（MBR）工藝采用傳統的活性污泥工藝和膜過(guò)濾，在減少有機物質(zhì)、懸浮固體和病原體方面提供更高的處理效率。中藥生產(chǎn)工藝過(guò)程需要使用大量的乙醇及其他有機溶劑，如丙酮、異丙醇、甲醇、醋酸乙酯等，因而制藥過(guò)程產(chǎn)生的廢水、廢氣中常常存在低濃度有機物（volatile organic compounds, VOCs）而引起污染問(wèn)題，采用分子篩膜技術(shù)可以有效對上述廢液、廢氣進(jìn)行回收利用^[10]，這對于減少VOCs對人和動(dòng)物的危害具有重要意義。

國外膜技術(shù)工程化應用是基于科學(xué)領(lǐng)域的研究和商業(yè)發(fā)展的需要^[11-12]。1960年，洛布（Loeb）和索里拉金（Sourirajan）研制出第一張高通量和高脫鹽率的醋酸纖維素反滲透膜，膜分離技術(shù)自此進(jìn)入了裝置研制階段；1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。上述20世紀60年代在膜分離方面的2項突破標志著(zhù)膜技術(shù)真正實(shí)現了工業(yè)化。目前已經(jīng)成熟和不斷研發(fā)出來(lái)的MF、UF、反滲透（RO）、NF、電滲析（ED）、氣體分離（GS）、滲透汽化（PV）、無(wú)機膜等技術(shù)逐漸實(shí)現設備與工藝過(guò)程優(yōu)化，并隨著(zhù)信息技術(shù)的應用和計算流體力學(xué)的發(fā)展逐漸傾向于與工程有關(guān)的復雜流動(dòng)進(jìn)行模擬，進(jìn)而實(shí)現高選擇性與高滲透性相統一的高效分離。

2012年全球膜產(chǎn)品銷(xiāo)售額已超過(guò)120億美元，并以每年8%～10%的增長(cháng)率擴大，其中，用于制水和污水處理的MF、UF和RO占膜分離技術(shù)市場(chǎng)總額的40%左右。日本的漢方藥在國際中藥市場(chǎng)中所占份額超過(guò)80%，其主要原因之一是日本早在20世紀80年代將膜技術(shù)成功應用于中藥生產(chǎn)。如在20世紀80年代，日本在黃連解毒湯粉針劑的生產(chǎn)中就可以超濾去除相對分子質(zhì)量大于50 000的雜質(zhì)；其規模*大的漢方制劑生產(chǎn)企業(yè)津村順天堂也采用UF技術(shù)去除提取液中的高分子雜質(zhì)，由此可將葛根湯片的劑量由每付18片減少至4片，其產(chǎn)品完全符合聯(lián)合國WHO關(guān)于傳統藥物“安全、有效、穩定、經(jīng)濟”的原則，深受市場(chǎng)歡迎。

由此可見(jiàn)，通過(guò)高性能膜材料的研制與裝備的應用，膜技術(shù)在國外醫藥產(chǎn)業(yè)的作用逐漸顯現，為高效、清潔地利用能源和資源生產(chǎn)醫藥產(chǎn)品提供了可能。

1.2  膜材料與技術(shù)在我國中醫藥產(chǎn)業(yè)的應用現狀分析

近10年來(lái)，材料科學(xué)的快速發(fā)展及環(huán)境友好戰略的實(shí)施使膜技術(shù)步入了新階段，膜技術(shù)在我國中藥行業(yè)的應用也初步實(shí)現工業(yè)化，云南白藥、揚子江海陵藥業(yè)、敖東藥業(yè)等一批大中型中醫藥企業(yè)在中藥分離、純化等流程采用膜分離技術(shù)取得了重要成果。

根據南京中醫藥大學(xué)圖書(shū)館情報中心檢索數據顯示，在1970—2017年，以“膜技術(shù)（過(guò)濾、微濾、超濾、納濾、反滲透）”“中藥”“中醫”“資源利用”為關(guān)鍵詞發(fā)表的中文文獻共有1 760篇，主要應用于中藥復方注射液的UF工藝研究，如芪紅脈通注射劑、熱毒寧注射液、活血通絡(luò )注射液等UF工藝優(yōu)化；中藥（含復方）水提液的除雜工藝研究，如黃芪顆粒的陶瓷膜微濾技術(shù)精制、銀黃方口服液的超濾和納濾組合式膜分離精制、黃芪等4種藥材提取液的無(wú)機陶瓷膜精制等。少量文獻報道UF、NF等膜技術(shù)應用于總黃酮、多糖等部位的分離以及膜濃縮技術(shù)用于復方制劑水提液的濃縮工藝研究。然而，上述研究大多處于實(shí)驗室工藝篩選和優(yōu)化階段。20世紀90年代，徐南平院士^[13]率先將陶瓷膜微濾技術(shù)引入我國中藥制藥過(guò)程，取代傳統的醇沉工藝，顯著(zhù)提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，膜技術(shù)在中醫藥行業(yè)中的規?；瘧弥饕w現在2個(gè)方面：中藥制藥生產(chǎn)過(guò)程、中藥制藥過(guò)程保障。在中藥制藥生產(chǎn)過(guò)程領(lǐng)域，可采用MF、UF、RO及NF等技術(shù)用于中藥提取液精制與濃縮，膜工藝與大孔樹(shù)脂工藝的比較分析見(jiàn)表1。在中藥制藥過(guò)程保障領(lǐng)域，RO技術(shù)已作為制藥用水生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)列入《中國藥典》，如“RO＋連續電除鹽系統（EDI）”技術(shù)已在制藥企業(yè)得到大規模推廣應用。

隨著(zhù)中藥現代化進(jìn)程的深入開(kāi)展，膜分離技術(shù)的戰略轉型升級作用日益彰顯，越來(lái)越多的研究者嘗試將膜技術(shù)應用于制藥過(guò)程的各個(gè)環(huán)節。在工業(yè)化大生產(chǎn)中，湖南康麓生物、云南天士力帝泊洱等企業(yè)采用滲透汽化技術(shù)回收乙醇；在膜材料與裝備的研發(fā)中，筆者項目組也嘗試采用UF技術(shù)和滲透汽化技術(shù)用于中藥揮發(fā)油分離富集^[14]、采用膜乳化術(shù)制備新型納米乳劑^[15]、采用MBR技術(shù)和分子篩技術(shù)處理中藥廢水/氣^[16]等。上述研究為中藥特種膜材料的研發(fā)與膜裝備的創(chuàng )制提供了廣闊的前景^[17-19]。

為進(jìn)一步了解膜技術(shù)在我國中藥企業(yè)中的應用情況，對來(lái)自25個(gè)省市的73家中藥制藥企業(yè)進(jìn)行了問(wèn)卷調研。調研結果顯示，從膜技術(shù)的認知與使用情況來(lái)看，目前，膜技術(shù)知識的普及度已經(jīng)超過(guò)80%，并且已經(jīng)有超過(guò)50%的客戶(hù)在生產(chǎn)中應用了膜技術(shù)，客戶(hù)對于國產(chǎn)化膜技術(shù)應用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是大力支持的，但是由于政策壁壘、成本高的原因，有接近70%的客戶(hù)對于膜技術(shù)的普及表示擔憂(yōu)。如何準確找到政策切入口，高效兼容中藥工藝開(kāi)發(fā)與應用成為了膜行業(yè)在中藥領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。在已使用膜進(jìn)行中藥生產(chǎn)的相關(guān)企業(yè)中，所用的大多為UF、UF及RO膜技術(shù)，而NF膜占極少部分。其中，大部分企業(yè)所使用的為進(jìn)口膜，普遍對國產(chǎn)膜信心不足。

由此可見(jiàn)，膜技術(shù)由于“節能、降耗、減排”等特征，特別適用于解決中藥產(chǎn)業(yè)中面臨的生產(chǎn)效率低、能耗大、污染高等共性問(wèn)題。但目前，運行成本較高仍成為制約膜技術(shù)在中藥產(chǎn)業(yè)推廣應用的制約因素。如何依據中藥生產(chǎn)特性及應用需求開(kāi)發(fā)專(zhuān)用膜產(chǎn)品是解決膜技術(shù)應用問(wèn)題的關(guān)鍵，也是中藥工業(yè)綠色生產(chǎn)的重要手段之一。

2  面向中藥產(chǎn)業(yè)應用過(guò)程的特種膜材料與裝備設計、集成策略

分離技術(shù)是中藥生產(chǎn)過(guò)程的共性關(guān)鍵技術(shù)，也是決定中藥工業(yè)醫藥資源利用率及生產(chǎn)工藝能耗的關(guān)鍵環(huán)節之一，其高效與否直接關(guān)系著(zhù)中藥生產(chǎn)水平。2016年11月，國家工信部、國家發(fā)改委、國家科技部、商務(wù)部、國家衛生計生委和國家食品藥品監督管理總局聯(lián)合發(fā)布了《醫藥工業(yè)發(fā)展規劃指南》，重點(diǎn)部署了“十三五”期間醫藥工業(yè)的發(fā)展目標，旨在加快醫藥工業(yè)由大變強的轉變，并提出：“推動(dòng)綠色改造升級作為‘十三五’時(shí)期醫藥工業(yè)的主要任務(wù)之一；要提升行業(yè)清潔生產(chǎn)水平，建設綠色工廠(chǎng)和綠色園區，提升全行業(yè)‘環(huán)境、職業(yè)健康和安全’（EHS）管理水平”。

膜材料是膜分離技術(shù)的關(guān)鍵。在國際上，膜材料的應用開(kāi)發(fā)起步較早，技術(shù)較為成熟，已實(shí)現多種膜材料的系統化大規模生產(chǎn)及工程應用。我國膜材料的研究與開(kāi)發(fā)起步較晚，主要膜材料長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口。筆者項目組在20年來(lái)的基礎研究與應用開(kāi)發(fā)中亦發(fā)現，由于中藥水提液組成極其復雜，與膜系統的兼容性是困擾膜技術(shù)推廣應用的主要問(wèn)題之一。中藥特種分離膜（針對特殊“中藥溶液環(huán)境”^[20]而設計，能夠在高溫、溶劑和化學(xué)反應等苛刻環(huán)境下實(shí)現物質(zhì)分離的薄膜材料）的缺失，使得膜技術(shù)應用多年來(lái)仍然停留在以“試錯法”為主的中藥提取液澄清、除雜、除熱源等低效分離，遠未發(fā)揮其獨特的技術(shù)性和經(jīng)濟性?xún)?yōu)勢，高效拆分、超濾分離、膜蒸餾、催化反應等高性能分離的應用鮮見(jiàn)報道。

面向中藥產(chǎn)業(yè)應用過(guò)程的產(chǎn)業(yè)升級與綠色發(fā)展，筆者項目組提出：將材料化學(xué)工程理論與方法引入中醫藥領(lǐng)域，開(kāi)展具有自主知識產(chǎn)權的原創(chuàng )研究，構建以膜分離技術(shù)為核心的新型分離過(guò)程、分離流程及其專(zhuān)屬裝備，實(shí)現中藥生產(chǎn)過(guò)程的節能減排。材料化學(xué)工程是材料科學(xué)和化學(xué)工程的交叉學(xué)科，要實(shí)現用化學(xué)工程的原理指導“做”材料和“用”材料，核心在于建立材料結構、性能（應用）與制備（生產(chǎn)）三者的關(guān)系。材料化學(xué)工程強調依托新材料（如新型分離材料、新型催化材料等）發(fā)展新的化工技術(shù)和理論，特別是新的過(guò)程工程技術(shù)形成新的流程工藝和集成技術(shù)，以達到高效率、低能耗和環(huán)境友好的目的。

膜技術(shù)應用實(shí)踐證明，膜過(guò)程的傳遞特性調控與強化是高性能膜設計的關(guān)鍵和依據，也是膜運行成本控制的核心和依據。針對中藥體系應用過(guò)程中存在的問(wèn)題，筆者項目組率先提出“中藥溶液環(huán)境”學(xué)術(shù)思想，并通過(guò)現代分離理論推導，從218種中藥單、復方獲得的數萬(wàn)膜分離工藝參數組成的數據庫中，篩選出可客觀(guān)反映中藥水提液膜分離過(guò)程的理化參數集，創(chuàng )建與分離性能相吻合的“中藥溶液環(huán)境”評價(jià)系統；旨在解析膜濾過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，創(chuàng )建解析中藥藥效物質(zhì)膜分離過(guò)程共性規律的研究方法，以精確、易測的“中藥溶液環(huán)境”參數動(dòng)態(tài)評判膜傳質(zhì)過(guò)程，解決膜污染、膜潤濕等運行過(guò)程中存在的共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，針對性進(jìn)行中藥特種膜材料設計與裝備選擇性組裝，實(shí)現中藥物料膜分離過(guò)程的“量體裁衣”。

面向中藥行業(yè)新型分離過(guò)程的特種膜材料與裝備設計、集成研究，筆者項目組提出：應圍繞科學(xué)問(wèn)題的闡釋和關(guān)鍵技術(shù)的突破，建立基于應用過(guò)程的膜材料的設計理論與方法，研究思路見(jiàn)圖2?；A研究重在闡明中藥多組分分子結構與膜材料微結構的相互作用機制，詮釋膜材料微結構與分離性能的構效關(guān)系。應用過(guò)程研究應基于化學(xué)工程基本原理和流場(chǎng)特性的膜成套裝備設計與制造技術(shù)，以及膜法組合工藝與現有中藥生產(chǎn)工藝的耦合集成技術(shù)。通過(guò)上述研究，實(shí)現技術(shù)集成與設備創(chuàng )制，建立符合中藥特點(diǎn)的環(huán)境友好生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現中藥工業(yè)生產(chǎn)中制劑前處理“提取、精制、濃縮”等環(huán)節的高效、環(huán)保、穩定與智能控制。

3  面向中藥行業(yè)應用過(guò)程的特種膜分離材料與裝備應用實(shí)踐

膜分離及其集成技術(shù)的核心是膜的性能，膜性能又與膜材料的性質(zhì)密切相關(guān)。筆者項目組自1997年以來(lái)，以中藥經(jīng)典復方、臨床有效驗方為實(shí)驗體系，圍繞其水提液的高效分離與有效性、安全性評價(jià)，不斷嘗試將材料化學(xué)工程理論與方法引入中醫藥領(lǐng)域，開(kāi)展具有自主知識產(chǎn)權的原創(chuàng )研究，構建以膜分離技術(shù)為核心的綠色分離技術(shù)及其專(zhuān)屬裝備。

3.1  中藥復方水提液為“前體化學(xué)組成”的創(chuàng )新藥物研究模式形成與應用

“中藥溶液環(huán)境”研究中需要解決的核心問(wèn)題是面向中藥復雜體系的特種膜材料微結構與分離性能的構效關(guān)系。

中藥水提液成分極其復雜，除了生物堿、黃酮、有機酸、苷類(lèi)等小分子有效成分外還含有淀粉、果膠、蛋白質(zhì)、多糖等高分子物質(zhì)，其相對分子質(zhì)量從幾十到幾百萬(wàn)。其中待分離物質(zhì)的膜透過(guò)效率主要受兩方面的影響：（1）膜孔徑的機械篩除作用，主要與待分離物質(zhì)的相對分子質(zhì)量、體積和幾何形態(tài)有關(guān)；（2）膜與待分離物質(zhì)間的相互作用，主要與膜及待分離物質(zhì)的電性有關(guān)。而上述兩方面的作用都與待分離物質(zhì)的結構參數有很大關(guān)系。中藥水提液中成分的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，如溶液黏度、濃度、離子強度、電解質(zhì)成分、粒子或溶質(zhì)大小、分子結構、形態(tài)、分散狀態(tài)、表面張力等直接影響到與之接觸的膜的表面性質(zhì)，同時(shí)溶液性質(zhì)的變化還會(huì )改變其中所含待分離的顆?；虼蠓肿尤苜|(zhì)的性質(zhì)，進(jìn)而造成了膜與溶劑、顆粒溶質(zhì)等之間的作用發(fā)生變化，從而影響或改變膜的分離性能。

上述問(wèn)題的本質(zhì)是膜材料作為先進(jìn)材料，一個(gè)鮮明特點(diǎn)是具有介觀(guān)尺度的結構（MF、UF、NF等膜材料孔徑處于微米至納米之間），從而展現出違反常規的物質(zhì)運動(dòng)特性^[21]。材料化學(xué)工程研究表明^[2]，傳統的化學(xué)工程以宏觀(guān)流體為對象，用宏觀(guān)流體的熱力學(xué)基礎物性數據和模型實(shí)現了化學(xué)工程模擬，進(jìn)而推動(dòng)了過(guò)程的放大和強化；但是隨著(zhù)先進(jìn)材料的應用，需要對傳統的熱力學(xué)方法和傳遞理論進(jìn)行延拓，才能深入認識納米尺度下流體的微結構和介觀(guān)尺度下界面處的流體傳遞行為。筆者項目組以經(jīng)典復方黃連解毒湯為模型藥物，該方由黃連、黃柏、黃芩和梔子4味中藥組成，主要藥效成分包括生物堿、黃酮、環(huán)烯醚萜、苷類(lèi)等類(lèi)成分，對于中藥藥效成分具有一定代表性，研究發(fā)現^[22-25]：（1）膜過(guò)濾過(guò)程，小分子藥效物質(zhì)的透過(guò)行為受到膜表面吸附和溶液中共性高分子物質(zhì)的共同作用，其作用強度與高分子物質(zhì)的種類(lèi)、濃度密切相關(guān)；（2）計算機仿真技術(shù)分析表明，蛋白質(zhì)、淀粉、果膠等共性高分子物質(zhì)與小檗堿、巴馬汀、黃芩苷、梔子苷等小分子物質(zhì)共存時(shí)的“溶液結構”具有顯著(zhù)差異，且與膜表面作用差異較大。上述實(shí)驗結果在宏觀(guān)上表現為：（1）中藥水溶液中共性高分子物質(zhì)（蛋白質(zhì)、多糖、果膠等）是中藥膜過(guò)程的主要污染物質(zhì)；（2）經(jīng)典的化學(xué)工程中的傳質(zhì)模型與中藥體系不兼容，無(wú)法準確預測一定截留相對分子質(zhì)量的膜與中藥成分之間的透過(guò)率。

在“中藥溶液環(huán)境”評價(jià)系統建立的基礎上，筆者項目組初步建立以膜分離為核心的新型中藥精制技術(shù)，對傳統“水醇法”形成突破，逐步形成新型分離過(guò)程、分離流程與工藝：根據不同物料“中藥溶液環(huán)境”所具有的相對分子質(zhì)量分布特征，可選擇一定孔徑的MF/UF膜，替代水提醇沉工藝除去高分子雜質(zhì)以對中藥進(jìn)行精制，并系統開(kāi)展了膜適用性、膜設備選型、膜工藝過(guò)程優(yōu)化等產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵環(huán)節的研究。針對膜污染、運行成本高等嚴重制約膜技術(shù)在中藥生產(chǎn)過(guò)程中大規模推廣應用的瓶頸問(wèn)題，創(chuàng )建技術(shù)應用^[3,26]：構建面向中藥的“膜過(guò)程優(yōu)化”系列共性關(guān)鍵技術(shù)——基于溶液環(huán)境優(yōu)化機制的物料預處理技術(shù)；中藥膜污染預報、防治技術(shù)；“超聲-膜分離”耦合技術(shù)；創(chuàng )新節能高效膜組件制備，從膜過(guò)程前、中、后3環(huán)節入手，通過(guò)系統集成創(chuàng )新，實(shí)現高通量和高分離因子的統一，為膜技術(shù)用于中藥生產(chǎn)提供可靠保障。

在上述基礎研究的基礎上，還進(jìn)行了以下應用實(shí)踐：（1）根據國家中藥新藥注冊技術(shù)規范，將產(chǎn)品指標（主要指標成分與得膏率、HPLC特征圖譜、主要藥效學(xué)指標等）與傳統水醇精制法進(jìn)行比較，并系統評估產(chǎn)品的臨床安全性、有效性。（2）將膜分離與樹(shù)脂吸附等分離技術(shù)集成，形成中藥精制的一種基本方法。所得產(chǎn)物純度高（有效部位或指標成分質(zhì)量分數70%左右）、臨床服用量?。ǖ酶嗦?/span>6%左右），便于制成現代給藥劑型。將該技術(shù)用于中藥新藥“糖渴清”和“銀香顆?！钡难兄?，并已分別獲得新藥臨床批件與新藥證書(shū)。其中，“銀香顆?！苯?jīng)過(guò)II、III期各232例、437例的臨床安全性與有效性（隨機雙盲、陽(yáng)性藥、平行對照、多中心臨床研究總結）的評價(jià)。

3.2  新型膜分離材料、裝備設計與集成的應用實(shí)踐

基于“中藥溶液環(huán)境”的分離技術(shù)應用體系的形成與應用，創(chuàng )建以膜技術(shù)為核心的中藥“清潔生產(chǎn)”應用流程，實(shí)現節能減排。

筆者項目組利用膜篩分機制精制中藥水提液，以“MF-UF-NF”一體化膜技術(shù)建立新型中藥提取分離“固液分離、純化、濃縮”流程，并創(chuàng )制“一體化特種膜裝備”，形成了以膜集成技術(shù)為核心的中藥“清潔生產(chǎn)”應用流程，實(shí)現中藥提取分離的高效、環(huán)保與智能控制。引入過(guò)程分析技術(shù)（process analytical technology，PAT），以密度、pH、溫度等物理化學(xué)參數評判生產(chǎn)過(guò)程物料的一致性，如勁酒集團中藥提取生產(chǎn)線(xiàn)，以0.05 μm Al₂O₃陶瓷膜處理中藥，以1×10⁴～5×10⁴有機膜截留處理多糖、總黃酮等成分，以NF濃縮處理提取液，生產(chǎn)周期由12d縮短為2 d，能耗降低10%，資源利用率提高15%，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高30%，其在線(xiàn)檢測點(diǎn)384個(gè)、質(zhì)量控制點(diǎn)1 800個(gè)，實(shí)現中藥物料提取分離過(guò)程的節能減排。

創(chuàng )建中藥揮發(fā)油膜富集流程與裝置，替代溶劑萃取法，解決水蒸氣蒸餾工藝收油率低、環(huán)境污染問(wèn)題。根據揮發(fā)油在水中形成顆粒的“中藥溶液環(huán)境”特征，利用膜分離技術(shù)截留微小油粒，從常規水蒸氣提取揮發(fā)油生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的“油水混合”廢水中回收揮發(fā)油^[27-30]：（1）以12個(gè)科50種常用中藥及其含油水體為實(shí)驗樣本，系統考察膜種類(lèi)、油水混合體系理化性質(zhì)、操作工況和操作環(huán)境對油水分離過(guò)程的影響，建立了油水分離過(guò)程工藝參數數據庫和數學(xué)模型，成功研制了膜富集揮發(fā)油裝置。（2）通過(guò)系統研究揮發(fā)油對膜的污染機制與防治方法，研制出專(zhuān)用膜清洗劑，建立了膜富集揮發(fā)油應用流程與集成技術(shù)。該研究成功替代“揮發(fā)油溶劑萃取法”，解決工業(yè)生產(chǎn)中水蒸氣蒸餾工藝收油率低、環(huán)境污染問(wèn)題，屬?lài)鴥韧馐讋?chuàng )的基于膜分離技術(shù)的中藥揮發(fā)油工業(yè)生產(chǎn)模式。（3）采用水蒸氣滲透膜技術(shù)系統采集了27種中藥溶解態(tài)揮發(fā)油，收油率生產(chǎn)周期由12 h縮短為6 h，收油率提高50%，從而為設計創(chuàng )制中藥揮發(fā)油整體、無(wú)損、快速分離的特種分離膜奠定基礎。

3.3  膜技術(shù)在中藥資源循環(huán)利用中的應用實(shí)踐

近年來(lái)，隨著(zhù)中藥資源循環(huán)經(jīng)濟模式的建立，筆者項目組采用膜分離及其集成技術(shù)對中藥脈絡(luò )寧注射液生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行資源化利用^[31-32]。中藥脈絡(luò )寧注射液由牛膝、玄參、石斛、銀花4味中藥組成，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物主要有水提取后4味藥的混合藥渣、乙醇沉淀物、醋酸乙酯萃取后剩余物，及制藥過(guò)程產(chǎn)生的大量廢水。在前期研究中已發(fā)現：（1）混合藥渣富含上述4味投料藥材中的藥效成分，如石斛因質(zhì)地堅硬，水提取后剩余石斛堿、多糖等有效物質(zhì)；（2）混合藥渣可用作飼料、菌類(lèi)培養基、生物質(zhì)能源、造紙原料等；（3）廢水中殘留水溶性藥效成分，如不進(jìn)行資源化利用，不僅造成浪費，作為廢水排放還會(huì )造成二次污染。在研究中首次采用不同孔徑超濾膜對廢棄乙醇沉淀物進(jìn)行多糖部位的分離^[33]；提出中藥廢水零排放的膜處理工藝，采用PVDF超濾膜自制藥廢水中富集青皮揮發(fā)油，提取率達67.5%^[34]；采用“MF-UF”膜集成技術(shù)富集脈絡(luò )寧注射液廢水中相對分子質(zhì)量＜1 000的小分子藥效組分的同時(shí)，以陶瓷膜反應器實(shí)現“二級處理-三級處理”的中水回用^[35]。上述探索性研究為中藥特種分離膜的精準構筑奠定了實(shí)驗基礎。

4  結語(yǔ)

膜技術(shù)以先進(jìn)分離材料為載體，可在溫和、低成本條件下實(shí)現物質(zhì)分子水平的分離，特別適合現代工業(yè)對節能、低品位原材料再利用和消除環(huán)境污染的需要，已成為當代解決人類(lèi)面臨的能源、水資源、環(huán)境等領(lǐng)域重大問(wèn)題的共性關(guān)鍵技術(shù)，受到各國政府高度重視。膜分離過(guò)程為物理分離過(guò)程，膜過(guò)程與其他分離過(guò)程如與吸附樹(shù)脂技術(shù)、萃取技術(shù)、蒸餾技術(shù)等的集成，均是以提高目的產(chǎn)物的分離選擇性系數并簡(jiǎn)化工藝流程為目標。因此，膜技術(shù)與現有分離技術(shù)的集成可以顯著(zhù)降低能耗、縮短生產(chǎn)周期和提高資源利用率。

中藥綠色制造的技術(shù)關(guān)鍵是提高中藥藥效物質(zhì)的分離效率。但目前由于藥效物質(zhì)分離效率不高，導致分離能耗高、藥材利用率低、污染大等問(wèn)題，制約了中藥工業(yè)的可持續發(fā)展。筆者項目組20年來(lái)在中藥及其復方水提液體系、油水混合體系等復雜體系分離過(guò)程產(chǎn)業(yè)化基礎研究探索與工程化應用實(shí)踐中，不斷探索構建基于特種膜材料的“理論研究-關(guān)鍵集成技術(shù)及裝備制造-應用示范”中藥綠色制造技術(shù)創(chuàng )新鏈，為建立以特種膜技術(shù)為核心的中藥新型分離過(guò)程的設計、集成與應用提供理論基礎與應用示范。

參考文獻（略） 

來(lái)  源：朱華旭，唐志書(shū)，潘林梅，李  博，郭立瑋，付廷明，張啟春，潘永蘭，段金廒，劉紅波，邢衛紅，高從堦. 面向中藥產(chǎn)業(yè)新型分離過(guò)程的特種膜材料與裝備設計、集成及應用 [J]. 中草藥, 2019, 50(8):1776-1784.