微滤——膜蒸馏技术浓缩中药提取液的生产工艺

张恭孝，杨荣华，孟宪锋

(泰山医学院 化学与制药工程学院，山东 泰安 271016)

中药制药一般包括提取、浓缩、纯化、干燥和制剂等，其中提取液的浓缩是现代中药制药的关键单元操作之一[1-3]。目前我国中药提取液的浓缩普遍采用蒸发浓缩工艺，该工艺不但耗时长、能耗高，而且由于温度相对较高，对热敏性中药的产品质量影响明显，同时还会造成中药有效成分的损失或变质，严重影响药品质量及药效，如何解决中药提取液的浓缩问题成为中药制药的关键。

微滤又称微孔过滤，是依托材料科学发展起来的膜分离技术，借助多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除液体中一定粒径大小的杂质颗粒[4-6]。膜蒸馏是20世纪80年代发展起来的一种采用疏水性微孔膜的分离技术，它以膜两侧温差引起的水蒸气压力差作为传质推动力；同其他膜分离方式相比，膜蒸馏可以在低温常压下得到更高的分离能力以及更少的膜堵塞，在浓缩热敏性和高渗透压的溶液时具有广阔的应用前景[7-8]。蔡宇等[9]在益母草提取液的真空膜蒸馏浓缩研究中指出，益母草提取液从3%浓缩到10%的过程中，透过液中没有发现益母草的有效成分；李建梅等[10]在真空膜蒸馏法浓缩益母草及赤芍提取液的实验研究中指出，中药有效成分的截留率为100%，且具有效率高、耗能少、操作方便等优点；这些研究表明将真空膜蒸馏技术应用于中药提取液的浓缩是可行的。

中药提取液中含有的杂质成分通常是大分子物质，如淀粉、多糖、蛋白质、黏液质、鞣质、树脂和色素等[11]，这些杂质一旦在制备过程中不被去除干净，制剂经放置一段时间，会产生色泽发深、混浊、沉淀，使药品澄明度不合格等[12]。国内外一些学者对微滤、膜蒸馏技术从不同的角度进行了研究，取得了较多研究成果[13-16]。本文在前人研究的基础上，借助微滤-膜蒸馏技术分离，探讨中药提取液提纯、浓缩的生产工艺，实现中药提取液浓缩过程中既能提高分离、浓缩效果，又减少有效成分损失的目的，为解决中药提取液浓缩过程中常见的有效成分损失或药品质量下降这一问题提供生产依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

中药提取液(由中药处方水提而成：桑叶10g、菊花10g、桔梗10g、连翅10g、杏仁10g、炙甘草6g、薄荷10g、芦根15g、前胡10g)；中空纤维丝为PVDF疏水膜(天津工业大学)，采用内径D=14.0mm的不锈钢管为组件壳体，膜丝有效长度L=21cm；ACQ-009型空气压缩机，广东博宇事业有限公司；LZB-3玻璃转子流量计，江阴市科达仪表厂；B700-600M型蠕动恒流泵，保定兰格恒流泵有限公司；90-4数显控温磁力搅拌器，上海振荣科学技术有限公司；ARDll0型精密称重仪器，上海澳豪斯国际贸易有限公司生产；601-A型超级数显恒温水浴，上海浦东荣丰科学仪器有限公司生产；DTY-SA型超级智能恒温循环器，北京德天佑科技发展有限公司生产。

1.2 实验装置

微滤实验装置如图1，膜蒸馏实验装置图2所示。

1-风机；2-中药提取液贮槽；3-中空纤维膜组件；4-蠕动泵；5-补给药液贮槽；6-磁力搅拌器；7-渗透液贮槽；8-电子天平

1-恒温水浴；2-中药提取液贮槽；3-药液泵；4-制冷机；5-纯水泵；6-纯水贮槽；7-电子天平；8-风机；9-中空纤维膜组件；10-转子流量计；11,12,13-阀门

1.3 实验步骤

1.3.1 微滤处理中药提取液

中药提取液(前期制备：桑叶10g、菊花10g、桔梗10g、连翅10g、杏仁10g、炙甘草6g、薄荷10g、芦根15g、前胡10g，按照比例称取，放入提取罐内按要求煎煮提取后过滤，得到滤液)离心过滤后，按照图1微滤实验装置流程，将中药提取液置于贮槽2中，并由泵从贮槽5中不断补给药液,贮槽2中的药液经中空纤维膜组件微滤后由泵输出到贮槽7中，所用微滤膜为聚偏氟乙烯中空纤维浸没式膜组件，泵出口压力为0.15MPa。

1.3.2 膜蒸馏浓缩中药提取液

按照图2膜蒸馏实验装置流程，打开冷凝器冷媒进、出口阀门，用纯水泵将纯水从纯水贮槽打入直接接触膜蒸馏装置并形成循环；将经过微滤膜处理的中药提取液置于恒温水浴内保持恒温，控制槽内物料温度为55～60℃, 用药液泵将提取液抽出, 送往中空纤维膜组件的壳程, 经膜蒸馏后，中草药浓缩液回流至进料罐进行循环浓缩，得到浓的中草药液。水蒸气透过内衬纤维的疏水性聚偏氟乙烯中空纤维膜进入透析侧，并与冷凝水冷凝成产水回到冷水高位槽。药液泵开启一段时间后，采用低压压缩空气鼓泡清洗中空纤维膜蒸馏组件，压空压力为0.015～0.05MPa，间隔一定时间通入压空。设计不同的浓缩比，观察膜蒸馏提取液高位槽内物料变化情况，及时停止中草药提取液计量泵和冷水计量泵运行。

1.4 实验结果分析

采用高效液相色谱法，取样分析浓缩液中菊花的有效成分绿原酸含量，桔梗的有效成分桔梗皂苷含量，炙甘草中甘草酸的含量。

1.4.1 浓缩比约为4时分析结果

浓缩比约为4时，取样分析浓缩液中菊花的有效成分绿原酸含量，桔梗的有效成分桔梗皂苷含量，炙甘草中甘草酸的含量。分析结果见表1。

表1 浓缩比4.31∶1时的有效成分保留率

1.4.2 浓缩比约为8时分析结果

浓缩比约为8时，取样分析浓缩液中菊花的有效成分绿原酸含量，桔梗的有效成分桔梗皂苷含量，炙甘草中甘草酸的含量。分析结果见表2。

表2 浓缩比7.94∶1时的有效成分保留率

2 中药提取液浓缩生产工艺

2.1 中草药煎煮提取

将桑叶、菊花、桔梗、连翅、杏仁、炙甘草、薄荷、芦根、前胡，按照10∶10∶10∶10∶10∶6∶10∶15∶10比例称取、备料。

中草药煎煮提取在50L提取罐进行。提取罐内层材质为306L不锈钢，内部进行磨光处理，不留物料死角，夹套为Q235B碳钢，外设保温层，提取罐配置框式搅拌器，转速83r/min。向提取罐加入去离子水，加入量为中草药总量的6～10倍，打开提取罐夹套蒸汽阀门，将提取罐内物料加热到30～40℃，先保温浸泡25～40min，再搅拌25～40min，然后在20～30min内将提取罐内物料加热到90～95℃，继续搅拌80～180min。用无油压缩空气将物料由提取罐压到提取液过滤器，滤液放入滤液罐中；固体滤渣重新放入50L提取罐，向提取罐加入去离子水，加入量为中草药总量的2～5倍，打开提取罐夹套蒸汽阀门，在10～20min内将提取罐内物料加热到90～95℃，继续搅拌60～100min。用无油压缩空气将物料由提取罐压到提取液过滤器，滤液放入滤液罐中；固体滤渣用无油压缩空气干后，弃用。合并两次滤液，备用。

2.2 中草药煎煮提取液预处理

将中草药提取液打入蒸馏罐(蒸馏罐内层材质为306L不锈钢，内部进行磨光处理，不留物料死角)，打开蒸馏罐夹套蒸汽阀门，将蒸馏罐内物料加热到55～60℃，开启水环式真空泵，进行减压蒸馏，真空度为0.08～0.09MPa。蒸馏过程中及时开关蒸汽阀门控制蒸馏罐内温度40～50℃，真空度稳定在0.08～0.09MPa。当观察到蒸馏罐内物料减少为原来的约1/3时，关闭真空泵，蒸馏罐放空。打开蒸馏罐底部阀门，打开循环泵，将罐内物料通过精密过滤器(设计过滤精度为0.2μm，滤芯为聚丙烯缠绕滤芯)，泵打循环20～30min。用精密过滤器过滤除去大分子物质(如色素、糖类、树脂、胶质、机械杂质、固体颗粒等)，以减少提取液对超滤膜的污染。将蒸馏罐内物料放入中药提取离心机进行离心(离心机型号CWL50-M)，275083r/min的速度离心20～30m，in澄清离心液由导管进入接收罐中，含微量固体的液体由另一导管进入接收罐中，送入蒸馏罐回用。

2.3 微滤处理

用泵将离心分离后预处理的提取液打入微滤设备，所用微滤膜为聚偏氟乙烯中空纤维浸没式膜组件，调整压力为0.1～0.25MPa，将透过液打入膜蒸馏提取液高位槽，截留液送回经过精密过滤器处理的过滤液中、离心继续使用。

2.4 膜蒸馏处理

该系统包括如下设备：

(1)两台带夹套的高位槽，一个使用蒸汽加热(蒸汽压力≤0.2 MPa，一个使用冷媒(溴化锂机组提供的冷却水，水温≤17℃)降温。

(2)两台小型计量泵，一台计量中草药离心液，一台计量冷却水。所用计量泵可调计量范围：0～120L/h；压力范围：0～0.4MPa；驱动方式：电机驱动；控制方式：手动。

(3)两台流量计，一台计量中草药离心液，一台计量冷却水。

(4)一台冷却器，使用冷媒(溴化锂机组提供的冷却水，水温≤17℃)冷却。壳程材质为Q235B，所走介质为走冷媒，管程材质为316L不锈钢，所走介质为冷却水。

(5)直接接触膜蒸馏装置，直接接触膜蒸馏装置中安装有中空纤维膜蒸馏组件，中空纤维膜为内衬纤维的疏水性聚偏氟乙烯中空纤维膜，使用的中空纤维膜孔径为 0.05～0.4μm。

操作过程：打开冷凝器冷媒进、出口阀门，用计量泵将冷水从冷水高位槽打入直接接触膜蒸馏装置并形成循环；将经过微滤膜处理的中药提取液加入中药液高位槽，打开夹套蒸汽阀门，控制槽内物料温度为55～60℃，待温度稳定后，打开中药液进料阀，用计量泵向直接接触膜蒸馏装置打入料液；中草药浓缩液回流至进料罐进行循环浓缩，得到浓的中草药液。水蒸气透过内衬纤维的疏水性聚偏氟乙烯中空纤维膜进入透析侧，并与冷凝水冷凝成产水回到冷水高位槽。计量泵开启20～40min后，采用低压压缩空气鼓泡清洗中空纤维膜蒸馏组件，压空压力为0.015～0.05MPa，间隔20～50min通入压空，通入压空时间10～15min。设计不同的浓缩比，观察膜蒸馏提取液高位槽内物料变化情况，及时停止中草药提取液计量泵和冷水计量泵运行。

2.5 结果分析

2.5.1 浓缩比约为12时分析结果

浓缩比约为12时，取样分析浓缩液中菊花的有效成分绿原酸含量，桔梗的有效成分桔梗皂苷含量，炙甘草中甘草酸的含量。分析结果见表3。

表3 浓缩比11.63∶1时的有效成分保留率

2.5.2 浓缩比约为16时分析结果

浓缩比约为16时，取样分析浓缩液中菊花的有效成分绿原酸含量，桔梗的有效成分桔梗皂苷含量，炙甘草中甘草酸的含量。分析结果见表4。

表4 浓缩比15.63∶1时的有效成分保留率

3 生产工艺技术创新

(1)中药提取液在进入微滤设备前，先用减压蒸馏脱除部分水分，再用过滤精度为0.2μm微米的精密过滤器过滤除去大分子物质(如色素、糖类、树脂、胶质、机械杂质、固体颗粒等然后高速离心机分离去微小颗粒和其它大分子物质，显著减少了提取液对微滤膜的污染，增加了微滤膜的膜通量，增加了使用时间，设备清洗周期延长。

高速离心机离心后含固体及大分子的液体、微滤后的截留液均予以充分利用，最大限度减少了有效成分的损失，提高了药物的利用价值。

(2) 膜蒸馏浓缩过程中，随着浓缩比的增大物料粘度增大，原来系统中低含量的大分子物质如蛋白质、胶质物、树脂、鞣质浓度增加，有可能堵塞膜孔使膜通量下降，故在中空纤维膜蒸馏组件中药浓缩液出口处安装一台过滤精度为≥0.1μm的精密过滤器及时滤除大分子物质如蛋白质、胶质物、树脂、鞣质，一方面保证了操作正常进行，一方面，减少了膜污染增加了膜通量，使膜通量保持在较高的数值，一方面，减少了膜的更换和清洗次数，操作更简便。

(3)在常压和较低温度下下操作，完全避免了高温对生物活性物质破坏这一弊端，有效保留原物料体系中的生物活性物质，提高有效成分保留率。

(4) 提高运行状态下的膜通量，维持工作状态下膜通量在膜清水通量的 85%～90%以上，提高透过率；减少膜的更换和清洗次数，操作更简便。

(5)进一步降低能耗、节约成本；膜蒸馏过程中热侧物料温度为55～60℃，冷侧为20℃左右，得到比电阻高于5万欧姆的纯水，操作温度低，能耗低；

(6)膜蒸馏系统运行中，为减少中空纤维膜蒸馏组件污染，采用低压压缩空气鼓泡清洗，压空压力为0.015～0.05MPa，间隔20～50min通入压空，通入压空时间10～15min，这样能够维持工作状态下膜通量在膜清水通量的 85%以上。

4 结论

(1)针对使用微滤-膜蒸馏技术浓缩中药提取液的实验、生产装置应用研究，表明，微滤和膜蒸馏操作对减少温度和浓度极化的影响、提高中药有效成分保留率、保证浓缩液质量等方面效果显著。

(2)用浸没式中空纤维膜组件进行微滤实现提取液的固-液分离，用膜蒸馏进行提取液的浓缩。这两项在过程原理上不相同的分离技术在中药提取液的处理中联合使用，提高了中药提取液的分离、浓缩效率。该工艺技术对中药浓缩加工的现代化具有指导意义。

(3) 所用的中草药配方，在设定的实验条件下，在常压和较低温度下操作，避免了高温对药物活性物质破坏这一弊端，有效保留原物料体系中的药物活性物质，提高有效成分保留率，以菊花的有效成分绿原酸含量，桔梗的有效成分桔梗皂苷含量，炙甘草中甘草酸的含量为依据，采用高效液相色谱跟踪分析，在浓缩比达到16时，有效成分保留率为86%-89%；浓缩比达12时，有效成分保留率为88%～91%。

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