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陶瓷膜澄清生地黃提取液的膜污染和清洗研究沈敏李衛(wèi)星邢衛(wèi)紅徐南平（南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所，南京210009）性能；采用紅外光譜儀（IR）、等離子發(fā)射光譜（ICP）、電鏡（SEM）和能譜（EDX）等檢測(cè)儀器分析了污染物位置和成分，探討了膜污染的機(jī)理；考察了不同清洗劑的清洗效果，確定了合適的清洗方法，為陶瓷膜在中藥提取液澄清過程的應(yīng)用提供指導(dǎo)。
中藥提取液成分非常復(fù)雜，含有大量的固體顆粒、鞣質(zhì)、膠質(zhì)、蛋白、淀粉及樹脂等無藥效的大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)影響藥物的澄清度，且在藥液的存儲(chǔ)過程中易滋生細(xì)菌、產(chǎn)生絮狀物而引起變質(zhì)。
因此，有必要將這些無藥用的大分子物質(zhì)除去，目前國內(nèi)中藥廠常用的方法有加醇沉淀、高速離心、酶澄清法、明膠-丹寧法、甲殼素法以及一些新的方法，如微濾、超濾等。膜分離技術(shù)作為一種新的分離技術(shù)能較好地解決藥物澄清度這一問題，其用途主要集中制備中藥注射劑、中藥口服液、提取中藥中有效成分等幾個(gè)方面。
采用陶瓷膜進(jìn)行中藥水提液的澄清處理有顯著的優(yōu)勢(shì)。研究表明：用0.2Lm陶瓷膜能有效地降低糖渴清藥液中的固體含量；用0. 2Lm陶瓷膜對(duì)山茱萸藥液進(jìn)行精制，澄清度極好而不影響藥效，其澄清效果相當(dāng)于用40%的醇處理。由于分離的料液含有蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、鞣質(zhì)及其膠體物質(zhì)，膜易被污染，造成膜通量銳減。因此，膜污染機(jī)理和清洗方法的研究成了陶瓷膜分離技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。
本文以生地黃水提液為應(yīng)用對(duì)象，采用陶瓷膜進(jìn)行澄清實(shí)驗(yàn)，研究膜材料對(duì)過濾過程中膜污染程度的影響，采用阻力分析方法和儀器分析法探討膜污染機(jī)理，提出合適的膜清洗方法，促進(jìn)陶瓷膜澄清中藥提取液過程的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
1實(shí)驗(yàn)材料與方法1.1實(shí)驗(yàn)材料2Lm，膜材料分別為Al23和Zr2陶瓷膜，19通道￠4的多通道膜管，長度為50cm，膜面積料液：按照藥典方法制取生地黃提取液。
1.2儀器設(shè)備紅外光譜儀（FI-IR）：美國Nicolet立葉變換紅外光譜儀。
等離子發(fā)射光譜（ICP）：美國PEOptima 1.3實(shí)驗(yàn)方法膜過程阻力分為膜阻力（Rm）、水沖洗可去除阻力（R1）、毛刷刷洗可去除阻力（R2）、化學(xué)清洗去除阻力（R3），分別測(cè)出各部分的通量計(jì)算出各部分阻力及其所占比例l7.0表示新膜水通量，1表示過濾料液的穩(wěn)定通量，2表示水沖洗后水通量，3表示刷洗后水通量，4表示化學(xué)清洗后水通量。
1.4污染物質(zhì)的收集和定性分析用紅外光譜儀定性分析膜污染物質(zhì)。將被污染的膜用毛刷刷洗，再用洗瓶沖洗毛刷，將洗脫液回收，真空冷凍干燥成粉末壓片后進(jìn)行紅外光譜實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)采用Al23和Zr2兩種膜材料，由于它們?cè)谌芤褐械谋砻嫘再|(zhì)差異，其與溶液中的組分發(fā)生作用的機(jī)理不同，導(dǎo)致膜污染的程度和恢復(fù)率不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和表2.污染膜均是在操作溫度20°C，過濾壓力0.15MPa，膜面流速4m/s的操作條件下，經(jīng)過8h連續(xù)過濾后的膜管。由表1可見，8h過濾后，兩種膜1均為96L/（m2h），但通過物理刷洗和化學(xué)清洗后的通量恢復(fù)率卻差別較大。結(jié)合表2的阻力分析，Zr2膜的堵塞阻力高于AI2O3膜，其抗吸附污染的性能較差，兩種膜的污染都以濾餅層和凝膠層阻力為主，大約占到80 %左右。
表1不同膜材料的滲透通量膜材料恢復(fù)率/%表2不同膜材料的過濾阻力及所占比例膜材3污染物的分析bookmark3經(jīng)過8h膜過濾后，從膜組件中取出AkO3膜管，可見膜表面有一層紫色物質(zhì)的污染層，該層物質(zhì)若用純水沖洗一段后污染物明顯減少。
據(jù)介紹，生地黃成分以環(huán)烯萜甙類為主，其次為酚類、糖類、氨基酸、5種磷脂與維生素A樣物質(zhì)、人體必須的常量元素K，Mg，Ca，Na，F(xiàn)e等。
其中糖含量為71.67%，是地黃的主要組成部分，主要包括4種糖成分：水蘇糖29.46 %、葡萄糖4.15%.以下用儀器分析的方法從幾個(gè)角度分析污染物成分，從而揭示污染機(jī)理。
取污染膜用毛刷刷洗后的污染物做紅外光譜分析，見。其吸收峰和對(duì)應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)分別是：1025.75cm-1（B-糖苷鍵）。這是多糖的典型圖譜，可以判斷膜面污染層中含有大量的多糖有機(jī)物。
將污染膜用水沖洗至清水后，破壞膜管，刮取膜面剩余的污染物制樣做紅外分析，結(jié)果見，多糖的特征峰面積顯著減小，說明多糖是水溶性的，膜面的污染物基本被水沖掉。檢測(cè)到一個(gè)峰面積較大的吸收峰在700~500cm-1之間，根據(jù)紅外譜圖數(shù)據(jù)庫分析和A-AI2O3的出峰位置吻合。由于實(shí)驗(yàn)所用的制膜粉體是a-AI2O3粉末，所以認(rèn)為這個(gè)峰是制膜粉體造成的。
水沖后氧化鋁膜上污染物的紅外光譜ICP檢測(cè)見表5.其中K的含量很高，P，Ca，Mg，Na的含量較采用ICP分析儀測(cè)定生地黃水提液和膜滲透高，這和報(bào)道的生地黃的成分―致。膜對(duì)Ca，3.2分光光度計(jì)檢測(cè)用蒽酮比色法112在可見光分光光度計(jì)上測(cè)定生地黃水提液和經(jīng)Al23膜過濾的滲透液中的總糖含量，結(jié)果見表3.水提液中多糖濃度明顯高于滲透液中的多糖濃度，膜對(duì)多糖物質(zhì)的截留率大約為30%左右。
表3多糖的檢測(cè)結(jié)果透光度吸光度實(shí)際質(zhì)量濃度截留率水提液滲透液3.3掃描電鏡（SEM）采用掃描電鏡分析膜污染前后的面貌，斷面電鏡照片見和。由可以看出，膜面堆積著大量污染物。由此可知，在生地黃提取液微濾系統(tǒng)中膜污染主要是由于膜吸附截留污染物粒子而在膜表面形成一層凝膠層造成的，并由這層凝膠層控制著膜的微濾性能和污染情況。膜表面形成凝膠層的同時(shí)污染物粒子也會(huì)進(jìn)入膜孔，但膜孔中污染物量與凝膠層相比要小得多。這與前面阻力分析的結(jié)果也是一致的。
EDX分析將污染膜和清洗膜分別制樣，進(jìn)行膜面的EDX能譜掃描，結(jié)果見和，可以看出除了O，Al元素是膜本身的成分以外，污染膜上C，O元素的含量很高，表明有很多有機(jī)物存在膜上；到清洗膜上C，O的含量明顯下降，表明有機(jī)物已去除。其它元素的能譜數(shù)據(jù)見表4，數(shù)據(jù)表示了待測(cè)樣品的膜面上各元素的相對(duì)質(zhì)量濃度（相對(duì)于24個(gè)氧原子），可見中藥提取液中除含有大量的有機(jī)污染物外，尚存在其它包含無機(jī)元素的物質(zhì)對(duì)膜的污染，但這些元素的含量非常低。通過污染膜和清洗膜表面數(shù)據(jù)作對(duì)比可以了解各元素的去除率。
果相對(duì)照可以斷定這部分元素被吸附截留在膜面上，但具體含這些元素的物質(zhì)還需要進(jìn)一步分析。
表4EDX元素能譜分析結(jié)果analysis元素名稱水提液質(zhì)量濃度滲透液質(zhì)量濃度截留率/（mg綜合以上幾種儀器分析的結(jié)果，可以基本確定在用陶瓷膜澄清生地黃水提液過程中，污染物主要是在膜表面有一層濾餅層或凝膠層，少量污染物進(jìn)入膜孔道內(nèi)，被膜吸附。污染物的成分大多數(shù)是多糖類有機(jī)物，也有少量的含無機(jī)元素的物質(zhì)。
4清洗方法研究通過以上分析，初步認(rèn)為生地黃水提液對(duì)膜的污染機(jī)理為：多糖類有機(jī)物和含無機(jī)元素物質(zhì)在膜面形成的濾餅層和凝膠層占主要因素，另外有少量污染物進(jìn)入膜孔內(nèi)，被膜吸附。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上，初步?jīng)Q定清洗方法為：先用水沖洗，因?yàn)槎嗵穷愑袡C(jī)物是水溶性的，用水沖洗膜面可以帶走膜面的大部分多糖，再選擇用其他清洗劑去除污染物中含無機(jī)元素的物質(zhì)和進(jìn)入膜孔道內(nèi)的物質(zhì)�？捎貌煌愋偷那逑磩﹪L試比較結(jié)果。
以下清洗均在錯(cuò)流速度5. 6m/s，跨膜壓力60 4.1考察不同清洗劑組合清洗的效果洗、1%NaOH清洗，清洗步驟和清洗效果見表6.采用熱水沖洗30min后通量可恢復(fù)到54.5%，說明熱水對(duì)多糖的清洗效果比冷水好。在凝膠層被水沖洗后用反沖，效果不明顯。酸洗水通量恢復(fù)率為90%，可清洗時(shí)間長。再用堿洗，水通量完全恢復(fù)。1%HNO3作為強(qiáng)氧化劑和1%NaOH作為強(qiáng)堿可清除油脂、蛋白質(zhì)和藻類等污染物，說明清洗的污染物中大部分可能是有機(jī)物，或者說無機(jī)元素是以有機(jī)物的形式存在的。此方法洗膜大約需4h左右。通量恢復(fù)曲線見。
表6Al2O3膜清洗步驟和清洗條件及清洗效果步驟清洗劑溫度/K清洗時(shí)間/min恢復(fù)率/%水反沖水25%淀粉酶、2%EDTA、1%NaOH清洗的方法，考察清洗效果，見表7.冷水沖洗30min通量只能恢復(fù)38%，淀粉酶洗滌多糖效果不理想，2%EDTA使水通量恢復(fù)率80%，清洗花的時(shí)間較長，通量恢復(fù)率不夠高。EDTA常用于溶解堿土金屬離子，說明污染物中有部分無機(jī)元素以離子狀態(tài)存在的，但只占污染物的一小部分。再用1%NaOH清洗，水通量完全恢復(fù)，清洗大約花了表7AI2O3膜清洗步驟、條件及效果步驟清洗劑溫度/K清洗時(shí)間/min恢復(fù)率/%1水3033038.120.清洗方法2的通量恢復(fù)圖清洗方法3：用水沖洗和1%NaClO清洗，清洗步驟和清洗效果見表8.冷水沖洗20min通量恢復(fù)到38%，熱水沖洗后通量恢復(fù)到51%，1%NaClO清洗2h后，膜通量恢復(fù)率為98%.說明NaClO作為本體系清洗劑的效果比較理想，同時(shí)還避免了用堿清洗膜管，減少膜管的壽命。一般NaClO是作為膜的溶脹劑，能有效地洗出沉積在膜孔中的物料，特別用于清除有機(jī)物及微生物。對(duì)生地黃水提液體系，熱水沖洗膜面后，污染物的主要成分濾餅層和凝膠層大部分已去除，孔道中的污染物成了阻礙通量恢復(fù)的主因，因此用NaClO作清洗劑可達(dá)到效果。
表8AkO3膜清洗步驟、條件及效果步驟清洗劑溫度/K清洗時(shí)間/恢復(fù)率/%水4.2考察清洗劑濃度對(duì)清洗效果的影響針清n3，eNaaO將獄從1%提到2%，結(jié)果見。圖中OA都是冷水沖洗，AB和AD都是熱水沖洗，BC為1%NaClO清洗后用水沖至中性；DE為2%NaClO清洗后用水沖至中性�？梢姼淖兞薔aClO濃度后，清洗時(shí)間大大縮短，水通量完全恢復(fù)。這個(gè)現(xiàn)象說明進(jìn)入膜孔的污染物通過NaClO洗滌后，很容易去除。這些污染物中大部分是有機(jī)物，其中還含有少量的含無機(jī)元素的物質(zhì)。
通過幾種清洗方法的比較可以看出，采用2%NaClO為清洗劑的方案是比較合適的，其洗膜時(shí)間短、步驟少、通量恢復(fù)率高。
5結(jié)論米用Al2O3和ZrO2兩種膜材料，進(jìn)行生地黃水提液的澄清過濾，通過阻力計(jì)算分析，兩種膜過濾的阻力均以濾餅層和凝膠層阻力為主；Al23膜孔堵塞阻力小于Zr2膜，且清洗后水通量的恢復(fù)率高，適合生地黃水提液澄清過濾。
分析了Al23陶瓷膜污染物成分，膜管表面污染物除含有少量無機(jī)物質(zhì)外，主要是大分子多糖類物質(zhì)產(chǎn)生的污染，污染物在膜面上形成凝膠層，從而影響膜過濾通量。
采用熱水沖洗膜面和2%NaClO溶液清洗可有效地去除污染物，恢復(fù)膜通量。
