1. 研究目的与意义
内容：选取三种不同分子量、结构、以及氮原子电荷特征的生物碱，在同一孔径的纳滤条件下，在不同浓度、压力及pH条件下，探究其存在状态与截留率的关系，本设计基于纳滤分离中的溶解-扩散效应和电荷效应理论,拟合传质系数与初始浓度的相关性,构建预测生物碱传质过程中的数学模型, 从而达到可以对其他类似生物碱成分的截留率作出预测的目的。
意义：纳滤技术应用于提取中药有效成分的研究日益活跃，部分产品已从实验研究走向工业生产。纳滤技术过程简单、无相变、节能、高效、无二次污染、无需高温或其他化学方法，且分离效果好，因而正日益在中药成分的分离、纯化和精制中发挥作用。浓缩是现代中药制药的关键单元操作之一，对于中药有效成分的提取分离, 一般都要经过提取、浓缩、分离等过程, 因此浓缩是中药有效成分提取分离过程中非常重要的一个步骤, 一般中药浓缩即使减压的情况下,温度也需在70－80C,在这样高的温度下长时间浓缩, 对于受热易氧化、水解、聚合、结构变形等的化学成分很容易引起其化学性质的改变。而纳滤技术用于中药的浓缩是在常温下进行, 可连续操作、可直接放大、可专一配膜等优点, 能保持中药中有效成分的稳定性。本实验在于探索纳滤新技术在中药分离中的规律，进一步拓展纳滤在中药制剂中的应用，提高制剂安全性，稳定性，为推动中药制剂的进一步发展作出贡献。
2. 文献综述
纳滤分离原理及其在中药制药中的应用
龚柔佳
(南京中医药大学药学院，江苏南京210023)
【摘要】:膜分离技术作为一种新型的分离纯化技术，已经在化工等领域得到应用，而在中药行业的应用较少。本文介绍了纳滤的基本概念、特性和分离机制，包括常见的模型：溶解－扩散模型、细孔模型、Donnan平衡模型、电荷模型等。以及这些模型的适用范围和在实际中药制药过程中应用的新进展，并对纳滤技术的应用和发展前景做了展望。
【关键词】:纳滤；分离机理；中药制药
Nanofiltration Process Principleandits Application in the Fieldof Traditional Chinese Medicine
GONGRou-jia
(College of Pharmacy，Nanjing University of Chinese Medicine，Nanjing 210023，China)
【Abstract】As a new type of separation and purification technology, membrane separation technology has been applied in many fields like chemical engineering. But it applied less in the field of traditional Chinese medicine pharmacy. This paper introduces the basic concepts and characteristics of nanofiltration, researching NF process mechanism, including some common models like: Dissolution-Diffusion effect，Steric Pore effect, Donnan effect,Electric Charge effect and so on. And new research progress on the application of membrane separation technology was presented in the traditional Chinese medicine pharmacy and the research prospects of membrane separation technology were also been pointed out.
【Key words】Process mechanism; Nanofiltration; Traditional Chinese Medicine
纳滤（NF）又称为低压反渗透，是膜分离技术的一种新兴领域，其分离性能介于反渗透和超滤之间，常用于将相对分子质量较小的物质，如无机盐或葡萄糖、蔗糖等小分子有机物从溶剂中分离出来。具有分离效率高、设备简单、常温操作、无污染、无相变、能耗低、分离产物易于回收、自动化程度高等优点，广泛应用于制药、化工、食品、发酵、水处理等领域。近年来，纳滤技术在中药生产领域的应用广泛[1]，尤其是在中药制剂及中药有效成分的提取分离纯化等方面，膜分离技术已经应用于中药生产第一线[2]。
1.膜的特点及分离机理
1．1纳滤膜的特性
纳滤膜在应用中具有两个显著特点：（1）物理截留或截留筛分效果：能截留相对分子质量200-2000分子大小约为1nm的溶解组分；（2）荷电性：对无机盐有一定的截留率，其中对单价离子的截留率较低（50%－70%），对二价及多价离子的截留率则较高［3］。
1.2纳滤的分离机理
超滤由于孔径大，传质过程主要为孔流形式；反渗透属于无孔的致密膜，通常用溶解－扩散机理解释其分离性质。而纳滤介于两者之间，且大部分纳滤膜为荷电型，受到化学势和电梯势的影响，分离机理和模型较前两者更为复杂，其确切传质机理至今尚无定论。以下是常用的分离机理和模型的介绍。
模型 | 原理 | 缺陷 | 适用 |
溶解－扩散模型 | 化学位的推动 | 忽略了浓度对扩散系数的影响 | 中性不带电荷的物质 |
细孔模型 | 空间位阻效应 | 忽略孔壁效应 | 中性不带电荷的物质 |
Donnan平衡模型 | 电位差 | 忽略扩散和对流的影响 | 盐类 |
电荷模型 | 电荷排斥效应 | 计算复杂，适用范围小 | 盐类 |
1.2.1溶解－扩散模型
（1）溶解－扩散模型
该模型假定溶质和溶剂各自在化学位的作用下透过膜，而溶质和溶剂在模相中的扩散性存在一定的差异，这些差异对膜通量有着较大的影响，且根据理想的热力学情况，该理论忽略了浓度对扩散系数的影响，所以溶解、扩散模型和实际得出的结果往往存在偏差［4］。Strathmann对此研究后指出[5],水在膜内的状态(分子分散状态或集团状态)是影响膜性能的重要因素。该模型是以纯扩散为基础的模型,适用于水含量低的膜。
（2）不完全溶解－扩散模型
为了改善溶解、扩散理论的应用缺陷，在不完全溶解、扩散模型中包括了溶质和溶剂在微孔中的流动，比溶解、扩散模型只考虑分子扩散更符合实际应用［6］。且经过实验验证，用该模型实验，结果与预测比较吻合，将其与非平衡热力学模型结合，可以更好的地理解在压力推动下膜内扩散和对流传递的状况［7-8］。因此较上一模型，其更适用于对中性不带电的物质的截留，如糖类物质等。
1.2.2细孔模型
细孔模型是在Stokes-Maxwell摩擦模型的基础上引入立体阻碍影响因素。该模型如果知道膜的微孔结构和溶质大小,然后就可计算出膜参数,从而得知膜的截留率与膜透过体积流速的关系。反之,如果已知溶质大小,并由其透过实验得到膜的截留率与膜透过体积流速的关系从而求得膜参数,也可借助于细孔模型来确定膜的结构参数。在该模型中孔壁效应被忽略,仅对空间位阻进行了校正,适合用于电中性溶液［9］。
1.2.3Donnan平衡模型
将荷电基团的膜置于盐溶液时,溶液中的反离子在膜内的浓度大于其在主体溶液中的浓度,而同名离子在膜内的浓度低于其在主体溶液中的浓度。由此形成了 Donnan位差, 阻止了同名离子从主体溶液向膜内的扩散。为了保持电中性,反离 子同时被膜截留。该模型是把截留率看作膜的电荷容量、进料液中溶质的浓度以及离子的荷电数的函数来进行预测的,但没考虑扩散和对流的影响,而这些作用在真实的荷电膜中的影响不容忽视。
1.2.4电荷模型
（1）空间电荷模型：该模型假设膜由孔径均一而且其壁面上电荷均匀分 、布的微孔组成,微孔内的离子浓度和电场电势分布、离子传递和流体流动分别由 Poisson-Boltzmann方程、Nernst-Plank方程和NavierStokes方程等来描述。空间电荷模型是表征电解质及离子在荷电膜内的传递及动电现象的较为理想的模型。但是由于运用空间电荷模型时,需要对Poisson-Boltzmann方程等进行数值求解,其计算工作十分繁重,因此它的应用受到了一定的限制。
（2）固定电荷模型：在固定电荷模型中,假设膜相是一个凝胶层而忽略膜的微孔结 构,膜相中电荷分布均匀,仅在膜面垂直方向因Donnan效应和离子迁移存在一定的电势分布和离子浓度分布。该模型的特点是数学分析简单,未考虑结构参数(如孔径),假定固定电荷在膜中分布是均匀的,有一定的理想性。当膜的孔径较大时,固定电荷、离子浓度以及电位均匀分布的假设不能成立,因而固定电荷模型的应用受到一定限制。
1.2.5其他模型
除上述常见模型外，还有扩展的Nernst-Planck方程模型，静电排斥和立体位阻模型，Resistance-in-series model等。但纳滤过程的机理有很多种,一次纳滤分离过程可能是几种传质机理共同作用的结果［10］。
2.纳滤模型的应用
2.1溶解－扩散模型及电荷模型
较常应用的是改善后的不完全溶解－扩散模型，下面简称溶解-扩散模型。李存玉等[11]，应用溶解扩散和电荷模型对辛弗林不同存在状态下纳滤传质过程的相关性进行解释，将溶解扩散模型建立的表观截留率与传质系数k进行关联拟合。在游离状态下，辛弗林在不同浓度和操作压力条件下，随着辛弗林浓度的增大，其传质系数增大，结果与纳滤分离原理中的溶解扩散理论相符。在解离和游离态共存的状态下，由于游离状态的辛弗林先接近膜表面而通过压力通过膜孔，而解离态的辛弗林与膜表面产生电荷效应，难以透过膜，因此在两者共存的状态下，传质系数呈现减小的趋势，这是溶解扩散模型与电荷模型的综合效应。在解离状态下，辛弗林纳滤分离的过程主要受电荷效应影响，由于电荷排斥，难以进入膜表面，因此传质系数明显下降，且截留率较其他环境溶液也有明显的升高。
2.2 Donnan平衡模型
利用道南效应，优化苦参碱浓缩工艺。苦参碱在酸性条件下呈解离态，通过道南效应和空间效应实现目的性截留，但是随着酸性增强，苦参碱稳定性逐步下降。溶液中加入乙醇等有机溶剂，将直接改变荷电膜表面与溶质之间由Donnan效应而形成的界面层组成[12]。且随着乙醇含量的增加，解离态生物碱根据溶解-扩散理论呈现出相反趋势，与水溶液相比膜表面质量浓度偏低，呈现出增强Donnan效应的趋势，导致生物碱透膜性能下降[13]。而且在含乙醇的溶液中，因为膜材质的特殊性，会发生溶胀，孔径缩小，因此可增强道南效应，在近中性的条件下，可优化苦参浓缩工艺。
3.纳滤在中药制药行业中的应用
3．1中药分离：国内常用水提醇沉法提取苯丙素类化合物绿原酸，但大量的蛋白质，果胶等无效或低效大分子物质影响了产品质量及药效。吴正奇等［14］将纳滤与为旅、超滤技术结合，从金银花蒸馏残渣中富集绿原酸，纳滤浓缩液中绿原酸的含量比原提取液提高了24.8倍，含量由2.8%上升到27%。谭蔚等［15］用孔径为100nm的无机陶瓷纳滤膜从金银花水提液中分离绿原酸，蛋白质、多糖去除率约70%，绿原酸回收率为89%。
3．2中药浓缩：司丹丹等[16]采用截留分子量为200的纳滤膜对黄芪提取液中的有效成分黄芪多糖和黄芪甲苷进行浓缩,再进行二次醇沉,测定沉淀物中多糖和上清液中总糖的含量,与蒸发浓缩提取液二次醇沉进行比较。对比结果表明,纳滤膜对总糖的平均截留率达到了99.6%;醇沉沉淀总蒸干物比之少9.7%,蒸干物颜色更白;醇沉后上清液中总糖比蒸发浓缩多1.9%。周锦珂等[17]应用纳滤膜技术进行丹酚酸B提取液进行浓缩。通过与传统真空浓缩的对比,采用纳滤方式,浓缩时间减少一半,而且成品中丹酚酸B的含量比传统的方式高处4.79%,同时颜色也来的浅。我们可知纳滤在浓缩丹酚酸B具有高效、节能、活性成分保存良好等优点。
3.3中药纯化：韩永萍等[18]采用纳滤法对低聚壳聚糖制备液进行纯化,确定纳滤最佳条件为:温度35C、操作压力1.0MPa,此工艺制得高活性低聚壳聚糖纯度高达92%,且可脱出制备液中的一价盐离子、单糖和大部分二糖。孙曙光等[19]探索了精滤后的金丝小枣清汁的纳滤工艺,确定纳滤工艺为:截留分子质量为1000Da纳滤膜、进料流量为30－45L/h、温度为30－40C、操作压力为0.6－0.7MPa。以截留液中的还原糖含量判断纳滤的程度,当截留液中还原糖含量为零时,纳滤纯化基本结束。
4.存在问题
4.1影响因素：膜分离技术的基础理论研究薄弱由于膜材质及膜分离的生产工艺性能,在中药领域的应用也缺乏系统的理论研究,目前还没有适合于中药体系分离的膜成套设备,严重影响了膜分离技术在中药领域中的工业化应用进程。膜生产厂家的配方不同，导致膜性质不同。操作人员，操作规范不尽相同使用过程中流速，操作压力，平衡时间，及膜孔径的变化。另外包括膜吸附效应、膜死体积影响、孔径、界面效应、浓差极化等都是重要的影响因素。
4.2标准规范操作
在明确纳滤平衡体积对成分吸附和截留率的影响，并对纳滤过程中的成分透过率进行分段取样分析，为了保证纳滤结果的准确性和可重复性，因此确定的纳滤操作标准方法为:
①纳滤膜在使用前，纯净水清洗至pH值中性，高压泵调至反向纳滤模式，尽量排空纳滤系统中的残留水溶液，减小死体积；
②供试品药液置于纳滤系统中，于（操作温度25℃，操作压力50 psi）条件下进行纳滤，纳滤进液端、截留液及滤液端均放于同一容器内，检测纳滤膜通量；
③根据膜通量计算纳滤平衡4-6倍药液体积所需的时间，待平衡完成后，搅拌混匀平衡液，取样；
④进而纳滤，待纳滤完成后，搅拌混匀纳滤液，取样；
⑤将纳滤液、平衡液进行液相检测，计算成分截留率。
5.展望
滤膜技术作为一种新兴的膜分离技术,以其特殊的分离性能引起了世界各国膜科学方面的专家的重视，但由于其一些工艺和技术问题有待解决，在中药领域未能得到大规模的应用。现如今运用最广泛的还是在水处理，食品等领域。但随着技术的发展，对于纳滤膜的传质机理、性能表征及制备等方面的研究将会更加系统、全面和深入，相信现存问题将得到更好的解决，并且开发出更多针对中药分离纯化的应用，更好的融入中药制药领域，促进我国中药现代化和工业化生产。
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3. 设计方案和技术路线
取生物碱提取物,分别在10、20、50、100、200μg／ml浓度下,在1.0MPa压力下平衡四倍体积后，用操作压力分别为0.2、0.4、0.8、1.0、1.2 MPa,计算生物碱的截留率,继而选取适宜浓度调节溶液pH使其分别以游离态、解离态及其游离态-解离态共存形式存在,平行实验，采用纳滤膜对建立的纳滤传质模型进行应用验证,并与模型预测值对比,验证纳滤传质模型的实用性。
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4. 工作计划
2022.02-2022.03 文献检索，前期准备工作；
中药生物碱分离的纳滤操作规范；
预实验选取生物碱、膜孔径；
5. 难点与创新点
纳滤技术作为一项新的分离技术，与传统方法相比已经体现出其的特的优势。分离过程无相变、能耗低特别适用于中药中热敏性成分的分离、浓缩;不使用有机溶剂，可以缩短生产周期、减少有效成分损失、利于环境保护和安全生产;选择适宜的膜材料可获得较高的分离选择性，保持原方的配伍特色从而保证制剂成品的疗效;除杂效果好，能显著提高口服液、注射剂等液体制剂的澄明度，延长储存时间同时可去除细菌和热原;可实现连续化、自动化操作，工艺参数稳定可控，易与其他过程耦合，符合中药生产现代化的要求。
