中药膜技术的“绿色制造”特征、国家战略需求及其关键科学问题与应对策略

中医药是我国具有原创优势的科技领域,中医药继承创新研究已被提升为国家科技战略。膜技术适应中药药效物质整体、多元特征的优势,可充分实现中药资源的核心价值;并具高效、节能、无污染等特点。中医药膜科技具有重大国家科技战略需求,是我国中药制药工业亟需推广的高新技术。紧密围绕膜技术在中药制药工业的产业化应用,对所开展的中药绿色制造关键技术研究——"基于膜过程的中药制药分离工程技术体系与应用"进行概述,针对中药工业生产中制剂前处理环节存在的生产效率低、药材利用率低、能耗大、污染高、灭菌效率低等共性问题,基于中成药生产过程特点、工程原理和规律,以膜科学技术为核心,通过构建"中药溶液环境"科学假说,引进复杂系统科学原理,建立基于计算机化学方法的中药膜传质过程研究方法;针对中药膜技术工程化应用瓶颈,构建面向中药物料的"膜过程优化"技术集成等策略,开展中成药生产中节能、降耗、减排、工艺优化等关键技术与装备的研发,形成基于膜过程的具有自主知识产权的中药绿色制造系列关键共性技术,建立符合中药特点的环境友好生产线,实现了中药工业生产中制剂前处理"提取、精制、浓缩"等环节的高效、环保、稳定与智能控制。中药膜技术以水为基本溶剂,可保留中医传统用药特色,所研制的膜技术及其成套设备已推广至全国29个省市,产生了显著的社会和经济效益。膜技术完全符合建设资源节约型和环境友好型社会,以及循环经济的发展思路,是名副其实的中药绿色制造关键技术,对推动我国中药制药行业的技术进步,提升劳动生产率和资源利用率具有重要作用,具有广阔的推广应用前景。     

基于膜科学技术的中药废弃物资源化原理及其应用实践

中药废弃物的资源化是中药行业形成现代、环保、集约新产业的必然选择。在分析中药废弃物来源与主要化学组成的基础上,针对膜科学技术应用于制药工业的技术优势,特别是近年来膜分离技术已作为应用于中药制药行业传统提取、分离工艺改良的技术储备,提出膜科学技术是中药废弃物资源化过程工艺设计的重要选择之一。中药废弃物为组成与性质十分复杂的物质体系,"分离"过程的科学、有效是其再利用领域的技术关键,而过程集成有助于提高目标产物的收率或提高分离过程产品的纯度,可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务。鉴于集成分离技术具有简化流程、降低消耗等优点,符合现代制药工业的发展趋势,而膜分离技术可为过程集成提供宽阔的平台,膜分离及其集成技术在实现中药废弃物的资源化和产业化过程中有着广阔的应用前景。该文通过探讨膜分离及其集成技术用于中药废弃物有效组分资源化的原理、方法与应用实践,描述了膜技术在中药废弃物的提取、分离、浓缩、纯化工程集成技术中的应用前景,比较系统地论述了膜技术在中药资源产业化过程中的适宜性和可行性。     

基于数据科学的中药膜过程研究的思考与实践

"数据科学"是关于数据的科学,其宗旨为探索数据界奥秘的理论、方法和技术。鉴于中药膜分离过程是一个非线性系统,其工艺数据具有多变量、非线性、强噪声、自变量相关、非正态分布、非均匀分布等全部或部分特征,"数据科学"已成为中药膜过程复杂系统探索、技术创新的重要武器。"数据科学"引入中药膜科技领域的技术关键:(1)可精准表征中药膜过程传质的特征技术体系的建立;(2)"分子模拟"技术对膜传质过程的动态描述;(3)计算流体力学在膜领域的应用;(4)强大、先进的数据处理技术。并以课题组多年开展的基于数据科学的中药膜过程研究为实例进行阐述。     

基于“中药溶液环境”学说剖析若干中药制药浓缩过程难题

基于物理化学方法的“中药溶液环境”学说，借助物理化学宏观的“热力学方法”与微观的“统计力学”间的相互沟通，对中药制药过程的宏观现象给以深刻的说明，而得以破析其工程原理。以“中药热法及膜蒸馏浓缩过程瞬时能耗精准计算”“中药反渗透膜浓缩过程的起泡行为及其机制”等若干中药制药浓缩过程难题为例，通过建立“白利度”等“中药溶液环境”表征参数的相关性模型；对中药浓缩过程中的“起泡行为”进行微观、动态表征，并探索发泡性、泡沫结构和稳定性与“溶液环境”物理化学特征参数的相关性，为消除中草药提取物加工过程中起泡的不利影响提供新策略。将物理化学基本原理引入中药制药过程，从药物组分在各单元操作中的空间移动等宏观和微观变化角度，基于该过程的热力学、动力学规律，认识中药制药过程的控制技术、方法、标准和规范，从“过程工程原理”的科学本质认识、创新现有的中药制药理论与技术体系，是传统中药制药产业走向高新技术化的必由之路。     

基于资源循环经济的中药脉络宁注射液废弃物资源化循环利用中的共性关键问题

中药废弃物为组成与性质十分复杂的物料体系,"分离"过程的科学、有效是其再利用研究的技术关键。膜科学技术以先进分离材料为载体,特别适合现代工业对节能、低品位原材料再利用和消除环境污染的需要。同时,膜分离技术具有的节约、清洁、安全等优势,符合循环经济的发展思路,当然也是中药废弃物资源化过程的重要选择之一。本文通过分析膜分离及其集成技术应用于中药产业的基本特征,提出特种分离膜的研制是该技术应用于中药资源循环经济所亟待解决的共性关键问题;通过本课题组在中药脉络宁注射液废弃物资源化过程中的实践应用,为中药特种分离膜的研制提供实验依据。     

基于中药液、固体物料指标成分含量相关性的膜工艺评估方法创新研究——以杜仲叶水提液为例

目的以杜仲叶EucommiaeFolium水提液为模型药物,通过探索液、固体物料指标成分含量相关性,构建面向中药澄清精制膜工艺过程评估的简便方法。方法将杜仲叶水提液依次以多种微滤和超滤膜集成工艺澄清、精制,杜仲叶水提原液记为W1,过200 nm陶瓷膜透过液记为W2,之后分别过相对分子质量为10 000、3500超滤膜,透过液记为W3、W4,测量过膜前后药效物质(粗多糖、总黄酮、总多酚、绿原酸)和大分子非药效杂质(蛋白质)含量。并开展液、固体物料指标成分含量相关性模型的理论推导。结果发现指标性成分在干浸膏中的含量为指标性成分在液体物料中的含量与固含率的比值,以绿原酸与总蛋白为例进行验证,实测值与估算值极为接近。结论作为实际生产中对膜澄清、精制工艺科学、合理性判断的一种简便方法,该模型虽有一定局限性,但作为解决复杂体系膜工程化问题的手段,则表现出较大的灵活性和实用性,可为基于膜过程的中药制药分离工艺智能化提供新的思路与方法。     

中药提取液浓缩新工艺和新技术进展

中药提取液的浓缩是中药制药的重要工序之一。目前存在着浓缩温度高,浓缩时间长,有效成分及挥发性成分有损失,一步浓缩难以实现高相对密度的质量要求,设备易结垢,废液排放等问题。为了解决这些问题,开发了一系列先进的中药提取液浓缩新工艺和新技术,主要包括:悬浮冷冻浓缩、渐进冷冻浓缩、自然外循环两相流浓缩、在线防挂壁三相流浓缩、反渗透、膜蒸馏、渗透蒸馏、大孔吸附树脂分离浓缩等。因为中药提取液体系非常复杂,有水提取液和醇提取液等;提取液除含有效成分外,还含有一定量的鞣质、蛋白、胶类、糖类和树脂等杂质,所以需要对这些浓缩新工艺和新技术各自的特点、适应性、工艺和技术成熟度等加以了解,从而选择保持中医药特色,具有很强的适应性,不存在各种浓缩问题,技术成熟度高的浓缩新工艺和新技术。分析了近年来出现的中药提取液浓缩新工艺和新技术的特点及应用价值,并提出了进一步努力的方向,以期为中药制药企业等选择合适的浓缩新工艺和新技术提供参考和借鉴。     

基于资源循环经济的中药脉络宁注射液废弃物资源化

中药废弃物为组成与性质十分复杂的物料体系,“分离”过程的科学、有效是其再利用研究的技术关键。膜科学技术以先进分离材料为载体,特别适合现代工业对节能、低品位原材料再利用和消除环境污染的需要。同时,膜分离技术具有的节约、清洁、安全等优势,符合循环经济的发展思路,当然也是中药废弃物资源化过程的重要选择之一。本文通过分析膜分离及其集成技术应用于中药产业的基本特征,提出特种分离膜的研制是该技术应用于中药资源循环经济所亟待解决的共性关键问题;通过本课题组在中药脉络宁注射液废弃物资源化过程中的实践应用,为中药特种分离膜的研制提供实验依据。     

中药浸膏干燥技术及干燥机制的研究进展与发展趋势

中药浸膏是制备中药口服固体制剂的重要中间物料,其质量直接影响后续制剂过程与制剂的临床疗效。干燥是制备中药浸膏并影响其品质的关键工艺环节之一。近年来,为提高中药浸膏的干燥效率,许多研究者对传统中药浸膏干燥技术进行改进、升级,新型中药浸膏干燥技术有所突破,干燥机制研究有一定进展。通过对中药浸膏干燥技术及干燥过程中传热传质机制研究进展进行综述,并预测中药浸膏干燥技术未来的发展趋势,为后续研究提供思路。     

以“材料化学工程”理念构建“基于膜过程的中药绿色制造工程理论、技术体系”的探索

中药膜科技具有重大国家科技战略需求,是我国中药制药工业亟需推广的高新技术。中药制药技术主要来源于化学工程领域,其分离技术的提升与产业的升级主要依赖于化学工程的发展。在紧密围绕膜技术在中药制药工业的产业化应用所开展的中药绿色制造关键技术研究工作基础上,结合成功申报"中医药现代化研究"重点专项2019年度项目的若干认知,引入新兴的"材料化学工程"理念,提出"基于膜过程的中药绿色制造工程设计"的理论框架:针对实际应用体系的性质和需求,以实现高通量和高分离因子的统一为目标,根据中药物料复杂体系的化学多元性和药效物质整体观,建立中药水提液"溶液环境"检测技术,基于安全性、有效性对膜技术进行系统考察,开展膜过程优化、工艺集成等工艺设计。在多尺度范围内,特别是在介观尺度揭示中药物料与膜分离介质的"结构、性能与制备"的关系,并对过程设计、生产加工的流程进行模拟,构建中药绿色制造工程的理论基础。致力解决制约我国中药制药工业可持续发展的能源、资源和环境等瓶颈问题,构建中药制药学与材料化学工程交叉研究的学科新生长点。     

中药提取液浓缩工艺和设备现状及问题分析

浓缩作为中药制药过程的重要工序之一,直接影响着药品的质量,浓缩技术发展与设备改进是中药制造工业转型升级的关键,关系着中药现代化与国际化的进程。本文对现行的中药提取液浓缩工艺和设备的现状进行概述,分析了中药提取液浓缩工艺与设备的特点及存在问题,并提出了改进的方向,为加快浓缩技术及设备的研发和创新提供参考。     

面向中药复杂体系的吸入给药复合粒子优化设计原理与方法

鉴于中医药复杂巨系统求解过程在数学上的不可描述性,借鉴国内外先进的计算机化学与粉体材料科学理念与方法,以由水溶性和脂溶性两类物质组成的复方丹参制剂处方为模型药物,采集有效部位物料体系的物理化学特征参数(有关化学成分的熵、焓、表面能、电性等)、相关复合工艺特征参数(操作温度、搅拌速度、包覆时间等)及目的产物复合粒子性能特征参数(微结构参数与生物药剂学性能)等数据,建立中药复合粒子设计与制备工艺小型数据库,应用中药学、计算机化学、物理化学等跨学科交叉研究"中药粒子复合技术"的规律,探索中药复合粒子制备工艺微/纳米尺度有序组合机制,尝试以现代物理化学手段调控中药多元组分微结构及性能。为中药复方体系实现"表征参数检测—工艺过程参数筛选—目的产物性能优化"提供一种全新的研究模式。     

真空膜蒸馏法浓缩益母草及赤芍提取液的实验研究

益母草和赤芍是中医临床常用中药,分别具有清热凉血、化瘀调经及抗血栓的功效[1,2].水苏碱和芍药苷是两者指标性成分,皆为水溶性,沸点比水高,符合膜蒸馏过程的条件.本文采用真空膜蒸馏对益母草与赤芍提取液进行浓缩,对其有效成分保留率进行了分析,并且研究了温度、流速、真空度对膜蒸馏效率的影响.     

穿心莲提取液膜浓缩工艺研究

目的研究膜浓缩技术在穿心莲提取液浓缩工艺过程中的应用。方法以传统的蒸发浓缩为对照,以穿心莲内酯及脱水穿心莲內酯为评价指标,开展膜浓缩工艺的考察和筛选。结果蒸发热浓缩工艺中,热不稳定成分穿心莲內酯的损失大,膜组合浓缩工艺中,穿心莲內酯的转移率大、损失小,其中,PP棉超滤膜和纳滤膜的组合浓缩工艺中,穿心莲內酯的转移率高达95.6%。结论膜分离技术可有效地克服热敏性成分在热浓缩过程中的损失,适宜于含热敏性物质中药提取液的分离和浓缩。     

中药栀子中栀子苷的精制工艺对比研究

目的:探索中药栀子中栀子苷的精制工艺。方法:以栀子苷为指标,在明确跨膜压力差、p H、温度因素影响的基础上,采用Box-Behnken中心组合设计建立数学模型,考察膜截留相对分子量、跨膜压力差、p H,优选栀子提取液的浓缩工艺,并与减压浓缩对比分析,探索纳滤-减压浓缩联用的适用性。结果:优化栀子苷纳滤浓缩工艺为截留相分子量450,跨膜压力差1.20 MPa,p H 7.50,栀子苷截留率为(94.07±1.70)%,与理论截留率92.88%相近,高于减压加热浓缩工艺。纳滤-减压浓缩联用栀子苷转移率可以达到89.27%。结论:选用Box-Behnken响应面法设计优化的栀子苷精制工艺稳定可行,与减压浓缩联用,具有较好的生产适用性。     

反渗透浓缩对四逆汤物料体系理化参数的影响及其相关性研究

目的：通过研究反渗透过程对中药复方物料体系理化参数、渗透压的影响及其相关性,探索复方体系反渗透工艺设计新方法。方法：以四逆汤为模型药物,配成高、中、低3种浓度的物料,分别经5万相对截留分子质量超滤膜预处理后,过反渗透膜,测定各样品的黏度、浊度、电导率、盐度、TDS、pH及渗透压,考察各理化参数之间及其各自与渗透压的相关性。并以HPLC特征图谱考察样品反渗透前后主要化学组成的变化。结果：各样品电导-渗透压、盐度-渗透压、TDS-渗透压3组参数之间的线性相关系数分别为0.963 8,0.932 7,0.973 7;反渗透浓缩液与其超滤液的HPLC特征图谱相似度高达0.968以上（除低浓度组外）。结论：各样品体系的电导、盐度和TDS 3种理化参数与渗透压存在显著的相关性;盐度、电导、TDS三者之间亦显著线性相关。四逆汤物料体系经过反渗透过程后的浓缩液比较完整的保留了原化学组成。     

基于灰色关联分析法辨识中药生产过程关键工艺参数

目的应用灰色关联分析法辨识中药生产过程关键工艺参数。方法以热毒宁注射液生产过程中金银花、青蒿(金青)萃取工段为例,采用灰色关联分析法计算比较该工段各工艺参数对质量指标影响的重要性大小,并结合层次分析法与Spearman等级相关分析法相互验证。结果灰色关联分析法得出工艺参数对质量指标影响重要性的排序为萃取平均体积流量(X4)调酸后pH值(X2)萃取浓缩出膏温度(X7)醇沉浓缩浸膏质量(X1)盐酸质量(X3)萃取时间(X6)体积流量相对标准偏差(X5),与层次分析法得到的工艺参数排序的相关系数为0.893。根据工艺参数影响重要性大小,确定萃取平均体积流量、调酸后pH值、萃取浓缩出膏温度为金青萃取工段关键工艺参数。结论灰色关联分析法用于分析筛选中药生产过程关键工艺参数具有可行性,并能为下一步建立过程预测模型以及在线反馈调控提供理论参考依据。     

基于中药水提液浓缩过程溶液环境特征参数相关性的瞬时能耗计算方法探索——以玉屏风散水提液为例

目的寻找中药水提液浓缩过程瞬时能耗计算简便方法。方法以玉屏风散为模型药物,测定其水提液浓缩过程中多种溶液环境特征参数的动态变化数据,构建中药溶液环境特征参数白利度(简便、易测、准确)与浓缩能耗计算需要的相关参数的相关性模型。结果白利度与固含率、密度、比热容、导热率等具有优越的线性相关,相关系数(R~2)均高达0.99左右。结论可通过测定白利度及构建与其他物理参数如比热容(Cp)、导热率(kf)等关系模型,计算浓缩的动态能耗;为中药制药过程工程原理研究开辟新思路。     

天然产物多级膜与高压差提取器联用的设计与开发

天然产物高压差提取分离浓缩器的核心技术在于多级膜与高压差提取器的联用设计.它是通过合理的结构设计、流程与自控设计以及排污和安装设计,将高压差提取、微滤澄清、超滤分离、纳滤或反渗透浓缩、在线清洗、过程自控等多技术单元进行组合,形成完整的技术及成套装备,可较好地实现中药提取物全过程低温(20℃以下)制备,达到洁净区流程化生产的目的.     

真空膜蒸馏法浓缩黄芩提取液的工艺研究

目的采用聚偏氟乙烯中空纤维膜,运用真空膜蒸馏法浓缩黄芩提取液,研究浓缩过程中操作参数对浓缩效率的影响。方法采用HPLC法测定黄芩提取液及膜蒸馏透过液中指标性成分黄芩苷的量,以黄芩苷截留率和膜通量为评价指标,考察进料温度、真空度和料液体积流量对浓缩效率的影响。结果随着进料温度、真空度及料液体积流量的增大,膜通量明显增大。在进料温度59℃,真空度94~95 k Pa,料液体积流量1.0~1.2 L/min的条件下,黄芩苷截留率可达100.0%。结论真空膜蒸馏法用于黄芩提取液的浓缩工艺控制较简捷,效果明显,具有较好的应用前景。