超滤技术及超滤膜的污染与防治研究

朱明岩 陈胜林

（江苏康缘药业股份有限公司，江苏连云港222001）

0 引言

20世纪90年代初，我国在中药产业升级过程中开始研究探索膜分离技术，其主要用于药液的浓缩、澄清和精制。依据动力源不同，膜分离技术可分为微滤、超滤、纳滤、液膜、气体膜、反渗透膜、膜蒸馏、电渗析等分离技术。其中，超滤技术操作简单，无二次污染，不需要高温，不发生相变，节能高效，分离效果好，大幅度提高了中药注射剂的质量稳定性和安全性，在中药药液体系的精制、纯化和分离中发挥着积极的作用。

1 膜分离技术的概念、原理和特点

1.1 膜分离技术的概念

膜分离技术是依靠化学位差或外界能量，用人工合成或天然的高分子薄膜，对双组分或多组分的溶剂和溶质进行分级、分离、浓缩和提纯的技术。

1.2 膜分离技术的基本原理

目前，关于膜分离技术的研究和应用较多，且各有优点，其基本原理都是应用高分子膜的选择透过性。

膜分离技术的驱动力主要是靠压力梯度、浓差梯度或者电势梯度，使得膜相际之间进行传质和传液，从而达到分离、优化不同组分的目的。

1.3 膜分离技术的特点

膜分离技术有较多优势：（1）采用现代工艺的膜分离实验都可以将其实现规模化生产；（2）以压力为推动力进行纯化分离，纯化分离设备设施简单，员工容易操作、控制，方便设备维修，在封闭环境中循环运转，降低了空气中氧对药液的影响；（3）特别适用于各种特殊药液体系的分离，分离成本低，没有二次污染，不同相际之间不发生变化，分离范围广，分离效率高；（4）特别适用于热敏性物质的分离纯化，在常温下对目标成分进行分离过滤，能在分离、分级、提纯和浓缩过程中，保持产品的色、香、味及营养成分。

虽然膜分离技术优点较多，但在实际应用中仍存在不足。例如，在实际生产过程中极易由于浓差极化现象而导致膜堵塞和膜污染，造成膜的使用周期缩减，寿命降低等。

2 超滤技术的概念、原理和分类

超滤简称UF，是分子量水平的高新分离过滤技术。超滤是利用压力作为驱动力，浓缩、提纯大分子的膜分离过程。超滤膜是一种能截留大分子物质而允许小分子溶质透过的薄型高聚物材料的透膜。超滤膜的截留性能是通过名义分子量限制（NMWL）来表示的，NMWL不是一个确定的数据，仅是用来作为对膜截留和透过性能的指导。

2.1 影响分子截留和透过的因素

对于任何切向流过滤，分子的截留和透过受到下列因素的影响。

2.1.1 药液浓度

影响超滤效率的一个关键因素就是药液浓度。在超滤过程中，药液浓度过高，则容易在膜面滞留或堆积，导致凝胶层的形成，进而演变成次级膜，导致有效物质透过率和膜通量均降低。邹节明等应用超滤技术分离了中药药液的有效物质，同时考察了不同因素对超滤效率的影响，研究得出，在跨膜压差、超滤膜截留分子量、药液温度保持不变的条件下，提高药液体系浓度，膜通量和指标性成分的转移率均降低。

2.1.2 压力

这里的压力是指超滤膜在超滤时的操作压差，即进口压力与回流压力之和的一半再减去透过压力，当超滤液为纯溶剂时，跨膜压差越大，膜通量越大。但是，由于膜污染的存在，在物料实际的分离纯化中，随着物料流向膜面和膜孔，一层致密的凝胶层逐渐形成，这样在膜面两侧形成了一个跨膜压差。当跨膜压差小于临界操作压差时，随着跨膜压差的增加，膜通量逐渐增大，此时操作压差与膜通量呈正比。反之，当操作压差大于临界操作压差时，膜通量与操作压差则不呈正比，膜通量随操作压差的增大而导致浓差极化现象的形成。临界渗透通量为临界操作压差对应的膜通量，其在一些药液超滤过程中获得了证实。在实际生产过程中，可以考虑在临界操作压差处获得较高的膜通量，进而减少超滤时间，降低超滤过程中的运营成本。

2.1.3 切向（错流）流速

通常切向流速是不直接影响膜通量的。一般情况下，增大切向流速，通过切向流速的冲刷能减少浓差极化现象导致的堵塞，或通过冲刷使膜面滤饼层消失，进而超滤膜的传质和传液阻力变小，大大提高了超滤膜的膜通量。但是，如果切向流速过快，也会导致药液在膜面停留时间过短，来不及透过膜而回流至储罐，这样不利于传质，操作压差会降低膜通量，且切向流速的提高是以增加进料泵频率损耗为前提的，因此在规模化生产时要密切注意通过调节泵速和进出口压差来保证切向速度的合理性。

2.1.4 温度

通常药液黏度的降低可通过温度升高来控制，黏度降低，传质扩散系数增大，降低膜面的浓差极化程度，进而提高超滤膜通量。在过滤黏性相对较强的流体时，随着黏性流体温度的升高，膜组件的膜通量也会大幅度增加，这个现象在大量的黏性药液中获得了确认。因此，在超滤膜组件处理大部分药液时，可通过提高温度达到提高膜通量及过滤效率的目的。但是，有些药液体系可能对温度非常灵敏和敏感，所以需要结合具体情况设定超滤温度。

2.2 超滤技术的原理

超滤技术的原理是筛分原理，依据需分离组分的几何形态、体积和质量的不同，通过外界的压力，使被分离的组分选择性地透过超滤膜进行传质、传液，最终得到分离和纯化。

2.3 超滤膜的分类

随着膜分离技术的发展，各种类型的超滤膜应运而生，按照不同的分类条件，可以将超滤膜进行不同的分类，如有的按照超滤膜孔径划分，有的按照超滤膜材质划分，有的按照膜组件型式划分。

2.3.1 孔径

超滤膜的孔径一般介于1～100 nm，具有非对称微孔结构，属于多孔膜，通常用截留专属物质，如细胞色素C、卵蛋白、牛血清白蛋白的分子量来标定，常用的膜截留分子量为300 000 D、100 000 D、10 000 D、5 000 D，一般为待分离纯化药液分子量的3～5倍。

2.3.2 材质

制作超滤膜的材质有很多，常用的有醋酸纤维素膜、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯等几种，或以它们为基础形成的共聚膜，各种膜材质特点比较如表1所示。

2.3.3 型式

随着超滤膜技术的发展，超滤膜的型式也随着研究的深入而得到了发展。其型式主要有：中空纤维超滤膜组件、管式超滤膜组件、卷式超滤膜组件和板式超滤膜组件。四种型式膜组件的性能比较如表2所示。

3 超滤膜的污染及防治

3.1 膜污染形成过程

膜污染普遍存在于膜应用过程中，它包括膜面污染和膜孔污染。污染来源于膜超滤过程中药液中的无效杂质或颗粒沉积在膜表面或者镶嵌在膜孔内部，这两种类型的膜污染都将导致膜通量的迅速下降和跨膜压差的提高。纵观膜污染形成过程，可分为三个阶段：

第一阶段，超滤开始时，超滤膜的通量最大，溶液中的大分子溶质在溶剂连续透过膜时被转运到膜表面，这些大分子溶质或透过或镶嵌或吸附或堵塞于膜面和膜孔，这个阶段一般在超滤膜超滤开始的几分钟到十几分钟，使得超滤膜膜面的溶质浓度高于截留端溶液的浓度而形成浓差极化现象。在此阶段，浓差极化层所导致的传质阻力RP较小，因此对超滤膜的透过能力和选择性影响不显著。

第二阶段，当溶质分子或截留的大分子物质不断在超滤膜表面镶嵌、吸附和累积，导致膜面边界层的浓差极化现象逐渐增加，当其浓度增加到一定程度而达到饱和浓度时就形成了动量膜，又称为凝胶层，凝胶层的浓度为：

式中Cg——凝胶层浓度，mol/L；

Cb——主体溶液浓度，mol/L；

D——扩散系数；

η——溶液的黏度，Pa·s；

表1 各种膜材质特点比较

表2 四种膜组件型式性能比较

δ——边界层厚度，mm；

△P——膜两侧的静压差，MPa；

Rm——膜过滤阻力，MPa；

α——传质阻力系数。

由上面公式得出，凝胶层浓度与主体溶液浓度呈正比，传质阻力（RP=Rm+α△P）越大，膜通量则相应下降；凝胶层形成以后，凝胶层厚度随着超滤压力的增加而增大，这时如果再增加超滤压力，凝胶层也相应增厚，增厚的凝胶层抵消了增加的超滤压力，所以超滤膜通量维持相对平稳，下降较平缓，该阶段的持续时间一般为35～45 min，通常来说此时的超滤膜通量为起始通量的75%左右。

第三阶段，在压力作用下，膜表面上的大分子溶质分子在膜孔内壁吸附形成跨越式镶嵌而堵塞在膜孔道内，这将导致膜的孔隙率严重降低，此时超滤膜的分离性能被严重破坏，相应的膜通量也大幅下降50%以上，如果要恢复超滤膜的通量，必须经过清洗才可以。

3.2 膜污染的防治

在应用超滤膜组件过程中，预防和治理超滤膜污染是非常必要的，有些方法可以控制膜堵塞和防止其受污染，如物料预处理、确定最优操作条件、膜清洗、超滤膜的选择等。

3.2.1 物料预处理

目前，已经成功应用于药液预处理的方法有很多，如应用较广泛的热处理冷藏法、离心法、过滤法、活性炭吸附法、微精滤法等。祝倩倩等以注射用芪红脉通为研究对象，确定了冷藏、离心和活性炭吸附组合工艺为超滤前最佳预处理工艺。魏舒畅等在中药超滤过程几种预处理方法的比较研究中，为了提高超滤对总多糖和总黄酮的分离纯化效果，应用高速离心法对红芪提取液进行预处理，结果表明，采用离心法对红芪提取液进行预处理，不仅能有效去除药液中的固体杂质，而且目标产品总多糖的含量几乎没有损失。

料液的预处理方法虽然很多，但是要根据实际情况进行选择，在一种处理方法不能满足效果的情况下，可以联合使用多种方法，这样才能提高预处理效果，满足产品质量需求。

3.2.2 确定最优操作条件

药液超滤过程中的操作条件，如药液温度、浓度、压力等也对超滤膜的膜通量有较大影响，控制好上述操作条件可以很好地降低膜污染的速度，提高膜通量。陆晓峰等在超滤膜吸附污染研究测定中，以牛血清白蛋白为基准物质，在不同温度条件下对超滤膜的污染度进行验证，结果表明，超滤膜的污染度随药液温度的提高而降低，30 min时污染度达到最小，再升高温度，超滤膜污染度不下降反而逆向上升，这可能是由于蛋白质的构象变化与药液的黏度变化在不同的温度条件下起作用的结果。焦必林等在用中空纤维超滤膜法澄清橙汁的研究结果中证明，物料浓度对膜透过率有明显影响，膜透过率随药液浓度的提高而明显降低。在刘洪谦等的生脉饮口服液超滤技术研究以及何昌生等的甜菊糖甙超滤应用研究中发现，在压力为0.1～0.2 MPa时，膜通量随操作压力的增加而变大，随超滤运行时间的延长而维持恒定，当增加压力达到0.3 MPa时，膜通量随超滤运行时间的延长而迅速减弱，这种压力增大而通量迅速降低的现象表明，并非压力越大越有利于增加膜通量，过高的操作压力可能会使膜面形成凝胶层的速度加快，加重膜污染，甚至使膜被压得更紧、压得更实，从而大大增加膜组件的总体过滤阻力。

因此，在实际生产应用过程中，必须摸清楚超滤过程的相关参数，确定最优参数，从而提高膜通量，提高过滤效率。

3.2.3 膜清洗

膜组件在超滤药液过程中，由于浓差极化现象导致膜通量逐渐降低，因此在使用一定时间后对超滤膜的清洗再生尤为重要，大量文献都有报道膜清洗再生方法，大体可以分为化学清洗和物理清洗两种。

物理清洗方法主要有纯化水冲洗、气液脉冲、反正冲等。化学清洗方法是用酸、碱、氧化剂、表面活性剂、酶以及鳌合剂等清洗膜面和膜孔污染物。在清洗受污染的超滤膜组件时，要结合药液特性、膜材质特性和实际情况，选择合理的清洗方法，以恢复膜通量等性能。

3.2.4 超滤膜的选择

对于超滤膜污染而言，优选超滤膜对减轻或降低膜污染有较大作用。欧兴长等在膜材质及截留值对中药超滤通量影响的研究中，用两种膜组件对果胶、蛋白、鞣酸溶液进行超滤，结果表明，膜通量在两种膜组件中的变化是不同的。金鹏康等采用三种不同截留分子量的超滤膜研究膜污染过程，研究结果表明，截留分子量越小，膜表面污染物质重量越大，膜污染越严重；反之，膜污染越小。陆晓峰等测试了5种不同材质的膜组件污染度和接触角，结果表明，随着接触角增大，膜受蛋白污染的程度也相应增加。

4 结语

膜分离技术作为21世纪发展较快的高新技术，其作用尤其体现在除杂和纯化方面，在保证中药注射剂的安全性和有效性方面起着不可替代的作用。虽然膜分离技术的应用得到了足够重视，且获得了巨大的成就，但是仍有很多方面值得我们去深入研究和探讨。