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《南京工业大学》 2004年
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面向中药水提液体系的陶瓷膜设计与应用

李卫星  
【摘要】:相对于有机膜而言,陶瓷膜以其优异的材料性能在化工、石化、冶金、生 物、环境、食品发酵和制药等领域得到了广泛的应用。但由于价格和品种等方 面原因使陶瓷膜市场占有率远没有达到应有的水平,其潜力需要通过膜制备和 应用技术的不断提高才能体现出来。在传统产业改造方面,陶瓷膜以其低能耗 高效率的特点体现出越来越好的应用前景。本文以中药水提液精制过程中大分 子物质去除为研究背景,分析了面向应用过程的陶瓷膜设计理论内涵,建立了 中药类胶体体系微滤过程中陶瓷膜功能与微结构参数的关系模型,在蛋白模拟 体系中得到较好的验证。通过对陶瓷膜材料在中药水提液中的吸附特性研究, 将此理论成功应用于中药单方生地黄水提液体系。在此基础上,提出了复方中 药精制的膜法新工艺,取得了很好的效果。 面向中药类胶体体系的陶瓷膜设计理论与模型研究。提出了面向应用过程 的陶瓷膜材料设计理论研究内涵,将应用对象抽象成三大基本类型:溶液、胶 体和颗粒悬浮液,将中药水提液简化成胶体体系进行深入研究。通过对 Kozeny-Carman(K-C)方程的修正,建立了纯水渗透通量预测模型,能很好地 反映膜微结构参数(膜孔径、厚度和孔隙率)对纯水渗透通量的影响。针对胶 体体系,在 Gekas 等提出的吸附——浓差极化模型基础上,引入了陶瓷膜微结 构参数,建立了微滤过程数学模型,通过对膜孔径收缩程度定量化计算,能预 测微滤过程膜渗透通量随时间的变化关系以及膜微结构参数对渗透通量的影 响,在 BSA 水溶液模拟体系过滤中得到了很好的验证。本模型研究为面向中药 类胶体体系的陶瓷膜设计奠定了理论基础,相关的可视化设计平台已经初步构 建并实现(参见附录)。 陶瓷膜材料在中药水提液中的吸附特性研究。研究了 ZrO2和 Al2O3颗粒在 生地黄水提液中的吸附平衡等温线和动力学特性,实验表明,水提液中有机物 在两种粉体颗粒表面上的吸附均服从 Langmuir 模型;当 pH 值在 ZrO2或 Al2O3 等电点附近时,吸附速率最快。通过 ZrO2粉体制备的陶瓷膜在生地黄水提液体 系中的过滤特性实验研究发现:当 pH 值在其等电点(7.2)附近时,吸附污染较 严重,膜渗透通量较小,固含物截留率较高;此结果与吸附动力学研究结果基 本一致。吸附平衡和动力学实验研究为本文提出的膜功能与微结构关系模型提 供了必要的参数。 陶瓷膜优化设计与应用。采用所建立的数学模型对 BSA 水溶液和中药单方 I WP=8 摘 要 生地黄水提液体系分别进行膜孔径设计,与过滤实验比较发现,通过理论模型 设计的专用膜分离性能高于一般商品膜,面向应用过程的陶瓷膜设计理论方法 得到验证和实现。实验还考察了膜材料、浓度、离子强度和 pH 值等对 BSA 微 滤过程的影响,结果表明,Al2O3膜的截留率和稳定通量比 ZrO2和 TiO2膜高, 达到稳定截留率的时间短;当 BSA 浓度在 0.21~2.08 g.L-1浓度范围内,膜稳定 通量和截留率均随着 BSA 浓度增大而上升;离子强度对 BSA 体系微滤过程影响 较小;在 BSA 等电点时,微滤过程中 BSA 的截留率和渗透通量均达到最大。对 于中药单方生地黄水提液,微滤实验研究发现,体系固含量对渗透通量和截留 率产生很重要的影响。随着水提液浓度的降低,渗透通量呈现先增大后减小的 趋势;当稀释后体系总固含量达到原来的 30%时,过滤稳定渗透通量出现最大 值;体系固含量继续降低时,过滤渗透通量逐渐减小,当稀释至 1000 倍时,过 滤稳定渗透通量逐渐回升。膜面流速的增大导致过滤稳定通量的逐渐增大,当 高于 4m.s-1后,过滤稳定渗透通量趋于恒定;中药生地黄水提液的临界操作压差 为 0.2MPa。 中药复方体系陶瓷膜设计方法的初步应用。在面向复方中药糖渴清水提液 体系的陶瓷膜微结构设计基础上,采用微滤技术替代醇沉对传统中药精制工艺 进行改造。实验表明,理论设计孔径(200nm)的陶瓷微滤膜对糖渴清中药复方 试剂具有较好的分离效果,渗透通量较高,达到 110 L.m-2.h-1,有效成分损失率 低。操作条件优化结果表明,合适的操作压差为 0.15MPa,膜面流速为 2m.s-1, 洗水用量为原料液的 30%左右,离心预处理对膜渗透通量的提高不是很明显。 在膜面积 3m2 的中试装置上进行的实验研究发现,糖渴清液中主要指标成分的 收率超过 90%,达到工业生产要求。由陶瓷膜法新工艺制备的“糖渴清”中药 新药已通过国家药品监督管理局审批,进入药物临床研究阶段。这是我国陶瓷 膜法新工艺的首例中药新药,将对我国中成药加工工艺的变革产生重要影响。 综上所述,针对中药类胶体体系的陶瓷膜材料设计理论方法、陶瓷膜材料 在中药水提液中的吸附特性、渗透性能与微结构之间的关系以及传统中药工艺 陶瓷膜法技术改造等内容的研究,发展了面向应用过程的陶瓷膜设计理论,丰 富了研究内涵,为陶瓷膜在中药领域的更好应用提供了新的思维方法。
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