基于膜蒸餾的中藥水提液濃縮技術應用前景及問題探
中藥制藥過程中濃縮工序就是要選用适當的技術與方法使藥液中部分溶劑被分離移除，從而提高藥液的濃度。大多數制藥生産企業的現行生産中，濃縮工序的能耗約占全廠總蒸汽耗量的60%左右，甚至更多。統計表明，目前使用較多的三效或雙效真空濃縮工藝，蒸出1000kg水需消耗1.2X10³kg蒸汽，冷凝1000kg水蒸汽及其熱水需消耗3X10³〜4X10³kg水，其能耗相當可觀。因此低能耗的濃縮技術與方法是中藥制藥領域的重要研究内容之一。
膜蒸溜（membranedistillation,MD)技術的研究與應用始于20世紀60年代，直到80年代初，伴随高分子材料和膜制備工藝技術的迅速發展,膜蒸餾才顯示出其實用潛力。現巳逐漸從海水及苦鹹水淡化等淨水研究，擴展到化學物質及熱敏性物質的濃縮和回收、水溶液中揮發性溶質的脫除和回收、廢水處理等諸多領域，目前在茶葉提取液的濃縮、大豆分離蛋白、果汁濃縮、牛初乳、氨基酸的制備、部分中藥提取液的濃縮等方面都有一定的應用，還包括不同體系的傳質、傳熱等機理方面的研究。
本文從膜蒸餾技術的本質特征出發，結合膜蒸餾原理、特點，膜蒸餾過程中的各影響因素，探讨膜蒸餾技術在中藥提取液濃縮工序中的應用問題。
一、膜蒸餾技術原理及特點
膜蒸餾是一種采用疏水微孔膜以膜兩側蒸汽壓力差為傳質驅動力的膜分離過程。其機理是當不同溫度的水溶液被疏水微孔膜分隔開時，由于膜的疏水性，兩側的水溶液均不能透過膜孔進人另一側，但由于熱側水溶液與膜界面的水蒸汽壓高于冷側，水蒸汽就會透過膜孔從熱側進人冷側而冷凝從而實現濃縮。
該過程與常規蒸餾中的蒸發、傳質、冷凝過程十分相似，所以稱其為膜蒸餾過程。它具有四個主要特點：一是膜為疏水微孔膜，不能被所處理的液體潤濕，隻有蒸汽能通過膜孔；二是膜至少有一面與所處理的液體接觸，膜孔内沒有毛細管冷凝現象發生；三是膜不能改變所處理液體中所有組分的氣液平衡；四是膜過程的推動力是該組分在氣相中的分壓差。
二、膜蒸餾的分類
根據膜下遊側冷凝方式的不同，膜蒸餾可分為直接接觸式、空氣隙式、氣掃式和真空膜蒸餾四種形式。
2.1直接接觸膜蒸餾(DCMD)
DCMD膜的兩側分别與熱的水溶液（熱側）及冷卻水(冷側）直接接觸。這種形式膜蒸餾的缺點是大量熱量從熱側經傳導直接進人冷側，熱效率低，在運行時，除膜組件外，還需有回收熱量的裝置，但它結構簡單，通量較大。
2.2空氣隙式膜蒸餾（AGMD)
AGMD透過側不直接與冷溶液相接觸，而保持一定的間隙，透過蒸汽在冷卻的固體表面（即冷凝壁，如金屬闆）上進行冷凝，降低透過側的壓力，其傳質推動力大小與直接接觸膜蒸餾相當，均為水的飽和蒸汽壓。其熱效率高，冷凝産品可以準确計量，特别适合于實驗室研究使用。其缺點是通量低，結構複雜，且不适用于中空纖維膜，限制了其商業推廣。
2.3吹掃氣膜蒸餾(SGMD)
與吹掃滲透汽化一樣，SGMD用載氣吹掃膜的透過側，以帶走透過的蒸汽，其傳質推動力除了蒸汽的飽和蒸汽壓外，還有由于載氣的吹掃而形成的負壓，因此傳質推動力比直接接觸膜蒸餾和空氣隙式膜蒸餾大。
2.4真空膜蒸餾（VMD)
VMD透過側用真空泵抽真空，以造成膜兩側更大的蒸汽壓差，揮發組份從冷側引出後冷凝，是恒溫的膜過程，目前主要用于除去溶液中的易揮發組份。這種膜蒸餾的熱傳導損失可以忽略，因而可用來測定溫度邊界層的傳熱效率。但這種方式的膜蒸餾兩側的料液壓差大，為防止料液進人膜孔，需采用較小孔徑的膜。真空膜蒸餾比其他膜蒸餾過程具有更大的傳質通量，所以近幾年來受到比較大的關注。
三、膜蒸餾過程的主要性能指标及其影響因素
3.1截留率
截留率是非揮發性溶質水溶液的分離性能參數，因為蒸餾所用膜的疏水性，MD的截留率比其它膜分離過程要高。其影響因素主要有兩個：一是孔徑，一般認為孔徑在0.2〜1.0pm較為合适，用得比較多的為0.2〜0.4pm。二是膜兩側的壓力差不能超過液體進人膜孔的壓力，此外還與各樣品液的濃度及操作條件有一定的關系。
3.2水通量
水通量是MD過程的主要性能指标之一，其影響因素主要有5個：
1)溫度：溫度是影響水通量的*主要因素。提高熱側溶液的溫度或提高膜兩側的溫差，均能使水通量顯著增加，但不成線性關系。
2)水蒸氣壓差：水通量随膜兩側水蒸氣壓差的增加而增加,且呈線性關系。
3)料液濃度:濃度對非揮發性溶質水溶液和揮發性溶質水溶液有不同的影響，随濃度的增加，非揮發性溶質水溶液的通量降低而揮發性溶質水溶液的通量則增加，且濃水溶液的MD行為比稀溶液複雜，對水通量的影響也更大。
4)料液流速:增加進料流量和冷卻水流量均可使通量增
加。
5)蒸餾時間：随着蒸餾時間的延長，會出現通量衰減的現象。其原因一是随蒸餾的進行，膜孔被浸潤，造成從滲透側流向進料側的回流;二是膜污染造成通量的衰減。
3.3熱效率
膜蒸餾為有相變化需要消耗熱能的過程,其熱效率的高低直接影響MD的實際應用。适當增大膜的孔徑和孔隙率，有利于提高熱效率。另外，一般情況下随溫度的升高熱效率提高。
四、膜蒸餾技術的應用及其在中藥提取液濃縮中存在問題
4.1膜蒸餾技術的研究現狀
4種不同的膜蒸餾技術均有不同的針對性的應用研究。
MinglueSu等研究了DCMD中内層熱傳導率對雙層中空纖維膜通量的影響，發現随着熱傳導率增加，水蒸氣通量明顯增加，基于熱力學機理和數學建模的方法探讨該技術的應用問題；劉乾亮等采用DCMD工藝處理高濃度氨氮廢水，考察了吸收液濃度對該過程中氨氮的傳質和分離性能的影響DhananjaySingh等在溫度80〜130℃、壓力2~3标準大氣壓的操作條件下，采用DCMD對鹽水進行脫鹽濃縮，其通量*高可達195kg/m²。均在一定程度上提示操作參數在膜過程中的重要性。
許兆廣[7]進行了管式炭膜氣隙式膜蒸餾氯化鈉水溶液的研究，考察了料液溫度、流量等對滲透通量的影響，建立了該過程的傳熱、傳質機理模型，并利用計算流體力學軟件FLUENT6.3進行數值模拟。高虹等人在斯蒂芬定律基礎上引人了膜材料特性修正系數和膜變形修正系數，給出了一個适用于空氣隙膜蒸餾的工程預測模型。G.W.Meinders-ma等人采用AGMD制得了飲用水，從成本考慮，對運行費用進行了計算，所需費用低于$0.50/m³，甚至低至$0.26/m³，其有相當大的市場前景。
CBio等人确立了SGMD處理含有揮發性有機污染物廢水的理論模型，并對實驗過程進行了研究，實驗值與理論模拟值基本一緻。丁忠偉等研究了SGMD用于脫除水中氨的分離性能，在實驗範圍内NH3的總傳質系數*高值可達2.2X10-5m/s,選擇性系數的*高值可達14。劉乾亮等DCMD工藝處理高氨氮廢水的影響因素如料液初始pH值、料液流量和吹掃氣體流量等進行了研究。
目前這兩種膜蒸餾技術的運用體系多仍在化工領域，其它方面的研究尚未見報道。
F.Banat等成功采用VMD對含有亞甲基蘭的染料廢水進行了處理，并考察了操作變量如進料溫度、流速和初始染料濃度對該過程的影響，揭示影響VMD的因素涉及整個膜過程。Ying如等[在遠洋船隻上采用VMD進行海水淡化實驗，通量可達5.4kg/(m2•h)，脫鹽率達到99.99%，這是在VMD在水處理方面的成功應用。V.Soni等對VMD回收黑加侖汁中揮發性芳香成分建立模型，并對模拟結果和實驗結果進行相關分析，為進一步優化操作過程提供依據。時光輝采用VMD對硫氰酸铵溶液進行濃縮，研究各影響因素對膜通量的影響。膜通量随料液溫度和真空度增加而顯著增加；流速增加，膜通量略有增加；濃度較低時，膜通量随濃度增加緩慢下降，濃度較高時，膜通量随濃度增加驟降；PVDF膜疏水性較好，截留率保持在99.9%左右。吳一運用VMD開展了膜氣體吸收-減壓膜蒸餾組合工藝淨化含苯廢氣的研究，優化了各操作條件。
目前無論在是膜蒸餾過程中各影響因素還是在膜蒸餾機理方面，其在中藥制劑領域的基礎研究已有一定的報道。
蔡宇等人采用VMD對益母草提取液進行濃縮，濃縮過程中有效成分沒有明顯損失，且濃差極化現象不明顯，流量、溫度對過程有不同程度的影響，一定程度上可控制産物的得率。李建梅等采用VMD對益母草與赤芍提取液進行濃縮，其指标成分保留率較高且對兩者截留率均為100%，進一步研究溫度、流速、真空度等操作條件對濃縮效率的影響。
在組合工藝研究方面，粘立軍等開展了多效膜蒸餾技術在中藥提取液濃縮中的應用研究，結果說明使用多效膜蒸餾可将中藥提取液濃縮16倍以上，操作溫度為70℃時，膜通量可達3L/(m²•h)，造水比可達7。值得進一步深入研究耦合工藝的應用。
4.2膜污染問題
和其它膜過程一樣，膜蒸餾過程也存在膜污染問題，而且膜污染會伴随膜的潤濕，所以近年來日益引起人們的重視。膜蒸餾的實際運行中，膜的性能會随時間發生變化，濃差極化、溫差極化、吸附、膜表面凝膠層的形成等原因會對料液側的傳遞過程形成新的阻力，從而影響膜的通量，造成通量衰減。而疏水微孔膜是實現膜蒸餾的必要條件之一，所以，膜孔潤濕是膜蒸餾過程中*嚴重的膜污染。
膜蒸餾技術多用于海水淡化、廢水處理、果汁濃縮等方面，因此，僅少數人對膜蒸餾濃縮中藥提取液過程中的膜污染問題進行了研究。ZhongweiDing等運用DCMD濃縮中藥提取液，分析操作條件對跨膜通量的影響，通量下降的原因及其機理，并采用進料側氣體鼓吹和氣體反沖的方法有效緩解膜污染。于健飛等對DCMD濃縮中藥提取液進行了研究，分析了濃縮過程跨膜通量下降的原因，并考察了藥液溫度和流速對跨膜通量的影響，表明由提取液中固體顆粒等污染物造成的膜污染及膜表面處水蒸汽壓下降是跨膜通量下降的主要原因。李會等采用聚四氟乙烯平闆膜，研究了氣體反沖對膜蒸餾濃縮中藥提取液過程中膜污染的抑制作用，結果表明，氣體反沖洗抑制膜污染效果好，反沖時間越長，反沖氣量越大，反沖時間間隔越小，其效果越好。ZhongweiDing等采用間歇性氣體鼓吹的方法抑制膜蒸餾濃縮中藥提取液過程中的膜污染，而且發現随着氣流速率、鼓吹時間增加和膜蒸餾時間縮短，清洗效率提高。解決膜蒸餾過程中膜污染問題需清楚該過程的污染機理，陸文超等研究了膜蒸餾法濃縮中藥提取液過程膜污染機理類型,應用膜污染機理中的4種過濾模型分别對實驗數據進行線性拟合，發現濾餅過濾模型拟合程度*好。
4.3中藥水提液的特殊性
中藥（複方）水提取液體系中存在大量天然合理的藥效物質，水提液體系在物理化學特性方面有不同的表現，有效成分含量，體系密度、pH、電導率、粘度等都是濃縮過程中要考量的因素，特别是如何在濃縮過程中*大限度地保留藥效物質，并保證其經濟合理性是這項技術在中藥水提液中推廣應用的關鍵,不同中藥水提液體系與特定膜蒸餾技術間的适應性也是重要研究内容之一，隻有擴大中藥提取液的研究種類範圍，結合機理的深人探讨，從膜蒸餾在不同的中藥提取液濃縮中的共性特征中計算出合理的數學模型，并加以實際驗證，針對中藥水提液的濃縮才有更有其工業化的實際意義。
五、結論與展望
膜蒸餾過程研究的發展十分迅速，人們不再滿足于對膜蒸餾過程普遍規律的描述，而是根據各自研究體系的特點，從機理的角度建立數學模型，考慮包括溫度極化、濃度極化在内的各種相關參數，使數學模型的預測結果更符合實際。目前基本都是以Kudsen擴散、分子擴散、Poiseuille流動為基礎，随着研究工作的深人發展，有可能殊途同歸，得到更精确、普适的數學模型。在實際應用中，集成膜過程能夠發揮各自優勢，膜蒸餾與其它膜過程和非膜過程的集成将會在工業化應用中起更大的作用。
在提高膜蒸餾通量及選擇性方面，我們可以采取的措施有：
1)從膜蒸餾的傳質機理分析，改變料液的流動狀态，減小濃差極化和溫差極化的措施都有利于提高膜蒸餾通量。
2)對于回收揮發性溶質的膜蒸餾過程，可以在料液中加人鹽類降低水的蒸汽壓,從而提高揮發組份的透過通量。
3)膜組件結構的優化設計是确保膜過程高效運行的重要條件。如Ding等[26]人對于中空纖維膜組件的設計提出的數學模型指出，由于中空纖維膜内徑的多分散性和在殼體中裝填的不均勻性都會引起流動的不良分布，從而使通量降低，并且後者的影響更嚴重。同時要選擇合适的操作條件，控制對通量的影響。
作為一項新興的分離技術，尚有待研究突破的領域主要
有：
5.1研制性能優良、價格低廉的優質膜
目前之所以膜蒸餾與其他分離技術相比競争力不強，一個很主要的原因是制膜成本較高.迫切需要研制出具有良好分離性能、價格低廉、孔隙率高、耐高溫、通量大、易于工業化生産及應用的膜。同時還要開發傳熱、傳質性能優良的膜組件，以提高膜蒸餾過程的分離性能和熱效率。
5.2提高熱能利用率
膜蒸餾過程中不可避免地存在着固熱傳導造成的熱量損失，目前MD的熱效率較低（30%左右），如何減少這部分熱量損失，開發熱能同收裝置，是值得研究的重要課題。
5.3完善機理模型
進一步完善機理模型，盡量将衆多影響膜蒸餾過程的因素都考慮在内，同時減少模型中需經實驗測定的參數。
5.4加強真空膜蒸餾技術的研究
由于另外3種膜蒸餾過程存在着熱平衡太快、易因膜的破裂而污染餾出物、下遊側邊界層阻力較大等缺點，而真空膜蒸餾卻不存在這些缺點，且具有蒸餾通量大的優點。
5.5與其他分離過程的耦合
膜蒸餾過程與其它分離過程相結合，可取長補短，設計出新的具有更好分離性能、操作更簡便、能耗更小、更易産業化的膜分離過程，如從全過程優化操作，合理耦合反滲透、閃蒸等新技術等方面，可促進該技術在中藥濃縮中的推廣應用。