超濾技術在中藥制藥研究與生產(chǎn)中的應用

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超濾技術在中藥制藥研究與生產(chǎn)中的應用
    科學技術的發(fā)展給中醫(yī)中藥的進步帶來了良好的機遇。提高中藥傳統(tǒng)制劑的質(zhì)量是中藥現(xiàn)代化的一重要環(huán)節(jié),而提取、分離、精制過程則是中藥制藥工業(yè)現(xiàn)代化的關鍵環(huán)節(jié)之一。引進化學、化工、石油、香料和食品工業(yè)中的一些實用高效新型的相關技術則是提高中藥制劑質(zhì)量的一個必然和便捷的途徑。 膜分離技術已成功用于臨床血透、生物制品除熱原、藥用水處理、海水淡化等方面,研究亦表明,該技術較適宜于替代與實現(xiàn)現(xiàn)有中藥制劑過程中的一些工藝環(huán)節(jié)的特殊要求,有利于提高傳統(tǒng)中藥制劑的內(nèi)在和外在質(zhì)量。 在膜分離技術中,中藥制藥工業(yè)的應用以超濾技術為主。超濾技術可將溶液中的物質(zhì)按分子量大小進行分離,中藥及其復方的有效成分,如生物堿、黃酮類、苷類等分子量均較?。ǘ嘣?000以內(nèi)),而無效成分(通常指蛋白、鞣質(zhì)、樹脂、淀粉等)的分子量較大,結(jié)構(gòu)復雜,通過選擇適宜分子量截留值的超濾膜,可達到選擇性地去除無效成分、保留有效成分的目的,從而減少中藥的服用量,增大制選擇的靈活性,也可增加中藥制劑的穩(wěn)定性。 本文就超濾在中藥制藥研究與生產(chǎn)中的應用,結(jié)合我單位的研究情況做一簡單探討。 一、超濾的原理 超濾(Ultrafiltration)技術是膜濾法,也有錯流過濾(Cross Filtration)之稱。它能從周圍含有微粒的介質(zhì)中分離出10~100A的微粒,個尺寸范圍內(nèi)的微粒,通常是指液體內(nèi)的溶質(zhì)。其基本原理是在常溫下以一定壓力和流量,利用不對稱微孔結(jié)構(gòu)和半透膜介質(zhì),依靠膜兩側(cè)的壓力差作為推動力,以錯流方式進行過濾,使溶劑及小分子物質(zhì)通過,大分子物質(zhì)和微粒子如蛋白質(zhì)、水溶性高聚物、細菌等被濾膜阻留,從而達到分離、分級、純化、濃縮目的的一種新型膜分離技術。 二、超濾技術的特點 與傳統(tǒng)分離方法相比,超濾技術具有以下特點: (一)濾過程是在常溫下進行,條件溫和無成分破壞,因而特別適宜對熱敏感的物質(zhì),如藥物、酶、果汁等的分離、分級、濃縮與富集。 (二)濾過程不發(fā)生相變化,無需加熱,能耗低,無需添加化學試劑,無污染,是一種節(jié)能環(huán)保的分離技術。 (三)超濾技術分離效率高,對稀溶液中的微量成分的回收、低濃度溶液的濃縮均非常有效。 (四)超濾過程僅采用壓力作為膜分離的動力,因此分離裝置簡單、流程短、操作簡便、易于控制和維護。 三、影響超濾的因素 (一)壓力與流量 超濾過程中只有當工作壓力達到一定程度,才能使液料中的小分子透膜分離。工作壓力太小時,濾液的產(chǎn)量小,不能滿足正常的生產(chǎn)。而工作壓力太大時,會增加極化層的厚度,抵消增壓的增速效果,同時也會把沉積在膜上的沉積層壓實,難以被沖刷,膜孔很快被堵塞,影響超濾效果,此外,每一種超濾膜均有其耐壓范圍,使用時應在這個范圍內(nèi)進行。 (二)藥液的前處理 藥液前處理是超濾不可缺少的工序,這一點對于中藥特別重要。中藥提取液中雜質(zhì)較多,大小不一,會堵塞膜孔。預處理效果好壞,直接影響超濾膜的污染程度,系統(tǒng)的生產(chǎn)能力以及超濾膜的使用壽命。中藥提取液的預處理一般采用高速離心法、微濾法、調(diào)PH值、熱處理、冷藏法或多種方法組合進行。近年來發(fā)展起來的絮凝劑法可去除中藥提取液中的蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、色素、果膠等有機大分子不穩(wěn)定物質(zhì),也可用于藥液超濾的前處理。 (三)藥液的溫度 溫度升高時可部分克服分子間的作用力,降低粘度。同時也影響膜的工作性能,增加通透性。中藥提取液中含有大量的蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)和淀粉等物質(zhì),它們極易吸附、沉積在濾膜表面,一般粒液溫度應控制在室溫范圍(20~40℃),這樣既便于操作,也不會降低濾出液量。此外,溫度過高也會影響超濾膜的壽命。 (四)藥液的濃度 藥液濃度直接影響濾速。超濾的通量與濃度的對數(shù)呈直線關系。一般來講,隨著藥液濃度的增高,藥液的粘度會升高,超濾時形成極化層的時間會縮短,從而使超濾的速度降低、效率也降低。因此在超濾時應注意控制藥液的濃度,多數(shù)認為中藥液進行超濾時濃度不宜超過含生藥1g/ml。 (五)超濾膜孔徑大小 超濾膜孔徑大小的選擇應與藥液中目標成分的大小相一致??讖竭^大,則分離效果不好,雜質(zhì)含量過高,影響澄明度和穩(wěn)定性??讖竭^小,有效成分通透率較低,損失較大。 (六)洗脫量 洗脫量的多少影響濾液中目標成分的含量。洗脫量太少,則留在濃縮液中的目標成分會較多,損失較大;洗脫量太大時,雖然回收率增加,但有可能需要后處理或使原有的后處理工序時間延長,應注意協(xié)調(diào)它們之間的關系。 四、超濾技術在中藥制藥中的應用實例——陳皮提取液超濾工藝的初步研究 (一)超濾膜孔徑對陳皮提取液超濾的影響 選用200000、50000、10000和6000共4種分子量截留值的超濾柱對陳皮提取液進行超濾,跨膜壓力為0.06MPa,藥液流量為400ml/min。以超濾速度(收集1000mi濾出液的時間)、濾出液陳皮苷收率、總固形物收率以及陳皮苷相對含量(陳皮苷收率與總固形物收率的比值)為指標,考察不同分了量截留值對超濾的影響,結(jié)果見表1。 表1 不同分子量膜對陳皮苷、總固形的影響 分子量截留值 200000 50000 10000 600 陳皮苷收率(%) 總固開物收率(%) 超濾速度(min) 陳皮苷相對含量(%) 45.48% 70.33 11.90 64.67% 42.68% 58.89% 16.87 72.48% 25.70% 45.01% 17.94 57.10% 8.56% 30.16% 20.02 28.38% 超濾速度、陳皮苷收率和總固形物收率均隨著濾膜孔徑的減少而明顯降低,這表晨濾膜的分子量截留值的變化不但影響超濾的通量,也影響目標成分和其他成分通過濾膜的機率。 陳皮苷收率和總固形物收率的比值也可反映濾出液中陳皮苷的含量變化。采用50000分子量截留值的超濾膜時陳皮苷的相對含量,這表明對某一特定成分,超濾膜有一最適孔徑,孔徑太大時雜制質(zhì)會增多,孔徑太小時又會影響目標成分的收率和超濾速度。 (二)藥液濃度對陳皮提取液超濾的影響 選用200000分子量截留值的超濾柱對含有不同生藥量的陳皮提取液進行超濾,跨膜壓力為0.06MPa,藥液流量為400mi/min。以超濾速度(收集1000ml濾出液的時間)、液出液陳皮苷收率和總固形物收率為指標,考察藥液濃度對超濾的影響,結(jié)果見表2。 表2 藥液濃度對陳皮苷、總固形的影響 藥液濃度(生藥量;體積) 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 陳皮苷收率(%) 總固形物收率(%) 超濾速度(min) 陳皮苷相對含量(%) 55.10% 69.31% 35.61 79.50% 45.93% 57.82% 13.81 79.44% 45.48% 61.45% 11.90 74.02% 21.91% 40.06% 7.01 54.69% 18.14% 49.49% 7.18 36.66% 超濾速度、陳皮苷收率和總固形物收率均隨著藥液濃度的增加而降低,這表明藥液濃度的變化能影響超濾的通量,也影響目標成分和總成分通過濾膜的機率。在三個指標中,超濾速度受到的影響是最明顯的,且在藥液濃度由1:2至1:1時超濾速度減少最多,這也證明了中藥藥液超濾時藥液濃度不宜超過1:1這一觀點。 (三)藥液流量對陳皮提取液超濾的影響 選用50000分子量截留值的超濾柱,對陳皮提取液于不同流量下進行超濾,跨膜壓力為0.05MPa。以超濾速度(收集1000ml濾出液的時間)、濾出液陳皮苷收率和總固開物收率為指標,考察藥液流量對超濾的影響,結(jié)果見表3。 表3 藥液流量對陳皮苷、總固形的影響 藥液流量(ml/min) 200 300 400 500 600 陳皮苷收率(%) 總固形物收率(%) 超濾速度(min) 41.55% 39.40% 110.46 38.19% 38.77% 89.81 35.65% 41.02% 42.48 38.52% 37.69% 91.49 44.41% 36.97% 75.23 超濾速度隨著藥液流量的變化呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化,在400ml/min流量時超濾速度最快,高于或低于此流量時超濾速度均減慢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與超濾過程中沖刷力和沉積力的關系有關。在固定膜孔徑、藥液濃度和跨膜壓力的情況下,隨著藥液流量的變化,陳皮苷收率和總固形物收率變化不明顯。 (四)跨膜壓力對陳皮提取液超濾的影響 選用50000分子量截留值的超濾柱,對陳皮提取液于不同跨膜壓力下進行超濾,藥液流量為400ml/min。以超濾速度(收集1000ml濾出液的時間)、濾出液陳皮苷收率和總固表物收率為指標,考察跨膜壓力對超濾的影響,結(jié)果見表4。 表4 跨膜壓力對陳皮苷、總固形的影響 跨膜壓力(MPa) 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 陳皮苷收率(%) 總固形物收率(%) 超濾速度(min) 40.57% 36.22% 127.07 39.70% 48.96% 67.32 35.65% 41.02% 42.48 39.78% 38.65% 35.18 46.37% 58.06% 25.76 超濾速度隨著跨膜壓力的升高而出現(xiàn)明顯的上升,在實驗中的壓力和最低壓力下的超濾速度相關達近5倍。在固定膜孔徑、藥液濃度和藥液充量的情況下,隨著跨膜壓力的變化,陳皮苷收率和總固形物收率變化較小,特別是壓力為0.03~0.06MPa間時不明顯,僅在壓力為0.07MPa時有輕微的上升。 (五)洗脫體積對成分收率的影響 取100ml陳皮提取液,進行超濾、跨膜壓力為0.05MPa,藥液流量為6000ml/min。每1000ml濾出液收集一個樣,剩余液加水繼續(xù)超濾,直至收集到第5個1000ml為止。以濾出液中陳皮苷收率及累積收率、總固形物收率及累積收率為指標,考察洗脫體積成分收率的影響,結(jié)果見表5。 洗脫體積(ml) 1000 2000 3000 4000 5000 陳皮苷收率(%) 總固形物收率(%) 陳皮苷累積收率(%) 總固形物累積收率(%) 55.10% 69.31% 55.10% 69.31% 16.69% 11.88% 74.79% 81.18% 5.14% 4.82% 79.93% 86.01% 3.65% 0.90% 83.58% 86.91% 1.66% 0.76% 85.24% 87.67% 當?shù)润w積洗脫時,陳皮苷和總固形物的收率分別達55.10%和69.31%,當洗脫體積為兩倍量時,兩者已分別達到74.79%和81.19%,再繼續(xù)增加洗脫體積收率雖有進一步增加,但均較少,到洗脫體積為五倍量時,兩者才分別達到85.24%和87.67%。與兩部量洗脫體積相比,陳皮苷和總固表物的收率分別再升高10.45%和16.48%,而濾出液的體積則增加2.5倍。在實際應用中,洗脫體積應綜合考慮實際的需要,如有效成分損失的可接受范圍是多少,增加的體積是否會引起后續(xù)工藝的不便等。 (六)小結(jié) 從本實驗對陳皮提取液進行的超濾研究結(jié)果分析,超濾膜孔徑的大小、藥液的濃度均會對超濾的速度、效率、目標成分或總成分的收率產(chǎn)生明顯的影響;而超濾時的藥液流量和跨膜壓力主要對超濾過程本身產(chǎn)生影響,即影響超濾的速度和效率,對目標成分或總成分的收率影響較小。 五、在中藥制藥中應用超濾技術應注意的問題 超濾技術在中藥中應用時存在的主要問題是超濾膜污染,這一點在用于中藥提取分離時比應用于其他領域顯得為明顯。超濾膜在使用過程其性能隨著時間的增加,膜透過流速會迅速下降,同時對溶質(zhì)的阻止率也會明顯上升,這是由膜的劣比的附生污垢所引起的。中藥提取液成分復雜,易出現(xiàn)污染與堵塞,膜的使用壽命相對較短,有必要對超濾膜的再生進行研究。解決辦法一方面是加強藥液的前處理,另一方面是對適宜中藥超濾用膜的清洗方法的研究,最根本的方法是開發(fā)適宜中藥提取液超濾、耐老化和耐附生污垢的專用膜的研究。 超濾法用于中藥制藥,應明確截留什么和除去什么,必須著重研究目標成分的截留率,密切注意各種類型膜的技術標準及其適用范圍,客觀評價其處理速率是否能達到生產(chǎn)所需,只有較好的解決量與速度,才有納入中藥制劑工藝的可能。