分离分析论文..

膜分离技术与分子蒸馏技术

摘要：分离分析技术在生产和生活中有着广泛的用途，选择合适的分离分析方法关乎着实验与生产的成败，根据物质的性质不同所采用的的分离技术也有所差别，本文主要对膜分离技术和分子蒸馏技术的原理特点及在医药方面的应用做了简单的介绍。

关键词：膜分离技术分子蒸馏技术原理特点应用

前言

膜分离技术是一项新兴的高效分离技术,已经被国际公认为20世纪末到21世纪中期最有发展前途的一项重大高新生产技术,成为世界各国研究的热点,目前已被广泛应用医药、食品、化工、环保等各个领域；分子蒸馏技术是一种特殊的液液分离技术，它产生于20世纪20年代，是伴随着人们对真空状态下气体运动理论的深入研究以及真空蒸馏技术的不断发展而逐渐兴起的一种新的分离技术。目前，分子蒸馏技术已成为分离技术中的一个重要分支。

1 膜分离技术

1.1膜分离技术的原理及特点

膜分离是利用具有一定选择透过特性的过虑介质,以外界能量或化学位差为推动力,对多组分混合物进行物理的分离、纯化和富集的过程。膜分离法有许多的种类，虽然各种膜分离过程具有不同的原理和特征,即使用的膜不同,推动力、截流组分不同,适用的对象和要求也不同,但其共同点为过程简单、经济、节能、高效,无两次污染。大多数膜分离过程中物质不发生相变,分离系数较大,操作温度可为常温,可直接放大,可专一配膜等。相对与传统工艺,膜分离具有以下优点:艺简化,一次性投资少,方便维护、操作简便,运行费用低,节省资源;运行无相变,不破坏产品结构,分离效率高,提高产品的收率和质量;不需用溶剂或溶剂用量大大减少,因而废水处理也变得更加容易[1]。

1.2 膜分离技术的种类

目前,国内外在制药和医疗上常用的膜分离技术主要有微滤、超滤、纳滤、

反渗透以及气体分离等。各种膜过程具有不同的分离机理,可适用于不同的对象和要求。

（1)微滤:微滤膜是使用最早的膜技术,其分离机理为筛分,在分离过程中膜的物理结构起决定作用。分离过程中采用的推动力为压力差,膜孔径大小为0.01～10μm。在制药和医疗中,微滤多用于除菌过滤、药液的澄清、去除颗粒物和病毒、医疗用水的净化以及作为超滤和反渗透过程的预处理等。

（2)超滤:超滤利用膜两侧的压力差不同,可将不同分子量的溶质进行选择性的分离。它的分离机理仍为筛分,膜孔径大小为10～100 nm。在制药和医疗中,超滤不但可以去除细菌、病毒和颗粒物,还能除去热源、菌丝和蛋白,常用于分子物质的分级分离和脱盐浓缩、小分子物质的纯化以及医药生化制剂的去热源等。（3)纳滤:纳滤是一种介于超滤和反渗透之间的膜分离过程,它填补了超滤和反渗透之间的空白。在分离过程中以压力差为推动力,分离机理为吸附-扩散,膜孔径大小为1～10 nm。在制药和医疗中,纳滤多用于抗生素、维生素、氨基酸等发酵液的澄清过滤、分离与纯化,半合成抗生素的脱盐浓缩;中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤等。

（4)反渗透:反渗透也是一种以压力差为推动力的膜过滤过程,其分离机理为吸附-扩散,膜孔径小于1 nm。在制药和医疗中,反渗透主要用于药品的浓缩、脱盐;制剂用水、注射用水、透析水以及无菌水的制备等。

（5)气体分离:气体分离膜根据分离物在膜中的溶解度不同而将其分离,膜类型为非对称膜和复合膜。它仍是以压力差为动力的膜分离过程,其分离机理为溶解-扩散。在制药和医疗中,气体分离膜主要用于富氧装置,人工肺等。

1.3 膜分离技术在医药领域的应用

1.3.1膜分离法精制中药药液

中药药液的精制原生产工艺采水提醇沉法,不仅流程长,产品黏度大,提取液中还含有大量亚微粒、微粒和絮状物等杂质。故成品静置后易产生沉淀,影响其外观及品质。如果采用相应的截留分子量的膜进行处理后,再进行罐装,则可以保证产品外观透明鲜亮、口感改善、保质期延长。近年来对绿茶茶多酚抗癌的研究报告日益增多,更引起了人们对茶饮料开发和茶多酚提取的重视。潘丽军等[2]研究了超滤膜对绿茶提取液的分离效果。结果表明:截留分子量小于20000的超滤

膜,对茶水中的固形物、茶多酚的截留率分别高达89%、87%;截留分子量高于100000的超滤膜可有效截留茶水中的大分子蛋白质和果胶类物质,改善了药液的溶液特性,有利于茶多酚的工业生产。甜菊糖甙是从甜叶菊干叶中提取出来的糖甙物质,在提取过程中,干叶中的蛋白质、多糖类等多种成分会进入提取液,致使在生产中常常出现沉淀和灌装起泡等问题。何昌生等[3]利用超滤技术解决上述问题,明显减少灌装起泡现象。蝙蝠蛾被毛菌丝体是人工发酵虫草菌粉,具有秘精益气、滋肺补肾、止血化痰等功效。但其水提液含有较多的杂质,对口服液制剂的口感和外观具有不良影响。陶瓷膜微滤技术主要利用筛分原理将中药中大量的鞣质、蛋白、淀粉、树脂等无药效的大分子物质分离出去。与醇沉技术分离所得的产品相比,关键成分腺苷损失率为0.6%和30.17%,且微滤后的中药液口感好,有香甜味,明显优于醇沉技术[4]。由此可见,膜法处理中药药液可以取代传统的板框过滤、硅藻土过滤等,有效去除鞣质、淀粉、树脂、蛋白、果胶等。并且得到的产品无论是澄清度、透光度和稳定性都明显提高。长期存储澄清度不变,不再有沉淀和挂壁现象。

1.3.2酶制剂及蛋白质等生化产品的分离、浓缩和纯化

酶是具有催化活性的蛋白质,蛋白质的生产过程一般分为三步,前两步是运用生物技术生产目标产物,最后一步是对含有目标产物的物料进行分离、纯化加工成目标产物。很多蛋白质产品作为医药被人类利用,因此蛋白质必须高度纯化、无菌、无致热源等特点。

酶制剂和蛋白质很容易变性,所以在酶制剂和蛋白质的提纯过程中应避免用强酸强碱,并且要保证较低的温度。通过调节相应的操作参数,利用膜分离技术可以而获得高纯度、高质量的酶制剂和蛋白质等生化产品。如果在无菌的条件下,生产的无菌酶制剂及蛋白质可以直接应用于临床治疗[5]。

1.3.3 抗生素的分离、浓缩和纯化

抗生素一般存在于液体中,从发酵液中提取抗生素的传统方法有四种:吸附法、溶媒萃取法、离子交换法和沉淀法,但这些工艺往往十分繁杂、能耗高、抗生素在提取过程中容易变性失活、废水污染严重且难以处理等。利用膜分离技术来分离和纯化抗生素可以克服以上缺点,被广泛应用。

1.3.4 氨基酸的分离、浓缩和纯化

在医药生产方面,氨基酸有重要的应用,除了大量的氨基酸输液外,一些氨基酸被用于治疗疾病。例如α-甲基-多巴为有用的降压药物,L-谷酰胺及衍生物可用于治疗胃溃疡,某些氨基酸还具有抗肿瘤的作用等。氨基酸的分离与提纯常用的方法是沉淀法和离子交换法。沉淀法虽然操作简单但废液排放污染环境;残留沉淀剂有毒。离子交换法在分离混合氨基酸时是利用各种氨基酸之间的等电点之间的差异,对于等电点相近的混合氨基酸难以分离;且氨基酸离子在树脂中的扩散速度较慢。应用膜分离技术是氨基酸分离和纯化的一种新方法,不但对环境友好,而且分离的效率高,节省能源。

2 分子蒸馏技术

2.1 分子蒸馏技术的原理

分子蒸馏是依据液体分子受热后从液面逸出时的平均自由程不同而实现分离的。根据分子运动理论，液体混合物的分子受热后运动会加剧，当接受到足够能量时，就会成为气体分子而从液面逸出。而随着液面上方气体分子的增加，有一部分气体分子就会返回液体，在外界温度保持恒定的情况下，最终达到分子运动的动态平衡，此外，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，故其平均自由度也不同，从统计学观点看，不同种类的分子逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不同的[6]。

2.2 分子蒸馏技术的过程

（1）物料在加热表面上形成液膜。通过重力或机械力在蒸发面形成快速移动、厚度均匀的薄膜。

（2）分子在液膜表面自由蒸发。分子在高真空和远低于常压沸点的温度下蒸发。

（3）分子从加热面向冷凝面的运动。在蒸馏器内保持足够高的真空条件下，使蒸发分子的平均自由程大于或等于加热面和冷凝面之间的距离，则分子向冷凝面的运动和蒸发过程就可以迅速进行。

（4）分子在冷凝面的捕获。保持加热面和冷凝面之间达到足够的温差，冷凝面的形状合理且光滑，轻组分就会在冷凝面上瞬间冷凝。

（5）馏出物和残留物的收集。馏出物在冷凝器底部收集，残留物在加热器底部收集，没有蒸发的重组分和返回到加热面上的极少轻组分残留物，由于重力

或离心力的作用，滑落到加热器底部或转盘外缘[7]。

2.3分子蒸馏技术的特点

与普通蒸馏相比，分子蒸馏有以下特点：

（1）普通蒸馏是在沸点温度下进行分离，而分子蒸馏只要冷热两面之间达到足够的温度差，就可以在任何温度下进行分离。

（2）普通蒸馏的蒸发和冷凝是可逆过程，液相和气象之间达到了动态平衡；分子蒸馏中从加热面逸出的分子直接飞射到冷凝面上，理论上没有返回到加热面的可能性，所以分子蒸馏时不可逆过程。

（3）普通蒸馏有鼓泡，沸腾现象；而分子蒸馏是在液膜表面上的自由蒸发，没有鼓泡现象，既分子蒸馏是不沸腾下的蒸发过程。

（4）普通蒸馏分离能力只与组分的蒸汽压之比有关。

（5）分子蒸馏蒸发过程中，物料受热时间短，冷凝迅速，对易挥发、热敏性物质的保存率高，从而避免了因受热时间长而造成某些组分分解或聚合的可能。

（6）操作温度与普通蒸馏相比较低。

（7）无毒、无害、无污染、无残留，可得到纯净安全的产物。

（8）操作工艺简单，设备少[8]。

2.4分子蒸馏技术在医药领域的应用

2.4.1天然维生素E的提取

维生素E又称生育酚, 绿色化学的兴起, 使天然维E的需求量不断增加,工业上普遍采用从油脂真空脱臭的馏出物中提取,但是溶剂萃取法收率和产品纯度较低,超临界萃取一次性投资太大,化学处理法又存在有机物残留的问题。由于天然维E的市场前景广阔,关于这方面的研究一直受到国内外学者的重视。Mori Osamu 等[9]将辛酸甘油酯同低纯度的维生素E混和后采用分子蒸馏进行分离,使维E含量大幅度提高；Nakadate Masao 等[10]通过酶催化酯化反应和酯交换反应从棕榈脂肪酸中提取生育酚和生育三烯酚, 然后采用分子蒸馏去除轻酯组分, 并用阴离子交换树脂纯化, 得到的产物色泽纯度都很好。

2.4.2 中草药有效成分的提取分离

中药现代化面临的瓶颈问题之一在于有效成分的分离提纯,而中药有效成分

中常常含有高沸点、热敏性、易分解的物质,分子蒸馏正适合于对这类物质的分离提纯。

银杏叶中含有5种(银杏内酯A、B、C、J、M ),其结构极其相似,传统分离方法很难将其分离,而采用分子蒸馏技术后,分离难度就大大降低[11]。对银杏叶脂溶性皂化物采用分子蒸馏法分离银杏叶类胡萝卜素、甾醇类化合物和聚戊烯醇类,银杏甾醇得率为0. 03% ~ 0. 08%,纯度高于95%。

川芎为我国传统中药,具有活血行气、祛风止痛、开郁燥湿等功效,主要含藁本内酯、丁基肽内酯、川芎嗪、阿魏酸等。川芎超临界

CO萃取物所含化学成分

2

经分子蒸馏后,主要成分藁本内酯相对含量明显提高,富集效果好。川芎油中的丁基肽内酯、洋川芎内酯经分子蒸馏后全部被保留到轻组分中,说明分子蒸馏技术对挥发性成分分离纯化的作用显著,在中药有效成分分离方面具有广阔的应用前景,并可与超临界

CO萃取技术联用以更好提纯中药有效成分[12]。

2

3 未来展望

膜分离技术已经成为生物技术工程中不可缺少的一部分。发酵培养基的灭菌过滤、缓冲剂的纯化和蛋白质产品的制备都经常应用膜分离技术[13]。膜分离技术已成为确保现代生物制品纯度、安全和效用的基本技术[14]。在提高产品纯度、收率、减低能耗和处理时间、工艺改进等方面已表现出巨大的潜力和应用价值。

分子蒸馏技术属于近几十年发展起来的新型技术,其理论根源和传热机理尚未完全揭示,限制了分子蒸馏技术在应用上的突破。针对这种情况,国内各高校及科研单位应加强分子蒸馏基础理论的研究,揭示其规律性,使其成为一门真正实用的技术。

结束语

通过对膜分离技术和分子蒸馏技术的简单介绍，我们了解了他们的原理特点以及一部分在医药领域的应用，应用这些新的技术为我们的社会生产到来了巨大的效益。目前，我们还在对其进行深入研究以克服一些不足之处，我们可以预见，在未来这些新型分离技术的前景一片光明。

参考文献

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草药,2007,26(11): 1328- 1329.

[12] 谢春英,袁雨婕,余少冲,等.分子蒸馏技术分离川芎油的研究[J].国际医药

卫生导报,2007,13(19):73-76.

Membrane separation technology and molecular distillation

technology

Abstract：Separation and analysis techniques in the production and life has a wide range of uses, select the appropriate method for the separation and analysis relating to the success of the experiment and production, according to the nature of the material used in the different separation techniques are also different, the paper membrane separation technology and molecular principle Features distillation technology and its application in medicine to do a simple introduction.

Keywords：Membrane separation technology Molecular distillation technology Principle Features Applications

评语:

该论文在查阅相关文献资料的基础上对膜分离技术和分子蒸馏技术的原理、过程及特点做了详细的说明，并着重对膜分离技术和分子蒸馏技术在医药领域的具体应用进行了重点介绍。查阅工作全面细致，且具有一定的代表性。格式规范，内容完整，结构合理，主要观点突出，逻辑关系清楚。