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中藥制藥過程中濃縮工序就是要選用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)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(shù)制藥生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)行生產(chǎn)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(tǒng)計表明，目前使用較多的三效或雙效真空濃縮工藝，蒸出1000k需消耗1.2X103kg蒸汽，冷凝1000k蒸汽及其熱水需消耗3X103?4X103k，其能耗相當(dāng)可觀。因此低能耗的濃縮技術(shù)與方法是中藥制藥領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。

膜蒸溜（membranedistillation,MD)技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，直到80年代初，伴隨高分子材料和膜制備工藝技術(shù)的迅速發(fā)展,膜蒸餾才顯示出其實用潛力。現(xiàn)巳逐漸從海水及苦咸水淡化等凈水研究，擴展到化學(xué)物質(zhì)及熱敏性物質(zhì)的濃縮和回收、水溶液中揮發(fā)性溶質(zhì)的脫除和回收、廢水處理等諸多領(lǐng)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(yīng)用，還包括不同體系的傳質(zhì)、傳熱等機理方面的研究。

本文從膜蒸餾技術(shù)的本質(zhì)特征出發(fā)，結(jié)合膜蒸餾原理、特點，膜蒸餾過程中的各影響因素，探討膜蒸餾技術(shù)在中藥提取液濃縮工序中的應(yīng)用問題。

一、膜蒸餾技術(shù)原理及特點

膜蒸餾是一種采用疏水微孔膜以膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動力的膜分離過程。其機理是當(dāng)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(cè)的水溶液均不能透過膜孔進(jìn)人另一側(cè)，但由于熱側(cè)水溶液與膜界面的水蒸汽壓高于冷側(cè)，水蒸汽就會透過膜孔從熱側(cè)進(jìn)人冷側(cè)而冷凝從而實現(xiàn)濃縮。

該過程與常規(guī)蒸餾中的蒸發(fā)、傳質(zhì)、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，只有蒸汽能通過膜孔；二是膜至少有一面與所處理的液體接觸，膜孔內(nèi)沒有毛細(xì)管冷凝現(xiàn)象發(fā)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(jù)膜下游側(cè)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(cè)分別與熱的水溶液（熱側(cè)）及冷卻水(冷側(cè)）直接接觸。這種形式膜蒸餾的缺點是大量熱量從熱側(cè)經(jīng)傳導(dǎo)直接進(jìn)人冷側(cè)，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(jié)構(gòu)簡單，通量較大。

2.2空氣隙式膜蒸餾（AGMD)

AGMD透過側(cè)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，如金屬板）上進(jìn)行冷凝，降低透過側(cè)的壓力，其傳質(zhì)推動力大小與直接接觸膜蒸餾相當(dāng)，均為水的飽和蒸汽壓。其熱效率高，冷凝產(chǎn)品可以準(zhǔn)確計量，特別適合于實驗室研究使用。其缺點是通量低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不適用于中空纖維膜，限制了其商業(yè)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(cè)，以帶走透過的蒸汽，其傳質(zhì)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(fù)壓，因此傳質(zhì)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(cè)用真空泵抽真空，以造成膜兩側(cè)更大的蒸汽壓差，揮發(fā)組份從冷側(cè)引出后冷凝，是恒溫的膜過程，目前主要用于除去溶液中的易揮發(fā)組份。這種膜蒸餾的熱傳導(dǎo)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(cè)的料液壓差大，為防止料液進(jìn)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(zhì)通量，所以近幾年來受到比較大的關(guān)注。

三、膜蒸餾過程的主要性能指標(biāo)及其影響因素

3.1截留率

截留率是非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的分離性能參數(shù)，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(rèn)為孔徑在0.2?1.0pm較為合適，用得比較多的為0.2?0.4pm。二是膜兩側(cè)的壓力差不能超過液體進(jìn)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(guān)系。

3.2水通量

水通量是MD過程的主要性能指標(biāo)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(cè)溶液的溫度或提高膜兩側(cè)的溫差，均能使水通量顯著增加，但不成線性關(guān)系。

2)水蒸氣壓差：水通量隨膜兩側(cè)水蒸氣壓差的增加而增加,且呈線性關(guān)系。

3)料液濃度:濃度對非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液和揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液有不同的影響，隨濃度的增加，非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的通量降低而揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的通量則增加，且濃水溶液的MD行為比稀溶液復(fù)雜，對水通量的影響也更大。

4)料液流速:增加進(jìn)料流量和冷卻水流量均可使通量增

加。

5)蒸餾時間：隨著蒸餾時間的延長，會出現(xiàn)通量衰減的現(xiàn)象。其原因一是隨蒸餾的進(jìn)行，膜孔被浸潤，造成從滲透側(cè)流向進(jìn)料側(cè)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(yīng)用。適當(dāng)增大膜的孔徑和孔隙率，有利于提高熱效率。另外，一般情況下隨溫度的升高熱效率提高。

四、膜蒸餾技術(shù)的應(yīng)用及其在中藥提取液濃縮中存在問題

4.1膜蒸餾技術(shù)的研究現(xiàn)狀

4種不同的膜蒸餾技術(shù)均有不同的針對性的應(yīng)用研究。

MinglueSu等研究了DCMD中內(nèi)層熱傳導(dǎo)率對雙層中空纖維膜通量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著熱傳導(dǎo)率增加，水蒸氣通量明顯增加，基于熱力學(xué)機理和數(shù)學(xué)建模的方法探討該技術(shù)的應(yīng)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(zhì)和分離性能的影響DhananjaySingh等在溫度80?130℃、壓力2~3標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的操作條件下，采用DCMD對鹽水進(jìn)行脫鹽濃縮，其通量*高可達(dá)195kg/m2。均在一定程度上提示操作參數(shù)在膜過程中的重要性。

許兆廣[7]進(jìn)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(zhì)機理模型，并利用計算流體力學(xué)軟件FLUENT6.3進(jìn)行數(shù)值模擬。高虹等人在斯蒂芬定律基礎(chǔ)上引人了膜材料特性修正系數(shù)和膜變形修正系數(shù)，給出了一個適用于空氣隙膜蒸餾的工程預(yù)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(jìn)行了計算，所需費用低于$0.50/m3，甚至低至$0.26/m3，其有相當(dāng)大的市場前景。

CBio等人確立了SGMD處理含有揮發(fā)性有機污染物廢水的理論模型，并對實驗過程進(jìn)行了研究，實驗值與理論模擬值基本一致。丁忠偉等研究了SGMD用于脫除水中氨的分離性能，在實驗范圍內(nèi)NH3的總傳質(zhì)系數(shù)*高值可達(dá)2.2X10-5m/s,選擇性系數(shù)的*高值可達(dá)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(jìn)行了研究。

目前這兩種膜蒸餾技術(shù)的運用體系多仍在化工領(lǐng)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(jìn)行了處理，并考察了操作變量如進(jìn)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(yuǎn)洋船只上采用VMD進(jìn)行海水淡化實驗，通量可達(dá)5.4kg/(m2?h)，脫鹽率達(dá)到99.99%，這是在VMD在水處理方面的成功應(yīng)用。V.Soni等對VMD回收黑加侖汁中揮發(fā)性芳香成分建立模型，并對模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，為進(jìn)一步優(yōu)化操作過程提供依據(jù)。時光輝采用VMD對硫氰酸銨溶液進(jìn)行濃縮，研究各影響因素對膜通量的影響。膜通量隨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，膜通量隨濃度增加緩慢下降，濃度較高時，膜通量隨濃度增加驟降；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凈化含苯廢氣的研究，優(yōu)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(lǐng)域的基礎(chǔ)研究已有一定的報道。

蔡宇等人采用VMD對益母草提取液進(jìn)行濃縮，濃縮過程中有效成分沒有明顯損失，且濃差極化現(xiàn)象不明顯，流量、溫度對過程有不同程度的影響，一定程度上可控制產(chǎn)物的得率。李建梅等采用VMD對益母草與赤芍提取液進(jìn)行濃縮，其指標(biāo)成分保留率較高且對兩者截留率均為，進(jìn)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(shù)在中藥提取液濃縮中的應(yīng)用研究，結(jié)果說明使用多效膜蒸餾可將中藥提取液濃縮16倍以上，操作溫度為70℃時，膜通量可達(dá)3L/(m2?h)，造水比可達(dá)7。值得進(jìn)一步深入研究耦合工藝的應(yīng)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，而且膜污染會伴隨膜的潤濕，所以近年來日益引起人們的重視。膜蒸餾的實際運行中，膜的性能會隨時間發(fā)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(cè)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(xiàn)膜蒸餾的必要條件之一，所以，膜孔潤濕是膜蒸餾過程中*嚴(yán)重的膜污染。

膜蒸餾技術(shù)多用于海水淡化、廢水處理、果汁濃縮等方面，因此，僅少數(shù)人對膜蒸餾濃縮中藥提取液過程中的膜污染問題進(jìn)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(jìn)料側(cè)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(jìn)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板膜，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(jié)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(fā)現(xiàn)隨著氣流速率、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(yīng)用膜污染機理中的4種過濾模型分別對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)濾餅過濾模型擬合程度*好。

4.3中藥水提液的特殊性

中藥（復(fù)方）水提取液體系中存在大量天然合理的藥效物質(zhì)，水提液體系在物理化學(xué)特性方面有不同的表現(xiàn)，有效成分含量，體系密度、pH、電導(dǎo)率、粘度等都是濃縮過程中要考量的因素，特別是如何在濃縮過程中*大限度地保留藥效物質(zhì)，并保證其經(jīng)濟(jì)合理性是這項技術(shù)在中藥水提液中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵,不同中藥水提液體系與特定膜蒸餾技術(shù)間的適應(yīng)性也是重要研究內(nèi)容之一，只有擴大中藥提取液的研究種類范圍，結(jié)合機理的深人探討，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(shù)學(xué)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(yè)化的實際意義。

五、結(jié)論與展望

膜蒸餾過程研究的發(fā)展十分迅速，人們不再滿足于對膜蒸餾過程普遍規(guī)律的描述，而是根據(jù)各自研究體系的特點，從機理的角度建立數(shù)學(xué)模型，考慮包括溫度極化、濃度極化在內(nèi)的各種相關(guān)參數(shù)，使數(shù)學(xué)模型的預(yù)測結(jié)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(chǔ)，隨著研究工作的深人發(fā)展，有可能殊途同歸，得到更精確、普適的數(shù)學(xué)模型。在實際應(yīng)用中，集成膜過程能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢，膜蒸餾與其它膜過程和非膜過程的集成將會在工業(yè)化應(yīng)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(zhì)機理分析，改變料液的流動狀態(tài)，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(fā)性溶質(zhì)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(fā)組份的透過通量。

3)膜組件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是確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(shè)計提出的數(shù)學(xué)模型指出，由于中空纖維膜內(nèi)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，并且后者的影響更嚴(yán)重。同時要選擇合適的操作條件，控制對通量的影響。

作為一項新興的分離技術(shù)，尚有待研究突破的領(lǐng)域主要

有：

5.1研制性能優(yōu)良、價格低廉的優(yōu)質(zhì)膜

目前之所以膜蒸餾與其他分離技術(shù)相比競爭力不強，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(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用的膜。同時還要開發(fā)傳熱、傳質(zhì)性能優(yōu)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著固熱傳導(dǎo)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(fā)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(jìn)一步完善機理模型，盡量將眾多影響膜蒸餾過程的因素都考慮在內(nèi)，同時減少模型中需經(jīng)實驗測定的參數(shù)。

5.4加強真空膜蒸餾技術(shù)的研究

由于另外3種膜蒸餾過程存在著熱平衡太快、易因膜的破裂而污染餾出物、下游側(cè)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(yōu)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(jié)合，可取長補短，設(shè)計出新的具有更好分離性能、操作更簡便、能耗更小、更易產(chǎn)業(yè)化的膜分離過程，如從全過程優(yōu)化操作，合理耦合反滲透、閃蒸等新技術(shù)等方面，可促進(jìn)該技術(shù)在中藥濃縮中的推廣應(yīng)用。