基于資源循環經濟的中藥脈絡寧注射液廢棄物資源化循環利用中的共性關鍵問題△

朱華旭，唐志書，段金廒，邢衛紅，郭立瑋，楊積衡，何成華，李博，潘永蘭，張啟春，徐雪松，郭東艷，劉雙雙，肖秋萍

(1.南京中醫藥大學 江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心，江蘇 南京 210023；2.南京中醫藥大學 江蘇省植物藥深加工工程研究中心，江蘇 南京 210023；3.陜西中醫藥大學 陜西省中藥資源產業化協同創新中心，陜西 咸陽 712046；4.南京工業大學，江蘇 南京 211800；5.江蘇久吾高科技股份有限公司 無機膜國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南京 211808)

·專題·

基于資源循環經濟的中藥脈絡寧注射液廢棄物資源化循環利用中的共性關鍵問題△

朱華旭1，2，唐志書3，段金廒1*，邢衛紅4*，郭立瑋1，2，楊積衡5，何成華1，李博1，2，潘永蘭1，2，張啟春1，2，徐雪松1，郭東艷3，劉雙雙1，肖秋萍1

(1.南京中醫藥大學 江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心，江蘇 南京 210023；2.南京中醫藥大學 江蘇省植物藥深加工工程研究中心，江蘇 南京 210023；3.陜西中醫藥大學 陜西省中藥資源產業化協同創新中心，陜西 咸陽 712046；4.南京工業大學，江蘇 南京 211800；5.江蘇久吾高科技股份有限公司 無機膜國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南京 211808)

中藥廢棄物為組成與性質十分復雜的物料體系，“分離”過程的科學、有效是其再利用研究的技術關鍵。膜科學技術以先進分離材料為載體，特別適合現代工業對節能、低品位原材料再利用和消除環境污染的需要。同時，膜分離技術具有的節約、清潔、安全等優勢，符合循環經濟的發展思路，當然也是中藥廢棄物資源化過程的重要選擇之一。本文通過分析膜分離及其集成技術應用于中藥產業的基本特征，提出特種分離膜的研制是該技術應用于中藥資源循環經濟所亟待解決的共性關鍵問題；通過本課題組在中藥脈絡寧注射液廢棄物資源化過程中的實踐應用，為中藥特種分離膜的研制提供實驗依據。

膜科學技術；廢棄物資源化；篩分機理；溶解-擴散機理；脈絡寧注射液

膜科學技術以先進分離材料為載體，是當今分離科學中最重要的新型分離技術之一，因其節約能源和環境友好的特征而成為解決全球能源、環境、水資源等重大問題的共性支撐技術[1]。中藥廢棄物為組成與性質十分復雜的物料體系，“分離”過程的科學、有效是其再利用研究的技術關鍵。膜分離技術所具有的節約、清潔、安全等優勢，特別適合現代工業對節能、低品位原材料再利用和消除環境污染的需要，符合循環經濟的發展思路，當然也是中藥廢棄物資源化過程的重要選擇之一[2-3]。

膜技術適用于均相液體混合物的分離，兼有濃縮、純化和精制的功能，又具有高效、節能、環保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，已成功應用于食品、醫藥、生物、環保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領域，并產生了巨大的經濟效益和社會效益。近年來，膜分離技術與反應過程進行集成[3-4]，如膜生物反應器，是將膜分離與酶促反應技術進行集成，在制藥工業廢水回收中得到廣泛應用。然而，膜分離及其集成技術應用于中藥這一新的物料體系時，由于缺乏膜材料、性能(應用)與制備(生產)三者之間的相關基礎數據，尚未形成傳質、傳熱等在化學工程應用中進行參數優化與設計的計算模型，所用設備大多簡單套用已成熟應用于化學工程的現有設備，因此，該技術應用于中藥產業的技術優勢尚不明顯，在中藥資源產業鏈中的經濟效益和社會效益還遠未顯現[5-7]。

本論文通過分析膜分離及其集成技術應用于中藥產業的基本特征，提出特種分離膜的研制是該技術應用于中藥循環經濟所亟待解決的共性關鍵問題；通過總結本課題組在中藥脈絡寧注射液廢棄物資源化過程中的實踐應用，為中藥特種分離膜的研制提供實驗依據。

1 膜分離及其集成技術應用于中藥產業的基本特征

膜分離現象廣泛存在于自然界中，特別是生物體內，但人類對它的認識和研究卻經過了漫長而曲折的道路。1748年，耐爾特(A.Nelkt)發現酒精中的水自發地透過豬膀胱的半滲透現象；1861年，施密特(A.Schmidt)首先提出了超過濾的概念。1960年，洛布(Loeb)和索里拉金(Sourirajan)研制出第一張高通量和高脫鹽率的醋酸纖維素反滲透膜，膜分離技術自此進入了裝置研制階段；1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件；上述20世紀60年代的兩項突破標志著膜技術真正實現了工業化。目前已經成熟和不斷研發出來的微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、電滲析(ED)、氣體分離(GS)、滲透氣化(PV)、無機膜等技術逐漸實現設備與工藝過程優化，并隨著信息技術的應用和計算流體力學的發展，逐漸傾向于利用與工程有關的復雜流動進行模擬，進而實現高選擇性與高滲透性相統一的高效分離[8-9]。

千百年來，以水煎服為主的中藥湯劑等用藥劑型，顯示了自中藥水提液中獲取藥效物質最能體現中醫臨床治療的安全性與有效性。迄今為止，國內絕大多數中藥廠家仍以水煎煮為中成藥生產的基本提取工藝。因此，中藥水提液是創新藥物研究的重要載體，通過中藥水提液的精準分離獲取小劑量有效部位是創制新型給藥系統和新型制劑的關鍵環節。陶瓷膜作為膜家族的重要成員，經過多年的發展，在過程工業中獲得了成功應用，成為膜領域發展最為迅速、也是最有發展前景的品種之一[10]。陶瓷膜因其構成基質為Al2O3、ZrO2等無機材料及其特殊的結構特征，具有高的機械強度和化學穩定性，在高溫、腐蝕性、強極性溶劑等環境體系中具有明顯的技術優勢，尤其適合于中藥水提液的精制，在我國中藥行業具有普遍的適用性[11]。

然而，現有的建立在既有化工工程分離技術基礎上的陶瓷膜分離技術，在推廣應用過程中如何確保分離過程的性能穩定已經成為制約該技術產業化推廣的核心關鍵問題，而影響其性能穩定的主要因素有[6-12]：一是由于水作為提取溶媒對于中藥(含復方)中多種大分子無效物質具有較大溶解度，水提液即膜分離前體物料中含有較大量需分離去除的大分子物質及微細粒子，又由于上述兩類物質無法準確定性、定量檢測，導致分離過程中膜污染難以預測，膜通量的變化尚無可以進行模擬和計算的數學模型，從而使得分離過程難以穩定進行；二是由于中藥體系的多樣性和待分離獲得組分的不確定性，長期以來對于分離過程的工藝設計主要采用經驗方式估算或用部分可標識的藥效成分的轉移率高低來判斷，導致工藝技術選擇、設計與優化的“失真”甚至失敗，使得分離過程難以穩定進行。膜分離的性能主要包括分離、透過性能和物理、化學性能兩個方面。衡量膜材料有無實用價值，主要從分離性、透過性、物理/化學穩定性和經濟性四個基本方面考慮[6，9]。由此可見，上述兩個影響因素已經成為陶瓷膜分離及其集成技術在中藥行業推廣應用的瓶頸問題，使得該技術多年來仍然停留在以微濾為主的對中藥(含復方)水提液的澄清除雜，遠未發揮其獨特的技術優勢。

隨著膜分離技術在化學工業不同領域的不斷成熟和擴展，該技術從微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、膜電解(ME)、擴散滲析(DD)等第一代膜分離過程逐漸向氣體分離、蒸氣滲透(VP)、全蒸發(PV)、膜蒸餾(MD)、膜接觸器(MC)等第二代、第三代膜分離過程過渡。膜材料的研制也從最早的纖維素及其衍生物拓展到各種高性能纖維素及高分子有機聚合物膜材料，并出現了新型的陶瓷、多孔玻璃、氧化鋁等無機膜材料和有機無機膜材料[13]。21世紀70年代起，超濾、納濾等技術逐步應用于中藥生產的不同工藝過程，如將超濾技術應用于中藥注射劑熱源去除、中藥揮發油的截留富集等[7]，將納濾技術用于中藥乙醇提取液(12 m3·d-1)及水提液(24 m3·d-1)的濃縮等[14]；特別是在中藥有效部位的純化過程中，超濾、納濾等技術通過截留大分子無效物質而發揮了其可實現中藥藥效物質“集群篩選”的獨特優勢[4]。然而，由于中藥物料體系的多樣性，膜材料、性能(應用)與制備(生產)三者之間的相關基礎數據尚未建立，膜分離及其集成技術的高效拆分、超濾分離、膜蒸餾、催化反應等高性能分離的應用還鮮見報道。

2 膜分離及其集成技術用于脈絡寧注射劑廢棄物資源化循環利用的應用實踐

中藥脈絡寧注射液由牛膝、玄參、石斛、銀花4味中藥組成，采用水煎煮提取藥效物質，經乙醇沉淀、乙酸乙酯萃取等精制方法去除大量無效成分，再經濃縮后制得。該生產過程產生的廢棄物主要有：水提取后四味藥的混合藥渣、乙醇沉淀物、乙酸乙酯萃取后剩余物，及制藥過程產生的大量廢水。本項目在前期研究中已發現，混合藥渣富含上述4味投料中藥中的藥效成分，如石斛因質地堅硬，水提取后剩余石斛堿、多糖等有效物質；混合藥渣可用作飼料、菌類培養基、生物質能源、造紙原料等使用；廢水中殘留水溶性藥效成分，如不進行資源化利用，不僅造成浪費，作為廢水排放還會造成二次污染。

如何采用膜分離及其集成技術對上述生產過程廢棄物進行資源化利用是本課題組研究的重點。在研究中本課題組首次采用不同孔徑超濾膜將廢棄乙醇沉淀物分離為6個粗多糖部位，分子量分別為﹤3 kDa，3～10 kDa，10～30 kDa，30～100 kDa，100～300 kDa，﹥300 kDa(命名為 MFP1，MFP2，MFP3，MFP4，MFP5，MFP6)；利用苯酚-硫酸比色法和BCA法檢測了MFP1～MFP6中多糖和蛋白質含量，結果見表1；通過小鼠脾淋巴細胞增殖、轉化和小鼠單核巨噬細胞RAW264.7 釋放NO實驗對MFP1～MFP6進行免疫活性篩選，結果見圖1；研究結果確定了MFP4部位(分子量30～100 kDa)免疫活性最強。該實驗研究表明[15]，超濾膜技術可用于脈絡寧注射液廢棄物中多糖資源化利用；該工藝過程簡便易行，成本低廉，在循環經濟利用中具有獨特優勢。

表1 中藥脈絡寧注射液生產中的廢棄乙醇沉淀物各分離部位的成分對比研究結果

注：A.不同濃度MFP1～MFP6對小鼠脾淋巴細胞增殖的影響；B.不同濃度MFP1～MFP6對小鼠脾臟細胞轉化的影響；C.不同濃度MFP各區段對小鼠單核巨噬細胞RAW264.7 釋放NO 能力的影響。圖1 不同濃度MFP各區段活性篩選結果

在成功自乙醇沉淀廢棄物中獲得多糖類藥效組分的研究中我們亦發現，藥材作為中藥工業原料，經水提、醇提等工藝環節，進入口服制劑或標準提取物等階段，藥材原料的利用率平均低于30%，約70%的剩余物被作為廢物排放或簡單轉化為低附加值產品利用。例如中藥注射劑，其資源性化學物質的量僅占藥材原料量的1%～10%。對于中藥循環經濟而言，以中藥藥效物質回收利用為目標的中藥廢棄物資源化循環利用過程，其分離原料液中待分離獲取的有效組分濃度低、組成復雜，對于回收率要求高，因此常規的應用于化工工程中的單一分離方法往往難以滿足這類分離任務的要求，必須利用各種分離技術進行有效組合，以達到提高產品選擇性和收率、實現過程優化的目的[7，16]。基于上述研究和分析，本課題組完善了采用膜分離及其集成技術進行中藥脈絡寧注射液廢棄物資源化利用的技術路線，見圖2，并已從廢水中獲得甾酮等小分子化合物，自半固體廢棄物中分離得到具有免疫活性的多糖有效部位，將固體藥渣用于靈芝培養基制備等[17-19]。

圖2 中藥脈絡寧注射液廢棄物資源化循環利用的技術路線

由圖2的技術路線設計可知，中藥廢棄物資源化過程所追求的目標是實現有限資源的最大化利用。中藥廢棄物主體為可再生物質，尤其是廢棄的植物組織器官廢渣、廢水等是一類可轉化利用的生物質原料。通過轉化實現廢棄物的資源化，提升其利用價值、發現其潛在利用價值，該過程主要包括生物、化學、物理轉化三大技術體系[16]。在分離過程中，本課題組同時采用UPLC、HPLC、GC等分析手段對分離過程的前后物料進行了指紋圖譜檢測，如圖3、4所示，通過UPLC分析廢水樣品經過0.2 μm陶瓷膜處理前后的化學成分變化。

綜上所述，以脈絡寧注射液的生產過程為例，其水煎液中所含的除各種不同的活性有效成分外，無一例外的均有大量構成各組織、器官細胞壁的成分及所貯藏的營養物質，如淀粉、果膠、鞣質和蛋白質等，該類物質分子量較大(>50 000D)，不易被人體吸收、利用，通常被視為無效高分子物質，在生產過程中通過乙醇沉淀、乙酸乙酯萃取分離等工藝被去除，因此該類大分子物質大量存在于廢棄物中。采用膜生物反應器、膜-樹脂集成等集成技術，一方面可對廢棄物中大分子進行降解，另一方面在對待分離物料進行化學成分跟蹤分析的基礎上，可選用合適的分離材料富集藥效成分，實現對待分離組分的分離過程和分離效率的預測和監控。

圖3 中藥脈絡寧注射液生產中的廢水過膜后指紋圖譜

圖4 中藥脈絡寧注射液生產中的廢水過膜前指紋圖譜

眾所周知，膜分離及其集成技術的核心是膜的性能，膜性能又與膜材料的性質密切相關，在上述研究的基礎上，本課題組總結出分離過程需要優先解決的共性問題是資源化產品的穩定性和資源化過程的經濟性。因此，中藥特種分離膜的研制是膜分離及其集成技術應用于中藥資源循環經濟所亟待解決的共性關鍵問題。針對中藥體系多樣性、復雜性的特點，本課題組以中藥脈絡寧廢棄物物料體系為例，建立分離材料、性能(應用)與制備(生產)三者之間的化學成分的傳質、傳熱模型，對分離過程材料與設備進行優化，進而實現分離過程的穩定、可控和高效。上述研究結果將為中藥特種分離膜材料及其相應分離設備的研制奠定實驗基礎。

3 膜分離及其集成技術在中藥資源循環經濟中的產業價值

吳庸烈等[20]采用膜蒸餾技術對洗參水進行濃縮處理，成功回收了其中90%以上的皂苷，而其中主要微量元素和氨基酸的含量也提高了近10倍。李博等[21]采用PVDF超濾膜自制藥廢水中富集青皮揮發油，精油的截留率可達到67.5%；通過GC-FID對膜過程前后樣品化學成分的比較發現，超濾法富集的揮發油與原揮發油近乎一致。上述兩個應用實例提示我們，利用中藥的目標成分和非目標成分相對分子質量的差異，可用截留分子質量適宜的超濾膜將兩者分開；利用膜蒸餾技術對水分子的氣化作用，可從制藥廢水中精制藥效成分。膜科學技術在中藥廢棄物資源化領域的應用模式研究成果對于中藥產業具有普遍適用性，廣泛適用于中藥加工的各個單元操作。

全球膜市場以每年8%～10%的增長率擴大，其中用于制水和污水處理的微濾、超濾和反滲透占膜分離技術市場總額的40%左右。膜分離技術應用于制藥廢水處理具有以下優點：對雜質的去除效率高，產水水質大大好于傳統方法；徹底消除或是大大減少化學藥劑的使用，避免二次污染；系統占地面積小，易于自動化，可靠性高，運行簡易[22]。由此可見，膜科學技術用于中藥廢棄物資源化過程具有廣闊的前景，隨著中藥現代化進程的深入開展，膜技術的戰略轉型升級作用日益彰顯，必然在中藥廢棄物資源化過程中扮演越來越重要的角色。

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CommonKeyissuesofResourceRecyclingonTCMWasteofMai-luo-ningInjectionAccordingtoRecyclingEconomy

ZHUHuaxu1，2，TANGZhishu3，DUANJin’ao1*，XINGWeihong4*，GUOLiwei1，2，YANGJiheng5，HEChenghua1，LIBo1，2，PANYonglan1，2，ZHANGQichun1，2，XUXuesong1，GUODongyan3，LIUShuangshuang1，XIAOQiuping1

(1.NanjingUniversityofChineseMedicineCollaborativeInnovationCenterofChineseMedicinalResourcesIndustrializationofJiangsuProvince，NanjingUniversityofChineseMedicine，Nanjing210023，China；2.PlantMedicineResearchandDevelopmentCenter，NanjingUniversityofChineseMedicine，Nanjing210023，China；3.ShaanxiUniversityofChineseMedicineCollaborativeInnovationCenterofChineseMedicinalResourcesIndustrializationofShanxiProvince，ShaanxiUniversityofChineseMedicine，Xianyang712046，China；4.NanjingTechnologyUniversity，Nanjing211800，China；5.InorganicmembraneEngineeringResearchCenterbuiltbystateandlocalcombined，JiangsuJiuwuhigh-techLimitedbyShareLtd，Nanjing210023，China)

Traditional Chinese medicine waste is a complex material system.The scientific and effective separation process is the key technology in the field of resource recycling.With advanced separation materials as the carrier，membrane science and technology is especially suitable for modern industry to meet the needs of energy saving，low-grade raw material reuse and environmental pollution elimination.Furthermore，because membrane separation technology has the advantages of saving，clean and safe，it is especially suitable for the development of circular economy ideas.Therefore，membrane science and technology is one of the most important choice is of course of Chinese medicine recycling.In our present study，the basic applied characteristics of membrane separation and integration technology was summarized and investigated according to the application in the traditional Chinese medicine industry.The development of special separation membrane was put forward as the keyissues and this would be a common key problem of membrane separation and its application in traditional Chinese medicine of circular economy.In accordance with the practice of Mai-luo-ning injection in waste recycling，this study would provide experimental basis for the development of special separation membrane.

Membrane science and technology；waste resources；screening mechanism；dissolution-diffusion mechanism；Mai-luo-ning injection

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.12.003

中國工程院咨詢研究項目(2017-XZ-08)；國家自然科學基金面上項目(81673610，81773919)；江蘇省科技廳重點研發計劃—社會發展面上項目(BE2016754)；江蘇省六大人才高峰項目(2014-YY-014)；江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心重點項目(ZDXM-6，ZDXM-8)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

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段金廒，教授，博士生導師，中國自然資源學會中藥及天然藥物資源研究專業委員會主任委員，中國中藥協會中藥資源循環利用專業委員會主任委員，研究方向：中藥資源化學與資源循環利用，E-mail：duanja@163.com；邢衛紅，教授，博士生導師，國家特種分離膜工程技術研究中心主任，研究方向：膜材料及其應用開發，E-mail：xingwh@njtech.edu.cn

2017-09-01)