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复方川芎胶囊含油水体超滤液反渗透过程工艺参数优化研究
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【药学论文网】【摘要】 目的 考察用卷式反渗透膜浓缩复方川芎胶囊含油水体超滤液过程中,药液温度、操作压力、浓缩倍数、pH值等参数对膜过程及截留率的影响,进行膜过程优化设计。方法 以复方川芎胶囊挥发油含油水体超滤液为研究对象,测定不同操作参数下膜通量、截留率的变化。结果 对于本体系合适的操作压差为1.6 MPa,操作温度35～40 ℃左右,pH值为9～10。结论 采用卷式反渗透膜对复方川芎胶囊挥发油含油水体超滤液进行反渗透浓缩,在适当操作条件下可取得较好膜通量和截留率。
【关键词】 复方川芎胶囊；卷式反渗透膜；反渗透浓缩；膜通量；截留率
Abstract：Objective To investigate the effect of liquid temperature, pressure, concentration, pH parameters on the membrane process and rejection in the process of using reverse osmosis membrane to concentrate oil-bearing water bodies ultrafiltrate of Compound Chuanxiong Capsules, and optimize the process. Methods With oil-bearing water bodies ultrafiltrate of Compound Chuanxiong Capsules volatile oil as the research object, the changes in flux under different operating parameters was measured. Results For this system, suitable operation parameters was as follows：pressure was 1.6 MPa, temperature was 35～40 ℃, pH was 9～10. Conclusion Using reverse osmosis membrane to concentrate oil-bearing water bodies ultrafiltrate of Compound Chuanxiong Capsules volatile oil, better flux and rejection can be obtained at the appropriate operating conditions.
Key words：Compound Chuanxiong Capsules；volume-type reverse osmosis membrane；reverse osmosis concentration；membrane flux；rejection
复方川芎胶囊由川芎、当归两味药组成,功能活血化瘀、通脉止痛,用于冠心病、心绞痛属心血瘀阻者。其组方中当归、川芎的挥发油对复方疗效的发挥起着至关重要的作用,而挥发油的提取只能收集芳香水,而不能直接得到挥发油。
本试验采用5万分子量的PS膜对复方川芎胶囊含油水体进行超滤[1-5],超滤液用复合反渗透膜进行小分子浓缩实验[6-13],其中反渗透浓缩试验以膜通量、截留率为指标,体系以阿魏酸为指标成分,综合考察不同药液温度、操作压力、pH值、浓缩倍数等工艺参数对膜过程的影响,进行反渗透膜过程参数优化设计。
1 仪器与试药
Agilent 1100 series(AGILENT USA)；PHSJ-4A实验室pH计(复合电极E201-C型,上海精密科学仪器有限公司)；JW-OM-1812膜设备(江苏久吾膜科技发展有限公司)。
反渗透膜：截盐率99%NaCl,型号1812,材质复合,有效面积0.3 m2(美国陶氏)；超滤膜：5万分子量,材质PS,美国陶氏。
当归、川芎购自安徽省亳州市药材总公司中药公司,经鉴定符合2005年版《中华人民共和国药典》(一部)规定。
2 方法与结果
2.1 挥发油的提取
分别取当归、川芎各10 kg,用水蒸气蒸馏法(通水蒸馏法)提取约8 h至无油馏出,得含油水体。
2.2 含油水体的超滤
复方川芎胶囊挥发油提取过程中,油水常常是发生乳化而难以分离,为了获取挥发油,将含油水体用截留分子量5万的PS膜进行超滤(操作条件：压力0.15 MPa,温度为室温),得透过液,即为反渗透原液。
2.3 反渗透工艺流程
将料液加入储槽中,经离心泵循环打入膜组件中错流过滤,渗透液由组件侧面出口流出,分离过程中渗透液返入储料槽中,以保证料液浓度不变,截留液流回储槽。过滤压差由进口压力和出水压力取平均值而得,见图1。
2.4 膜通量测定方法
ΔV：取样时间内渗透液体积(L)；S：膜面积(m2)；Δt：取样时间(h)；J：膜通量(L/m2·h)。
2.5 阿魏酸含量测定方法
照2005年版《中华人民共和国药典》(一部)高效液相色谱法(附录ⅥD)测定。色谱条件：Kromasil反相C18色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)；流动相：乙腈-0.085%磷酸溶液(25∶75)；检测波长：316 nm；柱温：35 ℃；流量：1.0 mL/min；灵敏度：0.5 AUFS；进样量：10 μL；理论塔板数以阿魏酸峰计算不低于5 000。
2.6 压力与膜通量和截留率的关系
操作条件：操作温度为35 ℃,操作压差分别为1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 MPa,记录各压力条件下稳定通量的数据。待膜通量稳定后,同时取渗透液和浓缩液,测指标成分含量,计算截留率(%)。膜通量随压力变化趋势见图2,压力与截留率的关系见图3。
从图2中可以看出,通量是随压力的变化而变化的,当压力升高时,通量也在不断的升高,当压力在1.0～1.6 MPa之间时,通量升高的速度较快,以后逐渐趋于平缓,升高速度减慢,增幅不大。这可能是双重因素作用的结果。压差升高,一方面使渗透液透过速度加快,通量增加；另一方面,引起凝胶层的压实,使过滤阻力增大,通量下降。在低压部分时,可能是前一因素起主要作用,压力升高则通量增大；在高压部分时,可能后一因素逐渐起主要作用,压力升高则稳定通量下降。在本体系中,以压力控制在1.6 MPa较为合适。
从图3可以看出,随操作压力的增大,截留率略有所增加,当达到1.6 MPa时,截留率达到最大值,随后又略有下降。
2.7 温度与膜通量和截留率的关系
操作条件：压力差1.2 MPa,操作温度从20 ℃逐渐升至40 ℃,过滤同时记录通量数据。待膜通量稳定后,同时取渗透液和浓缩液,测指标成分含量,计算截留率。膜通量随温度变化趋势见图4,温度与截留率的关系见图5。
由图4可以看出,温度是影响膜通量的显著因素,在压力、浓度、流速不变的情况下,反渗透膜浓缩复方超滤液的通量随温度的升高也在不断地升高。这是由于温度的升高引起药液粘度的减小,传质扩散系数增大,促进膜表面溶质向主体运动,减薄了浓差极化层,从而增加膜通量。20～35 ℃膜通量增长缓慢,温度达到40 ℃时增幅较大。单纯从通量来看,温度高一点较好,但对生产而言,过高的温度引起能耗增大,所以,温度的选取需综合考虑设备投资、运行成本、对挥发油稳定性及膜的耐温性能(≤45 ℃),所以我们选择膜运行时的最佳温度为35～40 ℃。
从图5可以看出,随操作温度的升高,截留率略有所增,20～25 ℃时截留率相对较低,35～40 ℃升高到一个较理想的水平。
2.8 浓缩倍数与膜通量和截留率的关系
操作条件：压力差1.4 MPa,操作温度40 ℃,过滤同时记录通量数据。待膜通量达到一定浓缩倍数时,同时取渗透液和浓缩液,测指标成分含量,计算截留率。不同浓缩倍数对膜通量的影响见图6,浓缩倍数与截留率的关系见图7。
图6表明,在浓缩过程中,随着料液浓度增高,通量不断下降。通量的下降将会加速膜污染,同时会增加渗透压,造成成本的增加,所以在实际生产过程中,我们要控制料液的最大浓缩倍数。
从图7可以看出,随浓缩倍数的升高,截留率逐渐升高,之后呈下降趋势。
2.9 pH值与膜通量和截留率的关系
pH值对膜通量也存在一定的的影响。将复方川芎胶囊超滤液用反渗透复合膜进行膜分离处理,操作条件：压力差1.4 MPa,操作温度40 ℃,分别在pH值为5～6、9～10的条件下过滤,同时记录通量数据。待膜通量稳定后,同时取渗透液和浓缩液,测指标成分含量,计算截留率。
结果表明,在浓缩过程中pH值为9～10料液的通量大于pH值为5～6料液的通量；pH值为9～10时可获得较高截留率。料液的pH值不同,膜过程也有较大差异,当然,对于料液的其他理化性质,比如浊度、电导率、粘度等也会不同程度地影响膜过程。对于不同的料液体系,pH值调节方向也不一致,我们需要通过试验来摸索膜过程的最佳pH值。
3 结论与讨论
本试验通过对复合反渗透膜浓缩复方川芎胶囊超滤液的过程优化研究,考察了膜过程参数,以渗透通量为指标,确定了适用于本体系的温度、操作压力、pH值、浓缩倍数等工艺参数对膜过程的影响,确定最佳膜分离工艺条件,结果最佳压力1.6 MPa,最佳温度35～40 ℃,最佳pH值9～10。
当压力小于1.6 MPa时,指标成分截留率随着压力的增加而上升；当压力大于1.6 MPa时,截留率随着压力增加而呈下降趋势。与优选的最佳压力通量吻合。该现象的原因可根据优先吸附——毛细孔流模型来解释。压力升高,流速会降低,“滞流层”的厚度和浓度会增加。当压力小于1.6 MPa时,“滞流层”的指标成分浓度在细孔模型所允许的范围内,指标成分的透过量变化不大,其膜通量增加,即导致其截留率上升。当压力大于1.6 MPa时,“滞流层”厚度和浓度增加到一定值,有可能超过细孔模型所允许的范围,压力已经达到反渗透膜最佳运行压力范围的上限,此时,膜拦截溶质的能力已大为减弱,溶质开始大量透过膜片,导致其截留率呈下降趋势。整体上来讲,反渗透膜对溶质溶液的截留率在一定压力范围内溶液随压力的变化不大。
压力不变,在膜的运行温度范围内,随操作温度的升高,截留率略有所增加,20～25 ℃时截留率相对较低,35～40 ℃时升高到一个较理想的水平。与优选的最佳温度通量吻合。这一现象可用细孔模型和溶解扩散模型解释,温度升高,水和溶质在膜中的转移率都应该升高,但是操作压力控制在最佳运行压力范围内,膜拦截溶质形成“滞流层”,“滞流层”的指标成分浓度就在细孔模型所允许的范围内,指标成分的透过量变化不大,所以水的转移率升高占主导,造成膜通量增大,截留率增高。
在浓缩两倍之前,截留率随浓缩倍数增大而上升,之后则开始呈下降趋势,浓缩一倍时截留率较低可能与膜未压实有关。这一现象可根据细孔理论来解释。细孔理论表明：在本实验中,浓缩两倍的浓度可能还未超出细孔理论所限定的范围,溶质浓度不断增加,“滞流层”厚度和浓度不断增加,溶质截留率略有升高,但溶质的透过量变化不是很大。而同时,膜通量下降导致截留率降低,但下降趋势不是很大。综合溶质透过量和膜通量两方面的因素,截留率呈略微上升的趋势。浓缩2倍以后,该浓度值可能已经超过细孔理论所限定的范围,溶质浓度的进一步增加导致其透过膜片的量开始逐步增加,因此,截留率会呈下降趋势。从整体上来讲,反渗透膜对溶质的截留率在一定浓度范围内随溶液浓度的变化不大,可视为不变。
pH值9～10时可获得较高截留率。升高料液的pH值,可使指标成分阿魏酸离子化,pH值的改变不仅会改变物质的带电状态,也改变膜的性质,从而影响吸附,故是膜污染的控制因素之一。
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