2023-07-27 09:25:28
摘 要:目的 尋找中藥水提液濃縮過程瞬時(shí)能耗計(jì)算簡便方法。方法 以玉屏風(fēng)散為模型藥物,測定其水提液濃縮過程中多種溶液環(huán)境特征參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù),構(gòu)建中藥溶液環(huán)境特征參數(shù)白利度(簡便、易測、準(zhǔn)確)與濃縮能耗計(jì)算需要的相關(guān)參數(shù)的相關(guān)性模型。結(jié)果 白利度與固含率、密度、比熱容、導(dǎo)熱率等具有優(yōu)越的線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)(R2)均高達(dá)0.99左右。結(jié)論 可通過測定白利度及構(gòu)建與其他物理參數(shù)如比熱容(Cp)、導(dǎo)熱率(kf)等關(guān)系模型,計(jì)算濃縮的動(dòng)態(tài)能耗;為中藥制藥過程工程原理研究開辟新思路。
傳統(tǒng)中藥制藥過程中,提取、濃縮、干燥等工段都需要使用大量蒸汽[1]。其中,中藥濃縮工段的能耗驚人,濃縮工段所用蒸汽量占總蒸汽量60%以上[2]。膜濃縮(反滲透、膜蒸餾等)比一般熱法濃縮如單效、雙效蒸發(fā)節(jié)能50%[3]。而近期Weaver等[4]發(fā)現(xiàn),使用反滲透預(yù)濃縮技術(shù)可比單獨(dú)用熱效濃縮技術(shù)節(jié)省能耗85%以上。物料濃縮的原理是實(shí)現(xiàn)水(或其他溶劑)與可溶性物質(zhì)(溶質(zhì))的分離,目前常見的產(chǎn)業(yè)化濃縮技術(shù)有熱法蒸發(fā)(單效、多效蒸發(fā)),膜技術(shù)(納濾、反滲透、膜蒸餾等),均屬于物理分離過程。熱法、膜法濃縮是海水淡化的常見手段,已有比較成熟的能耗計(jì)算與評(píng)估方法。但中藥制藥領(lǐng)域因缺乏相關(guān)決策研究,無法采用這些現(xiàn)有的方法。如研究表明中藥與相關(guān)天然產(chǎn)物的濃縮過程遠(yuǎn)比海水淡化過程復(fù)雜,其主要特征是物料的溶液環(huán)境特征參數(shù)發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)變化,因此海水淡化能耗計(jì)算方法對(duì)于中藥水提液體系存在較大誤差[5-6]。因此,亟需提出一種將中藥溶液環(huán)境特征參數(shù)變化融入到濃縮能耗計(jì)算的新方法。溶液環(huán)境是指溶液體系所具有的電導(dǎo)率、折光指數(shù)(實(shí)際應(yīng)用中常換算成白利度)、黏度、pH值、離子強(qiáng)度等特征性質(zhì)。在中藥應(yīng)用領(lǐng)域,精制、濃縮等制藥工藝過程所面對(duì)的溶液環(huán)境體系即為中藥液體物料。上述溶液環(huán)境特征參數(shù),雖然彼此間存在大量非線性、高噪聲、多因子的復(fù)雜關(guān)系,但借助理論化學(xué)對(duì)簡單物質(zhì)研究的成果,可從中抽提出若干參數(shù)和概念,進(jìn)而運(yùn)用人工智能技術(shù),從已知數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)中抽提規(guī)律性,用于簡化中藥制藥過程所采用膜分離等先進(jìn)技術(shù)的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。如張劉紅等[7]已建立滲透壓與電導(dǎo)率相關(guān)性模型,借助中藥物料濃縮過程中電導(dǎo)率的變化推測其他特征參數(shù)的變化,可實(shí)現(xiàn)中藥溶液環(huán)境各相關(guān)特征參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測,為中藥制藥的智能監(jiān)控提供更簡便、經(jīng)濟(jì)的手段,并為中藥綠色節(jié)能膜濃縮技術(shù)的推廣應(yīng)用提供有力的計(jì)算依據(jù)與理論支持[7-10]。中藥物料的濃縮過程還涉及到其濃度變化所帶來的比熱容、固體含量變化以及密度等溶液環(huán)境表征參數(shù)的變化。其中,折光指數(shù)是國內(nèi)外評(píng)判天然產(chǎn)物及中藥濃縮物料常用的檢測指標(biāo)[11-13],也是中藥制藥工業(yè)檢測物料比重所用傳感器不可或缺的重要參數(shù)[14-15]。利用白利度的變化推測其他物理參數(shù)的變化,對(duì)中藥制藥在線檢測和濃縮所需能耗計(jì)算可達(dá)到事半功倍的作用。但過去的研究中并未對(duì)特征參數(shù)如何影響中藥物料濃縮工段的能耗變化做出詳細(xì)說明(尤其是中藥物料的膜濃縮能耗計(jì)算)。多年來中藥制藥工程設(shè)計(jì)中,因缺乏基本的中藥物性數(shù)據(jù)(如不同中藥物料的密度、黏度、表面張力、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等)[10],往往憑經(jīng)驗(yàn)或采用經(jīng)驗(yàn)方式估算,甚至用相近物質(zhì)的物性代替,其結(jié)果必然導(dǎo)致工藝技術(shù)選擇或設(shè)計(jì)的失真甚至失敗。從而使中藥生產(chǎn)的規(guī)范化、現(xiàn)代化難以付諸現(xiàn)實(shí)。本實(shí)驗(yàn)擬以玉屏風(fēng)散為模型藥物,探討濃縮過程對(duì)中藥溶液環(huán)境特征參數(shù)的影響及各特征參數(shù)的相關(guān)性,指出相關(guān)特征參數(shù)變化與中藥物料濃縮工段能耗的關(guān)系,為中藥濃縮工藝的瞬時(shí)能耗計(jì)算提供一種簡便的模式,同時(shí)也為探討中藥制藥過程工程原理開辟新視野。
1 儀器與材料
1.1 藥材
防風(fēng)購于安徽道源堂中藥飲片有限公司,批號(hào)200501,白術(shù)購于毫州市永剛飲片廠有限公司,批號(hào)200203,蜜炙黃芪購于赤峰榮興堂藥業(yè)有限責(zé)任公司蒙中藥飲片廠,批號(hào)2005046,上述3味藥材經(jīng)本課題組郭立瑋教授鑒定,分別為傘形科防風(fēng)屬植物防風(fēng)Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schischk.的干燥根;菊科蒼術(shù)屬植物白術(shù)Atractylodes macrocephala Koidz.的干燥根莖;豆科黃芪屬植物膜莢黃芪Astragalus membranaceus (Fisch.) Bge.干燥根的炮制(蜜炙)加工品。
1.2 儀器
BSA224S-CW型電子分析天平,賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;LC-DRT-948數(shù)顯折射儀、NDJ-5S數(shù)顯黏度計(jì),上海力辰邦西儀器科技有限公司;TP101筆式探針數(shù)顯溫度計(jì),測量范圍?50~300 ℃,蘇泊爾C22-IH66E8電磁爐,2200 W,浙江蘇泊爾生活電器有限公司;簡悠便攜式炆火電陶爐1200 W,中山市諾潔仕電器有限公司;DHG-9145A電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海恒勤儀器設(shè)備有限公司;OM819C滲透壓儀(摩爾濃度滲透壓儀,摩爾滲透壓儀),北京雅森博科科學(xué)儀器有限公司。
2 方法
2.1 提取方法
參照“十二五”普通高等教育本科國家級(jí)規(guī)劃教材《方劑學(xué)》中玉屏風(fēng)散方各藥味的劑量比[16-17],準(zhǔn)確稱取藥材如下:防風(fēng)50.0 g、白術(shù)100.0 g、蜜炙黃芪100.0 g。用2500 mL純凈水(經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室反滲透濾膜制備的純凈水)煎煮1 h,分離藥渣與提取液。再在藥渣中再加入2500 mL純凈水煎煮1 h,分離藥渣與提取液。將2次提取液均勻混合后,150目紗布濾過,收集濾液備用。
2.2 中藥物料濃縮實(shí)驗(yàn)
采用敞口鍋(直徑為24 cm,容積為6800 mL的實(shí)驗(yàn)室用小型敞口鍋)對(duì)上述濾液加熱蒸發(fā)進(jìn)行濃縮。采集不同時(shí)間段濃縮物料,進(jìn)行標(biāo)記,按照“2.3”項(xiàng)所述方法檢測相應(yīng)的溶液環(huán)境特征參數(shù)。
2.3 溶液環(huán)境特征參數(shù)測試
2.3.1 白利度 量筒量取100 mL樣品,其中1~2 mL樣品用來測量白利度,分2組樣品測試讀數(shù),由機(jī)器分別自動(dòng)讀取15次數(shù)據(jù),直到數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變?cè)儆涗洈?shù)值。取得的2組數(shù)值記錄下來,并且算得平均值。由于實(shí)驗(yàn)室采用的是離線折光儀,需要取樣讀數(shù),而樣品數(shù)量僅需1~2滴,因此樣品溫度很快就被降至室溫。為了統(tǒng)一樣品折光度與白利度讀數(shù)溫度,此研究的白利度測試均在室溫(30±5)℃下進(jìn)行。
2.3.2 黏度 待同一批次取得的物料溫度降至室溫(30±5)℃,用黏度計(jì)讀取物料的電導(dǎo)率和黏度,讀取3組數(shù)據(jù)取得平均值。
2.3.3 密度 將干燥好的燒杯放置天平上清零。從上述同一批次取的物料中,用量取精準(zhǔn)量取一定體積的物料并記錄體積并倒入干燥的燒杯中。密度測量時(shí)物料溫度為(45±5)℃。將稱有物料的燒杯放置天平上,準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量并記錄。同一批次、濃度物料的密度可用傳統(tǒng)密度定義公式算得。
2.3.4 固含率 烘干玻璃培養(yǎng)皿并進(jìn)行準(zhǔn)確稱定質(zhì)量,記為m1。將同一批次取得的物料放入烘干的玻璃培養(yǎng)皿,并準(zhǔn)確稱定質(zhì)量,記為m2。將已稱定質(zhì)量的物料與玻璃培養(yǎng)皿放入電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)中,設(shè)置50 ℃干燥4 h以上確保水份完全蒸發(fā)。待干燥的物料與玻璃培養(yǎng)皿放置室溫后,準(zhǔn)確稱定質(zhì)量,記為m3。此樣品的固含率可用公式(1)計(jì)算。
固含率=(m3-m2)/(m2-m1) (1)
2.3.5 物料比熱容(Cp)與導(dǎo)熱率(kf) 濃縮中的物料比熱容與導(dǎo)熱性變化由此部分實(shí)驗(yàn)操作得到。比熱容是由熱量(Q)、質(zhì)量(M)和溫度變化(ΔT)的比值而定義的[18]。
Cp=Q/MΔT (2)
在同一組測量實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確稱量相同質(zhì)量的水和物料。水與物料在相同時(shí)間內(nèi)得到的熱量一樣(均被同樣加熱設(shè)備加熱),根據(jù)已知純水的比熱容[Cpw,4.18 kJ/(kg·K)],利用同樣質(zhì)量的水和物料在相同時(shí)間內(nèi)的溫度變化比,用以下推導(dǎo)得到的公式(6)可以算得采集到的物料的Cp。
Qp=Qpw (3)
Qp=Cp(T3-T1) (4)
量取物料被加熱前的溫度(T1),被加熱一段時(shí)間(t)后量取其即時(shí)溫度記錄為T3;水被加熱前的溫度為T2,同理水被加熱一段時(shí)間t后量取其即時(shí)溫度記為T4,則有:
Qpw=Cpw(T3-T1) (5)
聯(lián)立(3)、(4)和(5)得到公式(6)。
Cp=Cpw(T4-T2)/(T3-T1) (6)
為控制水和物料都得到相同的熱量,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水和物料均被電陶爐(選擇70 W)加熱240 s(t=240 s)。
另外,根據(jù)傳統(tǒng)傳熱學(xué)中導(dǎo)熱率的定義,一個(gè)體系的導(dǎo)熱率(k)如下[18]。
k=QΔx/AdT (7)
同理可推得,同一組實(shí)驗(yàn)已經(jīng)稱得的相同質(zhì)量的水和物料都得到相同的輸入熱量(Q)、加熱接觸面積(A)和熱量傳遞距離(Δx),物料的kf可用已知的水的導(dǎo)熱率(kw)根據(jù)公式(8)計(jì)算得到。
kf=kw(T4-T2)/(T3-T1) (8)
kw選擇0.640 6W/(m·K),水在50 ℃的導(dǎo)熱率
2.3.6 滲透壓(πf) 按照YASN OM819型滲透壓儀(摩爾濃度滲透壓儀,摩爾滲透壓儀)操作手冊(cè)執(zhí)行,由揚(yáng)子江藥業(yè)集團(tuán)南京海陵中藥制藥工藝技術(shù)國家工程研究中心檢測。每次測量樣品需10 mL,因此,每組樣品收集30mL,共測量3組數(shù)據(jù),取平均值,得到滲透濃度b0(mOsm/kg)。根據(jù)公式(9)算得滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)(kPa)。
πf=b0RT (9)
R為摩爾氣體常數(shù)8.314 J/(K?mol),T為開氏溫度,所有數(shù)據(jù)在25 ℃(298.15K)時(shí)測量得到
3 結(jié)果與分析
3.1 白利度與固含率相關(guān)性研究
白利度[19-20]最早被定義為溶液中蔗糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù),后被廣義定義為與蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等的溶液中可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù),被廣泛運(yùn)用在濃縮行業(yè)(如果汁濃縮和涼茶濃縮)的物料濃度。白利度一般用折射儀測得折射指數(shù),并換算成°Bx或%。其中,可溶性固形物也包括溶解性物質(zhì)與膠態(tài)物質(zhì)。溶液中固含率定義一般為固體成分質(zhì)量分?jǐn)?shù),包括了可溶性與不可溶固形物。因此一個(gè)系統(tǒng)里的白利度與固含率不一定相同;一般可認(rèn)為固含率要比白利度高。本實(shí)驗(yàn)中,所得到的同一時(shí)間點(diǎn)的白利度與固含率相近(表1),而測得的白利度基本比固含率低,并且呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,回歸方程為y=0.011 5 x+0.001 7,R2=0.998 8,y代表固含率,x代表白利度。因此,在玉屏風(fēng)散的濃縮過程研究中,可以利用白利度去預(yù)測玉屏風(fēng)散的固含率。除了經(jīng)典復(fù)方玉屏風(fēng)散在濃縮過程中具有白利度與固含率的上述關(guān)系外,此前Criscuoli等[11]也考察了棗汁的膜蒸餾濃縮過程中白利度與固含率之間的關(guān)系,得出類似結(jié)果。
需要特別指出的是,中藥制藥工藝往往涉及澄清、精制工段,淀粉、蛋白質(zhì)等大分子雜質(zhì)在濃縮工段之前已被去除。因此中藥物料中一些大分子物質(zhì)可能因?yàn)榧訜岬葐栴}引起的析出影響可被忽略。
3.2 濃縮過程中中藥物料溶液環(huán)境表征參數(shù)的相關(guān)性研究
3.2.1 白利度與密度、黏度的關(guān)系 濃縮過程中同一時(shí)間點(diǎn)玉屏風(fēng)散物料的溶液環(huán)境特征參數(shù)白利度與密度、黏度關(guān)系的實(shí)測數(shù)據(jù)分別如表2、3所示。
根據(jù)密度的基本定義,物質(zhì)的密度可以用質(zhì)量除以體積算得。中藥水提液物料的濃縮過程,可認(rèn)為是一個(gè)去除水,留下固體溶質(zhì)的過程。一般認(rèn)為固體溶質(zhì)的密度比水密度大,因此,除水過程中物料的密度應(yīng)呈上升趨勢(shì)。玉屏風(fēng)散濃縮過程中,物料的白利度與密度呈現(xiàn)優(yōu)越的線性相關(guān),回歸方程為y=4.266 1 x+1 072.3,R2=0.993 2,y代表密度,x代表白利度。
黏度是流體的一種特性,客觀地表達(dá)了流體對(duì)流動(dòng)的阻力,在中藥水提液濃縮體系中則反映了水分子在運(yùn)動(dòng)過程中的受阻程度。白利度與黏度是2個(gè)不同的物理概念,沒有直接的關(guān)聯(lián)。本實(shí)驗(yàn)所得到的白利度與黏度的關(guān)系方程為y=3.361 9 e15.593 x,R2=0.933 1,y代表黏度,x代表白利度。根據(jù)二者的關(guān)系方程,雖不能由白利度準(zhǔn)確計(jì)算物料體系的黏度,但是能粗略地估算玉屏風(fēng)散物料的黏度。中藥液體物料黏度的數(shù)值主要是用來計(jì)算流體體系的雷諾數(shù),以預(yù)測流體的分類(湍流、層流),為膜蒸餾濃縮中藥物料的即時(shí)能耗動(dòng)態(tài)計(jì)算提供一個(gè)重要的選取依據(jù)。
3.2.2 白利度與比熱容、導(dǎo)熱率的關(guān)系 從物質(zhì)比熱容定義及公式(2)可知,某體系的比熱容是指在該體系中單位質(zhì)量的物質(zhì)改變單位溫度(1 K)時(shí)需要吸收或釋放的熱量。而在本研究中的比熱容,特指定壓比熱容(在同一壓強(qiáng)下)。
一般認(rèn)為一個(gè)復(fù)雜體系中,比熱容與混合物質(zhì)質(zhì)量呈一定比例。因此在中藥溶液環(huán)境的復(fù)雜體系中,水的去除應(yīng)該使物料比熱容的大小有所改變。濃縮過程中同一時(shí)間點(diǎn)的溶液環(huán)境特征參數(shù)白利度與比熱容、導(dǎo)熱率的實(shí)測數(shù)據(jù)分別見表4、5。白利度與玉屏風(fēng)散溶液環(huán)境中比熱容的關(guān)系方程為y=0.044 x+4.039 7,R2=0.987 9,y代表比熱容,x代表白利度;在實(shí)驗(yàn)初始白利度為2.6°Bx時(shí),溶液的比熱容與水的比熱容非常接近[4.18 kJ/(kg?K)],而比熱容隨著水分的減少而增加。比熱容是能耗測算公式的關(guān)鍵參數(shù),但因?yàn)橹兴幩w液物料體系是一種高度多維的復(fù)雜系統(tǒng),其比熱容難于測定。因此利用白利度去預(yù)測不同濃度溶液下的比熱容,對(duì)濃縮能耗計(jì)算具有填補(bǔ)空白的突破性意義。
導(dǎo)熱率(又稱導(dǎo)熱系數(shù))是一個(gè)形容系統(tǒng)熱傳導(dǎo)能力的物理量,由其計(jì)算公式(7)可知,導(dǎo)熱率即為在相同的熱量傳導(dǎo)條件下,溫差為1 K的單位厚度的系統(tǒng)在傳熱為單位面積單位時(shí)間條件下的傳熱量,導(dǎo)熱率與系統(tǒng)的成分組成、狀態(tài)等有關(guān)系。根據(jù)公式(8)可推知,本研究測試的玉屏風(fēng)散系統(tǒng)中導(dǎo)熱率與系統(tǒng)物料溫差成正比。利用白利度與導(dǎo)熱率的關(guān)系方程(y=0.006 7x+0.619 1,R2=0.9879,y代表導(dǎo)熱率,x代表白利度),可以成功地預(yù)測出玉屏風(fēng)散在不同濃度溶液下的導(dǎo)熱率。
3.2.3 白利度與滲透壓的關(guān)系 濃縮過程中同一時(shí)間點(diǎn)的溶液環(huán)境特征參數(shù)白利度與滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)實(shí)測數(shù)據(jù)見表6;白利度與滲透壓的關(guān)系方程為y=160.54 x-366.66,R2=0.965 0,y代表滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓),x代表白利度。
滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)是與單位體積溶劑中溶質(zhì)微粒的濃度有關(guān),可以理解一個(gè)溶液系統(tǒng)的滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)是由溶解性溶質(zhì)產(chǎn)生。因此在玉屏風(fēng)散的物料體系中,可以觀察到白利度與滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,而白利度表示一個(gè)溶液體系的溶解性固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。溶解性固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)也隨著增加,符合理論期待值。實(shí)驗(yàn)中觀察到在白利度高于10°Bx時(shí),測得的滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)比線性方程預(yù)測的數(shù)值稍微低一些,這可能是因?yàn)槲锪现杏行┪镔|(zhì)經(jīng)過一段時(shí)間(樣品由廣州寄往南京期間)儲(chǔ)存后沉淀析出,導(dǎo)致了測得的滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)比樣品收集時(shí)的滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)稍低。利用液體物料白利度可以較好地推算中藥物料的瞬時(shí)滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓),對(duì)反滲透膜濃縮在中藥物料濃縮中的瞬時(shí)能耗變化和總能耗計(jì)算有重要意義。
3.3 基于本研究結(jié)果的熱法濃縮及膜蒸餾濃縮的能耗計(jì)算
3.3.1 熱法濃縮能耗計(jì)算相關(guān)性 如熱法單效蒸發(fā)濃縮中藥物料,需要大量蒸汽或者電轉(zhuǎn)化成熱能,因此,計(jì)算單效蒸發(fā)最低所需熱能(QT)的公式如下[3]。
QT=Qv+QL (10)
Qv=Mv(ΔHv-ΔHf) (11)
QL=MLCpΔT (12)
式(10)中,總能耗QT由QL與Qv組成,分別代表物料升溫需要的能量以及蒸發(fā)需要的能量。Mv代表水揮發(fā)速率,ΔHv代表水蒸氣在此壓強(qiáng)、溫度下的焓,ΔHf代表飽和水蒸氣在此壓強(qiáng)、溫度下的焓。物料守恒定律,可以算得濃縮物料的水揮發(fā)速率,見式(13)。
Mv=ML(1-x) (13)
式(13)中,ML代表物料進(jìn)入單效濃縮器中的速率,x代表物料固含率。其中,物料固含率會(huì)隨著物料濃縮過程變化。此時(shí),根據(jù)測得物料的白利度讀數(shù),可用“3.1”項(xiàng)得到的白利度與固含率關(guān)系模型得到某一時(shí)刻的固含率,從而算出Mv。
另外,式(12)中Cp(物料的比熱容)會(huì)隨著中藥物料的濃縮過程而變化[3]。因此QL也會(huì)隨濃縮過程中,中藥物料濃度升高而變化。根據(jù)“3.2”項(xiàng)中白利度與熱容率的關(guān)系,可計(jì)算出熱法單效濃縮的能耗。
3.3.2 膜蒸餾能耗計(jì)算相關(guān)性 同理,膜蒸餾濃縮中藥物料的能耗也與中藥濃縮物料特征有關(guān)系。膜蒸餾MD理論最低所需能耗(Qf)計(jì)算公式如下[21]。
Qf=Afhf (Tf,b-Tf,m) (14)
式(14)中,Af代表膜接觸物料端面積,hf代表中藥物料端熱對(duì)流導(dǎo)熱系數(shù),Tf,b代表中藥物料端溫度以及Tf,m代表中藥物料端膜表面溫度。其中,膜蒸餾物料端膜表面的溫度Tf,m不能被直接測出來,因此,需要根據(jù)物料衡算和傳熱傳質(zhì)模型的推導(dǎo)。膜表面溫度Tf,m可用以下公式進(jìn)行計(jì)算[22]。
Tf,m=[km(Tp,b+hfTf,b/hp)/δ+hfTf,b-JΔHlatent]/[km(1+hf/hp)/δ+hf] (15)
式(15)中,km表示膜的導(dǎo)熱系數(shù),δ表示膜的厚度,Tp,b代表純水透過液端的溫度,Tf,b代表中藥濃縮物料端的溫度,hf代表物料端的熱對(duì)流導(dǎo)熱系數(shù),hp代表純水透過液端的熱對(duì)流導(dǎo)熱系數(shù)。J代表膜通量,以及ΔHlatent代表飽和液體水蒸發(fā)成水蒸氣的汽化潛熱。
其中,物料端的膜表面表面溫度也需要得到物料的熱對(duì)流導(dǎo)熱系數(shù)hf。然而根據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)和傳熱理論,計(jì)算熱對(duì)流的導(dǎo)熱系數(shù)hf需要物料的比熱容Cp、密度ρ、黏度μ和物料導(dǎo)熱率kf等濃縮過程變化的物理特征,涉及公式(16)~(20)等復(fù)雜、繁瑣的較多計(jì)算過程如下[22]。
根據(jù)(17),首先利用濃縮物料膜端的水力直徑dh、物料端流速ν、物料的黏度μ以及物料的密度ρ算出雷諾數(shù)Re。再用(18)與物料的比熱容Cp、物料的粘度μ與物料導(dǎo)熱率kf算出普朗特?cái)?shù)Pr。根據(jù)Re與Pr數(shù),利用(19)或(20)算出新的努塞爾數(shù)Nuf。利用Nuf代入(16)中,算出新的物料的熱對(duì)流的導(dǎo)熱系數(shù)hf。
hf=Nufkf/dh (16)
Re=dhνρ/μ (17)
Rr=μCp/kf (18)
Nuf=1.62(RePrdh/L)1/3Re<2300 (19)
Nuf=0.023Re4/5Pr1/3Re>2300 (20)
利用“3.2”項(xiàng)得出白利度與其他物理參數(shù)如Cp、kf等關(guān)系模型,計(jì)算膜蒸餾濃縮中藥的能耗。
3.3.3 反滲透能耗相關(guān)性 反滲透濃縮中藥物料的能耗的計(jì)算必須根據(jù)物料濃縮過程中滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)的變化來計(jì)算反滲透技術(shù)最低所需能耗(Wmin)計(jì)算公式如下[22]。
Wmin=V0ΔπdR (21)
V0代表中藥物料初始體積,R代表濃縮率,Δπ代表物料端與滲透液端滲透壓差
Δπ=πf-πp≈πf (22)
πf為物料滲透壓,πp為滲透液端(清水)滲透壓
物料的滲透壓(πf)會(huì)隨著物料濃縮的濃度上升而上升。根據(jù)白利度與滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)的關(guān)系方程,可利用測得的白利度得到某時(shí)反滲透濃縮中藥物料的瞬時(shí)能耗,從而計(jì)算出整個(gè)濃縮過程的總能耗。
4 討論
4.1 有關(guān)溶液環(huán)境特征參數(shù)的討論
本實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的中藥水提液濃縮過程中若干“溶液環(huán)境”特征參數(shù)的相關(guān)性,有關(guān)文獻(xiàn)亦有過相關(guān)報(bào)道[9,17]。這是一種偶然現(xiàn)象,還是具有普遍意義的規(guī)律,尚有待進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究。中藥溶液環(huán)境的黏度、pH值、離子強(qiáng)度等表征參數(shù),既來源于中藥水提液中各種物質(zhì)的化學(xué)組成,又是水提液體系中各種物質(zhì)不同表現(xiàn)的綜合反饋,當(dāng)然也必定與制藥分離過程物料體系中各種物質(zhì)的熱力學(xué)和傳遞性質(zhì)、多相流、多組分傳質(zhì)等影響分離的因素密切相關(guān)[23]。本團(tuán)隊(duì)將在進(jìn)一步開展系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,借助現(xiàn)代分離科學(xué)與物理化學(xué)等多學(xué)科交叉研究的方法,從理論上加以詮釋。
4.2 化工過程控制原理是探討中藥制藥過程工程原理的重要基石
化工過程控制原理提出:對(duì)于復(fù)雜的化工過程,不能滿足于在現(xiàn)有裝置上通過測試獲得所需的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性知識(shí),更重要的是在對(duì)象處于設(shè)計(jì)階段,就能利用計(jì)算方法預(yù)估其特性,以改變黑匣無知狀態(tài),指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)中的原理性設(shè)計(jì)。中藥水提液由幾十甚至上百種小分子化合物(包括揮發(fā)油、氨基酸及生物堿、有機(jī)酸、黃酮類、皂苷等化學(xué)成分)和生物大分子物質(zhì)(包括肽、蛋白、糖肽及多糖等)組成,是一種典型的高度復(fù)雜的大系統(tǒng)客體,因此,十分有必要引入現(xiàn)代自然科學(xué)化工過程控制的方法對(duì)其進(jìn)行研究。節(jié)能減排是中藥綠色制造的核心目標(biāo),智能制造則是中藥現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。而傳統(tǒng)的濃縮能耗計(jì)算公式涉及多達(dá)近10個(gè)物料理化參數(shù)和濃縮過程工藝參數(shù),其中部分參數(shù)采集方法繁瑣、缺乏精準(zhǔn)性,且無法實(shí)現(xiàn)在線檢測,加上繁瑣的推算過程,難以在大生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。
本研究將化工過程控制基本原理引入中藥生產(chǎn)工藝,結(jié)合數(shù)學(xué)建模的基本方法,將原型的某一部分信息簡化、壓縮、提煉而構(gòu)造成的原型替代物,在開展中藥制劑、分析化學(xué)、現(xiàn)代分離科學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)的基礎(chǔ)上,對(duì)中藥制藥濃縮過程進(jìn)行深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。
本研究提出的能耗方法,僅需對(duì)某一常年生產(chǎn)的大品種建立以白利度為核心參數(shù),與物料黏度、滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)、比熱容、密度和導(dǎo)熱率等參數(shù)的相關(guān)性模型,采用有關(guān)算法編制相關(guān)軟件,即可根據(jù)實(shí)時(shí)采集的白利度數(shù)據(jù),得出瞬時(shí)能耗及同一時(shí)刻的物料溶液環(huán)境各相關(guān)特征參數(shù),為膜濃縮這一綠色制造先進(jìn)技術(shù)在大生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用,也為中藥生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、智能控制提供技術(shù)支撐。
利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突
參考文獻(xiàn)(略)
來 源:鐘文蔚,黎萬鈺,丁 菲,李除夕,鄭東陽,郭立瑋.基于中藥水提液濃縮過程溶液環(huán)境特征參數(shù)相關(guān)性的瞬時(shí)能耗計(jì)算方法探索——以玉屏風(fēng)散水提液為例 [J]. 中草藥, 2021, 52(7): 1937-1944 .
我們珍惜您每一次在線咨詢,有問必答,用專業(yè)的態(tài)度,貼心的服務(wù)。
讓您真正感受到我們的與眾不同!
為了提供更好的合作體驗(yàn),我們提供專業(yè)的專線咨詢和上門洽談服務(wù)
關(guān)于產(chǎn)品的使用、售后服務(wù)等各種常見問題
從銷售支持到后期維護(hù),我們提供全方位360°的立體化服務(wù),只為您的至臻追求