中藥廢棄物的轉化增效資源化模式及其研究與實踐
專論
作者：段金廒 宿樹蘭 郭盛 劉培 錢大瑋 江曙 朱華旭 唐於平 吳啟南
[摘要] 藥材生產-飲片加工-產品深加工等產業化過程構成了我國獨具特色的中藥資源產業鏈和產品集群，產生了巨大的社會和經濟效益。然而，在藥材生產與飲片加工過程中產生的“非藥用部位”及“下腳料”，在資源性產品深加工製造過程產生的廢渣、廢水、廢氣等大量的廢棄物，既導致了中藥資源的極大浪費又給生態環境帶來了新的壓力。在前期研究和實踐的基礎上，依據中藥廢棄物所含資源性物質的不同理化性質與資源化潛力、不同利用價值等，構建了“三大利用策略”和“三類資源化模式”。該文在資源循環經濟理論和中藥資源化學研究思路的指導下，針對中藥廢棄物轉化增效的資源化模式，從轉化增效的實現途徑、適宜技術體係、應用實踐等方麵進行論述，以期為推動和有效解決這一長期製約中藥產業健康發展的瓶頸問題，實現中藥廢棄物的資源化利用提供借鑒和引導。
[關鍵詞]中藥資源學；中藥資源化學；中藥廢棄物；轉化增效；資源化模式
中藥資源性產品是國家重要的戰略物資，是保障國民健康、發展民族醫藥產業的物質基礎，中醫藥事業的健康發展有賴於中藥資源的高效利用和可持續發展。中藥及天然藥物資源是我國自然資源的重要組成部分，其資源的稀缺性及有限性始終是製約資源經濟發展的關鍵要素[1-2]。資源的原料生產、加工、產業化製造過程不可避免的產生大量廢棄物，從廢棄物中有效回收利用資源性物質和能量用於再生產，以實現節約資源，發展循環經濟的目的。這是衡量一個國家及其行業科學技術、生產力水平高低的重要標誌，關係到國家經濟社會與生態環境健康可持續發展的重大戰略問題[3-4]。
在中藥資源生產及其利用過程中產生的廢棄物大體包括：藥材生產與加工過程中產生的非藥用部位和廢棄組織器官；中藥製藥等資源性產品生產過程中產生的大量廢渣、廢水、廢氣以及廢棄的可利用物質等；由於人們對中藥多元功效物質基礎的科學認知和精細化利用水平尚處於較為滯後的狀態，中藥資源的利用大多處於“總提取物”、“部位（群）”等粗放式利用狀態，致使資源性化學成分的利用價值或潛在利用價值未能得到有效挖掘和充分利用；以中藥製藥為主體的資源性產品製造過程中，由於提取和精製工程集成度不高、工藝技術水平相對落後，資源性物質的利用效率較低，部分可利用物質重新回到自然環境而導致資源的浪費和環境的汙染等。既導致了中藥資源的極大浪費又給生態和社會帶來了日益增長的環境壓力。在前期研究和實踐的基礎上[5-6]，依據中藥廢棄物所含資源性物質的不同理化性質與資源化潛力、不同利用價值等，在“三大利用策略”的引導下，構建了“三類資源化模式”，即粗放低值資源化模式；轉化增效資源化模式；精細高值資源化模式。本文在資源循環經濟理論和中藥資源化學思路的指導下，針對中藥廢棄物轉化增效的資源化模式，從轉化增效的實現途徑、適宜技術體係、應用實踐等方麵進行論述，以期為推動和有效解決這一長期製約中藥資源產業健康發展的瓶頸問題，實現中藥廢棄物的資源化利用提供借鑒和引導[7-9]。
1中藥廢棄物轉化增效資源化模式的基本內涵
轉化增效資源化模式是針對具有一定資源化潛力的中藥廢棄物，通過化學轉化技術酶轉化技術、微生物轉化技術、細胞生物轉化、發酵轉化技術等，使其轉化成為利用價值較高的資源性物質，以提高產品附加值，充分挖掘中藥廢棄物的資源化潛力；通過技術革新或技術集成，提升資源性物質的利用效率。該模式是實現節約資源、循環經濟的重要途徑，為逐步推進中藥廢棄物資源化及資源產業鏈的延伸提供重要支撐，其資源化過程涉及多領域的多學科交融、多元技術集成等，以實現中藥廢棄物的轉化增效與高效利用[10]。
2中藥廢棄物的轉化增效途徑、方法技術及其應用實踐
中藥資源生產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：化學轉化、生物轉化和物理轉化三大類方法技術體係。
2.1中藥廢棄物的化學轉化與富集轉移技術及其應用實踐
化學轉化利用途徑與方法技術主要包括：通過熱化學轉化途徑與技術，使中藥廢棄物轉化為固態、液態和氣態等資源性產品；通過酸、堿預處理，以及化學催化反應等化學轉化途徑與技術，將廢棄物中大分子物質解聚轉化為低聚類或小分子化學物質，或通過轉化提升資源性化學物質的利用價值或潛在利用價值。也可通過應用現代分離材料及其技術集成使中藥廢棄物中可利用物質高效富集或提高其轉移率，以實現提高利用效率的目的。
2.1.1熱化學轉化方法技術與應用燃燒熱轉化技術：廢棄物燃燒模式是將貯存在廢棄物中的化學能轉化為可利用的熱能、電能等能源化方式，用於供熱和發電等。該方式雖一定程度上緩解了廢棄物處理壓力和提供了熱能和電能，但直接燃燒效率低，煙塵排放量大，汙染環境等，是粗放低值化的利用方式。
熱解氣化技術[11-12]，廢棄物的熱解氣化技術是熱轉化技術應用之一，其基本原理是在有氧參與下將廢棄物中可燃物質轉化成一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃性氣體。氣化一般是將廢棄物部分燃燒，在中溫或高溫下氣化生成燃料氣、合成氣和不活潑殘留物的過程。氣化是所有生物質熱化學加工中開發最早、可規模化生產的利用技術，從氣化到產品氣的後續加工和應用均已有較高的商業化程度。
熱/壓裂解轉化技術[13-14]：廢棄物的熱/壓裂解化學轉化技術主要是指在一定溫度和壓力條件下（或添加催化劑），經過一定時間的化學反應使中藥固態廢棄物轉化為液態性產物的過程。不同的工藝技術條件，其轉化率一般在50%～90%。大致可以分成高壓熱解、常壓熱解、常壓快速熱解、氣化合成、超臨界液化等5種類型。
研究實踐表明，以藥材采收加工過程中廢棄的富含纖維素類物質的植物莖葉為原料，通過熱裂解液化可製取液體產物，主要為不凝性氣體或生物質燃氣，其中的有機小分子化合物含量約15%。所采用的技術方法為：在缺氧狀態下快速加熱中藥廢棄物，然後迅速冷卻為液體生物油；在氣體中的高分子化合物完全分解前進行中溫濃縮，以減少氣體產物的形成，提高液相產物產量；再通過脫水分離為木醋酸和木焦油。木醋酸經減壓分餾獲得乙酸、丙酸、丁酸、甲醇和其它有機溶劑，木焦油可加工為雜酚等抗聚劑。
以丹參藥渣為研究對象，由於其含有豐富的纖維素、半纖維素和木質素等生物質高分子物質，通過催化熱解技術實現高附加值轉化。方法是將丹參藥渣於固定床熱解爐中進行熱解處理，熱解產生的氣體進行催化反應得到生物油。
2.1.2化學反應轉化方法技術與應用酸預水解化學轉化技術：中藥廢棄生物質原料經酸預水解後，組織材料中的半纖維素與纖維素之間的連接鍵被解離，得到由纖維素和木質素組成的固體物質，或可用做製漿造紙的原料，或經進一步發酵生產獲得乳酸或乙醇等。
堿預水解化學轉化技術：利用不同濃度的堿液與某些助劑的共同作用，將中藥生物質中不同類型的多聚糖抽提出來。堿液還可削弱皂化纖維素與半纖維素之間的氫鍵、半纖維素與木質素之間的酯鍵，從而將半纖維素釋放到溶液中。
化學催化反應轉化技術：以中藥固態廢棄物經處理液化產物，或中藥生產過程產生的廢水等，加入特定的化學催化試劑，促使中藥廢棄物中可轉化的物質轉化為高附加值的可利用物質，進一步開發為資源性產品。
有機溶劑處理法：中藥固體廢棄物經有機溶劑處理後，回收的半纖維素純度高、活性好，有利於進一步轉化為酒精、製漿造紙助劑、木糖及木糖醇、阿拉伯糖木聚糖、黏合劑、增稠劑、穩定劑、水凝膠、食用纖維、薄膜形成劑及乳化劑等資源性產品。
通過化學、生物等方法技術集成，可將中藥廢渣、廢水中的纖維素等粗多糖類物質轉化為低聚糖、寡糖類等產品[15]，並可進一步用於生產乙醇、甘油、乳酸、氨基酸、多元醇和二元酸等化學品、聚合物、合成材料等高附加值產品。目前，甘油、3-羥基丁內酯、乙酰丙酸、2，5-呋喃二甲酸、葡萄糖二酸及山梨醇商品主要是以化學轉化得到的化學製品[16]。
2.1.3高效富集/轉移方法技術與應用通過現代分離材料與適宜技術的集成和應用，有效提高中藥廢棄物中可利用物質的富集效率和轉移率，以實現廢棄資源產物的回收利用，達到節約資源的目的。例如，從丹參廢棄物中高效富集和回收利用脂溶性丹參酮類、水溶性丹酚酸類等資源性化學成分。在含有丹參的中藥、保健產品等的深加工製造過程中，當采用以水為溶劑提取工藝時，藥材原料中含有的丹參酮類等脂溶性成分大多留在了藥渣中被廢棄。若采用多相提取工藝，並通過萃取轉移與矽膠柱分離等多元技術集成，可實現丹參各類型資源性物質的高效富集與回收利用[17]。
尚有分析表明，中藥虎杖水提藥渣中殘餘白藜蘆醇的含量可達2.3 mg·g-1。將其藥渣進一步通過醇提-大孔樹脂吸附-矽膠柱分離集成技術，可有效回收白藜蘆醇，大大節約了虎杖資源的生產，有效緩解了國內20餘家白藜蘆醇生產企業爭搶原料，導致虎杖藥材及其白藜蘆醇價格不斷攀升的局麵[18]。
2.2中藥廢棄物的生物轉化方法技術及其應用實踐
生物轉化技術在中藥廢棄物資源化利用中起著重要作用。通過微生物轉化和酶轉化使中藥廢棄物中的生物質轉化成為利用價值較高的木糖醇、乙醇、微生物蛋白飼料、有機肥料等資源性物質；或通過微生物或酶的作用將中藥廢渣、廢水中的次生小分子物質轉化為功能活性更優的轉化產物，以提升其資源化潛力，開發高附加值的資源性產品。
2.2.1發酵轉化方法技術與應用[19-20] 發酵技術依據對氧的需要可分為厭氧性和好氧性發酵；依據培養基物理性狀可區分為液態和固態發酵；依據發酵設備可區分為：敞口發酵、密閉發酵、淺盤發酵、深層發酵。依據發酵轉化產品的不同可分為：微生物菌體發酵；微生物酶發酵；微生物代謝產物發酵；微生物的轉化發酵；生物工程細胞的發酵等類型。微生物轉化是利用微生物細胞的一種或多種酶與中藥廢棄組織細胞相互作用，將其中的可轉化物質的化學結構改構或對其功能基團進行修飾、轉移等，促使其轉化為經濟價值更高的產物[21-22]。