中藥提取自動化的研究

賈曉偉 馬 靜 潘 浩 張惠斌

（1．山東步長制藥股份有限公司，山東 菏澤 274000；2．山東丹紅制藥有限公司，山東 菏澤 274000）

1 中藥提取實現(xiàn)自動化的意義

1.1 中藥提取運作現(xiàn)狀

前期受自動化和信息化水平的影響，中藥提取基本根據(jù)一線操作員工的觀察和生產(chǎn)經(jīng)驗來操控，缺少新方法、新設(shè)備，無法實現(xiàn)對生產(chǎn)的藥品質(zhì)量的嚴格管控。隨著科技的進步，很多制藥企業(yè)的中藥提取進入過渡階段，開始采用單機自動化的工作模式。隨后國家相關(guān)部門的監(jiān)管力度加大，部分新建藥廠和舊藥廠通過技術(shù)改造升級后實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)聯(lián)動線，僅是控制單一或局部工藝參數(shù)，但對于中藥提取過程中的全部工藝參數(shù)缺乏控制[1]。

1.2 中藥提取自動化的必要性

中藥提取是中藥生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。實現(xiàn)中藥提取自動化，不僅可以提高中藥產(chǎn)品工藝的可靠性，而且可以保持成分的穩(wěn)定性。中藥提取自動化包括5 個優(yōu)點。1）縮短生產(chǎn)周期，增加產(chǎn)量。2）降低人為干擾導致的質(zhì)量偏差。3）提高原料、設(shè)備及能源的利用率，降低成本。4）減少因人工操作失誤而造成的危害，使生產(chǎn)過程更加安全。5）降低勞動強度，改善員工工作環(huán)境[2]。

2 中藥提取各工序影響因素分析

目前國內(nèi)大多數(shù)的中藥生產(chǎn)企業(yè)的中藥提取主要包括提取、濃縮、醇沉及乙醇回收4 個基本工序。只有熟知影響各工序質(zhì)量的因素，才能提高自動化控制精度，避免資源浪費，優(yōu)化工藝參數(shù)，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 提取工序

提取一般采用煎煮法，它是利用有效成分在溶劑中的溶解度不同，選擇一種合適溶劑將目標成分由藥材組織中逐步分離出來的過程。

2.1.1 溶劑

一般溶劑可選擇飲用水或乙醇來進行水提或醇提。溶劑量的多少、加入溶劑時間、溶劑溫度都會影響最終的提取質(zhì)量。

2.1.2 藥材

主要是藥材的粒度，一般情況下藥材粉碎的越細，提取的效率就越高。但粉碎過細，藥材中的雜質(zhì)成分提取也較多，后續(xù)分離難度大，且細顆粒容易引起堵塞。

2.1.3 溫度和時間

通常熱提效率高，冷提雜質(zhì)少。提取時間較長則提取較完全，但相應(yīng)的雜質(zhì)會增多。

2.2 濃縮工序

濃縮就是通過加熱將溶劑從溶液中蒸發(fā)、分離出來，并提高該溶液濃度的過程。1）蒸汽壓力越大，溫度越高，蒸發(fā)速度越快。2）藥液蒸發(fā)面積越大、蒸發(fā)速度越快。3）液體表面的壓力越小，蒸發(fā)速度越快。4）溶劑的蒸汽濃度越大，蒸發(fā)速度越快。

2.3 醇沉工序

醇沉就是利用有效成分易溶于乙醇，其他雜質(zhì)不易溶于乙醇的特性，將溶液中的有效成分轉(zhuǎn)移到乙醇中，并經(jīng)過沉淀去除雜質(zhì)的過程。影響醇沉的因素有以下6 個方面。

2.3.1 乙醇濃度與用量

當含醇量在50%～60%時即可去除淀粉等雜質(zhì)。達60%時可以去除無機鹽。大于75%時即可去除蛋白質(zhì)等雜質(zhì)。當含醇量達到80%時，全部淀粉、多糖、蛋白質(zhì)、無機鹽類雜質(zhì)幾乎都可以除去。當某種濃度的乙醇總量小于臨界點數(shù)值時，醇溶物的量隨乙醇用量的增大而增大。當高于臨界點數(shù)值時，醇溶物量的增加趨勢放緩直至飽和。

2.3.2 初膏濃度與溫度

為保證能最大限度地去除雜質(zhì)，保留有效成分并降低乙醇耗量，我們必須要對藥材水提液進行濃縮，并達到一定濃度。如果初膏濃度太低，那么藥液量就會較大，相應(yīng)的乙醇耗量也會變大。如果初膏濃度太高，那么藥液的黏稠度變大，導致藥液與乙醇接觸不充分，由此產(chǎn)生的沉淀很容易包裹藥液，損失大量有效成分。初膏與加入乙醇的溫度差太大也容易產(chǎn)生包裹。

2.3.3 加醇方式

如果在醇沉開始時就加入大量高濃度乙醇，一旦攪拌不均勻，就會造成局部含醇量太高，淀粉、蛋白質(zhì)等就會迅速沉析并包裹濃縮液。隨著乙醇含量的增大，包裹層的質(zhì)地也會越來越致密，最終難以分散。所以為了徹底除去雜質(zhì)，減少有效成分的損失，我們一般采用以梯度遞增或者分次醇沉的方式來提高乙醇濃度。

2.3.4 攪拌速度

合適的攪拌速度可以增加乙醇與藥液的有效接觸面積，提高乙醇與藥液的均一性。如果攪拌速度過快，便會造成沉淀顆粒過度分散而很難分離。反之，攪拌速度過慢，導致藥液與乙醇不能混勻，局部乙醇的濃度就會因為過高而出現(xiàn)包裹現(xiàn)象，并流失大量的有效成分。

2.3.5 醇沉時間及溫度

如果加醇時藥液溫度太高，那么在乙醇揮發(fā)的同時，藥液就會產(chǎn)生包裹現(xiàn)象，并損失有效成分。如果醇沉溫度過低，那么沉淀物析出速度與沉降速率都會加快，導致靜置時間短，反之則越長。

2.3.6 乙醇回收

乙醇回收也是利用蒸發(fā)原理。在加熱過程中，因為乙醇的沸點低于藥液的沸點，所以乙醇最先被揮發(fā)出來。其影響因素與2.2 濃縮工序相同。

3 自動控制技術(shù)在中藥提取中的需求

3.1 自動化技術(shù)優(yōu)點

實現(xiàn)中藥提取自動化，一方面可以有效確保工藝參數(shù)與中試條件相匹配，并能消除人工干擾導致的質(zhì)量偏差，又可以方便控制和調(diào)整過程參數(shù)。另一方面可以提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動強度，節(jié)約成本，提高原料和能源的最大利用率。

3.2 自動控制技術(shù)與中藥提取

提取、濃縮、醇沉是中藥提取過程中的3 道重要工序，但其過程都具有擾動性、多變量、非線性等特點，所以需要對關(guān)鍵工藝參數(shù)進行實時檢測，并實時反饋。要實現(xiàn)中藥提取自動化，那么就必須先實現(xiàn)制藥設(shè)備的自動化，只有這樣才能保證中藥生產(chǎn)的連續(xù)性。

4 中藥提取自動化系統(tǒng)

中藥提取自動化系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)數(shù)字化信息管理，保持生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性，提高產(chǎn)品批間的穩(wěn)定性，做到生產(chǎn)記錄可追溯，而且還要做到節(jié)能環(huán)保、安全保險、技術(shù)優(yōu)化等。

4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前中藥提取自動化系統(tǒng)很多都是以SIMATIC PCS 7 V9.0為平臺，其也是國際主流的DCS 系統(tǒng)，CPU 采用最高級的410-5H 系列，以中文Windows10 作為操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，系統(tǒng)主要包括控制站、操作服務(wù)器、操作員站、工程師站、現(xiàn)場儀表與執(zhí)行機構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可以根據(jù)分散程度設(shè)計多個I/O 控制點，實現(xiàn)不同區(qū)域的控制。控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接上位操作員站，由PROFINET 現(xiàn)場總線同下位執(zhí)行機構(gòu)進行相應(yīng)的連接，I/O 站采集現(xiàn)場的I/O 信號，通過接口模塊將現(xiàn)場數(shù)字量或模擬量信號傳送到中央控制站，同時將中央控制器發(fā)送來的控制信號送至現(xiàn)場?，F(xiàn)場一次儀表和執(zhí)行機構(gòu)對生產(chǎn)過程的運行參數(shù)進行檢測，對生產(chǎn)過程進行控制[3]，從而實現(xiàn)對整條生產(chǎn)線的控制和數(shù)據(jù)管理。

4.2 自控系統(tǒng)功能

自控系統(tǒng)功能包括9 個方面。1）系統(tǒng)設(shè)置多級權(quán)限保護。2）系統(tǒng)具備生產(chǎn)工藝參數(shù)管理與保護功能。3）生產(chǎn)過程可視化管理。4）操作員能對生產(chǎn)流程進行在線監(jiān)控，并可快速查看不同視圖。5）系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的實際運行狀態(tài)，可以自動判斷設(shè)備狀態(tài)。6）有相應(yīng)的歷史記錄可供查詢。7）具備運行信息展示功能及報警系統(tǒng)，并設(shè)置報警優(yōu)先級別。8）符合GMP數(shù)據(jù)管理內(nèi)容。9）能將視頻數(shù)據(jù)集成到DCS 系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與關(guān)聯(lián)。

4.3 提取過程控制系統(tǒng)

提取過程包括投料、加溶媒、升溫煎煮、保沸、出液、出渣、清洗。通常情況下，首先要進行系統(tǒng)自檢，主要是檢測蒸汽和溶媒的供應(yīng)是否符合要求。其次進行設(shè)備狀態(tài)自檢，主要是判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障或維修中，是否完成了清潔。最后就是對設(shè)備狀態(tài)進行初始化，判斷各個閥門是否處于正確狀態(tài)。只有通過系統(tǒng)自檢后才能進行自動投料，確認投料結(jié)束后才能進入下一環(huán)節(jié)，即加溶媒。待達到設(shè)定值后自動關(guān)閉閥門，進行浸泡計時。浸泡結(jié)束后進行升溫，期間要進行煎煮控制和藥液外循環(huán)控制。煎煮結(jié)束后系統(tǒng)自動判斷出液情況、堵料情況、出渣系統(tǒng)與渣車聯(lián)動情況、罐底鎖與罐底開啟裝置的聯(lián)鎖與保護情況、提取液儲罐進出液情況、提取罐清洗情況等[4]。

4.4 濃縮過程控制系統(tǒng)

濃縮過程包括真空進液、濃縮液補液、濃縮、出液、冷凝液回收或排放等。首先系統(tǒng)對公用系統(tǒng)及設(shè)備狀態(tài)進行自檢，然后開啟真空調(diào)節(jié)閥，自動控制真空進料，整個濃縮過程需要進行溫度控制、消泡控制、真空度監(jiān)控、跑料檢測、并料控制、濃縮密度及終點檢測、出料控制、受液器排液控制、清潔、安全連鎖控制。并實現(xiàn)對濃縮過程中藥液溫度、藥液密度等質(zhì)量目標的控制。濃縮器的泡沫檢測可以解決中藥提取液在減壓和加熱狀態(tài)下的跑料問題，既可以實現(xiàn)濃縮液的連續(xù)進液，又可以實現(xiàn)冷凝液受液器的液位檢測，實現(xiàn)自動排液，保證蒸發(fā)過程可以連續(xù)進行[5]。

4.5 醇沉過程控制系統(tǒng)

醇沉工序自動控制主要包括醇沉罐進料的自動計量、所需乙醇的計算和計量、溫度控制、靜置時間控制、初始攪拌速度控制、上清液抽取控制、排渣控制、醇沉罐自動清洗控制以及安全連鎖等。

4.6 乙醇回收過程控制系統(tǒng)

該過程的設(shè)備采用單效濃縮器，從濃縮器抽真空開始，再到進料、濃縮、出膏，整個過程實現(xiàn)自動化控制。系統(tǒng)自檢后開始真空進料，期間進行真空度控制。進料完畢后，要進行溫度控制、消泡控制、跑料控制、并料控制、濃縮終點檢測、出料控制、受液器排液控制以及清潔、安全連鎖控制。

5 結(jié)語

隨著中藥提取新技術(shù)與自動控制技術(shù)的進一步融合，相信未來將會全面實現(xiàn)中藥提取生產(chǎn)自動化。