傳統中藥提取工藝流程設計與現代制藥設備的結合

程之永，唐旭東，萬斌

(佛山德眾藥業有限公司，廣東 佛山 528000)

·專論·

傳統中藥提取工藝流程設計與現代制藥設備的結合

程之永，唐旭東，萬斌*

(佛山德眾藥業有限公司，廣東 佛山 528000)

傳統中藥生產常存在質量控制點控制精度差、能耗大的問題，給人以“粗、大、黑”的印象，本研究通過介紹一個中藥提取生產基地建設項目，重點論述傳統中藥提取工藝與現代技術設備的有機結合，以集成創新提升生產自動化控制水平，在控制生產質量目標、降低質量風險的同時，達到節能增效的目的。

中藥提??；現代技術設備；節能增效

中藥現代化是將傳統中藥的優勢特色與現代科學技術相結合，以滿足不斷發展的社會需求的過程[1]。目前國內很多企業的中藥提取生產存在加入溶媒量及提取時間難以精確控制、加熱溫度及壓力波動較大、能耗偏高等問題，這與國家從嚴緊抓藥品規范化生產、發展綠色環保制造產業的趨勢不符。

要想改變傳統中藥粗放的生產模式，提高整個生產過程的質量控制，首先需要將傳統中藥的生產工藝設計與現代設備相結合，通過可編程邏輯控制器(PLC)和各種傳感器來自動控制關鍵生產工藝參數，使得整個生產過程按照預定流程和工藝參數進行，使產品質量穩定可控，減少人為因素影響。另外，傳統中藥生產經常采用提取、濃縮工藝，這部分設備的能耗向來是中藥生產企業控制的關鍵。近年來，隨著生態環境的逐漸惡化，國家對制造業節能減排方面的要求越來越嚴格，這就要求我們在中藥現代化的產業轉型過程中，不但要進行設備現代化升級改造，還要嚴格控制能耗，特別是新建項目要加強設備的選型和節能減排的系統性設計，實現可持續發展。

筆者介紹一個新建中藥提取生產基地工藝設計與現代設備相結合的成功案例。

1 生產工藝流程

本項目占地7萬多平方米，可年處理中藥材2萬t，是具備中藥材存儲、中藥前處理、炮制、提取等多種功能的中藥前處理及提取生產基地。前處理工序處理的中藥材通過投料口進入提取罐，加注提取溶媒后開始提取，提取完畢后通過濾網將藥液與藥渣分離，藥液進入真空濃縮鍋進行濃縮，在達到合適的濃度后進入噴霧干燥系統，干燥得到的干膏藥粉進入中間產品倉庫。

此流程中，提取罐、濃縮鍋、噴霧塔的選型、布置及整個自控系統的設計必須與生產工藝流程緊密配合，如設備選型配置不當，極易影響生產工藝流程的流暢性，浪費能源，甚至形成生產瓶頸；自控系統的設計若脫離實際生產，不但不會提升生產效率和提高產品質量，反而會形成繁瑣的生產流程，甚至根本無法使用。

2 廠房設備垂直布局及流程

提取車間為四層建筑，框架結構，長95.7 m，寬24.3 m，一層層高6 m，二層層高7 m，三層層高6 m，四層層高4.5 m。從圖1設備垂直布局示意圖可以看出，水提提取罐(高度5.2 m，直徑1.6 m)貫穿于二三層之間，噴霧干燥機(高度16.5 m，直徑4.6 m)貫穿于一二三層。整個設備的布局一方面根據生產工藝流程較合理地實現了投料工序(四層)、提取工序(三層)、濃縮工序(二層)、噴霧干燥工序(一層)的集中垂直劃分，各工序操作人員相互干擾小。通過這種垂直布局方式，四層投料、三層提取、二層濃縮、一層噴霧干燥，各工序分別設置各自獨立的集中控制室，避免了不同工序操作人員的交叉走動，減少操作人員的活動范圍，降低勞動強度；另一方面充分利用了儲液罐與設備的高度差，減少了不必要的動力輸送，而且還利用設備的運行真空度，加大了物料輸送的力度。以提取儲液罐為例，將其放置在三層，不但利用了三層提取罐剩余的場地，而且不需要配置動力泵就可以給二層濃縮設備輸送藥液，當采用真空濃縮設備時，可以大幅減少進液時間。

圖1 設備垂直布局及簡要流程示意圖

3 設備選型

本項目提取車間的主要設備分別是提取罐、濃縮鍋和噴霧塔，所選設備和配置的控制系統除必須保證藥品的質量穩定，還要兼顧考慮節能環保和生產效率。《藥品生產質量管理規范》(GMP)2010版最大的特點是強調風險控制，鑒于該提取車間是新建項目，所以在項目的設計階段和實施階段，加強對設備及控制系統的風險分析顯得尤為重要，這將決定整個項目生命周期的風險控制水平。

3.1 提取系統選型與設計

3.1.1 提取罐選型 針對主要提取中藥品種需要采用加壓提取套提工藝，出于成本、生產工藝和實際生產需要，本項目選擇了6 m3多功能提取罐，由主罐體、泡沫捕集器、熱交換器、油水分離器、氣液分離器等組成。在容積、罐內及夾套設計壓力、工作壓力、材質厚度相同的條件下，優先選擇了有效加熱面積大、有效加熱面分布均勻、藥渣排放容易、外徑1600 mm的直筒型錐面密封多功能提取罐。

3.1.2 提取控制系統設計 中藥提取的關鍵工藝參數是溶媒加注量、提取溫度、提取壓力和提取時間。這4個參數的精準控制，對整個提取系統的質量風險控制起著決定性作用。為了減少操作人員的影響，整個提取控制系統設計為PLC自動控制，采用了Siemens的S7-300系列PLC作為主站，加注量、提取溫度、提取壓力全部由傳感器檢測后傳給現場分布式I/O站點，再由該從站通過profibus總線接入總站。整個控制系統采用菜單配方式設計，預設控制參數和控制模式，提取時間從提取溫度(壓力)達到工藝要求后自動計時，提取時間完成后自動關閉加熱閥門。每個生產品種有獨立的控制配方，不同級別的操作人員有著對應的操作權限。由于該控制系統各傳感器之間的數據關聯性不是十分直觀，單一傳感器出現故障時，操作人員較難及時發現，這將會加大藥品生產的質量風險。為了解決這個問題，系統設計時加入了溫度與壓力、流量與液位的自動校對功能，發現異常時操作系統自動報警提示。

為了有效控制安全風險，本提取控制系統具有超溫，超壓，高低液位報警，無液停泵，蒸汽自動閥門與提取罐的投料蓋、底蓋互鎖，升溫后自動關斷氣缸壓縮空氣氣源等功能，為企業的安全生產帶來了極大的保證。

傳統提取工序一般采用全手動操作，提取時間控制不準，閥門開關不及時，而且操作人員為了保持提取時的微沸狀態，往往會人為開大排空閥及蒸汽閥，這些都易形成提取液的過度加熱，導致較多的提取液汽化蒸發，這樣不但浪費了大量蒸汽(每生產1 t提取液至少需要0.2 t蒸汽)，而且會嚴重影響提取液的出液量，造成批次間的差異，影響藥品質量。本項目多采用加壓套提工藝，考慮到提取罐的熱損失，每處理1 t藥材至少需要11.25 t飲用水，按照年處理量2萬 t藥材、水提提取量占80%(部分工藝是水提醇沉)、減少蒸汽損耗10%計算，則每年可以節省20 000×0.8×11.25×0.2×10%=3600 t蒸汽，按照每噸5000大卡的煙煤產氣5.4 t計算，節省煙煤666.7 t，折合標煤約476 t。

根據項目的投入使用情況來看，這套提取自動控制系統精度高、控制準，可以很好地保證穩定的出液量，全部的工藝驗證和設備性能驗證都符合要求，保證產品質量的同時，減少了批次間的差異。

生產基地的提取生產多采用加壓套提工藝，國內廠家一般采用1個提取罐對應2個儲罐的布局。如圖2所示，本項目一組水提提取系統由提取罐、一次液儲罐、二次液儲罐、定容儲罐組成，比傳統布局多出一個定容儲罐，形成了1對3的布局。這里主要是出于節能和提高效率的考慮，定容儲罐可以在提取罐加注前定容和預熱提取所用的溶媒，這樣不但利用了提取車間的大量綜合余熱，而且縮短了每次提取溶媒的升溫時間。

提取車間一般要使用大量蒸汽，為了盡量提高熱效率，系統還設計了提取罐、儲罐等用熱設備的蒸汽排空管道余熱回收和蒸汽冷凝水余熱回收功能，利用蒸汽冷凝水的閃蒸蒸汽加熱常溫飲用水，為整個提取系統提供60～80 ℃的熱水。經第三方測試，僅蒸汽冷凝水余熱回收項目，年處理2萬t藥材的生產能力下，每年可節省標煤約200 t。

3.2 濃縮系統選型與設計

3.2.1 濃縮鍋選型 由于不同品種中藥提取液在黏稠度、熱穩定性、表面活性等方面的差異性較大，濃縮生產工藝必須根據中藥提取液的性質與蒸發濃縮的要求，選擇適宜的濃縮方法。真空濃縮工藝在濃縮過程中藥液溫度較低，防止或減少了藥液中熱敏性有效成分的分解，保證了藥物的有效性；并且真空條件下，藥液沸點降低，提高了水分蒸發效率。本項目生產的絕大部分品種都采用真空濃縮工藝。

從能耗方面來看，濃縮工序一直都是中藥提取的能耗大戶。單效濃縮鍋雖然結構簡單、使用方便，但能耗大，已經不適合企業節能減排的發展需要。普通雙效濃縮機組雖然比單效節能，但總體能耗還是很大，而且許多廠家反映使用一段時間后，生產能力下降嚴重，單位藥液耗用蒸汽量逐步上升至0.75～0.9 t。考慮到濃縮工序能耗一般占據生產車間60%的蒸汽消耗，因此對能耗的控制放在了選型考慮的首位因素。通過國內許多產品的比較，本項目最終選擇了高真空噴霧傳質式冷凝器與高真空熱泵雙效濃縮機組的組合，見圖3。

圖2 水提提取系統簡易示意圖

圖3 高真空熱泵雙效濃縮機組

1臺3000 L的單效濃縮器，僅形成真空的循環泵、水力噴射泵、涼水塔風扇就需要接近60 kW，而采用高真空噴霧傳質式冷凝器只需12.5 kW。高真空噴霧傳質式冷凝器采用噴霧的方式把少量水噴在翅片管上吸收翅片管內二次蒸汽所放出的熱，由于水量少、升溫快，在排風機的吹動下很快就低溫蒸發，帶走了翅片管內二次蒸汽冷凝時的氣化潛熱。因為不需對大量的冷卻水做功，故該冷凝系統能耗非常低，并且生產時真空度可以穩定在-0.08 MPa以上。

該機組使用的熱泵通過拉伐爾噴嘴的抽吸作用使部分一效濃縮器的二次水蒸氣重新進入一效的加熱器，從而節省了部分蒸汽。蒸汽在拉伐爾噴嘴里絕熱膨脹時驟然降低溫度，使得可利用的氣化潛熱量增大。以165 ℃飽和蒸汽為例，其氣化潛熱為2065 kJ·kg-1，降溫到90 ℃后可利用的氣化潛熱為2283 kJ·kg-1，提高了10.56%。

為了確認其性能，本項目組將一臺3000 L單效濃縮器改造成3000 L熱泵雙效濃縮機組，并進行了測試，結果顯示節能效果非常理想(見表1，由第三方能源利用監測中心監測)，在保證蒸發量的情況下，該熱泵雙效濃縮機組已經達到了普通三效濃縮器的節能效果[2-3]。

表1 單效濃縮器和熱泵雙效濃縮機組效能比較表

與國內大部分廠家選用的普通雙效濃縮進行對比，普通雙效濃縮器蒸發1 t水理論上需要約0.6 t的蒸汽，按照該項目年處理2萬 t藥材，水提采用套提工藝(處理1 t藥材約需要11.25 t飲用水)，水提濃縮占濃縮總量70%計算，僅該項目選用的熱泵雙效濃縮器1年就可以節省20 000×11.25×0.7×(0.6-0.375)=35 437.5 t蒸汽，按照每噸5000大卡的煙煤產氣5.4 t計算，節省煙煤6 562.5 t，折合標煤約4 687.5 t(此項目的水提采用套提工藝，若不采用套提工藝，將增加大量需要濃縮的提取液，所以該項目的節能效果非常明顯)。

傳統的濃縮設備都需要使用加熱器，若長時間使用不及時清洗，由于真空低、溫度高、流速低，加熱器內部的結垢將十分嚴重，這樣就給生產的清潔工作帶來了很大的難度。高真空熱泵雙效濃縮機組真空高、溫度低、流速高，加熱器長時間使用也不易結垢，可以有效地避免清潔不合格帶來的交叉污染現象。

從項目實際投入運行近兩年的情況來看，該濃縮機組的產量和能耗始終十分穩定，一效和二效加熱器的內部完全沒有結垢現象，所有的工藝驗證和設備性能驗證數據都符合預期要求。

3.2.2 濃縮控制系統設計 為了控制該工序的生產質量風險，濃縮自動控制系統與提取自動控制系統采用同種架構方式，設計了配方菜單系統，具有流量在線檢測、溫度自動控制、液位自動控制、壓力檢測、在線密度檢測及自動消泡等控制功能。由于各監控數據關聯性非常直觀，單一傳感器故障容易被發現。

中藥提取液的熱敏性物質長時間高溫加熱會被破壞，從而影響藥品質量，所以濃縮系統的關鍵是要控制濃縮過程中藥液溫度。熱泵雙效濃縮系統的一效蒸發室真空度在-0.067 MPa左右，二效蒸發室真空度在-0.08 MPa左右。真空度越高，蒸發溫度越低，所以整個系統，一效的藥液溫度最高，這也是加熱系統控制中最重要的控制參數點，PLC系統將根據該處溫度來控制蒸汽連續調節閥的開度，從而控制加熱程度。

大多數中藥材含皂苷類成分，此類藥材提取液濃縮時易產生泡沫，尤其在真空波動時，很容易造成暴沸及跑液現象。一效、二效蒸發室利用強制循環泵將藥液在蒸發室內的正上方通過管道封頭的小孔高速射出，將藥液蒸發時產生的泡沫射破，這十分有利于控制泡沫的形成。增設強制循環泵雖然一定程度上加大了能耗，但通過增加濃縮液的流速從而加強了換熱效果，而且加熱器列管因流速大也不易結垢。此外，藥液進液時夾帶空氣是最大的問題，特別是藥液從儲罐輸出，在罐底部形成漩渦時最為明顯。針對這種風險，本系統設計時在儲罐底部增加了破漩板，并在熱泵雙效濃縮器的進液管道加裝了電磁流量計，以便判斷藥液是否夾帶空氣。一旦濃縮鍋內形成大量泡沫，安裝在罐體上的泡沫感應器會自動打開消泡閥門，以達到消除泡沫的效果。

3.3 干燥系統選型與設計

3.3.1 干燥設備選型 在制藥工業中，由于被干燥物料的形狀、性質、工藝要求及生產能力、規模等因素存在很大差異，因此對提取液的干燥所采用的方法也有所不同。常見的干燥方法一般分為噴霧干燥、沸騰干燥、微波干燥、烘箱干燥、真空履帶干燥等。噴霧干燥是將原料通過液用霧化器分散成霧滴，并用熱空氣(或其他氣體)與霧滴直接接觸的方式而獲得粉粒狀產品的一種干燥過程[4]。因為是瞬間噴霧干燥，干燥過程沒有明顯階段性變化。一般物料存在的主要水分是非結合水，經過加熱空氣處理后，平衡水分含量較低，所以干燥較徹底，干燥速度也較快，特別適合于熱敏性物料。噴霧干燥所得產品基本保持原來物理性質，多為松脆的粉粒狀，溶解性能好，對改善一些藥物的溶出速度具有很好作用。噴霧干燥工藝不足之處是設備清洗麻煩、熱效率只有40%～60%[5]。由于本項目生產的品種采用了噴霧干燥工藝，因此該設備的選型非常重要。

噴霧干燥機通常由熱風系統、供料系統、干燥塔、旋風分離器、除塵器和在線清洗系統等組成。由于本項目地處南方沿海地區，氣候十分濕潤，為了適應工藝需要，本次選用的噴霧干燥機組進風系統配置了相應的進風除濕系統。經生產試驗證明，此進風除濕系統對產品質量的控制和產量的提高作用十分明顯。另外，為了適應2010版GMP的要求，此設備還配置了無死角的在線清洗系統，并可以設置多種清洗模式滿足實際生產的需要。本次選用的噴霧干燥機組還配置了特有的排風熱回收、夾套熱回收系統，這不但有利于生產工藝參數的控制，而且節約了大量的熱能。為了保證進風的潔凈度，本設備所有進風系統配置了初、中、高效過濾器。

3.3.2 干燥控制系統設計 該系統同樣采用Siemens的S7系統PLC。各傳感器將現場數據傳輸給PLC，操作工同時可以在HMI上監控蒸汽熱風溫度、進出風溫度、風送溫度、供液泵頻率、送排風風機頻率、噴頭頻率、噴頭油壓報警、塔身負壓、過濾器壓差等參數，還可以設置各電機的開關機時間。整套系統具備了一鍵開關機功能。為了避免塔器強負壓引起塔身變形，送排風風機還具備聯鎖功能。整個系統的參數監控點多，發生故障時會觸發報警系統，單一傳感器出現故障也易于發現，可以較好地控制系統性的風險。

噴霧干燥機的工藝控制點雖然多，但關鍵工藝參數是進、出風溫度和噴頭轉速。這3個參數直接關系到噴霧粉的水分、產量和收率。進、出風溫度過低容易引起噴霧粉水分高、粘塔；進、出風溫度過高則容易造成噴霧粉水分低，甚至出現熱熔現象。噴頭轉速過低，液滴大不易干燥，易引起粘塔；過高則液滴過小，容易引起熱熔現象，并造成噴霧粉收率低。為了精準地控制進風溫度，同時降低能耗，系統設計了兩級加熱系統，第一級為蒸汽加熱，第二級為電加熱，兩個加熱模式各有特點，互為補充。出風溫度決定著噴霧粉的溫度和濕度，在進風溫度、風速、噴頭轉速固定的情況下，本系統會通過控制供液泵的供液量大小來控制出風溫度。為了維持塔身的微負壓，在送風機頻率固定的情況下，PLC會自動控制排風機的頻率。

4 廠級監控系統設計

本項目涉及的設備種類廣，制造廠家眾多，各家設備自身控制系統水平參差不齊。為了方便管理，在項目設計階段，本廠級自動控制系統全部按照項目涉及的主要生產品種和設備定制開發，所有電器元件及控制系統統一采用國內外知名品牌，各控制單元協議通用，并具備良好的擴展性和維護性。

圖4 生產基地控制網絡圖

如圖4所示，根據項目的特點，筆者將水提提取車間的控制系統分為3個系統，分別是提取控制系統、濃縮控制系統和噴霧干燥控制系統，各系統全部采用Siemens的S7-300和S7-200系列PLC，通過profibus總線將各主站和從站相連。三大系統的主站通過工業以太網并入車間級監控網絡，最后再接入生產基地的在線監控系統，實現了各工序、各設備設施間的無縫連接，所有數據根據操作者權限實現了共享，形成高效的一體化控制和管理模式，并能直接給生產決策者和企業資源計劃(ERP)提供相關信息數據。

以水提車間的控制系統為例，水提工序控制系統不但可以通知四層投料工序的投料，而且可以控制三層提取工序的溶媒定容、加注和提取。提取完畢后，系統再控制二層出液系統根據藥液提取的次數自動對應出液管道，通過泵輸送至三層儲罐。提取罐出液完畢后控制渣車出藥渣。此時，二層濃縮工序的濃縮控制系統讀取了三層的數據后，可以進行濃縮自動控制。濃縮完畢后所得藥液到達待噴儲罐后，一層干燥工序的干燥控制系統可以根據監控數據進行噴霧干燥生產，直至生產出藥粉。為了與工藝流程匹配，本項目開發了配方菜單系統，根據生產的品種不同，在提取、濃縮、噴霧各工序都預設好控制點、控制時間以及不同階段的控制模式，盡量減少操作人員造成的人為偏差，生產時操作人員只需選擇產品菜單即可。

水提車間建筑面積較大，按照常規布線方式，所有電纜必須進入工序監控室，這樣不但費用高，而且橋架也會占用大量空間。本項目設計時，根據設備布局和現場環境情況，設置了現場PLC從站，所有現場傳感器和操作箱全部接入現場從站，然后再通過profibus接入工序監控室PLC主站，節省了大量的空間和費用。整個自控系統后期運行不但減少了大量的人力，提高了設備的安全性，給產品質量帶來了保證，而且結合工藝開發了較為完整的節能系統。

5 結語

整個項目在設計和實施階段，秉著控制質量安全風險、節約資源的理念，廠房設備布局合理，設備設施選型得當，控制系統設計符合生產工藝流程實際需求，亦系統地設計了整個提取車間的節能減排系統。項目順利通過了2010版GMP認證，從投入運行近兩年的情況來看，藥品質量十分穩定。按照年處理2萬 t藥材計算，每年可節約標煤約5 363.5 t，產生了良好的社會效益和經濟效益。

[1] 國家科技部，國家計委，國家經貿委，等.中藥現代化發展綱要(2002至2010年)[S].2002.

[2] 萬斌，曾尚浩，何祥信.用高真空熱泵雙效濃縮技術進行改造及其效果[J].機電信息，2011(14)：15-17.

[3] 楊許作.高真空噴霧傳質式冷凝器與熱泵雙效濃縮機配套機組技術及特點[J].機電信息，2011，67(3)：36-38，46.

[4] 胡洪，黃虎，狄留慶.中藥噴霧干燥技術的分析與研究進展[J].干燥技術與設備，2009，7(5)：199-206.

[5] 黃立新，周瑞君，A.S.Mujumdar.近年來噴霧干燥技術研究進展和展望 [J].干燥技術與設備，2008，6(1)：3-8.

TheCombinationTraditionalChineseMedicineExtractionProcesswithModernTechnologyEquipment

CHENGZhiyong,TANGXudong,WANBin*

(FoshanDezhongPharmaceuticalCo.,Ltd,Foshan528000,China)

In the manufacture of traditional Chinese medicine the problems of the poor control precision of the quality control points and the high energy consumption leave a negative impression.This article introduces a construction project of a traditional Chinese medicine extraction production base and lays emphasis on the analysis of how to combine traditional Chinese medicine extraction process with modern technological equipment and improve the production automation control level by means of integrated innovation.It is aimed to improve energy efficiency by controlling the production quality targets and lowering the quality risks at the same time.

Chinese medicine extraction；modern technological equipment；energy efficiency

2014-08-19)

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萬斌，電氣工程師，研究方向：設備工程建設及生產自動化；E-mail：wanbin@china-tcm.com.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2015.5.002