自動控制技術在中藥提取工藝中的應用與展望＊

臧振中，楊 明，管詠梅，伍振峰，張建林，劉 媛

（1.江西赫柏康華制藥設備有限公司 南昌 330004；2.江西中醫藥大學創新藥物與高效節能降耗制藥設備國家重點實驗室 南昌 330004）

中藥提取是制藥過程中的關鍵環節，直接關系產品質量的高低，將新型工業技術運用到中藥提取工段中，對中藥制造行業的整體技術水平轉型升級具有重要意義，也與中藥現代化進程緊密相關。近年來，政府對制造行業節能減排的要求日益嚴格，這就要求我們不僅要在中藥產業轉型過程中對工藝進行升級改造，還要對設備進行自動化智能化設計，使其達到節能降耗、綠色高效的生產需求。在中藥提取過程中應用自動化控制技術，可顯著縮短生產時間、提高原料利用率及減少溶媒用量等，同時能明顯降低能源損耗和生產成本，符合可持續發展的目的。本文在現有中藥提取工藝基礎之上，就自動控制技術在中藥提取新工藝中的需求及應用進行綜述，并結合在中藥揮發油提取中的實際應用進行展望，以期為中藥綠色智能生產提供借鑒和參考。

1 傳統中藥提取工藝及特點

傳統中藥提取方法主要有煎煮法、浸漬法、滲漉法、回流提取法與連續回流提取法等。目前，最常用的是煎煮法及回流提取法[1]。

煎煮法常用于有效成分對濕熱較穩定且能溶于水的藥材，它的浸出成分除有效成分外，同時含有部分脂溶性物質和雜質，給精制帶來困難[2]。生產上大多選用多能提取罐，是能夠調節溫度、壓力的密閉間歇式提取或蒸餾的多功能設備?？蛇M行常溫常壓提取，也可用于高溫加壓提取或低溫減壓提取，不管是醇提、水提、蒸制、回收溶劑等均能使用。

回流提取技術是指采用回流裝置，用單一溶劑或混合溶劑于水浴上加熱回流提取的技術。此法為熱提取，提取效率高于冷浸，可縮短提取時間，但提取物中雜質較多，且對熱不穩定或具有揮發性的成分不宜使用。對回流提取法進行改進而得連續回流提取法，此法溶劑消耗量小，操作簡單，提取效率高。實驗室常采用索氏提取器與連續回流裝置，生產中采用索氏提取濃縮機組，是一種節能的中藥萃取設備[3]。

傳統方法提取范圍較廣，考慮了共煎和分煎、溶媒等方面的合理性，是現今產業化的主體。但仍存在溶劑消耗大，能源消耗高，操作時間長，有效成分損失嚴重及轉移率低等一系列問題。因此，隨之出現了一系列新技術用于中藥提取。

2 新型中藥提取工藝及特點

目前，研究較多的提取新工藝包括超聲提取法、微波提取法、超臨界流體萃取法、半仿生提取法、酶提取法、動態逆流提取及減壓沸騰提取法等[4]。

2.1 超聲提取法

超聲提取具有提取速度快、能源消耗低與提取效率高等優點。且提取過程中無加熱環節，可避免高溫對藥物結構造成影響，適宜于熱敏性有效成分的提取。據文獻報道[5]，揮發油、多糖、黃酮、皂苷、生物堿、醌類、萜類、氨基酸等幾乎所有中藥活性成分提取研究都涉及了超聲提取技術。羅琥捷等[6]考察了超聲提取與索氏提取對陳皮中黃酮類成分含量的影響。結果表明，超聲提取法中川陳皮素的平均含量為0.458%，索氏提取法為0.200%，超聲提取法明顯較優于索氏提取法，更適合陳皮黃酮類有效成分的提取。

2.2 微波提取法

微波提取具有使用設備簡單、溶媒用量少、對有效成分選擇性高、提取速度快、提取率高等優點。在生物堿類、黃酮類等活性成分的提取過程中都有廣泛應用。李淵等[7]通過單因素試驗優化云芝液體發酵菌絲胞內糖肽微波提取法和熱水浸提法的提取條件，并比較優化條件下兩種方法的提取效果，考察不同干燥法制備菌絲體用于糖肽提取的效果。其結果表明，兩種提取方法制備的胞內糖肽的理化性質和官能團特征均相似，主要成分均符合國家質量標準，其中微波提取法的得率高于傳統熱水浸提法。

2.3 超臨界流體萃取法（Supercritical Fluid Extraction，SFE）

SFE是在超臨界狀態下，使溶劑與待分離的物質充分接觸，有選擇性地將相對分子質量、極性、沸點不同的成分萃取出來[8]?？捎糜趽]發油、生物堿、黃酮類等活性成分的提取[9]。其具有以下特點[10]：①利用超臨界流體優良的滲透和溶解性能，可從固體或黏稠的原料中快速分離出有效成分；②選擇相應溶劑可在低溫或無氧環境下分離、精制熱敏性和易氧化成分；③通過調節壓力和溫度可提取出純度較高的活性成分或分離出毒性成分；④降低超臨界流體的密度，使溶劑與產品易于分離，降低有機溶劑污染；⑤具有萃取和蒸餾的雙重作用，可用于有機物的分離、精制。王平等[11]考察了水蒸汽蒸餾法和超臨界流體萃取法對川芎、片姜黃、高良姜和羌活中揮發油的提取效果。結果顯示，超臨界流體萃取法優于水蒸汽蒸餾法。

2.4 動態逆流提取法

與傳統的提取方法相比，動態逆流提取技術具有產率高，有效成分含量高，生產成本低，使用范圍廣泛，持續作業時間長等顯著優點。謝練武等[12]比較了采用連續逆流萃取法和傳統批量萃取法對桔皮中果膠提取的影響。發現，在使用連續逆流萃取法較小設備及較少提取劑的情況下也可獲得足夠高的提取率，同時可達到減少廢水量和節約運行成本的目的。

2.5 半仿生提取法

半仿生提取技術可得到“活性混合體”[13]，能夠最大限度的發揮中藥的多靶點性及綜合作用的特點，并有利于以活性單體為指標進行提取物質量控制，同時也符合藥物在體內代謝、產生藥效的過程。特別對于物質基礎不清楚而療效肯定的中藥，半仿生提取更能準確反映出真正的作用物質基礎[14]。李芳等[15]以干浸膏、苦杏仁苷、芍藥苷、肉桂酸、總多糖及茯苓酸含量為指標，考察了半仿生提取法和水提法對桂枝茯苓丸有效成分提取率的影響。結果表明，相較于水提取法，半仿生提取技術更適宜于桂枝茯苓丸活性成分的提取。

2.6 酶法提取

酶法提取指選用合適的酶處理中藥材，分解果膠、纖維素及半纖維素等細胞壁成分，從而使細胞壁發生局部的坍塌、溶解、疏松，使有效成分溶出的方法[16]。其具有產物不易變性、成本低、提取效率高及環保節能等優點?？捎糜诙嗵?、黃酮、苷類、生物堿、有機酸、揮發油及萜類等有效成分的提取[17]。尚喜雨等[18]分別以水提法和酶法提取石斛多糖，通過正交試驗，比較石斛多糖的提取率。結果顯示，水提法多糖的平均提取量為12.07%；4%的酶量在pH值為6和40℃水溫的環境下酶解3 h，測得多糖含量為26.49%，較水提法高了119%。因此，酶法提取石斛多糖優于水提法。

2.7 減壓沸騰提取

減壓沸騰提取技術是一種新型中藥提取方法，具備產生翻騰效應，低溫節能，可在真空缺氧環境中保護熱敏性及易氧化物質，提取效率較高等獨特優勢[19]。馬然等[20]比較了減壓沸騰提取和常壓回流提取、溫浸提取與超聲提取的白藜蘆浸出物得率、醇得率、透光率、可溶性糖的含量、蛋白質的含量以及DPPH（1,1-di-phenyl-2-picryhydrazyl）自由基清除率。結果表明，與常壓回流提取和超聲提取相比，減壓提取白藜蘆浸出物得率低，醇得率高，透光率高，可溶性糖、蛋白質等雜質的含量低，DPPH自由基清除率高。進而得出，減壓沸騰提取法效果優于傳統中藥提取方法。

3 中藥制造中應用自動控制技術的需求

3.1 自動化控制技術

全自動化控制技術的實施可有效確保實際大生產中的工藝參數符合中試條件，消除人工操作引起的差異，使得過程參數更容易得到控制和調整，從而達到提高生產效率和產品質量、降低成本、提高原料和能源的利用率等效果。因此，在工業生產中的作用越來越大，已經成為工業生產中不可分割的一部分[21]。隨著市場經濟的不斷深化，對于自動控制系統的要求也越來越高，將會朝著更開放、更高效、成本更低及綠色化、智能化、高精化、遠程化的趨勢發展。這就需要進一步更新和創新自動控制的策略，從而進一步提升機器的可控性，促進控制系統性能升級，做到可監測自動控制作業的全過程，對于發現的問題能夠及時預警并判斷且做出相應的解決措施，有效地保證系統順利安全運行[22]。

3.2 中藥生產與自動控制技術

中藥制藥過程主要由提取、過濾、濃縮、醇沉、吸附、洗脫、收膏、干燥、制劑及相應的溶劑回收等工序組成，其中，提取、濃縮、醇沉以及干燥等工段都是多變量、擾動大、非線性的復雜動態系統[23]。因此，對提取、濃縮、醇沉及干燥工段進行自動化控制非常重要。中藥生產自動化控制就是在中藥制藥過程中，對影響產品內在質量的關鍵工藝參數（如壓力、溫度、液位、流量、體積、密度、時間、pH值等）進行實時檢測，并做到實時反饋控制，以達到提高中藥產品質量的目的[24]。而中藥生產自動化控制最重要的是實現制藥設備的自動化。將先進的制藥裝備應用到中藥生產過程中，可確保中藥產品的安全性、有效性及經濟性，中藥制藥企業能更好的生存和發展，才能真正加快實現中藥現代化和國際化。并且在中藥制藥行業中應用自動控制技術，能使生產工藝和裝備水平大幅度升級，從而使中藥生產的工藝參數及操作得到有效、嚴格、科學的監測和控制，使得中藥生產連續化和自動化，提高生產效率，使產品更安全，同時降低成本，更符合GMP要求[25]。

4 新型提取工藝對自動化裝備的匹配需求及融合產生的效果

4.1 超聲提取與自動化

4.1.1 現有超聲提取設備

目前，適宜于工業化生產的大功率超聲換能器研究尚未成熟，導致離超聲波發射源較遠物料的提取效率大大減弱，極大地阻礙了超聲波在實際提取工藝中的應用，致使超聲提取設備主要用于實驗研究階段，在工業化生產中的應用較少。實驗室用超聲提取設備通常是槽式超聲清洗器，主要由超聲波發生器、換能器、處理容器組成。這種設備有兩種類型：一種發生器與換能器、水槽分別相互獨立，屬于分體式；另一種設備的發生器與換能器、水槽，為一體，有若干個換能器固定于水槽上[26]，屬于整體式。這兩種設備主要有造價低廉，對反應液體不產生污染等優點。

4.1.2 自動化及主要控制參數

影響超聲提取效率的主要因素有超聲頻率、提取時間、提取次數、提取溫度、藥材粉碎粒度、提取溶劑的種類與用量、聲強、空占比等。因此，在實際生產中需主要對浸泡時間、提取時間、提取溫度、超聲頻率等參數實現自動化控制，以確保提取條件的統一，保證提取物的唯一性和穩定性。

陳亞妮等[27]研究設計了雙頻超聲動態逆流提取裝置，離進料口較近的管道采用低功率高頻超聲波進行提取，離出料口較近的管道，采用低功率高頻超聲波實現強化萃取?？筛鶕暡ň哂胁煌l率的作用及結合管道傳輸的特點，進行科學合理的組合，能克服超聲波在工業化提取時存在能量衰減快的缺點。以期該設備能取代現有的提取設備，有利于實現我國提取設備與工藝的升級。

4.2 微波提取與自動化

4.2.1 現有微波提取設備

微波萃取設備主要分為微波萃取罐和連續微波萃取線。前者類似多功能提取罐，分批處理物料，后者則為連續工作方式的萃取設備，具體參數可根據使用廠家的具體要求進行設計。使用的微波頻率一般有2450 MHz和915 MHz兩種[28]。微波萃取罐主要由內萃取腔、進液口、回流口、攪拌裝置、微波加熱腔、排料裝置、微波源、微波抑制器等組成[29]。萃取系統可根據萃取罐的類型分為敞開式萃取系統與密閉式萃取系統。對于密閉式微波萃取系統，應具有控壓組件，若配置控溫和揮發性溶劑監測附件則更好[30]。

4.2.2 自動化及主要控制參數

微波萃取時，參數通常包括萃取時間、萃取溫度、萃取溶劑量、萃取壓力以及微波輸出功率等[30]。在生產中可對這幾方面進行自動化控制，以確保提取物的質量及提高生產效率。

微波加熱的熱慣性極小，若采用微機進行控制，則特別適用于加熱工藝的自動化控制。采用PLC（可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller）控制系統，會使得微波功率選擇更靈活，溫度更均勻，儀器運行更加穩定，真正實現自動化控制溫度，程序存儲，并可實現程序自動控制[31]。孟慶華[32]等將實驗室用微波爐和蠕動泵相結合，并采用PROG-110可編程微控制器進行控制，可實現整個提取過程自動化控制，并提高了整個萃取過程的可控性和重現性。該設備造價低廉，提取速度快，適用于實驗室分析樣品的制備。動態微波萃取裝置[30]工作時，采用泵將新鮮溶劑連續輸入到萃取罐中，并保持小余壓使溶劑保持液體狀態。提取過程由檢測系統監控，可對復合物進行選擇性提取。該裝置不僅提高了萃取速度，而且保證了被分析物的回收率，在中藥成分的提取分離中有較大的應用前景。

4.3 超臨界流體萃取與自動化

4.3.1 現有超臨界流體萃取設備

超臨界流體萃取裝備主要結構有壓縮機、萃取器、分離器及溫度控制系統等。其萃取過程是一個高壓操作過程，裝置的設計壓力一般大于30 MPa以上。同時物料大多是固體，間隙操作是過程的特點之一，萃取器頂蓋頻繁地開啟進出料，故對萃取器、分離器的設計要求較高，即物料進出口的拆裝要方便、安全、可靠；對疲勞設計、快開密封結構設計、厚器壁的傳熱及裝卸料的自動化等提出了較高的要求[33]。其核心設備是萃取器、分離器和精餾柱，萃取器一般分為間歇式萃取器和連續式萃取器。由于連續式萃取器高壓動密封等諸多難題，因而現階段絕大多數的萃取裝置均采用間歇式萃取器。一般來說，實驗室小型萃取裝置或中式裝置整個萃取系統只有1個萃取器，每次實驗均為間歇式操作；而工業化生產雖然也采用間歇式萃取器，卻采用2個或3個同樣的萃取器并聯的結構，使得裝料、萃取、卸料同時進行，從而使整個萃取過程連續進行[34]。

4.3.2 自動化及主要控制參數

影響超臨界流體萃取效率的主要因素有：壓力、溫度、超臨界流體流量與提取時間等。因此，在生產過程中要對壓力、溫度、流量、液位與時間等實行自動化控制，以提高產品的穩定性。

現有超臨界萃取設備大部分采用了自動控制系統，但都以最基本的反饋控制系統為主。根據被控參數及給定值的偏差量進行控制，最終達到減小或消除偏差的目的。目前，最常用的CO2超臨界萃取設備主要由過程檢測和儀表控制兩個部分組成。就是根據生產過程的工藝特性，在動力源、萃取及分離的容器、冷熱循環系統、高壓管道進出口中采用過程檢測儀表組裝成控制系統，進而通過調節器PID控制參數，使系統處于最佳運行狀態，最終生產過程可得到最優控制。但現階有超臨界萃取設備還處在局部自動化與全盤自動化相結合的階段，在萃取過程的裝填料工段，由于受高壓容器的條件限制，只能實行局部自動控制或者是一次儀表操作。在萃取及分離的生產過程中，過程控制可以實現微機對生產工藝流程進行自動控制，即二次儀表計算機遠程中央控制室監控。還可以用子站模塊、現場總線控制系統。兩種控制形式均可較精確的對萃取、分離、精餾部分的壓力、溫度實行數字的、模擬的控制[35]。采用自動控制超臨界流體萃取裝置，與傳統的手動裝置相比，操作更加安全可靠，避免了長期在高壓容器等設備旁工作的危險性，極大的提高了裝備的技術含量，而且產品純度高，對于提高我國整體超臨界行業技術水平，與國際接軌有重要的意義。

4.4 動態逆流提取與自動化

4.4.1 動態逆流提取設備

常用的設備類型主要有罐組式、螺旋筒式及U型槽式等[27]，主要包括動力系統、提取過程控制系統及溫度控制系統等。目前，中藥提取中最常用的動態逆流提取設備是罐組式提取設備，該設備將兩種動態提取罐機組串聯，溶劑沿著罐組內各罐藥料的溶質濃度梯度逆向地由低向高順次輸送通過各罐，并與藥料保持一定提取時間多次套用[36]。

4.4.2 自動化控制

自動化需要保證整個流程中逆流提取器內溫度和溶媒溫度的穩定，實現溶媒和藥材的規定配比加入，還需要保證蒸汽壓力穩定，溶媒存儲罐液位在正常范圍之內，從而能及時的補充溶劑等。因此，需要建立相應的控制點，如加熱器溶媒溫度、逆流提取器內溫度及進溶媒流等[36]。自動化控制系統包括檢測單元、控制單元和執行單元，在各個控制系統中所需要的硬件也就包括了與單元對應的變送器、控制器和執行器。動態逆流提取系統的檢測點包括加熱器、預浸器和提取器的溫度檢測；進汽閥的蒸汽檢測；存儲罐的液位檢測和進溶媒的流量檢測。西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC CPU317-2作為控制器，可實現對各傳感器、閥、電機信號的采集與傳遞。執行器氣開式或氣關式的選擇原則是要保證生產工藝的安全，即當信號壓力中斷時，應保證設備和操作人員的安全[23]。實現自動化控制能帶來生產效率高、成本低質量高、能耗小、安全等優點。

4.5 酶法提取與自動化

酶法提取的主要影響因素有藥材顆粒度、溫度、pH、提取溶劑及酶解時間等。將其用于中藥提取過程，可采用相關酶制劑替代有機溶媒提高提取物的極性，可保持有效成分活性，縮短提取時間，提高提取率，并操作簡便與對設備要求不高。因此，在中藥提取中有較大的應用潛力。但是由于酶易受溫度、pH值、濃度、作用時間等因素的影響，因此在實際提取過程中，只有對以上參數進行自動化控制，才能確保提取物質量的一致性。近年來，微波、超聲等技術的發展，為酶法的廣泛應用開辟了新的前景[37]，其聯用技術有較大發展。

5 自動控制技術在中藥精油提取中的實際應用

揮發油又稱精油，是中藥材中主要的活性成分之一，具有多種的藥理活性。目前最常用的提取方法為水蒸氣蒸餾法，但普遍存在得油率低、提取周期長、藥材利用率低、能耗高、產品純度差等現實問題。而在中藥精油提取過程中采取自動控制技術能有效解決上述問題，使得油率提高、油水分離效果好、乳化現象少、自動化程度高，同時具有節能降耗、零污染、占地面積小等優點。

在筆者設計并投入使用的自動控制中藥精油提取系統中，通過優化算法、PLC系統、傳感器、執行器等組件，可實時監測各種參數及設備運行狀態，對提取過程及設備進行自動控制，使其協調、穩定地運行在最佳狀態。同時可以根據不同中藥品種，調整控制參數，實現提取工藝動態管理，具有圖形組態、趨勢曲線、報警記錄、數據處理、報表輸出等功能，對于中藥生產的過程分析具有重要作用。智能控制系統具有以下特點：①實現精油提取實時控制，通過軟件編程，實時采集各傳感器的狀態信息，從而實現供熱、供冷、溫度和壓力的調節。同時具有自動記錄參數、自動報警及提供報表的功能。②提取罐可采取直通蒸汽加熱提取和夾套加熱提取，滿足不同種類藥材的提油需求，提取效果好，藥材利用率高。③進料、出渣門采用雙氣缸自鎖型啟閉機構，簡單高效。④全程的人機界面操控和自動化作業可減輕工人勞動強度，改變了以往人工操作以經驗判斷為主的生產模式，有效提高了中藥精油批次間一致性和均一性。

圖1 智能中藥精油提取系統示意圖

6 展望

中藥提取新技術聯用是一種趨勢，聯合運用多種提取方法，能最大限度地保持有效成分的活性，提高提取效率。隨著計算機工程技術、在線檢測技術及自動控制技術等新技術的實施運用，中藥生產必將朝著高質、高效、可控的方向前進，使中藥制藥向科學化、產業化、精細化、標準化的方向邁進。自動化控制在一定范圍內可保證中藥提取的穩定性與均一性，提高了中藥提取的技術含量。由于中藥提取物自身具有的復雜性，且目前中藥成分尚未明確，所以為了能成功提取中藥有效成分，我們只能通過對其外在參數進行有效控制。將提取新技術與自動化結合起來，可最大限度的增加提取效率，降低能耗，實現綠色智能生產[38]。目前，提取新技術發展迅速，越來越多的應用于中藥生產制造。同時需要更多科技工作者共同努力，將中藥提取新技術與自動化技術深度融合，以加快實現中藥現代化。