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 中藥提取實現自動化的意義

1.1 中藥提取運作現狀

前期受自動化和信息化水平的影響，中藥提取基本根據一線操作員工的觀察和生產經驗來操控，缺少新方法、新設備，無法實現對生產的藥品質量的嚴格管控。隨著科技的進步，很多制藥企業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。隨后國家相關部門的監管力度加大，部分新建藥廠和舊藥廠通過技術改造升級后實現了自動化生產聯動線，僅是控制單一或局部工藝參數，但對于中藥提取過程中的全部工藝參數缺乏控制[1]。

1.2 中藥提取自動化的必要性

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

2 中藥提取各工序影響因素分析

目前國內大多數的中藥生產企業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量的因素，才能提高自動化控制精度，避免資源浪費，優化工藝參數，進而提高產品質量。

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，藥材中的雜質成分提取也較多，后續分離難度大，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，冷提雜質少。提取時間較長則提取較完全，但相應的雜質會增多。

2.2 濃縮工序

濃縮就是通過加熱將溶劑從溶液中蒸發、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，蒸發速度越快。2）藥液蒸發面積越大、蒸發速度越快。3）液體表面的壓力越小，蒸發速度越快。4）溶劑的蒸汽濃度越大，蒸發速度越快。

2.3 醇沉工序

醇沉就是利用有效成分易溶于乙醇，其他雜質不易溶于乙醇的特性，將溶液中的有效成分轉移到乙醇中，并經過沉淀去除雜質的過程。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。達60%時可以去除無機鹽。大于75%時即可去除蛋白質等雜質。當含醇量達到80%時，全部淀粉、多糖、蛋白質、無機鹽類雜質幾乎都可以除去。當某種濃度的乙醇總量小于臨界點數值時，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，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，包裹層的質地也會越來越致密，最終難以分散。所以為了徹底除去雜質，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包裹現象，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，那么在乙醇揮發的同時，藥液就會產生包裹現象，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出來。其影響因素與2.2 濃縮工序相同。

3 自動控制技術在中藥提取中的需求

3.1 自動化技術優點

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

3.2 自動控制技術與中藥提取

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，所以需要對關鍵工藝參數進行實時檢測，并實時反饋。要實現中藥提取自動化，那么就必須先實現制藥設備的自動化，只有這樣才能保證中藥生產的連續性。

4 中藥提取自動化系統

中藥提取自動化系統不僅要實現數字化信息管理，保持生產數據的完整性，提高產品批間的穩定性，做到生產記錄可追溯，而且還要做到節能環保、安全保險、技術優化等。

4.1 控制系統結構

目前中藥提取自動化系統很多都是以SIMATIC PCS 7 V9.0為平臺，其也是國際主流的DCS 系統，CPU 采用最高級的410-5H 系列，以中文Windows10 作為操作系統，控制系統采用C/S架構，系統主要包括控制站、操作服務器、操作員站、工程師站、現場儀表與執行機構、計算機網絡。系統可以根據分散程度設計多個I/O 控制點，實現不同區域的控制。控制系統通過工業以太網連接上位操作員站，由PROFINET 現場總線同下位執行機構進行相應的連接，I/O 站采集現場的I/O 信號，通過接口模塊將現場數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送來的控制信號送至現場。現場一次儀表和執行機構對生產過程的運行參數進行檢測，對生產過程進行控制[3]，從而實現對整條生產線的控制和數據管理。

4.2 自控系統功能

自控系統功能包括9 個方面。1）系統設置多級權限保護。2）系統具備生產工藝參數管理與保護功能。3）生產過程可視化管理。4）操作員能對生產流程進行在線監控，并可快速查看不同視圖。5）系統根據設備的實際運行狀態，可以自動判斷設備狀態。6）有相應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，并設置報警優先級別。8）符合GMP數據管理內容。9）能將視頻數據集成到DCS 系統中，實現數據共享與關聯。

4.3 提取過程控制系統

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，首先要進行系統自檢，主要是檢測蒸汽和溶媒的供應是否符合要求。其次進行設備狀態自檢，主要是判斷設備是否出現故障或維修中，是否完成了清潔。最后就是對設備狀態進行初始化，判斷各個閥門是否處于正確狀態。只有通過系統自檢后才能進行自動投料，確認投料結束后才能進入下一環節，即加溶媒。待達到設定值后自動關閉閥門，進行浸泡計時。浸泡結束后進行升溫，期間要進行煎煮控制和藥液外循環控制。煎煮結束后系統自動判斷出液情況、堵料情況、出渣系統與渣車聯動情況、罐底鎖與罐底開啟裝置的聯鎖與保護情況、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

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。首先系統對公用系統及設備狀態進行自檢，然后開啟真空調節閥，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。并實現對濃縮過程中藥液溫度、藥液密度等質量目標的控制。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下的跑料問題，既可以實現濃縮液的連續進液，又可以實現冷凝液受液器的液位檢測，實現自動排液，保證蒸發過程可以連續進行[5]。

4.5 醇沉過程控制系統

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

該過程的設備采用單效濃縮器，從濃縮器抽真空開始，再到進料、濃縮、出膏，整個過程實現自動化控制。系統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 結語

隨著中藥提取新技術與自動控制技術的進一步融合，相信未來將會全面實現中藥提取生產自動化。