基于桑叶提取车间布置的设计探究

田 恒，胡凤婷，谢 旺，万远翠，徐瑞璇

(合肥师范学院 化学与化学工程学院，安徽 合肥 230061)

中药，作为中华民族引以为豪的民族瑰宝，一直在全球医药领域中都占有举足轻重的地位。它来源广泛(既可以是天然物也可以是加工物)，不仅能治病养生，且副作用小，但其发展却仍然面临着较多的突出性问题[1]，比如“中药现代化”等。关于“中药现代化”，虽然早在20世纪80年代后期就有人提出，但直到90年代中后期才形成真正意义上的“中药现代化”概念。近年来，随着我国医学事业的发展，特别是GMP、GAP、指纹图谱等一系列标准的制定和实施，使中药现代化逐渐走上正轨。而后，中药指纹图谱技术的推广及应用，大幅度解决了过去中药因成分不清、药效不明、质量不可控而不被国际接受的问题，为中药的国际化发展打下了坚实的基础。

随着“中药现代化”和中药市场的日益兴旺，也为中药生产车间设计的蓬勃发展注入了新的动力。如何按照《药品生产质量管理规范(2010年修订)》、《药品生产质量管理规范(2010)附录》、《医药工业洁净厂房设计规范》、《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)和《中华人民共和国药典(2015版)》等相关规范标准设计出满足先进高效、绿色环保的中药车间就成为了研究的焦点。笔者拟以第九届“国药工程-东富龙杯”全国大学生制药工程设计竞赛“桑叶提取车间设计”为例，从中药提取车间的功能组成，布置优化，人、物流路径和消防安全措施设置等四大方面的设计要点进行了探索性的解析。

1 提取车间布置设计中应注意的问题

车间布置设计是利用制药专业理论知识开展的类实践性应用，在满足生产任务的前提下，还需综合考虑工艺合理性、生产安全性和投资成本。而桑叶提取车间作为常规中药车间的代表，又与化学药车间有着本质的区别，具体表现如下：

1.1 工艺问题

1.1.1 合理的卸料方式

中药提取车间产渣量大、出渣时的人工劳动强度高，同时还应根据药渣的特点设置专用区域[2]用于药渣的暂存和后续处理。而出渣间的湿度高、污染风险大，因此，药渣排放常常是中药提取车间设计中的一大难题，需重点考虑。

1.1.2 匹配的生产设备

生产设备是制药企业完成生产任务的重要支撑和保障，其单设备的可靠性和多设备间的协调性也一直是车间设计中需要关注的焦点。在设备选型前，需要提前了解中药提取的生产工艺。如果对生产工艺不熟悉，则会直接造成生产设备的遗漏。另外，对中药提取车间生产需求和能力预算不够充分，也会导致设备选型与生产需求的不适应[3]。

1.1.3 流畅的衔接工序

在中药提取过程中，各生产工序的有序衔接不仅可以缩短物料的转运距离，防止物料转运时的交叉往返，提高安全生产的可靠性，还能避免各物料的管道过长，在方便管道清洁的同时，减少管道的投资造价成本。

1.2 安全问题

1.2.1 防火防爆

中药提取车间常用醇提法和醇沉法中的浸提剂，其易燃易爆性质让中药车间设计者分外“关心”。对于浸提剂使用、储存的场所，除采用相应等级的耐火材料外，还需要设置专门的防火卷帘门或防火墙等措施。而对于防爆区和非防爆区的隔离，通常采用防爆墙。同时，为便于泄爆，中药提取车间宽度也不宜设计得过宽，并且泄压墙应尽量靠外侧布置[4]。

1.2.2 排湿排热

中药提取过程一般需要使用大量的水和蒸汽，这势必造成车间内多热、多湿的危险环境，同时整个生产过程还会产生不少的废水、废气、废液，这些“三废”的不当处理也会增加中药提取的不利影响，因此，中药提取车间的设计还应做好车间内除湿、降温的措施[5]。

1.3 经济问题

设计成本是车间设计中另一个不可忽视的因素，车间平面布局、设备选型布置和生产成本控制等都会影响着整个车间的经济投入。而在生产成本控制环节中，中药提取的能耗成本占整个中药生产非常高，可达70%左右，控制好能耗对降低成本也至关重要[1]。

2 桑叶提取车间布置设计

桑叶，又名家桑、桑椹树等，广泛种植于我国各地，其内富含黄酮、生物碱、甾醇和氨基酸等活性成分，具有清肺润燥、止咳、清血、降血压、降血脂、降血糖、祛头痛等多重功效[6-8]。

2.1 桑叶提取车间的工艺说明

依据第九届“国药杯”设计任务书的要求，此次车间设计的规模为年处理桑叶2000吨，原辅料需经过提取、双联过滤、固液分离、微滤、超滤、真空浓缩、收膏、喷雾干燥、内包和外包等工序后获得提取物产品，具体流程如图1所示。

图1 桑叶提取车间工艺流程框图

2.2 桑叶提取车间的布置说明

整个车间布局采用竖向设计，以期实现桑叶提取生产流程的垂直化。为减小建筑的总体面积、增大利用率，车间为四层方形外形，东西长48m，南北宽27m，总高23m(各层高分别为6m、7m和5m，其中，三、四层同为5m)。车间侧面外观呈L型结构(如图2所示)，占地面积1296m2，总面积3101m2，洁净区面积451m2。相较而言，车间宽度较窄利于整个车间的排热和排湿，同时，利用车间南北的自然通风，可增加车间的采光度和舒适度。

图2 桑叶提取车间的外观渲染图

2.2.1 桑叶提取车间的区域分布

整个桑叶提取车间共分四层，每层都具有不同的生产功能。

其中，一层为收料层，主要包含收膏、干燥、包装等工序，同时也是出渣工序终端。收膏、干燥收粉、混合、包装等工序以中间站为中心，环绕分布。洁净区内操作间均设计有前室，喷雾干燥塔设有配液间、收粉间和除尘间，避免扬尘；混合间设有检验室和不合格品暂存间。外包间、成品暂存间、空调机房、空压、真空泵机房、控制室、配电室等紧靠洁净区设置于车间南侧。空调系统靠洁净区布置，优化管道布置。

二层为精制层，包含过滤、浓缩、排渣等工序，各种储液罐和浓缩器也布置在该层。渣车轨道布于该层，由操作者在控制室远程遥控渣车。出渣时，小车定位在提取罐出渣口的正下方。待提取罐出渣完毕后，小车驶向排渣口，止于限位处，自动翻转挤液排渣。料渣排往渣槽，渣液则由管道排出。

三层为提取层。提取后的提取液在重力作用下通过管道输送到二层进行下一工序。同时，该层设有辅助功能区，以方便人员操作、减少能源消耗。并且由于喷雾干燥塔过高，一部分高达三层，故在该层设有一间干燥间。观光走廊设在该层，用防爆玻璃隔离，中间与二层过滤浓缩精制区相通，透过防爆玻璃参观二层生产工序。

四层为投料层。为合理利用空间、保证生产的连续性，该层设置了称量室和净药材暂存区。同时置货梯，以便运输物料[9]。待提取的中药材在本层经称量处理后，由加料斗投入提取罐进行提取操作，为避免投料时造成污染以及产生大量的粉尘，加料斗上设有密封的盖，完成投料后封盖，能起到降低劳动强度的作用。药材称量、暂存及投料集中布置[10]，保证生产连续性。具体车间楼层分布如表1所示：

表1 车间楼层分布表

根据设计要求，桑叶提取车间的收膏、收粉、出料、混合和内包工序都应设置洁净区。为满足洁净区面积最小的设计原则，本车间将洁净区集中设置在一层，并以中间站为中心，各生产操作间(收膏间、干燥间、收粉间、混合间、内包间等)按工艺流程围绕中间站进行布置，外包间则就近设置在缓冲间对面。

2.2.2 桑叶提取车间垂直工序布置说明

为充分利用楼层高度差优势，此次桑叶提取车间内的设备尽量设计为垂直化布局，如：四层布置投料设备，三层主要布置提取设备，二层设有除渣设备，一层为收膏、包装设备。投料时利用四楼投料口与三楼浸提设备间的高度差将桑叶投入提取罐；得到的浸提液则利用三层与二层、二层与一层的高度差分别进入浓缩器和干燥设备中完成收膏工序；而中药废渣则在二层通过挤渣除渣车使药渣和药液分离后进入一层储渣仓内暂时存放[11]，待药渣积累到一定量后，由运渣车运至厂外处理(如图3所示)。与传统的平面布局相比，此布局在节省车间占地面积和输送设备数量的基础上，更易于控制尘屑和汽雾的扩散，方便清除药渣[12]。

图3 垂直设备布置图

2.2.3 桑叶提取车间内的人、物流说明

(1)人流说明

一般生产区的人员净化室主要包括门厅、雨具存放间、换鞋间、更衣间等。工作人员进入门厅后首先进入换鞋室(如有需要，先进雨具存放间存放雨具再进换鞋间)，房间内设置有双向鞋柜，一面存放非工作鞋，另一面存放用于更换的工作鞋，鞋柜数量应根据生产车间具体人员的数量进行调配。更衣室用于非工作服和工作服的替换，经洗手消毒后从缓冲间进入生产区。而需进入D级洁净区的工作人员则需再次经过气闸、洗手消毒，换衣后才能去往各自工作岗位，具体的洁净区人流走向图可参见图4实心箭头所示。

(2)物流流向

原药材桑叶从车间一层西南角进入车间，经物净后进入货梯直接运往四层，在车间四楼物流通道经由称量室称量分装后，送入原药材暂存间存放。采用人工上料的方式将桑叶从投放口投料，经管道进入提取罐。等到浸提工序结束后，再由管道将提取液从二层罐体运输至一层的收膏间进行收膏。检验合格后的膏体由手推车推送至喷雾干燥间干燥、总混。完成合格后，经内、外包等一系列连续加工后，成品由车间南侧出口运出。一楼的物流走向图可参见图4空心箭头所示。

2.2.4 消防安全措施说明

由于桑叶提取中的多处工序均会涉及到易燃易爆液体-乙醇，为保证生产环境和生产人员的安全，车间设计需要在明确防火防爆分区的基础上进一步设置相应的应急措施。

(1)防火分区

结合任务书要求得知，本次桑叶提取车间设计的火灾危险等级属于甲类、防爆等级为ⅡA。而依据《建筑设计防火规范》GB50016-2014规定：当甲类生产区域面积占防火分区面积的比例大于5%时，整个厂房须参照甲类要求设计，所以本车间的一至三层全部为甲级防火类型，第四层为普通级，三层和四层不同防火等级的楼层间采用了防火墙或防火建筑材料进行隔开。同时，在车间各层内广设各种防火措施：消防安全标志设置齐全，楼层、楼道之间设有“紧急出口”；楼板选用具有一定耐火极限的材料；根据面积合理划分多个防火分区，并在每个防火分区内设置安装烟雾报警器、消防喷头、单栓消防箱及自动和手动报警系统等；空调管道的送、回风管在进出机房的隔墙处均安放防火阀等，具体布置见表2所示。

表2 各防火分区内的主要防火设施

(2)防爆分区

表3 防爆分区泄压面积设计值

表4 防爆分区设施

3 结语

在中药提取车间设计中，如何解决投卸料方式、工序合理衔接和防火防爆措施等问题显得尤为重要。在不断借鉴前人设计成果和发挥所学专业特长的基础上，笔者以质量源于设计的理念探究桑叶提取车间布置中的工艺、安全及经济问题，利用多层提取车间的垂直化布局优势，以流畅的工艺路径保证了桑叶浸提工艺的合理性，并在着重强化防火防爆设计和排湿排热措施解决安全问题的同时，采用缩短工艺路线和提高车间自动化程度的方式优化了桑叶提取车间的设计成本，希望对中药的车间设计思路起到推陈出新、为未来的中药富强之路提供设计保障。