中药提取自动化的研究

贾晓伟 马 静 潘 浩 张惠斌

（1．山东步长制药股份有限公司，山东 菏泽 274000；2．山东丹红制药有限公司，山东 菏泽 274000）

1 中药提取实现自动化的意义

1.1 中药提取运作现状

前期受自动化和信息化水平的影响，中药提取基本根据一线操作员工的观察和生产经验来操控，缺少新方法、新设备，无法实现对生产的药品质量的严格管控。随着科技的进步，很多制药企业的中药提取进入过渡阶段，开始采用单机自动化的工作模式。随后国家相关部门的监管力度加大，部分新建药厂和旧药厂通过技术改造升级后实现了自动化生产联动线，仅是控制单一或局部工艺参数，但对于中药提取过程中的全部工艺参数缺乏控制[1]。

1.2 中药提取自动化的必要性

中药提取是中药生产的一个重要环节。实现中药提取自动化，不仅可以提高中药产品工艺的可靠性，而且可以保持成分的稳定性。中药提取自动化包括5 个优点。1）缩短生产周期，增加产量。2）降低人为干扰导致的质量偏差。3）提高原料、设备及能源的利用率，降低成本。4）减少因人工操作失误而造成的危害，使生产过程更加安全。5）降低劳动强度，改善员工工作环境[2]。

2 中药提取各工序影响因素分析

目前国内大多数的中药生产企业的中药提取主要包括提取、浓缩、醇沉及乙醇回收4 个基本工序。只有熟知影响各工序质量的因素，才能提高自动化控制精度，避免资源浪费，优化工艺参数，进而提高产品质量。

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剂中的溶解度不同，选择一种合适溶剂将目标成分由药材组织中逐步分离出来的过程。

2.1.1 溶剂

一般溶剂可选择饮用水或乙醇来进行水提或醇提。溶剂量的多少、加入溶剂时间、溶剂温度都会影响最终的提取质量。

2.1.2 药材

主要是药材的粒度，一般情况下药材粉碎的越细，提取的效率就越高。但粉碎过细，药材中的杂质成分提取也较多，后续分离难度大，且细颗粒容易引起堵塞。

2.1.3 温度和时间

通常热提效率高，冷提杂质少。提取时间较长则提取较完全，但相应的杂质会增多。

2.2 浓缩工序

浓缩就是通过加热将溶剂从溶液中蒸发、分离出来，并提高该溶液浓度的过程。1）蒸汽压力越大，温度越高，蒸发速度越快。2）药液蒸发面积越大、蒸发速度越快。3）液体表面的压力越小，蒸发速度越快。4）溶剂的蒸汽浓度越大，蒸发速度越快。

2.3 醇沉工序

醇沉就是利用有效成分易溶于乙醇，其他杂质不易溶于乙醇的特性，将溶液中的有效成分转移到乙醇中，并经过沉淀去除杂质的过程。影响醇沉的因素有以下6 个方面。

2.3.1 乙醇浓度与用量

当含醇量在50%～60%时即可去除淀粉等杂质。达60%时可以去除无机盐。大于75%时即可去除蛋白质等杂质。当含醇量达到80%时，全部淀粉、多糖、蛋白质、无机盐类杂质几乎都可以除去。当某种浓度的乙醇总量小于临界点数值时，醇溶物的量随乙醇用量的增大而增大。当高于临界点数值时，醇溶物量的增加趋势放缓直至饱和。

2.3.2 初膏浓度与温度

为保证能最大限度地去除杂质，保留有效成分并降低乙醇耗量，我们必须要对药材水提液进行浓缩，并达到一定浓度。如果初膏浓度太低，那么药液量就会较大，相应的乙醇耗量也会变大。如果初膏浓度太高，那么药液的黏稠度变大，导致药液与乙醇接触不充分，由此产生的沉淀很容易包裹药液，损失大量有效成分。初膏与加入乙醇的温度差太大也容易产生包裹。

2.3.3 加醇方式

如果在醇沉开始时就加入大量高浓度乙醇，一旦搅拌不均匀，就会造成局部含醇量太高，淀粉、蛋白质等就会迅速沉析并包裹浓缩液。随着乙醇含量的增大，包裹层的质地也会越来越致密，最终难以分散。所以为了彻底除去杂质，减少有效成分的损失，我们一般采用以梯度递增或者分次醇沉的方式来提高乙醇浓度。

2.3.4 搅拌速度

合适的搅拌速度可以增加乙醇与药液的有效接触面积，提高乙醇与药液的均一性。如果搅拌速度过快，便会造成沉淀颗粒过度分散而很难分离。反之，搅拌速度过慢，导致药液与乙醇不能混匀，局部乙醇的浓度就会因为过高而出现包裹现象，并流失大量的有效成分。

2.3.5 醇沉时间及温度

如果加醇时药液温度太高，那么在乙醇挥发的同时，药液就会产生包裹现象，并损失有效成分。如果醇沉温度过低，那么沉淀物析出速度与沉降速率都会加快，导致静置时间短，反之则越长。

2.3.6 乙醇回收

乙醇回收也是利用蒸发原理。在加热过程中，因为乙醇的沸点低于药液的沸点，所以乙醇最先被挥发出来。其影响因素与2.2 浓缩工序相同。

3 自动控制技术在中药提取中的需求

3.1 自动化技术优点

实现中药提取自动化，一方面可以有效确保工艺参数与中试条件相匹配，并能消除人工干扰导致的质量偏差，又可以方便控制和调整过程参数。另一方面可以提高生产效率，提升产品质量，降低劳动强度，节约成本，提高原料和能源的最大利用率。

3.2 自动控制技术与中药提取

提取、浓缩、醇沉是中药提取过程中的3 道重要工序，但其过程都具有扰动性、多变量、非线性等特点，所以需要对关键工艺参数进行实时检测，并实时反馈。要实现中药提取自动化，那么就必须先实现制药设备的自动化，只有这样才能保证中药生产的连续性。

4 中药提取自动化系统

中药提取自动化系统不仅要实现数字化信息管理，保持生产数据的完整性，提高产品批间的稳定性，做到生产记录可追溯，而且还要做到节能环保、安全保险、技术优化等。

4.1 控制系统结构

目前中药提取自动化系统很多都是以SIMATIC PCS 7 V9.0为平台，其也是国际主流的DCS 系统，CPU 采用最高级的410-5H 系列，以中文Windows10 作为操作系统，控制系统采用C/S架构，系统主要包括控制站、操作服务器、操作员站、工程师站、现场仪表与执行机构、计算机网络。系统可以根据分散程度设计多个I/O 控制点，实现不同区域的控制。控制系统通过工业以太网连接上位操作员站，由PROFINET 现场总线同下位执行机构进行相应的连接，I/O 站采集现场的I/O 信号，通过接口模块将现场数字量或模拟量信号传送到中央控制站，同时将中央控制器发送来的控制信号送至现场。现场一次仪表和执行机构对生产过程的运行参数进行检测，对生产过程进行控制[3]，从而实现对整条生产线的控制和数据管理。

4.2 自控系统功能

自控系统功能包括9 个方面。1）系统设置多级权限保护。2）系统具备生产工艺参数管理与保护功能。3）生产过程可视化管理。4）操作员能对生产流程进行在线监控，并可快速查看不同视图。5）系统根据设备的实际运行状态，可以自动判断设备状态。6）有相应的历史记录可供查询。7）具备运行信息展示功能及报警系统，并设置报警优先级别。8）符合GMP数据管理内容。9）能将视频数据集成到DCS 系统中，实现数据共享与关联。

4.3 提取过程控制系统

提取过程包括投料、加溶媒、升温煎煮、保沸、出液、出渣、清洗。通常情况下，首先要进行系统自检，主要是检测蒸汽和溶媒的供应是否符合要求。其次进行设备状态自检，主要是判断设备是否出现故障或维修中，是否完成了清洁。最后就是对设备状态进行初始化，判断各个阀门是否处于正确状态。只有通过系统自检后才能进行自动投料，确认投料结束后才能进入下一环节，即加溶媒。待达到设定值后自动关闭阀门，进行浸泡计时。浸泡结束后进行升温，期间要进行煎煮控制和药液外循环控制。煎煮结束后系统自动判断出液情况、堵料情况、出渣系统与渣车联动情况、罐底锁与罐底开启装置的联锁与保护情况、提取液储罐进出液情况、提取罐清洗情况等[4]。

4.4 浓缩过程控制系统

浓缩过程包括真空进液、浓缩液补液、浓缩、出液、冷凝液回收或排放等。首先系统对公用系统及设备状态进行自检，然后开启真空调节阀，自动控制真空进料，整个浓缩过程需要进行温度控制、消泡控制、真空度监控、跑料检测、并料控制、浓缩密度及终点检测、出料控制、受液器排液控制、清洁、安全连锁控制。并实现对浓缩过程中药液温度、药液密度等质量目标的控制。浓缩器的泡沫检测可以解决中药提取液在减压和加热状态下的跑料问题，既可以实现浓缩液的连续进液，又可以实现冷凝液受液器的液位检测，实现自动排液，保证蒸发过程可以连续进行[5]。

4.5 醇沉过程控制系统

醇沉工序自动控制主要包括醇沉罐进料的自动计量、所需乙醇的计算和计量、温度控制、静置时间控制、初始搅拌速度控制、上清液抽取控制、排渣控制、醇沉罐自动清洗控制以及安全连锁等。

4.6 乙醇回收过程控制系统

该过程的设备采用单效浓缩器，从浓缩器抽真空开始，再到进料、浓缩、出膏，整个过程实现自动化控制。系统自检后开始真空进料，期间进行真空度控制。进料完毕后，要进行温度控制、消泡控制、跑料控制、并料控制、浓缩终点检测、出料控制、受液器排液控制以及清洁、安全连锁控制。

5 结语

随着中药提取新技术与自动控制技术的进一步融合，相信未来将会全面实现中药提取生产自动化。