中药提取生产过程自动化控制应用探讨

中药提取生产过程自动化控制应用探讨

刘志军 李建彬

湖南汉森制药股份有限公司  刘志军

兆科(广州)眼科药物有限公司  李建彬

摘要：中药提取是将药材中的有效物质经过溶剂传递的传热传质流程。该工艺流程通过调节真空度、水温、压强、液位、原料液含量、溶剂蒸发等各项技术参数来进行。传统的手工操作会对最终的效果产生负面影响。文章首先阐述了中药自动提取的实际意义，并进一步阐述了中药提取自动控制系统的主要组成和功能。

关键词：中药提取；自动化；中药生产

1 中药提取实现自动化的意义

1.1 中药提取运作现状

早期，由于受工业自动化和信息化发展水平的影响，药材提取过程基本依靠一线操作技术人员的观察和制造经验加以管理，由于没有新的方法和设备，无法严格控制质量。随着工业生产技术的提升，不少企业也开始步入了中药加工提纯的过渡阶段，并开始逐步实行单机工业生产自动化系统模式。随后，随着有关主管部门的鼓励、提倡自动化，部分新建药企在建设初期规划和建设自动化提取，以及旧厂房在原基础上通过技术改造同样建设自动化生产联动线，初期虽然只管理了部分工艺参数，缺少对整个提取流程进行了参数的自动判断和自动化控制，但有效的避免了人工判断失准和不及时的问题。目前已经达到了非常成熟的阶段，可以对前后端条件判断、数据采集、数据判断、预警、执行以及生成电子生产记录等。

1.2 中药提取自动化的必要性

中药提取是生产中医药产品的重要环节。中药提取的自动化不但能够增加中药生产技术的安全性，同时也能够保证成分的稳定性。中药提取的自动化主要包括以下五大好处。1)可以减少生产周期，提高生产率。2)降低人为干预所带来的质量误差。3)增加原料、机器设备和资源的使用率，从而降低成本。4)降低因人工操作失误所带来的危险，使制造流程更加安全。5)减轻劳动强度，从而提高人员的工作环境。

2自动控制技术在中药提取中的需求

2.1 自动化技术优点

实现中药自动提取，一方面能够有效确保工艺参数与生产标准相符，另一方面能够减少因人工干预而引起的质量误差，同时能够更方便地管理和调节工艺参数。还能够提升制造效能，提高质量，减轻劳动强度，节约成本，提高原料与资源的最大使用率。

2.2 自动控制技术与中药提取

提取、浓缩和醇沉是中药提取过程中的三个重要过程，由于其流程存在扰动、多变数、非线性等特征，必须对重要工艺参数进行实时测量和进行反馈。为了达到中药提取的智能化，首先要达到提取设备的智能化，如此方可确保中药产品的连续性。

3中药提取自动化系统

中药自动提取系统不仅要实现数字化信息管理，保持生产数据的完整性，提高产品批次间的稳定性，实现生产记录的可追溯，还要实现节能环保、生产安全、技术优化等。

3.1 控制系统结构

目前很多中药提取自动化系统都是以SIMATIC PCS 7 V9.0为平台的，这也是国际主流的DCS系统。CPU采用最高410-5h系列，中文Windows10为操作系统，控制系统采用C/S架构。控制系统的主体分为控制站、操作服务器、操作者站、工程师站、现场仪表和执行器、计算机。控制系统中可以按照设备分散程度设计多种I/O控制器，以完成对各个区域的统一管理。控制器采用工业以太网与上位操作者站相连，而PROFINET采用现场总线接口也相应地与下位执行器相连。I/O工作站收集现场设备的I/O信息，并利用接口模块将数字及模拟信号传送至中控制器工作站，将由中控制器发送的控制器信息发送至生产现场设备。利用现场设备一次仪器及履行机制，对整个生产流程的运行参数进行测量，并对整个生产流程实施管理，从而完成了对整条生产线的执行、监控与数据管理。

3.2 自控系统功能

自动控制功能主要分为以下九个方面。1)设置与多级权限保护功能。2)控制系统中具备的生产过程参数管理与维护功能。3)生产流程的可视化管理。4)作业管理员能够在线监视整个生产流程，并快速看到不同的工作视图。5)控制系统能够通过装置的实际工作状况，自动评估装置状况。6)相应的记录内容可提供存储记录、检索。7)具备运行信息提示功能和告警系统，可以设定告警优先级。8)具备GMP数据管理内容。9)视频数据可以整合在DCS管理系统中，进行资源共享与关联。

3.3 提取过程控制系统

提取过程包括系统测试自查、进料、加入溶媒、加热、煮沸控温、冷凝回流、药液循环、出液、出渣、洗涤。一般来说，首先是进行系统自查，主要是设备系统自检以及检测公用系统条件，如压缩空气压力、蒸汽压力、自来水压力等供给是否符合规定，判断装置是否有故障或正在维护中，清洗是否已经完成，最后对装置状态进行初始化，以确定所有阀门是否达到正常状况，当系统自检合格后可进入投料装填，在确定所有添加物都完成后，就可进行下一个，如添加溶剂。达到设定值后，阀门将自动关闭调整浸泡时间。浸泡后，在提取温度控制与液体循环控制系统中对应进行升温。由控制系统自行判别出液状况、堵塞情况、排渣系统与排渣车联系、罐底门与罐底启动装置的连锁保护、进出罐底的液体。提取槽、提取槽的清洗等。

3.4 浓缩过程控制系统

浓缩过程包括抽真空、补液、浓缩、排放、密度控制、溶媒回收或排放等。首先自检控制系统设备和装置状况，然后启动真空系统阀，以最大真空度进料，并自动控制浓缩全过程对温度控制、消泡监控、真空监控、运行检测、原物料监控和终点检测、排放监控、排液监控、清洗、安全连锁管理等。并完成在浓缩过程中对药液温度、液体密度等质量目标的管理。浓缩器的泡沫检测，能够解决中药提取物在减压升温等条件下的物料运行问题。不但能够实现连续进料，还能够进行冷凝液接收器的液位测试，并进行自动排放，以确保整个浓缩过程的持续完成。

3.5 醇沉过程控制系统

沉醇流程的自动控制，主要涉及沉醇槽供料的自动测定、所需乙醇的计量和浓度测定、温度、静置时间管理、初始混合速率管理、上清液提取管理、排渣控制、沉醇槽的自动清洗管理，以及安全防控等。

3.6 乙醇回收过程控制系统

乙醇回收过程使用单效浓缩器，从浓缩器抽真空度到供料、浓缩、出液过程、回收终点判断中实现自动控制。乙醇回收过程控制系统在自检后完成最大真空度的上料，在处理过程中根据液位完成调节。进料后，温度控制、消泡调节、物料运行调节、物料搅拌控制、浓度检查、出料调节、排液调节和清洗，并进行安全链控制。

4 中药提取生产过程控制

提取设备主要包括提取罐、过滤器及提取液储罐等设备，通常提取的主要生产过程是将中药材浸入溶媒中进行加热提取，生产流程如下：提取罐试漏→投料药材条码扫描枪确认→投料→进溶媒→一次升温煎煮→一次保温→二次加溶媒→二次升温煎煮→二次保温→出液。中药药材的化学成分十分复杂，有些中药在提取过程中还需要收集挥发油、芳香水等，为了使提取罐内部受热均匀，当提取罐内上下部温差较大时，提取罐内药液需要能够自动循环形成对流。通常中药控制主要以投料自动控制、溶媒进量计量控制、提取温度均匀控制、收集挥发油自动控制、出药结束判断、堵料自动控制、出渣系统联动，控制、罐底锁与罐底开启装置的联锁与保护等为主要控制目标。

常见的浓缩过程包括双效浓缩、单效浓缩。浓缩过程主要包括浓缩液进液、浓缩液补液、浓缩、出液和冷凝液回收或排放5个部分，在该工艺过程控制中增加温度监控装置、真空度监控装置、密度检测装置和在线含量检测分析装置，实现对浓缩过程中物料温度、物料密度、物料成分在线分析等质量目标的控制，实现浓缩终点判断和出液控制的自动化控制。增加浓缩器泡沫检测装置，解决中药提取液在减压和加热状态下跑料问题，实现浓缩液在浓缩过程中连续进液功能，同时根据冷凝液受液器液位检测装置，实现自动排液功能，保证蒸发过程连续进行。

中成药的研究和生产是从原药材中有效成分或生理活性化合物的提取、分离工作开始的。在进行中药材提取之前，应对所用药材的基源、产地、药用部位、采集时间与方法进行考察，并系统查阅文献，以充分了解、利用前人的经验。

从药材中提取已知的有效成分比如从金银花中提取有效成分绿原酸，从连翘中提取有效成分连翘苷，从黄芩中提取有效成分黄芩苷，从甘草中提取甘草酸、甘草甙等，一般先查阅有关资料，搜集比较该种或该类成分的各种提取方法、工艺，特别是工业生产方法。再根据中成药的剂型、用途等具体条件确定最终提取方法。

从中药材中提取有效成分的方法有：溶剂法、水蒸气蒸馏法、升华法等。后两种的应用范围十分有限，大多数工业生产过程中采用溶剂法提取。溶剂法提取是选择适当溶剂将中药材中的化学成分提取分离出来。工业生产中常用的提取溶剂有水、乙醇、甲醇等。一般而言，植物成分中萜类、甾体等脂环类及芳香类混合物因为极性较小，易溶于氯仿，乙醚等亲脂性溶剂中；糖苷、氨基酸等类成分则极性较大，易溶于水及含水醇中；酸性、碱性及两性化合物，因为存在状态随溶液pH不同而已，故溶解度随pH值的改变而改变。

从中药材中提取有效成分时，由于存在多种成分间的相互助溶作用，情况要复杂得多。因此从药材中提取有效成分很难有一个固定的模式。通常需根据提取要求、目的成分及杂质的性质差别以及溶剂的溶解能力来确定。一般，可将固体药材按提取用的溶剂的极性递增方式，用不同溶剂依次进行提取。也可将药材直接用水或乙醇提取，提取液浓缩成膏，干燥成粉。这是工业生产中常用的提取方法，适合中药材大批量提取生产。

5 中药提取的自动化控制展望

随着中药现代化发展速度的不断加快，传统中药生产装备和人为控制管理方式已经难以满足现代化的发展需求，为此在现有的管理基础上，开发出新的中药生产设备以及控制管理技术手段，已经成为中药现代化操作的一项主要的课题。在中药的生产操作背景下通过计算机控制技术的使用，可以令中药生产的操作工艺和相关的参数都能得到合理、有效、合规、严谨的控制管理，令整个生产模式连续性和自动化程度提升。继而提升生产效率，实现生产成本的降低，让产品的安全性增加。自动化控制管理工作就是在整个中药生产工作的推进落实下，基于影响中药产品的质量关键参数信息，对其进行实时的数据调节分析，同时对生产过程中这些参数的实时表达进行反馈分析和控制管理，从而达到质量控制的最终目的。以此避免因为手工操作控制的不精准性导致的产品质量问题。

首先，在此基础上要满足单元操作下的自动化控制管理工作，要做好提取工作要求下的自动化控制管理。为了满足不同环境下中药提取工作的要求，就需要做好计算的自动检测分析和控制综合管理，从中药的提取工艺分析，判断其中存在的共性问题，分析其中所蕴含的特点和需求，既要满足现有的工艺基础条件，又要适应后期的技术发展特点需求。另外也要对浓缩工段的工作变量特征进行管控分析，建立起精准细致的数学模型结构，以更好地解决在整个工作过程中所出现的热分解、溶剂回收不安全等诸多问题。要充分的认识到液冷、结焦、热分解等问题的出现对于中药产品的质量和效果所产生的直接影响，为后续的操作所产生的影响。而浓缩过程中所开展的自动化控制有利于保证生产工作中药材本身的效果稳定，让生产的效率得到稳健的提升，实现生产成本的降低，满足生产的实际需求。

其次，要针对当前的实际工作特点和情况完善生产控制标准，减少人工操作、干预的动作，才能更好的实现设备自动控制。人工干预和操作有着较为明显的不可抗性，因为人力的不可预判，就会对整个操作的效果和药物的最终药效有较为明显的影响。醇沉工段的自动化控制功能主要是对于原有药膏的自动计量、所需的配药量进行自动的计算和计量。醇沉时颗粒的沉降速度以及澄清液体质量不能实现定量控制的，因此难以有效的确保产品一个批次下的操作稳定性，不能有效的保证产品的实际质量和最终的效果，这本身对于醇沉工段的自动控制也有着较为直接的影响。

再有，需要不断的完善硬件、软件功能提升自动化、智能化水平。中药制造企业未来的智能化发展不仅体现在自动化生产设备的使用上，还体现在全过程的智能化设计、智能化生产、智能化管理和智能化服务上。目前对于运营管理层和决策管理层，还是缺乏信息共享、数据互联互通的平台，实现数据驱动企业价值、科学决策。相信在未来，通过研发、工艺、生产的横向集成以及企业、车间、设备的纵向贯通，构建工艺规划、工厂规划、生产运营集成管控的一体化环境，构建精准、实时、高效的控制和数据采集互联体系。

结束语：随着中药提取工程技术和自动控制技术的深入融合，相信未来中医药提取与制药智能化将实现。目前，国内外主要中药生产单位的中草药提取主要分为提取、醇沉和乙醇回收。只有了解影响各工艺产品质量的各种因素，才能进一步提高自动控制的准确度，从而减少资料耗费，优化工艺参数，提升产品质量。

参考文献：

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[2] 魏杭立. 中药提取生产过程与自动化控制探析[J].  2021(2017-35):116-.

[3] 张志文. 自动化技术应用于中药提取生产领域的探讨[J].  2021(8):94-94.