中药提取浓缩生产过程的自动控制

作者:颜华辉 林志展 刘俊 杨鹏军 文章来源:苏州浙远自动化工程技术有限公司 点击数:4520 发布时间:2016-10-21
本文简要介绍了中药提取浓缩生产过程的主要工艺流程,重点阐述了中药提取浓缩过程自动控制的总体设计方案,并总结了现场应用情况.
中药提取浓缩生产过程的自动控制

本文简要介绍了中药提取浓缩生产过程的主要工艺流程,重点阐述了中药提取浓缩过程自动控制的总体设计方案,并总结了现场应用情况。

我国是中医药的发源地,中药是我国的传统医学和传统文化的瑰宝,数千年来为中华民族及世界人民的健康做出了巨大贡献。我国中药贸易所占比例仅3%,而且大多数是以原料形式进行交易,而日本的贸易额占了市场的80%多,我国中药的开发或贸易处于弱势,而中国进入WTO后,为中国中药进入国际市场提供了极好的机遇。

中药提取浓缩是中药生产的一个必不可少的环节,所谓中药提取浓缩生产过程,是依据GMP 规范,按给定的配方,生产一定数量产品的过程。中药提取浓缩生产采用批量生产方式,也叫间歇生产方式,其主要特点是小批量、多品种。

近20年来,随着科学技术的发展,涉及人类生命、生活的中药企业快速发展,先进生产设备和竞争机制大量引入,自动化程度显著提高。目前自动化技术已经成为中药提取浓缩生产过程中必不可少的生产技术和企业参与竞争的重要标志。随着中药剂型多样性的发展,人们对中药提取浓缩过程中质量控制的要求也越来越高,这势必要求中药生产过去不能再像传统工业生产模式,需要引入自动化控制技术

主要工艺流程

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。

总体设计

中药提取浓缩生产属于间歇性生产过程,在乙醇提取和乙醇浓缩过程中,存在易燃易爆的乙醇,是最典型和最危险的生产环境,因此在总体设计时必须考虑提取浓缩生产过程中对控制系统的基本要求:安全、可靠、稳定、操作方便。控制系统中继电器、电磁阀、隔离栅等24V DC直流用电设备,专门使用冗余的24V DC直流电源,保证系统可靠地供电。防爆车间的模拟量采用隔离安全栅进行隔离,确保信号的安全。提取浓缩生产过程中自动控制的总体设计主要分为两部分:提取控制系统(DCS)、浓缩控制系统(DCS),总体配置图如图2所示。

控制系统(DCS)

提取和浓缩生产装置的控制系统采用两个控制站(DCS),由3个操作站、一个工程师站、两个控制站、一个Web服务器和一套过程控制网络组成,10套提取装置和浓缩装置的I/O测点配置如表1所示:

以10套提取浓缩设备为例,生产现场仪表设备较多,检测变送测量装置155台、气动调节阀50台、气动开关阀550台;自控程度高,控制回路共有50个,以常规单回路控制为主,复杂回路有分程控制和串级控制。

提取工段

在提取过程中自动化控制系统实现的控制功能,有投料时原药材的扫描和确认、自控系统工艺参数的设定和下载、溶媒进量的计量和控制、投料控制、煎煮升温曲线的设定、保温与煎煮升温的温度控制、浸泡与保温时间控制、提取罐罐内与夹套压力的安全保护和控制、出料控制、堵料排除控制、罐底出渣门锁装置的联锁与保护。同时在提取完成后,自动生成生产过程报表和保存相应的历史曲线,所有的执行机构恢复到安全位置。DCS系统的监控软件具备分级控制,设置了观察员、操作员和工程师3个级别,观察员权限只能允许生产人员查看监控软件中各个仪表的数据和阀门的状态,操作员权限才允许生产人员对各个执行机构进行操作,工程师权限才允许生产人员设置和修改PID参数以及相应的工艺参数。

提取生产过程采用了DCS系统自动控制后,对提取生产过程实现自动检测和控制,达到高效生产、降低能耗和确保安全等目的,较传统的手动生产控制,主要优点如下:

1.根据预先设置的升温曲线进行煎煮,从而达到煎煮过程中温度的均匀控制;在升温和煎煮过程中,实时监控提取罐上部、下部温度,当出现罐内受热不均的时候,实时开启提取罐的循环泵,使提取罐内药液形成对流,达到罐内药液受热均匀的目的。

2.提取出料过程,堵料检测装置会自动判断罐底及过滤器是否发生堵料状况,一旦发现堵料,堵料消除装置会自动启动,消除堵料现象,保证物料循环和出料的稳定;

3.在提取煎煮过程中,需要收集药材在煎煮时产生的挥发油。在提取液沸腾后,蒸气通过冷凝器、冷却器到达油水分离器,然后通过油水界面检测装置,自动启动收油装置完成挥发油的收集。在收集挥发油阶段,通过调节加热蒸汽的流量,控制药液的蒸发量和冷凝水的回流量,从而达到挥发油的稳定收集。通过实践证明,收油过程采用自动化控制技术,较传统的手动生产,有效的避免了人为主观因素,保证的挥发油的收集率,大大的节约了人力成本。

4.在提取生产过程中,实时检测提取罐的夹套压力和罐内压力,当压力过高时能够自动关闭或调整加热蒸汽的流量,实现提取罐的安全保护。

浓缩工段

在浓缩过程中自动化控制系统实现的控制功能有:浓缩器温度控制、浓缩器温度真空联动控制、浓缩器夹套压力安全保护、浓缩器连续补料、浓缩器消泡控制、一效与二效自动倒药控制、浓缩终点判断及出料控制、夹套冷凝水排放控制、冷凝液受液器出液自动排放及液位控制;同时在浓缩完成后,自动生成生产过程报表和保存相应的历史曲线,所有的执行机构恢复到安全位置。

浓缩生产过程采用了DCS系统自动控制后,对浓缩生产过程实现自动检测和控制,达到高效生产、降低能耗和确保安全等目的,有效的保证了产品的质量,较传统的手动生产控制,主要优点如下:

1.双效浓缩过程真空度实时调节与控制, 在进料、补料、消泡、倒药、出料各阶段, 实时调节系统的真空度,使真空抽气率与蒸汽供给量密切配合,保证浓缩过程在较高的生产效率下平稳运行。

2.双效浓缩终点判断,采用进口密度计实时监测收膏密度值,通过DCS系统算法补偿温度、真空等环境因素对密度测量值的影响,检测和控制精度达到0.01g/cm3; 或者通过在线检查分析浓缩液的成分,当成分达到预期的设定值,则双效浓缩结束。

3.浓缩器泡沫检测装置和消泡装置,有效的杜绝了跑料事件的发生。

4.浓缩受液器酒精浓度实时监测,根据酒精浓度高低实现分级排放,高浓度酒精输送至套用乙醇储罐,低浓度酒精输送至酒精回收塔。

现场应用情况

在多个提取浓缩工程项目成功投运的基础上,不断总结完善控制系统(DCS),以满足中药提取浓缩生产过程中对控制系统的基本要求:安全、可靠、稳定、操作方便,主要采取的措施有:

安全措施

结合乙醇的易燃易爆、有毒特性以及在生产过程出现的跑、冒、滴、漏会危及生产设备和人身安全的情况,在自动化设备选择及控制方案设计时要考虑对意外事件的反应速度及有效解决方案,从而在硬软件上保证生产过程的安全。在多个中药提取浓缩工程项目中采用:

控制系统与现场设备之间的模拟量采用安全栅进行隔离、开关量输入信号DI和输出信号DO均采用继电器进行隔离;

在软件设计时,对操作参数和操作行为进行了操作行为限制和屏蔽操作界面的设计,即不同级别的操作人员对应不同的操作界面和提示信息以进行不同的动作。

对常压容器的压力、蒸汽的压力进行了安全的联锁保护。

可靠运行

在正常操作中,如果系统不能进行准确地可靠动作,则会造成生产危险,特别是生产装置出现工况不正常时,则更需要控制系统准确、及时地进行可靠联锁动作,否则会造成停车或安全事故。采取的可靠措施有:

对关键现场设备的设计选用了高质量、高精度的设备和部件,如在线分析仪器、流量计、切断阀、继电器。

控制系统的主控卡、数据转发卡、关键卡件、系统电源、网络、系统供电等采用双重冗余措施。

对关键现场设备联锁系统采用软、硬结合的方式,操作人员既可操作辅助操作台上的按钮,又可操作计算机操作画面上的软按钮。

实施效果

长期以来,由于对提取浓缩工程项目的控制系统进行了全面、周到、细致的设计,各控制系统工作正常,自动控制投运率高,用户对控制系统的技术指标非常满意。通过DCS系统的自动化控制,大大减少操作人员的劳动强度,有效避免了人为主观因素,提高装置的运行效率,提高产品的质量和产量。