中药自控方案初探

作者:王书堂 曹新华 文章来源:北京华信依耀工程咨询服务有限公司 发布时间:2011-03-08


图1  液位控制流程图

由于目前国内绝大部分企业的中药提取还停留在人工生产阶段,生产工艺和装备落后,浪费资源的同时还造成产品质量不稳定,影响了我国中药产品的质量。因此,本着先进、可靠、卫生、安全、实用、经济的原则,在中药提取过程中使用自动控制的意义是十分明显的,生产过程应用自动化控制,可以提高产品质量、劳动生产率、设备利用率。另一方面有利于改善人们的劳动条件并节省人力。在以质量为根本的中药提取过程中,也最大限度地避免了人为操作因素对质量产生的影响。

现代化提取技术,既不改变传统中药提取的原有特点,同时保证了提取的中药有效组分群基本不变。动态提取实现全自动控制后,节能、得膏率大幅度提高,因此,很好地解决了中药生产技术中关键的提取工艺的现代化问题,这是中药提取现代化的发展趋势。如今,国内已有多家企业进行了尝试,将全自动控制的动态提取运用于生产实践中,取得了很好的效果。

提取流程控制概况

在中药制药生产过程中,利用各种物质在选定溶剂中溶解度的不同,以分离混合物中组分的方法,称为固-液萃取,又称为提取或浸提。中药提取过程是依据GMP 规范,按给定的配方,生产一定数量产品的过程,中药提取生产采用批量生产方式,也叫间歇生产方式。间歇生产方式的主要特点是:小批量、多品种,其特征是:物料流动的不连续性、物料和设备的非稳态性、产品及其工艺的不确定性和设备资源的动态调度分配。不连续性是指物料输入、输出是断续的,单元操作是按顺序进行的,设备运行是间断的,非稳态性是指生产过程中物料和设备都时常处于变化状态。不确定性指的是要根据市场需求生产不同产品和增加新产品。

为了提高设备对不同产量和类似工艺的适应能力,中药提取生产设备需要具有良好的柔性,能生产多种工艺相近似的产品。产品生产完成,对设备进行清洗后,即可生产另一种产品。中药提取过程单元,一般安装多台操作设备(如提取罐、浓缩器),配置大小不同的多组兼用设备(如:缓冲罐、储罐),设备按串联和并联结构排布,组成串、并联结构提取过程单元,设备单元之间采用固定管道连接或非固定软管连接。设备以连续、半连续、间歇方式工作。

目前常用的中药提取段单元设备主要包括:多功能提取罐、热回流提取装置、真空减压浓缩器、球形浓缩器、醇沉罐、溶剂配置罐、双效浓缩机组、结晶罐、膜分离/ 膜浓缩装置、微波提取装置以及储罐等。

中药固液萃取最常用的设备是提取罐,一般分为动态提取罐和静态提取罐,多个提取罐可构成套提装置。

提取流程的首要工艺流程

提取工序控制

(1)加料控制

药材投入提取罐内,再加药材的5~10倍的溶剂。用液位控制法控制溶剂参加量,流程图如图1所示。

(2)动态提取

动态提取是中药提取工序的核心,要求控制罐内药液温度、保持罐内压力为常压,并维护药液循环通道内电磁阀门和手动阀门的开、关及药液循环泵的启动和停止。提取罐控制结构图如图2所示。


图2  提取罐控制结构图

中药提取流程通常采用的溶剂(溶媒)有水或乙醇等。提取溶剂不一样,对控制需求也不一样。用水作溶剂时,放空阀要在提取流程中始终处于开启状态,即罐内压力为常值,只要在发生不通(如排气通道堵塞)时,报警即可。醇类作溶剂时,放空阀要始终处于关上状态,欲维持罐压为常值,其调节情况与水作溶剂时不一样。

浓缩蒸发控制

(1)进料控制。仪表/执行机构:液位开关、阀。完成功能:判断传输路径,控制传输操作,批号跟踪;

(2)定量进料。仪表/执行机构:压力变送器、放空阀、真空阀、液位开关、阀门、真空泵。完成功能:将三效置于准备好状态,开真空泵和相关阀门,控制自动进料,进料达到蒸发室液位后自动关进料阀,停止进料,配雷达液位计;

(3)加热器蒸汽压力(温度)控制、蒸发器末效真空控制、冷却水流量检测、冷却水温度检测、倒料控制、密度检测和收膏控制。仪表/执行器:密度计、液位计、泵、阀门。完成功能:当蒸发室料液密度达设定值时,停止蒸发,提示收膏。另外,还有自动消泡、液位控制、冷凝水排放控制、清洗控制、煮罐控制等。

控制要求及技术系统组成

中药提取生产过程对自动控制的要求是对设备单元进行精确控制,严格按顺序执行每一步操作,使每批产品生产实现最优控制,从而获得经济效益,这是中药提取企业对自动控制的基本需求。中药提取过程是间歇生产过程,其具体自动控制需求可以根据中药提取过程特点并参照ISA-ds88.0.1 给出的间歇控制模型来考虑,一般有顺序控制、开关控制、调节控制、联锁控制、人机界面、数据管理、与管理信息系统集成等要求。

中药提取生产过程采用间歇过程,因此,要选择间歇控制技术、产品构建自动控制系统。基于计算机技术的间歇控制系统硬件主要有:集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PlC)、一体化控制器、现场总线等。  

DCS主要用来进行多回路及复杂回路控制,处理模拟量能力强,普遍提供可选的间歇控制产品组件,技术成熟,功能完备,价格昂贵,适用于大型间歇控制项目。 

近年来,PLC 厂家纷纷推出了适合过程控制的PLC 系统,配置了符合IEC61131-3 标准的编程语言和批管理组态软件、其特点是:环境适应能力强,可靠性高,编程简单。用PLC 和IPC 组成间歇控制系统性价比高,在中药提取应用中有着突出的优势,是最理想的选择。


图3  三效浓缩器

一体化控制器的硬件是按工业标准设计的角媚屏面板形PC,配置符合IEC61131-3 标准的编程语言,可安装人机界面软件、数据库和批管理组态软件,适合于小型中药提取项目和中试项目。

现场总线系统是控制技术与计算机通讯技术结合的产物,其特点是全通讯和全分散控制,是中药提取自动控制的理想选择。

由于中药提取过程具有非稳态特性,物料的物理性质不断发生变化,这些变化会对一些仪表的测量产生影响,仪表选型时要注意这一点。此外,仪表选型时还要考虑卫生和防爆方面的要求。

间歇生产过程的过程操作、单元操作、操作阶段以及操作步骤都是按顺序进行的,编程软件应符合IEC61131-3 标准,提供顺序控制编程语言(例如SFC)。人机界面组态软件应选择能提供批管理(处理)选件的产品和提供过程管理验证所需要的组件或功能。控制程序设计应采用模块化分层结构,例如:分成过程单元控制程序、设备单元控制程序、操作阶段控制程序、操作步控制程序、设备模块控制或元件控制程序。

构建满足不同需要的控制系统

独立的过程控制系统设计目标是优化设备控制,获取经济效益。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和计算机网络。一般具有设备控制、人机界面、数据管理、信息通讯和系统管理维护功能。

设备控制程序在控制站运行,人机界面软件运行在操作员站,数据管理一般运行在操作服务器或工程师站,系统管理维护在工程师站完成。

0
-1
收藏
相关文章