中草藥提取車間的設(shè)計(jì)探討

徐福斌

摘要:中草藥分植物藥材、動(dòng)物藥材和礦物藥材三大類,因它們特性不同,故提取原理也不同,文章就植物藥材(中草藥)提取車間的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞: 植物藥材;提取車間;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TQ460.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)24-0019-02

1概 述

中草藥提取車間的設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)進(jìn)程依次包括廠址選擇、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、廠區(qū)總平面圖設(shè)計(jì)、物料衡算、工藝流程設(shè)計(jì)、能量計(jì)算、設(shè)備設(shè)計(jì)與選擇、車間布置設(shè)計(jì)、輸送管道設(shè)計(jì)、非工藝設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)編制、概(預(yù)) 算書(shū)編制等。中草藥提取車間向外散發(fā)水蒸氣、酒精等溶媒蒸汽,影響周圍環(huán)境,因此,在總圖布置時(shí)將其盡可能布置在制劑車間的下風(fēng)向。并且車間有大量的藥材運(yùn)進(jìn),又有大量的藥渣運(yùn)出,故將其盡量靠近廠區(qū)物流出入口,最好專門設(shè)置藥渣的運(yùn)出口。

2 中草藥提取原理及提取方法的選擇

中草藥提取過(guò)程系指溶媒進(jìn)入藥材細(xì)胞組織,溶解或分散其有效成分而變成浸出液的全部過(guò)程。中草藥干燥后,組織內(nèi)水份被蒸發(fā),細(xì)胞逐漸干癟,細(xì)胞液中的物質(zhì)呈結(jié)晶或無(wú)定形固體存在于細(xì)胞中,當(dāng)適宜的溶媒接觸時(shí),被溶媒浸潤(rùn),溶媒滲透進(jìn)入細(xì)胞中,細(xì)胞中可溶解性物質(zhì)溶于溶媒中,細(xì)胞內(nèi)溶液濃度顯著增高,使細(xì)胞內(nèi)外出現(xiàn)濃度差和滲透壓差。而藥材的細(xì)胞壁是透性膜,由于濃度差的關(guān)系,細(xì)胞內(nèi)高濃度的溶液可不斷地向低濃度方向擴(kuò)散;由于滲透壓的作用,溶媒不斷進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),以平衡其滲透壓。

中草藥常用的提取方法較多,不同方法適用于不同類型或含不同性質(zhì)化學(xué)成分中草藥的浸提。因此,要根據(jù)中草藥的具體情況,選用合適的方法,中草藥提取方法有:①水提取法。在水中溶解度較大的堿性化合物(如生物堿)、酸性化合物及中性化合物(如甙類),常用水提取法。水提取可分水煎、水浸、水滲漉三種,也可用酸水或堿水提取。②有機(jī)溶劑提取法。凡脂溶性基團(tuán)占優(yōu)勢(shì)的化合物,用有機(jī)溶劑提取。③酸性、堿性有機(jī)溶劑提取法。如果有效成分是酸性或堿性化合物,?？杉尤脒m當(dāng)?shù)乃峄驂A,再用有機(jī)溶劑提取。④水蒸氣蒸餾法。適用于具有揮發(fā)性,能隨水蒸汽蒸餾而不被破壞,與水不發(fā)生反應(yīng),又難溶或不溶于水的化學(xué)成分的提取、分離。⑤酶解或抑制酶解法。 ⑥化學(xué)處理法。⑦升華法。⑧超臨界液體提取法。⑨超聲萃取法。⑩微波萃取法等。

3分離純化原理及分離純化方法的選擇

分離純化是將中草藥提取液與藥渣、沉淀物和固體雜質(zhì)進(jìn)行分離,進(jìn)而采取適當(dāng)方法最大限度地除去無(wú)效成分,保留有效成分和輔助成分的技術(shù)。常用的分離方法有濾過(guò)分離、沉降分離和離心分離。

煎煮、浸漬、滲漉、回流、超聲波提取、微波輔助萃取等提取后均要用濾過(guò)分離法或離心分離法將藥渣與藥液分離、水蒸汽蒸餾得到的藥液要用分層的方法分離,超臨界萃取得到的有效成份不再分離純化,醇沉、水沉先采用沉降法分離,后采用濾過(guò)分離法或離心分離法分離。

由于中草藥成分復(fù)雜,含量有高有低,分離純化方法的選用,要通過(guò)分離純化技術(shù)盡可能地得到有效成分,除去無(wú)效成分。分離純化法的選用,應(yīng)根據(jù)藥材所含成分理化性質(zhì)、制劑所選劑型及成型工藝要求結(jié)合考慮,并需進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)研究才能確定。

①中草藥中含有的生物堿鹽、苷類、蒽醌類、有機(jī)酸鹽、氨基酸、多糖等易溶于水的一些成分,適用于水提取醇沉法純化。

②中草藥中含有的生物堿、游離蒽醌、苷類、鞣質(zhì)、樹(shù)脂等在乙醇溶液溶解的成分,適用于醇提水沉法。

③絮凝沉淀法是在中草藥提取液中加入一種絮凝沉淀劑以吸附架橋和電中的粗粒子的分離方法,與傳統(tǒng)醇沉工藝相比,該法保留了高分子多糖類,并利用高分子多糖、天然親水膠體對(duì)疏水膠體的保護(hù)作用,提高中藥制劑的穩(wěn)定性。

④膜分離法是以外界為推動(dòng)力,利用對(duì)組分有選擇性的薄膜做濾材,憑借各組分在膜中傳質(zhì)的選擇性差異,使物質(zhì)被透過(guò)或被截留于膜,對(duì)多組分流體物質(zhì)進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集的方法。

⑤透析法是通過(guò)小分子物質(zhì)在溶液中可通過(guò)半透膜,而大分子物質(zhì)不能通過(guò)半透膜的性質(zhì)達(dá)到分離的一種方法。

⑥鹽析法是利用不同蛋白質(zhì)在高濃度的鹽溶液中,溶解度降低而沉淀,從而分離提純提取液中的有效成分的方法。

⑦離子交換法是利用離子交換樹(shù)脂與中草藥提取液中某些可離子化的成分起交換作用,而達(dá)到提純的方法,凡有效成分為生物堿、氨基酸、肽類、胺類、有機(jī)酸等的中草藥提取液,均可用此法提取分離。它具有操作簡(jiǎn)便,選擇性高等優(yōu)點(diǎn)。

⑧大孔樹(shù)脂吸附法是以大孔吸附樹(shù)脂為吸附劑,利用其對(duì)不同成分的選擇性吸附和篩選作用,通過(guò)選用適宜的吸附和解吸條件借以分離提純某一類有機(jī)化合物。

⑨凝膠濾過(guò)法是利用凝膠粒子(通常稱為凝膠濾過(guò)介質(zhì))為固定相,根據(jù)料液中溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的差別進(jìn)行分離的液相色譜法。它主要用于水溶性物質(zhì)的分離,也可用于生物堿、黃酮類和甾體等化合物的分離。

⑩聚酰胺吸附法是以聚酰胺作為填料,利用其對(duì)不同組分吸附性能的差異來(lái)達(dá)到分離的柱色譜方法。此法既可以分離酚類、酸類、醌類、等化合物,也可以分離萜類、甾類、生物堿和糖類等化合物,既可用于有效成分的提取,也可以用于雜質(zhì)的除去。

{11}硅膠吸附色譜法是以硅膠為吸附劑來(lái)分離混合物中各組分的柱色譜方法,此法適用范圍廣,既能用于非極性化合物也可用極性化合物,如揮發(fā)油、萜類、甾類、生物堿、苷類、蒽醌類、酸性、酚性化合物、磷酸類、脂肪酸、氨基酸以及一系列合成產(chǎn)品,如有機(jī)金屬化合物等的分離。

{12}12分子蒸餾法就是利用液體分子受熱會(huì)從液面逸出,而且不同種類分子逸出后其平均自由程不同來(lái)實(shí)現(xiàn)分子蒸餾分離的。分子蒸餾法特別適用于高沸點(diǎn)、熱敏性物料,尤其適用于對(duì)溫度較為敏感的揮發(fā)油的提取分離。

{13}酶法是采用催化活性很高的酶進(jìn)行水解,使藥液澄清,同時(shí)也提高收率的方法。

4 濃縮干燥原理及濃縮干燥方法的選擇

濃縮分為自然蒸發(fā)與沸騰蒸發(fā)。在中草藥提取濃縮中大多采用沸騰蒸發(fā)。沸騰蒸發(fā)是指溶液中的溶劑在其沸點(diǎn)下氣化,在氣化過(guò)程中,溶液呈沸騰狀態(tài),氣化不僅在溶液表面,而且在整個(gè)溶液各個(gè)部分同時(shí)發(fā)生氣化現(xiàn)象。

蒸發(fā)操作一般可在常壓、加壓及減壓條件下進(jìn)行。在中藥生產(chǎn)過(guò)程中通常采用常壓操作,即采用敞口濃縮鍋,夾套通蒸汽加熱濃縮;更多采用的方法是減壓濃縮,也就是使蒸發(fā)器內(nèi)形成一定的真空度,將溶液的沸點(diǎn)降低,進(jìn)行沸騰蒸發(fā)操作。

干燥過(guò)程是除去物料內(nèi)部濕分的過(guò)程。它包括能量(熱量) 從周圍環(huán)境傳遞到物料表面使?jié)穹?指干燥欲除去的溶劑) 受熱汽化而蒸發(fā)的過(guò)程和物料內(nèi)部濕分傳遞到物料表面的過(guò)程。干燥速率是由上述兩個(gè)過(guò)程中較慢的一個(gè)速率所控制,因此在外部條件控制的干燥過(guò)程中,強(qiáng)化傳熱就可加速干燥的進(jìn)行,在內(nèi)部條件控制的干燥過(guò)程中,只有改變和調(diào)節(jié)物料的物性,如加入一些輔料,才有可能改變干燥速率。

按照熱能傳給濕物料的方式,干燥操作可分為傳導(dǎo)干燥,對(duì)流干燥、輻射干燥和微波加熱干燥等幾種方式,由于中草藥成分一般粘性較大,且有些有效成分不耐高溫,故傳導(dǎo)干燥和輻射干燥方式在中草藥提取生產(chǎn)中應(yīng)用非常少。

對(duì)流干燥是指熱能以對(duì)流方式由熱空氣傳遞給與其直接接觸的濕物料。由熱空氣流過(guò)物料表面或穿過(guò)物料層以此提供熱能,蒸發(fā)的濕分由干燥介質(zhì)帶走。在中藥生產(chǎn)過(guò)程中最常用的沸騰干燥器、氣流干燥器、廂式干燥器、真空干燥器、噴霧干燥器、冷凍干燥器等均屬典型的對(duì)流干燥器。

介電質(zhì)熱干燥是指將需要干燥的物料置于高頻電場(chǎng)內(nèi),由于高瀕電場(chǎng)的交變作用使物料加熱而達(dá)到干燥的目的。目前工業(yè)生產(chǎn)使用較多的介電加熱為微波加熱,在微波加熱干燥過(guò)程中,由于物料內(nèi)部的水分總比表面要多,物料內(nèi)部的溫度比表面要高,由于溫度梯度與水分?jǐn)U散的濃度梯度為同一方向,所以促進(jìn)了物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散,使干燥時(shí)間縮短,所得到的干燥產(chǎn)品均勻而潔凈。

介電加熱干燥完全不同于傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射加熱方式的干燥,后者在干燥過(guò)程中,熱能都是從物料表面?zhèn)髦羶?nèi)部,物料表面溫度比內(nèi)部要高,而水分是從內(nèi)部擴(kuò)散至表面,物料表面先變成干燥固體而形成絕熱層,使傳熱和內(nèi)部水分的氣化及其擴(kuò)散至表面都增加了阻力,以至于物料干燥時(shí)間也就大大延長(zhǎng)。因此介電加熱干燥在中藥生產(chǎn)中具有很好的發(fā)展前景。

5設(shè)備選型

設(shè)備選型應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、制藥廠家的承受能力及偏好,盡量選用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)、成熟、高效、節(jié)能、適用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度小的密閉設(shè)備。

直筒式多能提取罐成套設(shè)備,既適用于煎煮、浸漬、滲漉、回流、水蒸汽蒸餾等多種方式的提取,又能將幾個(gè)提取罐串聯(lián)組成連續(xù)式的動(dòng)態(tài)逆流提取線,還能方便設(shè)備出渣和清洗,并且可以對(duì)提取過(guò)程和出渣過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制,因此,它是提取的首選設(shè)備。

對(duì)于提取規(guī)模很小的提取車間,可以選用提取與濃縮聯(lián)為一體的設(shè)備,以減少貯罐等輔助設(shè)備。

超臨界流體提取成套設(shè)備及超聲設(shè)備在現(xiàn)代中草藥提取中也可以用。

在中草藥提取車間,網(wǎng)袋式過(guò)濾器、離心機(jī)、板框過(guò)濾器用得比較廣泛。碟片式分離機(jī)因其分離因素不高,目前應(yīng)用較少;高速管式離心機(jī)分離效果雖好,但操作復(fù)雜,目前只用于部分品種。在滿足生產(chǎn)工藝條件下,濃縮設(shè)備盡量選用使用性廣泛的真空濃縮設(shè)備,并且盡量選用雙效節(jié)能的真空濃縮設(shè)備,以充分減少能耗、降低生產(chǎn)成本。濃縮設(shè)備應(yīng)方便清洗,且不易結(jié)焦。

水沉、醇沉、絮凝沉淀用沉淀罐,其它純化設(shè)備根據(jù)工藝需要選用成套設(shè)備。

干燥設(shè)備選型在滿足生產(chǎn)工藝的條件下,盡量選用真空干燥和噴霧干燥,以方便粉碎和制劑車間制粒。

設(shè)備生產(chǎn)能力應(yīng)以生產(chǎn)綱領(lǐng)為依據(jù),且比生產(chǎn)綱領(lǐng)略大。

設(shè)備和工藝管道選材應(yīng)滿足GMP 要求及所接觸藥液性質(zhì)的要求。如果藥液為腐蝕性酸,應(yīng)選用耐酸腐蝕的材料,如無(wú)特殊要求,設(shè)備和管道選材為304 不銹鋼,設(shè)備及管道內(nèi)外應(yīng)光潔,無(wú)死角。

6 車間布置

車間布置既要滿足生產(chǎn)工藝要求及GMP 規(guī)范要求,也要滿足消防、環(huán)保、職業(yè)安全衛(wèi)生的要求,還要盡量減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

車間布置應(yīng)遵循一般工業(yè)廠房的布置原則,按工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)工序布置,同類設(shè)備相對(duì)集中,以方便操作和管理;還要滿足GMP規(guī)范要求,車間人流物流組織應(yīng)滿足總圖對(duì)人流物流的要求;同時(shí)還要處理好以下問(wèn)題。

①提取車間一般有醇提和醇沉,應(yīng)考慮車間的防爆;提取車間產(chǎn)熱產(chǎn)濕崗位較多,應(yīng)考慮車間排熱排濕;③提取車間運(yùn)輸量較大,應(yīng)考慮減輕勞動(dòng)強(qiáng)度;④濃縮液的后處理工藝。

為了方便泄爆和排熱排濕,提取車間寬度一般不宜設(shè)計(jì)得太寬。并且防爆區(qū)與產(chǎn)熱產(chǎn)濕區(qū)盡量靠外墻,以方便泄爆及排熱和排濕。為了節(jié)省投資,對(duì)提取量較小的車間,將整個(gè)車間建為甲類防爆廠房;對(duì)于提取量特別大,且醇提、水提量均較大,宜建一個(gè)甲類防爆車間和一個(gè)非防爆車間;其它的提取車間,宜在一個(gè)車間內(nèi)將防爆區(qū)和非防爆區(qū)分開(kāi),中間用抗爆墻隔開(kāi)。提取、濃縮崗位較濕熱,要求送風(fēng)或排風(fēng)。

提取車間藥材處理量較大,為了管理和運(yùn)輸方便,一般將原藥材庫(kù)、凈藥材庫(kù)、藥材的前處理與提取車間建在一個(gè)聯(lián)體建筑內(nèi)或建在一個(gè)建筑內(nèi)。但前處理車間與提取車間應(yīng)嚴(yán)格分開(kāi),且原藥材庫(kù)、凈藥材庫(kù)宜建在前處理車間上面,不宜建在提取車間上面,為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和保障安全,原藥材及凈藥材運(yùn)輸為電梯運(yùn)輸,提取投料設(shè)投料層,出渣設(shè)出渣間,提取車間宜設(shè)計(jì)成三層。

如果提取是為口服制劑和外用制劑提供原料應(yīng)在凈化層流下收濃縮液或在30萬(wàn)級(jí)潔凈環(huán)境下收濃縮液[6]。如果濃縮液需干燥,應(yīng)在30萬(wàn)級(jí)潔凈環(huán)境下操作。如果提取是為注射劑提供原料,濃縮液應(yīng)在10萬(wàn)級(jí)潔凈環(huán)境下進(jìn)一步精制。車間潔凈區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足GMP規(guī)范要求。

提取車間應(yīng)設(shè)冷藏庫(kù),以貯存濃縮液,如果在潔凈區(qū)內(nèi)設(shè)冷藏庫(kù),冷藏庫(kù)出入口應(yīng)設(shè)潔凈緩沖間。

毒性藥材提取應(yīng)設(shè)專用設(shè)備,并在專用區(qū)域內(nèi)提取,以防止交叉污染。

提取車間設(shè)計(jì)應(yīng)考慮為以后發(fā)展預(yù)留。車間地面、墻面及頂棚應(yīng)耐酸堿腐蝕、防霉。防爆域區(qū)內(nèi)的電器開(kāi)關(guān)應(yīng)為防爆型,產(chǎn)熱產(chǎn)濕域區(qū)燈具及開(kāi)關(guān)應(yīng)為防水型。