摘要:中草药分植物药材、动物药材和矿物药材三大类,因它们特性不同,故提取原理也不同,文章就植物药材(中草药)提取车间的设计问题进行了探讨。
关键词: 植物药材;提取车间;设计
中图分类号:TQ460.8 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)24-0019-02
1概 述
中草药提取车间的设计按设计进程依次包括厂址选择、设计准备、厂区总平面图设计、物料衡算、工艺流程设计、能量计算、设备设计与选择、车间布置设计、输送管道设计、非工艺设计、设计说明书编制、概(预) 算书编制等。中草药提取车间向外散发水蒸气、酒精等溶媒蒸汽,影响周围环境,因此,在总图布置时将其尽可能布置在制剂车间的下风向。并且车间有大量的药材运进,又有大量的药渣运出,故将其尽量靠近厂区物流出入口,最好专门设置药渣的运出口。
2 中草药提取原理及提取方法的选择
中草药提取过程系指溶媒进入药材细胞组织,溶解或分散其有效成分而变成浸出液的全部过程。中草药干燥后,组织内水份被蒸发,细胞逐渐干瘪,细胞液中的物质呈结晶或无定形固体存在于细胞中,当适宜的溶媒接触时,被溶媒浸润,溶媒渗透进入细胞中,细胞中可溶解性物质溶于溶媒中,细胞内溶液浓度显著增高,使细胞内外出现浓度差和渗透压差。而药材的细胞壁是透性膜,由于浓度差的关系,细胞内高浓度的溶液可不断地向低浓度方向扩散;由于渗透压的作用,溶媒不断进入细胞内,以平衡其渗透压。
中草药常用的提取方法较多,不同方法适用于不同类型或含不同性质化学成分中草药的浸提。因此,要根据中草药的具体情况,选用合适的方法,中草药提取方法有:①水提取法。在水中溶解度较大的碱性化合物(如生物碱)、酸性化合物及中性化合物(如甙类),常用水提取法。水提取可分水煎、水浸、水渗漉三种,也可用酸水或碱水提取。②有机溶剂提取法。凡脂溶性基团占优势的化合物,用有机溶剂提取。③酸性、碱性有机溶剂提取法。如果有效成分是酸性或碱性化合物,常可加入适当的酸或碱,再用有机溶剂提取。④水蒸气蒸馏法。适用于具有挥发性,能随水蒸汽蒸馏而不被破坏,与水不发生反应,又难溶或不溶于水的化学成分的提取、分离。⑤酶解或抑制酶解法。 ⑥化学处理法。⑦升华法。⑧超临界液体提取法。⑨超声萃取法。⑩微波萃取法等。
3分离纯化原理及分离纯化方法的选择
分离纯化是将中草药提取液与药渣、沉淀物和固体杂质进行分离,进而采取适当方法最大限度地除去无效成分,保留有效成分和辅助成分的技术。常用的分离方法有滤过分离、沉降分离和离心分离。
煎煮、浸渍、渗漉、回流、超声波提取、微波辅助萃取等提取后均要用滤过分离法或离心分离法将药渣与药液分离、水蒸汽蒸馏得到的药液要用分层的方法分离,超临界萃取得到的有效成份不再分离纯化,醇沉、水沉先采用沉降法分离,后采用滤过分离法或离心分离法分离。
由于中草药成分复杂,含量有高有低,分离纯化方法的选用,要通过分离纯化技术尽可能地得到有效成分,除去无效成分。分离纯化法的选用,应根据药材所含成分理化性质、制剂所选剂型及成型工艺要求结合考虑,并需进行必要的实验研究才能确定。
①中草药中含有的生物碱盐、苷类、蒽醌类、有机酸盐、氨基酸、多糖等易溶于水的一些成分,适用于水提取醇沉法纯化。
②中草药中含有的生物碱、游离蒽醌、苷类、鞣质、树脂等在乙醇溶液溶解的成分,适用于醇提水沉法。
③絮凝沉淀法是在中草药提取液中加入一种絮凝沉淀剂以吸附架桥和电中的粗粒子的分离方法,与传统醇沉工艺相比,该法保留了高分子多糖类,并利用高分子多糖、天然亲水胶体对疏水胶体的保护作用,提高中药制剂的稳定性。
④膜分离法是以外界为推动力,利用对组分有选择性的薄膜做滤材,凭借各组分在膜中传质的选择性差异,使物质被透过或被截留于膜,对多组分流体物质进行分离、分级、提纯和富集的方法。
⑤透析法是通过小分子物质在溶液中可通过半透膜,而大分子物质不能通过半透膜的性质达到分离的一种方法。
⑥盐析法是利用不同蛋白质在高浓度的盐溶液中,溶解度降低而沉淀,从而分离提纯提取液中的有效成分的方法。
⑦离子交换法是利用离子交换树脂与中草药提取液中某些可离子化的成分起交换作用,而达到提纯的方法,凡有效成分为生物碱、氨基酸、肽类、胺类、有机酸等的中草药提取液,均可用此法提取分离。它具有操作简便,选择性高等优点。
⑧大孔树脂吸附法是以大孔吸附树脂为吸附剂,利用其对不同成分的选择性吸附和筛选作用,通过选用适宜的吸附和解吸条件借以分离提纯某一类有机化合物。
⑨凝胶滤过法是利用凝胶粒子(通常称为凝胶滤过介质)为固定相,根据料液中溶质相对分子质量的差别进行分离的液相色谱法。它主要用于水溶性物质的分离,也可用于生物碱、黄酮类和甾体等化合物的分离。
⑩聚酰胺吸附法是以聚酰胺作为填料,利用其对不同组分吸附性能的差异来达到分离的柱色谱方法。此法既可以分离酚类、酸类、醌类、等化合物,也可以分离萜类、甾类、生物碱和糖类等化合物,既可用于有效成分的提取,也可以用于杂质的除去。
{11}硅胶吸附色谱法是以硅胶为吸附剂来分离混合物中各组分的柱色谱方法,此法适用范围广,既能用于非极性化合物也可用极性化合物,如挥发油、萜类、甾类、生物碱、苷类、蒽醌类、酸性、酚性化合物、磷酸类、脂肪酸、氨基酸以及一系列合成产品,如有机金属化合物等的分离。
{12}12分子蒸馏法就是利用液体分子受热会从液面逸出,而且不同种类分子逸出后其平均自由程不同来实现分子蒸馏分离的。分子蒸馏法特别适用于高沸点、热敏性物料,尤其适用于对温度较为敏感的挥发油的提取分离。
{13}酶法是采用催化活性很高的酶进行水解,使药液澄清,同时也提高收率的方法。
4 浓缩干燥原理及浓缩干燥方法的选择
浓缩分为自然蒸发与沸腾蒸发。在中草药提取浓缩中大多采用沸腾蒸发。沸腾蒸发是指溶液中的溶剂在其沸点下气化,在气化过程中,溶液呈沸腾状态,气化不仅在溶液表面,而且在整个溶液各个部分同时发生气化现象。
蒸发操作一般可在常压、加压及减压条件下进行。在中药生产过程中通常采用常压操作,即采用敞口浓缩锅,夹套通蒸汽加热浓缩;更多采用的方法是减压浓缩,也就是使蒸发器内形成一定的真空度,将溶液的沸点降低,进行沸腾蒸发操作。
干燥过程是除去物料内部湿分的过程。它包括能量(热量) 从周围环境传递到物料表面使湿分(指干燥欲除去的溶剂) 受热汽化而蒸发的过程和物料内部湿分传递到物料表面的过程。干燥速率是由上述两个过程中较慢的一个速率所控制,因此在外部条件控制的干燥过程中,强化传热就可加速干燥的进行,在内部条件控制的干燥过程中,只有改变和调节物料的物性,如加入一些辅料,才有可能改变干燥速率。
按照热能传给湿物料的方式,干燥操作可分为传导干燥,对流干燥、辐射干燥和微波加热干燥等几种方式,由于中草药成分一般粘性较大,且有些有效成分不耐高温,故传导干燥和辐射干燥方式在中草药提取生产中应用非常少。
对流干燥是指热能以对流方式由热空气传递给与其直接接触的湿物料。由热空气流过物料表面或穿过物料层以此提供热能,蒸发的湿分由干燥介质带走。在中药生产过程中最常用的沸腾干燥器、气流干燥器、厢式干燥器、真空干燥器、喷雾干燥器、冷冻干燥器等均属典型的对流干燥器。
介电质热干燥是指将需要干燥的物料置于高频电场内,由于高濒电场的交变作用使物料加热而达到干燥的目的。目前工业生产使用较多的介电加热为微波加热,在微波加热干燥过程中,由于物料内部的水分总比表面要多,物料内部的温度比表面要高,由于温度梯度与水分扩散的浓度梯度为同一方向,所以促进了物料内部水分的扩散,使干燥时间缩短,所得到的干燥产品均匀而洁净。
介电加热干燥完全不同于传导、对流和辐射加热方式的干燥,后者在干燥过程中,热能都是从物料表面传至内部,物料表面温度比内部要高,而水分是从内部扩散至表面,物料表面先变成干燥固体而形成绝热层,使传热和内部水分的气化及其扩散至表面都增加了阻力,以至于物料干燥时间也就大大延长。因此介电加热干燥在中药生产中具有很好的发展前景。
5设备选型
设备选型应根据产品的生产工艺、制药厂家的承受能力及偏好,尽量选用国内外先进、成熟、高效、节能、适用性强、自动化程度高、劳动强度小的密闭设备。
直筒式多能提取罐成套设备,既适用于煎煮、浸渍、渗漉、回流、水蒸汽蒸馏等多种方式的提取,又能将几个提取罐串联组成连续式的动态逆流提取线,还能方便设备出渣和清洗,并且可以对提取过程和出渣过程进行自动控制,因此,它是提取的首选设备。
对于提取规模很小的提取车间,可以选用提取与浓缩联为一体的设备,以减少贮罐等辅助设备。
超临界流体提取成套设备及超声设备在现代中草药提取中也可以用。
在中草药提取车间,网袋式过滤器、离心机、板框过滤器用得比较广泛。碟片式分离机因其分离因素不高,目前应用较少;高速管式离心机分离效果虽好,但操作复杂,目前只用于部分品种。在满足生产工艺条件下,浓缩设备尽量选用使用性广泛的真空浓缩设备,并且尽量选用双效节能的真空浓缩设备,以充分减少能耗、降低生产成本。浓缩设备应方便清洗,且不易结焦。
水沉、醇沉、絮凝沉淀用沉淀罐,其它纯化设备根据工艺需要选用成套设备。
干燥设备选型在满足生产工艺的条件下,尽量选用真空干燥和喷雾干燥,以方便粉碎和制剂车间制粒。
设备生产能力应以生产纲领为依据,且比生产纲领略大。
设备和工艺管道选材应满足GMP 要求及所接触药液性质的要求。如果药液为腐蚀性酸,应选用耐酸腐蚀的材料,如无特殊要求,设备和管道选材为304 不锈钢,设备及管道内外应光洁,无死角。
6 车间布置
车间布置既要满足生产工艺要求及GMP 规范要求,也要满足消防、环保、职业安全卫生的要求,还要尽量减轻劳动强度。
车间布置应遵循一般工业厂房的布置原则,按工艺流程进行生产工序布置,同类设备相对集中,以方便操作和管理;还要满足GMP规范要求,车间人流物流组织应满足总图对人流物流的要求;同时还要处理好以下问题。
①提取车间一般有醇提和醇沉,应考虑车间的防爆;提取车间产热产湿岗位较多,应考虑车间排热排湿;③提取车间运输量较大,应考虑减轻劳动强度;④浓缩液的后处理工艺。
为了方便泄爆和排热排湿,提取车间宽度一般不宜设计得太宽。并且防爆区与产热产湿区尽量靠外墙,以方便泄爆及排热和排湿。为了节省投资,对提取量较小的车间,将整个车间建为甲类防爆厂房;对于提取量特别大,且醇提、水提量均较大,宜建一个甲类防爆车间和一个非防爆车间;其它的提取车间,宜在一个车间内将防爆区和非防爆区分开,中间用抗爆墙隔开。提取、浓缩岗位较湿热,要求送风或排风。
提取车间药材处理量较大,为了管理和运输方便,一般将原药材库、净药材库、药材的前处理与提取车间建在一个联体建筑内或建在一个建筑内。但前处理车间与提取车间应严格分开,且原药材库、净药材库宜建在前处理车间上面,不宜建在提取车间上面,为了减轻劳动强度和保障安全,原药材及净药材运输为电梯运输,提取投料设投料层,出渣设出渣间,提取车间宜设计成三层。
如果提取是为口服制剂和外用制剂提供原料应在净化层流下收浓缩液或在30万级洁净环境下收浓缩液[6]。如果浓缩液需干燥,应在30万级洁净环境下操作。如果提取是为注射剂提供原料,浓缩液应在10万级洁净环境下进一步精制。车间洁净区设计应满足GMP规范要求。
提取车间应设冷藏库,以贮存浓缩液,如果在洁净区内设冷藏库,冷藏库出入口应设洁净缓冲间。
毒性药材提取应设专用设备,并在专用区域内提取,以防止交叉污染。
提取车间设计应考虑为以后发展预留。车间地面、墙面及顶棚应耐酸碱腐蚀、防霉。防爆域区内的电器开关应为防爆型,产热产湿域区灯具及开关应为防水型。