慧聪网首页所有行业资讯中心企业管理商务指南展会访谈行业研究博客慧聪吧找供应找求购免费注册立即登录加入买卖通即时沟通网站导航

微波技术在中药提取及灭菌干燥中的应用

2005/8/16/08:44 作者:郭维图
    中药提取概述:

    中药提取是从药材(动植物)浸出有效成分以便制成供内服、注射和外用的制剂。药材所含成分非常复杂,按药理作用和组成性质非为:有效成分、辅助成分、无效成分和组织物质。提取与分离的目的是最大限度的有效成分和辅助成分,尽其可能弃除无效成分、有害成分及组织物质的使用最小剂量达到最长疗程最高疗效之目的。随着西药屡次出现毒副作用,耐药性及过敏等不良反应,因而天然药物广受青睐,人们也加强天然药物生产工艺的研发,试图改变传统的工艺方法,以达到最佳效果。中药提取、分离提纯、干燥技术成为研究的热点,在提取方面,除对传统的索氏提取进行改造,如动态提取、提取与浓缩联合机组等的外,将超声波,超临界,微波等技术在中药提取的生产工艺上。在浓缩分离技术上除改变过去的单效蒸发为双效、三效浓缩,以降低蒸汽耗量,同时为更多的保留有效成分,现在又将膜分离技术应用在提取液的浓缩分离上,使其过程均在常温下进行,不仅达到更明显的节能效果,而且最大限度的保留热敏性的有效成分,提高的药物是含量和纯度。在固态制剂中,改变传统应用在生产上的常压,真空箱式干燥工艺,喷雾干燥、冷冻干燥及微波干燥应用在生产上,不但提高自动化水平,而且实现GMP防止污染、交叉感染的目标,尤其是防止微生物污染上更突显其优越性,同时可以实现CIP和SIP,使产品质量有了突破性的提高。本节重点讨论中药提取、尤其是微波协助的应用上。

    1.1浸出原理:
    
    药材的大部分有效成分从与细胞原生质中的液泡内,在溶媒进入细胞组织溶解其有效成分后变成浸出液。药材的浸出过程浸润、溶解、扩散、置换等四个阶段。当药材粉粒与浸出溶媒混合时,浸出溶媒首先附着于粉粒表面使之润湿,然后通过毛细管和细胞间隙进入细胞内。溶媒进入细胞后可溶性成分逐渐溶解,胶性物质由于胶溶作用也转入溶液中,浸出溶媒溶解有效成分后形成浓溶液,具有较高的渗透压。(1)用浸出液或稀浸出液随时置换药材粉粒周围的浓浸出液,这是浸出过程的关键。

    1.2影响浸出的因素:

    药材浸出有效成分,应根据其性质选择适当的溶媒,含水溶性成分药材以水提,而含脂溶性成分的药材则用醇提.浸出溶媒的应用关系到有效成分的浸出率,制剂的有效性.安全性.稳定性及经济性。

    1.2.1浸出溶媒的选择:用于药材浸出的液体称为浸出溶媒.浸出溶媒浸取药材后得到的液体称浸出液.浸出后的残留物质称为药渣.由于药材中可溶性成分非常复杂,浸出的目的在于选择适当的溶媒和方法.浸出液经过适当的精制处理可制成中药的各类剂型,如口服液.滴剂.注射剂.片剂.胶囊剂.气雾剂.为何浸出药剂所制成的药物比单方或直接入药的药材粉末制成的剂型疗效更好,疗程更短,更安全稳定呢?首先,浸出药剂同原药材相比,由于除去组织物质和部分无效成分,相应提高有效成分的浓度,增加某些有效成分的稳定性,减少用量,便于服用.其次浸出药剂的作用通常比较缓慢持久,毒性也较低.应辅助成分的共存可促进有效成分的吸收.其三,中药的治疗作用以“阴阳五行.右臣左使”中医药理论为基础,强调总体协调的治疗作用,浸出药剂具有药材各浸出成分的综合作用,具分析在浸提的过程,可能还伴随着某些化学反映而产生的物质,因而有利于发挥某些药材成分的多效性和相辅相成的效果.故选择适当的溶媒及方法,可充分浸出有效成分及辅助成分.药材中各类化学成分的溶解性可参照下表:

    (1)各类化学成分的溶解性简表

成分类别
溶解性
备注
水溶性成分
水溶性有机酸生物碱盐单糖.低聚糖.氨基酸.粘液质.树胶.蛋白质.酶
乙醇
乙醚氯仿
多羟基酸在醚、氯仿中几乎不溶部分强水或在氯仿中略溶
 
醇溶性蛋白质能溶于50~70%乙醇
+
+
+或±
+
+
+
±
+
+(热时凝固)
脂溶性成分
挥发油、生物碱盐基、非水溶性有机酸,或元[注]、树脂、油树脂、脂溶性色素油脂、蜡、橡胶
极微
+
+
麻黄碱、咖啡因、小 
碱等可溶于水
胡萝卜素不溶于乙醇
蓖麻油,巴豆油可溶于冷乙醇
+
+
+
+
-(热溶)
+
+
其他
淀粉、纤维素无机成分
淀粉在热水中可以糊化而溶解
±或-
±或-
    [注]1、一般酚类、醇类、醛类、醌类及多数烃类的溶解性与元一致。
        2、“+”可溶,“-”不溶,“±”为难溶或部分可溶
 
    1.2.2浸出辅助剂的选择:
    在中药提取中为增加浸出率.增加浸出成分的溶解度,除去某些杂质和增加制品的质量稳定性等目的常加入一些浸出辅助剂于溶媒,如加入酸.碱.甘油或表面活性剂。

    1.2.2.1酸:主要在于促进生物碱的浸出,适量的酸对许多生物碱也有稳定作用,且能使部分杂志沉淀。常用的酸有硫酸、盐酸、磺酸、酒石酸、枸酸等。用以调整PH值。

    1.2.2.2碱:应用不普遍,主要是防止酸性皂水解或增加浸出物的溶解性,且能除去质,有机酸、树脂,色素等杂质,常用有氨水、个别有用碳酸钠,氢氧化钙,碳酸钙等,氢氧化钠一般不用。

    1.2.2.3甘油:常与水或乙醇混合使用,作稳定剂使用。
    表面活性剂:可增加药材的浸润性以提高浸出率。生物碱内常用阳离子型表面活性剂盐酸盐,非生物碱类则用阴离子型表面活性剂。表面活性剂虽可提高浸出率,但浸出杂质也增加,故应慎用。

    1.2.3影响浸出的其他因素:

    1.2.3.1药材的粒度:药材粉碎至一定细度,有利于有效成分的浸出,但不宜过细,此会导致不易浸润,即使可浸取,也会造成许多不溶性高分子物质进入浸出液而导致分离困难。应指出,浸出率与药材组织及其粒度有关,药材组织较硬实者,其粒度应在5毫米以下,而质松者,应以切片,厚度控制在2—3毫米,花草则切断为宜。不同硬度的药材其粒度对浸出的速度和量有密切关系。

    1.2.3.2温度:先以常温水浸泡20~30分钟,后加热升温,以免植物蛋白质凝固及破坏酶,有效成分及挥发油分解、挥发(切忌热水投料)所以宜控制在沸点或以下,一般以80℃左右为宜,若有条件,最好在负压的状态下浸取,既可提高浸取速率,又可减少有效成分分解。

    1.2.3.3浓度差:浓度差是指药材块、粒组织内的浓溶液与外面周围溶液的浓度差,适当运用和扩大浸出过程的浓度差,有助于加速浸出过程和提高浸出速率。故选择工艺和设备时应以此为基础,一般可采用搅拌或强制浸出液循环等方式达到此目的。

    1.2.3.4压力对药材坚实、浸出溶媒较难浸润,为加速浸润过程,缩短溶质扩散过程所需要的时间,促进药材组织内某些细胞壁的破裂,(微波的穿透性极好)除微波外,可在负压或加压下实现,但对药材组织内充满溶媒(或药材组织松软者)则效果不明显。

    1.2.3.5浸出成分和浸出的关系:一般扩散理论,在浸出过程中,药材的可溶性成分分子半径大小不同,扩散速度也有差异,而有效成分多属于小分子物质,而大分子多属于无效成分,前者先溶先扩散,后者扩散较慢,而有效成分扩散先决条件还在于溶解度的大小。

    应用先进技术:现在,将超声波,电磁振荡脉冲,微波等技术用于浸取技术的一场重大变革。
由于微波萃取(MAE)是建立在重要提取的基础上,为提高提取效率,提高有效成分含量,缩短提取周期,节约消耗能源,所以在中药提取中应用微波技术,微波协助,因而有必要搞清楚中药提取中的一些基本概念,以便加深对MAE技术的理解。

    1.3中药提取的微波协助技术:

    微波协助是在传统的溶媒提取技术的基础上发展的一种新型萃取技术,将其应用于中药有效成分的提取,可达到速度快,含量高、可节能之目的。

    1.3.1原理:微波是介于1毫米~1米(频率介于3×106~3×109HZ)的电磁波,它具有反射、穿透、吸收的特性,不同物质的电介常数、比热容,形状及含水量不同将导致各种物质吸收微波能的能力不同。极性分子接受微波辐射能后,通过分子偶极以每秒数十亿次频率旋转而产生热效应,在萃取时,微波透过透明的萃取剂达到植物内部,因物料的维管素和腺胞系统含水量高,故而吸收微波的速度很快而升温,使细胞内压增大,当内压超过细胞壁承受能力时,细胞壁破裂,则其内部的有效成分自由流出,进入萃取剂而被溶解,去渣存液达到提取目的。

    1.3.2特点:他可对体系中的一种或几种组分进行选择性加热,故可使目标组分直接从基体分离,而周围环境温度都不受影响。他传统的及其他的提取方法比较,其参数可见下表:

   (4)微波方法与其他提取方法比较

方法种类
索氏提取法
超声波法
微波法
超临界提取
样品重量/g
5~10
5~30
0.5~1.0
1.0~10
溶剂
乙烷\乙醇
二氧化碳
溶剂体积/ml
﹥300
300
10~20
5~25
溶器体积/ml
500~1000
500
﹤100
5~25
温度/℃
沸点
室温
40.70.100
50.200
时间
16h
30分钟
30~50S
30~60分钟
压力/pa
1.01×105
1.01×105
(1.01~5.05) ×105
(150~650) ×105
相对能耗
1.00
0.05
0.05
0.25
       ①    取决于浓度和样品类型;
       ②    二氯甲烷,丙酮、己烷、环己烷、甲苯等

    椐华圆科技公司的小试与生产提供有关参数:
    甘草小试有关数据

提取方法
甘草重量(g)
溶媒量(ml)
提取时间(分)
甘草酸面积(M²)
索氏法
4.0
65.2
240
656.4
室温冷浸法
1.0
16.3
2660
654.5
微波法
100.0
1630.0
240
658.2
     
    常规提取与微波提取生产数据(3)
提取设备
处理量(Kg)
提取时间(h)
批次
能耗
能耗成本
人工成本
直接成本
常规设备
1000
50
12
12T(汽)
800
210
1010元/T
微波提取罐
1000
11
12
850KWh
510
45
555元/T

    1.3.3微波法和传统方法比较其特点如下:

   (1)    提取的时间短,速度快:由于微波加热是以穿透式,时间仅常规提取的十分之一,而且没有热惯性,可用编程控制;
   (2)    溶媒耗量少,仅常规量的50%~10%,所加溶媒一次提净,既节省溶媒又大大减少下道浓缩工序的蒸发量,实现节能省时;
   (3)    由于微波加热方式是里外同时进行,受热均匀,提取温度低,不会糊化,有效成分不受分解,提高产品的产量和质量,固液容易分离,便于后处理;
   (4)    微波提取的能源为电能,所产生的电磁波,若与超滤(浓缩纯化)微波干燥组成联动生产线,则可不配锅炉,即卫生又符合GMP要求;
   (5)    生产过程由于微波的良好选择性,提取又在略高于室温的条件下进行,从而提高产品纯度,质量大大改善,适于萃取热不稳定性物质。

    1.3.4微波辅助萃取对中药成分的选择性及适用范围如何

    微波萃取(Microwave-assisted    Extraction,MAE)是利用微波能来提高萃取效率的一种辅助萃取新技术。

    1.3.4.1原理:在微波场中,物料吸收微波能是物料中极性分子与微波电磁场相互作用的结果,吸收微波能力是差异使基本物质的某些区域或被萃取体系中的某些组分被选择性加热。从基体或体系中分离,进入微波吸收能力相对差的萃取剂中,亦可理解为,生物材料的内部维管素和腺胞系统由于吸收微波能,内部温度突然升高,致使内部压力超过细胞壁膨胀能力,导致细胞壁破裂,位于其内的成分没有自由流出,传递转稀至萃取介质周围,在较低温度下波被介质捕获而溶解其中。
    1.3.4.2MAE的选择性:他主要取决于目标物质和。溶剂性质的相似性应根据被提取物的性质选择极性或非极性溶剂.极性溶剂可用水、醇等,非极质溶剂可用正己烷等。但由于非极性溶剂不能吸收微波,为加速萃取,通常的做法是在非极性溶剂中加入极性溶剂。如果样品溶剂两者均不吸收微波,则MAE无法进行。

    介质吸收微波的能力主要取决于介电常数、介电损失因子、比热和形状等,极性较大的溶剂或目标成分,吸收微波能力强,在微波照射下能起速升温,沸点低的溶剂甚至有过热现象,极性较低者吸收微波能力差,非极性的氯仿等则几乎不吸收微波,因此,利用不同物质在介电性质上的差异也可以达到选择性萃取的目的。

    水是吸收微波的最好介质,任何含水的非金属物质或各种生物体都能吸收微波。因此,微波对含水部位有一定的选择性,药样的含水量对提取率也有显著影响。溶剂的介电常数和电导率对电磁能的吸收和分布有很大的影响,并且溶质和溶剂的极性强大,提取率越高。有人用MAE法对大豆等样品材料提取并与传统的索氏提取法比较,用HPLC检测,结果发现:与传统方法比较,MAE法可使萃取时间降低99%,在含水溶剂中,极性分子的产率明显高于传统方法;在不含水的溶剂中,非极性分子的产率略低于传统方法。如对MAE法提取迷迭和薄荷叶的挥发油进行研究,观察了介电常数,叶重,微波强度、提取率等因素。结果表明:组分的介电常数决定了微波加热的类型。在叶片十环己烷系统中,微波主要加热叶片,而在叶片十乙醇系统中,主要是乙醇吸收微波能,在这种类型中,存在最大加料量或固液比。在某一微波强度下,产生最有效的微波加热率。萃取率岁植物材料的特性,微波强度的持续时间,所用溶剂,叶重与溶剂量之比、加料量、萃取器形状而异。在一个给定系统中,叶片与溶剂的温度升高速度并不相同。乙醇、环己烷,90%乙醇的开始升温速度高于叶片,但最终被叶片超过。微波处理正己烷浸泡的新鲜落叶后,显微镜观察表明:叶面的脉胳和腺体破碎而含水少部位的细胞变化不大,故证明微波对含水部位有一定的选择性。

    微波由于具有强烈的热效应而能使酶灭活,因此适于苷类、多糖等易被酶接的成分;MAE适用于热稳定性物质及被处理物料有良好的吸水性或待分离产物所在部位容易吸水;不适于热不稳定性物质及富含淀粉或树胶的药材。

    1.3.5MAE是参数及其影响因素

   (1)MAE操作过程的主要控制参数有萃取溶媒、功率、时间
   (1.1)萃取剂的选择:首先应选择介电常数较小,对目标成分有较强的溶解能力,对萃取成分的后续操作干扰较少的萃取剂,这可使微波完全透过或大部分透过萃取剂,达到萃取的目的。若提取物富含热不稳定成分或挥发性成分,适选择对微波射线高度透明的溶剂。若除去次成分,则选择部分透明的溶媒,这可让萃取剂部分部分吸收微波能转让为热能,从而驱除或分解不需要的成分。
   (1.2)萃取溶剂的分类:水;有机溶媒如甲醇、丙酮、二氯甲烷、苯等;
    无机溶剂如:硝酸、磷酸、盐酸、氢氟酸以及混合溶剂的己烷—丙酮、二氯甲烷—甲醇、水—甲苯等。
   (1.3)萃取剂的用量和比例:其用量与比例因物料的不同而有差异,一般萃取剂与物料之比(l/kg)在1:1~20:1范围内选择。

   (2)微波功率(剂量):所需微波剂量是以最有效的提取出目标成分为原则.一般所选的微波功率在200~1000W,频率在2000~300000HZ微波辐射时间不宜过长,以免沸腾造成有效成分分解及损失。

   (3)萃取时间:一般在10~100S之间,因物而异,时间一宜过长,以免沸腾造成有效成分的分解及损失。

   (4)其他影响因素:除以上参数的影响因素外,其他因素有
   (4.1)药材中的含水量:人所共知水是介电常数较大的物质,可有效的吸收微波能转化为热能,所以药材中含水量的多少对萃取率影响很大,对萃取时间也有较大的影响.故干药材应在浸透(用水)后再启动微波辐射.。
   (4.2)溶液的PH值:当溶剂介于4.7~9.8PH值时,效果最佳。
   (4.3)温度,基体物质等因素对萃取的效率以及溶媒回收率也有不同程度的影响。
    总之,最佳条件的选择应根据物料的不同而分析确定。

    工艺过程简介:将药材粉碎至所需粒度,以使充分吸收微波能,将其置于微波设备内,加入定量溶剂,常温浸泡20~30㎜,混匀开启电磁管进行辐射,控制辐射时间、温度、压力,以免受损。提取结束然后从萃取相中分离残渣,获得粗制目标产品(提取液)再经分离,提纯(可用微滤、超滤及渗透或吸附法)得到所需组分茗所用萃取剂为水,萃取物可直接使用,则无需除去萃取剂。

    1.3.6设备概况及其选择

    一般要求:材质不与所接触的药物,溶剂起反应,内部光洁度符合GMP要求,防护措施安全可靠,微波泄露量≤5MW∕C㎡,其容器材料应能自由通过微波,又可耐较高温度,压力。控制系统应现有功率选择、温度、压力、时间控制,最好实现智能化控制。
国外MAE设备参见下表。

    国外MAE设备〈4〉

型号
发生器最大输出功率/KW
泵标定容量/L.min-1
最大材料标定流量/L.h-1
MEU-1.2
1.2
1~5
100
MEU-2
2
1~10
300
MEU-3
3
1~15
450
MEU-6
6
5~30
900
MEU-12
12
10~60
1800
MEU-24
24
20~120
3600
MEU-36
36
30~180
5400
MEU-48
48
40~360
2500
MEU-60
60
60~360
1000
 
    1.3.7国内华圆微波多功能MAE设备

    1.3.7.1工艺特点:MAE技术对压溶媒中物料的加热是内外并进,没有热梯度,无高温热源,无热惯性,提取温度低,充分保护有效成分。萃取速度快,生产周期短,提净率高,运行成本低,可控性强可实现PLC编程控制,此外,还有节能的优点。

    1.3.7.2结构特点:

    设计指导思想首先应符合GMP的基本准则,符合国家微波泄露量应≤5MWC㎡的安全要求,在结构形式上吸收动态提取罐带搅拌可以强制循环,带夹套蒸汽加热与微波加热并举等优点,以适应提取的不同工艺的要求。罐体的主材质采用优质不锈钢,加工精度Ra≤0.45㎜。

    微波加热箱及相关组件为优质不锈钢制作,微波结构采用多点微波馈入以利于热均布。使用先进的微波工程CAD软件包设计,合理组合微波单元腔体,冷测采用ZM210专用模拟天线进行逐个馈入调试以确保馈入的可靠性,达到整机高效率。应用多个微波管同腔工作,采用微波阵列天线技术确保磁控阵列组合方案,以消除微波之间的电磁干扰,此技术可提高磁控管工作稳定性,延长磁控失效期,保证了整机效率。

     采用组合式结构:将MAE罐分成微波主体腔、进料舱、出料门、微波源等四组件。便于生产加工、组装、运输和现场安装。

    1.3.7.3安全措施:采取防微波泄露措施,使微波泄露<5MW/C㎡,由于微波磁控管工作时,电压高达几千伏、防电击、防止与易燃易爆气体是设备安全的重要课题,据介绍,该设备所有电器箱均有可靠密封,用气液热交换器维持腔内环境温度。没有电缆选用防爆级专用不见速接,外用电器均为防爆级产品。

    夹套加热:容积压1M3~3M3热源有蒸汽,微波并用,故需配夹层套。

    MAE罐技术参数(3)

型号
规格
WTD—0.5M3
WDT1.0 M3
WDT3.0 M3
缸体容积(L)
550
1100
3200
使用容积(L)
300~500
800~1000
2500~3000
缸内设计压力
常压
实验压力(mpa)
0.09
夹层设计压力(mpa)
 
0.19
压缩空气压力(mpa)
0.6~0.7
加热面积(m2)
 
0.4
0.6
冷却面积(m2)
 
0.25
0.3
加料口直径(mm)
400
400
400
排渣门直径(mm)
600
800
800
搅拌速度r.p.m
 
25
25
搅拌功率(kw)
 
2.2
2.2
耗汽(kg/h)
 
26
34
工作温度(℃)
20~100
20~100
20~100
输入电源电压(v)
3相   380V±10%   50HZ
微波功率(kw)
10~20KW
30~40KW
50~80KW
微波频率(Mhz)
2450
磁控管寿命(h)
>5000
冷却方式
磁控管风冷、变压器油冷  24小时连续工作
溶媒性质
水、醇
测温范围
10~200℃   精度±1℃
自理时间约
0.5~1m3水提缸<0.6~2小时
醇提缸<0.5~1.5小时
≤3 m3水提缸<1~3hr
醇提缸<0.6~2hr
使用环境
防爆
调速形式
变频无极调速
环境温度(℃)
0~400
控制方式
全自动,采用PLC控制
微波泄漏
≤5mw/cm2
设备总重(kg)
1200
2300
2800
钢平台重(kg)
1500
3200
4000
 
    2、微波干燥与灭菌

    微波干燥,灭菌技术现已广泛用于医药、食品、饮品、化妆品行业,效果良好。

    2.1概述:介电加热干燥是将物料置于高频电场内,由于高频电场的交变作用,使物料加热达到干燥的目的,电场的频率<300MH2间的超高频加热称为微波加热,目前微波加热所用的频率为915和2450MH2两种,后者在一定条件下还有霉菌作用。

    2.2干燥热理:微波为波长(㎜到㎝之间的电磁波。温物料中的水分子,在微波电场的作用下,它会被极化并沿着微波电场的方向整齐排列,由于微波是一种高频交变电场,水分子就会随着电场方向的交互变化而不断地迅速转动并产生剧烈的碰撞和摩擦,部分微波能就转化为热能,从而达到干燥的效能,也就是说,微波加热量物质在外加电场下,产生分子极化现象,随着电压按高频率交替地变换方向,正负电场的方向也交替地改变,极化分子也随着不停地转动。(如右下图),其一部分能量转化为分子无规则运动的能量,分子运动加剧。摩擦生热,故物质温度外高,由于热量在被加热的物质中产生的所以加热很均匀,并且外温速度快,物料受热均匀,热效率高。故其干燥速度快,干燥的产品也较均匀洁净。因为微波作用于温物料,其中所含水分立即被均匀加热,它与传导、对流和辐射三种干燥的传热方式不同,无需经过传热途径和传热时间,热损失少。在干燥过程中,湿物料内部水分往往比表面高,则物料内部吸收的能量多。温度比表面高,这样湿物料的温度速度与水的扩散方向是一致的,从而提高了水分的扩散速率,加快了干燥速度。此外,微波还具有选择性加热的特点。由于水的介电常数比固体物料大的多,故湿物料中的水分就没较多能量而迅速汽化,而固体物料因吸收微波的能力小,温度不会升温过高,有效成分不至于受破坏,有利于保持产品的质量。

 
    2.3干燥应用:微波加热器是由微波加热管产生微波后,通过波导输送到微波加热器中,微波能转变为热能被产品中的水分吸收使水汽化蒸发,它常用于片剂,胶囊剂、颗粒剂等湿颗粒的干燥,药材粉末、中药饮片、丸剂(密丸、水丸)的干燥灭菌。在干燥的同时,它还具有杀灭虫、螨、卵等作用。

    2.4微波特性:微波的特性:微波是一种高频率的电磁波,具有反射、穿透、吸收三种特性。其中反射性是指微波碰到金属回反射回来,故需要殊处理的钢板制作内壁,根据微波器内壁所能引起的反射作用,使微波反复穿透物料,加强热效率。但器腔内绝不允许使用金属容器,否则不仅会影响加热时间,而且会引起短路,腔内放电打火。

    穿透性:则盛器、包装容器具有穿透性,如陶瓷器、玻璃、耐热塑料,木器、竹器等。故可用药材的干燥灭菌、杀虫等。它还具有吸收性,各类物料,尤其是含水的颗粒、饮片、等由于吸收高频率微波而使水分子产生剧烈震荡,摩擦而发热蒸发,达到灭菌干燥之目的。

    2.5微波灭菌的原理:
    主要基于介质在高频率电磁场中被加热的原理。微波在几千兆赫的高频电磁场中,以周期每秒几十亿次次的频率摆动。电场正负频繁交替变化,极性介质也随电场磁性变化而复更,相互摩擦产生高热(当微波通过某中介质时,药核介质能吸收微波能量,那此微波能量就能在介质中转换为热能)蛋白质、核糖核酸和酶失活而达到灭菌的效果。水是微波的强吸收介质,微波可让微生物中的水分子形成电偶极性并随电场改变而高速转动,导致细胞膜结构破裂,细胞分子间氢健松弛破坏。温度的升高,使细胞中的蛋白质凝固而造成微生物的死亡,因而达到灭菌的目的。由于微波可穿透物质较深,一般为2~4厘米,能量随深度增加而减少,水可强烈地吸收微波,多仪微波可以做药物和水性注射液的灭菌。

    2.6灭菌应用:微波灭菌在中西药生产中已有应用,上世纪八十年代初,有关研究单位曾做实验:将含菌量高达350万个大盐水混悬液密封与1~2ml的安瓶中,继3~5kw,2450MHZ的微波作用15秒以上,安瓶温度接近110℃,细菌全部杀灭。金黄色葡萄球菌与词此类同,枯草杆菌芽胞含量为6~8万个/ML液温应达140℃,保持20秒钟,可全部杀灭细菌。此外还对安痛定、维生素B1、维生素C、尿、庆大霉素、卡那霉素等注射液用微波灭菌除去溶液外,其余5分钟,PH和主要成分含量都无明显数据报道。微波灭菌与高压蒸汽,灭菌对17种化学药材     定性的影响,证明对高压蒸汽灭菌稳定的药物,使用微波灭菌也就变化,而对高压蒸汽灭菌不稳定的药物,为维生素C,阿斯匹林等用微波灭菌则比较稳定,其分解程度降低。又如含有2000~3000个真菌孢子的生理盐水悬混液,在3~4KW微波功率作用下,液温达到120℃以上,在20~25秒种,既可彻底灭菌。

    中药,尤其直接入药的药材,由于产于土垠。生于空气中,在贮放环境中茗通风及卫生条件不符合要求,也易造成昆虫、细菌的繁殖,故在洗药,常规干燥时,难以将生物及微生物或卵、螨等清除或杀灭。因而,此种药材即使经粉碎、过筛后也难以符合中国药典所规定的杂菌指标要求,必须对其进行灭菌处理。微波用于中药灭菌提取的良好的效果。曾用三种微波发生装置:(1)2450MHZ隧道式微波加热器;(2)2450MHZ直波导微波机;(3)2450MHZ组合波导微波机。分别对丸药样品进行灭菌,含菌数比未经处理的样品降低74%~99%,微波灭菌的饮片含菌数比未经处理的降低99%,如微波处理的当归,经分析测定其挥发油的气相色谱图,其主要成分无多大变化,而沸点低的其挥发油则明显减少。麻黄、生草鸟、甘草、穿心莲经微波加热、烘箱和未经加热的样品,从成分含量测定的结果分析,生物碱、内脂、有机酸等对微波加热较稳定。乌头碱经微波处理后,基本上没有被破坏,一般灭菌时间为3~6分钟。总之,一般温度在80℃,照射数分钟或数十分钟,丸剂就可以达到灭菌效果。如密丸照射数分钟可杀死74%~89%细菌,水丸照射16~22分钟,可杀灭94%~99%的细菌,饮片照射2~4分钟可杀灭99%的细菌,其效果优于干热灭菌,而且热转换效率高,,节约能源、卫生、符合GMP要求并可实现自动控制及连续化生产。若将微波灭菌用于抗骨质增生丸,采用196W的输出功率,灭菌时间3分钟,可将大部分细菌杀灭,而且丸剂保持外行不变,灭菌后的丸剂显干燥。

    2.7设备简介:微波干燥灭菌其安全性一直受人所关注,难保微波不外泄,这是安全的关键。在上世纪六、七十年代,美、欧、日已将微波技术应用于工业生产上及日常生活中。我国虽起步较晚,但已在缩小差距。工业上已有研究成果产业化的产品,在医药生产中推广应用,日常生活中的微波炉也已广泛使用,早在60年代,日本JEOLJSA—5型微波灭菌装置可与注射剂组成连动生产线,灭菌温度125—135℃,时间短,受热均匀,产量为12000支/H。我国也在2000年的药机博览会上推出隧道式微波灭菌干燥器。现以右图示意,供修改。

    微波热效应的产生是微波发生器(主要靠继电器和变压器)将交流电转变为高压支流电,调节适宜的电压,然后输至磁控管,使其产生自激振荡,所产生的微波经电子管进入扩散空腔(常用304不锈钢管制成)。标准磁控管为30KW,最小者为5KW,若用915MHZ的微波频率时,水分子每分钟运动频次达到18.3亿次。

    2.8微波干燥的优点:他是利用磁控管产生的辐射波,其波长在电磁频谱中介于红外线与电磁波之间,它具有以下优点:
   (1)    能高效利用能源,可节约三分之一以上电能,如用电热干燥耗电100KW,而用微波干燥同重量、同温度的物料,耗电20KW即可达到同样的干燥效果。
   (2)       烘干温度低,干燥时间短。如将含水量从80%烘干至20%时,用热空气干燥时需20hr,而用微波干燥则仅需2hr即可.
   (3)       不需预热,亦无余热,便于控制,可实现连续化、自动化连动操作。
   (4)       其功能广泛,即可干燥又可灭菌还可杀虫、灭卵、杀螨,适于重要原料干灭,不影响被干燥物料的色、香、味及其成分。
   (5)       改善劳动条件、工作环境和卫生条件,符合GMP要求。

    总之:它是热的快、热的匀,节约能源、利于质量的一种干燥方法。

    2.9国内微波干燥灭菌设备研发及应用现状

    微波技术虽然在国内研发起步比较晚,但发展比较快。随着安全措施的到位,人们克服了对微波的恐惧心理,现已应用到医药、化工、轻工、食品、化妆品等行业。设备已有微波隧道干燥灭菌箱、微波滚筒干燥机、微波真空设备用于干燥灭菌和浓缩、微波提取罐及工业微波炉,此技术除用于干燥灭菌、萃取外还可用于浓缩与膨化、低湿脱水、应用领域正在不断拓展。现以灭菌干燥设备为例列举介绍如下:
   (1)    WMG系列隧道式微波干燥灭菌机
    结构:据华圆介绍,该系列为多管型隧道式,型号有卧式、立式、履带式、整机90%以上以不锈钢制造,主要由电加热预热箱、微波加热器、微波抑制器、排风排湿系统、机械翻料防偏传输机构及PLC控制系统组成。而微波加热器由若干个单元加热箱。由于设计上采用模块化组件,故拆装、维修、清洗十分方便。控制系统的电子元件为进口。WMGD系列双层隧道微波干燥灭菌机,则采用立式微波辐射结构,微波馈口设于顶部,微波功率从15KW~80KW可调。隧道式均在箱内装有测温插头和设有开门停机的可视炉门。立式或双层型号则可节省占地面积,箱外整体采用不锈钢夹层保湿以提高热销率。

    特点:1.核心部件均为国外著名公司生产,如PLC编程控制器、磁控管、微波变压器、变频器,产品质量可靠。

    2.微波发生器由多个独立供电控制电路组成,每个磁控管均由一个电流过载保护装置独立控制。设备出口,进口装有微波抑制器可保证微波泄露量<5Mw/cm2的国家标准。

    3.输送系统:输送采用带导轨的聚四氟乙烯密织带,安全无毒,调速器为变频无极调速,性能稳定精确。

    4.排风系统:单元加热箱顶部有排风罩,可与车间的排风系统连接。

    5.测温控制系统:加热箱现有红外辐射测温仪,测温准确,性能稳定,此可实现温度自动控制,精确控制产品质量。

    6.采用PLC编程控制系统,使微波功率选择更灵活,温度更均匀,运行更稳定,操作更方便。

    主要技术参数:

    主要技术参数(4)微波泄量<5MW/cm2

型号
微波频率
MHZ
输出功率
KW
传动速度
M/min
排温风量
m3/h
干燥能力
kg/h
灭菌能力
kg/h
外行尺寸
L×W×H(M)
WMG-15A/B
2450±50
15
 
 
40~75
150~180
9.8×1.2×1.8
WMG-20A/B
2450±50
20
 
 
50~120
200~250
12.4×1.2×1.8
WMG-30A/B
2450±50
30
 
 
65~160
300~400
14.5×1.2×1.8
WMG-50A/B
2450±50
50
 
 
120~200
500~600
20.5×1.2×1.8
WMG-50-80A/B
2450±50
50~80
 
 
200~360
600~1000
30×1.2×1.8
WMGL-15A/B
2450/915可调
15
0.5可调
1000~15000
40~75
150~180
6.2×1.2×1.8
WMGL-20A/B
2450/915可调
20
0~5可调
1000~15000
50~120
200~250
4~6.2×1.2×1.8~2.3
WMGL-30A/B
2450/915可调
30
0~5可调
1000~15000
65~160
300~400
6~10.6×1.4×1.6~2.5
WMG-50A/B
2450/915可调
50
0~5可调
1000~15000
120~200
500~600
6~10.6×1.4×1.6~3.5
WMG-80A/B
2450/915可调
50~80
0~5可调
1000~15000
200~360
600~1000
 
WMG56B
2450±50
56.4
0~5可调
1000~15000
120~200
500~600
13.4×1.0×1.8
 
    隧道式除可作干燥灭菌用于中药的固体制剂,以外,另还有专用于液体药物的快速微波灭菌,此机型还可作为保健茶灭菌保鲜,还可用于白酒、醋等的催陈老熟。

   (2)    WMY系列隧道式快速微波液体灭菌机

    此机型主要用于口服液、糖浆等液体药剂的灭菌,现在,这类产品的灭菌沿用蒸汽灭菌柜。口服液、糖浆大都是中药成分或生物微生物制剂,其有效成分均属热敏性物质或有益微生物,其液体也是有害微生物迅速繁殖的营养源,一旦有此类微生物寄生,将会在适当的生存环境下大量繁殖,给产品的安全性造成巨大的威胁,由于生产过程及环境,难以保证有害菌的不存在与污染的可能性,故灌封后需要对其灭菌处理,以杀灭有害菌,确保试用期的治疗,保健效果和服用安全。但按灭菌安全性要求,在不同的温度下有其标准灭菌值F0,通常水针剂的F0≥8,亦即在121℃温度下,保持20~30分钟。而此条件,口服液或糖浆却会造成有效成分或营养成分的大量分解破坏,使其疗效或营养两值大为降低,这是令人头痛的难题。微波灭菌在液体制剂中的应用,使产品质量及其安全性的提高带来了希望。由于微波的吸收性、穿透性及其反射性,尤其前两者给口服液、糖浆剂的质量得到保证。微生物的细胞,含水在99%以上,即使蛋白质也是高含的产物。由于微波是一种高频率变频场,水分子就会随着电场方向的交互变化而不断地迅速转动,并产生剧烈的碰撞和摩擦,部分微波能转化为热能,从而使细菌中的蛋白质凝固而失活,达到灭菌的效果,这也是微波吸收穿透性引起的作用.此外,细菌对微波热效应的耐热性有温度高低时间长短之分,这也是微波选择性的体现.例如:高敏感性细菌120℃时,1分钟可杀灭,轻微耐热性细菌,2分钟中等耐热性菌1分钟,即使耐热性细菌也小于5分钟,何况这是分子运动(细菌内的水分子),周期以每秒几十亿次的频率摆动,产生高热.实践证明真菌在120℃以上,20~25秒即全部杀灭.而在数分钟时限下,热敏性有效成分。某些特定微生物不被破坏或杀灭,因而可以借其特性达到既保留最大有效成分又达到杀灭有害微生物之目的。

     WMY6—50液体微波杀菌机采用多口馈能,所用磁控管微波输出大又可调,抗载能力强,效率高,寿命长,用风冷,加热器为箱体型,主要部件均采用不锈钢制造,横块化设计与加工,便于拆装,、维修、清洗、设有防微波泄漏的扼流装置以确保微波泄漏量<5MW/cm2,为确保安全,设有开门自动断电保护装置。整机控制系统由PLC,可设定药液流速、微波功率、药液定点温度及其误差<±3℃,实现通过触摸屏进行自动控制,使药液维持80~95℃的温度范围;药液由安全无毒、耐高温不吸收微波的PTFE(聚四氟烯)或PP(聚丙烯)管道输送并与出口用电磁阀控制调节以保证循环药液出口保持在设定的温度范围。此外还配有CIP、SIP的自控装置以确保符合GMP要求。

    主要技术参数(3)

型号
工作频率
MHZ
输出可调功率
KW
微波泄漏量
MW/cm2
灭菌产量
kg/h
外形尺寸
L×W×H
WMY-7A/B
2450/915
7
<5
70~100
4.5×1.2×1.4
WMY-15A/B
2450/915
15
<5
150~200
6×1.2×1.4
WMY-20A/B
2450/915
20
<5
200~500
9×1.2×1.4
WMY-30A/B
2450/915
30
<5
300~700
15×1.2×1.4
WMY-50A/B
2450/915
50
<5
500~1000
11×1.2×1.4

  
      *根据初始温度决定:

     微波灭菌干燥在医药,尤其在中药工业生产上的应用,随着生产人员对其了解的深入,认识的深化,其应用将会更加广泛,效益将会更加显著。

    微波干燥其形式还应用在连续化生产外,尚有间歇式箱式干燥设备.几十年来原料药,尤其是浸膏的干燥,传统上均应用蒸汽或电加热真空干燥箱,干燥的周期长、能耗大效率低,而微波真空干燥则可克服其弱点。

     微波真空低温干燥工艺

     微波真空干燥是将微波能技术与真空负压技术相结合的一种微波能应用技术,它兼两者的优点而克服常规真空,干燥周期长、能耗高、效率低、质量差的缺点。微波真空干燥具有产量大、质量好、周期短、成本低、能耗小的优点。在真空状态下,沸点降低,蒸发加快,不存在空气对流传热,物料供热的热传导方式。常规真空干燥热传导慢,箱内热分布难均衡,其热传导方向由外向里存在里外温差,而微波加热则是由内向外,由于湿物料内部水分往往比表面水多,物料内部吸收的能量多,温度比表面高,这样湿物料的温度速度与水的扩散方向一致,从而提高水分的扩散速率,加快了干燥速度。同时由于微波功率调整快、无热惯性、温度易于控制。箱内热分布将干燥质量好并具有消毒杀菌功效,产品保质期长。安全上符合5 MW/cm2指标。

    微波真空干燥的特点

   (1)    效率高:其生产效率为常规干燥的4倍;
   (2)    热分布好:由于微波对水分子的选择性加热,物料内部水份高,接热时由内向外,与水分扩散方向一致而且内外温差小,不会出现常规干燥热分布不均的现象;
   (3)    易于控制:微波发生真空度调整等可通过PLC编程控制;内部装有监视器,可以观察干燥的全过程;
   (4)    质量好:有效成分由于在低温下不易分解、破坏,又具有消毒、灭菌功效,保质期长。

  
     各类箱式干燥质量经济指标比较(3)

设备名称
项目
微波真空干燥
冷冻干燥设备
热风干燥设备
 
营养成分保存率
85%
95%
易分解、含量低
 
色味
基本保留
全部保留
改变
 
复水性
3分钟恢复
3分钟恢复
15分钟以上
 
口感
完好
一般
 
设备成本
为冷干机成本50%
最贵
便宜
 
运行成本
2~3元/小时
20元/小时
1~1.5元/小时
 
干燥周期
3~4小时
20小时
5~6小时
 
占地面积
 
杀菌作用
 
         指标
设备
蒸发水量kg/h
效率kg/kw.h
常规
2.5
0.1
微波
10
0.4


    由此得出结论:微波干燥相对于常规的真空干燥生产效率高,产品质量好。
    参考文献:
   (1)李纯秋等《药剂学》人民卫生出版社613.188.189
   (2)徐莲英等《中药制药工艺技术解析》人民卫生出版社  51.52.233
   (3)天水华圆制药设备科技有限责任公司产品样机、样本及用户使用资料
   (4)缪勇等《药品生产企业新技术新工艺与质量标准控制实用手册》  1234.1236
第三卷
   (5)张瑛等《药剂学》人民卫生出版社245
   (6)曹春林等《中药药剂学》上海科学技术出版社  106
   (7)郭维图《医药工程设计》全国医药设计信息中心站   2005.1.14
 

我要评论

】 【打印