基于桑葉提取車間布置的設(shè)計探究

田 恒，胡鳳婷，謝 旺，萬遠翠，徐瑞璇

(合肥師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230061)

中藥，作為中華民族引以為豪的民族瑰寶，一直在全球醫(yī)藥領(lǐng)域中都占有舉足輕重的地位。它來源廣泛(既可以是天然物也可以是加工物)，不僅能治病養(yǎng)生，且副作用小，但其發(fā)展卻仍然面臨著較多的突出性問題[1]，比如“中藥現(xiàn)代化”等。關(guān)于“中藥現(xiàn)代化”，雖然早在20世紀80年代后期就有人提出，但直到90年代中后期才形成真正意義上的“中藥現(xiàn)代化”概念。近年來，隨著我國醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展，特別是GMP、GAP、指紋圖譜等一系列標準的制定和實施，使中藥現(xiàn)代化逐漸走上正軌。而后，中藥指紋圖譜技術(shù)的推廣及應(yīng)用，大幅度解決了過去中藥因成分不清、藥效不明、質(zhì)量不可控而不被國際接受的問題，為中藥的國際化發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

隨著“中藥現(xiàn)代化”和中藥市場的日益興旺，也為中藥生產(chǎn)車間設(shè)計的蓬勃發(fā)展注入了新的動力。如何按照《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(2010年修訂)》、《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(2010)附錄》、《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016—2014)和《中華人民共和國藥典(2015版)》等相關(guān)規(guī)范標準設(shè)計出滿足先進高效、綠色環(huán)保的中藥車間就成為了研究的焦點。筆者擬以第九屆“國藥工程-東富龍杯”全國大學(xué)生制藥工程設(shè)計競賽“桑葉提取車間設(shè)計”為例，從中藥提取車間的功能組成，布置優(yōu)化，人、物流路徑和消防安全措施設(shè)置等四大方面的設(shè)計要點進行了探索性的解析。

1 提取車間布置設(shè)計中應(yīng)注意的問題

車間布置設(shè)計是利用制藥專業(yè)理論知識開展的類實踐性應(yīng)用，在滿足生產(chǎn)任務(wù)的前提下，還需綜合考慮工藝合理性、生產(chǎn)安全性和投資成本。而桑葉提取車間作為常規(guī)中藥車間的代表，又與化學(xué)藥車間有著本質(zhì)的區(qū)別，具體表現(xiàn)如下：

1.1 工藝問題

1.1.1 合理的卸料方式

中藥提取車間產(chǎn)渣量大、出渣時的人工勞動強度高，同時還應(yīng)根據(jù)藥渣的特點設(shè)置專用區(qū)域[2]用于藥渣的暫存和后續(xù)處理。而出渣間的濕度高、污染風(fēng)險大，因此，藥渣排放常常是中藥提取車間設(shè)計中的一大難題，需重點考慮。

1.1.2 匹配的生產(chǎn)設(shè)備

生產(chǎn)設(shè)備是制藥企業(yè)完成生產(chǎn)任務(wù)的重要支撐和保障，其單設(shè)備的可靠性和多設(shè)備間的協(xié)調(diào)性也一直是車間設(shè)計中需要關(guān)注的焦點。在設(shè)備選型前，需要提前了解中藥提取的生產(chǎn)工藝。如果對生產(chǎn)工藝不熟悉，則會直接造成生產(chǎn)設(shè)備的遺漏。另外，對中藥提取車間生產(chǎn)需求和能力預(yù)算不夠充分，也會導(dǎo)致設(shè)備選型與生產(chǎn)需求的不適應(yīng)[3]。

1.1.3 流暢的銜接工序

在中藥提取過程中，各生產(chǎn)工序的有序銜接不僅可以縮短物料的轉(zhuǎn)運距離，防止物料轉(zhuǎn)運時的交叉往返，提高安全生產(chǎn)的可靠性，還能避免各物料的管道過長，在方便管道清潔的同時，減少管道的投資造價成本。

1.2 安全問題

1.2.1 防火防爆

中藥提取車間常用醇提法和醇沉法中的浸提劑，其易燃易爆性質(zhì)讓中藥車間設(shè)計者分外“關(guān)心”。對于浸提劑使用、儲存的場所，除采用相應(yīng)等級的耐火材料外，還需要設(shè)置專門的防火卷簾門或防火墻等措施。而對于防爆區(qū)和非防爆區(qū)的隔離，通常采用防爆墻。同時，為便于泄爆，中藥提取車間寬度也不宜設(shè)計得過寬，并且泄壓墻應(yīng)盡量靠外側(cè)布置[4]。

1.2.2 排濕排熱

中藥提取過程一般需要使用大量的水和蒸汽，這勢必造成車間內(nèi)多熱、多濕的危險環(huán)境，同時整個生產(chǎn)過程還會產(chǎn)生不少的廢水、廢氣、廢液，這些“三廢”的不當處理也會增加中藥提取的不利影響，因此，中藥提取車間的設(shè)計還應(yīng)做好車間內(nèi)除濕、降溫的措施[5]。

1.3 經(jīng)濟問題

設(shè)計成本是車間設(shè)計中另一個不可忽視的因素，車間平面布局、設(shè)備選型布置和生產(chǎn)成本控制等都會影響著整個車間的經(jīng)濟投入。而在生產(chǎn)成本控制環(huán)節(jié)中，中藥提取的能耗成本占整個中藥生產(chǎn)非常高，可達70%左右，控制好能耗對降低成本也至關(guān)重要[1]。

2 桑葉提取車間布置設(shè)計

桑葉，又名家桑、桑椹樹等，廣泛種植于我國各地，其內(nèi)富含黃酮、生物堿、甾醇和氨基酸等活性成分，具有清肺潤燥、止咳、清血、降血壓、降血脂、降血糖、祛頭痛等多重功效[6-8]。

2.1 桑葉提取車間的工藝說明

依據(jù)第九屆“國藥杯”設(shè)計任務(wù)書的要求，此次車間設(shè)計的規(guī)模為年處理桑葉2000噸，原輔料需經(jīng)過提取、雙聯(lián)過濾、固液分離、微濾、超濾、真空濃縮、收膏、噴霧干燥、內(nèi)包和外包等工序后獲得提取物產(chǎn)品，具體流程如圖1所示。

圖1 桑葉提取車間工藝流程框圖

2.2 桑葉提取車間的布置說明

整個車間布局采用豎向設(shè)計，以期實現(xiàn)桑葉提取生產(chǎn)流程的垂直化。為減小建筑的總體面積、增大利用率，車間為四層方形外形，東西長48m，南北寬27m，總高23m(各層高分別為6m、7m和5m，其中，三、四層同為5m)。車間側(cè)面外觀呈L型結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，占地面積1296m2，總面積3101m2，潔凈區(qū)面積451m2。相較而言，車間寬度較窄利于整個車間的排熱和排濕，同時，利用車間南北的自然通風(fēng)，可增加車間的采光度和舒適度。

圖2 桑葉提取車間的外觀渲染圖

2.2.1 桑葉提取車間的區(qū)域分布

整個桑葉提取車間共分四層，每層都具有不同的生產(chǎn)功能。

其中，一層為收料層，主要包含收膏、干燥、包裝等工序，同時也是出渣工序終端。收膏、干燥收粉、混合、包裝等工序以中間站為中心，環(huán)繞分布。潔凈區(qū)內(nèi)操作間均設(shè)計有前室，噴霧干燥塔設(shè)有配液間、收粉間和除塵間，避免揚塵；混合間設(shè)有檢驗室和不合格品暫存間。外包間、成品暫存間、空調(diào)機房、空壓、真空泵機房、控制室、配電室等緊靠潔凈區(qū)設(shè)置于車間南側(cè)?？照{(diào)系統(tǒng)靠潔凈區(qū)布置，優(yōu)化管道布置。

二層為精制層，包含過濾、濃縮、排渣等工序，各種儲液罐和濃縮器也布置在該層。渣車軌道布于該層，由操作者在控制室遠程遙控渣車。出渣時，小車定位在提取罐出渣口的正下方。待提取罐出渣完畢后，小車駛向排渣口，止于限位處，自動翻轉(zhuǎn)擠液排渣。料渣排往渣槽，渣液則由管道排出。

三層為提取層。提取后的提取液在重力作用下通過管道輸送到二層進行下一工序。同時，該層設(shè)有輔助功能區(qū)，以方便人員操作、減少能源消耗。并且由于噴霧干燥塔過高，一部分高達三層，故在該層設(shè)有一間干燥間。觀光走廊設(shè)在該層，用防爆玻璃隔離，中間與二層過濾濃縮精制區(qū)相通，透過防爆玻璃參觀二層生產(chǎn)工序。

四層為投料層。為合理利用空間、保證生產(chǎn)的連續(xù)性，該層設(shè)置了稱量室和凈藥材暫存區(qū)。同時置貨梯，以便運輸物料[9]。待提取的中藥材在本層經(jīng)稱量處理后，由加料斗投入提取罐進行提取操作，為避免投料時造成污染以及產(chǎn)生大量的粉塵，加料斗上設(shè)有密封的蓋，完成投料后封蓋，能起到降低勞動強度的作用。藥材稱量、暫存及投料集中布置[10]，保證生產(chǎn)連續(xù)性。具體車間樓層分布如表1所示：

表1 車間樓層分布表

根據(jù)設(shè)計要求，桑葉提取車間的收膏、收粉、出料、混合和內(nèi)包工序都應(yīng)設(shè)置潔凈區(qū)。為滿足潔凈區(qū)面積最小的設(shè)計原則，本車間將潔凈區(qū)集中設(shè)置在一層，并以中間站為中心，各生產(chǎn)操作間(收膏間、干燥間、收粉間、混合間、內(nèi)包間等)按工藝流程圍繞中間站進行布置，外包間則就近設(shè)置在緩沖間對面。

2.2.2 桑葉提取車間垂直工序布置說明

為充分利用樓層高度差優(yōu)勢，此次桑葉提取車間內(nèi)的設(shè)備盡量設(shè)計為垂直化布局，如：四層布置投料設(shè)備，三層主要布置提取設(shè)備，二層設(shè)有除渣設(shè)備，一層為收膏、包裝設(shè)備。投料時利用四樓投料口與三樓浸提設(shè)備間的高度差將桑葉投入提取罐；得到的浸提液則利用三層與二層、二層與一層的高度差分別進入濃縮器和干燥設(shè)備中完成收膏工序；而中藥廢渣則在二層通過擠渣除渣車使藥渣和藥液分離后進入一層儲渣倉內(nèi)暫時存放[11]，待藥渣積累到一定量后，由運渣車運至廠外處理(如圖3所示)。與傳統(tǒng)的平面布局相比，此布局在節(jié)省車間占地面積和輸送設(shè)備數(shù)量的基礎(chǔ)上，更易于控制塵屑和汽霧的擴散，方便清除藥渣[12]。

圖3 垂直設(shè)備布置圖

2.2.3 桑葉提取車間內(nèi)的人、物流說明

(1)人流說明

一般生產(chǎn)區(qū)的人員凈化室主要包括門廳、雨具存放間、換鞋間、更衣間等。工作人員進入門廳后首先進入換鞋室(如有需要，先進雨具存放間存放雨具再進換鞋間)，房間內(nèi)設(shè)置有雙向鞋柜，一面存放非工作鞋，另一面存放用于更換的工作鞋，鞋柜數(shù)量應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)車間具體人員的數(shù)量進行調(diào)配。更衣室用于非工作服和工作服的替換，經(jīng)洗手消毒后從緩沖間進入生產(chǎn)區(qū)。而需進入D級潔凈區(qū)的工作人員則需再次經(jīng)過氣閘、洗手消毒，換衣后才能去往各自工作崗位，具體的潔凈區(qū)人流走向圖可參見圖4實心箭頭所示。

(2)物流流向

原藥材桑葉從車間一層西南角進入車間，經(jīng)物凈后進入貨梯直接運往四層，在車間四樓物流通道經(jīng)由稱量室稱量分裝后，送入原藥材暫存間存放。采用人工上料的方式將桑葉從投放口投料，經(jīng)管道進入提取罐。等到浸提工序結(jié)束后，再由管道將提取液從二層罐體運輸至一層的收膏間進行收膏。檢驗合格后的膏體由手推車推送至噴霧干燥間干燥、總混。完成合格后，經(jīng)內(nèi)、外包等一系列連續(xù)加工后，成品由車間南側(cè)出口運出。一樓的物流走向圖可參見圖4空心箭頭所示。

2.2.4 消防安全措施說明

由于桑葉提取中的多處工序均會涉及到易燃易爆液體-乙醇，為保證生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)人員的安全，車間設(shè)計需要在明確防火防爆分區(qū)的基礎(chǔ)上進一步設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)急措施。

(1)防火分區(qū)

結(jié)合任務(wù)書要求得知，本次桑葉提取車間設(shè)計的火災(zāi)危險等級屬于甲類、防爆等級為ⅡA。而依據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2014規(guī)定：當甲類生產(chǎn)區(qū)域面積占防火分區(qū)面積的比例大于5%時，整個廠房須參照甲類要求設(shè)計，所以本車間的一至三層全部為甲級防火類型，第四層為普通級，三層和四層不同防火等級的樓層間采用了防火墻或防火建筑材料進行隔開。同時，在車間各層內(nèi)廣設(shè)各種防火措施：消防安全標志設(shè)置齊全，樓層、樓道之間設(shè)有“緊急出口”；樓板選用具有一定耐火極限的材料；根據(jù)面積合理劃分多個防火分區(qū)，并在每個防火分區(qū)內(nèi)設(shè)置安裝煙霧報警器、消防噴頭、單栓消防箱及自動和手動報警系統(tǒng)等；空調(diào)管道的送、回風(fēng)管在進出機房的隔墻處均安放防火閥等，具體布置見表2所示。

表2 各防火分區(qū)內(nèi)的主要防火設(shè)施

(2)防爆分區(qū)

表3 防爆分區(qū)泄壓面積設(shè)計值

表4 防爆分區(qū)設(shè)施

3 結(jié)語

在中藥提取車間設(shè)計中，如何解決投卸料方式、工序合理銜接和防火防爆措施等問題顯得尤為重要。在不斷借鑒前人設(shè)計成果和發(fā)揮所學(xué)專業(yè)特長的基礎(chǔ)上，筆者以質(zhì)量源于設(shè)計的理念探究桑葉提取車間布置中的工藝、安全及經(jīng)濟問題，利用多層提取車間的垂直化布局優(yōu)勢，以流暢的工藝路徑保證了桑葉浸提工藝的合理性，并在著重強化防火防爆設(shè)計和排濕排熱措施解決安全問題的同時，采用縮短工藝路線和提高車間自動化程度的方式優(yōu)化了桑葉提取車間的設(shè)計成本，希望對中藥的車間設(shè)計思路起到推陳出新、為未來的中藥富強之路提供設(shè)計保障。