中藥提取過程動態(tài)響應(yīng)模型的在線識別與終點判定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于化學計量學領(lǐng)域，涉及中藥提取過程在線質(zhì)量監(jiān)控，尤其涉及中藥提 取過程模型建立與識別、模型穩(wěn)健性分析及提取終點判斷。
【背景技術(shù)】
[0002] 在實際中藥配方顆粒的生產(chǎn)過程中，提取過程作為藥材中有效成分的收集環(huán)節(jié)， 為后期濃縮、分離、干燥及藥物成型等操作單元奠定基礎(chǔ)，并決定了產(chǎn)品中有效成分的含量 及其質(zhì)量水平。然而，由于目前缺乏有效的自動化在線監(jiān)控手段，提取過程針對某一品種藥 材往往采取固定時間的方式。然而，同種藥材由于產(chǎn)地不同、種植環(huán)境不同等因素，其有效 成分含量差距很大，因此固定時間的提取方式往往會導致無法充分利用原料藥、或者提取 時間過長造成資源浪費等情況，最終使得產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，生產(chǎn)效率降低。綜上所述，如 何在線監(jiān)控中藥提取液質(zhì)量，針對不同中藥材提出科學統(tǒng)一的終點判斷原則，從而動態(tài)控 制每種中藥材的提取過程，成了中藥配方顆粒生產(chǎn)過程中提高生產(chǎn)效率、統(tǒng)一產(chǎn)品質(zhì)量的 重要問題。
[0003] 現(xiàn)有的國內(nèi)發(fā)明專利（專利號：ZL 201310350212. 8)提出了中藥提取過程在線紫 外光譜檢測方法與系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中對中藥提取液的實時采樣，為提取過程的在線 監(jiān)控提供了硬件基礎(chǔ)。然而，該系統(tǒng)并未涉及提取情況的分析方法。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)發(fā)明 專利（【申請?zhí)枴?01410377580.6)提出了一種中藥提取過程動態(tài)趨勢在線分析方法，該方法 通過分析吸光度局部變化來進行當前提取情況的分析。該方法原理簡單，但是并未能充分 描述提取過程的變化規(guī)律，無法排除無效數(shù)據(jù)點的影響；且只能判斷過去及當前時刻是否 處于提取終點，無法客觀地對提取終點進行有效預測。
[0004] 本發(fā)明基于中藥提取過程的動力學模型，公開了提取過程動態(tài)趨勢分析方法，結(jié) 合在線收集到的紫外光譜數(shù)據(jù)集進行模型參數(shù)在線識別、模型穩(wěn)健性估計、提取終點預測 及提取終點判斷。該方法科學客觀地反映了提取過程的變化規(guī)律，保證了提取終點判斷的 有效性和實時性，從而為提高中藥生產(chǎn)效率、統(tǒng)一產(chǎn)品質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。
[0005] 中藥提取過程的實質(zhì)是藥材中的有效成分在濃度差的作用下從藥材內(nèi)部轉(zhuǎn)移至 提取溶液中的固-液相的傳質(zhì)過程。儲茂泉、劉國杰等人通過總結(jié)中藥提取過程的傳質(zhì)規(guī) 律，在Fick第二定律的基礎(chǔ)上，建立中藥提取過程的一階動力學方程形式，即：
[0007] 其中，C為液相主體溶質(zhì)質(zhì)量濃度，C"與C。分別表示平衡及初始情況下液相溶質(zhì) 質(zhì)量濃度，k表示提取速率常數(shù)，t為提取過程進行的時間。
[0008] 本發(fā)明以上述動力學方程為描述提取過程的模型基礎(chǔ)，以國內(nèi)發(fā)明專利（專利 號：201310350212.8)所提出的中藥提取過程在線紫外光譜檢測系統(tǒng)為測量基礎(chǔ)，在線收 集過程中提取液的紫外吸光度譜圖。根據(jù)朗伯比爾定律，在相同條件下，溶液的紫外吸光度 值與溶液濃度成正比，因此紫外吸光度可以表示當前時刻的提取液濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有在線分析方法的不足，提供動態(tài)趨勢分析方法及提取 終點判定方法，該方法基于中藥提取過程動力學模型，進行模型參數(shù)在線識別、模型穩(wěn)健估 計以及提取終點預測，可根據(jù)藥液濃度變化規(guī)律預測提取終點，更加科學有效。
[0010] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種中藥提取過程動態(tài)響應(yīng)模型的 在線識別與終點判定方法，該方法在中藥提取過程動態(tài)響應(yīng)模型的在線識別與終點判定系 統(tǒng)上實現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括：提取罐循環(huán)管路、旁通手動閥、冷卻器入口溫度傳感器、進樣手動 閥、水冷卻器、冷卻器出口溫度傳感器、進樣電磁閥、放樣電磁閥、樣品定量管、放空電磁閥、 回樣電磁閥、回樣手動閥、水入口管路、進水電磁閥、水定量杯、排水電磁閥、混合采樣池、攪 拌電機、攪拌槳、視窗、紫外光纖、排污電磁閥、排污管道、光源、紫外光纖、視窗、紫外光譜 儀、PLC主機、溫度測量模塊和電磁閥組及電機驅(qū)動模塊、數(shù)字通訊模塊、雙絞線、監(jiān)控計算 機；所述提取罐循環(huán)管路主管路中安裝手動閥，旁路依次與冷卻器入口溫度傳感器、進樣手 動閥、水冷卻器、冷卻器出口溫度傳感器、進樣電磁閥、樣品定量管、回樣電磁閥、回樣手動 閥相連形成循環(huán)管路，其中，樣品定量管上下端另外分別與放空電磁閥和排樣電磁閥相連； 水入口管路依次與進水電磁閥、水定量杯、排水電磁閥、混合池與采樣池、排污電磁閥相連； 混合采樣池頂部與放樣電磁閥相連，底部兩側(cè)有視窗，攪拌電機與攪拌槳相連并伸入混合 采樣池內(nèi)部；排污管道分別與排污電磁閥和水定量杯的溢流管相連；所述光源直接受紫外 光譜儀的控制；光源依次與紫外光纖、視窗、紫外光纖、紫外光譜儀相連；所述PLC主機分 別與溫度測量模塊和電磁閥組及電機驅(qū)動模塊相連；溫度測量模塊與冷卻器入口溫度傳感 器、冷卻器出口溫度傳感器相連；電磁閥組及電機驅(qū)動模塊與進樣電磁閥、放樣電磁閥、回 樣電磁閥、放空電磁閥、進水電磁閥、排水電磁閥、排污電磁閥和攪拌電機相連；監(jiān)控計算機 通過雙絞線與數(shù)字通訊模塊相連；數(shù)字通訊模塊分別與紫外光譜儀和PLC主機相連；該方 法包括以下步驟：
[0011] (1)關(guān)閉光源，利用紫外光譜儀進行紫外光譜快速檢測，記錄得到的暗光譜SdaA。 令有效采樣次數(shù)k = 0,設(shè)定濾波窗口寬度、光譜儀積分時間及采樣測量周期Ts;
[0012] (2)對中藥提取過程的提取液進行實時采樣。主要包括以下子步驟：
[0013] (2. 1)參考光譜測量：令td + 1，打開進水電磁閥，向水定量杯充水；待水定量 杯充滿后，溢流水流入排污管道，此時關(guān)閉進水電磁閥、排污電磁閥，并打開排水電磁閥，待 定量水進入混合采樣池后，測量參考光譜，并記錄所得到的參考光譜Sg;
[0014] (2. 2)自動配比稀釋與混合：關(guān)閉進樣電磁閥與回樣電磁閥，打開放樣電磁閥與 放空電磁閥，使樣品定量管中的樣品全部流入混合采樣池；同時打開攪拌電機，啟動攪拌槳 使提取液與溶劑混合均勻，并完成稀釋；之后再關(guān)閉放樣電磁閥與放空電磁閥；重復此步 驟直到加入規(guī)定罐數(shù)的提取液；
[0015] (2. 3)提取液光譜檢測：打開光源，利用紫外光譜儀測量提取液光譜Steni;
[0016] (2. 4)混合液排污與清洗：打開排污電磁閥，將混合液全部流入排污管道后，再關(guān) 閉排污電磁閥；再打開進水電磁閥、排水電磁閥使水直接進入混合采樣池，并打開攪拌電機 幫助清洗；清洗完畢后關(guān)閉進水電磁閥、排水電磁閥，再打開排污電磁閥將污水排走，完成 后關(guān)閉攪拌電機；
[0017] (2. 5)吸光度曲線求取及光譜預處理：由光譜StM、S daA按下式求取吸光度 A，
[0019] 根據(jù)紫外光譜儀提供的轉(zhuǎn)換參數(shù)將像素點轉(zhuǎn)換為對應(yīng)波長，對得到的吸光度A的 序列進行紫外波段提取、線性插值、壞點去除及濾波處理，得到預處理后的有效吸光度序列 Af;
[0020] (3)對于吸光度曲線Af，取出該曲線紫外波段內(nèi)的平均值作為當前時刻下的吸 光度特征值，并結(jié)合此前測量得到的其他k-Ι個吸光度特征值構(gòu)成不同時刻下吸光度特 征值序列Y = Iy1, y2, y；?，...，yd ;同時記錄數(shù)據(jù)收集的時間，構(gòu)成相應(yīng)的時間序列X = (X1, X2, X3,…，X1J ;
[0021] (4)判斷吸光度特征序列長度k是否達到曲線擬合的數(shù)量要求1，其中1值的設(shè)定 需保證此時特征值序列Y隨時間呈現(xiàn)較明顯的變化趨勢。若k多1，則開始擬合分析，執(zhí)行 步驟5 ;如果未達到要求，返回步驟2,繼續(xù)收集數(shù)據(jù)；
[0022] (5)結(jié)合當前得到的吸光度特征值序列Y及時間序列X進行模型參數(shù)在線識別，模 型Y = F(X)的具體形式為：
該步驟包括以下子步驟：
[0023] (5. 1)對X，Y序列分別進行最大值歸一化處理，設(shè)其最大值分別為1_和y _，得 到標準化序歹L
其中
[0025] 則#與|的擬合模型可以寫成：
[0028] (5.2)結(jié)合非線性網(wǎng)格搜索及線性最小二乘確定參數(shù)義$及#的取值。該步驟包 括以下子步驟：
[0029] (5·2· 1)在f的可行域中設(shè)定取值范圍[ti，t2]，對此范圍進行