恒温微波灭菌器设计及在中药制剂生产中的应用

2014-03-23张俊钰缪士平

医疗卫生装备 2014年9期

张珉，张俊钰，王芳，缪士平

张珉，张俊钰，王芳，缪士平

目的：从微波灭菌的原理入手，研制一种可控制温度的微波灭菌器，并分析其在中药制剂生产方面的应用。方法：基于微波原理和红外测温技术，设计恒温微波灭菌装置，装置包括微波发生器、ATmega8单片机控制单元、OTP-538U的红外测温及信号放大单元、开关电路以及显示和设置单元，利用微生物限度检查方法确定装置的灭菌效力。结果：该装置能够很好地测定中药原料的温度，精确控制微波的输出频率，使灭菌过程在低温、常压、高效、快速的状态下进行。结论：该装置灭菌效果可靠，操作简单、快速，操作者可以自行安装设备，解决灭菌问题，使中药制剂的质量有保证，并且能耗费用较低。

微波灭菌器；中药制剂；制剂生产；灭菌

0 引言

灭菌工艺是药品生产过程中至关重要的工艺。在中药制剂中，中药常以药材细粉入药，在入药前需经灭菌处理[1]。传统的灭菌方法主要依靠加热，在较长时间的加热过程中达到杀虫灭菌的效果，但会因此导致中药材严重褐变，影响产品色泽，降低产品档次，而且营养成分也会遭到破坏和降解，使产品的质量下降。近些年来，微波技术作为一种杀菌技术，在中药及其制剂灭菌方面有一些应用和尝试，开辟了一种理想的灭菌方式[2]。

与传统的加热方式相比，微波具有杀菌效率高、速度快、环保等优点；同时由于微波场的生物效应及其热量产生的方式与传统加热方法不同，可在相对较低的温度、较短时间下实现对中药材的灭菌、灭酶，降低对中药营养成分的破坏和褐变，保持产品较好的色泽和品质[3-4]。微波灭菌的原理涉及2个方面，它既有热效应灭菌，又有非热效应灭菌，因此，具有双重杀菌的功能[5]。吴晖等[6]对微生物微波致死效应的研究，证实了微波能对微生物的非热效应不但可以用较小的温升达到杀菌的目的，还可大大降低药品温升，降低设备的能耗。

笔者根据中药制剂生产工作人员的需求，研制了恒温微波灭菌器，其操作简单、使用方便，在保证微波功率的前提下，使用者能根据需要决定微波灭菌的时间和温度，大大缩短了灭菌的时间和生产周期，具有一定的实用价值。

1 系统设计

本恒温微波灭菌器把微波技术与红外测温技术相结合，解决了一般微波灭菌中精确控温困难的问题，从而显著缩短了灭菌时间，提高了产品质量。其工作温度可以在30～100℃之间任意设定，可以广泛应用于对热敏性中药物料的加工处理，使得热敏性药物成分及生物活性物质具有极高的保存率。

系统结构如图1所示，主要由ATmega8单片机控制单元、红外测温及信号放大单元、开关电路模块、显示和设置单元以及微波炉（或微波生成装置）等组成。我们选用Atmel公司（爱特梅尔半导体公司）的低功耗AVR单片机ATmega8作为控制模块的核心芯片，使用ANT-OTP-538U红外传感器作为温度探测器，集成松乐SRD-05VDC-SL-C继电器的开关电路以及LCD1602液晶显示和控制。

图1 恒温微波灭菌器系统结构

整个系统的工作原理：由显示和设置单元来启动系统并且设定相关的参数，内部核心控制由AT-mega8单片机控制单元完成对开关电路的控制，以使微波生成装置产生所需要的微波量；同时OTP-538U红外测温探头监测物质的温度，并把温度数据进行信号放大处理后反馈给ATmega8单片机；AT-mega8单片机根据得到的温度数据来调整开关电路的开闭状态，以此来改变微波量。通过不断的调整和反馈，实现对物质恒温的微波加热。

1.1 ATmega8控制单元

本恒温微波灭菌器的控制单元采用Atmel公司的ATmega8作为MCU[7]，是一种高性能、低功耗的8位AVR微处理器，工作于16 MHz时性能高达16 MIPS，内部有8 KB的系统内可编程Flash，编程资源丰富，可使用汇编语言、C语言以及C++3种编程语言，并可使用Atmel公司推出的AVR Studio 6集成开发工具[8]。本文基于ATmega8的这些特点，设计构建了一个多功能的单片机控制系统（如图2所示），核心功能包含有LCD显示屏控制（见1.4节）、与PC的串口通信（见1.5节）、按键响应控制（见1.4节）、模数转换功能（见1.2节）以及继电器开关控制（见1.3节）。

图2 控制器控制模块电路原理图

图3 OTP-538U的信号放大电路原理图

1.2 红外测温及信号放大单元

系统使用OTP-538U红外传感器[9]。该传感器是一种红外线感应型的温度探测器，主要工作原理是利用红外线的波长在硅片上产生相应的电压，根据检测到的电压不同来检测不同的温度。由于只要是发热的光源就会辐射红外线，所以可以实现对温度进行非接触式的检测。OTP-538U热电堆的输出温差讯号为-0.8～3.7 mV（在环境温度25℃下，待测物温度为0～100℃之间），为了方便后续电路的讯号处理以及和补偿电路讯号作补偿，需将此讯号作1 000倍的放大。本文采用二级运算放大电路，通过前级的10倍电压值放大和后级的100倍电压值放大，实现输出温差讯号的放大处理（其放大电路如图3所示）。由于热电堆的输出温差讯号非常微小，在放大器的选择上我们选用低漂移的OP07放大器元件。OTP-538U红外传感器1和3脚输出的电压讯号，经过OP07运算放大器的二级放大1 000倍电压处理后，电压值升高为-0.8～3.7 V。此电压值输入ATmega8控制单元后，由ATmega8处理器的模数转换（AD）元件进行数据处理，得到相应的数字电压值，然后根据相应的电压-温度数据表查找到对应的温度值。

1.3 开关电路单元和微波生成装置

为了降低开发成本和难度，本文没有直接设计微波生成装置，而是采用现有商业使用的微波炉进行电路改装。在微波炉的主电源上加装一个开关电路，用来控制微波炉的通电和断电，起到控制微波生成的作用。

开关电路采用松乐SRD-05VDC-SL-C继电器开闭电路与微波炉的主电源相连接，完成对微波炉的开关控制，通过继电器的闭合和断开来实现对微波产生量的控制，使加热物保持在一定的恒温状态。继电器控制电路与ATmega8处理器连接如图4所示，通过ATmega8的I/O口控制继电器的开闭。

图4 开关电路单元电路原理图

1.4 液晶显示和按键单元

显示电路采用LCD1602液晶模块制作，可以显示双行，每行16个字符。RS、RW和E是液晶模块的控制接口，DB0-7为液晶模块的数据传输接口，其接口电路都与ATmega8的I/O口相连接，通过AT-mega8发送数据到液晶模块并显示所需要的信息，其驱动电路连接方式如图5所示。本系统液晶屏上显示有被测物的当前温度、设置加热恒定温度、运行时间等数据，所有的显示数据都是实时更新。

同时设计有按键电路，由1个开关按键和3个按钮按键组成。开关按键为整个控制单元的5 V电源开关，控制整个装置的电源；3个按钮按键分别为“设置”功能按键、“上调”功能按键、“下调”功能按键，主要调整加热时间和加热温度等数值参数，并且通过液晶屏显示数据的变化。通过液晶显示和按键操作，可以很清楚地显示当前参数，并通过设置按钮，方便使用者根据不同需要实时调整各种时间和温度参数。

图5 液晶显示驱动电路原理图

1.5 程序设计

ATmega8的工作程序在AVR Studio 6集成开发工具下采用C++语言编写完成[10]，采用ISP方式使用在线烧录工具写入ATmega8的Flash中，其主要的工作流程（如图6所示）如下：

ATmega8在每个循环周期内，检查经过放大电路的红外温度探头的电压值，并根据电压-温度数据表转换为相应的温度值，然后判断温度值是否达到预设温度，从而决定是否改变继电器状态。如果温度值达到了预设温度，则开合继电器，断开微波设备电源；反之，温度未达到时关合继电器，微波设备通电。程序系统在加电后自动进入循环工作，直至关闭电源按键后停止。

图6 系统程序流程图

2 在中药制剂生产方面的应用

在中药制剂生产中，常将中药材用一定的方法制成粉末、制粒或者其他中间体。中药中间体的质量情况，特别是微生物限度对成品制剂质量具有直接的影响。为了达到药典标准，对中药制剂的半成品、成品进行灭菌是十分必要的。但在传统的灭菌方法中，适宜中药材和中间体的方法并不多，少数药粉可采用湿热灭菌和干热灭菌，但目前多数采用钴-60照射方法，需要专业场地，而且国家对灭菌品种也有限制。微波灭菌能有效地杀灭微生物和霉菌，并具有杀菌作用，使原料和制粒达到药典标准。采用微波杀菌的方法，药材的有效成分不会分解；而用传统的方法杀菌，药品的有效成分分解显著[1]。本恒温微波灭菌器基于微波灭菌的原理，主要是用于中药颗粒剂、粉剂和中成药粉末的灭菌和防霉，因此，本文对灭菌器的灭菌效果进行了初步的检测。

2.1 材料与仪器

2.1.1 试验材料

大花红景天，自购。

2.1.2 培养基

营养琼脂培养基（110205）、玫瑰红钠琼脂培养基（110118）、YPD琼脂培养基（111211），所用培养基及缓冲液均按《中华人民共和国药典》2010版要求进行配制。

2.1.3 仪器

本文恒温微波灭菌器的微波炉采用美的MM720KG1型，工作频率2 450 MHz，最大微波输出功率700 W；其他实验室常用仪器。

2.2 试验方法

2.2.1 微生物限度检查法

方法参照《中华人民共和国药典》2010版附录XIJ。

2.2.2 灭菌效果的衡量

灭菌效果=（灭菌前的菌数-灭菌后的菌数）/灭菌前的菌数。菌数的检测按2.2.1节的方法进行。

2.2.3 灭菌方法

取样，进行细菌数的检测。设置恒温微波灭菌器的温度为60℃，每份红景天粉末为1.0 kg，以一定的厚度（1～2cm）均匀平铺于微波炉内部托盘上，以10min的灭菌时间和700 W的灭菌功率对红景天进行灭菌处理。灭菌结束后，立即将经过灭菌处理的红景天粉末装入事先已灭菌的容器，按2.2.1节的微生物限度检查法对其进行菌数的检测，灭菌效果按2.2.2节的方法进行计算。

2.3 试验结果

用设计的恒温微波灭菌器，采用2.2.3节的灭菌方法对红景天粉末进行了微波灭菌的预试验。其结果显示，细菌、霉菌和酵母菌的灭菌效果都达到了99%以上。

3 结果

实验表明，恒温微波灭菌器的微波灭菌在中药制剂中的应用是可行的。使用2 450 MHz恒温微波灭菌器对中药粉末灭菌，含菌量比未经处理的样品降低99%以上，一般在60℃微波灭菌数分钟或数十分钟就可以达到灭菌效果。其效果优于干热灭菌，热转化效率高，节约能源，符合药品生产质量管理规范（good manufacturing practice，GMP），并可实现自动控制及连续化生产，且加工的粉末不褐变，一致性好，保持原药性，大大延长了保质期。将微波干燥灭菌技术应用于中药制剂生产，并根据该机型生产的特点，使灭菌时间由原来的10～20h缩短为5～15min，整个生产周期缩短了30%，制剂质量稳定、可控。

4 结论

长期以来，我院制药生产均采用传统的加热干燥方式，不仅热效率低、加热时间长、不利于环保，其药品的药效和营养成分也受到一定程度的破坏。利用本文设计的恒温微波灭菌器的微波灭菌可以避免出现以上的不利因素，利用微波的热效应和非热效应进行低温杀菌处理。利用微波干燥处理药品不仅可大大提高产品质量，并可大大缩短干燥时间和节约大量的能源，经济效益十分明显。关于微波工艺对细菌、霉菌等微生物指标的影响以及微波对中药有效成分的影响有待于进一步研究。

[1] 陈少平.常用中药灭菌技术比较及其新技术介绍[J].中国民族民间医药，2013，22（6）：104.

[2] 周仙根，谢正成，周成敏，等.锥栗微波灭菌工艺的研究[J].现代食品科技，2012，28（3）：329-331.

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[5] 庄严，卓震，张文华.微波干燥灭菌及提取在中药生产的应用[J].机电信息，2008，35（8）：25-29，33.

[6] 吴晖，高孔荣.微波灭菌机理的研究[J].食品科学，1996（4）：31-34.

[7] 马潮.ATmega8原理及应用手册 [M].北京：清华大学出版社，2003.

[8] 张珉，张俊钰.基于51单片机的压力蒸汽灭菌器控制器的研制[J].医疗卫生装备，2013，34（5）：3-5，40.

[9]Thermopile Sensor OTP-538U手册[EB/OL].（2009-04-16）[2014-01-01].http：//www.doc88.com/p-782671114094.html.

[10]沈文.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2003.

（收稿：2014-01-08 修回：2014-04-08）

Design of temperature-controlled microwave sterilizer and its application in preparation of traditional Chinese medicine

ZHANG Min1,ZHANG Jun-yu1,WANG Fang2,MIAO Shi-ping1
（1．Center for Drug Preparation&Research,General Hospital of Tibet Military Area Command,Lhasa 850007,China; 2．Drug and Device Supply Station,Chengdu Military Area Command,Chengdu 610017,China）

ObjectiveTo develop a temperature-controlled microwave sterilizer and apply it to traditional Chinese medicine production．MethodsBased on microwave principles and infrared thermometry techniques,the device was designed with MCU ATmega8,OTP-538U infrared temperature measurement,amplifier component,and display and setting unit．The efficacy of the device was verified with microbial limit test．ResultsThe device could be used to measure the temperature of traditional Chinese medicine,control the output frequency of the microwave accurately and result in sterilization with low temperature,normal pressure,high efficiency and speed．ConclusionThe device can sterilize traditional Chinese medicine reliably and simply,and the power consumption is very low．[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：5-8]

microwave sterilizer;preparation of traditional Chinese medicine;preparation;sterilization

R318．6；TH771．4

1003-8868（2014）09-0005-04

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．09．005