中药关键生产过程在线近红外质量监控系统的设计与实现

论文摘要

中药注射剂质量控制是我国中药现代化研究的重点和难点课题。由于中药成分复杂、原药材批次间差异较大、生产过程有波动等因素影响,传统的水提、醇提、柱层析等生产关键过程通过固定时间、温度、压力、流量等物理参数方式进行生产,难以保证最终产品质量稳定、均一、安全。鉴于此,本文面向中药质量控制这一领域,设计并实现了一套在线近红外质量监控系统,并将此系统应用于中药注射剂的水提、醇提、柱层析过程,能够实时监控中药主要指标成分的变化情况,并据此灵活调整提取方案、优化生产工艺,获得质量最优的提取液,从而有效提高最终产品的质量稳定性、均一性和安全性,并实现节能减排,提高企业效益。本文的研究内容主要包括下四个方面:1、针对光谱数据的高维性和中药主要指标成分的有限性,结合流形学习算法的基本思想,提出了LPP-PLS（Local Preserving Projection-Partial Least Square）的光谱回归建模新方法,用于发现光谱中存在的低维流形特征。通过栀子提取过程的近红外光谱建模,验证了算法的有效性和相对其它方法的优势。2、针对光谱数据中存在的多重相关性及噪声,提出了一种新的波长选择算法——经验区间窗口移动相关系数划分组合? ?法。通过板蓝根提取过程的近红外光谱建模,验证了算法的有效性和相对其它方法的优势。3、针对现有化学计量学软件的部分局限性,通过融合现有光谱分析建模方法,结合项目实施需要,研发了一套既能离线分析又能在线预测分析的化学计量学软件,并提供自动优化向导方便用户建立最优模型。通过实践应用与OPUS软件的性能对比,验证了软件的有效性及其优势。4、针对项目实施企业生产现场实际情况,提出系统设计需求,研发了一套用于提取生产过程近红外质量监控的主控软件。该软件具有与自控系统和光谱仪通讯、光谱采集、预处理控制、生产过程控制展示、光谱与模型管理等功能,可实现生产过程质量可跟踪,为灵活调整生产方案、优化生产工艺提供科学依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景与研究意义
• 1.3 近红外分析技术在中药领域的研究现状
• 1.4 本课题主要研究内容及文章组织结构
• 第二章 近红外光谱分析基本原理及算法
• 2.1 近红外光谱分析技术基本原理及其特点
• 2.2 近红外光谱分析技术的化学计量学方法研究
• 2.2.1 光谱预处理方法
• 2.2.2 波长选择方法
• 2.2.3 近红外分析模型校正方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 中药NIR 光谱的LPP-PLS 建模方法及应用
• 3.1 引言
• 3.2 LPP 原理与算法
• 3.3 实验数据集及HPLC 测定
• 3.4 光谱数据处理与分析
• 3.4.1 波长选择
• 3.4.2 模型评价
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 LPP 参数选择
• 3.5.2 建模效果比较
• 3.5.3 预测结果
• 3.6 结论
• 3.7 本章小结
• 第四章 中药NIR 光谱波长选择算法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 现有波长选择算法分析
• 4.3 波长选择算法的改进研究
• 4.3.1 相关系数划分组合法
• 4.3.2 相关系数划分组合δ 法
• 4.3.3 相关系数划分组合δ β 法
• 4.3.4 窗口移动相关系数划分组合δ β 法
• 4.3.5 经验区间窗口移动相关系数划分组合δ β法
• 4.4 算法验证
• 4.4.1 实验仪器、软件及样本
• 4.4.2 实验与数据集
• 4.4.3 HPLC 含量测定
• 4.4.4 光谱数据处理
• 4.4.5 实验结果
• 4.5 结论
• 4.6 本章小结
• 第五章 中药关键生产过程在线近红外质量监控系统总体研究设计
• 5.1 系统总体需求分析
• 5.1.1 现场提取车间情况分析
• 5.1.2 系统需求研究分析
• 5.2 现场车间硬件部署设计
• 5.2.1 在线近红外光谱分析仪
• 5.2.2 样品预处理系统
• 5.2.3 硬件部署方案
• 5.3 软件系统总体设计
• 5.4 数据库设计
• 5.4.1 数据库表设计
• 5.4.2 数据库存储过程
• 5.4.3 数据库备份策略
• 5.5 本章小结
• 第六章 中药关键生产过程在线近红外质量监控系统化学计量学软件设计与实现
• 6.1 需求分析
• 6.2 系统功能设计
• 6.3 软件具体实现
• 6.3.1 主要类设计与实现
• 6.3.2 开发环境
• 6.3.3 关键技术
• 6.3.4 软件运行效果图
• 6.4 化学计量学软件与OPUS 建模软件建模效果及性能对比
• 6.4.1 实验硬件条件
• 6.4.2 实验数据
• 6.4.3 实验结果及讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 中药关键生产过程在线近红外质量监控系统主控软件设计与实现
• 7.1 主控软件需求分析
• 7.2 主控软件整体层次架构
• 7.3 主控软件主要功能模块及其实现
• 7.3.1 主控软件控制层主要模块及其实现
• 7.3.2 主控软件业务层主要模块及其实现
• 7.3.3 主控软件应用层主要模块及其实现
• 7.4 主控软件主要功能模块及其实现
• 7.4.1 主控软件调度工作流程
• 7.4.2 多通道罐选择工作流程
• 7.4.3 预处理系统工作流程
• 7.4.4 近红外光谱仪工作流程
• 7.4.5 样品采集工作流程
• 7.4.6 异常光谱智能判别及处理流程
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 论文主要工作及成果
• 8.2 后期工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果