【摘要】在制剂生产过程中,不论中药制剂还是西药制剂都不可避免的涉及到制粒过程,制粒工序或制粒工艺是十分重要的环节,为了提高颗粒成品质量,确保临床疗效,药学工作者进行了广泛的实验研究。
【关键词】多方位,制粒机,制粒技术
中药颗粒的制备工艺通则为：选料去杂工业提取浓缩干燥制粒。为了提高颗粒成品的质量，确保临床使用的疗效，药学工作者进行了广泛的实验研究。如在制粒工艺方面，工作人员通过选择更优良的辅料和改进工艺条件，来提高颗粒的质量，改善其性状。在辅料上，除了糖粉、糊精、可溶性淀粉外，还选用麦芽糊精、乳糖、微晶纤维素、微粉硅胶、羟丙基淀粉等；在工艺上改变了传统工艺干燥时间长、药材中热不稳定成分损失较多之不足，采用动态提取、真空低温干燥或瞬间喷雾干燥、干法制粒、高速搅拌制粒等新技术。实践表明，上述制粒技术的应用，大大地提高了中药颗粒的制备效率和成品质量。
一湿法制粒技术技术分析
湿法制粒技术在20世纪50年代制备中药片剂、冲剂时应用最多。与现在制剂发展的要求相比，湿法制粒的传统工艺存在着明显不足。主要表现为：所用辅料常局限于糖粉、淀粉、糊精等。其中糖粉有明显的吸湿性；淀粉遇酸、碱，或在潮湿及加热状态下，均会逐渐水解而失去膨胀作用；由于糊精对某些药物的含量测定有干扰，故有时不宜作填充剂；传统工艺常以对浸膏比例、浸膏稠度等的经验性判断来确定辅料用量，影响了制剂的质量控制标准；对吸湿性药物与辅料，若用湿法制粒技术制备颗粒，颗粒会被挤压在一起，出现黏连、条状软材、黏网等现象，制得的颗粒过硬而溶解性差，质量不稳定。技术发展：国内研究人员采用正交实验法对降糖冲剂（无糖型颗粒剂）所运用的可溶性淀粉作赋形剂、甜蜜素作矫味剂的工艺进行了研究。结果认定，以中药清膏∶可溶性淀粉∶甜蜜素为1∶2∶0.025的配比方案为最佳制粒技术参数。用单因素和正交实验筛选生脉饮颗粒的处方工艺，结果表明，以稀释剂为乳糖－微晶纤维素－三硅酸镁（12∶5∶3），黏合剂为5％的聚维酮（PVP）溶液，搅拌时间为150秒为佳。同时，以吸湿百分率为指标，筛选不同的辅料，并进一步对其流动性和临界相对湿度进行评价。结果认定：选用微晶纤维素为辅料制成颗粒，不但提高了制剂的稳定性和流动性，也提高了该胶囊的溶出速度。研究人员还发现，将动态、静态干燥相结合的方法，即二步干燥法运用于湿法制粒的干燥工艺中，可使制得的湿颗粒干燥周期缩短，生产效率提高。其做法为：第一步动态干燥、整粒，用通有热风的混腾干燥器将湿颗粒流化干燥约20分钟，整粒；第二步静态干燥，将上述颗粒放入热风循环干燥箱中烘干即可。
二干法制粒技术技术特点
干法制粒工艺是近年来出现的新制粒技术，目前普遍采用轮转式干压机或滚筒平压制粒机完成。其优点是在中药浸膏粉中添加适量辅料后，可直接制粒，无需湿润、混合、干燥等过程，工艺简便，能有效保证中药质量。技术发展：近年来，科研人员针对不同制剂成功开发出预胶化淀粉、甘露醇、乳糖、水溶性丙烯酸树脂及纤维素衍生物等辅料，且在干浸膏与辅料配比上进行了大量的实验工作，收效良好。技术人员对板蓝根颗粒剂的干压法制粒工艺中要求的温度、浸膏粉含水量、加入辅料量等因素运用正交实验法进行研究，结果发现：在对制粒工艺的影响程度上，辅料用量＞浸膏含水量＞工艺要求温度。技术人员经实验确定最佳工艺参数为：加入辅料糊精量为9％，浸膏粉含水量为4％，工艺要求温度为20℃。
三快速搅拌制粒技术技术分析
快速搅拌制粒技术是利用快速搅拌制粒机完成的制粒技术。由于该设备运行时桨叶和制粒刀同时旋转，形成三向搅拌并同时切割制粒，故物料混合非常均匀，也不存在结块现象；又由于药料与辅料被共置于制粒机的密闭容器内，混合、制软材、切割制粒与滚圆一次完成，故制成的颗粒圆整均匀，流动性好，辅料用量少，制粒过程密闭、快速，污染小。技术发展：国内技术人员通过光学显微以及吸湿率及溶解速率测定实验来研究摇摆制粒、快速搅拌制粒、挤压制粒三种制粒工艺制备结代停冲剂的差异。结果表明，在颗粒的松密度方面，摇摆制粒＜快速搅拌制粒＜挤压制粒；在溶解速率方面，挤压制粒＜快速搅拌制粒＜摇摆制粒；在吸湿率方面，快速搅拌制粒＜挤压制粒＜摇摆制粒。综合以上各因素可以看出，快速搅拌制粒的颗粒稳定性好（吸湿性小），适合该冲剂的制备。研究还表明，在应用快速搅拌制粒技术制备结代停冲剂的工艺中，可将提取后的中药制成比重为1.2～1.4的浸膏，以浸膏∶糊精∶淀粉为1.12∶1∶1的比例，经快速搅拌制粒机搅拌10分钟而得到合格颗粒。技术人员还采用均匀设计和非函数数据处理法，对快速搅拌制粒技术进行了优化，确定了搅拌制粒机和物料普适性参数的最佳值。即应用KJL－50LB高速搅拌制粒机制中药抗病毒颗粒，可在中药提取后制成比重1.19～1.32的浸膏，以浸膏∶糊精＋上批尾料为8000毫升∶25千克的比例进行投药。这一工艺工期为原工艺（浸膏软材真空干燥乙醇湿润制粒）的1/3，并且保证了质量。
四流化喷雾制粒技术技术特点
流化喷雾制粒又称沸腾制粒、一步制粒。该技术为混合、制粒、干燥操作一步完成的新型制粒技术，可大大减少辅料量，颗粒大小均匀、外形圆整、流动性好、可压性好，生产效率高，便于自动控制；同时由于制粒过程在密闭的制粒机内完成，生产过程不易被污染，成品质量得到更好的保障。目前多用于无糖型、低糖型颗粒剂的制备。技术发展：厂采用流化喷雾干燥制粒技术改进银翘片工艺，不但减少了制粒工序，而且制得的颗粒疏松，呈多孔状，压片后硬度高，崩解快，提高了片剂质量。技术人员通过正交试验方法，确立了小柴胡片的制粒最佳工艺条件，即选用蔗糖粉∶玉米淀粉∶磷酸氢钙为1.3∶1.1∶1.4之辅料用量比来制粒，在快速搅拌制粒机中预混5分钟，加一定量的药物提取浸膏，用一步制粒机制粒，可得到合格颗粒用于压片。应用FL－120型喷雾干燥制粒机制备低糖型精乌冲剂，可使含糖量降低40％，规格由15克/袋降为10克/袋，且质量稳定。
总之,中药制粒技术正日益向规范化、成熟化方向发展,随着新的技术工艺和设备在大生产中被广泛应用,提高了药物的疗效,中药制剂将有广阔的发展前景,必将加速中药现代化进程。
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作者单位：哈药集团世一堂制药厂
（上接第325页）
消渴发病机制――“肝郁气滞，情志过极”
肝的生理功能体现在肝主疏泄及肝藏血两方面。肝主疏泄，性喜条达而恶抑郁，其调畅全身气机，包括肺、胃、脾、肾气机的升降出入。若肝失疏泄，可致气机紊乱，郁久化火伤阴。肝体阴而用阳,肝阴易亏,肝阳易亢,肝失疏泄,气郁化火,必先耗肝阴,肝阴不足定致津枯而作渴,阴不足或气火生发太过必致阳亢而热淫形成阴虚肝旺的基础，根据中医脏腑整体观念，肝进而会影响到其它相关脏腑，如木火刑金，木不疏土，肝损及肾等，临床上即表现为“三消”的症状。气机紊乱还可影响血液及津液的运行，使血液津液停滞，故临床上有人提出从痰从淤论治糖尿病。这些病理的关键还是在于“气”。肝在体合筋，其华在爪，在窍为目，临床上出现的一些并发症，如糖尿病周围神经病变与足病，糖尿病并发视网膜病变、白内障等也充分证实了糖尿病与肝脏密不可分的关系，同时也为从肝论治糖尿病提供了有力的依据。
从肝论治糖尿病的现代研究
糖尿病为内分泌代谢紊乱疾病,其病机复杂,直接与神经内分泌调节有关。在中医五脏之中,肝的疏泄功能影响着体内其他脏腑组织器官的生理功能,调节控制着整个机体新陈代谢的变化过程。从临床观察,胰岛素等内分泌激素的分泌调节似与肝的疏泄功能有关。现代医学研究对此也找到了一些病理学依据,发现情志失调所致的肝气郁结及其相关证候与人体自主神经功能紊乱、神经内分泌失调及血液循环障碍等因素密切相关。
自主神经功能紊乱是肝失疏泄最主要的病理机制,这已得到共识。并且研究表明,肝郁气滞及其相关证侯的自主神经功能紊乱是以交感神经兴奋性增强为主要特征。交感神经功能亢进可通过交感神经-肾上腺髓质反应,增加儿茶酚胺(去甲肾上腺素、肾上腺素)的分泌,并通过肾上腺受体的抑制和受体的兴奋调节,抑制胰岛素的分泌,使胰高血糖素分泌增加,并促进糖原分解;同时还能增加肠道对糖的吸收,抑制肌肉组织对葡萄糖的摄取利用,从而诱发糖代谢紊乱。
从神经内分泌调节来看,肝失疏泄或疏泄太过常表现为抑郁或烦躁等精神状态的改变,而在这种情绪刺激的应激过程中,甲状腺激素起着重要调节作用。临床观察,肝失疏泄之抑郁和疏泄太过之亢奋分别与甲状腺功能减低和甲状腺功能亢进的临床表现相似。临床研究表明,精神抑郁患者,其基础TSH水平升高,对TRH产生过度反应,反映患者甲状腺功能轻度低下,而典型的抑郁症患者除T4增高和T3正常外,TSH水平减低,反映这是一个T4供给增加致垂体内T3产生增加而继发性导致血清TSH下降的代偿过程。此与肝郁日久化火的发展趋势相类似。甲状腺激素不仅可以通过影响中枢神经系统的成熟而调节、塑造人类行为,而且与应激及精神状态之间存在着相互调节关系。这些提示:“肝调畅情志”与甲状腺激素密切相关。而甲状腺激素与糖尿病的发生、发展有着直接或间接的关系。长期临床实践表明,过多的甲状腺激素对糖的代谢有重要影响作用,它能促进肠道对糖的吸收,加强糖原分解和异生;甲状腺激素还可通过cAMP激活肾上腺受体,增强儿茶酚胺的敏感性,引起血糖升高。
小结
[关键词]金银花；配方颗粒；位点特异性PCR；分子鉴定
[Abstract]Traditionalauthenticationmethodishardtoidentifyherb′sauthenticityoftraditionalChinesemedicine（TCM）formulagranulesbecausetheyhavelostalltheirmorphologicalcharacteristics.Inthisstudy，anewallele-specificPCRmethodwasestablishedforidentifyingtheauthenticationofJinyinhuaformulagranule（madefromLoniceraeJaponicaeFlos）basedonanSNPsiteintrnL-trnFfragment.GenomicDNAwassuccessfullyextractedfromLoniceraeJaponicaeFlosanditsformulagranulesbyusinganimprovedspincolumnmethodandthenPCRwasperformedwiththedesignedprimer.Approximately110bpspecificbandswasobtainedonlyintheauthenticLoniceraeJaponicaeFlosanditsformulagranules，whilenobandswerefoundinfakemixedproducts.Inaddition，thePCRproductsequencewasprovedfromLoniceraeJaponicaeFlostrnL-trnFsequencebyusingBLASTmethod.Therefore，DNAmolecularauthenticationmethodcouldmakeupthelimitationsofcharacteridentificationmethodandmicroscopicidentification，andquicklyidentifyherb′sauthenticityofTCMformulagranules，withenormouspotentialformarketsupervisionandqualitycontrol.
[Keywords]LoniceraeJaponicaeFlos；formulagranule；allele-specificPCR；molecularauthentication
中药配方颗粒是由单味中药饮片经水提、浓缩、干燥、制粒而成，在中医临床配方后，供患者冲服使用的粉状或颗粒状产品。配方颗粒具有携带方便、服用简单、易于调制、适合工业化生产的特点，同时实现了中药同批内产品物质基础的均质性要求，解决了中药长期以来质量不均的问题[1]。自2001年7月，国家食品药品监督管理总局制定了《中药配方颗粒管理暂行规定》规定配方颗粒纳入中药饮片管理范畴以来，中药配方颗粒快速发展，经过10余年的试点，中药配方颗粒已超过600多品种，并广泛应用于600多家医院中[2]。
然而，由于中药配方颗粒已完全失去了传统中药饮片的鉴别特征，其鉴别与监管已成为制约配方颗粒产业的瓶颈问题之一。由于生产、控制工艺的不同，中药配方颗粒一直处于“试点”阶段，尚缺乏统一可控的质量标准，在生产、流通、使用环节上技术监管难度较大[3]，导致中药配方颗粒存在出现以伪充真、以次充好现象的风险，影响配方颗粒的临床功效。
作为质量控制的上游环节，配方颗粒的基原鉴定直接决定了其质量与疗效。由于配方颗粒系经提取加工形成的颗粒状制剂，已失去所有形态学辨识特征，无法通过性状和显微检测的方式进行鉴别；而在理化鉴别方面目前配方颗粒一般只通过薄层色谱和高效液相色谱进行鉴别，但使用个别指标成分进行定性分析对于近似种、尤其是同属近缘物种的鉴定具有很大困难；且对一些配方颗粒品种，因尚无专属性指标性成分而难以建立化学鉴定方法。因此，目前急需建立准确性高、稳定性好的方法用于配方颗粒原料物种的鉴定。
DNA分子鉴定是指通过比较药材、饮片的DNA差异来鉴别药材、饮片的方法。分子鉴定具有稳定、准确、特异性好、不受生物发展阶段与储藏加工影响等特点，受到了国内外研究者广泛关注，已建立多种中药材及中药饮片的分子鉴定方法[4-11]，甚至也有对中成药乃至其汤剂进行分子鉴定的报道[12-16]。其中蕲蛇、乌梢蛇饮片分子鉴别方法已经作为国家标准率先收录于2010年版《中国药典》中[17]。2016年8月国家药典委员会的《中药配方颗粒质量控制与标准制定技术要求（征求意见稿）》也明确提出“对于来源复杂的原料药材，必要时采用DNA分子鉴别技术进行物种真伪鉴别”。
选择合适的分子标记，建立特异性DNA分子鉴定手段，可解决配方颗粒物种基原鉴别的难题，有助于建立统一可控的配方颗粒质量标准，规范其生产、流通、用药过程的监管，为产品追溯及仲裁提供依据。金银花配方颗粒（Jinyinhuaformulagranule）由金银花药材水提后加工而成，是临床最为常用的配方颗粒之一。本研究以金银花配方颗粒为例，运用位点特异性PCR技术对金银花的基原植物及配方颗粒进行鉴定，分析DNA分子b定技术对配方颗粒基原鉴定的适用性，以期为中药配方颗粒质量控制与标准制定研究提供依据，为配方颗粒生产、流通、用药安全提供保障。
1材料
1.1植物材料
依托第四次全国中药资源普查标本库，收集金银花配方颗粒正品基原植物忍冬LonicerajaponicaThunb.及其同属混伪品短柄忍冬、红腺忍冬、华南忍冬、黄褐毛忍冬、灰毡毛忍冬、金银忍冬、盘叶忍冬、华南忍冬、西南忍冬、细毡毛忍冬、新疆忍冬原植物材料，使用硅胶干燥，凭证标本保存于中国中医科学院中药资源中心，见表1。
1.2配方颗粒
从华润三九医药股份有限公司、北京中医药大学附属东直门医院、中国中医科学院附属西苑医院购买金银花配方颗粒样品，共计17批，见表2。
1.3仪器
VeritiTM96孔梯度PCR仪（AppliedBiosystems公司）；5810R型高速冷冻离心机（Eppendorf公司）；DYY-12型电脑三恒多用电泳仪（北京六一仪器厂）；SYNGENE凝胶成像系统（GENE公司）。
1.4试剂
SpeedSTARHSTaqDNA聚合酶、MightyAmpDNA聚合酶和DL2000DNAMarker均购自Takara公司。
2方法
2.1DNA提取
2.1.1植物DNA提取使用改良CTAB法[19]提取金银花及其混伪品基原植物DNA，使用200μLddH2O溶解，-20℃保存。
2.1.2配方颗粒DNA提取使用改进的硅胶吸附柱法进行提取，取20mg配方颗粒置于2.0mL微量离心管中，加入1000μL提取缓冲液，充分漩涡混匀至配方颗粒全部溶解，56℃水浴15min；取出，冷却至室温，5000×g离心5min；取750μL上清，加入至G2硅胶吸附柱，12000×g离心1min；弃穿透液，加入700μL漂洗缓冲液，12000×g离心1min；取出离心柱转移至一新的2.0mL微量离心管中，使用50μL洗脱液洗脱。
2.2鉴别引物设计
基于金银花基原植物忍冬及其同属混伪品间SNP鉴别位点（trnL-trnF序列625G/A）[18-20]，设计金银花配方颗粒特异性鉴别引物Jinyinhua-1.F/R和Jinyinhua-2.F/R。使用PrimerPremier5.0设计引物，参数为：引物长18～25nt，GC为40%～60%，Tm位于50～60℃，扩增产物大小为100～200bp，引物由生工生物工程（上海）股份有限公司合成，见表3。
2.3金银花真伪鉴别方法的建立
取金银花及其混伪品DNA，使用设计的鉴别引物进行扩增，用于确定位点特异性PCR反应条件。25μLPCR反应体系包含2×MightyAmpBufferVer.2预混液12.5μL，MightyAmpDNAPolymerase（1.25U・μL-1）0.6μL、10μmol・L-1上游及下游引物各0.25μL，20%聚乙烯吡咯烷酮-40（PVP-40）溶液1μL，10g・L-1牛血清蛋白（BSA）溶液0.5μL[21]，DNA模板1μL（约10ng）。PCR反应在VeritiTM型96孔梯度PCR扩增仪上进行。初始反应程序见表3。取PCR反应产物，加入5μL6×Loadingbuffer（Takara公司）混匀后于溴化乙锭（EB）染色的2.0%琼脂糖凝胶电泳检测，SYNGENE凝胶成像系统观察、成像。根据文献[19]方法对PCR反应条件进行考察，确定可鉴别金银花及其混伪品的位点特异性PCR退火温度、循环数和DNA浓度范围。
2.4金银花配方颗粒真伪方法的建立
根据2.3项的结果，筛选出特异性鉴别引物Jinyinhua-1.F/Jinyinhua-1.R，取金银花基原植物、混伪品及配方颗粒DNA，考察①退火温度：57，59，61，63，65℃；②PCR循环数：35，40，45，50个循环；③Taq种类：SpeedSTARHSTaqDNA聚合酶、MightyAmpDNAPolymerase；④不同Taq酶量：0.25，0.75，1.25U对PCR鉴别结果稳定性的影响。筛选出最适鉴别条件，对金银花配方颗粒进行位点特异性PCR鉴别。
2.5序列测定及分析
金银花配方颗粒特异性PCR扩增阳性产物，使用Sanger法进行测序，由北京睿博兴科科技有限公司完成。对获得的序列，使用BLASTn程序在NCBI核酸数据库中进行比对，以判断鉴别结果的准确性。
2.6检出限
调整金银花、混伪品及配方颗粒的总DNA至50mg・L-1，并进行逐级稀释依次获得浓度分别为50，10，2，0.4mg・L-1的DNA。以所稀释的DNA为模板进行位点特异性PCR，以扩出条带的最低浓度确定检测限。
3结果与分析
3.1金银花位点特异性PCR鉴别结果
凝胶电泳结果表明，所有样品仅金银花特异性鉴别引物Jinyinhua-1.F/R在退火温度>53℃扩出条带，当退火温度为59，61，63℃时仅金银花出现特异性鉴别条带，混伪品无条带。大于30个循环时，金银花样品均出现明显条带，30～45循环时，金银花出现特异性鉴别条带。DNA浓度在0.5～100mg・L-1时均可获得扩增。因此，本文最终确定的金银花特异性PCR的反应参数为95℃预变性5min后，（95℃20s，63℃20s，72℃20s）共40个循环，并使用该条件对金银花及其同属混伪品进行扩增，结果金银花均出现条带，混伪品无条带，见图1。
3.2金银花配方颗粒的位点特异性PCR鉴别
根据3.1项获得的金银花位点特异性PCR鉴别体系，对金银花配方颗粒PCR鉴别反应参数进行筛选和优化，见表3。使用优化后的PCR反应条件对不同来源金银花配方颗粒或基原植物进行扩增，均可获得约100bp的特异性条带，配方颗粒扩增条带亮度较基原植物条带弱；配方颗粒特异性PCR产物测序峰图与基原植物峰图一致，且与金银花trnL-trnF序列完全相同，见图2。
BLAST结果表明，配方颗粒特异性扩增产物序列与GenBank数据库中相似性最高的是金银花trnL-trnF（KU298636.1），一致性为98%，仅有1个T/A变异，经核对引物序列表明，该SNP位点位于引物倒数第二位，是为了增加特异性而人为引入的错配。
3.3检出限
使用优化后的PCR反应条件，对不同浓度的金银花配方颗粒DNA模板进行位点特异性PCR扩增。DNA模板浓度在50～10mg・L-1时，金银花配方颗粒均能扩增出约110bp的特异性鉴别条带；降低至2mg・L-1后，部分厂商配方颗粒无法扩增，见图3。
4讨论与展望
中药配方颗粒是一种经水煮沸提取1h以上并加入辅料制成的颗粒状饮片，已完全失去了原药材的性状与显微鉴别特征，难以用传统鉴定方法对其真实性进行有效鉴定，无法满足《中药配方颗粒质量控制与标准定技术要求（征求意见稿）》提出的“对栽培、养殖或野生采集的药用动植物，应准确鉴定其种，不同种的中药材不可相互混用”的要求。本研究运用位点特异性PCR技术，对金银花配方颗粒及其基原植物进行鉴别。经过优化DNA提取方法后，药材与配方颗粒均成功提取到DNA，采用凝胶电泳或测序比对均能成功鉴定到物种。动植物DNA经长时间煮沸提取后会发生严重降解，DNA降解程度类似古DNA样品，难以存留超过200bp的DN段[22-23]。本研究使用了3Σ煌扩增长度的鉴别引物进行PCR反应，仅Jinyinhua-1.F/R引物在金银花配方颗粒中获得扩增产物，长度约100bp，其结果与崔占虎等在水提液中获得的片段长度类似[13]。
本研究结果证明，即使在长时间煮沸提取的中药配方颗粒中，也有短片段DNA存留，可以使用特异性PCR的方式对其物种基原进行鉴定。由于不同中药品种具有不同性质，其配方颗粒加热提取时间、加水用量、辅料用量、干燥方法均有不同，应根据配方颗粒的性质和制备工艺，考察并选择合适的DNA提取方法，寻找高稳定性DN段，遵循中药分子鉴定使用原则[24]，使用短片段扩增与鉴定的方式建立配方颗粒DNA分子鉴别方法，并测试方法对原料药的适用性，从而建立覆盖原料、中间体、成品的配方颗粒真实性鉴别及溯源体系。由于配方颗粒DN段短，辅料干扰性大，基于SNP或短序列扩增的特异性鉴别技术，如位点特异性PCR、快速PCR、实时荧光定量PCR、环介导等温核酸扩增技术及高分辨率熔解曲线鉴别技术等在中药配方颗粒产业的原料收购、加工及市场流通、产品追溯与仲裁等方面将起到更好的控制和监管的作用，发挥更大的经济效益和社会效益。
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“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术“是根据王绍文教授提出的多相流动物系反应控制惯性效应理论，结合给水工程初中，经近十年的研究而发明的。该技术涉及了给水处理中混合、絮凝反应、沉淀三大主要工艺。
理论上，首次从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对混凝的动力学问题进行了深入的研究，提出了“惯性效应“是絮凝的动力学致因，湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学因素，并建立了絮凝的动力相似准则；首次指出扩散过程应分为宏观扩散与亚微观扩散两个不同的物理过程，而亚微观扩散的动力学致因是惯性效应，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。由于新理论克服了现有传统给水处理技术理论上的缺陷和实践上的不足，因而导致了在给水处理技术上的重大突破。
实践中，发明了串联圆管初级混凝设备、小网格反应设备、小间距斜板沉淀设备等三项专利。目前这项新技术已在大庆市、宾县、海伦市、抚顺市、清原县、秦皇岛市等地自来水公司成功地推广使用，取得了明显的经济效益和社会效益。工程实践证明：此项技术用于新建水厂，构筑物基建投资可节约20－30％；用于旧水厂技术改造，可使处理水量增加75％－100％，而其改造投资仅为与净增水量同等规模新建水厂投资的30％－50％。采用此项技术可使沉淀池出水浊度低于3度，滤后水接近0度，可节省滤池反冲洗水量50％，节省药剂投加量30％，大大降低了运行费用和制水成本。
这项技术适应广泛，不仅对低温低浊、汛期高浊水处理效果好，同时，对微污染原水具有较好的处理效果。可利用最小投资，取得最大效益，充分发挥现有供水设施的潜力，在短时间内缓解城市供水短缺状况，促进城市的经济发展。
二、“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术“的工作机理
（一）混合
混合是反应第一关，也是非常重要的一关，在这个过程中应使混凝剂水解产物迅速地扩散到水体中的每一个细部，使所有胶体颗粒几乎在同一瞬间脱稳并凝聚，这样才能得到好的絮凝效果。因为在混合过程中同时产生胶体颗粒脱与凝聚，可以把这个过程称为初级混凝过程，但这个过程的主要作用是混合，因此都称为混合过程。
混合问题的实质是混凝剂水解产物在水中的扩散问题，使水中胶体颗粒同时脱稳产生凝聚，是取得好的絮凝效果的先决条件，也是节省投药量的关键。传统的机械搅拌混合与孔室混合效果较差。近几年，国内外采用管式静态混合器使混合效果有了比较明显地提高，但由于人们对于多相物系反应中亚微观传质以及湍流微结构在胶体颗粒初始凝聚时的作用认识不清，故也防碍了混凝效果的进一步提高。混凝剂水解产物在混合设备中的扩散应分为两类：（1）宏观扩散，即使混凝剂水解产物扩散到水体各个宏观部位，其扩散系数很大，这部分扩散是由大涡旋的动力作用导致的，因而宏观扩散可以短时间内完成；（2）亚微观扩散，即浊凝剂水解产物在极邻近部位的扩散，这部分扩散系数比宏观扩散小几个数量级。亚微观扩散的实质是层流扩散。因此使混凝剂水解产物扩散到水体第一个细部是很困难的。在水处理反应中亚微观扩散是起决定性作用的动力学因素。
例如高浊水的处理中，混凝剂水解产物的亚微观扩散成为控制处理效果的决定性因素。由于混凝剂的水解产物向极邻近部扩散的速度非常慢，在高浊期水中胶体颗粒数量非常多，因此没等混凝剂水解产物在极邻近部位扩散，就被更靠近它的胶体颗粒接触与捕捉。这样就形成高浊时期有些地方混凝剂水解产物局部集中的地方矾花迅速长大，形成松散的矾花颗粒，遇到强的剪切力吸附桥则被剪断，出现了局部过反应现象。药剂没扩散到的地方胶体颗粒尚未脱稳，这部分絮凝反应势必不完善。这一方面是因为它们跟不上已脱稳胶体颗粒的反应速度，另一方面是因为混凝剂集中区域矾花迅速不合理长大，也使未脱稳的胶体颗粒失去了反应碰撞条件。这样就导致了高浊时期污泥沉淀性能很差，水厂出水水质不能保证。按传统工艺建造的水厂，在特大高浊时都需大幅度降低其处理能力，以保证出水水质。这是由于过去工程界的人们对亚微风传质现象不认识，对其传质的动力学致因也不认识，因此传统的混合设备无能力解决高浊时混合不均问题，这不仅使水厂在特大高浊时大幅度降低处理能力，而且造成药剂的亚重浪费和造成出水的PH值过低。
亚微观扩散究其实质是层流扩散，其扩散规律与用蜚克定律描写的宏观扩散规律完全不同。当研究尺度接近湍流微结构尺度时，物质扩散过程不一定是从浓度高的地方往低的地方扩散。在湍流水流中亚微观传质主要是由惯性效应导致的物质迁移造成的，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。我们发明的串联管式初级混凝设备和管式微涡初级混凝设备，就是利用高比例高强度微涡旋的离心惯性效应来克服亚微观传质阻力，增加亚微观速率。生产使用证明这两种设备在高浊时混合效果良好，不仅比传统的静态混合器可大幅度增加处理能力，也大大地节省了投药量。
（二）反应
絮凝是给水处理的最重要的工艺环节，滤池出水水质主要由絮凝效果决定的。传统廊道反应、回转孔室反应以及回转组合式隔板反应的絮凝工艺，水在设备中停留20－30分钟，水中尚有很多絮凝不完善的小颗粒。近年来，国内出现了普通网板反应；国外推出了折板式与波形板反应设备，使絮凝效果有了比较明显地改善。但由于人们对絮凝的动力学本质认认不清楚，也就防碍了絮凝效果的进一步提高。
1、絮凝的动力学致因
絮凝长大过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决于下面两个因素：一是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的；二是微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所决定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，人们一直未搞清楚。水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因。按照这一理论，要想增加碰撞几率就必须增加速度梯度，增加速度梯度就必须增加水体的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝过程是速度受限过程，随着矾花的长大，水流速度应不断减少。而在工程实践中，网络反应池在网格后面一定距离处水流近似处于均匀各向同性湍流状态，即在这个区域中不同的空间点上水流时平均速度都是相同的，速度梯度为零。按照速度梯度理论，速度梯度越大，颗粒碰撞次数越多，网格絮凝反应池速度梯度为零，其反应效率应效果却优于其它传统反应设备。这一实例充分说明了速度梯度理论远未揭示絮凝的动力学本质。
絮凝的动力学致因究竟是什么？是惯性效应。因为水是连续介质。水中的速度分布是连续的，没有任何跳跃，水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无究不时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必须使其与水流产生相对运动，这样水流就会颗粒运动产生水力阻力。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度颗粒之间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件。如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因不水的惯性（密度）与颗粒的惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速度变化（加速度）也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动。为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。这就是惯性效应的基本理论。
改变速度方法有两种：一是改变水流时平均速度大小。水力脉冲澄清池、波形板反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用水流时平均速度变化形成惯性效应来进行絮凝；二是改变水流方向。因为湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运动方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向碰撞提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的，这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。涡旋越小，其惯性力越强，惯性效应越强絮凝作用就越好。由此可见湍流中的微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要的动力学致因。由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增国颗粒碰撞次数，有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池的流动通道上增设多层小孔眼格网的办法来实现。由于过网水流的惯性作用，使过网水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋变成更小的涡旋。不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度与絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后，最大涡旋尺度与网眼尺度同一数量级。增设小孔眼格网这后有如下作用：（1）水流通过格网的区段是速度激烈变化的区段，也是惯性效应最强、颗粒碰撞几率最高的区段；（2）小孔眼格网之后湍流的涡旋尺度大幅度减少，微涡旋比例增强，涡旋的离心惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数；（3）由于过网水流的惯性作用，矾花产生强烈的变形，使矾花中处于吸咐能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位，这样就使得通过网格之后矾花变得更密实。
2、矾花的合理的有效碰撞
要达到好的絮凝效果除了要有颗粒大量碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞。使颗粒凝聚起来的碰撞称之为有效碰撞。一方面，如果在絮凝中颗粒凝聚长大得过快会出现两个问题：（1）矾花长得过快其强度则减弱，在流动过程中遇到强的剪切就会使吸附架桥被剪断，被剪断的吸附架桥很难再连续起来，这种现象称之为过反应现象，应该被绝对禁止；（2）一些矾花过快的长大会使水中矾花比表面积急剧减少，一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件，这些小颗粒与大颗粒碰掸几率急剧减少，很难再长大起来，这些颗粒不仅不能为沉淀池所截留，也很难为滤池截留。另一方面，絮凝池中矾花颗粒也不能长得过慢，矾花长得过慢虽然密实，但当其达到沉淀池时，还有很多颗粒没有长到沉淀尺度，出水水质也不会好。此由看到在絮凝池设计中应控制矾花颗粒的合理长大。
矾花的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素：其一是混凝水解产物形成的吸附架桥的联结能力；其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系决定了矾花颗粒尺度与其密实度。吸附架桥的联结能力是由混凝剂性质决定的，而湍流的剪切力是由构筑物创造的流动条件所决定的。如果在絮凝池的设计中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保证絮凝效果。
多相流动物系反应控制理论的提出，真正建立起水处理工艺中的动力相似。使我们认识到湍流剪切力是絮凝过程中的控制动力学因素，如果在大小两个不同的絮凝工艺中，其湍流剪切力相等，那么具有同样联结强度的矾花颗粒可以在两个不同尺度的絮凝过程中同时存在，这在某种意义上也就实现了两个絮凝过程絮凝效果的相似。弗罗德数可以作为相似准则数，可以表明湍流剪切力的大小，两个尺度不同的絮凝过程当其弗罗德数相等时，其湍流剪切力就近似相等，絮凝效果就基本相似。但只控制湍流剪切力相等并不能完全控制絮凝效果的相似，因为湍流剪切力相等时两个不同的絮凝过程的矾花联结强度相等，但矾花的密实度与沉淀性能却不一定相同。矾花的密实程度可用湍动度来控制，湍动度值越大表明在固定时间内流过固定空间点的涡旋数量越多，涡旋强度越大，矾花也越密实。在实际工程中是不可能测定湍动度的。庆幸的是当湍流剪切力相等时，尺度越大的絮凝池其水流速度也越高，因此矾花的碰撞强度越大，形成的矾花越密实，这已为试验与生产实践所证实。这样就可以保证把小尺度的试验结果按照弗罗德数相等来放大，放大后的絮凝效果会更好、更可靠。因而我们也可以通过科学地布设多层网格，通过弗罗德数这个相似准则，来控制絮凝过程中水流的剪切力和湍动度，形成易于沉淀的密实矾花。
（三）沉淀
沉淀设备是水处理工艺中泥水分离的重要环节，其运行状况直接影响出水水质。
传统的平流沉淀池优点是构造简单，工作安全可靠；缺点是占地面积大，处理效率低，要想降低滤前水的浊度就要较大地加大沉淀池的长度。浅池理论的出现使沉淀技术有了长足的进步。七十年代以后，我国各地水厂普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了大幅度提高。但经过几十年应用其可靠性远不如平流沉淀池，特别是高浊时期、低温低浊时期以及投药不正常时期。
传统沉淀理论认为斜板、斜管沉淀池中水流处于层流状态。其实不然，实际上在斜管沉淀池中水流是有脉动的，这是因为当斜管中大的矾花颗粒在沉淀中与水产生相对运动，会在矾花颗粒后面产生小旋涡，这些旋涡的产生与运动造成了水流的脉动。这些脉动对于大的矾花颗粒的沉淀无什么影响，对于反应不完全小颗粒的沉淀起到顶托作用，故此此也就影响了出水水质。为了克服这一现象，抑制水流的脉动，我们推出了小间距斜板沉淀设备。这一设备还有下面一些优点：（1）由于间距明显减少，矾花沉淀距离也明显减少，使更多小颗粒可以沉淀下来；（2）由于间距减少，水力阻力增大，使之占水流在沉淀池中水力阻力的主要部分，这样沉淀池中流量分布均匀，与斜管相比明显地改善了沉淀条件；（3）这种设备由于下面几个原因其排泥性能远优于其他形式的浅池沉淀池；（a）这种设备基本无侧向约束；（b）这种设备沉淀面积与排泥面积相等；对普通斜管来说排泥面积只占其沉淀面积的一半，在特殊时期如高浊期，低温浊期或加药失误时期污泥沉降性能、特别是排泥性能明显变坏，在斜管排泥面的边缘处由于沉积数量与斜面上滑落下来的污泥数量大于排走的数量，造成了污泥的堆积。所以一旦在斜管的角落处产生污泥的堆积，所以一旦在斜管角落处产生污泥的堆积，就产生了污泥堆积的恶性循环。这种作用开始时由于斜管上升流速的增加，沉淀效果变坏，沉后水浊度增高，当污泥堆积到一定程度时，由于上升流速的提高，可以把已积沉在斜管上的污泥卷起，使水质严重恶化。正是这一原因才使得南方很多地区又由斜管沉淀池改为平流沉淀池。而小间距斜板沉淀池其排泥面积是普通斜管的4倍多，单位面积排泥负荷尚不到斜管的1／4，故在任何时期排泥均无障碍。
三、“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术“的工艺特点
（一）处理效率高、占地面积小、经济效益显著。
由于混合迅速（3－30秒），反应时间短（5－10分钟），沉淀池上升流速高（2．5－3．5mm/s），因此可大为缩短水在处理构筑物中的停留时间，大幅度提高处理效率，因而也就节省了构筑物的基建投资。工程实践证实：与传统工艺相比，采用新技术对旧水厂挖潜改造，在构筑物容积不增加的情况下，可使处理水量净增75－100％，而改造投资仅相当于新建一座同等规模新水厂投资的30－50％；用于新建水厂，主体工艺构筑物可节省投资20－30％，并可大幅度减少主体构筑物占地面积。与平流沉淀池比较可节省80％，与斜管沉淀池比较可节省40％。
（二）处理水质优，社会效益好，水质效益可观。
几年运行实践证明，这项工艺可使沉后水浊度稳定在3度以下，滤后水接近0度，这就形成了一个很高的水质效益。水质效益一方面就是社会效益，另一方面是潜在的经济效益。
我国现行饮用水水质标准为浊度不超过3度，而发达国家标准是不超过1度。随着人民生活水平的提高，我国也将进一步提高生活用水标准。如果其标准提高到1度，那么大部分城市现有处理设备和工艺是难以达到的，只有通过大幅度投资扩建新水厂，才能解决水质和水量的矛盾。而采用此工艺可稳定保持出厂水浊度低于1度。由此可见，其潜在的水质效益是相当可观的。
（三）抗冲击能力强，适用水质广泛。
实践证明，此项技术抗冲击的能力较强，当原水浊度、进水流量，投加药量发生一些变化时，沉淀池出水浊度不象传统工艺那样敏感。其原因是，这项工艺的沉淀池上升流速按3．5mm/s设计时尚有很大潜力。运行实践表明。这项工艺对低温低浊、汛期高浊以及微污染等特殊原水水质的处理均非常有效。
低温低浊水中固体颗粒少，颗粒尺度小，有机物含量相对高，比重小。从颗粒级配来看也相对均匀，加之低温时药剂吸附架桥能力下降，这些都给絮凝与沉降带来困难。新技术采用的小孔眼格网絮凝设备，可大幅度增加颗粒碰撞几率，克服了固体颗粒少、难于相互碰撞的缺点，形成比较密实的矾花，在小间距斜板上有效的沉淀下来。
对高浊水来说，颗粒碰撞已不成问题，但在这种情况下混凝剂的亚微观传质在混合设备中完成。也就是说，有一部分地方会出现过反应情况，而这些地方反应不足，致使絮凝效果恶化，以致于矾花沉降性能变坏；再加上斜管沉淀池本身结构导致排泥不畅的缺点，使得高浊水处理成为难题。新技术由于能在各种情况下迅速完成药剂的亚微观扩散，同时小间距斜板克服了普通斜管排泥不畅的缺点，故此对高浊水处理十分有效。
我国目前普遍采用强氧化剂预氧化或生物预处理措施去除微污染。然而，无论何种预处理方法，都要通过反应使水中的有机物析出，使它们达到胶体颗粒尺度，最终通过絮凝、沉淀、过滤的方法与水中的其他颗粒一起去除。因此，高效能的絮凝与沉淀设备是去除微污染更有效的设备。大庆市八百垧水厂改造实践证明，这项新技术在去除水中有机污染方面同样行之有效。
（四）制水成本降低。
1、由于新技术采用先进的混合及反应设备，可节省投药量30％；
2、由于新技术沉后水浊度在3度以下，减轻了滤池负担，因此滤池反冲洗水可节省50％左右，并可延长滤料更换周期；
3、对旧水厂改造，水量增加而管理人员无需增加，运行管理费用大为降低；
4、基建费用的大幅度节省，可较大程度降低投资折旧率。
从以上四个方面来看，新技术的使用可使制水成本显著降低。
（五）工期短、见效快。
此项技术用于旧水厂挖潜改造，从设计到安装调试只需2－3个月，可以在短时间内解决城市供水不足的状况。