Вопросы и ответы фармтехнология. Непрерывный и периодический технологический процесс
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
73. Теоретические основы экстрагирования молекулярная и конвективная диффузия. Особенности экстрагирования растительного сырья. Стадии процесса экстрагирования. Процесс экстрагирования относится к массообменным и определяется основными законами массопере дачи: молекулярной диффузией, .массоотдачей, массопроволимогтью. ' При экстрагировании процесс массопередачи происходит в системах твердое тело — жидкость или жидкость — жидкость. В фармацевтической промышленности наиболее широко распространена экстракция в системе твердое тело — жидкость. Экстракция в системе жидкость — жидкость применяется при очистке получаемых вытяжек из лекарственного сырья или для выделения индивидуальных веществ. Экстрагирование твердых материалов представляет собой, процесс разделения твердого тела на растворимую и нерастворимую части. В отличие от процесса растворения, когда переход вещества в раствор происходит полностью, при экстрагировании он осуществляется частично,образуя 2 фазы: раствор веществ в сырье и раствор экстрактивных веществ в экстрагенте, омывающем сырье. Переход веществ из одной фазы в другую осуществляется до тех пор, пока они имеют разную концентрацию, являющуюся движущей силой процесса экстрагирования. Предельным состоянием массообмена является достижение равновесия системы, выравнивание скорости перехода веществ из одной фазы В другую и обратно преданных условиях.Перенос веществ в экстрагент осуществляется молекулярной и конвективной диффузией. Молекулярная диффузия обусловлена хаотическим, беспорядочным движением молекул, граничащих друг с другом и находящихся в макроскопическом покое. Скорость молекулярной диффузии зависит от температуры, радиуса диффундирующих молекул вещества, вязкости среды. Математическое выражение молекулярной диффузии, определяющей скорость процесса, представлено уравнением первого закона Фика: Где dm скорость диффузии, кг/м; dc— разность концентраций на границе раздела фаз, кг/м 3 ; dx — изменение толщины диффузионного слоя, м 2 ; D — коэффициент молекулярной диффузии — показывает количество вещества (кг), которое диффундирует в единицу времени (с), через единицу площади (м 2 ), при разности концентраций, равной единице (кг/м ) и толщине слоя— 1 м; знак (—) —означает направление процесса в сторону уменьшения концентрации (из клетки). Конвективная диффузия — это перенос вещества в виде небольших объемов раствора. Математическое выражение скорости диффузии представлено уравнением: где р — коэффициент конвективной диффузии. Он показывает, какое количество вещества передается через 1м 2 поверхности фазового контакта в воспринимающую среду в течение 1 с при разности концентрации между слоями, равной единице. Конвективная диффузия может быть естественной и принудительной. Естественная (свободная) происходит за счет разности Плотностей экстрагента и раствора, изменения температуры, гидростатического столба жидкости. Принудительная возникает при перемешивании мешалками, насосами, вибрацией. Коэффициент конвективной диффузии определяется опытным путем и зависит от гидродинамических условий проведения процесса, а ее скорость в 10 12 раз выше молекулярной. Конвективная диффузия представляет больший практический интерес, так как способствует интенсификации процесса массообмена. Экстрагирование растительного материала имеет много особенностей, связанных с его клеточной структурой и физико-механическими свойствами. Биологически активные вещества заключены в клетку, экстрагент должен проникнуть в нее, преодолев клеточный барьер. Процесс экстрагирования различен для свежего и высушенного сырья. В свежем сырье действующие вещества находятся в растворе внутри клетки, в высушенном — в виде сухих конгломератов в полости клетки (адсорбированы на ее стенках) или порах). Этим обусловлен разный подход к экстрагированию материала: из свежего сырья он сводится к вымыванию клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор. Перенос действующих веществ из неразрушенных клеток в экстрагент не происходит, что объясняется сложностью их строения. Растительная клетка представляет собой живой протопласт, заключенный в клеточную оболочку. Протопласт окружен плазмолеммой и тонопластом, обладающими избирательной проницаемостью. Кроме этих мембран, в клетке имеется много других, окружающих многочисленные вакуоли. Живая клетка находится в состоянии тургора, пристенный слой которой плотно прижат к оболочке. Через клеточные мембраны чистый экстрагент проникает внутрь клетки, они же препятствуют переходу из нее раствора с высокомолекулярными веществами Объем клеточного сока увеличивается и внутри клетки возникает гидростатическое давление. Когда оно становится равным осмотическому, проникновение экстрагента в клетку прекращается. При высушивании растительного материала клетка меняет свойства — она переходит в состояние плазмолиза. Клеточные мембраны теряют полупроницае- мость и приобретают свойства пористой перегородки, в которой насчитывается до 20 ООО и более; rfop диаметром от 0,2—0,3 мм до десятков и сртен нанометров, а процесс экстрагирования сырья — характер диализа через нее. Процесс экстрагирования высушенного растительного сырья является многостадийным и начинается с проникновения экстрагента в материал, смачивания веществ, находящихся внутри клетки, растворения и десорбции их, вымывания клеточного содержимого из разрушенных клеток, диффузией через поры клеточной оболочки и заканчивается маccпереносо м веществ от поверхности материала в раствор. Оболочки клеток обладают дифильными свойствами, с преобладанием гидрофильности. Процесс проникновения экстрагента в клетку определяется сте - пенью гидрофильности материала, природой экстрагента, числом и размером пор в клеточной стенке. Чем больше сродство экстрагента к материалу, тем он быстрее смачивает стенки капилляра, проникает в сырье до уравновешивания сил капиллярного подъема и силы тяжести гидростатического столба жидкости (экстрагента) в капилляре Проникновению экстрагента в капилляры мешает находящийся в них воздух. Для интенсификации процесса предложено предварительное вакуумирование сырья, подача экстрагента под повышенным давлением или замена воздуха в порах на легко растворимый газ.Процесс смачивания веществ тесно связан с проникновением экстрагента в сырье и зависит от их сродства. Поступая в сырье по макро- и микротрещинам, межклеточным ходам, диффузией через поры клеточной оболочки, экстрагент проникает внутрь клетки и контактирует с высохшим клеточным сокомРастворение биологически активных веществ растительного материала: По мере поступления экстрагента в сырье происходит десорбция и растворение биологически активных веществ, которые определяются их сродством. Скорость растворения зависит от скорости массопередачи от поверхности твердого тела, а для веществ, находящихся внутри клеток, определяется скоростью массопередачи через пористую перегородку сначала в экстрагент межклеточного пространства, а затем в омывающий сырье Массоперенос растворенных в клеточном соке веществ через поры клеточных стенок в межклеточные пространства и далее на поверхность растительного материала осуществляется путем внутренней диффузии Ее скорость определяется разностью концентраций по обе стороны клеточной стенки, зависит от толщины и количества слоев клеточных мембран, числа и диаметра пор, которые не бывают постоянными, а колеблются в широких пределах у разных видов растительного сырья Перенос вещества с поверхности клеток происходит за счет свободной молекулярной диффузии 74. Коэффициент массопередачи (К) и его взаимосвязь с коэффициентами всех видов диффузии. Зависимость коэффициента массопередачи от способа экстрагирования. В процессе экстрагирования лекарственного расти- дельного сырья сочетается три вида массопереноса: 1) массоперенос внутри растительного материала, скорость которого характеризуется коэффициентом внутренней диффузии — D B , 2) в клеточном соке и пограничном диффузионном слое, определяющимся коэффициентом — D c ; 3) конвективный, характеризующийся величиной коэффициента — р. Суммарный коэффициент массопередачи при экстрагировании растительного сырья определяется следующим уравнением :где К, D c , Dв — соответственно коэффициенты массопередачи, свободной молекулярной диффузии, внутренней диффузии; / — размер частиц, м; S—толщина пограничного слоя, м. Коэффициент свободной диффузии определяется уравнением Эйнштейна: где k — постоянная величина Больцмана; Т — абсолютная температура, град; R — радиус диффундирующих частиц, м; г) — вязкость раствора, н/с- м2 Он зависит от температуры и концентрации раствора. Коэффициент внутренней диффузии имеет белее низкую величину, на нее влияют число и диаметр пор, структура материала. Коэффициент конвективной диффузии больше коэффициента свободной диффузии и является определяющим для процесса экстрагирования в целом. Для расчета коэффициента массопередачи пользуются уравнением: где К = M/ Fct коэффициент массопередачи. На всякий случай: Математическое выражение молекулярной диффузии, определяющей скорость процесса, представлено уравнением первого закона Фика: Где dm скорость диффузии, кг/м; dc— разность концентраций на границе раздела фаз, кг/м 3 ; dx — изменение толщины диффузионного слоя, м 2 ; D — коэффициент молекулярной диффузии — показывает количество вещества (кг), которое диффундирует в единицу времени (с), через единицу площади (м 2 ), при разности концентраций, равной единице (кг/м ) и толщине слоя— 1 м; знак (—) —означает направление процесса в сторону уменьшения концентрации (из клетки).Математическое выражение скорости диффузии представлено уравнением: где р — коэффициент конвективной диффузии. Он показывает, какое количество вещества передается через 1м 2 поверхности фазового контакта в воспринимающую среду в течение 1 с при разности концентрации между слоями, равной единице. Если конвективная диффузия отсутствует, то: т.е. коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией и свободной молекулярной диффузией. Это явление характерно для экстрагирования способом мацерации без перемешивания (самый длительный способ экстрагирования). Если экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех видов диффузии и равен: Это явление характерно для экстрагирования методами: мацерации с перемешиванием, перколяции, реперколяции, непрерывной противоточной экстракции и т.д. Если экстрагент перемещается с очень высокой скоростью (коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности), а толщина диффузионного слоя становится равной нулю, коэффициент массопередачи определяется только коэффициентом внутренней диффузии и становится равен: Это явление характерно для вихревой экстракции. 75 Опишите основные технологические факторы, влияющие на процесс экстрагирования технологические свойства сырья и параметры процесса, поддающиеся регулированию (степень и характер измельчения сырья, природа экстрагента, температура, разность концентраций и гидродинамические условия, продолжительность экстрагирования). 1. Степень измельчения сырья чем больше поверхность соприкосновения фаз, тем быстрее протекает экстракция - Но!!! Очень мелкие растительные порошки для экстрагирования применять нельзя. Из растительных порошков (разрушенные клетки) переходит большое количество балластных веществ, нерастворимых частиц и коллоидов - получится мутная жидкость, которую трудно очистить; очень мелкий порошок образует с растворителем густую (слизи) массу которая оказывает большое сопротивление прохождению экстрагента..В зависимости от вида РМ трава, листья, цветки 3-5 мм; стебли, корни и кора 1-3 мм; плоды и семена, поскольку оболочка их кл0е5т.о01к. 1п6окрыта гидрофобными веществами, 0,3-0,5 мм РМ, с большим содержанием набухающих веществ (слизи, коллоиды) измельчают на корнерезках для формирования гладких срезов с меньшим количеством разрушенных клеток; Древесину, стебли измельчают поперек волокон, так как их клетки вытянутой форму и при поперечном измельчении вскрывается их большее количество. Для получения рваного среза с большим количеством вскрытых клеток РМ измельчают на эксцельсиорах, экстракция ускоряется, но экстракт насыщается нерастворимыми веществами. Можно сочетать виды измельчения — после траворезок или эксцельсиоров РМ пропускают через валковые дробилки, для возникновения микротрещин в оболочках и вытеснению воздуха из клеточных пространств. Это приведет к ускорению проникновения экстрагента процесса экстрагирования. Для различных видов сырья существует определенный оптимальный размер частиц, ниже которого измельчать материал нежелательно 2. Природа экстрагента Для обеспечения полноты извлечения действующих веществ и максимальной скорости экстрагирования к экстрагенту предъявляют следующие требования: селективность (избирательная растворимость); химическая и фармацевтическая индифферентность ; малая токсичность; невысокая стоимость и др.Выбор экстрагента определяетсястепенью гидрофильности извлекаемых веществ. Для экстрагирования полярных веществ с высоким значением диэлектрической постоянной используют полярные растворители : воду, метанол, глицерин; для неполярных – кислоту уксусную, хлороформ, эфир этиловый и другие органические растворители . Наиболее часто в качестве экстрагента применяют этанол – малополярный растворитель , который при смешивании с водой дает растворы разной степени полярности, что позволяет использовать его для избирательного экстрагирования различных биологически активных веществ Кроме этанола из малополярных растворителей применяют ацетон, пропанол, бутанол. Экстрагент должен обладать:-избиpательностью, т.е. максимально растворять лекарственные вещества, и минимально - балластные вещества ;-высокой смачивающей способностью , обеспечивающей хорошее проникновение его через поры материала и стенки клеток;-способностью препятствовать развитию в вытяжке микрофлоры;- летучестью, возможно низкой температурой кипения , легкой регенерируемостью;- минимальной токсичностью и огнеопасностью;-доступностью по стоимости. Из двух равноценных экстрагентов выбирают менее огнеопасный, доступный по цене, фамакологически менее вредный и т.д. Если же экстрагент не удовлетворяет указанным требованиям, то применяют смеси, например, подкисленную воду, спирт с водой, эфир со спиртом и т.п. Одним из наиболее часто применяемых экстрагентов является вода, которая обладает следующими преимуществами:-хорошо проникает через клеточные оболочки, не пропитанные гидрофобными веществами ;-растворяет и извлекает многие вещества лучше других жидкостей;-фаpмакологически индифферентна ;-повсеместно распространена;- негоpюча и невзрывоопасна;-доступна по стоимости. Однако как экстрагент имеет ряд отрицательных сторон, например:-не растворяет и не извлекает гидрофобные вещества ;-не обладает антисептическими свойствами , вследствие чего в водных извлечениях могут развиться микроорганизмы, которые способны вызвать порчу получаемого извлечения;-за счет воды происходит гидролитическое расщепление многих веществ, особенно при высокой температуре;-в водной среде ферменты могут расщеплять лекарственные вещества и т.д.Этиловый спирт - наиболее часто применяемый экстрагент после воды.Качество спирта-ректификата регламентируется ГФ Х и ГОСТ 5962-51.Спирт как экстрагент :-является хорошим растворителем многих соединений, которые не извлекаются водой, например жиры, алкалоиды , хлорофилл, гликозиды , эфирные масла , смолы и др;-обладает антисептическими свойствами (в спиpтоводных растворах более 20% не развиваются микроорганизмы и плесени);-чем крепче спирт, чем менее возможны в его средах гидролитические процессы. Спирт инактивирует ферменты;-достаточно летуч, поэтому спиртовые извлечения легко сгущаются и высушиваются до порошкообразных веществ. Для сохранения термолабильных веществ выпаривание и сушка проводятся под вакуумом ;-является лимитированным продуктом, отпускается фармацевтическим производством в установленном порядке;-значительно труднее, чем вода, проникает через стенки клеток, отнимая воду у белков и слизистых веществ, превращая их в осадки, закупоривающие поры клеток и тем самым ухудшает диффузию . Чем ниже концентрация спирта, тем легче он проникает внутрь клеток;-фармакологически неиндифферентен ; он оказывает как местное, так и общее действие, что необходимо учитывать при производстве извлечений;-горюч и огнеопасен. Итак, спирт - экстрагент имеет более широкий диапазон извлечения БАВ , чем вода, причем его извлекающая способность зависит от концентрации. При экстрагировании этанолом в концентрации не менее 70% получают вытяжки , свободные от биополимеров (белков, слизей, пектинов). Также используются Ацетон Применяют как экстрагент для алкалоидов , смол, масел и др.Этиловый эфир в смеси с этанолом в соотношении (9:1) используют при жидкостной экстракции флавоноидов в производстве фламина.Хлороформ Является хорошим растворителем для многих лекарственных веществ: алкалоидов , гликозидов , масел и т.д.Дихлорэтан в смеси с хлороформом (при плотности 1,315) применяется для экстрагирования гликозидов .Хлористый метилен Применяется для экстрагирования гидрофобных веществ ( гликозидов , алкалоидов и др.).Метанол, метиловый или древесный спирт Применяется при экстрагировании кумаринов. Для разделения смеси гликозидов используют смесь метанола и воды ( плотность 0,9464)..Сжиженные газы. Перспективными для экстрагирования являются предлагаемые в последнее время сжиженные газы: углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак, хладоны (хлорфторпроизводные углеводородов) и др. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные , жирные масла и другие гидрофобные вещества Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.) Экстрагирование сжиженными газами проводится под давлением , при снятии которого экстрагент улетучивается, а экстрактивные вещества остаются в чистом виде. |