Вопросы и ответы фармтехнология. Непрерывный и периодический технологический процесс
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
3. Температура. повышение температуры ускоряет процесс экстрагирования , но в условиях фитохимических производств подогрев используют только для водных извлечений Спиртовая и тем более эфирная экстракция проводится при комнатной (или более низкой) температуре, поскольку с ее повышением увеличиваются потери экстрагентов , а следовательно, вредность и опасность работы с ними. при экстрагировании растительными маслами используют подогрев. Но для термолабильных веществ применение горячего экстрагента допустимо лишь в течение коротких отрезков времени. Повышение температуры экстрагента нежелательно для эфиромасличного сырья, поскольку при нагревании эфирные масла в значительной степени теряются. Необходимо учитывать, что при использовании горячей воды происходит клейстеризация крахмала, пептизация веществ; вытяжки в этом случае становятся слизистыми и дальнейшая работа с ними значительно затрудняется. Повышение температуры целесообразно при экстрагировании из корней, корневищ, коры и кожистых листьев. Горячая вода в этом случае способствует лучшему отделению тканей и разрыву клеточных стенок, ускоряя тем самым течение диффузионного процесса. 4. Разность концентраций в сырье С 1 и экстрагенте С 4 является движущей силой процесса экстракции . Во время экстракции необходимо стремиться к максимальному перепаду концентраций, что достигается более частой сменой экстрагента ( ремацерация вместо мацерации ), проведением противоточного процесса и др. 5. Гидродинамические условия Коэффициент массопередачи К определяется из уравнения ( 1.7 К= может изменяться в зависимости от гидродинамических условий процесса. Так, при отсутствии конвекции, т.е. без перемешивания коэффициент конвективной диффузии β равен нулю, а толщина диффузионного слоя d становится равной толщине всего слоя экстрагента . Следовательно, третья стадия экстрагирования отпадает, а коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией в сырье D вн и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости. Такое явление наблюдается при мацерации (настаивании) без перемешивания. Этот способ экстрагирования самый продолжительный.В том случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех стадий процесса и имеет вид уравнения ( 1.7 ). Скорость этого способа экстракции выше, т.к. уменьшается слой неподвижной жидкости, появляются конвекционные токи, способствующие переносу вещества. Такой режим экстрагирования характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции , быстротекущей реперколяции , непрерывной противоточной экстракции и др.И, наконец, при очень интенсивном перемешивании могут отсутствовать вторая и третья стадии диффузионного пути. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т.е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно, третье слагаемое в знаменателе уравнения ( 1.7 ) отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина пограничного диффузионного слоя d , поэтому второе слагаемое в знаменателе уравнения также будет отсутствовать. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного материала. Такой вид зависимости для коэффициента массопередачи справедлив для вихревой экстракции и экстрагировании с применением роторно- пульсационного аппарата Второе и третье слагаемые могут отсутствовать, но наличие первого неотделимо от самого существа процесса экстракции из сырья с клеточной структурой.В последнее время предложено экстрагирование с применением ультразвука , с помощью электрических зарядов с использованием электроплазмолиза и электродиализа . В этих случаях появляется возможность влиять на коэффициент внутренней диффузии D вн , что позволяет значительно ускорить процесс экстрагирования на самой его медленной стадии. 6. Время (продолжительность) экстрагирования. Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, пpодиффундиpовавшего через некоторый слой, прямо пропорционально времени экстракции . Однако нужно стремиться к максимальной полноте извлечения в кратчайший срок, максимально использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса.Чрезмерная продолжительность извлечения приводит к загрязнению вытяжек сопутствующими высокомолекулярными соединениями , скорость диффузии которых значительно меньше, чем у биологически активных веществ При длительном экстрагировании могут протекать нежелательные процессы под влиянием ферментов. Общая продолжительность экстракции зачастую определяется экономическими соображениями. При этом бывает целесообразно прекратить процесс в какой-то момент, учитывая, что дополнительно извлеченные количества веществ не окупят избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов (спирт, эфир). 76. Основные закономерности экстрагирования капиллярно-пористого сырья клеточной структурой (теории экстрагирования). Поверхностные явления. Потери на диффузию. Процесс экстрагирования относится к массообменным процессам и протекает за счет диффузии из зоны с высокой концентрацией. Это, как правило, клетки животного или растительного материала, содержащие биологически активные вещества Экстрагирование основано на диффузии биологически активных веществ из внутренних структур частиц материала в экстрагент и заканчивается при достижении равновесных концентраций. В равновесном состоянии из материала в экстрагент переходит такое же количество молекул, как и из экстрагента в материал, т.е. концентрация остается постоянной. При этом обычно в материале концентрация выше, чем в экстрагенте Диффузия бывает: молекулярная и конвективная. Молекулярная диффузия - это процесс переноса распределяемого вещества ( биологически активного вещества - БАВ) за счет хаотического движения самих молекул в неподвижной среде. Она характеризуется коэффициентом молекулярной диффузии D, который определяют из уравнения Эйнштейна: , (1.1) где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,32 Дж/(град×моль);Nо - число Авогадро (6,06×10 23 );Т - температура абсолютная, град К;η - вязкость раствора, Н/с×м 2 ;r - радиус диффундирующих частиц, м;k = R/Nо - постоянная Больцмана. Коэффициент молекулярной диффузии характеризует способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду и, как видно из уравнения (1.1), увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера диффундирующих частиц вещества. Следовательно, чем меньше радиус диффундирующих частиц, тем быстрее идет диффузия . Так, растворам белков, слизей, пектинов и т.п. имеющим большие молекулы, присущи очень низкие коэффициенты диффузии . Вещества с малыми размерами молекул (какими чаще бывают БАВ ) диффундируют намного быстрее. При экстрагировании из лекарственного растительного сырья идет диффузия БАВ из внутренних структур частицы материала. При этом процессе извлечение имеет свои особенности. Прежде всего, наличие пористой перегородки, межклеточного пространства и клеточных ходов снижает скорость диффузии . Далее, через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают размеров пор. Наконец, имеется еще одна существенная особенность - явление десорбции , наблюдаемое в клетке после проникновения в нее экстрагента . Поскольку вещества внутри клетки связаны силами притяжения, то необходимо прежде всего преодоление этих адсорбционных сил. Весь сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала называют внутренней диффузией . Для выражения коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна (1.1) для свободной диффузии вводят поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса. Уравнение коэффициента внутренней диффузии в этом случае будет иметь вид: , Для материала с клеточной структурой значение коэффициента внутренней диффузии значительно меньше, чем значение коэффициента свободной диффузии . Так, величина коэффициента свободной диффузии для многих природных соединений находится в пределах 10 –4 – 10 –5 м 2 /с. Для этих же соединений значение коэффициента диффузии в порах материала с клеточной структурой на 2-3 порядка меньше, т.е. 10 –6 – 10 –8 м 2 /с.Особенности извлечения биологически активных веществ из материалов с клеточной структурой связаны с тем, что на пути к веществам, содержащимся в клетке, находится клеточная стенка, физиологическое состояние которой может быть различным. Так, живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы определенной толщины. Он накладывает особый отпечаток на свойства клеточной стенки, как перегородки, отделяющей раствор внутри клетки (клеточный сок) от жидкости вне клетки. Пока протоплазма жива, клеточная стенка является полупроницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В этом случае возможно лишь проникновение экстрагента внутрь клетки (осмос). Совершенно по- другому ведет себя мертвая клетка. Вследствие гибели протоплазмы (плазмолиза) клеточная стенка теряет характер полупроницаемой перегородки и начинает пропускать вещества в обе стороны (диализ). То есть клеточная стенка приобретает свойства пористой перегородки, через которую могут диффундировать биологически активные вещества , молекулы которых не превышают размера пор. Подавляющее большинство экстракционных препаратов получают из высушенного растительного сырья, т.е. обезвоженного путем тепловой сушки . В случае получения препаратов из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом. Он очень гигроскопичен и при соприкосновении с растительной клеткой обезвоживает ее, вызывая сильнейший плазмолиз. Умерщвление клеток сырья животного происхождения достигается теми же способами: сушкой или обезвоживанием спиртом и ацетоном. При получении препаратов из свежего сырья, клетки которого не обезвожены, скорее имеет место вымывание клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор, чем процесс экстрагирования Потеря на диффузию: по окончании экстрагтрования растительный материал за счет набухания удерживает часть экстрагента, вместе с которым в шроте остаются биологически активные вещества. Их называют потерей на диффузии и определяют по формуле:rx=ax0/N; Где х0-кол-во действующих в-в в растительном сырье, кг; а-кол-во экстрагента, оставшегося в шроте,л; N-кол-во взятого экстрагента,л .для уменьшения потери на диффузии шрот отжимают на прессах, применяют дробное экстрагирование. Иногда увеличивают объем экстрагента, но это может привести к нарушению заданной концентрации вытяжки. 76 Основные технологические факторы, влияющие на полноту и скорость экстрагирования. Пути интенсификации процесса 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. |