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). 7. Поверхность раздела фаз (F), «твердое лекарственное сырье – жидкость» зависит от степени измельчения сырья и будет тем больше, чем меньше его частички. Однако на практике известно, что при чрезмерно тонком измельчении сырье может слеживаться, а при содержании слизистых веществ – ослизняться, в результате чего через такие массы экстрагент будет проходить очень плохо. При слишком тонком измельчении резко увеличивается количество разорванных клеток, что приводит к вымыванию сопутствующих веществ, загрязняющих вытяжку (белки, слизи, пектины и др. высокомолекулярные соединения ). Кроме того, в экстрагент переходит большое количество взвешенных частиц. В результате вытяжки получаются мутные, трудноосветляемые и плохо фильтруемые. Отсюда следует, что крупное сырье следует измельчать до оптимальных размеров: листья, цветы, травы до 3-5 мм; стебли, корни, кору до 1-3 мм, плоды и семена до 0,3-0,5 мм. При этом в исходном материале будет сохраняться клеточная структура, будут преобладать диффузионные процессы, экстрагирование замедлится, но полученная вытяжка будет содержать меньше механических примесей и будет легче очищаться. 8. Вязкость экстрагента. По закону Фика, количество растворенного вещества, пpодиффундиpовавшего через некоторый слой экстрагента , обратно пропорционально вязкости этого экстрагента при данной температуре. Следовательно, менее вязкие растворы обладают большей диффузионной способностью. Для уменьшения вязкости при экстрагировании растительными маслами используют подогрев. Перспективными в этом отношении являются используемые в последнее время сжиженные газы – углерода диоксид (СО 2 ), пропан, бутан, жидкий аммиак и др. Наиболее часто используют сжиженный углерода диоксид, который химически индифферентен к большому числу действующих веществ. Его вязкость в 14 раз меньше вязкости воды и в 5 раз меньше вязкости этанола. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные масла и другие гидрофобные вещества Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.). 9. Добавка поверхностно-активных веществ (ПАВ). Экспериментально установлено, что добавление небольших количеств ПАВ (0,01-0,1%) улучшает процесс экстрагирования При этом увеличивается количество экстрагируемых веществ – алкалоидов, гликозидов , эфирных масел и др., а в некоторых случаях полнота извлечения достигается при меньшем объеме экстрагента . Добавки ПАВ снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, улучшая смачиваемость содержимого клетки и облегчая проникновение экстрагента Кроме того, существенную роль играет солюбилизирующая способность ПАВ. 10. Пористость и порозность сырья. Пористость сырья - это величина пустот внутри растительной ткани. Чем она выше, тем больше образуется внутреннего сока при набухании. Порозность - это величина пустот между кусочками измельченного материала. От величины пористости и порозности зависит скорость смачивания и набухания материала. Скорость набухания возрастает при предварительном вакуумировании сырья, а так же при повышении давления и температуры. Пористость и порозность сырья обусловливают его поглощающую способность, которая характеризуется коэффициентом поглощения сырья К п : К=Р1/Р2; где Р 1 и Р 2 - соответственно масса сырья до и после набухания. Поглощающая способность сырья, находится в прямой зависимости от степени его измельчения. 11. Коэффициент вымывания. Он характеризует степень разрушенных клеток в измельченном сырье. Если он низкий, это значит, что в сырье мало разрушенных клеток, экстрагирование идет медленно и определяется в основном скоростью молекулярной диффузии . За величину коэффициента вымывания принимают количество веществ в вытяжке , полученное из определенной навески сырья, при определенном соотношении (сырье - экстрагент ) при экстрагировании сырья в течение одного часа при определенной скорости перемешивания. 12. Воздействие вибраций, пульсаций, измельчения и деформации сырья в среде экстрагента. Использование методов экстрагирования , в которых имеют место вибрации , пульсации, измельчения и деформация в среде экстрагента позволяет значительно увеличить скорость и полноту экстрагирования из сырья. Объясняется это тем, что: 1)При интенсивном воздействии на твердые частицы появляются сильные турбулентные течения , гидродинамические микропотоки, способствующие переносу масс, растворению веществ. Такое явление отмечается как снаружи твердых частиц, так и внутри них. В результате достигается интенсивное перемешивание даже внутри отдельных клеток. 2). При интенсивном колебании частиц сырья в местах трения происходит локальное повышение температуры, уменьшение вязкости экстрагента , а следовательно, увеличение коэффициента внутренней диффузии .3). В результате увеличения турбулентности , нарушения структуры прилегающих слоев, пограничный диффузионный слой, истощается или же будет иметь предельно малую толщину.4). Следствием интенсивных колебаний является чередование зон сжатия и растяжения. При этом в момент растяжения в экстрагенте образуются полости разрыва жидкости ( кавитационные зоны), которые захлопываются с силой в несколько сот атмосфер. Положительным качеством этого процесса является диспергирование частиц, приводящее к увеличению межфазной поверхности.В результате появления турбулентного перемешивания как внутри, так и снаружи клеток молекулярно-кинетическое движение заменяется конвективным, что позволяет поддерживать разность концентраций в зоне соприкосновения фаз на высоком уровне. 13. Воздействие электроимпульсных разрядов. При экстрагировании с помощью электрических разрядов ускоряется процесс извлечения БАВ потому, что из-за искрового разряда в сырье происходит микровзрыв, разрывающий клеточные структуры материала. Процесс извлечения протекает быстрее за счет вымывания экстрактивных веществ и пульсации, увеличивающих скорость движения экстрагента . Возникающие в жидкости колебания сокращают время экстрагирования и повышают выход биологически активных веществ Интенсификация процесса экстрагирования: Она направлена на изменение гидродинамических условий процесса, которых обуславливает преимущество конвективной диффузии в процессе экстракции. С целью повышения эффективности экстрагирования его проводят в турбулентном потоке при вибрации, пульсации через слой с применением ультразвука, электрической обработки материала и др. способов. Турбоэкстракция (вихревая)основана на интенсивном перемешивании и одновременном измельчении сырья с помощью быстроходных мешалок с острыми лопастями и экстрагентом. Скорость вращения таких мешалок 4000-15000 об/мин, при таких условиях экстракции неподвижный слой экстрагента практически исчезает, конвективная экстракция протекает мгновенно. Скорость экстракции сокращается до нескольких минут. Экстрагирование с помощью роторно-пульсационного аппарата – основано на циркуляции экстрагента и одновременном извлечении сырья. При этом возникает турбализация и пульсация потока сырья и экстрагента. Экстрагирование с применением ультразвука– источник ультразвука помещают в обработанную среду в экстракторе. УЗ-волны создают коветацию, ускоряется пропитка сырья и экстрагента и растворение экстрактивных веществ в клетках растительного материала. Вихревые потоки, в результате пограничный диффузный слой экстрагента приобретает турбулентные вихревые движения. В результате чего молекулярная диффузия практически меняется на конвективную. Кроме того, коветация разрушает клеточные структуры, увеличивается выход экстрактивных веществ из ЛРС. При использовании УЗ вытяжки можно получить в течение нескольких минут. В связи с тем, что возможна ионизация молекул ДВ, изменение их свойств, УЗ требует предварительного исследования.Экстрагирование с помощью электрических разрядовОснова: внутри экстрагента устанавливают электроды, к которым поступает интенсивный ток высокой и ультравысокой частоты, отчего в экстрактивной смеси возникают ударные волны.Вся смесь интенсивно перемешивается. Последовательно исчезает пристеночный слой. Под действием ударной волны – увеличивается способность проникновения экстрагента внутрь клеток, где образуется внутриклеточная диффузия. Кроме того, в результате искрового разряда, в жидкости образуются каверны, которые, расширяясь, достигают Vmaxи захлопываясь, разрушают клеточные структуры, интенсивно вытесняя вещества из клеток 77 Промышленные методы экстрагирования – мацерация, перколяция, реперколяция. Способы интенсификации. Аппаратура для экстрагирования. В фармацевтической промышленности используются следующие методы: мацерация, ремацерация, перколяция, реперколяция, противоточное и циркуляционное экстрагирование. Их классифицируют на статические и динамические. В первом случае экстрагент поступает на сырье периодически, а вытяжку получают за один или несколько приемов. В динамических методах сырье и экстрагент загружают периодически, а сливают извлечение непрерывно или загрузка сырья, экстрагента и получение вытяжки идут непрерывно. Мацерация относится к статическим методам экстрагирования. Заключается в настаивании в мацерационном баке необходимого для получения настойки количества материала с прописанным объемом экстрагента при комнатной температуре в течении 7 суток (если в НТД нет других указаний). С периодическим перемешиванием мешалкой. После этого сырье отжимают и замеряют объем полученной вытяжки. Поскольку часть экстрагента удерживается в шроте, его промывают чистым экстрагентом в количестве, равном оставшемуся в сырье, повторно отжимают и обе порции извлечения объединяют. Если полученная вытяжка не соответствует заданному объему готового продукта, то добавляют чистый экстрагент. Метод малоэффективен. Растительный материал большую часть времени находится в неподвижном состоянии. Процесс протекает медленно, так как выравнивание концентраций веществ внутри растительной клетки и во внешнем слое экстрагента идет в основном за счет молекулярной диффузии. Велики потери на диффузии. Поэтому в данном варианте метод применяется крайне редко:при экстрагировании свежего растительного сырья и для получения настоек из материала, не имеющего клеточной структуры. С целью интенсификации процесс ведут при постоянном перемешивании мешалками или во вращающихся мацерационных балках-турбулах время экстрагирования при этом можно сократить в несколько раз. Процесс мацерации часто сопровождается циркуляцией экстрагента. После настаивания сырья полученную вытяжку с помощью центробежного насосавозвращают на сырье и вновь настаивают циркуляция экстрагента приводит к более быстрому выравниванию концентраций, т. е. к завершению процесса экстрагирования. Перколяция относится к динамическим методам, заключается в пропускании через сырье непрерывного потокаэкстрагента, т. е. представляет собой процесс его фильтрования через слой растительного материала. Экстрагирование осуществляется в емкостях различной конструкции, называемых перколяторами. Они могут быть цилиндрической и конической формы, с паровой рубашкой или без нее, опрокидывающиеся и саморазгружающиеся, сделанные из нержавеющей стали, алюминия, меди и др. сверху перколяторы закрывают крышкой, имеющей один или несколько патрубков для ввода экстрагента, вывода отработанного пара из паровой рубашки. Внизу – со спускным краном. Перколяторы имеют ложное дно, на которое помещается фильтрующий материал(мешковина, полотно ит.д.) и загружается сырье. Цилиндрические перколяторы удобна в работепри загрузке и выгрузке сырья, конические – обеспечивают более равномерное экстрагирвание и получение за тот же период вытяжки, более обогащенной действующими веществами. Метод перколяции включает три стадии: 1)намачивание рекомендуется проводить вне перколятора 9в мацерационном баке)половинным или равным количеством экстрагента по отношению к массе сырья в течении 4-5 ч без перемешивания. За счет капиллярных сил экстрагент проникает между кусками растительного материала и внутрь клетки, происходит так называемая капиллярная пропитка.сырье набухает со скоростью, зависящей от свойств материала и природы экстрагента. В производственных условиях намачивание проводится не всегдаи может быть объединено с настаиванием. Однако, в том случае, когда сырье способно сильно набухать, стадию намачивания опускать не рекомендуется, так как достигается равномерная загрузка сырья в перколятор, исключается возможность образования воздушных полостей, которые препятствуют прохождению экстрагента. 2)настаивание. Набухший или сухой материал загружают в перколятор на ложное дно достаточно плотно, чтобы в сырье оставалось как можно меньше воздуха. Сверху растительный материал покрывают куском полотна и приживают перфорированным диском. Экстрагентом заливают сырье. Его подают в перколятор сверху или снизу непрерывным потоком. Как только экстрагент начинает вытекать в приемник, кран перколятора закрывают, а экстрагент возвращают на сырье в экстрактор. После этого в перколятор добавляют чистый экстрагент до «зеркала», толщина которого должна составлять 30-40 мм(тем самым предотвращает попадание воздуха в сырье, выдерживают 24-48часов – мацерационная пацза. В результате молекулярной диффузии экстрагируемые вещества переходят в экстрагент. Для некоторых видов сырья стадия настаивания не является обязательной, ею можно пренебречь, если растительный материал прошел стадию намачивания. 3)Собственно перколяция перколяция — непрерывное прохождение экстрагента через слой сырья и сбор перколята. У перколятора открывают кран, а на сырье непрерывно с постоянной скоростью подают экстрагент. Концентрированный сок вытесняется из растительного материала током свежего экстрагента. Скорость поступления экстрагента на сырье должна быть равна скорости перколирования. Отмечаются два периода экстрагирования. Сначала вытекает более концентрированный сок, содержащий экстрактивные вещества, вымываемые из разрушенных клеток, так называемая быстротекущая перколяция, затем процесс продолжается за счет внутренней диффузии. Перколирование заканчивается получением вытяжки за один прием(при приготовлении настоек, густых и сухих экстрактов) или в два приема(жидкие экстракты). Экстрагирование продолжают до полного истощения материала. |