технология лек 2. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 5.32 Mb.
|
|
???????? ?????????? ??????? ?? ? ?????????? ?????, ?????? ??? ?????????? Для глобулярных белков можно использовать закон Стокса в применении к сопротивлению сферы частицы, имеющей радиус r p и движущейся в ньютоновской жидкости с вязкостью µ c : , 6 e c p U r µ ? = ?? ? ? ?? ? ? ??????? ?? ? ?????????? ?????, ?????? ??? c????????? так, что 6 p c e r qE U ?µ = Поскольку в общем случае каждый белок имеет свой собственный, только ему результирующий заряд, то наложение электрического поля приводит к тому, что разные белки движутся с разными скоростями. Таким путем смесь нескольких белков можно разделить на индивидуальные компоненты. Посредством изменения рН можно регулировать электрофоретическую подвижность белка. Если pl данного белка меньше рН среды, то его заряд и скорость будут отрицательными. Напротив, белки с pl > рН будут двигаться в положительном направлении. Этот принцип положен в основу одного из методов определения pl белков и других веществ; в градиенте рН pl белка равна рН, при котором его электрофоретическая подвижность U e равна нулю. В методе электрофореза в потоке жидкая фаза двигается перпендикулярно направлению электрического поля, что позволяет осуществлять непрерывное разделение. При электро- форезе в геле на движение молекул БАВ влияют процессы адсорбции и десорбции, а также сопротивление диффузии. 8.9. Кристаллизация Процесс образования и роста кристаллов из растворов и газовой фазы называют кристаллизацией. Обычно вещества имеют строго определенную кристаллическую решетку, за исключением полиморфных веществ. Ряд веществ образуют кристаллогидраты, 198 причем количество включенных молекул воды зависит от тем- пературы. Для образования кристаллов из растворов необходимо пересыщение, определяемое разностью исходной концентрации a n и равновесной концентрации насыщения (предельной раствори- мости А n ). Кристаллизация происходит, когда переход вещества из жидкого в твердое состояние сопровождается уменьшением свободной энергии системы ?, т. е. ?? = ( ?V/M)•(? 2 – ? 1 ) + ?F < 0, где ? — плотность зародыша кристалла; V и F — его объем и поверхность; М — его молекулярная масса; ? 2 и ? 1 — химические потенциалы исходной и новой фаз; ? — межфазное поверхностное натяжение. Для получения крупнокристаллического порошка кристалли- зацию ведут при малом пересыщении, в раствор вводят затравочные кристаллы, мелкие кристаллы удаляют в процессе кристаллизации, кристаллический продукт повторно обрабатывают в насыщенном растворе (при этом мелкие кристаллы растворяются), вводят в раствор посторонние примеси, повышают температуру (ограниченно). Методы кристаллизации: выпаривание растворителя (изотермический), охлаждение горячих растворов (изогидрический), одновременное охлаждение и выпаривание (комбинированный), добавление в раствор других веществ, снимающих растворимость (высаливание), вымораживание. Схемы кристаллизации: однократная (с полным возвратом маточного раствора и периодически полным сливом, с частичным его возвратом, с частичным возвратом после дополнительного упа- ривания и кристаллизации), двукратная с такими же манипуляци- ями маточным раствором, причем на слив дают маточный раствор после первого кристаллизатора, а после второго — насыщенный маточный раствор возвращают в первый кристаллизатор. В фармацевтической промышленности кристаллизацией выделяют твердые вещества из их растворов, разделяют смеси веществ на фракции и очищают их от примесей. Для очень глубо- кой очистки термолабильных веществ следовало бы использовать зонную плавку, для разделения эфтетических расплавов или веществ с низкими коэффициентами распределения — экстрак- ционную кристаллизацию. При разделении эфтетических и азео- тропных расплавов целесообразно сочетать процессы кристалли- зации и ректификации. 8.10. Экстракция в системах жидкость—жидкость В основе жидкостной экстракции лежит переход вещества из одной жидкости (раствора) в другую, не смешивающуюся с первой. 199 В результате взаимодействия экстрагента с исходной жид- костью получают экстракт-раствор извлеченных веществ и рафи- нат — остаточный исходный раствор, обедненный извлекаемыми веществами и содержащий некоторое количество экстрагента. Переход веществ происходит при наличии разности концентрации между жидкими фазами по закону равновесного распределения между жидкими фазами до динамического равновесия между ними. Согласно этому закону отношение равновесных концентра- ций распределяемого между двумя жидкими фазами вещества есть величина постоянная (для данной температуры), называемая коэффициентом распределения: x V W = , где V и х — равновесные концентрации распределяемого вещества в экстракте и рафинате, %. Процесс экстракции в системах жидкость—жидкость состоит из следующих стадий: смешивание исходного раствора с экстра- гентом для создания между ними тесного контакта, разделение двух несмешивающихся жидких фаз, регенерация экстрагента, т. е. удаление его из экстракта (раствора) и рафината. Жидкостная экстракция может быть ступенчатой и непрерывной . Ступенчатая экстракция делится на одноступен- чатую, которая проходит в одном аппарате, многоступенчатую — экстракция протекает в нескольких аппаратах. Многоступенчатая экстракция может быть прямоточной и противоточной. В промышленности применяют разнообразные технологи- ческие схемы экстракционных процессов. Аппараты для жидкост- ной экстракции работают по принципу механического перемеши- вания и гравитации. Аппараты, работающие по принципу механи- ческого перемешивания, — это колонны с мешалкой и центробеж- ные экстракторы, использующие центробежную силу для смешива- ния и разделения фаз. В гравитационных аппаратах используется разность плотностей растворителей. Принцип гравитации лежит в основе работы различных насадочных колонн, с ситчатыми та- релками, колонного типа, распылительных и других конструкций. 8.11. Одноступенчатая экстракция После смешивания первичной вытяжки с экстрагентом, смесь разделяется в отстойнике на рафинат и экстракт с концентрациями экстрагируемого вещества — соответственно х и у. Материальный баланс процесса в случае взаимной нерастворимости исходного растворителя (W) и экстрагента (D) изображается в диаграмме у—х (рис. 8.4) прямой АВ, точки которой соответствуют 200 концентрациям экстракта и рафината на различных стадиях процесса. Рис. 8.4. Схема и изображение процесса однократной экстракции: 1 — смешивание; 2 — расслаивание вещества Так как максимальная разделительная способность одноступенчатой экстракции ограничена одной теоретической ступенью равновесия, то при ее использовании достигается лишь ограниченное извлечение. Наиболее эффективны непрерывные процессы экстрагирова- ния, осуществляемые в многоступенчатых аппаратах при противотоке исходного раствора. В этом случае наиболее полно используется движущая сила процесса массообмена, а заданная степень экстрагирования достигается при наименьшем расходе экстрагента. Схема простейшего процесса в случае взаимной нерастворимости исходного растворителя и экстрагента приведена на рис. 8.5. Здесь число теоретических ступеней равновесия определяется ступенчатым построением между кривой распре- деления и рабочей линией, уравнение которой определяется из материального баланса. По длине аппарата неизменяющиеся потоки исходного раствора и экстрагента двигаются навстречу друг другу. Исходный раствор (х n ) истощается и концентрация экстрагируемого вещества увеличивается в рафинате (у), выходящем из колонны, имеющей несколько ступеней n. Каждая ступень является порогом, где происходит отдача экстрагируемого вещества из исходного раствора в экстрагент. При экстракционном разделении нескольких компонентов (А, В,…), особенно при их близкой растворимости, часто исполь- зуется экстрагирование с двумя экстрагентами, при котором исход- ная смесь поступает в среднюю часть колонны, а экстрагент — в нижнюю. В этом процессе компонент А переходит в фазу одного 201 экстрагента, а компонент В — в фазу другого. Некоторые конструкции многоступенчатых аппаратов для непрерывной противоточной экстракции схематически изображены на рис. 8.6. Эффективность этих аппаратов обычно оценивается КПД отдель- ных ступеней или высотой (длиной). Рис. 8.5. Схема процесса непрерывной противоточной экстракции: 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7 — контактные устройства экстракционной колонны; x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 — концентрация извлекаемого вещества в исходном растворе; y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , y 5 — концентрация извлекаемого вещества в экстрагенте; x 0 и y 0 — начальная концентрация извлекаемого вещества в исходном растворе и экстрагенте; W и D — массовые потоки исходного раствора и экстрагента ступеней равновесия определяется ступенчатым построением между кривой распределения и рабочей линией, уравнение которой определяется из материального баланса процесса Рис. 8.6. Схемы экстракционных колонн: а — распылительная колонна; б — колонна с ситчатыми тарелками; в — насадочная колонна; г — роторно-дисковой экстрактор; д — колонна с чередующимися смесительными и отстойными насадочными секциями (колонна Нейбелля); 1 — колонна; 2 — распылители; 3 — ситчатая тарелка; 4 — переливные трубы; 5 — насадка; 6 — распылители; 7 — вал; 8 — плоский ротор; 9 — кольцевые перегородки; 10 — мешалки; 11 — насадка; л. ф. — легкая фракция, т . ф. — тяжелая фракция 202 Для того чтобы получить устойчивые эмульсии, используются конструкции, способные обеспечить сильное эмульгирование. Целесообразно использовать аппараты, в которых достигается хороший контакт фаз зa счет контакта без их эмульгирования. Выгодно использовать конструкции различных модификаций, с тем чтобы каждая ступень была на порядок выше (рис. 8.6). Распылительный экстрактор а — это полая колонна, заполненная одной из жидкостей — сплошной фазой — тяжелой жидкостью. Для создания большей поверхности контакта фаз другая жидкость распыляется при помощи распределительного устройства в сплошной фазе. На определенном уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделенный от сплошной фазы поверхностью раздела. Иногда сверху и снизу экстракционная колонна расширена, что способствует лучшему отстаиванию фаз. Из этого распылительного экстрактора жидкость поступает в колонну с ситчатыми тарелками б для перетока сплошной фазы. В колонне при помощи специального механизма (пульсатора) жидкости сообщаются колебаниями небольшой амплитуды и определенной частоты. В качестве пульсатора используют бесклапанный поршневой насос, присоединенный к днищу колонны. При пульсировании происходит тонкое диспергирование одной из фаз, что обусловливает интенсивную массопередачу. Таким образом, идет равномерное и постепенное разделение фаз в чередующихся колоннах различных модификаций. Следующая колонна, в которую поступает жид- кость — насадочная в. Внутри она заполнена насадкой, сверху и снизу находятся распылители, подающие две несмешивающиеся жидкости. Сверху поступает тяжелая фракция, а снизу легкая, движущиеся навстречу друг другу. Насадка предназначена для создания поверхности контакта фаз. Жидкости сливаются и образуется дисперсная фаза, отделенная от тяжелой фракции поверхностью насадки. Легкая фракция переходит через сплошную фазу, образуя дисперсный слой, который задерживается на насадке. Фракции, пройдя друг через друга, поступают в роторно-дисковой экстрактор г, где происходит дальнейшее экстрагирование. Роторно- дисковая колонна имеет вал, на котором расположены плоские роторы. На стенках колонны находятся кольцевые перегородки. В таких колоннах для уменьшения обратного перемешивания и для турбулизации потоков фаз установлены насадки-перегородки в виде тарелок или колец. При движении ротора вала и ротора контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперс- ной фазой в виде тонкой пленки (коалесценции капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегород- ками. При контакте тяжелая фракция стекает вниз, а дисперсная фаза остается на перегородках-кольцах. Дальнейшее экстрагирование происходит в колонне с чередующи- мися смесительными и отстойными насадочными секциями д. Колонна имеет насадки, чередующиеся с мешалками, предназна- ченными для смешивания фаз под действием центробежной силы. 203 На горизонтальном валу вращаются насадки. Контактируемые жидкие фазы подаются с помощью насосов через вал по каналам. Тяжелая жидкость подводится к периферии насадки. Жидкости движутся противотоком, они многократно смешиваются при истечении через отверстия в перегородке, и разделяются под действием центробежных сил. Рафинат и экстракт удаляются также через обособленные каналы вала. Аппараты этого типа отличаются высокой интенсивностью разделения. Такие аппараты, применяемые в многотоннажном производ- стве, обладают высоким КПД ступени (90%). Диаметр их достигает 6 м, высота — 4 м, а производительность превышает 100 м 3 /ч. Как мы видим, колонны имеют разный принцип действия. В гравитационных аппаратах происходит экстрагирование за счет разностей плотностей двух несмешивающихся жидкостей. К таким аппаратам относятся насадочные колонны, распылительные колонны и колонны с ситчатыми тарелками. Следующие два экстрактора работают по принципу механи- ческого перемешивания, за счет центробежной силы идет смешивание и разделение фаз. Это роторно-дисковой экстрактор и колонна с чередующимися смесительными и отстойными секциями. Значительное распространение получили ящичные экстрак- торы (рис. 8.7), представляющие собой разновидность смесительно- отстойных аппаратов. В этих аппаратах вертикальными перегородками отделены ступени, каждая из которых состоит из смесительной и отстойной камер. В каждой ступени движение фаз прямоточное, а по аппарату в целом — противоточное. Транспортировка жидкостей из ступени в ступень осуществляется турбинными мешалками. Такие смеси- тельно-отстойные экстракторы могут работать с любым соотноше- нием раствора и экстрагента, сохраняя рабочее распределение концентраций в ступенях при остановках. Смеси- тельно-отстойные экст- ракторы, особенно ящи- чные, можно собирать в батареи, состоящие прак- тически из любого числа ступеней, что делает их весьма перспективными при экстрагировании трудноразделимых ком- понентов. Отдельные сек- ции этих аппаратов могут использоваться для одно- кратной периодической и непрерывной экстракции, а группы их — для пере- крестной. Рис. 8.7. Ящичный экстрактор: 1 — камера смешивания; 2 — жалюзийная перегородка; 3 — отстойная камера; 4 — граница раздела фаз; 5 и 6 — резьбовые трубки с перекрывающимися окнами; 7 — рециркуляционная труба; 8 — всасывающий коллектор; 9 — турбинная мешалка 204 В химико-фармацевтической промышленности широко применяют разнообразные центробежные экстракторы, в которых смешивание и разделение жидкостей происходит в поле центробежных сил. Рабочий орган некоторых экстракторов (ротор) состоит из набора перфорированных цилиндров или спиральных лент. Эти машины обеспечивают высокую производительность (до 120 м/ч при диаметре ротора 1,2 м). Устройство трубчатого центро- бежного экстрактора представлено на рис. 8.8. Цилиндрический барабан 3 имеет скорость вращения 1500— 5000 об/мин. Внутри барабан разделен перфорированными перегородками 7 на ряд экстракционных II, IV, VI и сепарационных I , III, V, VII участков. Жидкости поступают в барабан по обособленным каналам, проходящим внутри неподвижного цилиндра 4. Тяжелая жидкость подается по каналу 2 в нижний экстракционный участок VI, легкая — по каналу 6 в верхний экстракционный участок II. Двигаясь в барабане противотоком, жидкости многократно перемешиваются, проходя между неподвижными перфорированными дисками 5, закрепленными на цилиндре 4. Эмульсия, образовавшаяся при этом, предварительно расслаивается при прохождении через перфорированные отбойные перегородки 7, которые сделаны в виде нескольких дисковых или конусных тарелок. Окончательное разделение фаз происходит под действием центробежной силы в сепарационных участках. Жидкие фазы (экстракт и рафинат) удаля- ются из экстрактора через обособ- ленные каналы: легкая — через верхний кольцевой слив 8, тяже- лая — через нижний 1. В некоторых производствах (антибиотики) такие аппараты, обеспечивая весьма незначитель- ное время контакта фаз, являются незаменимыми; кроме того, такие экстракторы применяются при очень малой разности в удельном весе обоих фаз, при образовании стойких эмульсий и др. Применяемые ранее распыли- тельные колонны, механический, горизонтальный экстрактор с вращающейся насадкой, показали их неудобство в работе (частые промывки экстрактора, негер- Рис. 8.8. Схема трубчатого центробежного экстрактора 205 метичность установок, необходимость строгого и постоянного контроля). Предложенный центробежный экстрактор много- ступенчатый (применяемый ранее в ядерном военном производстве) очень компактен, высокоэффективен, малометаллоемкий, мало- энергоемкий. Не дает эмульсий, очень легко увеличивается степень извлечения введением дополнительных ступеней. Рассмотрим принцип действия центробежного многоступенча- того экстрактора на примере приготовления фламина (рис. 8.9). Рис. 8.9. Схема многоступенчатой центробежной экстракции: 1 , 2, 3, 4, 5, 6 — центробежные экстракторы Каждый экстрактор установки имеет камеру смешивания и камеру разделения (ротор). В камере смешивания с помощью мешалки идет экстракция действующих веществ. В роторе происходит разделение водной среды и этилацетатно-спиртовой смеси за счет разности плотностей под действием центробежных сил. После разделения растворы поступают в следующую ступень. Подача растворов в установку осуществляется по принципу противотока. Водный концентрат фламина поступает в установку через ротаметр на последнюю 6 секцию и заполняет всю установку. А в секцию 1 подают этилацетатно-спиртовую смесь, тоже через ротаметр. Пройдя последовательно все стадии установки, |