технология лек 2. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 5.32 Mb.
|
|
74 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 полупро- ницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В данном 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 нее 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. 5.3. Стадии процесса экстрагирования и их количественные характеристики В процессе экстрагирования происходит массопередача, характеризуемая переходом одного или нескольких веществ из одной фазы (сырья) в другую (экстрагент). Массопередача из сырья с клеточной структурой — сложный процесс, в котором можно выделить три стадии: 1) «внутренняя диффузия», включающая все явления переноса веществ внутри частиц сырья; 2) перенос вещества в пределах непосредственно диффузионного пограничного слоя; 3) перенос вещества движущимся экстрагентом (конвектив- ная диффузия). На первой стадии экстрагирование из обезвоженного сырья с клеточной структурой начинается с проникновения экстрагента в материал, смачивания веществ, находящихся внутри клетки, растворения и десорбции их. Далее следует молекулярный перенос растворенных веществ, вначале в экстрагент, находящийся в меж- клеточном пространстве, затем в экстрагент, заполняющий микро- и макротрещины, и наконец, на поверхность кусочков материала. 75 Представим в виде схемы (рис. 5.1) частичку материала, нахо- дящуюся в экстрагенте, и обозначим среднюю концентрацию экст- рагируемых веществ внутри частицы С 1 , а на ее поверхности — С 2 Рис. 5.1. Частичка сырья в экстрагенте Тогда количество продиффундировавшего вещества из внутренних структур частицы на ее поверхность (первая стадия) пропорционально его коэффициенту внутренней диффузии D вн , поверхности частицы материала F, времени ?, разности концентрации внутри частицы С 1 и на ее поверхности С 2 , обратно пропорционально размеру частиц растительного сырья l и может быть записано в виде уравнения: , 2 1 ? ? ? = l C C F D S ?? (5.3) где S — количество продиффундировавшего вещества, кг; D вн — коэффициент внутренней диффузии, м 2 /с; F — поверхность раздела фаз, м 2 ; l — толщина частицы материала, через которую диффунди- руют вещества, м; ? — время диффузии, с; С 1 , С 2 — концентрация вещества, кг/м 3 На второй стадии идет диффузия веществ от поверхности частицы (концентрация С 2 ) к наружной поверхности диффузион- ного пограничного слоя (концентрация С 3 ). В настоящее время общепризнанно существование на поверхности кусочков сырья пристенного слоя, экстрагента, называемого диффузионным пограничным слоем. Пограничный диффузионный слой оказывает большое сопротивление дальнейшему переносу экстрагируемых веществ в экстрагент. Толщина этого слоя зависит от гидро- динамики процесса и, в основном, от скорости перемешивания экстрагента. Чем больше скорость перемешивания, тем меньше толщина пограничного слоя. В пределах диффузионного погра- ничного слоя перенос веществ осуществляется по закону свободной 76 диффузии и может быть записан в виде первого закона Фика: , 3 2 ? ? ? = d C C F D S (5.4) где d — толщина диффузионного пограничного слоя, м. Далее, на третьей стадии процесса экстрагирования перенос действующих веществ осуществляется за счет движения экстра- гента (конвективная диффузия). Если обозначить среднюю кон- центрацию экстрагента в объеме, омывающем частичку, через С 4 , то количество вещества, перенесенного в экстрагент за счет конвективной диффузии, может быть вычислено из уравнения: S = ? · F · (C 3 – C 4 ) · ?, (5.5) где ? — коэффициент конвективной диффузии (м/с), который тем выше, чем интенсивнее перемешивание. Обычно коэффициент конвективной диффузии ? во много раз больше коэффициента молекулярной диффузии D. Суммарный процесс переноса вещества из частицы материала в экстрагент выражается основным уравнением массопередачи: S = K · F · (C 1 – C 4 ), (5.6) где K — коэффициент массопередачи (м/с), который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения: 1 1 ? + + = D d D l K ?? (5.7) Анализ уравнений (5.1—5.7) показывает, что процесс экстрагирования зависит от многих факторов, основные из которых: гидродинамические условия, поверхность раздела фаз, разность концентраций, продолжительность процесса, вязкость экстрагента, температура. Кроме того, на полноту и скорость извлечения влияют: добавка поверхностно-активных веществ, характер загрузки сырья, выбор экстрагента, пористость и порозность сырья, коэффициент вымывания, воздействие вибра- ций, пульсаций, электроимпульсный разряд в жидкой среде, измель- чение и деформация сырья в экстрагенте. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов. 5.4. Основные факторы, влияющие на полноту и скорость экстрагирования Гидродинамические условия. Коэффициент массопередачи K определяется из уравнения (5.7), включает коэффициенты всех видов диффузии и может изменяться в зависимости от гидродинамических условий процесса. Так, при отсутствии 77 конвекции, т. е. без перемешивания коэффициент конвективной диффузии ? 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, и имеет вид: 1 D D l K ? + = ?? (5.8) Такое явление наблюдается при мацерации (настаивании) без перемешивания. Этот способ экстрагирования самый продолжи- тельный. В том случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью , коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех стадий процесса и имеет вид уравнения (5.7). Скорость этого способа экстракции выше, так как 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 (5.7) 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 и имеет вид: 1 ?? D l K = (5.9) Такой вид зависимости для коэффициента массопередачи справедлив для вихревой экстракции и экстрагирования с приме- нением 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 примене- нием ультразвука, с помощью электрических зарядов с использо- 78 ванием электроплазмолиза и электродиализа. В этих случаях появляется возможность влиять на коэффициент внутренней диффузии D вн , что позволяет значительно ускорить процесс экстра- гирования на самой его медленной стадии. 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 другие 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 будут сохраняться кле- точная структура и преобладать диффузионные процессы, экстра- гирование замедлится, но полученная вытяжка будет содержать меньше механических примесей и легче очищаться. 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. Время (продолжительность) экстрагирования. Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, пpодиффундиpовавшего чеpез некотоpый слой, пpямо пpопоpцио- нально вpемени 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). 79 Вязкость экстрагента. По закону Фика количество pаство- pенного вещества, пpодиффундиpовавшего чеpез некотоpый слой экстpагента, обpатно пpопоpционально вязкости этого экстpагента пpи данной темпеpатуpе. Следовательно, менее вязкие растворы обладают большей диффузионной способностью. Для уменьшения вязкости при экстрагировании растительными маслами исполь- зуют 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.). Температура. Как видно из фоpмулы (5.1), 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. Как было указано выше, 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. Добавка поверхностно-активных веществ (ПАВ). Экспери- ментально установлено, что добавление небольших количеств ПАВ (0,01—0,1%) улучшает процесс экстрагирования. При этом увеличивается количество экстрагируемых веществ — алкалоидов, гликозидов, эфирных масел и других, 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 80 облегчая проникновение экстрагента. Кроме того, существенную роль играет солюбилизирующая способность ПАВ. Выбор 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; доступность. Выбор экстрагента определяется степенью гидрофильности извлекаемых веществ. Для экстрагирования полярных веществ с высоким значением диэлектрической постоянной используют полярные растворители: воду, метанол, глицерин; для неполяр- ных — 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 экстрагиро- вания различных биологически активных веществ. Кроме этанола из малополярных растворителей применяют ацетон, пропанол, бутанол. 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 сма- чивания и набухания материала. Скорость набухания возрастает при предварительном вакуумировании сырья, а также при повы- шении давления и температуры. Пористость и порозность сырья обусловливают его поглощающую способность, которая характеризуется коэффици- ентом поглощения сырья K П : , 1 2 P P K = ? (5.10) где Р 1 и Р 2 — масса сырья соответственно до и после набухания. Поглощающая способность сырья находится в прямой зависимости от степени его измельчения. 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 молекуляр- ной 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 определен- ной скорости перемешивания. Воздействие вибраций, пульсаций, измельчения и деформации сырья в среде экстрагента. Использование методов экстрагиро- 81 вания, 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 экстра- генте образуются полости разрыва жидкости (кавитационные зоны), которые захлопываются с силой в несколько сот атмосфер. Положительное качество этого процесса — диспергирование частиц, приводящее к увеличению межфазной поверхности. В результате появления турбулентного перемешивания как внутри, так и снаружи клеток молекулярно-кинетическое движе- ние заменяется конвективным, что позволяет поддерживать разность концентраций в зоне соприкосновения фаз на высоком уровне. Воздействие электроимпульсных разрядов. При экстрагирова- нии 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. |