1.1 Конспект к тематическому блоку (5). Занятие Теоретические основы экстрагирования. Теоретические основы экстрагирования
 Скачать 275.54 Kb.
|
|
Занятие № 1. Теоретические основы экстрагирования. Теоретические основы экстрагирования Большинство галеновых, новогаленовых, препаратов индивидуальных веществ из растительного и животного сырья получают способом экстрагирования. В основе экстрагирования лежат диффузионные (массообменные) процессы, основанные на выравнивании концентраций биологически активных веществ (БАВ) в растворителе (экстрагенте) и внутри клетки. По механизму массопереноса различают два вида диффузии: молекулярную и конвективную. Молекулярная диффузия - это процесс, основанный на взаимном проникновении хаотически движущихся молекул жидких или газообразных веществ, граничащих друг с другом и находящихся в состоянии макроскопического покоя. Движущей силой диффузионного процесса является разность концентраций растворенных веществ в граничащих жидкостях или газах. Скорость молекулярной диффузии зависит от радиуса диффундирующих молекул, вязкости раствора и температуры. Математическое выражение процесса молекулярной диффузии представлено уравнением Фика, которое показывает зависимость скорости диффузии dm/dt (м 2 /с) от коэффициента диффузии D (м 2 /с), площади поверхности, через которую проходит диффузия S (м 2 ) и градиента концентрации dc/dx: dm dc = - DS dt dx Коэффициент диффузии D показывает количество вещества (кг), продиффундировавшего за 1 с через поверхность в 1 м 2 при разности концентрации, равном 1 кг/м 3 . Знак (-) показывает направление процесса в сторону уменьшения концентрации (из клетки). Математически коэффициент диффузии выражается уравнением Эйнштейна: А rN RT D 6 , где R - универсальная газовая постоянная, 8,32 Дж/град моль; Т - температура, К; - вязкость среды, н/с м 2 ; N А - число Авогадро, 6,02 10 23 ; r – радиус диффундирующих частиц, м. Таким образом, чем меньше радиус диффундирующих частиц, меньше вязкость среды и выше температура, тем выше скорость молекулярной диффузии. Скорость диффузии также возрастает с увеличением поверхности, разделяющей вещества , с уменьшением толщины слоя, через который диффундируют вещества и с увеличением продолжительности процесса. Конвективная диффузия - это процесс, основанный на массопереносе вещества в небольшом объеме растворителя в турбулентном потоке. Математическое выражение скорости диффузии представлено уравнением: dx dc S dt dm где - коэффициент конвективной диффузии, показывающий, какое количество вещества передается через 1 м 2 поверхности фазового контакта в воспринимающую среду в течение 1 с при разности концентрации между слоями, равной 1 кг/м 3 .Скорость конвективной диффузии возрастает с увеличением поверхности контакта фаз, разности концентраций и продолжительности процесса. При конвективной диффузии размер молекул диффундирующего вещества, вязкость растворителя становятся второстепенными факторами, а главными факторами, влияющими на скорость диффузии, становятся гидродинамические условия : скорость и режим движения жидкости. Скорость конвективной диффузии во много раз выше скорости молекулярной диффузии. Экстрагирование растительного сырья. Разобранные положения относятся к свободной молекулярной диффузии, т.е. к такому случаю, когда между соприкасающимися жидкостями нет никаких перегородок. Процесс извлечения БАВ из лекарственного растительного сырья имеет ряд особенностей, связанных со строением растительной клетки. Мембрана живой растительной клетки имеет свойства полупроницаемой перегородки, пропускающей растворитель (экстрагент) внутрь клетки, но не пропускающей образующийся раствор (клеточный сок) обратно в межклеточное пространство. Этот процесс называется осмосом. С целью разрушения клеточной оболочки свежее растительное сырье необходимо тщательно измельчить путем раздавливания на специальных машинах. При высушивании или обезвоживании (спиртом, ацетоном) сырья клеточные мембраны теряют полупроницаемость и приобретают свойства пористой перегородки, а процесс экстрагирования приобретает характер диализа. Экстракционные препараты из растительного сырья (настойки, экстракты и т.д.) обычно получают из высушенного сырья. Процесс экстрагирования высушенного растительного сырья состоит из следующих стадий: - смачивание сырья и проникновение экстрагента внутрь клетки; - десорбция веществ, находящихся в клетке и растворение их в экстрагенте; - диффузия содержимого клетки через клеточные мембраны; - массопередача растворенных веществ от поверхности сырья в экстрагент; - перенос веществ в движущемся слое экстрагента. Смачивание сырья и проникновение экстрагента внутрь клетки. Сухое сырье, богатое гидрофильными веществами (белки, клетчатка и т.д.) при соприкосновении с экстрагентом (вода, этанол) набухает. Сначала экстрагент вымывает из наружных клеток (главным образом разрушенных) растворимые и нерастворимые вещества, затем под действием капиллярных сил проникает в межклеточное пространство и, достигнув клеток, диффундирует через клеточные мембраны (диализ). Процесс проникновения экстрагента в клетку определяется степенью гидрофильности сырья, природой экстрагента, числом и размером пор в клеточной мембране. Чем больше сродство экстрагента к сырью, тем он быстрее смачивает стенки капилляра, проникает в сырье до уравновешивания сил капиллярного подъема и силы тяжести гидростатического столба жидкости. Силу капиллярного подъема F вычисляют по формуле: F = 2 r cos где r – радиус капилляра, м; - коэффициент поверхностного натяжения; - краевой угол смачивания (образован жидкостью и стенкой капилляра), град; Если угол острый, то жидкость проникает в капилляр, при этом высота подъема жидкости зависит от величины угла и радиуса капилляра. При некоторой высоте столба жидкости, когда сила капиллярного подъема F уравновешивается силой тяжести Р, подъем жидкости в капилляре прекращается. В этом случае: F = Р, Р = g r 2 h, h = 2 cos / g r , т.е. высота подъема жидкости в капилляре тем больше, чем уже радиус капилляра. Проникновению экстрагента в капилляры препятствует находящийся в них воздух, для удаления которого предложены предварительное вакуумирование сырья, подача экстрагента под повышенным давлением или замена воздуха в порах на легко растворимый газ. Десорбция веществ в клетке и их растворение в экстрагенте. Многие БАВ адсорбированы нерастворимыми компонентами клетки, поэтому для их извлечения экстрагент должен обладать свойством десорбента. Если БАВ находятся в клетке в свободном состоянии, экстрагент взаимодействует с ними, при этом растворяющиеся вещества образуют истинные растворы, неограниченно набухающие коллоиды пептизируются, ограниченно набухающие образуют гели. Диффузия первичного сока через клеточную мембрану. Образующийся внутри клетки концентрированный раствор (первичный сок) создает значительное осмотическое давление, вызывающее осмотический диффузионный обмен между содержимым клеток и окружающей их жидкостью (экстрагентом) с меньшим осмотическим давлением. Скорость диффузии веществ через клеточную мембрану определяется разностью концентраций и строением мембраны (диаметр и число пор, толщина, количество слоев) Дальнейший перенос вещества с поверхности клеток происходит за счет молекулярной диффузии, скорость которой в процессе экстрагирования сырья определяется величиной просвета и длиной межклеточных ходов. Весь комплекс диффузионных процессов, протекающих в растительном сырье (внутренняя диффузия) складывается из диффузии через клеточную мембрану и свободной молекулярной диффузии. К этой стадии экстрагирования можно применить уравнение Эйнштейна и уравнение Фика с поправкой на особенности экстрагирования растительного сырья. Уравнение Эйнштейна для внутренней диффузии: А вн rN RT D 6 B где В – поправочный коэффициент, учитывающий все осложнения процесса. Уравнение Фика для внутренней диффузии: dx dc S D dt dm вн Массопередача от поверхности сырья в экстрагент. Растворенные вещества, с поверхности твердой фазы (кусочков сырья) поступают в слой экстрагента, называемый диффузионным пограничным слоем. Растворенные вещества распределяются в этом слое, подчиняясь закону молекулярной диффузии. Толщина диффузионного слоя зависит от гидродинамических особенностей процесса, в основном от скорости перемещения экстрагента. Если экстрагент и сырье находятся в состоянии относительного покоя, то диффузионный слой равен по толщине всему слою неподвижной жидкости и массоперенос в нем осуществляется только за счет молекулярной диффузии. Перенос веществ в движущемся слое экстрагента. Уже при небольших скоростях перемещения экстрагента относительно твердой фазы пограничный диффузионный слой уменьшается и вещества, поступившие в этот слой, переносятся в центр потока за счет конвективной диффузии. При больших скоростях движения экстрагента (турбулентный поток) толщина диффузионного слоя может стать равной нулю. В этом случае перенос вещества молекулярной диффузией происходит только в сырье, а перенос вещества с поверхности сырья в экстрагент осуществляется конвективной диффузией, скорость которой в 10 12 раз выше скорости молекулярной диффузии. Скорость конвективной диффузии определяется гидродинамическими условиями процесса. Таким образом, с целью интенсификации экстракции необходимо повысить скорость движения экстрагента, что достигается различными методами: перемешиванием, пульсацией и т.д. Массопередача. Массопередача так же, как молекулярная и конвективная диффузии – это перенос вещества, при отклонении системы от равновесия, из фазы с большей концентрацией в фазу с меньшей концентрацией. Процесс экстрагирования лекарственного сырья включает три вида массопередачи: - внутри растительного сырья, характеризуется коэффициентом внутренней диффузии, D ВН ; - в пограничном диффузионном слое, характеризуется коэффициентом молекулярной диффузии, D С ; - в движущемся слое экстрагента, характеризуется коэффициентом конвективной диффузии . Связь коэффициента массопередачи К с коэффициентами всех видов диффузии определяется уравнением: с вн D l D r K 2 1 1 где - коэффициент конвективной диффузии; D ВН – коэффициент внутренней диффузии; D С – коэффициент молекулярной диффузии в пограничном слое; r – размер частиц, м; l – толщина пограничного слоя, м. Если конвективная диффузия отсутствует, то: С ВН D l D r K 2 1 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: с ВН D l D r K 2 1 1 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: ВН D r K 2 1 Это явление характерно для вихревой экстракции. Основные факторы технологии, влияющие на процесс экстрагирования. На процесс экстрагирования растительного сырья влияют два рода факторов: технологические свойства сырья и параметры процесса, поддающиеся регулированию. Технологические свойства сырья. Полнота и скорость экстрагирования действующих веществ зависят во многом от технологических свойств сырья: содержания БАВ, содержания влаги, пористости (величина пустот внутри растительной ткани) , величины поверхности частиц, способности набухать и удерживать определенное количество экстрагента, коэффициентов диффузии и вымывания и т.д. Коэффициент поглощения сырья определяют по формуле: К = m 2 /m 1 где m 1 – масса сырья до набухания; m 2 – масса сырья после набухания. Поглощение растворителя сырьем можно рассматривать как: а) внутреннее (количество внутреннего сока, удерживаемое сырьем); б) полное (количество экстрагента, поглощенное сырьем и находящееся на его поверхности. Для проведения процесса экстрагирования определяющим является полная поглощаемость сырья. Коэффициент вымывания зависит от количества разрушенных клеток в сырье и определяется количеством веществ в извлечении, полученном при экстрагировании сырья в течение 1 ч при перемешивании. Параметры процесса, поддающиеся регулированию. Из факторов, влияющих на полноту и скорость извлечения и поддающихся регулирования, основными являются: степень и характер измельчения сырья, разность концентраций, температура, природа экстрагента, продолжительность извлечения и гидродинамические условия процесса. Степень и характер измельчения сырья. Согласно уравнению диффузии, чем больше степень измельчения сырья (больше поверхность соприкосновения сырья и экстрагента), тем выше скорость диффузии. НТД регламентирует оптимальные нормы измельчения растительного сырья, ниже которого измельчать материал нецелесообразно по следующим причинам: - сырье, измельченное в тонкий порошок, слеживается, образую непроходимую для экстрагента массу; - сырье, содержащее слизистые вещества, образует студнеобразную массу, непроходимую для экстрагента; - увеличивается количество разорванных клеток, что влечет за собой вымывание балластных ВМС; - в извлечение переходит большее количество взвешенных частиц, от которых трудно избавиться отстаиванием и фильтрованием. Степень измельчения сырья подбирают в зависимости от характера сырья и указывают в соответствующей НТД. Согласно ГФ X, листья, травы и цветки измельчают до частиц размером не более 5 мм; стебли, кору, корневища, корни – не более 3 мм; плоды и семена – 0,5 мм. Важное значение имеет также способ измельчения сырья. В сырье с сохраненной клеточной структурой (распиленном и изрезанном) преобладают диффузионные процессы. Экстрагирование проходит медленно, но извлечение содержит меньше балластных веществ и механических включений. В сырье с разрушенной клеточной структурой (раздавленное, истертое, размолотое) процесс экстрагирования сводится к вымыванию, поэтому он протекает значительно быстрее, но в извлечение переходит значительное количество балластных веществ и механических включений. Таким образом, степень и характер измельчения сырья должны быть установлены с учетом морфолого-анатомических особенностей перерабатываемого сырья и природы содержащихся в нем веществ. Природа экстрагента. Для обеспечения максимальной скорости и полноты извлечения к экстрагенту предъявляются следующие требования: - избирательность (максимальное извлечение действующих веществ и минимальное – сопутствующих); - фармакологическая индифферентность, если экстрагент не удаляют из полученного извлечения; - химическая индифферентность (извлекатель не должен реагировать с действующими веществами); - низкая токсичность; - экономическая доступность. Выбор экстрагента определяется прежде всего степенью гидрофильности извлекаемых веществ. Для экстрагирования полярных веществ применяют полярные растворители: воду, глицерин; для экстрагирования неполярных веществ – кислоту уксусную, хлороформ, диэтиловый эфир. Наиболее часто применяют этанол – малополярный растворитель, который с водой дает растворы разной степени полярности. Важными свойствами экстрагента, влияющими на процесс извлечения, являются его вязкость и поверхностное натяжение. По закону Фика, количество растворенного вещества, продиффундировавшего через некоторый слой растворителя, обратно пропорционально его вязкости при данной температуре. Следовательно, чем меньше вязкость экстрагента, тем быстрее протекает процесс извлечения (выше скорость молекулярной диффузии). Наиболее вязким экстрагентом является глицерин, который чаще применяется в смеси с водой. Вязкость большинства экстрагентов зависит от температуры (с повышением температуры вязкость снижается). Вязкость водно-спиртовых растворов зависит также и от концентрации этанола. Перспективными экстрагентами являются сжиженные газы (диоксид углерода, аммиак, дихлорметан и т.д.), т. к. они обладают малой вязкостью и высокой избирательностью, которые зависят от температуры и давления в процессе экстрагирования. Температура. По закону Фика, скорость экстрагирования увеличивается с повышением температуры, в том числе и за счет уменьшения вязкости экстрагента. Однако, в условиях промышленного производства, повышение температуры процесса не всегда оправдано по следующим причинам: - увеличиваются потери легколетучих компонентов (спирт, эфир); - разлагаются термолабильные вещества; - увеличиваются потери эфирных масел; - разрываются клеточные мембраны (при кипячении), в извлечение переходят балластные вещества и механические включения. Вместе с тем, повышение температуры необходимо: - для инактивации белков, ферментов; - при экстрагировании сырья с твердой структурой (кора, корни, кожистые листья); - при экстрагировании свежего растительного сырья с целью разрушения клеточных мембран. Разность концентраций и гидродинамические условия, При экстрагировании преобладают диффузионные процессы, основанные на выравнивании концентрации растворенных веществ внутри клеток и в межклеточном пространстве. Поэтому, с целью увеличения массопередачи, необходимо поддерживать возможно большую разность концентраций веществ. Это осуществляется разными способами: -перемешиванием сырья и экстрагента при помощи различных мешалок, вибрации и пульсации (мацерация, некоторые способы реперколяции); - заменой полученного извлечения на чистый экстрагент или менее концентрированное извлечение (перколяция, реперколяция). Продолжительность экстрагирования. По закону Фика, количество извлеченных веществ прямо пропорционально продолжительности процесса. Однако нужно стремиться достичь полноты извлечения в максимально короткий срок, т.к. в первые часы экстрагирование протекает быстро за счет вымывания веществ из наружных (разрушенных) клеток и высокой разности концентраций. Затем скорость диффузии падает вследствие выравнивания концентраций по обе стороны клеточной мембраны, а полнота извлечения достигается через продолжительное время. При длительном экстрагировании ухудшается качественный состав извлечения, т.к. наряду с БАВ извлекается больше балластных веществ Способы экстрагирования. В фармацевтической промышленности используют следующие способы экстрагирования: мацерация, ремацерация, перколяция. реперколяция, противоточное и циркуляционное экстрагирование. Способы экстрагирования классифицируют на статические и динамические. При использовании статических методов экстрагирования (н-р: мацерация) экстрагент поступает на сырье периодически, а извлечение получают за один или несколько приемов. При использовании динамических методов экстрагирования (н-р: перколяция) сырье и экстрагент загружают периодически и сливают извлечение непрерывно или загрузка сырья, экстрагента и получение извлечения происходят непрерывно. Выбор способа экстрагирования зависит от многих факторов: свойств экстрагента, структуры растительного материала, экономической целесообразности. |