3 курс / Фармакология / Технология_производства_экстракционных_фитопрепаратов_Морозов_Ю
.pdf
F – поверхность соприкосновения фаз, м2;
С-с – движущая сила процесса массообмена – разность концентраций вещества, переходящего из одной фазы в другую кг/м2;
t – время, с.
Из этого уравнения следует, что количество вещества, переходящее в единицу времени из одной фазы в другую, пропорционально коэффициенту массопередачи, поверхности контакта фаз, продолжительности процесса и разности концентраций. Коэффициент массопередачи суммирует все величины, являющиеся количественными характеристиками трех перечисленных этапов диффузионного пути в процессе экстракции.
Связь коэффициента массопередачи и коэффициентов всех видов диффузии определяется следующим уравнением:
,
где 2r – толщина частицы растительного сырья; n – коэффициент;
Dвн – коэффициент внутренней диффузии;
D – коэффициент молекулярной диффузии;
d – толщина диффузионного пограничного слоя; b – коэффициент конвективной диффузии.
Анализ уравнения показывает, что при отсутствии конвективной диффузии коэффициент ее равен 0, а толщина диффузионного пограничного слоя становится равной толщине всего экстрагента. Значит, третий этап диффузии отсутствует, а коэффициент массопередачи определяется тольковнутреннейдиффузиейисвободноймолекулярнойдиффузиейвнеподвижной жидкости. Такое явление наблюдается, например, при мацерации без перемешивания. Указанный способ экстракции самый длительный.
Втом случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех этапов диффузионного пути. Такой способ экстракции характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей перколяции, непрерывной противоточной экстракции и других.
Внекоторых случаях могут отсутствовать второй и третий этапы диффузионного пути. Это явление возможно при больших скоростях пере-
мещения жидкости. В этом случае коэффициент диффузии возрастает до
11
бесконечности, т.е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно, и, следовательно, третий член уравнения отсутствует.
Вместестемстановитсяравнойнулюитолщинадиффузионногослоя, поэтому второй член уравнения также отсутствует. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного материала. Примером этого способа экстракции является вихревая экстракция.
Для достижения наиболее полного и быстрого извлечения действующих веществ из лекарственного растительного сырья, помимо подбора экстрагента, должны быть созданы оптимальные условия диффузионного процесса.
Основными факторами, влияющими на полноту и скорость из-
влечения, являются следующие:
Степень измельчения сырья. Для более интенсивного поцесса экстракции необходимо использовать сырье, так как чем больше площадь соприкосновения частиц сырья и экстрагента, тем легче будет осуществляться диффузия БАВ из сырья в экстрагент. Однако следует помнить, чточрезмерно тонкое измельчение сырья может слипаться и слеживаться, а при наличии в составе сырья слизистых веществ может происходить ослизнение, вследствие чего это приводит к затруднению проникновения экстрагента в сырье. Также сверхтонкое измельчение сырья приводит к разрушению клеточных стенок, что способствует вымыванию некоторых балластных веществ (белки, пектины и другие ВМС), наличие которых в составе извлечений нежелательно. В результате эти вытяжки получаются мутные, трудноосветляемые и плохо фильтруемые.
Разность концентраций и гидродинамические условия. Разность концентраций – это движущая сила экстракции, поэтому в процессе экстракции необходимо способствовать максимальному перепаду концентрации. При диффузии в пределах неподвижного диффузионного слоя и вокруг частиц сырья постепенно увеличивается содержание экстрагируемых БАВ. В случае неподвижности экстрагента вокруг частиц сырья создаются области с высокими концентрациями извлекаемых веществ, вследствие чего резко снижаются разность концентраций и движущая сила. Также в пределах неподвижного диффузионного слоя экстракция происходит за счет медленной молекулярной диффузии. Достаточно высокую разность концентраций на границе раздела фаз можно поддержи-
вать уже при малой скорости перемещения жидкости. Простейшим при-
12
мером интенсификации процесса извлечения является перемешивание настаиваемой массы. Более совершенный способ – смена экстрагента. Ее можно проводить периодически или непрерывно. Под периодической сменой экстрагента понимается слив вытяжки и залив сырья новой порцией экстрагента. Под непрерывной сменой извлекателя понимается непрерывное истечение вытяжки из экстракционного сосуда и непрерывное поступление в сосуд свежего экстрагента.
Температура. Повышение температуры значительно ускоряет процесс извлечения. Воспользоваться этим фактором можно только для водных извлечений. Спиртовые и спирто-водные извлечения чаще осуществляются при невысоких температурах, так как с увеличением температурного режима увеличивается потеря экстрагента, а также это взрывоопасно. Использование температуры также ограничено для сырья, содержащего термолабильные вещества. Следует также помнить, что применение горячей воды сопровождается клейстеризацией крахмала, пептизацией веществ – вытяжки в этом случае становятся слизистыми и дальнейшая работа с ними затрудняется.
Вязкость экстрагента. Уравнение Эйнштейна свидетельствует, что с уменьшением вязкости экстрагента коэффициент молекулярной диффузии будет расти. Чем меньше вязкость экстрагента, тем выше его диффузионные свойства. Наиболее вязкий экстрагент – глицерин, который самостоятельно не применяется, а служит добавкой к воде. Чаще используются растительные масла в подогретом виде: молекулы растворенных веществ легчепродвигаютсяпридиффундированиимеждумолекуламиэкстрагента
– масла. У основных экстрагентов – воды и спирта – с повышением температуры вязкость также заметно понижается. Разную вязкость имеют и водно-спиртовые растворы при одной и той же температуре. Так, наибольшую вязкость имеют растворы, содержащие 40–50% спирта.
Продолжительность экстракции. Закон Фика свидетельствует о пропорциональной зависимости количества извлеченных веществ от продолжительности процесса экстракции. Однако нужно стремиться к тому, чтобы полнота извлечения была достигнута в кратчайший срок, в максимальной степени использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса. Чрезмерно продолжительное извлечение в ряде случаев вредно, особенно если принять во внимание нежелательные процессы, происходящие под влиянием ферментов. Изучение динамики из-
влечения действующих веществ показывает, что в большинстве случаев
13
извлечение протекает наиболее активно в первые часы, а затем (несмотря на смену экстрагента) скорость начинает заметно падать и максимум (полнота) извлечения наступает через продолжительное время. В первые часы экстракции происходит просто вымывание веществ из разорванных клеток и диффузия из легкодоступных мест, чем и объясняется большая скорость экстракции. В последующие часы диффузия идет из труднодоступных участков, чему и соответствует падение скорости экстракции.
Природа экстрагента и поверхностно-активные вещества. Эстра-
гент должен удовлетворять следующим требованиям (рис. 1).
Рис. 1. Требования, предъявляемые к экстрагентам
Для увеличения скорости экстрагирования и большей полноты извлечения действующих веществ применяют в виде добавок к извлекателю ПАВ. Ускорение процесса экстрагирвания в присутствии ПАВ можно объяснить, в частности, их способностью снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз, тем самым улучшать смачиваемость клеток растительного материала, увеличивать поверхность растворителя и глубину его проникновения в клетки. ПАВ могут повышать растворимость экстрагируемых веществ.
14
1.2. Характеристика основных методов экстрагирования, аппаратурное оснащение экстрагирования
Методы экстрагирования растительного сырья в производстве делятся на две группы: периодические и непрерывные.
1.2.1. Периодические методы экстракции
Мацерация (от лат macerare – намачивать) – наиболее старый метод экстрагирования. Измельченный до определенной степени измельчения материал помещают с экстрактор-настойник (рис. 2). Это аппарат с ложным дном – решеткой, покрытой фильтрующим материалом, под которой находятся пространство для сбора извлечения и кран для слива вытяжки. В настойник с сырьем загружают экстрагент в требуемом количестве. Определенное количество времени проводят настаивание (как правило, от 12 до 24 ч.). Далее извлечение сливают и передают в отстойник, где отстаивают в течение 2–5 суток при температуре не выше 8°С для удаления балластных веществ. Для удаления осадка извлечение передают на фильтрацию и затем на стадию фасовки.
Рис. 2. Экстрактор-настойник:
1 – решетка; 2 – кран для слива вытяжки
(Химия и технология фитопрепаратов: учебное пособие / С. А. Минина, И. Е. Каухова. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 560 с., ил.).
Для ускорения процесса экстракции настаивание часто осуществляют
в экстракторах с мешалками (рис. 3). Аппарат состоит из корпуса с сетча-
15
тым днищем, на которое укладывают фильтрующий материал. Сырье загружают, а истощенный материал (шрот) выгружают через соответствующие люки. При необходимости регенерации экстрагента пар подают по трубе в змеевик, а по другой трубе отводят конденсат. Пары экстрагента по трубе отводят в конденсатор. «Острый» пар можно подавать по трубе. Слив вытяжки осуществляют через штуцер. В приборе есть трубы для подачи экстрагента снизу и сверху.
Процесс мацерации можно ускорить за счет циркуляции экстрагента или пульсаций экстрагента за счет выброустойств.
Рис. 3. Экстрактор с мешалкой:
1 – корпус; 2 – сетчатое днище; 3 – люк для загрузки сырья; 4 – люк для выгрузки шрота; 5 – труба для отвода паров экстрагента в конденсатор; 6 – труба для подачи пара в змеевик; 7 – труба для отвода конденсата; 8 – труба для подачи «острого» пара; 9 – штуцер; 10 – труба для подачи экстрагента снизу; 11 – труба для подачи экстрагента сверху
(Химия и технология фитопрепаратов: учебное пособие / С. А. Минина, И. Е. Каухова. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 560 с., ил.).
16
Перколяция (процеживание) (от лат. percolare – обесцвечивать) –
основной метод изготовления настоек и экстрактов. Измельченный материал тщательно смешивают в отдельном аппарате с небольшим количеством экстрагента таким образом, чтобы он полностью увлажнился. Далее оставляют для набухания на 2–4 часа. На дно перколятора укладывают фильтрующую ткань, заливают определенную часть экстрагента, а затем помещают часть сырья. Сырье слегка утрамбовывают, и далее процесс повторяют до полной загрузки перколятора. Не следует загружать перколятор сухим материалом, так как при заливке экстрагента могут остаться комки и даже «воздушные мешки» – так называемые «мертвые зоны». После загрузки перколятора материал покрывают полотном и перфорированным металлическим диском-грузом. На загруженный материал при открытом спускном кране добавляют экстрагент в таком количестве, чтобы его слой («зеркало») над поверхностью материала составлял 30–40 мм. Вытекающую из крана жидкость вновь заливают в перколятор. Материал с экстрагентом при закрытом спускном кране настаивают 4–6–12 часов (в зависимости от анатомической структуры сырья), затем медленно перколируют со скоростью слива вытяжки от 1/4 до 1/12 части используемого объема перколятора в час, заливая сверху с такой же скоростью свежий экстрагент. Процесс перколяции продолжают до достижения необходимой полноты извлечения действующих веществ.
Перколяторы представляют собой (рис. 4) аппараты цилиндрической формы из луженой меди, нержавеющей стали и др. материалов. В нижней части перколятора имеется спускной кран, сверху – крышка со штуцером для ввода экстрагента. Над краном помещено ситовидное дно, застилаемое слоем фильтрующей ткани. Перколяторы часто оснащены паровой рубашкой и барботером. Для выгрузки шрота имеются боковой люк или откидное дно.
Циркуляционная экстракция. Этот метод используется при применении легколетучих экстрагентов с низкой температурой кипения. Циркуляционную экстракцию проводят в аппарате «Сокслет» (рис. 5). В аппарат послойно загружают растительное сырье, заливают извлекателем и настаивают в течение определенного времени. Затем подают избыток экстрагента, и вытяжка сливается через сифон в выпарной аппарат, где при подаче теплоагента отгоняется растворитель. Вторичный пар конденсируется в змеевике или трубчатом холодильнике и поступает в сборник, из которого вновь поступает в сырье. При постепенном заполнении
сырья отгоном, когда высота экстрагента достигает определенной вели-
17
чины, через сифон опять осуществляется слив вытяжки. Таким образом, циркуляция экстрагента происходит повторно и экстрагирование проводят до полного истощения растительного сырья.
Рис. 4. Перколяторы: 1 – крышка; 2 – штуцер; 3 – корпус; 4 – ситовидное дно; 5 – спускной кран; 6 – откидное дно или боковой люк; 7 – паровая рубашка; 8 – барботер; 9 – штуцер для ввода пара; 10 – штуцер вывода конденсата
(Химия и технология фитопрепаратов: учебное пособие / С. А. Минина, И. Е. Каухова. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 560 с., ил.).
|
Рис. 5. Установка «Сокслет»: 1 – аппарат; 2 – |
|
сифон; 3 – выпарной аппарат; 4 – холодильник; |
|
5 – сборник |
|
(Химия и технология фитопрепаратов: |
|
учебное пособие / С. А. Минина, И. Е. Каухова. |
18 |
– М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 560 с., ил.). |
|
1.2.2. Непрерывные методы экстракции
Противоточная непрерывная экстракция. Этот метод используют для крупномасштабного производства. Противоточный принцип подачи сырья и экстрагента, непрерывное перемещение не только жидкой, но и твердой фазы способствуют достижению высокой разности концентраций, конвективной диффузии экстрагируемых веществ в слое экстрагента и созданию большой эффективной поверхности экстракции. Для противоточнойэкстракцииможноиспользоватьаппаратыпогружноготипа.Среди вертикальных аппаратов наиболее известен шнековый экстрактор (рис. 6).
Рис. 6. Шнековый экстрактор: 1 – загрузочная колонна; 2 – горизонтальная колонна; 3 – экстракционная колонна
(Химия и технология фитопрепаратов: учебное пособие / С. А. Минина, И. Е. Каухова. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 560 с., ил.).
Экстрактор состоит из двух вертикальных и одной соединительной горизонтальной колонн, внутри которых расположены перфорированные шнеки. Каждая колонна представляет собой стальной цилиндр. Загрузочная и экстракционная колонны имеют паровые рубашки. Внутри каждой
колонны расположены шнековые валы с перфорированными перьями с
19
диаметром отверстий, равным 5 мм. Для предотвращения проворачивания материала шнеками по длине колонны приварены 6 прямоугольных планок. Загрузочная колонна в верхней части имеет фильтр для выходящего извлечения. В верхней части экстракционной колонны установлен двухлопастной сбрасыватель шрота, вращающийся в направлении, обратном направлению шнеку, и в 3 раза быстрее.
Для экстрагирования сырья органическими растворителями используют дисковый экстрактор (рис. 7).
Дисковый экстрактор состоит из двух труб, расположенных под углом 30°С и соединенных камерой с вращающимся устройством. В трубах аппарата движется трос с посаженными на нем перфорированными дисками. Экстрактор заполняется экстрагентом через патрубок. Из бункера на диски равномерно подается сырье. Вытяжка вытекает из патрубка, а шрот смывается с дисков при выходе из трубы в камере верхней части аппарата и собирается в сборник для отработанного сырья.
Рис. 7. Дисковый экстрактор: 1 – трубы; 2 – вращающиеся звездочки; 3 – трос с перфорированными дисками; 4 – патрубок для ввода экстрагента;
|
5 – бункер; 6 – патрубок для вывода готового продукта; 7 – сборник |
|
(Химия и технология фитопрепаратов: учебное пособие / С. А. Минина, |
20 |
И. Е. Каухова. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 560 с., ил.). |
|