Процес екстрагування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процес екстрагування

екстрагування дифузія рослинний сировина

Процес екстрагування належить до масообмінних процесів і відбувається завдяки дифузії із зони з високою концентрацією. Екстрагування базується на дифузії біологічно активних речовин із внутрішніх структур частинок матеріалу в екстрагент і закінчується при досягненні рівноважних концентрацій. У рівноважному стані з матеріалу в екстрагент переходить така ж кількість молекул, як і з екстрагента в матеріал, тобто концентрація залишається постійною. При цьому звичайно в матеріалі концентрація вища, ніж в екстрагенті.

Дифузія буває молекулярна і конвективна.

Молекулярна дифузія - це процес перенесення елементів речовини (біологічно активної речовини - БАР) за рахунок хаотичного руху самих молекул у нерухомому середовищі. Вона характеризується коефіцієнтом молекулярної дифузії Б, який виводять із рівняння Ейнштейна.

Коефіцієнт молекулярної дифузії характеризує здатність даної речовини проникати внаслідок дифузії в нерухоме середовище і, як видно з рівняння, зростає з підвищенням температури і зменшується зі збільшенням в'язкості середовища та розміру частинок речовини.

Отже, чим менший радіус дифундуючих частинок, тим швидше відбувається дифузія. Наприклад, розчинам білків, слизів, пектинів та інших, що мають великі молекули, властиві дуже низькі коефіцієнти дифузії. Речовини з малими розмірами молекул (якими частіше бувають БАР) дифундують набагато швидше.

Особливості екстрагування рослинної сировини з клітинною структурою.

При екстрагуванні з лікарської рослинної сировини відбувається дифузія БАР із внутрішніх структур частинки матеріалу. Цей процес має свої особливості. Перш за все, наявність пористої перегородки, міжклітинного простору і клітинних ходів знижує швидкість дифузії. По-друге, у пори перегородки можуть проникати лише ті речовини, частинки яких не перевищують розмірів пор. Нарешті, є ще одна істотна особливість - явище десорбції, що спостерігається в клітині після проникнення в неї екстрагента. Оскільки речовини в клітині зв'язані силами тяжіння, то необхідне насамперед подолання цих адсорбційних сил. Увесь складний комплекс дифузійних явищ, які відбуваються всередині шматочків рослинного матеріалу, називають внутрішньою дифузією. Для вираження коефіцієнта дифузії в порах рослинного матеріалу до рівняння Ейнштейна для вільної дифузії вводять поправочний коефіцієнт В, який враховує всі ускладнення процесу.

Для матеріалу з клітинною структурою значення коефіцієнта внутрішньої дифузії значно менше за значення коефіцієнта вільної дифузії. Так, розмір коефіцієнта вільної дифузії для багатьох природних сполук перебуває в межах 104-105 м²/с. А для цих же сполук значення коефіцієнта дифузії в порах матеріалу з клітинною структурою на 2-3 порядки менший, тобто 106-108 м²/с.

Особливості витягу біологічно активних речовин із матеріалів з клітинною структурою пов'язані з тим, що на шляху до речовини, яка міститься в клітині, знаходиться клітинна стінка, фізіологічний стан якої змінюється. Так, жива рослинна клітина має пристінний шар протоплазми відповідної товщини. Він позначається на властивостях клітинної стінки як перегородки, що відокремлює розчин усередині клітини (клітинний сік) від рідини поза клітиною.

Доки протоплазма жива, клітинна стінка залишається напівпрозорою перегородкою, яка не пропускає речовини, розчинені в клітинному сокові. У цьому разі можливе лише проникнення екстрагента у клітину за рахунок явища осмосу.

Зовсім інакше поводиться висушена клітина. Внаслідок загибелі протоплазми (плазмолізу) клітинна стінка втрачає характер напівпрозорої перегородки і починає пропускати речовини в обидві сторони (явище діалізу). Тобто клітинна стінка набуває властивості пористої перегородки, крізь яку можуть дифундувати біологічно активні речовини, молекули яких не перевищують розміру пор.

Переважну більшість екстракційних препаратів одержують із висушеної рослинної сировини, тобто зневодненої природним або тепловим висушуванням. У разі одержання препаратів зі свіжих рослин клітини умертвляють етиловим спиртом. Він дуже гігроскопічний і при зіткненні з рослинною клітиною зневоднює її, викликаючи найсильніший плазмоліз. Умертвіння клітин сировини тваринного походження досягається тими ж способами: висушуванням або зневоднюванням за допомогою спирту чи ацетону.

При одержанні препаратів зі свіжої сировини, клітини якої не зневоднені, очевидно, має місце вимивання клітинного соку із зруйнованих клітин, а не процес екстрагування.

Стадії процесу екстрагування i їх кількісні характеристики

У процесі екстрагування відбувається масопередача, тобто перехід однієї або кількох речовин з однієї фази (сировини) в іншу (екстрагент). Масопередача із сировини з клітинною структурою - складний процес, в якому можна виділити три стадії:

1) «внутрішню дифузію», що включає всі явища перенесення речовин усередині частинок сировини;

2) перенесення речовини в межах безпосередньо дифузійного пограничного шару;

3) перенесення речовини рухомим екстрагентом (конвективна дифузія).

Екстрагування із зневодненої сировини з клітинною структурою починається проникненням екстрагента в матеріал, змочуванням речовин, що знаходяться усередині клітини, розчиненням їх та десорбцією. Далі відбувається молекулярне перенесення розчинених речовин - спочатку в екстрагент, що знаходиться в міжклітинному просторі, потім в екстрагент, який заповнює мікро- і макротріщини, і, нарешті, на поверхню шматочків матеріалу.

Зобразимо схематично (рис. 1) частинку матеріалу, яка знаходиться в екстрагенті, і позначимо середню концентрацію речовин, що екстрагуються всередині частинки, як С1 а на її поверхні - С2.

Рис. 1. Частинка сировини в екстрагенті

Тоді кількість речовини, що продифундувала із внутрішніх структур частинки на поверхню (перша стадія), буде пропорційна коефіцієнтові внутрішньої дифузії, поверхні частинки матеріалу, часові, різниці концентрації всередині частинки та на її поверхні, обернено пропорційна розмірові частинок рослинної сировини.

На другій стадії починається дифузія речовин від поверхні частинки (концентрація С2) до зовнішньої поверхні дифузійного пограничного шару (концентрація С3). Зараз уже загальновизнане існування на поверхні шматочків сировини пристінного шару, екстрагента, названого дифузійним пограничним шаром. Цей шар чинить великий опір подальшому перенесенню екстрагованих речовин у екстрагент. Товщина його залежить від гідродинаміки процесу, передусім від швидкості перемішування екстрагента. Чим більша швидкість перемішування, тим тонший пограничний шар. У межах дифузійного пограничного шару перенесення речовин здійснюється за законом вільної дифузії і може бути виражене у вигляді першого закону Фіка.

На третій стадії процесу екстрагування перенесення діючих речовин триває завдяки руху екстрагента (конвективна дифузія).

Звичайно коефіцієнт конвективної дифузії Р у багато разів більший за коефіцієнт молекулярної дифузії Б.

Аналіз процесів екстракції засвідчує, що процес екстрагування залежить від багатьох чинників, найважливіші з яких: гідродинамічні умови, поверхня розділення фаз, різниця концентрацій, тривалість процесу, в'язкість екстрагента, температура. Крім того, на повноту витягу та швидкість впливають: додавання поверхнево-активних речовин, характер завантаження сировини, вибір екстрагента, пористість і порозність сировини, коефіцієнт вимивання, вплив вібрацій, пульсацій, електроімпульсний розряд у рідкому середовищі, здрібнення і деформація сировини в екстрагенті. Розглянемо вплив кожного із цих чинників.

Вимоги до екстрагентів

Екстрагент у процесі екстракції БАР відіграє особливо важливу роль. Він має здатність проникати крізь стінки клітини, вибірково розчиняти біологічно активні речовини і виходити за межі рослинного матеріалу. Тому до екстрагентів висувають конкретні вимоги, обумовлені специфічними особливостями фармацевтичного виробництва. Отже, екстрагент повинен:

- максимально розчиняти лікарські речовини і мінімально - баластні речовини;

- проникати у пори матеріалу і крізь стінки клітин, забезпечувати високу змочувальну здатність;

- перешкоджати розвиткові у витяжці мікрофлори;

- мати низьку температуру кипіння, легко регенеруватися;

- бути мінімально токсичним і вогненебезпечним;

- бути доступним за вартістю.

Із двох рівноцінних екстрагентів обирають безпечніший, доступний за ціною, фармакологічно не шкідливий і т.д. Якщо екстрагент не задовольняє зазначені вимоги, то використовують суміші, наприклад підкислену воду, спирт із водою, ефір зі спиртом тощо.

Дихлоретан СЮН2СН2С1. Безбарвна, прозора рідина, що не змішується з водою. Запахом нагадує хлороформ. Густина 1,252-1,235. Температура кипіння 83,0-84,0°С. Змішується зі спиртом і ефіром, жирами, мінеральними маслами, смолами. Дихлоретан маловогненебезпечний (температура займання 21,1°С). При вдиханні його парів можливе отруєння. Дихлоретан у суміші з хлороформом (при густині 1,315) застосовується для екстрагування глікозидів.

Хлористий метилен СН2С12. Екстрагент з відносно високою густиною - 3,33 і температурою кипіння - 41°С. Застосовується для екстрагування гідрофобних речовин (глікозидів, алкалоїдів та ін.).

Метанол, метиловий, або деревний спирт СН3ОН, виробляється синтетичний. Прозора, безбарвна рідина зі слабким запахом, що нагадує етиловий спирт. Змішується з водою в усіх співвідношеннях, утворюючи прозорі розчини без слідів покаламутніння та опалесценції. Густина не більше 0,793. Температура кипіння 64-67°С. Сильна отрута. Вживання всередину 10 мл речовини викликає атрофію зорового нерва, дози 15-20 мл смертельні. До роботи з метиловим спиртом працівники допускаються лише після спеціального інструктажу. Зберігають його в опломбованій тарі. Застосовують при екстрагуванні кумаринів. Для розділення суміші глікозидів використовують суміш метанолу і води (густина 0,9464).

Олії рослинні. Використовують олії рослинні холодного пресування, добре відстояні; жовтого кольору. Найчастіше застосовують персикову, мигдалеву і соняшникову олії. Жирні олії змішуються з ефіром, хлороформом, бензином, ефірними та мінеральними маслами. Усі олії, крім рицинової, не змішуються зі спиртом і водою. Гіркнуть, а це тягне за собою підвищення кислотного числа. Жирні олії мають вибіркову здатність як екстрагенти.

Зріджені гази. Перспективними для екстрагування є запропоновані останнім часом зріджені гази: карбону діоксид, пропан, бутан, рідкий амоніак, хладони (хлорофторопохідні вуглеводнів) та ін. Зріджений карбону діоксид добре витягає ефірні масла, жирні олії та інші гідрофобні речовини. Гідрофільні речовини добре екстрагуються зрідженими газами з високою діелектричною проникністю (амоніак, метилхлорид, метиленоксид та ін.).

Дослідженнями, проведеними в ДНЦЛЗ, доведено, що найбільш селективним розчинником відносно ефірних масел є хладон-С318 (ц-С4Г8), який практично не витягує жирні олії. Хладон-11 (СС13Г), хладон-12 (СС12Г2) і хладон-22 (СНС1Г2) витягають ефірні масла й жирні олії, каротиноїди, терпеноїди та інші природні речовини.

Екстрагування зрідженими газами проводиться під тиском, після зняття якого екстрагент звітрюється, а екстрактивні речовини залишаються в чистому вигляді.

Размещено на Allbest.ru