Разработка новой технологии получения и хранения сухих экстрактов

Конвективная диффузия - процесс перехода вещества из одной фазы в другую за счет перемещения объемов при движении фаз раствора относительно друг друга. Математическое выражение скорости конвективной диффузии представлено уравнением:

F, dC - см. молекулярную диффузию;

β - коэффициент конвективной диффузии, который показывает количество вещества (кг) переносимое за 1 с через поверхность в 1 м² при разности концентраций 1 кг/м³. [40]

Скорость конвективной диффузии можно увеличить следующим образом:

• увеличить разность концентраций (за счет диализа, замены растворителя);
• увеличить поверхность массообмена.

Конвективная диффузия может быть двух видов:

1. Естественная (протекает вследствие разности плотностей экстрагента и раствора, изменения температуры, гидростатического столба жидкости).
2. Принудительной (искусственной) (протекает за счет перемешивания мешалками, насосами, вибрации). [12]

Скорость конвективной диффузии определяется опытным путем и при этом она в десятки раз (до 10¹² раз) выше скорости молекулярной диффузии.

Рассмотренные положения относятся к свободной диффузии, т. е. когда между соприкасающимися растворами или жидкостями нет никаких перегородок. Процесс экстрагирования растительного сырья усложняется, когда на пути экстрагента к БАВ и при обратном движении раствора находится клеточная стенка лекарственного растительного сырья (ЛРС). [38]

При экстрагировании свежего и набухшего сырья происходят следующие процессы:

1. Смыв клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор.
2. Диализ низкомолекулярных веществ через микропоры оболочек клеток.
3. Диффузия веществ через макропоры низкомолекулярных соединений и высокомолекулярных соединений.
4. Распределение веществ от поверхности материала в растворитель.

Второй и третий процессы имеют место, когда избирательная проницаемость клеток свежего сырья нарушена при обработке этанолом высокой концентрации. При экстрагировании высушенного сырья (когда избирательная проницаемость клеток нарушена вследствие тепловой сушки) происходят следующие процессы:

1. Проникновение экстрагента в сырье.
2. Смачивание сырья.
3. Десорбция и растворение веществ, находящихся внутри клетки.
4. Диализ низкомолекулярных веществ через микропоры оболочек клеток.
5. Диффузия низкомолекулярных и ВМС через макропоры оболочек клеток.
6. Распределение веществ от поверхности материала в растворитель. [42]

Клетки ЛРС соединены друг с другом порами, размер которых составляет несколько микрометров. Между клетками имеются межклеточные пространства, в целом это губчатая структура. Проникновение экстрагента в сырье происходит под влиянием капиллярных сил. Заполнению сырья мешает воздух, для удаления которого рекомендуется: вакуумировать сырье; повысить давление жидкости; заменить воздух на легко растворимый газ.

Смачивание сырья протекает одновременно с проникновением экстрагента в сырье и при этом способствует его проникновению. Материал, из которого выполнены клеточные стенки, обладает дифильными свойствами. Но гидрофильность клетчатки более выражена, в связи с чем растительное сырье лучше смачивается гидрофильными экстрагентами. [20]

1. Смачивание веществ, находящихся внутри сырья. Процессы смачивания веществ протекают одновременно с проникновением экстрагента в сырье, и от них в свою очередь зависит скорость проникновения экстрагента. Скорость смачивания зависит от химического сродства веществ и экстрагента.

Внутри клеток экстрагент взаимодействует с находящимися в них веществами: вещества, способные образовывать истинные растворы, растворяются; неограниченно набухающие ВМС набухают и пептизируются;

ограниченно набухающие ВМС набухают и образуют гели.

Процесс растворения осложняется тем, что многие растворимые соединения находятся в адсорбированном состоянии на ВМС. Поэтому экстрагент, кроме хорошей растворяющей способности, должен обладать десорбирующими свойствами.

2. Растворение веществ, находящихся на клеточных стенках или в виде высохших кусочков. Экстрагент после проникновения через клеточные мембраны взаимодействует с находящимися в них веществами, при этом: вещества, способные образовывать истинные растворы, растворяются; неограниченно набухающие ВМС набухают и пептизируются; ограниченно набухающие ВМС набухают, образуя гели. В результате чего в раствор переходят низкомолекулярные вещества и ВМС, растворимые в воде. [38]

Процессу растворения чаще всего предшествует процесс десорбции, т. к. в высушенном лекарственно-растительном сырье низкомолекулярные вещества чаще всего связаны адсорбционными силами взаимодействия с нерастворимыми компонентами клетки. Экстрагент должен преодолеть эти силы и десорбировать вещество, так, бензин растворяет хлорофилл, но не извлекает его из растительного сырья, добавление к нему небольшого количества этанола, выполняющего роль десорбента, помогает извлечь хлорофилл. Иногда к экстрагенту для улучшения процесса десорбции добавляют ПАВ, которые, как указывалось выше, оказывают солюбилизирующее действие. [10]

3) Массоперенос веществ через пористые клеточные стенки. После растворения веществ концентрация веществ внутри клетки повышается, образуется «первичный сок», при этом:

- повышается осмотическое давление раствора внутри клетки, после чего начинается перенос

- растворенных веществ в экстрагент, находящихся вне клеток за счет диализа; скорость диализа зависит от разности концентрации и размеров пор растительной мембраны;

- в первую очередь диффундируют низкомолекулярные вещества, затем ВМС. Наименьшей скоростью диффузии обладают коллоидные компоненты. Описанный процесс называется экзосмосом. [20]

4) Массоотдача веществ от поверхности растительного материала в раствор. Является последней стадией. Скорость переноса веществ в данном случае зависит от градиента концентрации. Когда концентрация веществ внутри клетки по всему объему экстрагента становятся равной, процесс извлечения прекращается.

Таким образом, процесс извлечения следует рассматривать как сложный процесс, состоящий из отдельных моментов: смачивания, десорбции, растворения, диализа, диффузии, протекающих как самостоятельно, так и одновременно как единый, общий процесс. Но независимо от вида применяемого сырья в процессе экстрагирования ЛРС можно выделить следующие стадии:

1. «Внутренняя диффузия», к которой относятся все явления переноса вещества внутри частиц сырья.
2. Перенос вещества в пределах диффузионного пограничного слоя.
3. Перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия).

«Внутренней диффузией» называется весь комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала. В основном она заключается в диффузии через пористую перегородку (стенка мертвой клетки) и свободной молекулярной диффузии. В связи с чем к внутренней диффузии применим закон Фика с поправкой (В), учитывающей все особенности процесса. Коэффициент внутренней диффузии может быть выражен следующим образом:

 

B - поправочный коэффициент. [40]

Перенос веществ в пределах диффузионного пограничного слоя начинается после переноса веществ к наружной поверхности кусочков сырья. На поверхности сырья существует пристенный неподвижный слой экстрагента, который называется пограничным диффузионным слоем.

Если экстрагент и сырье находятся в состоянии относительного покоя, то диффузионный слой равняется всей толщине слоя неподвижной жидкости. При перемещении экстрагента диффузионный слой уменьшается и приобретает некоторую величину. При очень высоких скоростях движения экстрагента (вихревая экстракция) величина диффузионного слоя равна нулю.

Для диффузионного пограничного слоя характерна молекулярная диффузия веществ, поступивших в него, поэтому количественно оценивается величиной коэффициента свободной молекулярной диффузии D. [45]

 Конвективная диффузия (заключительная стадия) - перенос вещества в центр потока при помощи конвективной диффузии, которая количественно оценивается величиной В. Для количественной оценки переноса веществ, независимо от способа передачи, существует такое понятие как массопередача. Математически процесс массопередачи может быть выражен следующим образом:

S = K × F× (C - c) ×τ

S - количество вещества переходящее из одной фазы в другую, кг; F - поверхность соприкосновения фаз, м;

Т — время, с;

(С – с) - разность концентраций, кг/м;

К - коэффициент массопередачи, означает количество вещества (кг), переносимое за одну секунду через поверхность 1 м при разности концентраций 1 кг/м.

Коэффициент массопередачи суммирует все величины, являющиеся количественными характеристиками трех этапов диффузионного пути. [20]

2 r - толщина частиц растительного сырья; n - коэффициент;

D_вн. - коэффициент внутренней диффузии; 8 — толщина диффузионного пограничного слоя; В - коэффициент конвективной диффузии; D - коэффициент молекулярной диффузии. [20]

Анализ уравнения позволяет сделать следующие выводы: 1.   Если жидкая фаза перемешивается с небольшой скоростью, то присутствуют все три этапа диффузионного пути.

2.    Если жидкая фаза неподвижна, т. е. конвекция отсутствует (В = 0).

Это характерно для мацерации без перемешивания, но это очень длительный процесс. [38]

3.   Жидкая фаза перемещается с большой скоростью (вихревая экстракция).

А) Толщина пограничного диффузионного слоя становится равной 0 (5=0), следовательно, отпадает второй член уравнения.

δ / D = 0

Б) В - возрастает до бесконечности, конвективный перенос осуществляется мгновенно, следовательно, отпадает и третий член уравнения.

Таким образом, второй и третий этапы диффузионного пути могут отсутствовать, но наличие первого этапа неотделимо от процесса экстракции в системе твердое тело - жидкость. [42]

 

 

 

Потеря на диффузию. После экстрагирования растительный материал за счет набухания удерживает часть экстрагента с БАВ, их называют потерей на диффузию и определяют по формуле:

 

 

x₀ - количество БАВ в сырье, кг;  

a - количество экстрагента, оставшегося в шроте, л; n - общее количество взятого экстрагента, л.

Для уменьшения потерь на диффузию шрот отжимают или применяют дробное экстрагирование. [40]

 

 

2. Основные факторы, влияющие на полноту и скорость экстрагирования

 

1. Лекарственное растительное сырье и его показатели. Лекарственное растительное сырье (ЛРС) - это растительное сырье, разрешенное уполномоченным на то органом, с целью лечения или профилактики заболеваний. Для получения экстракционных препаратов используют, как правило, высушенное растительное сырье. Свежее растительное сырье используют достаточно редко. [34]

Требования к качеству ЛРС сформулированы в общих и частных ФС, ФСП и ГФ XI издания. Для ряда видов сырья нормативными документами являются ТУ, которые имеют более низкий уровень, и это требует пересмотра.

В России к медицинскому применению разрешено более 200 видов ЛРС. В ГФ XI издания включено 20 общих статей, из них 13 посвящены общим методам контроля ЛРС, 7-нормированию качества отдельных морфологических групп сырья: листьев, трав, цветков, плодов, семян, коры, корней, корневищ и других подземных органов. [8,2]

В связи с выходом ОСТ 91599.05.001-00 «Стандарты качества ЛС. Основные положения» (01.03.00) все предприятия-производители ЛС должны разрабатывать ФСП (в т. ч на ЛРС и препараты из него). Ранее утвержденные ФС и ВФС на растительное сырье действуют до указанных в них сроков, после чего должны перерабатываться в ФСП. [3]

ЛРС, подлежащее экстрагированию, имеет клеточную структуру. ЛРС различается по анатомическому строению, химическому составу и физическим свойствам. Все вещества ЛРС, переходящие в экстрагент в виде раствора, называются экстрактивными веществами. [15]

Среди экстрактивных веществ выделяют:

- биологически активные вещества - вещества, обладающие выраженной фармакологической активностью и представляющие интерес с позиции лечения и профилактики заболеваний (алкалоиды, флавоноиды, кумарины, витамины, эфирные масла и т. д.); сопутствующие вещества - естественные спутники БАВ, играющие важную роль в жизнедеятельности ЛР, не представляющие определенного интереса с фармакотерапевтической точки зрения, но так или иначе влияющие на проявление терапевтического действия БАВ. Например: слизи, камеди снижают побочное действие БАВ и замедляют их всасывания, вследствие повышения вязкости и обволакивающего действия, сапонины усиливают всасывание БАВ, т. к. являются ПАВ; дубильные вещества замедляют всасывание.

- балластные вещества - сопутствующие вещества, не принимающие существенного участия в проявлении терапевтического действия. [28]

С современной биофармацевтической точки зрения балластных веществ нет, т. к. все вещества так или иначе оказывают влияние на терапевтическое действие БАВ. [14]