Экстрагирование в системе «жидкость-жидкость» и «жидкость-твердое тело». Теоретические основы экстрагирования. Экстракторы. Классификац

Процесс диффузии можно  выразить уравнением Фика-Щукарева:

dS/dt = -DF dc/dx

где : - dS/dt - скорость диффузионного процесса, м²/c;

        D – коэффициент молекулярной диффузии, м²/cек;

        F – площадь диффузиронного обмена (суммарная площадь измельченного растительного сырья), м²;

dc/dx – градиент концентрации (изменение концентрации вещества на расстоянии dx).

(-) – диффузионный  процесс направлен в сторону  уменьшения концентрации.

Механизм диффузии вещества через клеточную оболочку: молекулы диффундируемого вещества сорбируются из первичного сока материалом мембраны стенок растительной клетки, затем диффундируют через нее и десорбируются с другой стороны перегородки, накапливаются в пограничном (диффузионном слое) и только затем перемещаются в растворитель.

Конвективная диффузия – перенос вещества в результате причин, вызавающих перемещение жидкости: сотрясение, изменение температуры, перемешивание.

Таким образом, извлечение действующего вещества из ЛС происходит за счет диффузии, десорбции, растворения, диализа, вымывания, которые идут самопроизвольно и одновременно

На процесс экстрагирования  растительного материала (РМ) оказывает  влияние ряд факторов, которые необходимо учитывать при выборе условий проведения процесса.

1. Сырьё

- природа целевых веществ экстрагирования;

- анатомическое (гистологическое) строение растительного материала;

- размер и характер  измельчения растительного материала  (РМ), пористость, порозность.

Диффузионный процесс, основанный на непосредственном контакте экстрагента с содержимым клеток, осложняется тем, что клетки, содержащие действующие вещества, отделены от экстрагента слоем, который не содержит ценных веществ (эпидермис, пробка, кора). Для облегчения диффузионного процесса сырье необходимо измельчить. Согласно закону диффузии, количество извлеченного вещества тем больше, чем обширнее эта поверхность. Казалось бы, надо добиваться более тонкого измельчения. Однако, это не всегда оправданно. При чрезмерно тонком измельчении сырье может слёживаться, увеличивается количество разорванных клеток, что влечет вымывание из клеток белков, пектинов и других высокомолекулярных соединений – в результате вытяжки получаются мутными. Поэтому необходимо придерживаться оптимальных размеров измельчения крупного сырья. Например, листья, цветы, травы следует измельчать 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 клеточная структура, и преобладать диффузионные процессы, экстрагирование замедлится, но полученная вытяжка будет содержать меньше механических примесей и легче очищаться.

Процесс извлечения из растительного сырья осложняется, прежде всего, наличием клеточной оболочки, которая является основным препятствием при проникновении внутрь клетки растворителя и при выходе экстрактивных веществ наружу (рис. 2).

Рис. 2. Строение растительной клетки.

С помощью методов электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии установлено, что клеточная оболочка растений – это плотная войлокоподобная перегородка, образованная мицеллярными нитями целлюлозы состава (С₆Н₁₀О₅)_n (где n = 600 – 30000). Оболочка клетки пронизана ультрамикропорами диаметром 0,01-0,001 мкм и зачастую покрыта веществами (протопектин, лигнин, суберин, кутин, воски и др.), которые уменьшают или закупоривают эти поры. Эти вещества мало или совсем нерастворимы в воде, это значительно снижает проникновение экстрагента через оболочку внутрь клетки. Микропоры клеточной оболочки задерживают высокомолекулярные вещества, пропуская при этом низкомолекулярные соединения (как правило, биологически активные), частицы которых не превышают размеров пор.

2. Экстрагент

- природа экстрагента;

- вязкость экстрагента;

- температура;

- поверхностно-активные вещества.

Существуют определённые требования к экстрагентам, которые  необходимо учитывать при оптимизации процесса экстракции.

1. Избирательность – способность максимально извлекать действующие вещества из сырья и минимально – балластные.
2. Высокая емкость.
3. Хорошая смачиваемость растительного материала, чтобы проникать через стенки клеток. Наличие необходимого десорбирующего действия.
4. Способность препятствовать развитию микрофлоры в вытяжке.
5. Химическая индифферентность.
6. Фармакологическая индифферентность.
7. Удобство с точки зрения техники безопасности.
8. Дешевизна и доступность с точки зрения экономики.

Впитываясь, жидкость должна растекаться по поверхности клетки, что резко увеличивает поверхность контакта фаз, ускоряя процесс растворения. С уменьшением вязкости экстрагента коэффициент диффузии увеличивается и, следовательно, менее вязкие жидкости способствуют более быстрому экстрагированию. Поэтому в случае применения вязких экстрагентов, таких как растительные масла, для ускорения процесса экстрагирования используется подогрев. Перспективу представляют сжиженные газы. Например, CO₂ химически индифферентен к большому количеству действующих веществ, его вязкость в 14 раз меньше вязкости виды и в 5 раз меньше вязкости этанола.

Важной характеристикой растворителя - экстрагента является его полярность. Количественные характеристики полярности:

- диэлектрическая проницаемость (ε);

- дипольный момент (μ).

Для неполярных растворителей ε < 15, а μ – < 2D (D – дебай, единица измерения дипольного момента). Для полярных ε > 15 и μ > 2D.

Неполярные экстрагенты: хлороформ, бензол, петролейный эфир, гексан и др. Они хорошо извлекают агликоны сердечных гликозидов, основания большинства алкалоидов, сапогенины, флавоны, эфирные масла, жиры, воски, смолы и т.п., но не растворяют белки, пектины, сахара, минеральные вещества и другие гидрофильные вещества.

Малополярные экстрагенты: этиловый, изопропиловый, бутиловый спирты, ацетон и др. Хорошо растворяют как соли, так и основания алкалоидов, гликозиды и их агликоны, флавоны и их агликоны, кумарины, каротиноиды, витамины группы В, Р, РР, эфирные масла, пигменты, хлорофилл, смолы, бальзамы и др., но не растворяют белки, слизи, пектины, сахара, воски, танины и др.

Полярные экстрагенты: вода, глицерин и др. Обладают способностью растворять соли алкалоидов, сердечные гликозиды, антрагликозиды, сапонины, фурокумарины, витамины С, К, Р, РР, органические кислоты, соли, сахара, слизи и др. Этими свойствами обладают и водно-спиртовые растворы.

Для экстракции нередко используют растительные масла холодного прессования и хорошо отстоявшиеся. Это персиковое, миндальное и подсолнечное масла. Все масла хорошо смешиваются с эфиром, хлороформом, бензином, эфирными маслами и не смешиваются (кроме касторового) со спиртом и водой. Растительные масла обладают избирательной способностью как экстрагенты.

Сжиженные газы, такие, как пропан, бутан, диоксид углерода, жидкий аммиак, хладоны (хлорфторпроизводные углеводородов) и др., используют для экстрагирования в промышленности. Диоксид углерода хорошо извлекает эфирные масла и другие гидрофобные вещества. Сверхкритические флюиды, например сверхкритический диоксид углерода, тоже используют для экстракции биологически активных веществ из растительного сырья.

Наиболее распространенным растворителем в производстве галеновых и новогаленовых препаратов является этиловый спирт (этанол) - бесцветная, прозрачная, легкоподвижная, легковоспламеняющаяся жидкость с характерным запахом, жгучего вкуса, физиологически неиндифферентная, смешивается с водой, эфиром, хлороформом и многими органическими растворителями в любых соотношениях. Для медицинских целей, в качестве растворителя и экстрагента применяется только спирт-ректификат, полученный методом брожения крахмал- и сахаросодержащих продуктов с последующей очисткой и ректификацией и соответствующий требованиям фармакопейных статей. В настоящее время действуют ФС 42-3071-00 (спирт этиловый 90%, 70%, 40%) и ФС 42-3072-00 (спирт этиловый 95%). Указанные фармакопейные статьи распространяются на:

 - спирт этиловый 90%, 70%, 40%, применяемый для приготовления экстрактов, настоев лекарственных трав, бальзамов, а также для централизованного обеспечения аптек и лечебныхучреждений;

 - спирт этиловый 95%, применяемый в медицинских целях.

Вода - очень распространенный растворитель и экстрагент. Потребление ее на химико-фармацевтических предприятиях значительно и качество воды для фармацевтических целей на настоящий момент регламентируется фармакопейной статьей (ФС) ФС 42-2619-97 ≪Вода очищенная≫ и ФС 42- 2620-97 ≪Вода для инъекций≫.

Очищенная вода применяется  для производства галеновых и новогаленовых препаратов, медицинских спиртов, эмульсий, мазей и пр. Вода, используемая для приготовления лекарств, не должна содержать органических примесей, микроорганизмов и минеральных солей, т.е. она должна быть обессоленной.

Существует несколько  способов обессоливания: термический, ионитный, электрохимический, ультрафильтрация, экстракционный, метод вымораживания. При получении очищенной воды чаще используют термический метод – метод перегонки. Это самый древний и надежный метод обессоливания, к тому же недорогой и наиболее простой. Еще Аристотелем описал этот метод очистки воды. На химико-фармацевтическом производстве для термического опреснения обычно применяют аппараты непрерывного действия - аквадистилляторы.

Температура экстракции определяется строго характером лекарственного растительного сырья. При повышении температуры усиливается диффузия и диализ, быстрее набухает материал, гибнет микрофлора, инактивируются ферменты. При экстракции свежего растительного материала разрушается плазма, свертываются белки. Однако, есть и свои минусы. При повышении температуры могут разрушаться некоторые термолабильные лекарственные вещества (гликозиды, алкалоиды). Некоторые вещества при повышенной температуре хуже растворяются, а летучие вещества и эфирные масла, наоборот, улетучиваются. При нагревании в вытяжку переходит большее количество балластных веществ (крахмал образующий клейстер, пектин, инулин), следствие – помутнение раствора. Возможен разрыв клеток - в вытяжку перейдут коллоиды, нерастворимые вещества и т.д. Это увеличит вязкость и затруднит дальнейшую очистку. Крайне нежелательно повышение температуры при использовании этанола, эфира, ацетона, т.к. увеличиваются потери экстрагентов и возрастает вредность и опасность при работе с ними.

Присутствие поверхностно-активных веществ (ПАВ) может существенно ускорить процесс экстракции. Под воздействием ПАВ Снижается поверхностное натяжение на границе раздела фаз, улучшается смачиваемость клеток, увеличивается поверхность растворителя и глубина его проникновения в сырьё, ускоряются некоторые физико-химические процессы, улучшаются растворимости экстрагируемых веществ (эфирные масла). Добавление к экстрагенту 0.01-0.1 % ПАВ улучшает процесс и за счёт экономии во времени, энергии и материалах.

3. Технология

- разность концентраций (соотношение количества сырья и экстрагента);

- продолжительность  экстракции;

- гидродинамика слоя  РМ;

- дополнительные воздействия.

Соотношение сырья и  экстрагента определяет разность концентраций веществ в сырье и экстрагенте и является основной движущей силой диффузионного процесса. Необходимо во время экстракции стремиться к максимальному перепаду концентраций. Достаточно высокую разность концентраций на границе раздела фаз можно поддерживать за счет:

- перемешивания;

- циркуляции экстрагента;

- зымены вытяжки чистым экстрагентом (периодически, непрерывно или путём циркуляции).

В общем случае соотношение  сырьё : экстрагент = 1:10. Если это сильнодействующее  средство (наперстянка, термопсис), то соотношение 1:400.

ЛРС (лакарственное растительное сырьё) – пористый материал, в котором после экстракции безвозвратно остаётся часть экстрагента, для того чтобы не уменьшать объём водного извлечения и не завышать содержание действующих веществ используют коэффициент водопоглощения (КВП). 

КВП – величина, которая показывает количество воды в мл, удерживамое 1 г ЛРС после отжатия в перфорированном стакане инфундирки (лат. infundo вливать, наливать) — закрывающийся сосуд из фарфора или коррозионностойкого металла, применяемый при приготовлении настоев или отваров из лекарственных растений). Если КВП не указан для конкретного ЛРС, то:

- для подземных органов  1.5 мл/г;

- для коры, трав, цветков  2.0 мл/г;

- для плодов, семян  3.0 мл/г.

Продолжительность экстракции. В большинстве случаев экстракция наиболее активно протекает в первые часы, затем, даже при смене экстрагента, её активность заметно падает и полнота извлечения наступает через сравнительно долгое время. О конце экстракции судят по количеству действующих веществ, а не по сумме экстрактивных. Процесс прекращают, если дополнительная экстракция остатков действующих веществ не окупает собой избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов. С экономической точки зрения, необходимо и ускорение процесса экстракции. Полнота извлечения должна наступать в кратчайшее время, потому что при длительном процессе ухудшается качественный состав вытяжки из-за большого содержания балластных веществ. Определенную роль играют и такие свойства растительного сырья как пористость и порозность. 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 смачивания и набухания материала. Скорость набухания возрастает при предварительном вакуумировании сырья, а также при повышении давления и температуры.