Особенности экстрагирования из сырья с клеточной структурой
При экстрагировании из лекарственного растительного сырья извлечение БАВ имеет свои особенности:
Наличие пористой перегородки, межклеточного пространства и клеточных ходов, которые снижают скорость диффузии.
Через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают размеров пор.
Вещества внутри клетки связаны силами притяжения и необходимо преодоление этих адсорбционных сил.
Весь сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала, называют внутренней диффузией.
Живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы определенной толщины. Пока протоплазма жива, клеточная стенка является полупроницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В данном случае возможно лишь проникновение экстрагента внутрь клетки (осмос).
Вследствие гибели протоплазмы (плазмолиза) клеточная стенка теряет характер полупроницаемой перегородки и начинает пропускать вещества в обе стороны (диализ). То есть клеточная стенка приобретает свойства пористой перегородки, через нее могут диффундировать биологически активные вещества, молекулы которых не превышают размера пор.
Поэтому большинство экстракционных препаратов получают из высушенного растительного сырья, т. е. обезвоженного путем тепловой сушки. В случае получения препаратов из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом. Он очень гигроскопичен и при соприкосновении с растительной клеткой обезвоживает ее, вызывая сильнейший плазмолиз.
Умерщвление клеток сырья животного происхождения достигается теми же способами: сушкой или обезвоживанием спиртом и ацетоном.
При получении препаратов из свежего сырья, клетки которого не обезвожены, скорее имеет место вымывание клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор, чем процесс экстрагирования.
Стадии процесса экстрагирования и их количественные характеристики
При переходе одного или нескольких веществ из одной фазы (сырья) в другую (экстрагент) можно выделить три стадии:
«внутренняя диффузия», включающая все явления переноса веществ внутри частиц сырья;
перенос вещества в пределах непосредственно диффузионного ламинарного пограничного слоя (за счет трения и вязкости);
перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия).
На первой стадии экстрагирование из обезвоженного сырья с клеточной структурой начинается с проникновения экстрагента в материал, смачивания веществ, находящихся внутри клетки, растворения и десорбции их. Далее следует молекулярный перенос растворенных веществ, вначале в экстрагент, находящийся в межклеточном пространстве, затем в экстрагент, заполняющий микро- и макротрещины и на поверхность кусочков материала.
Рис. Частичка сырья в экстрагенте
С1 – средняя концентрация экстрагируемых веществ внутри частицы
С2 – средняя концентрация экстрагируемых веществ на поверхности частицы
С3 – средняя концентрация экстрагируемых веществ в диффузном пограничном слое
С4 – средняя концентрация экстрагента в объеме, омывающем частичку
Количество продиффундировавшего вещества из внутренних структур частицы на ее поверхность (первая стадия) можновыразть в виде уравнения:
где S – количество продиффундировавшего вещества, кг;
Dвн – коэффициент внутренней диффузии, м2/с
F – поверхность раздела фаз, м2;
l – толщина частицы материала, через которую диффундируют вещества, м;
– время диффузии, с;
C1, C2 – концентрация вещества, кг/м3.
На второй стадии идет диффузия веществ от поверхности частицы (концентрация С2) к наружной поверхности диффузионного пограничного слоя (концентрация С3). Пограничный диффузионный слой оказывает большое сопротивление дальнейшему переносу экстрагируемых веществ в экстрагент. Толщина этого слоя зависит, в основном, от скорости перемешивания экстрагента. Чем больше скорость перемешивания, тем меньше толщина пограничного слоя. В пределах диффузионного пограничного слоя перенос веществ осуществляется по закону свободной диффузии, по первому закону Фика (Фика-Щукарева):
где d – толщина диффузионного пограничного слоя, м.
На третьей стадии процесса экстрагирования перенос действующих веществ осуществляется за счет движения экстрагента (конвективная диффузия). Количество вещества, перенесенного в экстрагент за счет конвективной диффузии описывается уравнением:
S = х F х (C3 - С4) х
где – коэффициент конвективной диффузии (м/с), который тем выше, чем интенсивнее перемешивание
Суммарный процесс переноса вещества из частицы материала в экстрагент выражается основным уравнением массопередачи:
S = K х F х (C1 – С4)
где К – коэффициент массопередачи (м/с), который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения:
