Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Технология производства экстракционных фитопрепаратов учебно-методическое пособие 2010

очередь определяется скоростью движения экстрагента, коэффициентом молекулярной диффузии, вязкостью растворителя, расстоянием между слоями с разной концентрацией.

Толщина пограничного слоя постоянно меняется в зависимости от движения экстрагента. При энергичном перемешивании пограничный слой уменьшается и переходит в диффузионный подслой. При турбулентном потоке жидкости толщина пограничного диффузионного слоя может стать равной нулю и тогда молекулярная диффузия заменяется на конвективную. Массоперенос веществ в движущемся слое экстрагента осуществляется конвективной диффузией, скорость которой определяется главным образом гидродинамикой процесса.

Виды массопереноса. В процессе экстрагирования лекарственного растительного сырья сочетается три вида массопереноса:

1)внутрирастительногоматериала,скоростькоторого характеризуется коэффициентом внутренней диффузии;

2)в клеточном соке и пограничном диффузионном слое;

3)конвективный.

Потеря на диффузии. По окончании экстрагирования растительный материал за счет набухания удерживает часть экстрагента, вместе с которым в шроте остаются биологически активные вещества. Их называют потерей на диффузии. Для уменьшения потери на диффузии шрот отжимают на прессах, применяют дробное экстрагирование. Иногда увеличивают объем экстрагента, но это может принести к нарушению заданной концентрации вытяжки.

Основные факторы технологии, влияющие на процесс экстрагирования.

Полнота и скорость экстрагирования действующих веществ из растительного лекарственного сырья зависит от технологических свойств материала: содержания влаги, действующих и экстрактивных веществ, пористости и порозности, величины поверхности частиц, способности набухать и удерживать определенное количество экстрагента, коэффициентов диффузии, вымывания и др. Их необходимо учитывать в процессе экстрагирования.

Пористость сырья — это величина пустот внутри растительной ткани. Чем она выше, тем больше образуется внутреннего сока при набухании. Порозность — это величина пустот между кусками измельченного материала. Она связана с количеством внешнего сока. При набухании порозность возрастает при малом объеме сырья

11

иуменьшается, если его объем большой и он плотно уложен в экстракторе. 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.

Содержание влаги, действующих и экстрактивных веществ в сырье дает возможность определить его исходное количество для получения заданного объема препарата. Процентное содержание влаги в сырье строго регламентируется, его повышение может привести к потере действующих веществ.

Высококачественное сырье дает возможность получить препарат, в котором содержание действующих веществ будет выше сопутствующих. Степень и характер измельчения, поверхность частиц

ичисло разрушенных клеток оказывают существенное влияние на процесс экстрагирования. Чем мельче размер частиц материала, тем больше поверхность его соприкосновения с экстрагентом, тем быстреепроисходитизвлечение.Длякаждоговидасырья,взависимости отанатомическогостроения,составаилокализациидействующихвеществ, степень и характер измельчения подбираются индивидуально. Оптимальным считается размер частиц от 0,5 до 2,0 мм, он определяется просеиванием через сито.

При использовании слишком измельченного сырья, вследствие сильного набухания резко возрастает гидравлическое сопротивление и процесс экстрагирования затрудняется. Полученная вытяжка будет содержать много мельчайших частичек растительного материала, от которых ее трудно очистить. Процесс извлечения из сырья с разрушенной клеточной структурой (раздавленное, истертое, размолотое) сводится к вымыванию. В распиленном и изрезанном материале, где сохраняется клеточная структура, преобладают диффузионные процессы, экстрагирование замедляется, но полученная вытяжка содержит меньше механических включений и легче очищается. Пористость и порозность сырья обусловливают его поглощающую способность.

Коэффициент поглощения сырья определяется по формуле:

K = P1 P2 ,

где P1 и P21 — соответственно масса сырья до и после набухания.

12

Различают «внутреннюю» и «полную» поглощаемость сырья. «Внутренняя» — это количество внутреннего сока, удерживаемое сырьем, «полная» — количество экстрагента, поглощенное сырьем и находящееся на его поверхности. Для проведения процесса определяющимявляется«полная»поглощаемостьсырья,котораянаходится в прямой зависимости от степени его измельчения.

Факторы, влияющие на процесс массопередачи внутри частиц сырья и в свободном экстрагенте. В эту группу входят факто-

ры, влияющие на гидродинамические условия процесса: характер и скорость движения экстрагента, перемешивание, вибрация, колебания жидкости, циркуляция экстрагента, воздействие центробежных сил и ультразвука, повышение температуры смеси. На процесс экстрагирования оказывает влияние характер загрузки сырья в экстракторы, выбор и способ подачи экстрагента и др.

Для обеспечения полноты извлечения действующих веществ и максимальнойскоростиэкстрагированиякэстрагентупредъявляются следующие требования: узкий спектр действия (извлечение определенной группы действующих веществ); избирательная способность (максимальное извлечение действующих веществ и минимальное сопутствующих); химическая и фармакологическая индифферентность; малая токсичность, невысокая стоимость и др.

Выбор экстрагента определяется степенью гидрофильности извлекаемых веществ. Для экстрагирования полярных веществ с высокимзначениемдиэлектрическойпостояннойиспользуютполярные растворители: воду, метанол, глицерин; для неполярных — кислоту уксусную, хлороформ, эфир этиловый и другие органические растворители. Наиболее часто в качестве экстрагента применяют этанол — малополярный растворитель, который при смешивании с водой дает растворы разной степени полярности, что позволяет использовать его для избирательного экстрагирования различных биологически активных веществ. Кроме этанола, из малополярных растворителей применяют ацетон, пропанол, бутанол.

Важными физическими свойствами экстрагента, замедляющимискоростьпроцесса,являютсяповерхностноенатяжениеивязкость. Использование менее вязких с невысокой поверхностной активностью способствует более быстрому окончанию экстрагирования.

Перспективными в этом отношении являются предлагаемые в последнее время сжиженные газы: углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак и др. Каждый из сжиженных газов имеет свои тер-

13

модинамические свойства. Это дает возможность извлекать из растительного материала вещества с различной полярностью (гидрофильные и гидрофобные). Наиболее часто используется сжиженный углеродадиоксид,являющийсяхимическииндифферентнымкчислу действующих веществ, вязкость которого в 14 раз меньше вязкости воды и в 5 раз — этанола. Он хорошо извлекает эфирные, жирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метилен хлористый, метиленоксид и др.).

Процесс экстрагирования сжиженными газами проводится под большим давлением, при снятии которого экстрагент легко улетучивается, а экстрактивные вещества остаются в сухом виде.

МЕТОДЫ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

В фармацевтической промышленности используются следующие методы: мацерация, ремацерация, перколяция, реперколяция, противоточное и циркуляционное экстрагирование. Многие из этих методов применяются в различных модификациях, отличающихся временем экстрагирования, способом распределения сырья в экстракторах, аппаратурой. Их классифицируют на статические и динамические. В первом случае экстрагент поступает на сырье периодически, а вытяжку получают за один или несколько приемов. В динамических методax сырье и экстрагент загружают периодически, а сливают извлечение непрерывно или загрузка сырья, эстрагента и получение вытяжки идут непрерывно. Выбор метода определяется эффективностью производства готового продукта и зависит от свойств экстрагента и pacтительногo материала, а также от структуры последнего.

Мацерация

Мацерация (от лат. maceratio — вымачивание) относится к статическим методам экстрагирования. Метод заключается в настаивании в мацерационном баке необходимого для получения настойки количества материала с прописанным объемом экстрагента при комнатной температуре в течение 7 суток (если в НТД нет других

14

указаний) с периодическим перемешиванием мешалкой. После этого сырье отжимают и замеряют объем полученной вытяжки. Поскольку часть экстрагента удерживается в шроте, его промывают чистым экстрагентом в количестве, равном оставшемуся в сырье, повторно отжимают и обе порции извлечения объединяют. Если полученная вытяжка не соответствует заданному объему готового продукта, то добавляют чистый экстрагент.

Метод малоэффективен. Растительный материал большую часть времени находится в неподвижном состоянии, коэффициент конвективной диффузии невелик. Процесс протекает медленно, так как выравнивание концентрацией веществ внутри растительной клетки и во внешнем слое экстрагента идет в основном за счет молекулярной диффузии. Велики потери на диффузии. Поэтому метод применяется крайне редко: при экстрагировании свежего растительного сырья и для получения настоек из «неорганизованного» материала (не имеющего клеточной структуры).

С целью интенсификации экстрагирования материала процесс ведут при постоянном перемешивании мешалками или во вращающихся мацерационных баках-турбулах. Время экстрагирования при этом можно сократить в несколько раз. Процесс мацерации часто сопровождают циркуляцией экстрагента. После настаивания полученную вытяжку с помощью центробежного насоса возвращают на сырье и вновь настаивают. Циркуляция экстрагента приводит к более быстрому выравниванию концентраций, т. е. к завершению процесса экстрагирования.

Ремацерация

Ремацерация, или дробная мацерация с делением на части экстрагента или сырья и экстрагента, является разновидностью метода мацерации. В первом случае общее количество экстрагента делят на 3–4 части и последовательно настаивают сырье в первой части экстрагента, затем во второй, третьей и четвертой, каждый раз сливая вытяжки. Время настаивания подбирается индивидуально, в зависимости от свойств растительного материала. Периодическая смена экстрагента позволяет при меньшей затрате времени на извлечение полнее истощить сырье, уменьшить потери на диффузии, так как постоянно поддерживается высокая разность концентраций и как следствие этого — скорость диффузии.

15

Модификацией метода дробной мацерации является его сочетание с циркуляцией экстрагента через слой сырья. Экстрагент делят на неравные части, и после настаивания сырья первой порции, а затем второй, каждый раз вытяжки возвращают на экстрагируемый материал. С третьей порцией экстрагента сырье только настаивают, без циркуляции.

Перспективным является метод дробной мацерации, сопровождающийся прессованием. Сырье замачивают и после набухания отжимают на гидравлических прессах или вальцовых мельницах. Процесс повторяется несколько раз до достижения равновесной концентрации. Метод позволяет сократить потери действующих веществ, так как в шроте остается небольшой объем вытяжки. Готовый продукт содержит высокое количество экстрагируемых веществ.

Перколяция

Перколяция (от лат. percolatio — процеживание) относится к динамическим методам, заключается в пропускании через сырье непрерывного потока экстрагента, т. е. его фильтровании через слой растительного материала. Экстрагирование осуществляется в емкостях различной конструкции, называемых перколяторами. Они могут быть цилиндрической и конической формы, с паровой рубашкой или без нее, опрокидывающиеся и саморазгружающиеся (рис. 1), из нержавеющей стали, алюминия, луженой меди и других материалов. Сверху перколяторы закрывают крышкой, имеющей один или несколько патрубков для ввода экстрагента, вывода отработанного пара из паровой рубашки и т. д. Внизу — со спускным краном. Перколяторы имеют ложное дно, на которое помещается фильтрующий материал (мешковина, полотно, древесная стружка) и загружается сырье. Цилиндрические перколяторы удобны в работе при загрузке и выгрузке сырья, конические — обеспечивают более равномерное экстрагирование и получение за тот же период вытяжки, более обогащенной действующими веществами. Метод перколяции включает три последовательно протекающих стадии: намачивание сырья, настаивание, собственно перколяция.

Намачивание рекомендуется проводить вне перколятора (в мацерационном баке или любой другой емкости) половинным или равным количеством экстрагента по отношению к массе сырья, в течение 4–5 ч без перемешивания. За счет капиллярных сил экстрагент

16

проникает между кусками растительного материала и внутрь клетки, происходит так называемая капиллярная пропитка. Сырье набухает со скоростью, зависящей от свойств материала и природы экстрагента.

Многие виды лекарственного растительного сырья обладают дифильными свойствами, но имеют большее сродство к гидрофильным экстрагентам. Такое сырье лучше набухает при использовании воды или слабого этанола (20–30 %), особенно если в нем содержится много пектиновых веществ или низкомолекулярных белков. Наименьшее набухание этих видов сырья вызывает крепкий этанол и различные органические растворители. При намачивании происходит растворение действующих веществ

внутри клетки и образование концентрированного первичного сока. В производственных условиях намачивание проводится не всегда и может быть объединено с настаиванием. Однако в том случае, когда сырье способно сильно набухать, стадию намачивания опускать не рекомендуется, так как достигается равномерная загрузка сырья в перколятор, исключается возможность образования воздушных полостей, которые препятствуют прохождению экстрагента. Кроме того, материал может сильно спрессоваться и вообще не про-

пустить экстрагент.

Настаивание — следующая стадия процесса перколяции. Набухший или сухой материал загружают в перколятор на ситчатое (ложное) дно достаточно плотно, чтобы в сырье оставалось как можно меньше воздуха. Материал, способный слеживаться, укладывают в перколятор слоями. Для такого сырья перколяторы снабжают специальными ситовидными прокладками. Сверху растительный материал покрывают куском полотна и прижимают который перфорированным диском. Заливают сырье экстрагентом, который подают в перколятор сверху или снизу (при открытом кране для вытеснения воздуха) непрерывным потоком.

17

Как только экстрагент начинает вытекать в приемник, кран перколятора закрывают, а экстрагент возвращают на сырье в экстрактор. После этого в перколятор добавляют чистый экстрагент до «зеркала», толщина которого должна составлять 30–40 мм (тем самым предотвращают попадание воздуха в сырье), и выдерживают 24–48 ч — мацерационная пауза. В результате молекулярной диффузии экстрагируемые вещества переходят в экстрагент. Для некоторых видов сырья стадия настаивания не является обязательной, так: ею можно пренебречь, если растительный материал прошел стадию намачивания. Для многих видов сырья мацерационная пауза может быть сокращена.

Собственноперколяция— непрерывное прохождение экстрагента через слой сырья и сбор перколята. У перколятора открывают кран, а на сырье с постоянной скоростью подают экстрагент. Концентрированный сок вытесняется из растительного материала током свежего экстрагента. Скорость поступления экстрагента на сырье должна быть равна скорости перколирования (1/24 и 1/48 рабочего объема перколятора). Отмечаются два периода экстрагирования. Сначала вытекает более концентрированный сок, содержащий экстрактивные вещества, вымываемые из разрушенных клеток, — так называемая быстротекущая перколяция, затем процесс продолжается за счет внутренней диффузии.

Перколирование заканчивается получением вытяжки за один прием — при приготовлении настоек, густых и сухих экстрактов или в два приема — при производстве жидких экстрактов. В последнем случае сначала собирают 85 объемных частей готового продукта, затем продолжают экстрагирование до полного истощения материала. Вытяжку низкой концентрации упаривают под вакуумом до 15 объемных частей и присоединяют к готовому продукту, получая в сумме 100 объемных частей жидкого экстракта в соотношении 1:1, т. е. из одной части сырья получают одну объемную часть экстракта.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАСТОЕК

При стандартизации настоек определяют содержание действующих веществ химическим (настойки, содержащие алкалоиды, дубильные вещества, эфирные масла, органические кислоты) или биологическим (настойки, содержащие гликозиды сердечной группы и

18

горькие вещества) методом. Если количество действующих веществ выше установленного предела, их разбавляют чистым экстрагентом или слабо концентрированной настойкой. При содержании действующих веществ ниже нормы их укрепляют, добавляя более концентрированную настойку.

К общим методам испытания настоек относят: проверку органолептических признаков, количественное содержание этанола, экстрактивных веществ, тяжелых металлов, плотность.

Проверка органолептических признаков. Настойки должны быть прозрачными и сохранять вкус и запах тех веществ, которые содержатся в исходном лекарственном сырье.

Содержание этанола в настойках определяют одним из мето-

дов ГФ XI (дистилляционным, по температуре кипения). Плотность настоек определяют по методикам ГФ XI (с по-

мощью пикнометра, ареометра).

Сухой остаток (экстрактивные вещества) и тяжелые металлы в настойках определяют по ГФ XI.

Лабораторная работа № 1

Получение настойки методом перколяции

Оснащение: весы, разновес, выпарительные чашки, сита, водяная баня, сушильный шкаф, перколяторы, штатив для перколяторов, склянки для приготовления методом мацерации, резинки, полиэтиленовая пленка для закрывания перколяторов, марлевые салфетки, стеклянные палочки, воронки, вата, грузы, подставки, склянки для отпуска, этикетки, прибор для определения этанола по температуре кипения, пикнометры, денсиметры, ножницы, лекарственное растительное сырье, экстрагент, вода очищенная, этанол.

19

20