МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТОНКИХ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

ИМ. М. В. ЛОМОНОСОВА

Кафедра Биомедицинских и Фармацевтических Технологий

Реферат

на тему:

«Теоретические основы экстрагирования. Основные факторы, влияющие на процесс экстрагирования»

Выполнила: Вагина А. А.

Студентка гр. ХТ – 408а

Москва 2012 год

Процессом экстрагирования  (экстракции) называется избирательное извлечение из смеси твердых или жидких веществ отдельных компонентов с помощью растворителя, обладающего избирательной растворимостью.

Под избирательной растворимостью понимается способность жидкости растворять только тот компонент (компоненты), который надо извлечь. При этом имеет место взаимодействие жидких и твердых фаз или одних только жидкостей. Различают экстракцию твердых тел и экстракцию жидкостей.

Экстрагирование растворимых веществ из твердых материалов – один из важнейших процессов химической технологии. Он применяется в производстве минеральных солей, глинозема, целлюлозы, сахара, при извлечении редких металлов из руд, в гидрометаллургии, в фармацевтической промышленности и т.д.  В фармации экстрагирование широко используется при получении препаратов из лекарственного растительного сырья (настойки, экстракты жидкие, густые и сухие, экстракты-концентраты, максимально очищенные (новогаленовые) препараты, извлечения из свежих растений и др.) и из сырья животного происхождения (препараты гормонов, ферментов и препараты неспецифического действия - пантокрин, витогепат и др.).

Процесс экстрагирования относится к массообменным процессам и протекает за счет диффузии из зоны с высокой концентрацией. Это, как правило, клетки животного или растительного материала, содержащие биологически активные вещества. Экстрагирование основано на диффузии биологически активных веществ из внутренних структур частиц материала в экстрагент и заканчивается при достижении равновесных концентраций. В равновесном состоянии из материала в экстрагент переходит такое же количество молекул, как и из экстрагента в материал, т. е. концентрация остается постоянной. При этом обычно в материале концентрация выше, чем в экстрагенте.

Диффузия бывает: молекулярная и конвективная.

Молекулярная диффузия - это процесс переноса распределяемого вещества (биологически активного вещества - БАВ) за счет хаотического движения самих молекул в неподвижной среде. Протекая в неподвижных фазах, молекулярная диффузия является медленным процессом.

Она характеризуется коэффициентом молекулярной диффузии D, который определяют из уравнения Эйнштейна:

, (1.1)

где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,32 Дж/(град×моль); Nо - число Авогадро (6,06×10²³); Т - температура абсолютная, град К; η - вязкость раствора, Н/с×м²; r - радиус диффундирующих частиц, м; k = R/Nо - постоянная Больцмана.

Коэффициент молекулярной диффузии характеризует способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду и, как видно из уравнения (1.1), увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера диффундирующих частиц вещества.

Следовательно, чем меньше радиус диффундирующих частиц, тем быстрее идет диффузия. Так, растворам белков, слизей, пектинов и т.п. имеющим большие молекулы, присущи очень низкие коэффициенты диффузии. Вещества с малыми размерами молекул (какими чаще бывают БАВ) диффундируют намного быстрее.

Конвективная диффузия в отличие от молекулярной обусловлена движением фаз в результате встряхивания, перемешивания, изменения температуры и других внешних воздействий. В жидкой или газообразной среде - это основной вид диффузии, осуществляемой за счет перемещающихся внутри данной фазы конвективных потоков, несущих диффундирующее вещество. Его перенос осуществляется вследствие перемещения отдельных весьма малых (элементарных) объемов жидкой или газообразной фазы, причем вещества внутри этих элементарных объемов переносятся посредством молекулярной диффузии, характерной для неподвижной фазы, которой и является элементарный объем жидкости пли газа.

Конвективная диффузия - процесс более быстрый, чем диффузия молекулярная: ее скорость в 10-12 раз выше.

Диффузионный обмен продолжается до тех пор, пока концентрации растворов, находящихся внутри и снаружи клеточных полостей, не станут одинаковыми. Выравнивание концентраций приводит к подвижному равновесному состоянию, которое характеризуется одинаковой скоростью диффузии растворенных веществ в ту и в другую сторону. Наступающее диффузионное равновесие означает окончание процесса экстракции.

По окончании экстракции и сливания образовавшейся вытяжки извлеченный растительный материал остается пропитанным вытяжкой. Количество впитанной жидкости достигает 100-150% от массы растительного материала. Само собой разумеется, что вместе с извлечением, впитанным в растительный материал, в последнем остается часть экстрактивных, в том числе действующих, веществ, составляющих предмет и  цель технологической обработки. Поэтому вытяжка, полученная сливанием жидкости с извлеченного материала без дальнейшей обработки, всегда содержит экстрактивных веществ меньше, чем соответственное количество исходного растительного материала.

Потери экстрактивных веществ, вызванные впитыванием вытяжки в извлеченный растительный материал, часто называют потерями на диффузии. На практике их уменьшения обычно достигают путем возможно сильного выжимания извлеченного растительного материала при помощи разнообразных приспособлений. Выжатую жидкость присоединяют к ранее слитой вытяжке.

Все существующие способы экстрагирования классифицируют на статические и динамические. В статических способах сырье периодически заливают экстрагентом и настаивают определенное время. В динамических – предусматривается постоянная смена либо экстрагента, либо экстрагента и сырья. Среди статических и динамических способов экстрагирования выделяют периодические – когда экстрагирование одной или нескольких порций сырья проводится в течение определенного времени, т.е. подача сырья (экстрагента и/или растительного материала) в экстракционные аппараты осуществляется периодически. К статическим периодическим способам относятся одноступенчатые – мацерация - и многоступенчатые – ремацерация, циркуляция с периодическим сливом (это многоступенчатые прямоточные), а также многоступенчатые противоточные – реперколяция с периодическим сливом по Чулкову. К динамическим периодическим способам – одноступенчатые – перколяция и многоступенчатые – реперколяция с законченным и незаконченным циклами. Среди динамическим способов особо выделяют непрерывные (с непрерывной подачей сырья) – прямоточные (экстрагент и материал в одном потоке) и противоточные (активное движение навстречу экстрагента и растительного к материала).

Особенности экстрагирования из растительного сырья с клеточной структурой

При экстрагировании из лекарственного растительного сырья идет диффузия БАВ из внутренних структур частицы материала. При этом процессе извлечение имеет свои особенности. Прежде всего, наличие пористой перегородки, межклеточного пространства и клеточных ходов снижает скорость диффузии. Далее, через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают размеров пор. Наконец, имеется еще одна существенная особенность - явление десорбции, наблюдаемое в клетке после проникновения в нее экстрагента. Поскольку вещества внутри клетки связаны силами притяжения, то необходимо, прежде всего, преодоление этих адсорбционных сил. Весь сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала, называют внутренней диффузией. Для выражения коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна (1.1) для свободной диффузии вводят поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса. Уравнение коэффициента внутренней диффузии в этом случае будет иметь вид:

, (1.2)

Для материала с клеточной структурой значение коэффициента внутренней диффузии значительно меньше, чем значение коэффициента свободной диффузии. Так, величина коэффициента свободной диффузии для многих природных соединений находится в пределах 10^–4 – 10^–5 м²/с. Для этих же соединений значение коэффициента диффузии в порах материала с клеточной структурой на 2-3 порядка меньше, т.е. 10^–6 – 10^–8 м²/с.

Особенности извлечения биологически активных веществ из материалов с клеточной структурой связаны с тем, что на пути к веществам, содержащимся в клетке, находится клеточная стенка, физиологическое состояние которой может быть различным. Так, живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы определенной толщины. Он накладывает особый отпечаток на свойства клеточной стенки, как перегородки, отделяющей раствор внутри клетки (клеточный сок) от жидкости вне клетки.

Пока протоплазма жива, клеточная стенка является полупроницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В этом случае возможно лишь проникновение экстрагента внутрь клетки (осмос).

Совершенно по-другому ведет себя мертвая клетка. 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 которую могут диффундировать биологически активные вещества, молекулы которых не превышают размера пор.

Подавляющее 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.