Основные этапы экстракции

По характеру диффузии различают три основных этапа экстракции:

1. Диффузия экстрактивных веществ из внутренней части клеток к их поверхности

2. Диффузия веществ через ламинарный подслой, окружающий частицу и возникающий за счёт сил трения (сил вязкости) экстрагента при протекании через слой сырья

3. Конвективный перенос экстрактивных веществ от наружной поверхности ламинарного подслоя в общий поток растворителя. Конвективная (принудительная) диффузия тем эффективнее, чем интенсивнее гидродинамический режим (перемешивание и циркуляция). От гидродинамического режима зависит и толщина ламинарного подслоя.

Процесс массопередачи при установившемся режиме описывает уравнение:

, где

К – коэффициент массопередачи (м/с), который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения:

F – поверхность массопередачи, м²

τ – время экстракции, с

С₁ – средняя концентрация экстрагируемых веществ внутри частицы, кг/м³

С₂ – средняя концентрация экстрагента в объеме, омывающем частичку, кг/м³

D_вн – коэффициент внутренней диффузии, м²/с

l – толщина частицы материала, через которую диффундируют вещества, м

d – толщина ламинарного подслоя, м

D_ж – коэффициент молекулярной диффузии вещества в жидком ламинарном подслое,

β – коэффициент массоотдачи (конвективной диффузии)

Основной фактор, определяющий скорость массопередачи, - внутреннее сопротивление твёрдой фазы. Уменьшение размера частиц приводит к уменьшению сопротивления.

Количественную теорию молекулярной диффузии разработал А. Фик, а позднее А. Н. Щукарев применил её для систем твердое тело-жидкость. А. Фик доказал, что кинетика диффузии аналогична кинетики теплопроводности , теория которой была развита Ж. Б. Ж. Фурье

По закону Фика-Щукарева количество растворенного вещества G (кг), продиффундировавшего сквозь некоторый слой растворителя (извлекателя), прямо пропорционально разности концентраций этого слоя (кг/м³), времени τ (ч), площади поверхности слоя F (м²) и обратно пропорционально толщине диффузионного слоя d (м).

D (м²/ч) – коэффициент диффузии, равный количеству вещества, способного продиффундировать в единицу времени через единицу поверхности при разности концентраций, равной единице.

Коэффициент диффузии определяют для различных веществ на основе экспериментальных данных. Оно зависит от рода диффундирующего вещества, прямо пропорционален температуре и обратно пропорционален вязкости извлекателя. Коэффициент диффузии увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера частиц экстрагируемого вещества. Например, белковые и слизистые вещества, находящиеся в состоянии коллоидных растворов, диффундируют плохо, так как имеют крупные молекулы. Вещества молекулярной и ионной дисперсии, имеющие малые размеры частиц, проникают в раствор значительно быстрее.

Коэффициент конвективной диффузии (β) при интенсификации перемешивания возрастает и становится максимальным при турбулентном движении. Поэтому при расчетах коэффициента массопередачи третьей составляющей можно пренебречь. В этом случае определяющей для процесса экстракции становится первая составляющая знаменателя, т. е. величина коэффициента внутренней диффузии (D_вн ) , так как свободная диффузия вещества в ламинарном подслое оказывает незначительное влияние вследствие его малой толщины.

Факторы, влияющие на процесс экстрагирования

На процесс экстрагирования растительного материала оказывает влияние ряд факторов, которые необходимо учитывать при выборе условий экстрагирования.

Степень и характер измельчения растительного материала.

Состав вытяжек и полнота извлечения растительных материалов при их обработке водой в значительной степени зависят от степени измельченности исходного сырья.

Рыхлые материалы, содержащие большое количество межклеточных пространств и состоящие из тонкостенных паренхиматозных клеток, легко проницаемы для воды и представляют собой относительно небольшие препятствия для извлечения их содержимого. Этими особенностями отличаются многие цветки, листья, травы.

Материалы, имеющие плотную структуру и состояние из толстостенных клеток с одревесневшими стенками, экстрагируются более трудно. Во многих случаях клеточная структура составляет серьезное препятствие для экстракции растительных объектов водой. Чем крупнее куски экстрагируемых материалов, тем более длинным и трудным является путь, который при экстракции должны пройти растворитель и образовавшийся в клетках раствор. Однако отсюда нельзя делать вывод о целесообразности возможно тонкого измельчения извлекаемых объектов.

В тонкоизмельченных растительных материалах большое число клеток оказывается разрушенным вследствие повреждения их оболочек. Из вскрытых клеток при обработке их жидкостями механически вымываются не только растворимые, но и нерастворимые вещества: крахмальные зерна, мелкие обрывки тканей, коагулянты белковых тел и т. п. В результате полученное извлечение оказывается загрязненным большим количеством трудно удаляемых мелких и мельчайших хлопьев. Кроме того, тонкоизмельченные материалы с сильно поврежденным целлюлозным скелетом отличаются способностью к набуханию, сопровождающемуся большими потерями жидкости и частым слипанием растительных порошков в плотные ослизняющиеся комки, трудно проницаемые для растворителя.

Во избежание подобных осложнений при экстрагировании клеточных материалов и получения недоброкачественных вытяжек на практике вместо нецелесообразного применения тонкоизмельченных материалов применяют порошки средней крупности с поперечником 5 мм, а в отдельных случаях - даже 10 мм по наибольшему поперечнику.

По предписанию ГФХ (статья № 349), для приготовления  водных извлечений семена и плоды измельчают до частиц размером не более 0,5 мм, стебли, кору, корни и корневища - не более 3 мм, листья, цветки и травы - до частиц размером не более 5 мм.

Большинство цветков (ромашка, бузина, коровяк, тысячелистник, мальва, лаванда) экстрагируется измельченными вследствие малых размеров или легкой проницаемости для воды и чрезмерного крошения при изрезывании. Однако цветки подсолнечника, соцветия липы и арники, отличающиеся крупными размерами, должны изрезываться аналогично большинству растительных материалов.

Кора дуба и крушины ломкой достаточно хорошо экстрагируются водой при изрезывании до частиц размером 3-5 мм в поперечнике, тогда как кора гранатника должна превращаться в крупный порошок. Материалы, содержащие экстрагируемые соединения, находящиеся в наружных слоях покровных оболочек (слизь в семенах льна и айвы), экстрагируются в измельченном виде.

Качество получаемых вытяжек в значительной мере зависит не только от степени, но и от способа измельчения растительных материалов.

Растительные материалы, содержащие большое количество слизей, коллоидов и других набухающих веществ, рационально измельчать на корнетраворезках таким образом, чтобы срезы их по возможности были гладкими. Растительные материалы, содержащие дубильные вещества, целесообразно измельчать поперёк волокон (клетки, имеющие удлиненную веретенообразную форму, при поперечном измельчении вскрывается их большее количество, что обеспечивает доступ экстрагента). Многие растительные материалы целесообразно измельчать таким образом, чтобы поверхность среза была рваной (увеличивается количество вскрытых клеток, поэтому экстракция протекает значительно быстрее, но в жидкость переходит и много нерастворимых веществ).

Для интенсификации процесса экстрагирования для семян и плодов рекомендован комбинированный способ измельчения: сначала на молотковой или ударно-центробежной мельнице, а затем на валковой дробилке до размера частиц 0,1 – 0,2 мм.