Интенсификация процесса экстрагирования
По мере развития производства экстракционных препаратов совершенствуются и разрабатываются более эффективные способы обработки лекарственного растительного сырья.
Интенсификация методов экстрагирования осуществляется созданием колебательного движения системы твердое тело – жидкость в звуковом или ультразвуковом диапазонах. Это приводит к изменению гидродинамических условий. Частицы среды подвергаются сильным механическим и гидродинамическим ударам, что способствует усилению капиллярного эффекта, внутренней и внешней диффузии и, следовательно, ускорению процесса массообмена.
С целью повышения эффективности извлечения действующих веществ из сырья, экстрагирование проводят в турбулентном потоке экстрагента, при вибрации, пульсации жидкости через слой сырья, с применением ультразвука, электрической обработки материала и т.д.
ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ. Сущность метода заключается в следующем: экстрагент под действием центробежной силы проходит через слой измельченного растительного сырья, расположенного по периферии.
Аппаратурное оснащение процесса: фильтрующая центрифуга.
Достоинства метода: максимальное истощение сырья за короткое время.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты.
Применение метода: на крупных заводах для получения извлечения при производстве настоек, жидких, густых и сухих экстрактов в больших количествах.
ТУРБОЭКСТРАКЦИЯ (ВИХРЕВАЯ ЭКСТРАКЦИЯ). Метод вихревой экстракции впервые предложен чешским ученым в 1953 г.
Сущность метода заключается в следующем: сырье в среде экстрагента интенсивно перемешивается и одновременно измельчается с помощью быстроходных мешалок, снабженных острыми лопастями. Скорость вращения мешалок от 4000 до 15000 об\мин. В процессе экстрагирования в таких условиях изменяется способ обтекания частиц сырья экстрагентом, толщина ламинарного слоя становится минимальной (слой почти исчезает), конвективная диффузия протекает мгновенно. Высокая скорость перемешивания создает условия неравномерного давления на поток обрабатываемой смеси. В системе возникает эффект кавитации и пульсации, что положительно сказывается на скорости внутренней диффузии. Время экстрагирования материала сокращается до нескольких минут.
Аппаратурное оснащение процесса: экстрактор с паровой рубашкой, позволяющей поддерживать оптимальный температурный режим экстрагирования, и быстроходной мешалкой.
Достоинства метода: максимальное истощение сырья за короткое время.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты, а также повышение температуры при работе мешалок, что может влиять на сохранность действующих веществ и приводить к потере экстрагента. Кроме того, дополнительное измельчение растительного материала не всегда желательно, так как может произойти загрязнение извлечения мелкими частичками растительного материала и осложниться ее очистка.
Применение метода: на крупных заводах для получения извлечения при производстве настоек, жидких, густых и сухих экстрактов в больших количествах.
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ СЫРЬЯ НА РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОМ АППАРАТЕ. Сущность метода заключается в следующем: сырье и экстрагент многократно циркулируют через установку с роторно-пульсационным аппаратом (РПА), при этом отмечается интенсивное механическое воздействие на частицы сырья, возникает эффективная турбулизация и пульсация потока в результате чего повышается выход БАВ и уменьшается время экстрагирования.
Аппаратурное оснащение процесса: установка, состоящая из экстрактора с паровой рубашкой, шнекового питателя, РПА (рис. 34).
|
Рис. 34. Установка с РПА (Л.А. Иванова, 1991)
В технологической схеме РПА (1), работающий от электродвигателя (4) установлен в циркуляционном контуре, замкнутом на экстрактор (2) с мешалкой. Экстрактор и трубы циркуляционного контура могут быть снабжены паровой рубашкой для нагревания или охлаждения обрабатываемой среды.
РПА состоит из корпуса – статора с патрубками для входа и выхода обрабатываемого материала. Внутри корпуса находится ротор с закрепленными на нем перфорированными цилиндрами, имеющими прорези. На крышке корпуса расположено такое же число аналогичных неподвижных цилиндров. При вращении ротора с цилиндрами, последние проходят между цилиндрами статора, радиальный зазор между которыми может быть от 0,25 до 2 мм. В каждом отдельном случае расстояние между цилиндрами подбирается с учетом технологических требований и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Частота вращения ротора – 800-4000 об\ мин, число прорезей в цилиндрах – от 5 до 40, ширина от 5 до 40 мм. Вместо цилиндров на статоре и роторе иногда устанавливают концентрически расположенные зубья, в полости ротора – лопасти или ножи для измельчения крупных частиц твердой фазы.
Сырье загружают на ложное дно экстрактора и заливают экстрагентом. При работе РПА жидкая фаза поступает в него из нижней части экстрактора, а сырье подается и дозируется шнеком – питателем (3), установленным на торце над его днищем. Из РПА пульпа поднимается вверх и через штуцер в крышке экстрактора вновь заполняет его. Процесс повторяется до получения концентрированного извлечения. При использовании РПА происходит совмещение операций экстрагирования и диспергирования. Это в ряде случаев позволяет исключить предварительное измельчение сырья и значительно сократить материальные потери РПА, дает возможность интенсифицировать процесс экстрагирования сырья. В качестве экстрагентов применяют дихлорэтан, метилен хлористый, масла растительные и минеральные.
Достоинства метода: экстрагирование вместе с РПА сокращает время, затрачиваемое на производство экстракционных препаратов, в 1,5 – 2 раза и позволяет достигнуть максимального истощения сырья.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты, а также повышение температуры при работе РПА, что может влиять на сохранность действующих веществ и приводить к потере экстрагента. Кроме того, дополнительное измельчение растительного материала не всегда желательно, так как может произойти загрязнение вытяжки мелкими частичками растительного материала и осложниться ее очистка.
Применение метода: на крупных заводах для получения извлечения при производстве масла облепихового, настоек календулы, валерианы, танина из листьев скумпии и чернильных орешков, комплекса каратиноидов из плодов шиповника, оксиметилантрахинонов из коры крушины ломкой и других препаратов.
Для экстрагирования лекарственного сырья предложена технология, включающая работу нескольких РПА и аппаратов для разделения твердой и жидкой фаз (Рис. 35). Установка состоит из трех ступеней, каждая из которых представляет собой сочетание трех элементов: экстрактора с мешалкой, РПА и центрифуги. Она может периодически и непрерывно. Сырье поступает в РПА (3) из бункера (1) с помощью шнека (2), на него подается промежуточный экстракт из центрифуги (9). После измельчения в среде экстрагента смесь передается в экстрактор (4) первой ступени установки, соединенной с РПА (5), часть ее поступает в центрифугу (6), из которой получают готовый продукт. Шрот и одновременно экстракт из третьей ступени установки и центрифуги (12) направляется в экстрактор (7). После циркуляции через РПА (8) обрабатываемый материал попадает в центрифугу (9), экстракт – в РПА (3), а шрот вместе со свежим экстрагентом – в экстрактор (10), затем через РПА (11) в центрифугу (12), а оттуда – в экстрактор (7). Обработанное сырье удаляется из установки.
|
Рис. 35. Установка с несколькими РПА (Л.А. Иванова, 1991)
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА. Сущность метода заключается в следующем: при экстрагировании источник УЗ помещают в обрабатываемую среду в экстрактор. Возникающие при этом ультразвуковые волны создают знакопеременное давление, кавитацию и «звуковой ветер». В результате происходит ускорение пропитки материала и растворение содержимого клетки, увеличение скорости обтекания частиц сырья, в пограничном диффузионном слое экстрагента образуются турбулентные и вихревые потоки. Молекулярная диффузия внутри растительного материала и в диффузионном слое практически сменяется на конвективную, что приводит к интенсификации массообменных процессов. Возникновение кавитации вызывает разрушение клеточных структур. Ускорение процесса экстрагирования в данном случае происходит за счет вымывания экстрактивных веществ из клеток и тканей растительного материала. При озвучивании вытяжку можно получить в течение нескольких минут.
Большое значение при ультразвуковом экстрагировании имеет определение оптимальных параметров процесса: интенсификация и экспозиция озвучивания, выбор экстрагента, удельная нагрузка (соотношение сырья и экстрагента). Особое внимание уделяется степени перемешивания материала, которое осуществляется путем подведения частиц к излучающей поверхности, числу экстракторов и их расположению. От этого зависит скорость процесса, которая может составлять 1,5-2 мин. При экстрагировании с помощью ультразвука рекомендуется поддерживать температуру не выше 30-60°С, во избежании образования пузырьков воздуха, рассеивающих ультразвуковые волны. В качестве экстрагента рекомендуется водно - этанольные смеси с высокой концентрацией этанола, который способен ингибировать окислительно-восстановительные реакции, возникающие в ультразвуковом поле. В качестве средств, задерживающих кавитацию и связанные с ней деструктивные изменения действующих веществ, предлагается в обрабатываемую среду добавлять ПАВ.
Для большинства видов лекарственного растительного сырья наиболее рациональной является интенсивность УЗ в пределах 1,5-2,3 Вт/см и минимальное время озвучивания.
Аппаратурное оснащение процесса: экстрактор, внутри которого установлен источник ультразвука.
Достоинства метода: экстрагирование с использованием УЗ сокращает время, затрачиваемое на производство экстракционных препаратов, и позволяет достигнуть максимального истощения сырья.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты, а также УЗ не является индифферентным агентом по отношению к действующим веществам: может вызывать кавитацию, ионизацию молекул, изменять свойства биологически активных веществ, понижать или усиливать их терапевтическую эффективность, применение его требует тщательного экспериментального исследования.
Применение метода: на крупных заводах для получения извлечения при производстве галеновых и новогаленовых препаратов.
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ. Сущность метода заключается в следующем: при экстрагировании внутрь экстрактора с обрабатываемым материалом помещают электроды, к которым поступает импульсивный ток высокой или ультравысокой частоты. Под воздействием электрического разряда в экстрагируемой смеси возникают ударные волны, создающее высокое импульсивное давление. Происходит импульсивное перемешивание обрабатываемой смеси, истончается или просто исчезает диффузионный пристенный слой и возрастает коэффициент конвективной диффузии. Возникновение ударных волн способствует проникновению экстрагента внутрь клетки. Создаются условия для быстрого протекания внутриклеточной диффузии. В результате искрового разряда в жидкости образуются плазменные каверны, расширяясь, они достигают максимального объема и захлопываются. При этом за короткий промежуток времени в малом пространстве выделяется большое количество энергии и происходит микровзрыв, разрывающий клеточные структуры растительного материала. Процесс ускоряется за счет вымывания экстрактивных веществ из разрушенных клеток. Кроме того, образовавшиеся полости за время своего существования постоянно пульсируют, вызывая увеличение скорости движения жидкости около сырья и ускоряя процесс экстрагирования за счет увеличения коэффициента конвективной диффузии.
Существенное значение при воздействии на сырье электрического тока имеет мощность и длительность электрического импульса. На процесс экстрагирования оказывает, и число разрядов в единицу времени.
Аппаратурное оснащение процесса: экстрактор, внутри которого помещены электроды ( Рис. 36).
|
Рис. 36. Электроплазмолизатор импульсный (Л.А. Иванова, 1991)
Достоинства метода: электрическая энергия непосредственно преобразуется в энергию колебательного движения жидкости. Возникающие в жидкости акустические колебания широкого спектра частот и амплитуд значительно сокращает время процесса экстрагирования и повышают выход биологически активных веществ.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты, а также электроимпульсные разряды не являются индифферентным агентом по отношению к действующим веществам, так как могут усиливать или уменьшать терапевтическую эффективность биологически активных веществ.
Применение метода: на крупных заводах для получения препаратов из свежего растительного и животного сырья.
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОПЛАЗМОЛИЗА. Электроплазмолиз – нарушение избирательной проницаемости свежего растительного сырья при обработке электрическим током низкой и высокой частоты. Данный метод используется для получения экстракционных препаратов из свежего растительного сырья.
Сущность метода заключается в следующем: свежесобранное измельченное растительное сырье помещается в электроплазмолизатор, электрический ток разрушающе воздействует на белково-липидные мембраны растительных тканей с сохранением целостности клеточных оболочек, стенка клетки теряет избирательную проницаемость, приобретает свойства полупроницаемой мембраны и из сырья начинает интенсивно выделяется сок. При этом выход сока, обогащенного действующими веществами и содержащего лишь небольшое количество сопутствующих веществ, значительно увеличивается.
Аппаратурное оснащение процесса: специальные устройства – электроплазмолизаторы, снабженные подвижными и неподвижными электродами (Рис. 36).
Электроплазмолизатор с подвижными электродами системы Флауменбаума – Яблочкина. Принципиальным отличием данного аппарата является наличие двух горизонтальных вальцов – электродов, которые вращаются навстречу друг другу. На вальцы подается электрический ток от сети, напряжением 220 В. Свежее растительное сырье поступает на вальцы из бункера, сок собирается в приемник. При этом выход увеличивается на 20-25% по сравнению с использованием традиционных методов.
Электроплазмолизатор импульсный с неподвижными электродами. Данный аппарат представляет собой камеру с перфорированным дном, подвижной крышкой и неподвижными электродами, которые монтируются непосредственно в камере у боковых стенок. Подача тока высокого напряжения осуществляется импульсами через несколько минут после прессования сырья опусканием подвижной крышки, которая, опускаясь, отжимает лекарственное сырье. Время обработки сырья электрическим током составляет доли секунды.
Достоинства метода: электрическая энергия непосредственно преобразуется в энергию колебательного движения жидкости. Возникающие в жидкости акустические колебания широкого спектра частот и амплитуд значительно сокращает время процесса экстрагирования, и повышают выход биологически активных веществ.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты, а также электроимпульсные разряды не являются индифферентным агентом по отношению к действующим веществам, так как могут усиливать или уменьшать терапевтическую эффективность биологически активных веществ.
Применение метода: на крупных заводах для получения препаратов из свежего растительного и животного сырья.
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА. Роль полупроницаемой мембраны в данном методе выполняют оболочки клеток растительного сырья. Движущей силой процесса в данном случае является разность концентраций экстрагируемых веществ по обе стороны полупроницаемой перегородки.
Сущность метода заключается в следующем: под действием электрического тока изменяются электрические потенциалы поверхности материала, улучшается его смачиваемость, ускоряется движение ионов биологически активных веществ в полости клеток и в капиллярах клеточных оболочек. Вследствие этого увеличивается коэффициент внутренней диффузии. увеличивается выход БАВ являющихся электролитами.
Аппаратурное оснащение процесса: установка для экстрагирования БАВ (в частности, алкалоидов), состоящая из экстрактора 1, перфорированного ложного дна (катода) 2, фильтровального материала 3 и стальной пластины с анодами 4 (рис.37).
Экстрактор данного типа изготовлен из электронепроводящего материала (дерева, пластика), имеет коническое днище из нержавеющей стали, над которым помещается стальная перфорированная пластина, служащая катодом.. На пластинку, покрытую фильтрующим материалом, загружается предварительно замоченное сырье, на которое опускается крышка или рама, обтянутая полотном, с вмонтированными графитными анодами. Электроды присоединяются к источнику постоянного тока (15 А, плотность на катоде 0,6 А/м, напряжение 0,8В/см). При непрерывном поступлении экстрагента на получение готового продукта затрачивается в два раза меньше времени по сравнению с другими методами экстрагирования.
|
Рис. 37. Установка для экстрагирования алкалоидов (Л.А. Иванова, 1991)
Достоинства метода: электрическая энергия непосредственно преобразуется в энергию колебательного движения жидкости. Возникающие в жидкости акустические колебания широкого спектра частот и амплитуд значительно сокращает время процесса экстрагирования, и повышают выход биологически активных веществ.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты, а также электроимпульсные разряды не являются индифферентным агентом по отношению к действующим веществам, так как могут усиливать или уменьшать терапевтическую эффективность биологически активных веществ.
Применение метода: на крупных заводах для получения препаратов из свежего растительного и животного сырья. А также для повышения выхода БАВ являющихся электролитами (например, алкалоидов) и сокращения времени экстрагирования.
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ СЖИЖЕННЫМ УГЛЕРОДА ДИОКСИДОМ. Сущность метода заключается в: экстрагировании растительного материала сжиженным углерода диоксидом с дальнейшим испарением экстрагента и получением концентрата суммы извлекаемых БАВ.
Аппаратурное оснажение процесса: камера для замачивания ЛРС, камера для измельчения ЛРС, установка для экстракции сырья сжиженным углекислым газом.
Экстрагируемое лекарственное растительное сырье загружают в контейнер, представляющий собой сетчатую емкость, поступает сначала в камеру для замачивания сжиженным газом (углерода диоксидом) под давлением 5,8-6.0 Н/м. Стадия пропитки проходит при температуре 18-25ºС в течение нескольких минут. Затем оно подается в камеру измельчения с пониженным давлением. В результате разности давлений внутри твердого материала и на поверхности происходит взрыв, разрывающий его на мелкие куски. Этому способствует также образование кристалликов льда в порах и трещинах экстрагируемого сырья из паров воды и углерода диоксида. Далее сырье поступает в экстракторы (Рис.38) 1,2,3 через загрузочные лазы 8,9,10, которые затем герметично закрывают. Сжиженный углекислый газ из сборника 4 поступает в экстракторы сверху через вентили 15,16,17 при закрытых нижних вентилях экстракторов 18,19,20, которые открываются после того, как растворитель образует над сырьем зеркало. Извлечения, поступающие из всех экстракторов, объединяются после фильтрации в сборнике 5, после чего поступают в испаритель 6 для удаления экстрагента. Пары растворителя в конденсаторе вновь превращаются в жидкость, которая далее снова используется для экстракции. Готовый продукт (экстракт) собирают из испарителя после открытия запорного вентиля. Процесс экстракции осуществляется при рабочем давлении 55-56 атм и температуре 20-250С. Отработанное сырье разгружается через люки 11,12,13.
|
Рис.38. Установка для экстракции растительного сырья сжиженным углекислым газом. (И.А. Муравьев, 1980)
Достоинства метода: как правило, экстракты, полученные с использованием сжиженного углерода диоксида, отличаются более высоким содержанием биологически активных веществ, устойчивостью при хранении, устойчивостью к микробной контаминации.
Недостатки метода: дороговизна оборудования и энергозатраты.
Применение метода: на крупных заводах для получения препаратов из растительного сырья, содержащего эфирные масла, полифенольные соединения, алкалоиды и гликозиды. Следует отметить, что экстракты, получаемые из эфиромасличного сырья, представляют собой маслянистые жидкости различной консистенции, цвет и запах которых зависят от исходного сырья.