ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

где β – коэффициент конвективной диффузии (м2/с); который тем выше, чем интенсивнее перемешивание.

Обычно коэффициент конвективной диффузии β во много раз больше к о- эффициента молекулярной диффузии D.

Суммарный процесс переноса вещества из частицы материала в экстрагент выражается основным уравнением массопередачи:

где К – коэффициент массопередачи (м2/с), который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения:

Анализ уравнений (8.1-8.7) показывает, что процесс экстрагирования зависит от многих факторов, основными из которых являются: гидродинамические условия, поверхность раздела фаз, разность концентраций, продолжительность процесса и метод извлечения, вязкость экстрагента, температура. Кроме того, на полноту и скорость извлечения влияют: добавление поверхностно-активных веществ, характер загрузки сырья, выбор экстрагента, пористость и порозность сырья, коэффициент вымывания, воздействие вибраций, пульсаций, электроимпульсный разряд в жидкой среде, измельчение и деформация сырья в экстрагенте. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.

8.1.3. Основные факторы, влияющие на полноту и скорость экстрагирования

Гидродинамические условия. Общеизвестно, что диффузия в жидкостях без посторонних влияний протекает довольно медленно. Чтобы ускорить процесс экстрагирования используют различные способы интенсификации процесса, в том числе и перемешивание. Это приводит к тому, что концентрированные слои жидкости поднимаются в верхние слои, а чистый экстрагент или менее концентрированное извлечение входит в соприкосновение с растительным материалом. При этом создается разность концентраций раствора внутри клеток и в соприкасающейся жидкости, что ускоряет процесс экстракции лекарственных веществ из растительного сырья.

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

При этом коэффициент массопередачи К определяется из уравнения (8.7), включает коэффициенты всех видов диффузии и может изменяться в зависимости от гидродинамических условий процесса. Так, при отсутствии конвекции, (т.е. без перемешивания) коэффициент конвективной диффузии β равен нулю, а толщина диффузионного слоя d становится равной толщине всего слоя экстрагента (рис. 8.3). Следовательно, третья стадия экстрагирования отпадает, а коэф-

фициент массопередачи определяется только внутренней диффузией в сырье Dвн и молекулярной диффузией в неподвижной жидкости, и имеет вид:

Рис. 8.3. Схема процесса экстрагирования без перемешивания Такое явление наблюдается при мацерации (настаивании) без перемеши-

вания. Этот способ экстрагирования самый продолжительный.

В том случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех стадий процесса и имеет вид уравнения (8.7). Скорость этого способа экстракции выше, т.к. уменьшается слой неподвижной жидкости, появляются конвекционные токи, способствующие переносу вещества. Такой режим экстрагирования характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей реперколяции, непрерывной противоточной экстракции и др.

И, наконец, при очень интенсивном перемешивании могут отсутствовать вторая и третья стадии диффузионного пути. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т.е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно, третье слагаемое в знаменателе уравнения (8.7) отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина пограничного диффузионного слоя d, поэтому второе слагаемое в знаменателе уравнения также будет отсутствовать. Второе и третье слагаемые могут отсутствовать, но наличие первого неотделимо от самого существа процесса экстракции из сырья с клеточной структурой. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного материала и имеет вид:

Такой вид зависимости для коэффициента массопередачи справедлив для вихревой экстракции и экстрагирования с применением роторно-пульсационного аппарата и др.

Рис. 8.4. Схема экстрагирования при интенсивном перемешивании В последнее время предложено экстрагирование с применением ультра-

звука, с помощью электрических зарядов с использованием электроплазмолиза и электродиализа. В этих случаях появляется возможность влиять на коэффициент внутренней диффузии Dвн, что позволяет значительно ускорить процесс экстрагирования на самой его медленной стадии.

Поверхность раздела фаз (F). Из приведенных формул (8.3 –8.7) видно, чем больше поверхность соприкосновения между фазами, тем скорее протекает диффузия. Скорость диффузии в системе твердое тело – жидкость зависит от степени измельчения сырья и будет тем больше, чем меньше его частички. Однако на практике известно, что при чрезмерно тонком измельчении сырье может слеживаться, а при содержании слизистых веществ – ослизняться, в результате чего через такие массы экстрагент будет проходить очень медленно. При слишком тонком измельчении резко увеличивается количество разрушенных клеток, что приводит к вымыванию сопутствующих веществ, загрязняющих вытяжку (белки, слизи, пектины и др. высокомолекулярные соединения). Кроме того, в экстрагент переходит большое количество взвешенных частиц. В результате вытяжки получаются мутные, трудно осветляемые и плохо фильтруемые.

При использовании более крупных частиц растительного материала этих отрицательных явлений не наблюдается. Но при этом процесс экстрагирования

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

замедляется, и количество извлеченных веществ за тот же период времени будет гораздо меньше.

Однако и сам метод измельчения также играет большую роль. Hапpимеp, танниды содержатся в древесине дуба в клетках в виде трубок, сопутствующих пучкам сосудов. Каждая трубка представляет собой отдельную, вытянутую в длину веpетенообpазную клетку длиной 18-20 мм, диаметром 0,025 – 0,164 мм. При дроблении древесины поперек волокна толщиной 3-5 мм практически вскрываются почти все пучки, благодаря чему удается извлечь максимальное количество таннидов. Если измельчение проводить вдоль волокон, при тех же pазмеpах, то, естественно, таннидов экстрагируется значительно меньше. Обычно оптимальная степень измельчения для каждого отдельного растительного сырья зависит: от химического состава БАВ, анатомического строения, локализации веществ и метода измельчения растительного материала, а также от свойств и количества применяемого экстрагента и метода экстрагирования.

Отсюда следует, что крупное сырье следует измельчать до оптимальных размеров частиц приблизительно от 1 до 5 мм. При этом в исходном материале будет сохраняться клеточная структура и будут преобладать диффузионные процессы. Экстрагирование замедлится, но полученная вытяжка будет содержать меньше механических примесей и будет легче очищаться.

Наиболее распространенные методы и оборудование для измельчения ЛРС приведены в главе 3 «Сборы, чаи, порошки».

Сегодня из всех существующих способов измельчения одним из самых перспективных является криодробление (от англ. cryo-grincling). Эта технология дает возможность предотвратить разрушение БАВ в процессе измельчения. Являясь революционной технологией в области фитотерапии, такой способ измельчения впервые был применен в 1982 году. Криодробление представляет собой процесс измельчения сырья до пылевидного состояния при низких температурах в среде инертного газа. Важнейшее преимущество криоизмельчения перед всеми другими видами измельчения в том, что оно позволяет полностью сохранять БАВ растительного сырья.

Коэффициент вымывания. Он характеризует степень разрушенных клеток в измельченном сырье. Если он низкий, это значит, что в сырье мало разр у- шенных клеток, экстрагирование идет медленно и определяется в основном скоростью молекулярной диффузии. За величину коэффициента вымывания прини-

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

мают количество веществ в вытяжке, полученное из определенной навески сырья, при определенном соотношении (сырье – экстрагент) при экстрагировании сырья в течение одного часа при определенной скорости перемешивания.

Разность концентраций в сырье С1 и экстрагенте С4 является движущей силой процесса экстракции. Во время экстракции необходимо стремиться к максимальному перепаду концентраций, что достигается более частой сменой экстрагента (ремацерация вместо мацерации), проведением противоточного процесса и др.

Время (продолжительность) экстрагирования. Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, пpодиффундиpовавшего через некоторый слой, прямо пpопоpционально времени экстракции. Однако нужно стремиться к максимальной полноте извлечения в кратчайший срок, максимально используя все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса.

Чрезмерная продолжительность извлечения приводит к загрязнению вытяжек сопутствующими высокомолекулярными соединениями, скорость диффузии которых значительно меньше, чем у биологически активных веществ. При длительном экстрагировании могут протекать нежелательные процессы под влиянием ферментов. Общая продолжительность экстракции зачастую определяется экономическими соображениями. При этом бывает целесообразно прекратить процесс в какой-то момент, учитывая, что дополнительно извлеченные количества веществ не окупят избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов (спирт, эфир).

При длительном контакте экстрагента с сырьем наблюдается, в некоторых случаях, явление десорбции, т.е. БАВ из извлечения сорбируются растительными клетками и тканями, что приводит к снижению их концентрации в извлечении.

Особенности анатомического строения сырья. Как указывалось ранее,

для экстрагирования применяют преимущественно высушенные растения. При экстрагировании экстрагент проникает через клеточные стенки, вытесняя оттуда воздух и растворяя находящиеся там вещества. Также известно, что процесс прохождения жидкости через пористые перегородки протекает различно. Hапpимеp, через тонкостенные паpенхимные клеточные оболочки, отличающиеся своей нежностью (травянистые части растений, листья, цветы), экстрагент и находящиеся в нем в молекуляpно -диспеpсном состоянии вещества диффундируют относительно легко. Если же стенки клеток толстые, одревесневшие, пропитанные проб-

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

кой, лубом или гидрофобными веществами (церином, кутином, смолой и т.д.), то диффузия или диализ протекает относительно медленно, а иногда почти не происходит.

Кроме того, на скорость и полноту экстрагирования (диффузии, осмоса и диализа) в значительной степени влияет и анатомическое строение растительных материалов, имеющих длинные растянутые клетки, множество межклеточных ходов, сосудов и т.д.

На процесс экстрагирования влияет наличие живой плазмы. Плазма у живых растений заполняет в молодых клетках всю внутреннюю их полость, а в более старых клетках она выстилает всю внутреннюю поверхность клеточной оболочки в виде более или менее толстого слоя. Эта пленка плазмы коллоидного происхождения препятствует процессу экстрагирования.

Кроме того, у клетки имеется целлюлозная оболочка, которая относится к непроницаемым мембранам, через которые диффундируют только молекуляpнодиспеpсные частицы. Но какая бы ни была мембрана, она всегда замедляет, а иногда и совсем приостанавливает диффузию. Следовательно, коэффициент диффузии через мембрану будет всегда меньше коэффициента диффузии для чистой жидкости.

Особенности химического строения экстрактивных веществ. В расти-

тельном материале находятся самые разнообразные вещества, в том числе и коллоиды (белки, пектиновые вещества и дp.), которые заряжены отрицательно. Такие коллоиды представляют своеобразные анионы, которым в растворе должно соответствовать эквивалентное количество катионов (К+, Na+ и дp.). Мицеллы коллоидов сами не способны диффундировать через клеточную мембрану, удерживая соответствующую часть катионов. Диффузия связанных катионов может происходить лишь при гидролизе солеобpазного соединения мицеллы с катионом.

Вследствие этих причин внутриклеточный сок обычно бывает более кислым, чем полученное извлечение, а экстрагирование электролитов, например, алкалоидов, происходит не полностью.

Из уравнения (8.3) видно, что скорость диффузии прямо пропорциональна коэффициенту Dвн, который, в свою очередь зависит от величины молекулы (r) БАВ. Из этого вытекает, что в извлечения будут переходить в большом колич е- стве вещества, имеющие небольшой молекулярный вес. Потом количество их постепенно будет уменьшаться, а количество веществ с большим молекулярным

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

весом будет возрастать. При очень продолжительном настаивании в извлечение будут переходить вещества с очень большим молекулярным весом.

Если же нужными лекарственными веществами являются соли, то продолжительное экстрагирование растительного материала оказывается вредным, так как при этом в извлечение будут переходить преимущественно белки, пектины, коллоиды и т.п. вещества с большим молекулярным весом, диффундирующие очень медленно. Следовательно, в извлечение может перейти большое количество балластных веществ, которые потом нужно будет удалять.

Пористость и порозность сырья. Пористость сырья – это величина пус-

тот внутри растительной ткани. Чем она выше, тем больше образуется внутреннего сока при набухании. Порозность – это величина пустот между кусочками измельченного материала. 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. Пористость и порозность сырья обусловливают его поглощающую способность, которая характеризуется коэффициентом поглощения сырья Кп:

где Р1 и Р2 - соответственно масса сырья до и после набухания. Поглощающая способность сырья, находится в прямой зависимости от

степени его измельчения.

Выбор экстрагента. Экстрагент в процессе экстракции играет особо важную роль. Он должен обладать способностью проникать через стенки клетки, избирательно растворять внутри клетки “нужные” лекарственные вещества, после чего растворенным веществам вместе с экстрагентом необходимо пройти через различные оболочки и выйти за пределы растительного материала.

Как известно, в растениях имеются большое количество самых разнообразных веществ, обладающих противоположным фармакологическим действием. При неправильном выборе экстрагента вместо БАВ можно получить другие соединения. Поэтому правильный выбор экстрагента для получения доброкачественного извлечения крайне важен. Скорость экстрагирования одних и тех же веществ зависит также от значений pH экстрагента.

Особо важную роль в экстрагировании играет химическая чистота экстрагента. Весьма неблагоприятно в некоторых случаях на экстрагирование влияют

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

двууглекислые соли кальция и магния, присутствующие в воде. Жесткая вода извлекает таннидов на 2-3% меньше, чем очищенная вода в тех же условиях. Соли кальция могут образовывать с кислотами или другими веществами, находящимися в растениях, нерастворимые соединения, препятствующие извлечению БАВ. Жесткость воды может играть особенно отрицательную роль при извлечении гликозидов, солей алкалоидов и других лекарственных веществ.

При хорошей смачиваемости растительного сырья экстрагент более быстро достигает внутренних частей материала и извлекает из него лекарственные вещества. Если же растительный материал не смачивается экстрагентом, то экстрагирования не происходит. Например, если клетки растений пропитаны маслом, смолой или каким-либо другим гидрофобным веществом, то вода, несмотря на существующие капилляры, не может проникнуть внутрь растительной клетки и извлечь оттуда нужные вещества.

Очень интересное явление было открыто русским ученым М.С. Цветом. Известно, что хлорофилл растворяется в эфире и в других подобных экстрагентах. Но эти экстрагенты не могут экстрагировать хлорофилл из клеток растений. Если же к экстрагенту добавить 5-20% спирта, то экстрагирование будет протекать нормально. Это объясняется тем, что чистый эфир не способен десорбировать растворенные вещества от стенок клеток и вообще от нерастворившегося растительного материала.

При выборе экстрагента следует считаться не только с его ценой, но и с его физическими свойствами (плотность, теплоемкость, температура кипения, температура воспламенения, вязкость, температура парообразования и т.д.).

Выбор экстрагента определяется степенью гидрофильности извлекаемых веществ. Для экстрагирования полярных веществ с высоким значением диэлектрической постоянной используют полярные растворители: воду, метанол, гли-

церин; 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. Для экстрагирования гидрофобных БАВ иногда используют рафинированные растительные масла, полученные методом холодного прессования.

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

Перспективными в этом отношении являются используемые в последнее время сжиженные газы – углерода диоксид (СО2), пропан, бутан, жидкий аммиак и др. наиболее часто используют сжиженный углерода диоксид, который химически индифферентен к большому числу действующих веществ. Его вязкость в 14 раз меньше вязкости воды и в 5 раз меньше – вязкости этанола. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.).

Важными физическими свойствами экстрагента, оказывающими существенное влияние на скорость процесса, является поверхностное натяжение и вязкость. По закону Фика, количество растворенного вещества, продиффундировавшего через некоторый слой экстрагента, обратно пропорционально вязкости этого экстрагента при данной температуре. Следовательно, менее вязкие растворы обладают большей диффузионной способностью. Для уменьшения вязкости при экстрагировании растительными маслами используют подогрев.

Температура и давление. Как видно из формулы (8.1), повышение температуры ускоряет процесс экстрагирования, но в условиях фитохимических производств подогрев используют только для водных и масляных извлечений. Спиртовая и тем более эфирная экстракция проводится при комнатной (или более низкой) температуре, поскольку с ее повышением увеличиваются потери экстрагентов, а, следовательно, вредность и опасность работы с ними.

Для некоторых термолабильных веществ применение горячего экстрагента допустимо лишь в течение коротких отрезков времени. Повышение температуры экстрагента нежелательно для эфиромасличного сырья, поскольку при нагревании эфирные масла в значительной степени теряются. Необходимо учитывать, что при использовании горячей воды происходит клейстеризация крахмала, пептизация веществ; вытяжки в этом случае становятся слизистыми и дальнейшая работа с ними значительно затрудняется. Повышение температуры целесообразно при экстрагировании из корней, корневищ, коры и кожных листьев. Горячая вода в этом случае способствует лучшему отделению тканей и разрыву клеточных стенок, ускоряя тем самым течение диффузионного процесса.

Влияние давления на процесс экстракции пока мало изучен, вследствие чего в литературе встречаются противоречивые сведения. Тем не менее, создание

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

вакуума или давления требует более сложного аппаратурного оснащения процесса экстракции, что в значительной мере сделает процесс более дорогим.

Добавка поверхностно-активных веществ (ПАВ). Экспериментально было установлено, что добавление небольших количеств ПАВ (0,01-0,1%) улучшает процесс экстрагирования. При этом увеличивается количество экстрагируемых веществ – алкалоидов, гликозидов, эфирных масел и др., а в некоторых случаях полнота извлечения достигается при меньшем объеме экстрагента. Добавки ПАВ снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, улучшая смачиваемость содержимого клетки и облегчая проникновение экстрагента. Кроме того, существенную роль играет солюбилизирующая способность ПАВ.

Характер загрузки сырья в экстракторы должен быть оптимальным, способствующим омыванию экстрагентом каждой частички сырья. При слишком плотной укладке – экстрагент не будет проходить через весь слой сырья и извлекать БАВ. При слишком рыхлой укладке между частицами сырья будет большое количество экстрагента и потому извлечения не будут насыщенными, т.е. не будет использована полностью экстрагирующая способность экстрагента.

Способ подачи экстрагента существенно влияет на полноту истощения БАВ. Так, при заливе слоя сырья экстрагентом извлечение заканчивается при достижении равновесной концентрации, при этом в сырье еще будет находиться определенное количество БАВ. Если этот же объем экстрагента разделить на порции (как при дробной мацерации), то степень истощения БАВ из сырья будет выше, т.к. каждый раз заливают порцию свежего экстрагента и будет возникать разность концентраций БАВ в экстрагенте и сырье. Еще большего истощения сырья можно добиться, подавая на сырье свежие порции экстрагента, который процеживается через сырье. При этом нижняя подача экстрагента позволяет добиться большего истощения сырья, т.к. в этом случае не будет воздушных зон, экстрагент будет равномерно омывать каждую частичку сырья по всему сечению аппарата, устраняя при этом поперечную неравномерность, имеющую место при верхней подаче.

Воздействие вибраций, пульсаций, измельчения и деформации сырья в среде экстрагента. Использование методов экстрагирования, в которых имеют место вибрации, пульсации, измельчения и деформация в среде экстрагента позволяет значительно увеличить скорость и полноту экстрагирования из сырья. Объясняется это тем, что:

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

1)При интенсивном воздействии на твердые частицы появляются сильные турбулентные течения, гидродинамические микропотоки, способствующие переносу масс, растворению веществ. Такое явление отмечается как снаружи твердых частиц, так и внутри них. В результате достигается интенсивное перемеши-

вание даже внутри отдельных клеток.

2)При интенсивном колебании частиц сырья в местах трения происходит локальное повышение температуры, уменьшение вязкости экстрагента, а, следовательно, увеличение коэффициента внутренней диффузии.

3)В результате увеличения турбулентности, нарушения структуры прилегающих слоев, пограничный диффузионный слой, истощается или же будет иметь предельно малую толщину.

4)Следствием интенсивных ультразвуковых колебаний является чередование зон сжатия и растяжения. При этом в момент растяжения в экстрагенте образуются полости разрыва жидкости (кавитационные зоны), которые захлопываются с силой в несколько сот атмосфер. Положительным качеством этого процесса является диспергирование частиц, приводящее к увеличению межфазной поверхности.

В результате появления турбулентного перемешивания как внутри, так и снаружи клеток молекулярно-кинетическое движение заменяется конвективным, что позволяет поддерживать разность концентраций в зоне соприкосновения фаз на высоком уровне.

Воздействие электроимпульсных разрядов. При экстрагировании с по-

мощью электрических разрядов ускоряется процесс извлечения БАВ потому, что из-за искрового разряда в сырье происходит микровзрыв, разрывающий клеточные структуры материала. Процесс извлечения протекает быстрее за счет вымывания экстрактивных веществ и пульсации, увеличивающих скорость движения экстрагента. Возникающие в жидкости колебания сокращают время экстрагирования и повышают выход биологически активных веществ.

Но использование дополнительных воздействий с целью интенсификации процесса экстрагирования приводит, как правило, к разрушению клеточной стенки и загрязнению извлечения балластными веществами и органоидами клетки.

Таким образом, полнота и скорость экстрагирования зависит от многих факторов, влияние которых нужно умело регулировать. Знание теоретических основ экстракции дает возможность технологу правильно вести этот производственный процесс и тем самым обеспечить наиболее полное и в самый короткий срок извлечение БАВ.