Характеристика основных стадий производства

Экстракция (от лат. extragere-извлекаю, вытягиваю) – это процесс извлечения необходимых лекарственных веществ из растительного и животного материала с помощью экстрагента (извлекателя, растворителя).

Извлечение, как процесс, отличается определенной сложностью, т.к., включает в себя и растворение, и десорбцию, и диализ, диффузию и др. процессы. В отличие от растворения твердого тела в жидкости, процесс извлечения осложняется наличием клеточной оболочки, которая оказывается основным препятствием при проникновении внутрь клетки растворителя и при выходе экстрактивных веществ наружу.

Сложный процесс экстракции представляет собой сочетание целого ряда процессов (смачивание, набухание, растворение, химическое взаимодействие, адсорбция, десорбция, диффузия, диализ и др.).

В нем различают три основные стадии:

1. Пропитывание сухого растительного материала экстрагентом, т.н. капиллярная пропитка - проникновение экстрагента в сырье и смачивание веществ, находящихся в сырье.

2. Растворение компонентов растительной клетки - образование первичного сока.

3. Переход растворенных веществ в экстрагент - массообмен, массоперенос веществ через пористые клеточные стенки.

Процесс массообмена -диффузионный процесс. В сложном диффузионном процессе различают 2 принципиально отличающихся друг от друга вида диффузии:

а) диффузию молекулярную, которая подразделяется на:

1) свободную диффузию;

2) внутреннюю.

б) диффузию конвективную.

Молекулярная диффузия осуществляется за счет собственно хаотического движения молекул. Отличительной особенностью молекулярной диффузии является неподвижность фаз Т и Ж, т.е. макропокой, взаимная неподвижность фаз.

Молекулярная диффузия может иметь место на границе раздела твердой и жидкой фаз, на границе двух несмешивающихся жидкостей, внутри растительной (животной) клетки, в диффузионном (ламинарном) слое, который окружает поверхность твердой фазы (в нашем случае кусочки растительного материала) и являющемся по отношению к твердой фазе неподвижной жидкой фазой.

Методы интенсификации направлены на повышение эффективности процесса экстрагирования – максимального выхода целевого компонента из твердой фазы с получением концентрированных экстрактов при низкой металлоемкости оборудования, минимальных энергозатратах и длительности процесса. Они применяются наряду с другими способами повышения эффективности, такими как рациональная организация движения фаз (обычно близкая к противотоку), минимальное соотношение потоков твердых частиц и экстрагента, а также оптимальный выбор технологических параметров: температуры, давления, вида экстрагента и измельченности сырья.

Влияние температуры. С увеличением температуры повышается скорость экстрагирования [9], что связано с ростом скоростей химических реакций и коэффициентов диффузии, снижением вязкости жидкости и, зачастую, повышением растворимости ЦК в экстрагенте. Увеличение температуры положительно сказывается на скорости экстрагирования в кинетической, внутри- и внешнедиффузионной областях. В ряде случаев с ростом температуры процесс переходит из кинетической области в диффузионную, поэтому для экстрагирования используют растворители с высокой температурой кипения или ведут его под давлением [9]. Вместе с тем с повышением температуры нередко ускоряется разложение продукта, начинают протекать побочные реакции, растет скорость коррозии оборудования и т. п. Переработка растительного сырья при высоких температурах может сопровождаться снижением качества, а также ухудшением гидродинамической обстановки и массообмена в аппарате из-за потери частицами упругости. Осциллирующий температурный режим при помощи прерывистого СВЧ нагрева интенсифицирует циркуляционные потоки растворителя в капиллярах.

Влияние давления. Заметного влияния стационарного давления непосредственно на процесс экстрагирования исследователи не отмечают. Высокие давления используют для проведения процесса при повышенных температурах [2]. Низкие давления применяют для удаления газа из пор сухого материала и, тем самым, ускорения проникновения жидкости в пористую среду, а также для проведения процесса в режиме вакуумного кипения

Влияние степени измельчения сырья. Измельчение твердых частиц способствует увеличению поверхности контакта фаз, уменьшению внутреннего диффузионного сопротивления и, тем самым, ускорению процесса экстрагирования. Вместе с тем с ростом степени измельчения уменьшается пористость слоя частиц, ухудшается гидродинамическая обстановка в аппарате, повышается взаимная блокировка поверхностей частиц, растут затраты на измельчение и затрудняется разделение жидкой и твердой фаз после завершения экстрагирования. Поэтому чрезмерно высокая дисперсность материала может привести к уменьшению скорости процесса и ухудшению его технико-экономических показателей

Влияние свойств экстрагента. Рациональный выбор экстрагента для извлечения из твердых тел определенной группы веществ во многом определяет интенсивность процесса и качество получаемого экстракта. Основными требованиями к экстрагенту являются низкая растворимость в нем носителя ЦК и хорошая селективность – способность извлекать из пористых тел преимущественно одного или нескольких ЦК. Необходимо также, чтобы экстрагент обладал высоким коэффициентом диффузии, имел низкий расход на экстракцию (высокий коэффициент распределения) и хорошие технологические характеристики (слабая коррозионная активность, безвредность для персонала, низкие затраты на регенерацию и др.).

Влияние гидродинамических условий. Гидродинамические условия оказывают существенное влияние на скорость процесса экстрагирования. Даже незначительное перемешивание системы твердые частицы–экстрагент или увеличение скорости омывания неподвижных частиц жидкостью позволяет сократить продолжительность процесса. В вихревых экстракторах – аппаратах со скоростными мешалками (частота вращения порядка 6000 мин^–1), – скорость извлечения ЦК из растительного сырья многократно возрастает по сравнению с процессами без перемешивания или со слабым перемешиванием. В таких аппаратах происходит интенсивное измельчение твердой фазы. Значительное ускорение экстрагирования достигается при проведении процесса в центробежном поле, создающее мощный поток экстрагента через сырье.

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.

1. Мацерация (лат. maceratio, от macero — размягчаю, размачиваю)

Наиболее старый метод экстрагирования. Измельченный до требуемой степени материал помещают в экстрактор – настойник, представляющий аппарат с ложным дном – решеткой, покрытой фильтрующим материалом, под которым находится пространство для сбора извлечения и кран для слива вытяжки. Далее заливают экстрагент в количестве, необходимом для получения при сливе требуемого количества извлечения с учетом набухания сырья. Проводят настаивание, затем извлечения сливают и передают в отстойник, где отстаивают в течение 2-5 суток для удаления механических примесей и балластных веществ. Для удаления осадка извлечение фильтруют и передают на фасовку.

2. Ремацерация – ступенчатое настаивание.

Часто используют для ускорения процесса экстракции и повышения выхода действующих веществ. Растительный материал заливают не всем объемом экстрагента, а по частям последовательно. После первичного настаивания извлечение сливают, а растительный материал заливают второй порцией экстрагента.

Такой метод экстракции позволяет создать в системе растительный материал – экстрагент большую разность концентраций, что ускоряет процесс экстракции.

В целом, к преимуществам методов настаивания можно отнести их доступность и простоту аппаратурного оформления. К его недостатки относят длительность процесса экстрагирования, неполное экстрагирование действующих веществ, переход в вытяжку из-за длительности настаивания большого количества балластных веществ.

Сейчас изыскиваются и внедряются новые формы мацерации с максимальной динамизацией всех видов диффузии. Примерами таких модификаций мацерации являются:

1. вихревая экстракция – турбоэкстрация

Метод основан на интенсивном перемешивании, сопровождающемя измельчение сырья с помощью быстроходных пропеллерных мешалок, снабженных острыми лопастями. Размол сырья ведет к резкому увеличению поверхности контакта фаз

Однако возможно повышение температуры рабочей среды.

2. экстракция с использованием ультразвука (акустическая)

Обработка среды ультразвуком (20000 Гц), под воздействие которого в экстрагируемой массе возникают явления кавитации, которые, в конечном итоге, приводят к механическому разрушению твердых тел и интенсивному перемешиванию.

З. электроимпульсный и другие методы импульсной обработки сырья

При пробое жидкости специально сформированным высоковольтным импульсным разрядом в её толще возникают сверхвысокие ударные гидравлические давления порядка 1х10⁸-1х10¹⁰ атм., и мощные кавитационные процессы. Этот метод позволяет создавать мощные гидравлические удары с заданной частотой – от долей Гц до нескольких десятков кГц. Продолжительность каждого удара – несколько сотых 50-100 мкс долей секунды КПД преобразования электроэнергии в этих установках более 90%.

Этот метод перспективен, хотя и не лишен таких недостатков, как возможность механокрекинга молекул, большая шумность за счет гидравлических ударов при пробое, себестоимость продукта выше, чем в случае метода мацерации.

4. центробежная экстракция

Осуществляется с использованием фильтрующей центрифуги. За счет центробежных сил первичный сок уделяется из клеточного материала, на его место подается свежий экстрагент, который вновь удаляется из материала. Экстрагент циркулирует до насыщения, а затем заменяется новым.

К динамическим периодическим способам – одноступенчатые – перколяция и многоступенчатые – реперколяция с законченным и незаконченным циклами.

1. Перколяция (от лат. percolare – процеживать, обеспечивать)

Перколяция – это непрерывная фильтрация, процеживание экстрагента сквозь слой сырья. Осуществляется в специальных емкостях, представляющих собой аппарат цилиндрической или конической формы из луженой меди, нержавеющей стали, алюминия или других материалов. Отношение высоты к диаметру аппарата обычно составляет 5: 1. В нижней части экстрактора имеется спусковой кран, сверху крышка со штуцером для ввода экстрагента. Над краном помещабт ситовидное дно, застилаемое слоем фильтрующей ткани. Перколяторы часто оснащены рубашкой и барботером.

Перколирование ведется до " полноты" истощения, т.е. до такой степени, когда в сырье остается настолько малое количество действующих веществ, что дальнейшее извлечение становится экономически нецелесообразным. Полноту истощения определяют визуально по обесцвечиванию перколята (извлечения) или качественными реакциями на действующие вещества – алкалоиды, таннаты, гликозиды, кислоты и т.п. После этого извлечение разбавляется чистым экстрагентом, если его объем получился меньше расчетного или содержание действующих веществ выше стандарта.

Если же извлечение содержит действующих веществ меньше нормы, то она ни в коем случае не может быть сконцентрирована упариванием.

Данный метод позволяет сократить время процесса экстракции и получить более высокий выход по действующим веществам по сравнению с настаиванием.

2. Реперколяция (с законченным и незаконченным циклами)

Повторная перколяция с проведением процесса экстрагирования на батарее перколяторов.

1) Реперколяция с незаконченным циклом

В экстракторы послойно загружают растительный материал (по 100 массовых частей), заливают его необходимым количеством экстрагента, настаивают, полученное концентрированное извлечение сливают в количестве 80 объемных частей. Далее продолжают экстрагирование и получают разбавленное извлечение, используемое для экстракции новой порции сырья. После настаивания из 2-го экстрактора сливают 100 объемных частей извлечения, которые вместе с первой порцией направляют на процесс отстаивания. Разбавленная вытяжка из 2-го экстрактора направляется на экстрагирование новой порции сырья.

Достоинства метода – получение нативного жидкого экстракта без выпаривания, недостатки – незавершенность производства и более низкий выход по действующим веществам.

2) Реперколяция с законченным циклом и упаривание части слабого извлечения.

Рассчитанное для получения серии жидкого экстракта количество сырья принимают за 100 массовых частей и делят на пять равных порций. Сырье загружают в экстрактор, заливают экстрагентом и настаивают. Из первого экстрактора сливают 18 объемных частей концентрированной вытяжки. Разбавленную вытяжку используют в качестве экстрагента во втором экстракторе. После настивания сливают 20 объемных частей концентрированной вытяжки, и так продолжают до 5-го экстрактора. Из 5-го экстрактора сливают 20 объемных частей концентрированной вытяжки, а разбавленное извлечение упаривают до 2 объемных частей. Концентрированные вытяжки объединяют и отправляют на отстаивание.

Достоинства данного способа – завершенность производства, высокий выход по действующим веществам. Недостатки метода – большая длительность процесса и необходимость затраты теплоагента на выпарку.

3) Реперколяция с законченным циклом без выпарки.

Основное отличие от предыдущих двух методов – использование перколяторов различной емкости. Рассчитанное количество сырья (100 массовых частей) делят на неравные части: 50: 30: 20. После процесса экстракции получают 100 объемных частей концентрированной вытяжки, сливая 20, 30 и 50 объемных частей извлечения соответственно из каждого экстрактора.

Достоинства метода – законченный характер, получение экстракта бех термической обработки. Недостатки – длительность процесса получения вытяжки и более низкий выход действующих веществ.

В настоящее время в производстве широко используется метод циркуляционной экстракции. Этот метод используют при применении легколетучих извлекателей с низкой температурой кипения и небольшой теплотой парообразования. Циркуляционная экстракция осуществляется на установке типа «Сокслет», состоящей из экстрактора, сифона, выпарного аппарата, холодильника и сборника.

Данный метод имеет следующие преимущества:

- использование небольшого количества экстрагента;

- создание высокой разности концентраций;

- сокращение общей длительности экстрагирования;

- достижение высокого выхода действующих веществ.

Недостатки метода – экстрактивные вещества длительно подвергаются термообработке, а на отгонку расходуется большое количество теплоагента.

Методы непрерывного экстрагирования используют исключительно для крупномасштабного и, как правило, массового производства, связанного с переработкой больших объемов растительного сырья.

Растительный материал при помощи транспортных устройств: шнеков, ковшей, дисков, лент, скребков или пружинно-лопастных механизмов перемещается навстречу движущемуся экстрагенту. Сырье, непрерывно поступающее в экстракционный аппарат, движется противотоком к экстрагенту. При этом свежее сырье контактирует с выходящим, насыщенным экстрактивными веществами экстрагентом, который еще более насыщается, так как в сырье концентрация еще выше. Истощенное сырье экстрагируется свежем экстрагентом, который еще полнее извлекает оставшиеся экстрактивные вещества. С точки зрения теории экстрагирования этот способ наиболее эффективен, так как в каждый момент процесса и в любом поперечном сечении по длине (или высоте) аппарата имеет место разность концентраций БАВ в сырье и экстрагенте, что позволяет с наибольшим выходом и наименьшими затратами проводить процесс. Кроме того, непрерывные процессы поддаются автоматизации, что позволяет исключить трудоемкие работы по загрузке и выгрузки сырья из перколяторов.

Экстракторы, используемые в этом методе, разделяют на два типа:

1. Аппараты погружного типа

- шнековый экстрактор;

- дисковой экстрактор.

2. Аппараты многократного орошения

- карусельный экстратор.

Экстрагенты, используемые в фитохимическом производстве

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям:

- экстрагировать (растворять максимальное количество действующих веществ и минимальное - балластных);

- легко проникать (диффундировать через стенки клетки);

- быть физиологически индифферентным, не оказывать вредного воздействия на макроорганизм (человека, животного);

- не должен взаимодействовать с экстрагируемыми веществами - быть химически индифферентным;

- должен быть летучим, т.е. иметь низкую температуру кипения;

- быть огне- и взрывобезопасным;

- быть доступным, дешевым;

- препятствовать развитию микроорганизмов, грибков, плесени.

Выбор экстрагента зависит от степени гидрофильности извлекаемого вещества. Здесь используется правило: подобное растворяется в подобном. Вещества полярные, с высоким значением диэлектрической постоянной, хорошо растворяются в полярных растворителях. Вещества неполярные, с малым значением диэлектрической постоянной, растворимы в неполярных растворителях.

Экстрагента, отвечающего всем названным требованиям, пока нет. Комбинируя известные экстрагенты можно получать такие растворители, которые будут обеспечивать избирательную экстракцию определенного вещества или комплекса веществ, химическую или физиологическую индифферентность, огнебезопасность, стабильность, устойчивость к микрофлоре и др. свойства.

В зависимости от величины диэлектрической постоянной экстрагенты-растворители делятся на:

1) неполярные;

2) малополярные;

3) полярные.

1) Неполярные растворители (хлороформ, бензол, петролейный эфир, бензин, гексан и т.п.) хорошо извлекают агликоны сердечных гликозидов, основания большинства алкалоидов, сапогенины, флавоны, эфирные масла, жиры, воски, смолы и т.п., но не растворяют белки, пектины, сахара, минеральные вещества и др. гидрофильные вещества.

2) Малополярные растворители - этиловый спирт, (изо)пропиловый и бутиловый спирты, ацетон и др. - растворяют как соли, так и основания алкалоидов, гликозиды и их агликоны, флавоны и их агликоны, кумарины, каротиноиды, витамины группы В, Р, РР, эфирные масла, пигменты, хлорофилл, смолы, бальзамы и др., но не растворяют белки, слизи, пектины, сахара, воски, таннины и др.

3) Полярные растворители - вода, метиловый спирт, глицерин - обладают способностью растворять соли алкалоидов, сердечные гликозиды, антрагликозиды, сапонины, фурокумарины, витамины С, К, Р, РР, органические кислоты, соли, сахара, слизи и др. Эти способности присущи воде и растворам спиртов в воде.

Вода не растворяет неполярные вещества - основания алкалоидов, воски, смолы, жиры и масла, эфирные масла, агликоны сердечных гликозидов, сапонинов, антрахинонов, флавоноидов, пигменты, в частности, хлорофилл, церины и др.

Масла растительные. Применяют масла растительные холодного прессования, хорошо отстоявшиеся; желтого цвета. Чаще всего применяют персиковое, миндальное и подсолнечное масла. Жирные масла смешиваются с эфиром, хлороформом, бензином, эфирными маслами и минеральными маслами. Все масла, кроме касторового, не смешиваются со спиртом и водой. Прогоркают, что влечет за собой повышение кислотного числа. Жирные масла обладают избирательной способностью как экстрагенты.

Сжиженные газы. Перспективными для экстрагирования являются предлагаемые в последнее время сжиженные газы: углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак, хладоны (хлорфторпроизводные углеводородов) и др. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные, жирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.)

Кроме значения диэлектрической постоянной экстрагента, большое влияние на растворимость и скорость диффузии веществ при экстракции оказывают вязкость и поверхностное натяжение. Из полярных экстрагентов наименее вязкий метанол, из малополярных - ацетон, из неполярных - этиловый эфир, гексан, хлороформ.

Большинство сжиженных газов обладает свойствами неполярных растворителей, хотя сами являются гидрофильными соединениями (кроме фреонов).

Этиловый спирт - бесцветная, прозрачная, легкоподвижная жидкость своеобразного запаха, жгучего вкуса, физиологически неиндифферентная, смешивается с водой, эфиром, хлороформом и многими органическими растворителями в любых соотношениях.

Жидкость легковоспламеняющаяся, предельная концентрация паров в воздухе - 0, 1 мг/л.

Для медицинских целей, в качестве растворителя, экстрагента применяется только спирт-ректификат, полученный методом брожения крахмал- и сахаросодержащих продуктов с последующей очисткой и ректификацией.