Факторы, влияющие на процесс массопередачи внутри частиц сырья и в свободном экстрагенте

В эту группу входят факторы, влияющие на гидродинамические условия процесса: характер и скорость движения экстрагента, перемешивание, вибрация, колебания жидкости, циркуляция экстрагента, воздействие центробежных сил и ультразвука, повышение температуры смеси. На процесс экстрагирования оказывает влияние характер загрузки сырья в экстракторы, выбор и способ подачи экстрагента и др.

Для обеспечения полноты извлечения действующих веществ и максимальной скорости экстрагирования к эстрагенту предъявляются следующие требования: узкий спектр действия (извлечение определенной группы действующих веществ); избирательная способность (максимальное извлечение действующих веществ и минимальное сопутствующих); химическая и фармакологическая индифферентность; малая токсичность, невысокая стоимость и др.

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

Важными физическими свойствами экстрагента, оказывающими существенное влияние на скорость процесса, являются поверхностное натяжение и вязкость. Использование менее вязких экстрагентов с невысокой поверхностной активностью способствует более быстрому окончанию экстрагирования.

Перспективными в этом отношении являются предлагаемые в последнее время сжиженные газы: углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак и др. Каждый из сжиженных газов имеет свои термодинамические свойства. Это дает возможность извлекать из растительного материала вещества с различной полярностью (гидрофильные и гидрофобные). Наиболее часто используется сжиженный углерода диоксид, являющийся химически индифферентным к большому числу действующих веществ, вязкость которого в 14 раз меньше вязкости воды и в 5 раз - этанола. Он хорошо извлекает эфирные, жирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метилен хлористый, метиленоксид и др.).

Процесс экстрагирования сжиженными газами проводится под большим давлением, при снятии которого экстрагент легко улетучивается, а экстрактивные вещества остаются в сухом виде.

МЕТОДЫ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

В фармацевтической промышленности используются следующие методы:^ мацерация, ремацераиия, перколяция, реперколяция, противоточное и циркуляционное экстрагирование.^/Многие из этих методов применяются в различных модификациях, отличающихся временем экстрагирования, способом распределения сырья в экстракторах, аппаратурой. Их классифицируют на статические и динамические. В пер&ом случае экстрагент поступает на сырье периодически, а вытяжку получают за один или несколько приемов. В динамических методах сырье и экстрагент загружают периодически, а сливают извлечение непрерывно или загрузка сырья, экстрагента и получение вытяжки идут непрерывно.

Выбор метода определяется эффективностью производства готового продукта и зависит от свойств экстрагента и растительного материала, а также от структуры последнего.

Мацерация

Мацерация (от лат maceratio - вымачивание) относится к статическим методам экстрагирования. Ранее он широко применялся для получения настоек и был официнальным по ГФ VIII. Метод заключается в настаивании в мацерационном баке необходимого для получения настойки количества материала с прописанным объемом экстрагента при комнатной температуре в течение 7 сут (если в НТД нет других указаний) с периодическим перемешиванием мешалкой. После этого сырье отжимают и замеряют объем полученной вытяжки. Поскольку часть экстрагента удерживается в шроте, его промывают чистым экстра-гентом в количестве, равном оставшемуся в сырье, повторно отжимают и обе порции извлечения объединяют. Если полученная вытяжка не соответствует заданному объему готового продукта, то добавляют чистый экстрагент.

Метод малоэффективен. Растительный материал большую часть времени находится в неподвижном состоянии, коэффициент конвективной диффузии невелик. Процесс протекает медленно, так как выравнивание концентрацией веществ внутри растительной клетки и во внешнем слое эстрагента идет в основном за счет молекулярной диффузии. Велики потери на диффузии. Поэтому в данном варианте метод применяется крайне редко: при экстрагировании свежего растительного сырья и для получения настоек из «неорганизованного» материала (не имеющего клеточной структуры).

С целью интенсификации экстрагирования материала процесс ведут при постоянном перемешивании мешалками или во вращающихся мацерационных баках-турбулах. Время экстрагирования при этом можно сократить в несколько раз. Процесс мацерации часто сопровождают циркуляцией экстрагента. После настаивания сырья полученную вытяжку с помощью центробежного насоса возвращают на сырье и вновь настаивают. Циркуляция экстрагента приводит к более быстрому выравниванию концентраций, т. е. к завершению процесса экстрагирования.

Ремацерация

Ремацерация или дробная мацерация с делением на части экстрагента или сырья и экстрагента является разновидностью метода мацерации. В первом случае общее количество экстрагента делят на 3- 4 части и последовательно настаивают сырье в первой части экстрагента, затем во второй, третьей и четвертой, каждый раз сливая вытяжки. Время настаивания подбирается индивидуально в зависимости от свойств растительного материала. Периодическая смена экстрагента позволяет, при меньшей затрате времени на извлечение, полнее истощить сырье, уменьшить потери на диффузии, так как постоянно поддерживается высокая разность концентраций и как следствие этого - скорость диффузии.

Модификацией метода дробной мацерации является* его сочетание с циркуляцией экстрагента через слой сырья. Экстрагент делят на неравные части и после настаивания сырья сначала в первой, а затем во второй его порции, каждый раз вытяжки возвращают на экстрагируемый материал. С третьей порцией экстрагента сырье только настаивают, без циркуляции.

Перспективным является метод дробной мацерации, сопровождающийся прессованием. Сырье замачивают и после набухания отжимают на гидравлических прессах или вальцовых мельницах. Процесс повторяется несколько раз до достижения равновесной концентрации. Метод позволяет сократить потери действующих веществ, так как в шроте остается небольшой объем вытяжки. Готовый продукт содержит высокое количество экстрагируемых веществ.

Перколяция

Перколяция (от лат. percolatio - процеживание) относится к динамическим методам, заключается в пропускании через сырье непрерывного потока экстрагента, т. е. представляет собой процесс его фильтрования через слой растительного материала. Экстрагирование осуществляется в емкостях различной конструкции, называемых перколяторами. Они могут быть цилиндрической и конической формы, с паровой рубашкой или без нее, опрокидывающиеся и саморазгружающиеся (рис. 14.2), сделанные из нержавеющей стали, алюминия, луженой меди и других материалов. Сверху перколяторы закрывают крышкой, имеющей один или несколько патрубков для ввода экстрагента, вывода отработанного пара из паровой рубашки и т. д. Внизу - со спускным краном. Перколяторы имеют ложное дно, на которое помещается фильтрующий материал (мешковина, полотно, древесная стружка) и загружается сырье. Цилиндрические перколяторы удобны в работе при загрузке и выгрузке сырья, конические - обеспечивают более равномерное экстрагирование и получение, за тот же период, вытяжки, более обогащенной действующими веществами. Метод перколяции включает три последовательно протекающие стадии: намачивание сырья, настаивание, собственно перколяция.

Намачивание рекомендуется проводить вне перколятора (в мацерационном баке или любой другой емкости) половинным или равным количеством экстрагента по отношению к массе сырья, в течение 4-5 ч без перемешивания. За счет капиллярных сил экстрагент проникает между кусками растительного материала и внутрь клетки, происходит так называемая капиллярная пропитка. Сырье набухает со скоростью, зависящей от свойств материала и природы экстрагента. Многие виды лекарственного растительного сырья обладают дифильными свойствами, но имеют большее сродство к гидрофильным экстрагентам. Такое сырье лучше набухает при использовании воды или слабого этанола (2$-30%), особенно если в нем содержится много пектиновых веществ или низкомолекулярных белков, Наименьшее набухание этих видов сырья вызывает крепкий этанол и различные органические растворители. При намачивании происходит растворение действующих веществ внутри клетки и образование концентрированного первичного сока.

В производственных условиях намачивание проводится не всегда и может быть объединено с настаиванием. Однако в том случае, когда сырье способно сильно набухать, стадию намачивания опускать не рекомендуется, так как достигается равномерная загрузка сырья в перколятор, исключается возможность образования воздушных полостей, которые препятствуют прохождению экстрагента. Кроме того, материал может сильно спрессоваться и вообще не пропустить экстрагент.

 

Рис. 14.2. Устройство цилиндрического перколятора

 

Настаивание - следующая стадия процесса перко-ляции. Набухший или сухой материал загружают в перколятор на ситчатое (ложное) дно достаточно плотно, чтобы в сырье оставалось как можно*меньше воздуха. Материал, способный слеживаться, укладывают в перколятор слоями. Для такого сырья перколяторы снабжают специальными ситовидными прокладками. Сверху растительный материал покрывают куском полотна и прижимают перфорированным диском. Экстрагентом заливают сырье. Его подают в перколятор сверху или снизу (при открытом кране для вытеснения воздуха) непрерывным потоком. Как только экстрагент начинает вытекать в приемник, кран перколятора закрывают, а экстрагент возвращают на сырье в экстрактор. После этого в перколя-тор добавляют чистый экстрагент до «зеркала», толщина которого должна составлять 30-40 мм (тем самым предотвращают попадание воздуха в сырье) и выдерживают 24-48 ч - мацерационная пауза. В результате молекулярной диффузии экстрагируемые вещества переходят в экстрагент. Для некоторых видов сырья стадия настаивания не является обязательной, ею можно пренебречь, если растительный материал прошел стадию намачивания. Для многих видов сырья мацерационная пауза может быть сокращена.

Собственно перколяция - непрерывное прохождение экстрагента через слой сырья и сбор перколята. У перколятора открывают кран, а на сырье непрерывно, с постоянной скоростью подают экстрагент Концентрированный сок вытесняется из растительного материала током свежего экстрагента. Скорость поступления экстрагента на сырье должна быть равна скорости перколирования (1/24 и 1/48 рабочего объема перколятора). Отмечаются два периода экстрагирования. Сначала вытекает более концентрированный сок, содержащий экстрактивные вещества, вымываемые из разрушенных клеток, так называемая быстротекущая перколяция, за ем процесс продолжается за счет внутренней диффузии.

Перколирование заканчивается получением вытяжки за один прием - при приготовлении настоек, дустых и сухих экстрактов или в два приема - при производстве жидких экстрактов. В последнем случае сначала собирают 85 объемных частей готового продукта, затем продолжают экстрагирование до полного истощения материала. Вытяжку низкой концентрации упаривают под вакуумом до 15 объемных частей и присоединяют к готовому продукту, получая в сумме 100 объемных частей жидкого экстракта в соотношении 1:1, т. е. из одной части сырья получают одну объемную часть экстракта¹.

Реперколяция

Реперколяция или. повторная (многократная) перколяция впервые предложена в 1966 г. в США. Сущность метода заключается в том, что сырье делят на части и каждую последующую его порцию экстрагируют (перколируют) вытяжкой, полученной из предыдущей. При этом методе применяется батарея из 3-5 и более перколяторов. Извлечение из одного перколятора передается для экстрагирования сырья в следующий. При этом максимально используется растворяющая способность экстрагента, так как слабые вытяжки имеют ее запас и могут извлекать действующие вещества из необработанного материала. Метод позволяет получить концентрированные вытяжки без последующего упаривания.

Известно много вариантов метода реперколяции с делением сырья на равные и неравные части.

Реперколяция с делением сырья на равные части с незаконченным циклом. Сырье, разделенное на равные части, загружают в перколяторы, число которых подбирается таким образом, чтобы при получении вытяжки из последнего перколятора, сырье в первом было полностью истощено. Первую порцию сырья, предназначенную для загрузки в перколятор, замачивают определенным объемом экстрагента, равным его массе или половине массы. После набухания в течение 4-6 ч материал укладывают в перкорлятор и настаивают в течение 24 ч с двойным по отношению к массе сырья объемом экстрагента и перколируют до истощения материала. Общее количество экстрагента, необходимое для обработки сырья, равно 7 - 9-кратным объемам по отношению к общей массе обрабатываемого материала.

Из первого перколятора получают 80% готового продукта по отношению к массе сырья в нем и отпуски (менее концентрированные извлечения), которые собирают частями. Первый отпуск - в объеме, равном массе второй порции сырья и предназначенном для его намачивания, второй - в объеме, соответствующем удвоенной массе этой порции (для настаивания), третий - для экстрагирования сырья во втором пер-коляторе. Из второго перколятора получают 100% готового продукта по отношению к массе загруженной в него порции сырья и собирают отпуски для работы с сырьем для следующего перколятора. Из последнего перколятора получают 100% готового продукта и отпуск, который используют в качестве экстрагента для получения экстрактов из аналогичного сырья. Готовые продукты, полученные для всех перколяторов, объединяют.

Реперколяция с делением сырья на равные части с законченным циклом. Этот вариант предусматривает упаривание отпуска из последнего перколятора до 20% объема по отношению к массе загруженного в перколятор сырья. Упаривание проводят под вакуумом и полученный остаток присоединяют к общему объему готового продукта.

Реперколяция по Босину. По методу, предложенному инженером Ленинградского химико-фармацевтического завода А. И. Военным, сырье делят на равные части и загружают в 3 или 5 перколяторов. Сырье в первом перколяторе экстрагируют чистым экстра-гентом, в последующих - отпусками, полученными после извлечения сырья из предыдущих перколяторов. Готовый продукт получают только из последнего перколятора в объеме, равном всей массе экстрагируемого материала.

Реперколяция с делением сырья на неравные части. Эти варианты офнцинальны по фармакопеям США и ГДР. Американская фармакопея предлагает деление сырья на 3 части в соотношении 5:3:2, Германская - на 3 части в соотношении 5:3,25:1,75. Исходное сырье принимают за 100%. Работу начинают с наибольшей порцией сырья и обрабатывают ее чистым экстрагентом. Перколят собирают в два приема: готовый продукт и отпуск, который иногда делят на фракции.

Первую фракцию -для намачивания второй порции сырья получают в объеме, равном массе этого сырья. Для настаивания второй порции сырья собирают вторую фракцию - в двойном по отношению к первой. Третья фракция спстапллет песь ост 1лыюй перколят. Ее используют для лерколлрова ия второй порции сырья. Из первого перколятора получают 20% готового продукта, из второго - 30 и из третьего - 50%. При получении экстракта в соотношении 1:2, из каждого перколятора получают двойные объемы готовых продуктов. При делении сырья на неравные части достигается уменьшение потерь на диффузии.

Худшие условия экстрагирования - в третьем перколяторе, где находится меньшая часть сырья и оно истощается не полностью

Описанные методы могут применяться на небольших производствах при получении незначительного количества продукта.

Метод реперколяции по Чулкову. Метод предложен Н. А. Чулковым в 1943 г и нашел применение на крупных промышленных предприятиях. Экстрагирование проводится в батарее из 4-5 и более перколя-торов./Различают два периода: пусковой и рабочий. В пусковой период ежедневно загружают по одному лерколятору» (первый называют головным, последний- хвостовым). Сырье делят на равные части Первую порцию намачивают равным объемом экстрагента, набухшее сырье загружают в головной перколятор, заливают двойным объемом экстрагента и оставляют на сутки. На следующий день собирают два отпуска: один для намачивания в/горой порции сырья в объеме, равном его массе, другой - в двойном количестве (для настаивания сырья во втором перколя-торе). В это время в первый перколятор подают чистый экстрагент в количестве, равном объемам взятых отпусков. На 3-й день из второго перколятора собирают два отпуска для работы с третьей порцией сырья, предназначенной для загрузки в третий перколятор.

Во второй перколятор подают отпуски из первого перколятора, а в него снова подают чистый экстрагент и т д. Через сутки после загрузки последнего перколятора начинается рабочий период с получением первой порции готового продукта в объеме, равном массе загруженного сырья. Одновременно из первого перколятора собирают весь отпуск и подают его во второй перколятор, в который затем начинает поступать чистый экстрагент Первый перколятор загружают новой порцией сырья, которую обрабатывают отпусками из последнего перколятора. Сбор готового продукта идет месяцами, пока не используется все сырье.

Потерь на диффузии практически нет, так как в каждом перколяторе сырье неоднократно обрабатывается чистым экстрагентом и истощается максимально.