Теоретические основы экстрагирования

Экстракция — это процесс извлечения необходимых лекарственных веществ из растительного и животного материала с помощью экстрагента (извлекателя, растворителя).

Извлечение как процесс, отличается определенной сложностью, так как, включает в себя ряд процессов: растворение, десорбцию, диализ, диффузию, осмос. 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.

Основателем отечественной школы по изучению теоретических основ экстрагирования является профессор Муравьев И. А. На примере экстрагирования алкалоидоносного сырья Прозоровский А. С. Изучил теоретические основы процесса и показал влияние основных факторов на ход развития процесса экстракции.

Факторы, влияющие на процесс экстракции:

• Ш молекулярная масса и, следовательно, размер молекул и извлекаемых веществ;
• Ш заряд коллоидных частиц протоплазмы клетки;
• Ш температура процесса экстрагирования;
• Ш крупность измельченного материала;
• Ш плотность укладки;
• Ш природа извлекателя;
• Ш продолжительность процесса экстрагирования;
• Ш наличие воздуха в семье.

Экстракция — частный случай процессов массообмена, в которых имеет место переход массы веществп из одной среды в другую. При экстракции осуществляеттся переход вещества из сырья в экстрагент. Экстрагирование растительного материала имеет много особенностей, связанных с его клеточной структурой и физико-механическими свойствами. Сложный процесс экстракции представляет собой сочетание целого ряда более простых процессов, относящихся по своей сути тоже к массообменным процессам (смачивание, диализ, диффузия, механическое вымывание, осмос). Все они идут одновременно, взаимно влияют друг на друга и составляют процесс экстракции.

Этапы диффузионного пути.

• 1 стадия. Пропитывание сухого растительного материала экстрагентом, так называемая капиллярная пропитка — проникновение экстрагента по межклеточным каналам поверхности клетки, через клеточную оболочку экстрагент смачивает вещества, находящихся внутри клетки.
• 2 стадия. Экстрактивные вещества в клетках находятся в адсорбционном состоянии, т. е. они прочно связаны силами адсорбции с внутриклеточным содержимым. Поэтому при проникновении в клетки экстрагента имеет место десорбция — процесс противоположный адсорбции.
• 3 стадия. Набухание и растворение компонентов растительной клетки — образование первичного сока.
• 4 стадия. За счет разницы концентраций начинается диализ — массоперенос веществ из клетки через пористые клеточные стенки.
• 5 стадия. Переход растворенных веществ в экстрагент — массообмен. Экстрактивные вещества распределяются по всему ообъему экстрагента по законам свободной конвективной диффузии.

Диффузия — это процесс постепенного взаимного проникновения веществ граничащих друг с другом. Она основана на выравновивании концентрации вещества в отдающей и воспринимающих средах.

Движущей силой диффузии является разность концентраций. При выравнивании концентраций диффузия приостанавливается.

В сложном диффузионном процессе различают 2 принципиально отличающихся друг от друга вида диффузии:

• 1) молекулярная диффузия
• 2) конвективная диффузия

Молекулярная диффузия осуществляется за счет собственно хаотического движения молекул. Отличительной особенностью молекулярной диффузиии является то, что перенос вещества осуществляется в виде молекул, а среды неподвижны относительно друг друга.

Конвективная диффузия — это перенос вещества в виде небольших объемов раствора.

Молекулы вещества переходят из одной фазы в другую не только в следствии молекулярного движения, но и механически — путем перемещения отдельных небольших объемов жидкой фазы под влиянием циркуляции, сотрясений, разницы температур, давлений. Конвективная диффузия может быть естественной и принудительной. Принудительная возникает при перемешивании мешалками, насосами, вибрацией.

Основные факторы технологии, влияющие на процесс экстрагирования.

1. Степень измельчения сырья.

Степень и характер измельчения, поверхность частиц и число разрушенных клеток оказывает существенное влияние на процесс экстрагирования. Чем мельче размер частиц материала, тем больше поверхность его соприкосновения с экстрагентом, тем быстрее происходит извлечение. Для каждого вида сырья в зависимости от анатомического строения, состава и локализации действующих веществ степень и характер измельчения подбираются индтвидуально. Оптимальным считается размер частиц от 0.5 до 2.0 мм, он определяется просеиванием через сито.

При использовании слишком измельченного сырья, оно может слеживаться, в результате чего через такие массы экстрагент будет проходить плохо.

2. Разность концентраций.

Разность концентраций в сырье и экстрагенте является движущей силой процесса экстракции. Во время экстракции необходимо стремиться к максимальному перепаду концентраций, что достигается более частой сменой экстрагента.

3. Время экстрагировния.

Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, продиффундироввшего через некоторый слой, прямо пропоруционально времени экстракции. Однако нужно стремиться к максимальной полноте извлечения в кратчайший срок, максимально использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса. В первые 3 часа извлекается 85% экстрактивных веществ. Чрезмерная продолжительность извлечения приводит к загрязнению вытяжек сопутствующими веществами.

4. Вязкость экстрагента.

По закону Фика количество растворенного вещества, продиффундировавшего через некоторый слой экстрагента, обратно пропорциональна вязкости этого экстрагента при данной температуре. Следовательно, менее вязкие растворы обладают большей диффузионной способностью. Для уменьшения вязкости при экстрагировании растительными маслами используют подогрев.

Перспективными в этом отношении являются используемые в последнее время сжиженные газы — углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак.

Наиболее часто используют сжиженный углерода диоксид, который химически индифферентен к большему 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 экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый.).

5. Температура.

Повышение температуры ускоряет процесс экстрагирования, но в условиях фитохимических производств подогрев используют только для водных извлечений. Спиртовая и тем более эфирная экстракция проводится при комнатной температуре, поскольку с ее повышением увеличивается потеря экстрагентов, а следовательно, вредность и опасность работы с ними.

Для термолабильных веществ применение горячего экстрагента допустимо лишь в течение коротких отрезков времени. Повышение температуры экстрагента нежелательно для эфирномасличного сырья, поскольку при нагревании эфирные масла в значительной степени теряются. Повышение температуры целесообразно при экстрагировании из корней, коры, кожистых листьев. Горячая вода в этом случае способствует улучшению отделения тканей и разрыву клеточных стенок, ускоряя тем самым течение диффузионного процесса.