Теоретические основы процесса экстракции биологически

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ

АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ СЫРЬЯ С КЛЕТОЧНОЙ СТРУКТУРОЙ

 

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

В фармацевтическом производстве экстрагирование применяют

1) при получении настоек, экстрактов, новогаленовых препаратов, полифракционных экстрактов, экстрактов-концентратов, извлечений из свежих растений и др.

2)  в технологии многих препаратов, получаемых из сырья животного происхождения (препараты гормонов, ферментов),

3) в технологии выделения из сырья индивидуальных фармакологически активных веществ (алкалоиды, гликозиды, сапонины и др.).

Экстрагирование может быть в системе твердое тело-жидкость или в системе жидкость-жидкость.

Наиболее широко в фармацевтическом производстве применяют экстрагирование в системе твердое тело-жидкость, где твердым телом является лекарственное растительное сырье, а жидкостью - экстрагент.

Экстракция в системе жидкость-жидкость (или жидкостная экстракция) применяется при очистке получаемых вытяжек из лекарственного растительного сырья или для выделения индивидуальных веществ.

ОСНОВЫ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

Экстракция представляет собой сложный процесс, включающий диализ, десорбцию, растворение и диффузию, протекающих самопроизвольно и одновременно, как единое целое, как один общий процесс.

Чтобы получилось извлечение, экстрагент должен проникнуть внутрь клеток растительного сырья, которые имеют клеточные перегородки. В свежем сырье живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы, которая делает стенку клетки полупроницаемой, не пропускающей наружу растворенные в клеточном соке вещества. Поэтому при получении извлечений из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом, который, обезвоживая клетку, вызывает сильнейший плазмолиз.

Исходным сырьем для большинства препаратов служат высушенные части растений, в которых действующие вещества находятся в виде сухих конгломератов, адсорбированные на стенках клетки и порах. При высушивании, т.е. тепловой обработке сырья, происходит гибель протоплазмы и клеточная стенка теряет свойства полупроницаемой мембраны и начинает пропускать вещества в обе стороны, т.е. приобретает свойства пористой перегородки. Наличие пористой перегородки снижает скорость диффузионных процессов. Через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают размеры пор. Кроме того, используемые измельченные части растений имеют различную клеточную структуру и состоят из растворимых и нерастворимых веществ.

Процесс экстрагирования высушенного сырья можно разбить на несколько стадий.

Процесс извлечения начинается с проникновения экстрагента внутрь частичек растительного сырья вначале по макро-, затем по микротрещинам, по межклеточным ходам, порам, многочисленным капиллярам, заполняя клетки и другие пустоты в сырье. Проникновение извлекателя внутрь клетки носит название эндоосмоса, т.е. движение экстрагента через пористую перегородку. Время заполнения капилляров жидкостью может быть довольно длительным, так как заполнению мешает воздух, находящийся в растительной ткани. Для ускорения заполнения капилляров применяют вакуумирование, повышение давления жидкости, замену воздуха в порах на легко растворимый газ.

При проникновении экстрагента в сырье одновременно происходит и процесс смачивания веществ, находящихся внутри клеток. Эффективность смачивания веществ экстрагентом зависит от химического сродства веществ и экстрагента. Оболочки клеток обладают дифильными свойствами с преобладанием гидрофильности. Чем больше сродство экстрагента к материалу, тем он быстрее смачивает стенки капилляра и проникает в сырье. Смачивание и проникновение извлекателя по капиллярам улучшает введение в экстрагент ПАВ, которые снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

Процесс растворения биологически активных веществ, находящихся на клеточных стенках в виде высохших кусочков, называют стадией образования "первичного сока". Внутри клеток экстрагент взаимодействует с находящимися в них веществами: растворимые в нем вещества растворяются, неограниченно набухающие ВМС набухают и пептизируются (десорбция и растворение); ограниченно набухающие ВМС набухают, образуя гели. Внутри клеток образуется концентрированный раствор растворимых веществ — "первичный сок". Скорость растворения вещества внутри частиц определяется при этом скоростью массопередачи его через пористые клеточные стенки сначала в экстрагент межклеточного пространства, затем в экстрагент, омывающий сырье, а на поверхности частиц (при разрушенных клетках и открытых порах) — скоростью массоотдачи от поверхности тела.

Массоперенос веществ через пористые клеточные стенки внутри растительного сырья состоит из процессов свободной молекулярной диффузии в клеточном соке (растворе) и внутренней диффузии через клеточные мембраны. Скорость массопереноса через мембрану при этом зависит от толщины и количества слоев мембраны, числа и диаметра пор, которые колеблются в широких пределах в зависимости от вида сырья.

Свободная молекулярная диффузия обусловлена хаотическим движением молекул, граничащих друг с другом и находящихся в макроскопическом покое. Скорость диффузии увеличивается при повышении температуры, поскольку при этом возрастает скорость движения молекул. Движущей силой диффузионного процесса является разность концентраций растворенных веществ в соприкасающихся жидкостях. На скорость диффузии оказывают влияние также относительная молекулярная масса вещества, толщина слоя, через который происходит диффузия, площадь поверхности раздела и время диффузии.

Скорость молекулярной свободной диффузии математически выражается первым законом Фика

Математическое выражение коэффициента диффузии дано Эйнштейном

Процесс диффузии через клеточную мембрану сложнее, чем свободная молекулярная диффузия. Массоперенос веществ, растворенных в клеточном соке, осуществляется через клеточные стенки в межклеточное пространство путем внутренней диффузии. Молекулы диффундирующего вещества сорбируются материалом клеточной мембраны, диффундируют через нее и десорбируются с другой ее стороны. Скорость диффузии вещества через мембрану определяется при этом градиентом концентрации по обе стороны клеточной стенки и свойствами самой мембраны. После выноса вещества из клетки их диффузия становится свободной молекулярной.

Коэффициент внутренней диффузии в порах растительного материала бывает на 2-3 порядка меньше коэффициента свободной диффузии:

Для выражения коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна вводится поправочный коэффициент В, учитывающий все сложности процесса:

Массоперенос веществ от поверхности растительного материала в раствор является последней стадией процесса экстрагирования. В результате высокой концентрации "первичного сока" внутри клетки создается значительное осмотическое давление, вызывающее диффузионный обмен между содержимым клеток и окружающей их жидкостью с меньшим осмотическим давлением. Вначале из клеток диффундируют более подвижные молекулы с меньшей молекулярной массой. Медленнее диффундируют сложные высокомолекулярные вещества. Наименьшая скорость диффузии у коллоидных компонентов.

Согласно теории диффузионного слоя механизм этого процесса следующий. На поверхности сырья имеется пристенный пограничный слой экстрагента, в который переносятся вещества из пор растительного материала. Скорость массопереноса в большей степени зависит от толщины этого диффузионного програничного слоя, который постоянно меняется в зависимости от движения экстрагента. При энергичном перемешивании пограничной слой уменьшается и переходит в диффузионный подслой. Молекулярная диффузия заменяется конвективной при турбулентном потоке жидкости, когда толщина пограничного слоя может стать равной нулю.

Конвективная диффузия — это перенос вещества в виде небольших объемов его раствора. Этот вид диффузии по скорости значительно быстрее и происходит в результате перемешивания, вибрации, повышения температуры, т.е. причин, вызывающих перемещение жидкости, а вместе с ней растворенного вещества в турбулентном потоке. При конвективной диффузии размер молекул диффундирующего вещества, вязкость растворителя, кинетическая энергия молекул становятся второстепенными. Главными для скорости конвективного переноса вещества становятся гидродинамические условия (скорость и режим движения жидкости). Обычно скорость конвективного переноса несравнимо больше скорости молекулярного переноса.

Скорость конвективной диффузии можно выразить таким уравнением:

где b — коэффициент конвективной диффузии, характеризующий скорость массопереноса в движущемся слое экстрагента, омывающего сырье.

Конвективная диффузия может быть естественной (свободной), происходящей за счет разности плотностей экстрагента и раствора, изменения температуры и гидростатического столба жидкости, а также принудительной, которая возникает при перемешивании мешалками, насосами, вибрацией и т.д. Конвективная диффузия способствует интенсификации процесса массообмена.

СТАДИИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ИХ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В процессе экстрагирования происходит массопередача, характеризуемая переходом одного или нескольких веществ из одной фазы (твердой - сырья) в другую (экстрагент).

Массопередача представляет собой сложный процесс, в котором можно выделить три стадии (рис.)

1) Внутренняя "диффузия" БАВ из внутренних структур кусочка растительного материала, имеющих концентрацию C₁ к наружной его поверхности, где концентрация С₂;.

2) Перенос вещества в пределах непосредственно диффузионного пограничного слоя, толщина которого d и концентрация С₂ на границе с твердой частичкой и С₃ в наружной его поверхности;

Рис. 6. Схема процесса экстрагирования из сырья при слабом перемешивании.

3) Перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективна диффузия), средняя концентрация которого С₄.

Количество продиффундировавшего вещества из внутренних структур частицы на ее поверхность (первая стадия) пропорционально его коэффициенту внутренней диффузии D вн, поверхности частицы материала F, времени t, разности концентрации внутри частицы C ₁ и на в поверхности C ₂, обратно пропорционально размеру частиц растительного сырья l и может быть записано в виде уравнения / 3 /:

Для второй стадии количество продиффундировавшего вещества может быть вычислено из уравнения / 4 /:

Далее, на третьей стадии это же количество вещества S переходит в слой экстрагента путем конвективной диффузии, т.е. путем переноса вещества в виде отдельных небольших объемов раствора, и может быть записано в виде:

где b - коэффициент конвективной диффузии, который тем выше, чем интенсивнее перемешивание.

Обычно коэффициент конвективной диффузии b во много раз больше коэффициента молекулярной диффузии D.

Суммарный процесс переноса вещества из частицы материала в экстрагент выражается основным уравнением массопередачи / 6 /:

-де К - коэффициент массопередачи, который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения:

 

Влияние перемешивания

Коэффициент массопередачи (1)

зависит гидродинамических условий процесса.

Рассмотрим следующие варианты:

1) Без перемешивания (т.е. отсутствие конвекции):

коэффициент конвективной диффузии b равен нулю, толщина диффузионного слоя d становится равной толщине всего слоя экстрагента. Коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией в сырье D_ВН и свободной молекулярной диффузией и неподвижной жидкости, и имеет вид:

Такое явление наблюдается при мацерации (настаивании) без перемешивания (рис. 1).

Рис. 1 Схема процесса экстрагирования без перемешивания.

2) Экстрагент перемещается с незначительной скоростью:

коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех стадий процесса и определяется по уравнению

.

 Этим гидродинамическим условиям соответствует рисунок 2.

Скорость этого способа экстракции выше, т.к. уменьшается слой неподвижной жидкости, появляются конвекционные токи, которые способствую переносу вещества. Такой режим экстрагирования характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей реперколяции, непрерывной противоточной экстракции и др.

 

Рис. 2. Схема процесса экстрагирования из сырья при слабом перемешивании.

3) Очень интенсивное перемешивание.

В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т.е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно третье слагаемое в знаменателе уравнения (1) отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина пограничного диффузионного слоя (рис. 3), поэтому второе слагаемое уравнения также отпадает. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного материала и имеет вид:

Типичным примером этого способа является вихревая экстракция.

.

Рис. 3. Схема процесса экстрагирования при интенсивном перемешивании.

Влияние молекулярного веса

Из этого вытекает, что в извлечения будут переходить в большом количестве вещества, имеющие небольшой молекулярный вес. Потом количество их постепенно будет уменьшаться, а количество веществ с большим молекулярным весом будет возрастать. При очень продолжительном настаивании в извлечение будут переходить вещества с очень большим молекулярным весом.

Следовательно, для извлечения белков, пектинов, коллоидов и тому подобных веществ с большим молекулярным весом, которые диффундируют очень медленно, используется продолжительное экстрагирование растительного материала.

При выделении солей продолжительное экстрагирование растительного материала оказывается вредным, так как в извлечение может перейти большое количество балластных веществ которые потом нужно будет удалят.

Характеристика экстаргентов

Гидрофильные

Антибиотики

Антрагликозиды

Водорастворимые витамины

Гликозиды

Дубильные вещества

Соли алкалоидов

Соли терпеноидных сапонинов

Углеводы

Смешанные

Антибиотики

Кумарины

Фурокумарины

Витамины

Агликоны гликозидов

Дубильные вещества

Основания алкалоидов

Терпеноидные сапонины

Стероидные сапонины

  Гидрофобные

Эфирные масла

Смолы

Жирные масла

Жирорастворимые витамины

Вещества гидрофильные — соли алкалоидов, гликозиды, дубильные вещества — хорошо растворимы в полярных растворителях, которые характеризуются высоким значением диэлектрической постоянной (табл. 16.1) и, следовательно, хорошо извлекаются ими. Вещества смешанной группы растворимы в малополярных растворителях, а гидрофобные вещества (жирные и эфирные масла, жирорастворимые витамины, смолы и т.д.) — в неполярных растворителях, которые имеют низкую величину диэлектрической постоянной. Экстрагент оказывает влияние не только на извлечение какой-то определенной группы веществ, но и на общее количество экстрагируемых веществ.

Так как в растениях большинство веществ относится к гидрофильным, водные вытяжки содержат большее количество экстрактивных веществ. В аптеках готовят только водные извлечения лекарственных веществ — настои и отвары. На фармацевтических фабриках и других предприятиях, где в основном сосредоточено производство галеновых препаратов, в качестве экстрагента используется вода с добавлением консерванта хлороформа (экстракты полыни, одуванчика, трифоли и др.), а также спиртоводные растворы.

Несмотря на то, что спирт является малополярным растворителем, при смешивании с водой он дает растворы разной полярности, что позволяет использовать его для экстрагирования многих биологически активных веществ. В качестве экстрагента, помимо спирта, из малополярных растворителей применяются также ацетон, пропанол, бутанол, а из неполярных — кислота уксусная, хлороформ, эфир этиловый и другие.

Скорость экстрагирования одних и тех же веществ зависит также от значений рН экстрагента.

Особо важную роль в экстрагировании играет чистота воды. Весьма неблагоприятно в некоторых случаях на экстрагирование влияют двууглекислые соли кальция и магния. 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.

Требования, предъявляемые эктрагентам

- экстрагент должен обладать избирательностью, т.е. максимально растворять лекарственные вещества, и минимально - балластные вещества;

- экстрагент должен быть по возможности фармакологически индифферентным, если же он удаляется полностью из полученного извлечения, то можно применять различные даже не индифферентные вещества;

- экстрагент не должен реагировать химически с лекарственными веществами и изменять их фармакологические свойства;

- при выборе экстрагента для получения препаратов следует считаться не только с его ценой, но и с его физическими свойствами (удельный вес, теплоемкость, температура кипения, температура воспламенения, температура парообразования, вязкость и т.д.).

Из двух равноценных экстрагентов выбирают менее огнеопасный, доступный по цене, фамакологически менее вредный и т.д. Если же экстрагент не удовлетворяет указанным требованиям, то применяют смеси экстрагентов.

Одним из наиболее часто применяемых экстрагентов является ВОДА, которая обладает в этом отношении следующими преимуществами:

- хорошо проникает через клеточные оболочки, не пропитанные гидрофобными веществами;

- растворяет и извлекает многие вещества лучше других жидкостей;

- фармакологически индифферентна;

- повсеместно распространена;

- негорюча и невзрывоопасна;

- дешева и т.п.

Однако как экстрагент имеет ряд отрицательных сторон, например:

- не растворяет и не извлекает гидрофобные вещества;

- не обладает антисептическими свойствами, вследствие чего в водных извлечениях могут развиться микроорганизмы, которые способны вызвать порчу получаемого извлечения;

- за счет воды происходит гидролитическое расщепление многих веществ, особенно при высокой температуре;

- в водной среде ферменты могут расщеплять лекарственные вещества и т.д.

ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ обладает многими положительными свойствами, вследствие чего он является наиболее часто применяемым экстрагентом.

Он:

- растворяет и экстрагирует многие вещества различной химической природы;

- обладает антисептическими свойствами (в спирто-водных раствоpax более 20% не развиваются микроорганизмы). Отрицательными качествами спирта являются:

- горючесть, взрывоопасность;

- неполная фармакологическая индефирентность

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ