Экстракционные методы получения лекарств

0,001 мкм и зачастую покрыта веществами, уменьшающими эти

поры, либо вообще их закупоривающими - это протопектин, лигнин, суберин, кутин, воски и др. Все они в воде мало или совсем

нерастворимы, что снижает  проникновение экстрагента через оболочку внутрь клетки. Микропоры клеточной оболочки способны

задерживать высокомолекулярные вещества, пропуская при этом

низкомолекулярные соединения (как правило, биологически активные), частицы которых не превышают  размеров пор. Наконец, имеется еще  одна существенная особенность экстракции из растительного сырья - сорбционные  явления, наблюдаемые в клетке после проникновения в нее экстрагента. В процессе экстракции из сырья с клеточной структурой можно выделить три основных стадии:

1. Пропитывание сухого  растительного материала

экстрагентом. Этот процесс еще называют капиллярной пропиткой. Пропитывание происходит путем проникновения экстрагента в сырье и смачивания веществ, находящихся в сырье. Пропитывание растительного материала экстрагентом осуществляется за счет капиллярных сил. По каналам, образованным кусочками измельченного растительного материала, по межклеточным ходам и ультрамикропорам экстрагент проникает внутрь клетки. Затем экстрагент заполняет клеточное пространство и вытесняет воздух, что очень существенно в процессе экстракции, так как увеличивается площадь контакта с сырьем.

2. Растворение компонентов  растительной клетки. На этой  стадии экстрагирования происходит образование первичного сока. При проникновении экстрагента в материал в клетке образуется концентрированный раствор растворимых в этом экстрагенте веществ. Этот раствор называется первичным соком. Растворение компонентов растительной клетки происходит, когда растворитель, проникнув внутрь клетки, вступает во взаимодействие со всеми компонентами клеточных мембран и клеточного содержимого. В результате такого взаимодействия хорошо растворимые вещества десорбируются и растворяются в экстрагенте, остальные - набухают или пептизируются. Наибольшее набухание растительного сырья вызывает вода. При использовании в качестве экстрагента спирта степень набухания сырья зависит от концентрации спирта. Чем выше концентрация спирта, тем степень набухания меньше. Следовательно, меньше раскрываются поры, и труднее происходит процесс экстракции.

3. Переход растворенных  веществ в экстрагент. Массообмен - это процесс перехода вещества из одной фазы в другую. В случае производства экстракционных препаратов это переход вещества из растительного материала в экстрагент, т.е. из твердой фазы в жидкую через пористые клеточные стенки.

По мере увеличения концентрации экстрактивных веществ в жидкой фазе скорость обратного процесса возрастает. В некоторый момент времени наступает  состояние динамического равновесия. В этом случае процесс массообмена прекращается. Таким образом, переход вещества возможен только из фазы с большей концентрацией в фазу с меньшей концентрацией, т.е. при наличии разности концентраций, и эта разность концентраций является основной движущей силой процесса массопередачи. Поскольку процесс массообмена это диффузионный процесс, то целесообразно рассмотреть все виды диффузии, имеющей место при экстракции из растительного материала. Диффузия бывает:

- молекулярная;

- конвективная.

Молекулярная диффузия подразделяется на:

- внутреннюю;

- свободную.

Молекулярная диффузия - это процесс переноса вещества (биологически активного вещества) за счет хаотического движения самих молекул в неподвижной среде. Механизм диффузии вещества через клеточную оболочку

заключается в следующем: молекулы диффундируемого вещества вначале сорбируются из первичного сока материалом мембраны стенок растительной клетки, затем диффундируют через нее и десорбируются с другой стороны перегородки, накапливаются в пограничном (диффузионном слое) и только затем перемещаются в растворитель (рис.3).

 

 

Рис. 3. Частица растительного  материала в экстрагенте:

С1 - концентрация экстрагируемых веществ внутри частицы; С2 -

концентрация экстрагируемых веществ на поверхности частицы; С3 -

концентрация экстрагируемых веществ на поверхности диффузионного

пограничного слоя; С4 - концентрация экстрагента в объеме, омывающем

частицу; d – толщина диффузионного пограничного слоя.

 

Пограничный (диффузионный) слой – концентрированный раствор  вещества у границы раздела твердой и жидкой фаз. Этот слой оказывает основное сопротивление молекулярной диффузии, его толщина существенно влияет на интенсивность массообмена. С увеличением диффузионного слоя количество экстрагируемого вещества в жидкой фазе возрастает очень медленно, а с

уменьшением слоя - быстро, поскольку  разность концентраций максимальна.

Молекулярную диффузию (свободную) характеризуют

коэффициентом DCвоб, который может быть определен из уравнения

Эйнштейна:

 

(2.2),

где R - газовая постоянная Клайперона (8,32 дж/град х моль);

Т- температура по шкале Кельвина;

N0- число Авогадро;

π - 3,14;

η - вязкость жидкой фазы, м2/с;

r - радиус диффундирующей частицы (молекулы, иона), м.

Коэффициент молекулярной диффузии (свободной) - постоянная

величина, характеризует  способность вещества проникать  вследствие диффузии в неподвижную  среду и, как видно из уравнения (2.2), увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера диффундирующих частиц вещества. Следовательно, чем меньше радиус диффундирующих частиц, тем быстрее идет диффузия. При экстрагировании из растительного сырья идет диффузия биологически активных веществ из внутренних структур частицы материала. Наличие пористой перегородки, межклеточного пространства и клеточных ходов снижает скорость диффузии. Весь сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри растительного материала, называют внутренней диффузией. Для выражения коэффициента внутренней диффузии в уравнение Эйнштейна (2.2) вводят поправочный коэффициент В, учитывающий все вышеперечисленные осложнения. В этом случае коэффициент внутренней диффузии будет выражаться следующим уравнением:

 

   (2.3),

Для материала с клеточной  структурой значение коэффициента внутренней диффузии значительно меньше, чем значение коэффициента свободной диффузии. Поскольку молекулярная диффузия проходит в неподвижной системе, то протекает относительно медленно. Поэтому наибольшее практическое значение имеет диффузия в движущейся среде, так называемая конвективная диффузия. В этом случае молекулы вещества переходят из одной фазы в другую не только вследствие молекулярного движения, но и механически – за счет движения экстрагента (перемешивание, циркуляция экстрагента и т.п.).

Конвективная диффузия подчиняется  закономерностям, согласно которым величина диффузии возрастает с увеличением поверхности массообмена, разности концентраций, продолжительности процесса и коэффициента конвективной диффузии. Уравнение конвективной диффузии имеет следующее выражение:

Sконв.= b · F· D Cчаст.·t (2.4.)

где Sконв. - количество вещества, перенесенное конвективной диффузией, кг;

β - коэффициент конвективной диффузии, м/с, представляющий собой количество вещества, перенесенное движущейся жидкостью за 1 с, с единицы поверхности 1 м2, при разности концентрации в 1 кг/м3;

F - площадь поверхности  диффузионного процесса, м2;

D Cчаст - разность концентрации вещества у поверхности раздела фаз и в центре движущегося (частного) объема жидкости, кг/м3;

t - время, с

Обычно коэффициент конвективной диффузии β во много раз

больше коэффициента молекулярной диффузии D. Суммарный процесс переноса вещества из частицы материала в экстрагент, при наличии двух видов диффузии (молекулярной и конвективной), может быть представлен уравнением массопередачи:

S = K·  F· D C· t (2.5),

где К - коэффициент массопередачи, м/с

Таким образом, количество вещества, переходящее из фазы в фазу (в  нашем случае из клетки в экстрагент) зависит от коэффициента массопередачи К, поверхности раздела фаз F, разности концентрации ΔС и времени τ. Коэффициент массопередачи суммирует значения всех видов диффузии, имеющих место при экстракции растительного материала, и определяется из уравнения:

 

      (2.6),

где:

где r - радиус частиц растительного материала, м;

h - поправочный коэффициент на морфологические особенности

растительных тканей;

d – толщина диффузионного пограничного слоя, м;

β - коэффициент конвективной диффузии, м/с;

D - коэффициент молекулярной  диффузии, м2/с.

Анализ уравнений (2.1-2.6) показывает, что процесс экстракции зависит от многих факторов: степени измельчения сырья (размер частиц); разности концентраций; температуры; вязкости экстрагента; продолжительности экстрагирования и др. Факторов, влияющих на полноту и скорость экстрагирования довольно много. Рассмотрим лишь наиболее значимые. [1]

Анализ уравнений (2.1-2.6) показывает, что процесс

экстракции зависит от многих факторов: степени измельчения  сырья

(размер частиц); разности  концентраций; температуры; вязкости

экстрагента; продолжительности экстрагирования и др. Факторов,

влияющих на полноту и  скорость экстрагирования довольно много.

Рассмотрим лишь наиболее значимые:

Степень измельчения  сырья. Диффузионный процесс, основанный на непосредственном контакте экстрагента с содержимым клеток, осложняется тем, что клетки, содержащие действующие вещества, отделены от экстрагента слоем, не содержащим ценных веществ (эпидермис, пробка, кора). Для облегчения диффузионного процесса сырье должно быть измельчено. Этим достигается значительное увеличение поверхности соприкосновения между частицами сырья и экстрагента. Согласно закону диффузии, количество извлеченного вещества тем больше, чем обширнее эта поверхность. Казалось бы, надо добиваться более тонкого измельчения. Однако, это не всегда оправданно. При чрезмерно тонком измельчении сырье может слеживаться. Кроме того, увеличивается количество разорванных клеток, что влечет вымывание из клеток белков, пектинов и других высокомолекулярных соединений – в результате вытяжки получаются мутными. Поэтому необходимо придерживаться

оптимальных размеров измельчения  крупного сырья. Например, листья, цветы, травы следует измельчать до 3-5 мм; стебли, корни,

кору до 1-3 мм, плоды и  семена до 0,3-0,5 мм. При этом в исходном

материале будут сохраняться клеточная структура, и преобладать

диффузионные процессы, экстрагирование  замедлится, но полученная вытяжка будет содержать меньше механических примесей и легче очищаться.

Разность концентраций. Поскольку разность концентраций

является движущей силой  диффузионного процесса, необходимо во

время экстракции стремиться к максимальному перепаду концентраций. Достаточно высокую разность концентраций на границе раздела фаз можно поддерживать за счет перемешивания массы, более частой сменой экстрагента (например, ремацерация), проведением противоточного процесса и др.

Температура. Повышение температуры ускоряет процесс экстрагирования (см. уравнение Эйнштейна 2.2). Но в условиях производств подогрев применяют только при экстракции водой. При использовании в качестве экстрагента спирта или эфира процесс экстракции проводят, как правило, при комнатной и более низкой температуре, поскольку повышение температуры может привести к

увеличению потери экстрагента.

Вязкость экстрагента. С уменьшением вязкости экстрагента

коэффициент диффузии увеличивается  и, следовательно, менее

вязкие жидкости способствуют более быстрому экстрагированию.

Поэтому в случае применения вязких экстрагентов, таких как растительные масла, для ускорения процесса экстрагирования

используется подогрев.

Продолжительность экстрагирования. Из уравнения массопередачи (2.5) следует, что количество вещества, пpодиффундиpовавшего через некоторый слой, прямо пропорционально времени экстракции. То есть при увеличении времени экстрагирования количество извлеченных веществ будет повышаться. Однако нужно стремиться к тому, чтобы полнота извлечения была достигнута в кратчайший срок, для этого необходимо максимально использовать все факторы, ведущие к интенсификации процесса.

Помимо вышеперечисленных  факторов, влияющих на полноту и

скорость экстрагирования, определенную роль играют и такие

свойства растительного  сырья как пористость и порозность.

Пористость сырья –  это величина пустот 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. [5]

 

Требования, предъявляемые  к экстрагенту.

Растворители, используемые при экстракции растительных и

биологических материалов, называются экстрагентами. Экстрагент

должен обладать способностью проникать через стенки клетки,

21

избирательно растворять внутри клетки биологически активные

вещества. Для того, чтобы обеспечить полноту извлечения

действующих веществ и  максимальную скорость экстрагирования

экстрагент должен отвечать следующим требованиям:

 

1. Высокая селективность
2. Нормальная растворяющая способность
3. Большая разность плотностей в зоне вывода экстрактного раствора   ( +0,2)
4. Большая разность температур кипения для экстрагента и и сырьевых компонентов (   70 +), что облегчает выделение циркулирующего экстрагента
5. Большое значение коэффициента поверхностного натяжения, чтобы избежать образования стойкой эмульсии
6. Химическая стойкость
7. Малая теплота испарения, если регенерация экстрагента идет ректификацией
8. Малая токсичность
9. Низкая температура застывания. [6]