Промышленные методы экстрагирования. Классификация. Характеристика. Способы интенсификации

План лекции

  1. Промышленные методы экстрагирования: статические (мацерация) и динамические (перколяция, реперколяция,

противоточная и циркуляционная экстракция, экстракция сжиженными и сжатыми газами).

  1. Аппаратура для экстрагирования. Сравнительная характеристика, выбор метода и аппаратуры для экстрагирования.
  2. Пути интенсификации процесса экстрагирования.

В фармацевтической практике для производства фитопрепаратов используют две группы методов:

  1. Статические;
  2. Динамические.
    • статических сырье заливают экстрагентом, настаивают определенное время и сливают. Из числа

статических способов распространение получили периодические равновесные способы, среди которых выделяют:

одноступенчатые – мацерация; многоступенчатые прямоточные – ремацерация;

многоступенчатые противоточные с завершенным циклом – реперколяция с завершенным циклом;

многоступенчатые противоточные с незавершенным циклом – реперколяция с незавершенным циклом.

Динамические способы экстрагирования

предусматривают или постоянную смену экстрагента или смену и экстрагента и сырья.

Среди динамических способов выделяют:

  1. быстротекущая реперколяция (БТР);
  2. непрерывное экстрагирование;
  3. циркуляция.
    • периодическим способам относятся все способы, где подача сырья в экстракторы осуществляется периодически. К непрерывным – способы, в которых сырье непрерывно поступает в экстрактор.

По направлению тока экстракта:

  1. прямоточные;
  2. противоточные.

Важнейшими экономическими показателями является степень истощения сырья и ее называют эффективностью экстракции и выражается в % от исходного содержания веществ в сырье.

Все способы экстракции могут выполняться в равновесном и неравновесном варианте.

Экстракция в равновесном варианте предусматривает

равновесие в системе твердое тело-жидкость на каждой ступени экстракции. Под ступенью экстракции понимают однократный контакт сырья с экстрагентом.

Экстракция в неравновесном варианте  слив

извлечения до момента наступления равновесия в системе твердое тело-жидкость.

Чаще в фармацевтической технологии применяют экстракцию в равновесном варианте.

Для прогнозирования эффективности экстракции и повышения качества препарата необходимо знать ряд параметров сырья:

  1. Содержание экстрактивных и БАВ.
  2. Содержание влажности.
  3. Технологические показатели:

коэффициент поглощения;

коэффициент образования внутреннего сока (КОВС); коэффициент съема готового продукта (КСГП).

КСГП – отношение объема готового продукта (ГП) к массе

сырья, из которого он получен:

  • – объем ГП; g – масса сырья.

После настаивания и слива извлечения в порах сырья всегда остается жидкость. Мерой ее объема является коэффициент образования внутреннего сока.

Мацерация (настаивание)

Мацерация – это статический, одноступенчатый, равновесный метод. Был основан и использовался в прошлом веке.

Измельченное сырье помещают в мацерационный бак, заливают экстрагентом и настаивают в течение 7 дней при периодическом перемешивании при температуре 20-300С. Затем вытяжку сливают, остаток отжимают, промывают небольшим количеством экстрагента, отжимают. Доводят экстрагентом до требуемого объема.

Недостатки:

  1. длительность процесса – 7 дней;
  2. не полное истощение сырья (большие потери на диффузии).

Динамизация мацерации, ее виды

  1. Вихревая экстракция (турбоэкстракция) – основана на вихревом перемешивании сырья и экстрагента с помощью турбинных мешалок (8-13 тыс. об/мин). Получают концентрированное извлечение за 10 минут.
  2. Размол сырья в среде экстрагента с помощью роторно-пульсационного аппарата (РПА).
  3. Использование вибрации и пульсации, что достигается с помощью электрического и электромагнитного полей.
  4. УЗ-экстракция, основанная на явлении кавитации.
  5. Дробная экстракция – ремацерация (неоднократное настаивание).

Ремацерация

Ремацерацию по характеру протекания относят к прямоточным периодическим процессам, когда свежий

экстрагент подается на постепенно истощающее сырье.

Разновидности ремацерации:

  1. Бисмацерация. По этой схеме экстрагент делят на две части и последовательно настаивают сырье сначала с первой частью, вытяжку сливают и настаивают сырье со второй частью экстрагента, извлечение сливают, затем обе вытяжки объединяют, затем отстаивают и фильтруют.

Время подбирают индивидуально в зависимости от свойств ЛРС.

Достоинства: более полно истощается сырье, и уменьшаются потери на диффузии.

  1. Ремацерация с циркуляцией экстрагента через слой сырья. 1-ю и 2-ю вытяжки после настаивания вновь возвращают на экстрагированный материал, а с третьей порцией экстрагента сырье настаивают без циркуляции.
  2. Ремацерация с прессованием. Сырье после настаивания с небольшой частью экстрагента пропускают через вальцевую мельницу, затем остаток заливают экстрагентом и еще раз пропускают через мельницу. Повторяют несколько раз до достижения равновесной концентрации.

Перколяция

Перколяция («вытеснение», от лат.  процеживание) –

динамический одноступенчатый равновесный метод экстрагирования.

Процесс включает три этапа:

  1. Замачивание сырья. Осуществляется в мацерационном баке, где сырье заливают достаточным (2-3х кратным) количеством экстрагента с целью полного и равномерного смачивания сырья и оставляют набухать на 4 часа. Количество экстрагента берут с учетом коэффициента поглощения.
  2. Настаивание. Набухшее сырье переносят в перколятор, укладывают до требуемой плотности и заливают экстрагентом до зеркала (3-4 см) при открытом спускном кране. Настаивают 24 часа.
  3. Перколирование – слив извлечения при одновременной подаче свежего экстрагента. Осуществляют со скоростью 1/48 полезного объема перколятора в час (1 капля в 2 сек). Проводят до получения нужного объема извлечения.

Реперколяция

Реперколяция – разновидность перколяции, при которой используют батарею перколяторов (П).

Способы реперколяции подразделяют на статические и динамические.

Реперколяция с непрерывным сливом. Разработан инженером Ленинградского химико-фармацевтического завода А.И. Босиным. Сырье делят на равные части и загружают в 3-6 перколяторов. Сырье в П1 экстрагируют чистым экстрагентом, в последующих извлечениями из предыдущих перколяторов. ГП получают из последнего перколятора в объеме равном объему всей массы экстрагируемого материала. Время настаивания – 24 часа. Способ слива вытяжки непрерывный, т.е. метод динамический.

Реперколяция с периодической подачей экстрагента

– это статический метод, который делится на:

  1. Реперколяцию с законченным циклом (О.И. Белова,

ВНИИФ) – применяется для получения стандартизированных экстрактов-концентратов.

  1. Реперколяцию с незаконченным циклом (Николай Александрович Чулков в 1943 г.).
  2. Реперколяцию с законченным циклом по Н. А. Чулкову – применяется для получения жидких экстрактов.
  3. Реперколяцию с законченным циклом по Пшукову. Пшуков Юрий Георгиевич (ПГФА) – Пятигорская

государственная фармацевтическая академия – применяется для получения жидких экстрактов.

Реперколяцию можно проводить с делением сырья на

равные части в батарее перколяторов и с делением сырья на неравные части, например по ГФ США в соотношении

5:3:2.

Характеристика метода реперколяции

Реперколяция является более эффективным методом

экстракции, т.к. позволяет получать более концентрированные извлечения. В этом методе свежий экстрагент добавляют к истощенному сырью, а извлечение получают где находится свежее сырье.

ЛРС помещают в батарею перколяторов от 3 до 6. Извлечение из П1 используется для настаивания и перколирования сырья в следующем перколяторе. Перколятор, где находится самое истощенное сырье

называется «хвостовым», а где находится менее истощенное сырье называется «головным». Пропустив таким образом вытяжку через несколько перколяторов, получают концентрированное извлечение.

Реперколяция по Чулкову с незаконченным циклом

      • батарее из трех перколяторов Метод включает два периода:

I. Пусковой период (3 дня)

    1. день. В П1 загружают предварительно набухшее сырье
  • заливают экстрагентом до зеркала. Количество экстрагента равно 3-х кратному количеству сырья. 1 часть ЛРС заливают 3 частями экстрагента. В таком состоянии П1 оставляют на сутки.
    1. день. К батарее подключают П2, из П1 в отстойник сливают 1 часть извлечения, которым замачивают в мацерационном баке сырье для П2. Затем набухшее сырье переносят в П2 и заливают 2 частями извлечения из П1, в который одновременно подается 3 части свежего экстрагента. Оставляют на 24 часа.

3 день. К батарее подключают П3, затем из П1 и П2 сливают в отстойник по одной части извлечения. Извлечение из П2 используют для замачивания сырья для П3. А извлечение из П1 переносят в П2, затем из П1 сливают 2 части извлечения в отстойник при одновременном поступлении в него 3 частей свежего экстрагента.

Извлечение из П1 переносят в П2, из которого также сливают 2 части извлечения и переносят в П3. Оставляют на

  1. часа.

На 3-й день имеется 3 загруженных перколятора, в которых содержатся по 1 части ЛРС и по 3 части экстрагента, причем свежее сырье заливают более концентрированным извлечением.

  1. Рабочий период

4 день. Из всех трех перколяторов в отстойники сливают по 1 части извлечения. Извлечение из П3 является ГП. Извлечение из П2 переносят в П3 , а из П1 в П2. Сырье в П1 является истощенным (отработанным), из него полностью сливают оставшееся извлечение, объем которого доводят до 3-х кратного свежим экстрагентом.

Сырье из П1 выгружают для рекуперации спирта. Затем отвешивают 1 часть сырья и из П3 сливают 1 часть извлечения, затем после набухания сырья загружают его в П1, затем в П2 заливают 3 части извлечения, полученное после разгрузки П1, одновременно сливая из него 3 части извлечения, которые затем заливают в П3, сливая из него 2 части извлечения. Эти 2 части извлечения поступают в П1 и оставляют на 24 часа.

1.

5 день. Из трех перколяторов в отстойник сливают по 1 части извлечения. Сырье в П2 – отработанное, в П1 – ГП.

Извлечение из П3 переливают в П1, а из П2 в П3, затем из П2 в отстойник сливают извлечение и чистым экстрагентом объем доводят до 3-х кратного. Сырье разгружают на рекуперацию спирта.

Отвешивают 1 часть сырья и для его замачивания из П1 сливают 1 часть извлечения для замачивания сырья для П2, затем 3 части извлечения из П2 заливают в П3, сливая из него 3 части извлечения, которые заливают в П1, сливая 2 части извлечения, затем переносят в П2. Настаивание 24 часа.

6 день. Из П2 – ГП, в П3 – истощенное сырье.

Из трех перколяторов в отстойники сливают по 1 части извлечения, из П2 – ГП. Процесс повторяется.

Реперколяция по Чулкову с законченным циклом

  • данном методе разгружают перколятор с истощенным сырьем и не загружают его новой порцией.

Метод включает два периода:

  1. Пусковой период (3 дня)

Проводится аналогично предыдущей схеме.

II. Рабочий период (3 дня)

4 день. Из трех перколяторов сливают по 1 части извлечения. Извлечение из П3 – ГП (1 часть), а сырье в П1 – отработанное. Из П1 извлечение в П2, из П2 извлечение в П3. Сырье из П1 выгружают и отправляют на рекуперацию.

5 день. Из П2 и П3 сливают по 1 части извлечения. Извлечение из П3 – ГП (1часть), из П2 извлечение переносят в П3. Сырье в П2 является истощенным, его выгружают и направляют на рекуперацию.

  1. день. Из П3 сливают последнюю порцию извлечения (1 часть). Затем все три извлечения объединяют и направляют на отстаивание.

Реперколяция в модификации ВНИИФ (по Беловой)

Этот метод применяется для экстрагирования сырья с малой насыпной массой. Рассчитанное количество сырья делят на три равные части и в сухом виде помещают в три перколятора и проводят экстрагирование.

Пусковой период (1 день)

1 день. Сырье в П1 заливают свежим экстрагентом до зеркала, натаивают в течение 2-х часов. По истечению этого времени вытяжку сливают и используют для настаивания сырья в П2, а в П1 заливают свежий экстрагент до зеркала. Оба перколятора оставляют на 2 часа, затем из П2 получают извлечение, которое используют для настаивания сырья в П3, а слив из П1 используют для настаивания сырья в П2. П1 заливают чистым экстрагентом до зеркала и все три перколятора оставляют на 24 часа.

Рабочий период (1 день)

2 день. Из всех трех перколяторов сливают по 2 части извлечения. Извлечение из П1 переносят в П2, из П2 переносят в П3, а извлечение из П3 является ГП.

Сырье в П1 является истощенным, его разгружают и проводят рекуперацию спирта.

П2 и П3 оставляют на 2 часа, затем из П2 извлечение переносят в П3, а из П3 сливают 2 части извлечения, которые являются ГП. Сырье в П2 является истощенным, его разгружают и проводят рекуперацию спирта.

П3 оставляют на 2 часа, затем сливают 2 части ГП.

Все три извлечения объединяют для очистки.

Реперколяция с законченным циклом (по Пшукову)

Пусковой период (3 дня)

Каждый день в работу вводят по два перколятора через 8 и 16 часов, т.е. 6 перколяторов с равным количеством сырья. В П1 подают всегда свежий экстрагент, в последующих перколяторах сырье экстрагируют извлечением из предыдущего перколятора. Экстрагент подают снизу, что устраняет образование мертвых зон.

Рабочий период (3 дня)

На 4 день получают ГП из П6 2 раза через 8 и 16 ч., отключая П1 и П2. На 5 день получают ГП из П6 2 раза через 8 и 16 ч., отключая П3 и П4. На 6 день получают ГП из П6 2 раза через 8 и

  1. ч., отключая П5 и П6. Сливы 1-6 объединяют в ГП. Достоинства:
  2. свежий экстрагент подают два раза в сутки, что обеспечивает полное истощение сырья;
  3. подача экстрагента снизу повышает эффективность процесса экстракции.

Метод циркуляции

Циркуляция  способ, когда из получаемой вытяжки отгоняют экстрагент, который снова поступает на экстрагирование.

Варианты:

  1. с постоянным сливом (скорость слива вытяжки из экстрактора равна скорости поступления отгона из конденсатора);
  2. с периодическим сливом (отгон поступает в экстрактор и, достигнув верхнего уровня сифона, сливается в перегонный куб).

Достоинства:

  1. получают концентрированные извлечения;
  2. полное истощение сырья при минимальном использовании экстрагента.

Аппаратура  аппарат Сокслета

I – с постоянным сливом II – с периодическим сливом

1 – перегонный куб; 2 – экстрактор;

3 – конденсатор; 4 – сифон

Пути интенсификации процесса

экстрагирования

С целью повышения эффективности извлечения действующих веществ из сырья, экстрагирование проводят

  • турбулентном потоке экстрагента, при вибрации, пульсации жидкости через слой сырья, с применением ультразвука, электрической обработки материала.
  1. Турбоэкстракция (вихревая).

Метод вихревой экстракции, предложенный чешскими учеными в 1953 г., получил дальнейшую разработку в нашей стране. Он основан на интенсивном перемешивании

  • одновременном измельчении сырья в среде экстрагента с помощью быстроходных мешалок, снабженных острыми лопастями. Скорость вращения мешалок от 4000 до 15 000

об/мин.Впроцессеэкстрагированиятолщина

диффузионного слоя становится минимальной, конвективная диффузия протекает мгновенно.

  •  системе возникает эффект кавитации и пульсации, что положительно сказывается на скорости внутренней диффузии. Время экстрагирования материала сокращается до нескольких минут.

Недостатком турбоэкстракции является повышение температуры при работе мешалок, что может влиять на сохранность БАВ и приводить к потере экстрагента. Дополнительное измельчение ЛРС может привести к загрязнению вытяжки мелкими частичками сырья и осложнить очистку.

2. Экстрагирование сырья на роторно-пульсационном аппарате (РПА).

Экстрагирование основано на циркуляции обрабатываемой среды при различной кратности твердой и жидкой фаз. РПА состоит из корпуса  статора с патрубками для входа и выхода обрабатываемого материала. Внутри корпуса находится ротор с закрепленными на нем перфорированными цилиндрами, имеющими прорези. На крышке корпуса расположено такое же число аналогичных неподвижных цилиндров. При вращении ротора с цилиндрами, последние проходят между цилиндрами статора, радиальный зазор между которыми может быть от 0,25 до 2 мм. Частота вращения ротора 800-4000 об/мин. В полости ротора встроены радиальные лопасти или ножи для измельчения крупных частиц твердой фазы.

При работе РПА отмечается интенсивное механическое воздействие на частицы сырья, возникает эффективная турбулизация и пульсация потока.

2. Экстрагирование сырья на роторно-пульсационном аппарате (РПА).

Экстрагирование основано на циркуляции обрабатываемой среды при различной кратности твердой и жидкой фаз. РПА состоит из корпуса  статора с патрубками для входа и выхода обрабатываемого материала. Внутри корпуса находится ротор с закрепленными на нем перфорированными цилиндрами, имеющими прорези. На крышке корпуса расположено такое же число аналогичных неподвижных цилиндров. При вращении ротора с цилиндрами, последние проходят между цилиндрами статора, радиальный зазор между которыми может быть от 0,25 до 2 мм. Частота вращения ротора 800-4000 об/мин. В полости ротора встроены радиальные лопасти или ножи для измельчения крупных частиц твердой фазы.

При работе РПА отмечается интенсивное механическое воздействие на частицы сырья, возникает эффективная турбулизация и пульсация потока.

Роторно-пульсационный аппарат (РПА)

1 – ротор; 2 – статор; 3 – корпус; 4,5 – радиальные лопасти;

6 – входной патрубок; 7 – выходной патрубок

Кромки прорезей во внутреннем цилиндре статора выполнены заостренными, а отверстия на наружных цилиндрах ротора и статора имеют овальную форму. Во внутренней зоне ротора и снаружи установлены о четыре радиальные лопасти. Обрабатываемая среда поступает по входному патрубку и удаляется из аппарата через выходной патрубок. Ротор вращается со скоростью 47 об/сек с помощью электродвигателя.

  1. Экстрагирование с применением ультразвука (УЗ).

УЗ ускоряет процесс экстрагирования ЛРС и обеспечивает

полноту извлечения действующих веществ. При экстрагировании источник УЗ помещают в обрабатываемую среду в экстрактор. Возникающие УЗ волны создают давление, кавитацию и «звуковой ветер». В результате происходит ускорение пропитки материала и растворение содержимого клетки, в пограничном диффузионном слое экстрагента образуются турбулентные и вихревые потоки. Молекулярная диффузия сменяется на конвективную, что приводит к интенсификации массообменных процессов. Кавитация вызывает разрушение клеточных структур, что ускоряет вымывание экстрактивных веществ из клеток и тканей растительного материала. При озвучивании вытяжку можно получить в течение нескольких минут. Большое значение при УЗ экстрагировании имеет определение оптимальных параметров процесса: интенсификация и экспозиция озвучивания, выбор экстрагента, удельная нагрузка.

2. Экстрагирование сырья на роторно-пульсационном аппарате (РПА).

Экстрагирование основано на циркуляции обрабатываемой среды при различной кратности твердой и жидкой фаз. РПА состоит из корпуса  статора с патрубками для входа и выхода обрабатываемого материала. Внутри корпуса находится ротор с закрепленными на нем перфорированными цилиндрами, имеющими прорези. На крышке корпуса расположено такое же число аналогичных неподвижных цилиндров. При вращении ротора с цилиндрами, последние проходят между цилиндрами статора, радиальный зазор между которыми может быть от 0,25 до 2 мм. Частота вращения ротора 800-4000 об/мин. В полости ротора встроены радиальные лопасти или ножи для измельчения крупных частиц твердой фазы.

При работе РПА отмечается интенсивное механическое воздействие на частицы сырья, возникает эффективная турбулизация и пульсация потока.

  1. Экстрагирование с помощью электрических разрядов.

Внутри экстрактора с обрабатываемым материалом помещают электроды, к которым поступает импульсивный ток высокой или ультравысокой частоты. Под воздействием электрического разряда в экстрагируемой смеси возникают ударные волны, создающие высокое импульсивное давление. Происходит интенсивное перемешивание обрабатываемой смеси, истончается или полностью исчезает диффузионный слой и возрастает коэффициент конвективной диффузии. Возникновение ударных волн способствует проникновению экстрагента внутрь клетки. Создаются условия для быстрого протекания внутриклеточной диффузии.

Процесс ускоряется за счет вымывания экстрактивных веществ из разрушенных клеток и за счет увеличения коэффициента конвективной диффузии. Большое значение при воздействии на сырье электрического тока имеет мощность и длительность электрического импульса.

  1. Экстрагирование с помощью электрических разрядов.

Внутри экстрактора с обрабатываемым материалом помещают электроды, к которым поступает импульсивный ток высокой или ультравысокой частоты. Под воздействием электрического разряда в экстрагируемой смеси возникают ударные волны, создающие высокое импульсивное давление. Происходит интенсивное перемешивание обрабатываемой смеси, истончается или полностью исчезает диффузионный слой и возрастает коэффициент конвективной диффузии. Возникновение ударных волн способствует проникновению экстрагента внутрь клетки. Создаются условия для быстрого протекания внутриклеточной диффузии.

Процесс ускоряется за счет вымывания экстрактивных веществ из разрушенных клеток и за счет увеличения коэффициента конвективной диффузии. Большое значение при воздействии на сырье электрического тока имеет мощность и длительность электрического импульса.

5. Электроплазмолиз – обработка сырья электрическим током низкой и высокой частоты.

Электроплазмолиз перспективен при получении препаратов из свежего растительного и животного сырья. Сущность метода заключается в разрушающем воздействии тока на белково-липидные мембраны растительных тканей с сохранением целостности клеточных оболочек. При этом увеличивается выход сока, обогащенного действующими веществами и содержащего небольшое количество сопутствующих веществ.

Процесс проводят в специальных устройствах – электроплазмолизаторах, снабженных подвижными и неподвижными электродами.

  1. Электродиализ.

Движущей силой процесса является разность концентраций экстрагируемых веществ по обе стороны полупроницаемой перегородки, роль которой в материале, имеющем клеточную структуру, выполняют оболочки клеток. Под действием электрического тока изменяются электрические потенциалы поверхности материала, улучшается его смачиваемость, ускоряется движение ионов биологически активных веществ в полости клеток и в капиллярах клеточных оболочек. Вследствие этого увеличивается коэффициент внутренней диффузии.

Список литературы

Основная литература

  1. Технология лекарственных форм : в 2 т. : учебник для фармацевтических ин-тов и фармац. фак. мед. ин-тов / ред. Л. А. Иванова. – Москва : Медицина, 1991 – ; (Учебная литература. Для студентов фармацевтических институтов). Т. 2. – 1991. – 543 с

Дополнительная литература

  1. Фармацевтическая технология. Изготовление лекарственных препаратов [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Лойд В. Аллен, А. С. Гаврилов – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2014. http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785970427811.html
  2. Фармацевтическая технология. Изготовление лекарственных препаратов [Электронный ресурс] / А.С. Гаврилов. – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2016. http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785970436905.html
  3. Фармацевтическая технология. Промышленное производство лекарственных средств. Руководство к лабораторным занятиям : учеб. пособие : в 2 ч. / Т. А. Брежнева [и др.] ; под. ред. И. И. Краснюка (ст.). –

М. : ГЭОТАР-Медиа, 2017. – Ч.1. – 208 с.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *