Экстрагирование в системе "жидкость-жидкость" и "жидкость-твердое тело"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Экстрагирование в системе «жидкость-жидкость» и «жидкость-твердое тело»

Содержание

Экстрагирование в системе «жидкость-жидкость»

Экстрагирование в системе «жидкость-твердое тело»

Теоретические основы экстрагирования для фармацевтического производства

Экстракторы. Классификация. Принцип работы

Список использованной литературы

Экстракция (от лат. еxtraho -- извлекаю) - способ извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя (экстрагента). Экстракция может быть разовой (однократной или многократной) или непрерывной (перколяция). Простейший способ экстракции из раствора -- однократная или многократная промывка экстрагентом в делительной воронке (сосуд с пробкой и краном для слива нижнего слоя жидкости). Для непрерывной экстракции используются специальные аппараты -- экстракторы, или перколяторы. Для извлечения индивидуального вещества или определённой смеси (экстракта) из сухих продуктов в лабораториях широко применяется непрерывная экстракция по Сокслету. В лабораторной практике химического синтеза экстракция может применяться для выделения чистого вещества из реакционной смеси или для непрерывного удаления одного из продуктов реакции из реакционной смеси в ходе синтеза. Экстракция применяется в аналитической химии, химическом синтезе, в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, металлургической, фармацевтической и других отраслях.

Объектами экстракции, из которых извлекают соответствующие соединения, могут быть как твердые вещества, так и жидкости. Следовательно, процессы извлечения подразделяют на экстракцию в системе «твердое тело -- жидкость» и на экстракцию в системе «жидкость -- жидкость» (жидкостную экстракцию).

Экстрагирование в системе «жидкость-жидкость»

Экстракция в системах «жидкость--жидкость» - диффузионный процесс, который протекающий при участии двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Этот метод известен с середины XIX в.. И получил широкое распространение через 100 лет -- в 50-60-е гг. XX в.. В течение нескольких десятилетий он был одним из самых важных аналитических методов разделения и концентрирования органических соединений и микроэлементов.

Жидкостная экстракция состоит из двух технологических операций:

1) контактирование исходной смеси с растворителем, в ходе которого осуществляется массообменный процесс, переход компонента через границу раздела из одной фазы в другую;

2) отделение полученного раствора от оставшейся жидкой смеси.

При жидкостной экстракции происходит неполная взаимная растворимость исходной смеси и растворителя - в противном случае вторая операция неосуществима. Контактирование фаз проводится путём распределения (дробления) одной фазы в виде капель в объёме другой.

В результате взаимодействия жидких фаз получают экстракт - раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинад -- остаточный исходный раствор, из которого удалены экстрагируемые компоненты.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинад) отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими механическими способами. После этого происходит извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерация экстрагента из рафинада. Целевой продукт выделяют из экстракта ректификацией, упариванием, или реэкстракцией.

Главное преимущество процесса экстракции в системе «жидкость--жидкость» по сравнению с другими процессами разделения жидких смесей - низкая рабочая температура процесса. Процесс часто проводится при нормальной температуре. Отпадает необходимость в затратах тепла на испарение раствора. При экстракции из многочисленных растворителей можно подобрать высокоизбирательный экстрагент, отличающийся по химическим свойствам от компонента исходной смеси. При этом достигается более полное разделение, чем с помощью других массообменных процессов.

В промышленности используют методы жидкостной экстракции (как правило, при использовании одного экстрагента):

- одноступенчатая (однократная);

- многоступенчатая с перекрёстныем током;

- непрерывная противоточная;

- ступенчатая противоточая;

- противоточная с флегмой.

Одноступенчатая экстракция применяется тогда, когда высок коэффициент разделения. Она заключается в перемешивании исходного раствора и растворителя, а после установления равновесия фаз - в разделении смеси на экстракт и рафинат. Для разделения эмульсий используют отстойники, для трудноразделимых эмульсий - сепараторы.

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках. Она может проводиться с противотоком экстрагента или комбинированным способом при наличии нескольких экстрагентов. Многоступенчатая противоточная экстракция более эффективна, чем экстракция в перекрестном токе. При противоточной экстракции достигается более высокая средняя движущая сила процесса и происходит более полное извлечение компонента из раствора.

Одним из типов оборудования для экстракции в системе «жидкость--жидкость», являются смесительно-отстойные экстракторы ящичного типа (рис. 1)

Рис. 1. Ящичный экстрактор.

Это однокорпусный аппарат, разделенный внутренними перегородками на секции 1. Каждая секция разделена на две камеры -- смесительную 2 и расслаивания 3, В первой контактирующие фазы интенсивно перемешиваются, причем одновременно смесительные устройства 4 перекачивают тяжелую воду в камеру 2 из камеры 3. Движение легкой фазы по секциям аппарата осуществляется самотеком. Контактирование фаз осуществляется в смесительных камерах за счет внешнего подвода энергии, а разделение -- в отстойных камерах вследствие гравитации.

Достоинство таких аппаратов: проводимые в смесителях- отстойниках экстракционные процессы могут быть прерваны без снижения эффективности экстракции и возобновлены. Поэтому данный тип наиболее удобным при переработке небольших количеств растворов, что имеет место в малотоннажных производствах химико-фармацевтической промышленности или при работе с вязкими растворителями.

В фармацевтическом производстве жидкостным методом выделяют БАВ (биологически активные вещества) из ферментных растворов, биожидкостей, культуральных сред при производстве антибиотиков, производят очистку новогаленовых препаратов.

Экстрагирование в системе «твёрдое тело-жидкость»

Движущей силой процесса экстракции в системе «твёрдое тело-жидкость» является разница концентраций экстрагируемого вещества в жидкости, заполняющей поры твёрдого тела, и в основной массе экстрагента, находящегося в контакте с поверхностью твёрдых частиц. Механиз экстрагирования состоит из следующих стадий:

- проникновение растворителя в поры частиц твёрдого материала;

- растворение целевого компонента;

- перенос экстрагируемого вещества из внутренних структур частиц материала к поверхности раздела фаз с образованием диффузионного пограничного слоя (плёнки);

- перенос экстрагируемого вещества через пограничный диффузионный слой (плёнку).

- перенос экстрагируемого вещества от наружной поверхности диффузионного пограничного слоя в объём омывающего материала.

При экстрагировании в системе «твёрдое тело - жидкость» процесс может лимитироваться следующими стадиями:

внешнедиффузионной. Скорость процесса определяется скоростью диффузии в объёме при условии, что концентрация растворителя в порах и на поверхности твёрдого материала меньше, чем концентрация его в объёме;

внутридиффузионной. Скорость процесса определяется скоростью диффузии в порах вещества;

внутренней кинетической. При условии, что пористый материал обладает низкой химической активностью, а концентрация растворителя в порах равна концентрации вобъёме;

внешней кинетической. Реагент имеет относительно высокую химическую активность. Поэтому реакция протекает на поверхности пористого материала при условии, что скорость реакции лимитирует скорость всего процесса (при малой пористости вещества).

В фармацевтической промышленности из твёрдых тел извлекают БАВ ил лекарственного растительного сырья (ЛРС) при получении фотохимических лекарственных препаратов (ЛП); извлекают БАВ из органов и тканей животных и клеток микроорганизмов.

Теоретические основы экстрагирования для фармацевтического производства

Под препаратами из лекарственного растительного сырья (ЛРС) понимают готовые формы или субстанции, которые содержат в качестве активных ингредиентов растительное сырьё и/или комплекс биологически активных соединении, полученных из растительного сырья.

ЛС можно разделить на две группы:

1. Галеновые препараты (иначе -- галемновы препараты) -- группа лекарственных средств, получаемых из растительного сырья путём вытяжки (экстракции). Принимаются почти исключительно внутрь (перорально, от лат. per os, oris), что отличает их от неогаленовых препаратов.

Появление термина связано с именем Клавдия Галена (131 - 201 гг. н.э. Римский фрач, фармацевт (термин «галеновы препараты» появился в фармации спустя 13 веков после смерти Галена)).

Галеновые препараты - это:

- настои и отвары - водные извлечения из ЛРС или водные растворы сухих или жидих экстрактов (концентратов);

- настойки - спиртовые (водно-спиртовые) извлечения из ЛРС, получаемые без нагревания и удаления экстрагента.

- экстракты - концентрированные извлечения из ЛРС, представляющие собой подвижные, вязкие, жидкие или сухие массы. Это жидкие, густые или сухие экстракты;

- эликсиры - прозрачные смеси спиртоводных извлечений из ЛРС с добавлением сахаров и ароматизаторов.

2. Новогаленовые препараты (или неогаленовые препараты) -- водно-спиртовые, спиртово-хлороформные и другие экстракционные лекарственные средства, содержащие сумму действующих веществ, специфичную для данного растительного лекарственного сырья, и максимально освобождённые (подвергшиеся максимальной очистке) от всех сопутствующих веществ. В настоящее время их чаще называют суммарными очищенными лекарственными средствами.

При экстрагировании растительного материала чаще всего работают с высушенным сырьём. Поэтому наиболее широко в производстве галеновых и новогаленовых препаратов распространена экстракция в системе «твердое тело - жидкость», где твердым телом является ЛРС или сырье животного происхождения, а жидкостью - экстрагент (растворитель). Экстракция - это сложный процесс, который включает в себя растворение, десорбцию, диффузию и др.

В процессе экстракции из сырья с клеточной структурой можно выделить три основных стадии:

1. Пропитывание сухого растительного материала экстрагентом (капиллярная пропитка).

Экстрагент проникает в сырье и смачивает находящиеся в нём вещества. Пропитывание осуществляется за счет капиллярных сил. По каналам, образованным кусочками измельченного растительного материала, по межклеточным ходам и ультрамикропорам экстрагент проникает внутрь клетки, затем заполняет клеточное пространство и вытесняет воздух, что увеличивает площадь контакта с сырьем.

2. Растворение компонентов растительной клетки.

При проникании экстрагента в материал в клетке образуется концентрированный раствор растворимых в нём веществ. Этот раствор называется первичным соком. Растворение компонентов растительной клетки происходит, когда растворитель внутри клетки вступает во взаимодействие со всеми компонентами клеточных мембран и клеточного содержимого. В результате 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, процесс экстракции происходит труднее.

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 определенный момент времени наступает состояние динамического равновесия, когда массообмен прекращается. Поэтому, переход вещества возможен только из фазы с большей концентрацией в фазу с меньшей концентрацией, при наличии разности концентраций. Разность концентраций является основной движущей силой.

Массообменная диффузия бывает:

- молекулярная;

-внутренняя;

-свободная;

- конвективная.

Молекулярная диффузия - это процесс переноса вещества (биологически активного вещества) за счет хаотического движения самих молекул в неподвижной среде, и зависит от запаса кинетической энергии частиц. Скорость молекулярной диффузии зависит:

от температуры извлечения (при её увеличении возрастает скорость движения молекул);

величины поверхности разделяющей вещества;

толщины слоя, через который происходит диффузия.

времени (чем дольше диффузия, -тем большее количество вещества переходит из одной среды в другую)

Процесс диффузии можно выразить уравнением Фика-Щукарева:

экстрагирование жидкость лекарственное растительное

dS/dt = -DF dc/dx

где : - dS/dt - скорость диффузионного процесса, м2/c;

D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/cек;

F - площадь диффузиронного обмена (суммарная площадь измельченного растительного сырья), м2;

dc/dx - градиент концентрации (изменение концентрации вещества на расстоянии dx).

(-) - диффузионный процесс направлен в сторону уменьшения концентрации.

Механизм диффузии вещества через клеточную оболочку: молекулы диффундируемого вещества 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.

Конвективная диффузия - перенос вещества в результате причин, вызавающих перемещение жидкости: сотрясение, изменение температуры, перемешивание.

Таким образом, извлечение действующего вещества из ЛС происходит за счет диффузии, десорбции, растворения, диализа, вымывания, которые идут самопроизвольно и одновременно

На процесс экстрагирования растительного материала (РМ) оказывает влияние ряд факторов, которые необходимо учитывать при выборе условий проведения процесса.

1. Сырьё

- природа целевых веществ экстрагирования;

- анатомическое (гистологическое) строение растительного материала;

- размер и характер измельчения растительного материала (РМ), пористость, порозность.

Диффузионный процесс, основанный на непосредственном контакте экстрагента с содержимым клеток, осложняется тем, что клетки, содержащие действующие вещества, отделены от экстрагента слоем, который не содержит ценных веществ (эпидермис, пробка, кора). Для облегчения диффузионного процесса сырье необходимо измельчить. 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 слёживаться, 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.

Процесс извлечения из растительного сырья осложняется, прежде всего, наличием клеточной оболочки, которая является основным препятствием при проникновении внутрь клетки растворителя и при выходе экстрактивных веществ наружу (рис. 2).

Рис. 2. Строение растительной клетки.

С помощью методов электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии установлено, что клеточная оболочка растений - это плотная войлокоподобная перегородка, образованная мицеллярными нитями целлюлозы состава (С6Н10О5)n (где n = 600 - 30000). Оболочка клетки пронизана ультрамикропорами диаметром 0,01-0,001 мкм и зачастую покрыта веществами (протопектин, лигнин, суберин, кутин, воски и др.), которые уменьшают или закупоривают эти поры. Эти вещества мало или совсем нерастворимы в воде, это значительно снижает проникновение экстрагента через оболочку внутрь клетки. Микропоры клеточной оболочки задерживают высокомолекулярные вещества, пропуская при этом низкомолекулярные соединения (как правило, биологически активные), частицы которых не превышают размеров пор.

2. Экстрагент

- природа экстрагента;

- вязкость экстрагента;

- температура;

- поверхностно-активные вещества.

Существуют определённые требования к экстрагентам, которые необходимо учитывать при оптимизации процесса экстракции.

Избирательность - способность максимально извлекать действующие вещества из сырья и минимально - балластные.

Высокая емкость.

Хорошая смачиваемость растительного материала, чтобы проникать через стенки клеток. Наличие необходимого десорбирующего действия.

Способность препятствовать развитию микрофлоры в вытяжке.

Химическая индифферентность.

Фармакологическая индифферентность.

Удобство с точки зрения техники безопасности.

Дешевизна и доступность с точки зрения экономики.

Впитываясь, жидкость должна растекаться по поверхности клетки, что резко увеличивает поверхность контакта фаз, ускоряя процесс растворения. 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. Перспективу представляют сжиженные газы. Например, CO2 химически индифферентен к большому количеству действующих веществ, его вязкость в 14 раз меньше вязкости виды и в 5 раз меньше вязкости этанола.

Важной характеристикой растворителя - экстрагента является его полярность. Количественные характеристики полярности:

- диэлектрическая проницаемость (е);

- дипольный момент (м).

Для неполярных растворителей е < 15, а м - < 2D (D - дебай, единица измерения дипольного момента). Для полярных е > 15 и м > 2D.

Неполярные экстрагенты: хлороформ, бензол, петролейный эфир, гексан и др. Они хорошо извлекают агликоны сердечных гликозидов, основания большинства алкалоидов, сапогенины, флавоны, эфирные масла, жиры, воски, смолы и т.п., но не растворяют белки, пектины, сахара, минеральные вещества и другие гидрофильные вещества.

Малополярные экстрагенты: этиловый, изопропиловый, бутиловый спирты, ацетон и др. Хорошо растворяют как соли, так и основания алкалоидов, гликозиды и их агликоны, флавоны и их агликоны, кумарины, каротиноиды, витамины группы В, Р, РР, эфирные масла, пигменты, хлорофилл, смолы, бальзамы и др., но не растворяют белки, слизи, пектины, сахара, воски, танины и др.

Полярные экстрагенты: вода, глицерин и др. Обладают способностью растворять соли алкалоидов, сердечные гликозиды, антрагликозиды, сапонины, фурокумарины, витамины С, К, Р, РР, органические кислоты, соли, сахара, слизи и др. Этими свойствами обладают и водно-спиртовые растворы.

Для экстракции нередко используют растительные масла холодного прессования и хорошо отстоявшиеся. Это персиковое, миндальное и подсолнечное масла. Все масла хорошо смешиваются с эфиром, хлороформом, бензином, эфирными маслами и не смешиваются (кроме касторового) со спиртом и водой. Растительные масла обладают избирательной способностью как экстрагенты.

Сжиженные газы, такие, как пропан, бутан, диоксид углерода, жидкий аммиак, хладоны (хлорфторпроизводные углеводородов) и др., используют для экстрагирования в промышленности. Диоксид углерода хорошо извлекает эфирные масла и другие гидрофобные вещества. Сверхкритические флюиды, например сверхкритический диоксид углерода, тоже используют для экстракции биологически активных веществ из растительного сырья.

Наиболее распространенным растворителем в производстве галеновых и новогаленовых препаратов является этиловый спирт (этанол) - бесцветная, прозрачная, легкоподвижная, легковоспламеняющаяся жидкость с характерным запахом, жгучего вкуса, физиологически неиндифферентная, смешивается с водой, эфиром, хлороформом и многими органическими растворителями в любых соотношениях. Для медицинских целей, в качестве растворителя и экстрагента применяется только спирт-ректификат, полученный методом брожения крахмал- и сахаросодержащих продуктов с последующей очисткой и ректификацией и соответствующий требованиям фармакопейных статей. В настоящее время действуют ФС 42-3071-00 (спирт этиловый 90%, 70%, 40%) и ФС 42-3072-00 (спирт этиловый 95%). Указанные фармакопейные статьи распространяются на:

- спирт этиловый 90%, 70%, 40%, применяемый для приготовления экстрактов, настоев лекарственных трав, бальзамов, а также для централизованного обеспечения аптек и лечебныхучреждений;

- спирт этиловый 95%, применяемый в медицинских целях.

Вода - очень распространенный растворитель и экстрагент. Потребление ее на химико-фармацевтических предприятиях значительно и качество воды для фармацевтических целей на настоящий момент регламентируется фармакопейной статьей (ФС) ФС 42-2619-97 ?Вода очищенная? и ФС 42- 2620-97 ?Вода для инъекций?.

Очищенная вода применяется для производства галеновых и новогаленовых препаратов, медицинских спиртов, эмульсий, мазей и пр. Вода, используемая для приготовления лекарств, не должна содержать органических примесей, микроорганизмов и минеральных солей, т.е. она должна быть обессоленной.

Существует несколько способов обессоливания: термический, ионитный, электрохимический, ультрафильтрация, экстракционный, метод вымораживания. При получении очищенной воды чаще используют термический метод - метод перегонки. Это самый древний и надежный метод обессоливания, к тому же недорогой и наиболее простой. Еще Аристотелем описал этот метод очистки воды. На химико-фармацевтическом производстве для термического опреснения обычно применяют аппараты непрерывного действия - аквадистилляторы.

Температура экстракции определяется строго характером лекарственного растительного сырья. При повышении температуры усиливается диффузия и диализ, быстрее набухает материал, гибнет микрофлора, инактивируются ферменты. При экстракции свежего растительного материала разрушается плазма, свертываются белки. Однако, есть и свои минусы. При повышении температуры могут разрушаться некоторые термолабильные лекарственные вещества (гликозиды, алкалоиды). Некоторые вещества при повышенной температуре хуже растворяются, а летучие вещества и эфирные масла, наоборот, улетучиваются. При нагревании в вытяжку переходит большее количество балластных веществ (крахмал образующий клейстер, пектин, инулин), следствие - помутнение раствора. Возможен разрыв клеток - в вытяжку перейдут коллоиды, нерастворимые вещества и т.д. Это увеличит вязкость и затруднит дальнейшую очистку. Крайне нежелательно повышение температуры при использовании этанола, эфира, ацетона, т.к. увеличиваются потери экстрагентов и возрастает вредность и опасность при работе с ними.

Присутствие поверхностно-активных веществ (ПАВ) может существенно ускорить процесс экстракции. Под воздействием ПАВ Снижается поверхностное натяжение на границе раздела фаз, улучшается смачиваемость клеток, увеличивается поверхность растворителя и глубина его проникновения в сырьё, ускоряются некоторые физико-химические процессы, улучшаются растворимости экстрагируемых веществ (эфирные масла). Добавление к экстрагенту 0.01-0.1 % ПАВ улучшает процесс и за счёт экономии во времени, энергии и материалах.

3. Технология

- разность концентраций (соотношение количества сырья и экстрагента);

- продолжительность экстракции;

- гидродинамика слоя РМ;

- дополнительные воздействия.

Соотношение сырья и экстрагента определяет разность концентраций веществ в сырье и экстрагенте и является основной 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;

- циркуляции экстрагента;

- зымены вытяжки чистым экстрагентом (периодически, непрерывно или путём циркуляции).

В общем случае соотношение сырьё : экстрагент = 1:10. Если это сильнодействующее средство (наперстянка, термопсис), то соотношение 1:400.

ЛРС (лакарственное растительное сырьё) - пористый материал, в котором после экстракции безвозвратно остаётся часть экстрагента, для того чтобы не уменьшать объём водного извлечения и не завышать содержание действующих веществ используют коэффициент водопоглощения (КВП).

КВП - величина, которая показывает количество воды в мл, удерживамое 1 г ЛРС после отжатия в перфорированном стакане инфундирки (лат. infundo вливать, наливать) -- закрывающийся сосуд из фарфора или коррозионностойкого металла, применяемый при приготовлении настоев или отваров из лекарственных растений). Если КВП не указан для конкретного ЛРС, то:

- для подземных органов 1.5 мл/г;

- для коры, трав, цветков 2.0 мл/г;

- для плодов, семян 3.0 мл/г.

Продолжительность экстракции. В большинстве случаев экстракция наиболее активно протекает в первые часы, затем, даже при смене экстрагента, её активность заметно падает и полнота извлечения наступает через сравнительно долгое время. О конце экстракции судят по количеству действующих веществ, а не по сумме экстрактивных. Процесс прекращают, если дополнительная экстракция остатков действующих веществ не окупает собой избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов. С экономической точки зрения, необходимо и ускорение процесса экстракции. Полнота извлечения должна наступать в кратчайшее время, потому что при длительном процессе ухудшается качественный состав вытяжки из-за большого содержания балластных веществ. 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.

Экстракторы. Классификация. Принцип работы

Классификация экстракторов осуществляется исходя из многих факторов.

По принципу организации процесса экстракторы бывают непрерывного и периодического действия.

В зависимости от способа контакта фаз экстракторы бывают:

- ступенчатые (секционные);

- дифференциально-контактные;

- смесительно-отстойные.

Ступенчатые (секционные) экстракторы состоят из отдельных секций, в которых происходит скачкообразное изменение концентрации в фазах. Каждая из секций приближается по полю концентраций к аппарату идеального смешения. Экстрактор, состоящий из нескольких таких секций, по полю концентраций приближается к аппарату идеального вытеснения. В случае плохо разделяемых эмульсий возникает необходимость разделения фаз после каждой секции экстракции. Это может приводить к увеличению размеров экстрактора.

Дифференциально-контактные экстракторы обеспечивают непрерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изменение концентраций в фазах. За счет продольного перемешивания фаз в таких аппаратах бывает значительное снижение средней движущей силы по сравнению с аппаратами идеального вытеснения (ступенчатыми экстракторами). Экстракция - это массообменный процесс. Эффективность масообмена пропорциональна площади массообменной поверхности и средней движущей силе процесса. Чтобы увеличить площади поверхности массообмена в экстракторах одна из жидких фаз (при способе экстракции жидкость-жидкость) диспергируется и распределяется в другой в виде капель. Для диспергирования жидкой фазы требуются затраты энергии.

В зависимости от вида затрачиваемой энергии экстракторы могут быть:

- без подвода внешней энергии;

- с подводом внешней энергии.

Внешняя энергия вводится во взаимодействующие фазы с помощью перемешивающих устройств, вибраторов, пульсаторов (в вибропульсационных экстракторах), в виде центробежной силы (в центробежных экстракторах), кинетической энергии струи (в инжекторных и эжекторных экстракторах).

Смесительно-отстойные экстракторы состоят из нескольких ступеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смесителе за счет подвода внешней энергии происходит диспергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсионной фазы, которая распределяется в другой - сплошной фазе. Дисперсной фазой может быть как легкая, так и тяжелая фаза. Разделитель - это отстойник, а в современных установках -- сепаратор, где происходит разделение эмульсии на рафинат и экстракт. На рисунке 3 представлена схама простейшего смесительно-отстойного экстрактора.

Рис.3. Смесительно-отстойная экстракционная установка: 1 - экстрактор; 2 - сепаратор

Тарельчатые экстракторы (рис.4) - это колонные аппараты с ситчатыми тарелками различных конструкций. Тарелки снабженны переливные устройства. При этом взаимодействие фаз происходит в перекрестном токе на каждой тарелке.

Рис.4 Тарельчатый экстрактор: 1 - цилиндрический корпус; 2 - переливное устройство; 3 - ситчатые тарелки

Диспергируемая фаза (легкая или тяжелая) проходит через отверстия в тарелках и дробится на капли. Сплошная фаза движется вдоль тарелки от перелива к переливу. Капли на тарелках коалесцируют и образуют сплошной слой жидкости над тарелкой (тяжелая жидкость) или под тарелкой (легкая жидкость). Подпорный слой секционирует экстрактор по высоте и обеспечивает подпор для диспергирования жидкости через отверстия тарелок. Секционирование экстрактора понижает обратное перемешивание фаз, приводя к увеличению средней движущей силы процесса.

Роторно-дисковый экстрактор (рис. 5) относится к экстракторам с механическим перемешиванием фаз. Представляет собой вертикальный многосекционный аппарат, в цилиндрическом корпусе его по оси установлен ротор с круглыми горизонтальными дисками, которые вращаются в средней плоскости секции экстрактора и разделены кольцевыми перегородками, что препятствует продольному перемешиванию потоков и способствует увеличению движущей силы процесса. При вращении ротора диски создают осевые потоки сплошной фазы, направленные от оси ротора к стенкам экстрактора.

Рис.5. Роторно - дисковый экстрактор: 1,5 - отстойные зоны; 2 - корпус; 3 - кольцевые перегородки; 4 - ротор

Жидкость движется вдоль стенок вверх и вниз в пространстве, которое ограничивается кольцевыми перегородками. Отражаясь от колец перегородки, жидкость меняет направление и движется к оси экстрактора. Возникают тороидальные потоки сплошной фазы. В верхней и нижней частях экстрактора расположены отстойные зоны. Капли легкой фазы - экстракта движутся вверх и коалесцируют в верхней отстойной зоне. Для лучшего разделения фаз отстойные зоны имеют диаметр несколько больший, чем зоны смешения. Вместо кольцевых перегородок зоны перемешивания могут разделяться слоем насадки, например колец Рашига, в которой происходит разделение тройной смеси на легкую и тяжелую жидкость. На рисунке 6 показан экстрактор с турбинными мешалками и отстойными зонами, заполненными кольцами Рашига.

Рис.6. Фрагмент роторно-насадочного экстрактора: 1 - ротор; 2 - слой насадки; 3 - турбинные мешалки

Преимущества описанных экстракторов:

- эффективный гидродинамический режим, соответствующий значениям модифицированного числа Рейнольдса,

который определяет высокие коэффициенты массопередачи и площади поверхности межфазного контакта;

- разделение реакционного объема на секции, приводящее к увеличению средней движущей силы;

- возможность регулирования частоты вращения ротора, что позволяет изменять производительность и эффективность работы экстрактора.

Для того, чтобы рассчитать и смоделировать роторный экстрактор необходимо знать размеры образующихся капель, продолжительность задержки дисперсной фазы в экстракторе, коэффициенты массоотдачи, предельные нагрузки экстрактора по сплошной и дисперсной фазам, продольное и поперечное перемешивание фаз.

Вибрационные и пульсационные экстракторы увеличивают интенсивность массопередачи при использовании таких качеств гравитационных экстракторов, как простота конструкции, низкая стоимость, небольшие затраты на эксплуатацию.

Колебательное движение жидкостям сообщаеться установленным вне экстрактора пульсатором (пульсационный экстрактор, рис. 7) или посредством движущегося возвратно-поступательного блока ситчатых тарелок (вибрационный экстрактор), насаженных на подвижной общий шток.

Рис.7 Пульсационный экстрактор: 1 -- неподвижный корпус; 2 -- вращающийся диск; 3 -- окна для соединения с системой сжатого воздуха; 4 -- окно для сообщения с атмосферой; 5 -- пульсационная камера

В зависимости от произведения амплитуды на частоту колебаний (Af) пульсационные экстракторы могут работать в смесительно-отстойном и эмульгационном режимах.

В смесительно-отстойном режиме за один цикл пульсаций легкая фаза, перемещаясь с нижней на вышележащую тарелку, диспергируется на тарелке и коалесцирует в межтарельчатом пространстве. Тяжелая фаза движется навстречу через слой легкой жидкости. Для этого режима характерны небольшие продолжительность контакта фаз и площадь межфазной поверхности. С возрастанием Af происходит уменьшение размера капель и возникает эмульгационный режим, для которого характерно наличие мелких капель примерно одного диаметра, заполняющих весь межтарельчатый объем экстрактора. Размер отверстий в тарелках экстрактора составляет 3...5 мм, площадь всех отверстий принимается равной 20...25% площади поперечного сечения колонны; расстояние между тарелками 50 мм.

Лучшее распределение и диспергирование достигаются на тарелках с прямоугольными отверстиями и направляющими лопатками.

Преимущество пульсационных и вибрационных экстракторов -- эффективная массопередача, которая достигается путем увеличения коэффициентов массоотдачи, средней движущей силы процесса и развитой поверхности фазового контакта. В то же время для пульсационных и вибрационных экстракторов требуются более мощные фундаменты, которые выдерживают значительные динамические нагрузки. Эксплуатационные затраты для таких экстракторов несколько выше, чем для обычных тарельчатых экстракторов.

На рисунке 8 изображён центробежный экстрактор. Экстракция в таких аппаратах протекает при непрерывном контакте движущихся противотоком фаз при минимальном времени взаимодействия.



Рис.8. Экстрактор «Подбильняк»:

1 - корпус экстрактора; 2 - V-образное кольцо; 3 - ротор; 4 - труба для подвода легкой жидкости; 5 - труба для отвода легкой жидкости; 6 - труба для подвода тяжелой жидкости; 7 - канал для выхода тяжелой жидкости

Корпус машины состоит из двух кожухов: верхнего и нижнего. В самом корпусе расположен вал с закрепленным на нем ротором. Вал с двух концов полый и выполнен по типу «труба в трубе», в центральной части цельный, с каналами для отвода легкой жидкости. Вал вместе с ротором вращается с частотой около 4500 мин-1. Обрабатываемый раствор и экстрагент поступают в экстрактор с противоположных концов полого вала, как показано на рисунке. Легкая жидкость подводится со стороны привода, а тяжелая -- с противоположного конца вала. Уплотнительной жидкостью служит обрабатываемая в экстракторе жидкость. Внутри ротора находятся концентрические V-образные кольца. Предусмотрены каналы для прохода легкой и тяжелой жидкости. При вращении ротора вместе с пакетом колец тяжелая жидкость под действием центробежной силы устремляется к наружному периметру ротора, легкая - навстречу к валу ротора. Происходит контакт жидкостей в противотоке. Эффективность экстракции достигается при многократном диспергировании жидкости на капли и коалесценции капель. После разделения тройной смеси жидкости выводятся по каналам в роторе в пустотелый вал: тяжелая жидкость выводится со стороны привода, а легкая -- с противоположного конца вала, со стороны входа тяжелой жидкости. Внутри ротора происходит инверсия фаз. Если в периферийной части ротора происходит взаимодействие дисперсной фазы легкой жидкости со сплошной фазой тяжелой жидкости, то в зоне, прилежащей к оси ротора, наоборот, дисперсная фаза тяжелой жидкости контактирует со сплошной фазой легкой жидкости. Обратный клапан для регулировки положения границы двух фаз в радиальном направлении изменяет рабочее давление легкой жидкости. Это позволяет получить необходимое соотношение объемов легкой и тяжелой жидкости, удерживаемых в роторе экстрактора. Эффективность экстракции достигается в зависимости от свойств обрабатываемых жидкостей путем изменения объема удерживаемой в роторе тяжелой и легкой жидкости. С повышением частоты вращения ротора возрастают эффективность экстракции и производительность экстрактора, устраняется «захлебывание» и повышается эффективность разделения тройной смеси.

Центробежные экстракторы имеют такие преимущества, как:

- компактностью и высокой эффективность;

- ускорение процессов смешения и разделения фаз в поле центробежных сил.

- короткое время пребывания фаз в экстракторах (от нескольких секунд до нескольких десятков секунд).

На рисунке 9 представлена экстракционной установке непрерывного действия. Исходный раствор подается в верхнюю часть экстрактора из емкости 3 насосом 2. Из емкости 4 насосом 1 экстрагент (легкая жидкость) подается в нижнюю часть экстрактора. Массообмен в экстракторе происходит в противотоке: экстрагент проходит через тарелки снизу вверх, а исходный раствор движется навстречу. В итоге из верхней части экстрактора выходит экстракт, а из нижней части -- рафинат, которые собираются в соответствующие емкости.

Рис.9 Схема непрерывнодействующей экстракционной установки:

1,2 - насосы;3,4,5,6 - ёмкости;5 - экстрактор

Список использованной литературы:

Блинова К. Ф. и др. Ботанико-фармакогностический словарь: Справ. пособие / Под ред. К. Ф. Блиновой, Г. П. Яковлева. -- М.: Высш. шк., 1990. -- С. 272. 

Минина С.А., Каухова И.Е. химия и технология фитопрепаратов. / С.А. Минина, И.Е. Каухова. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. - С. 560.

Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/

Леонова М.В., Климочкин Ю.Н. Экстракционные методы изготовления лекарственных средств из растительного сырья: учебно-методическое пособие./ М.В. Леонова, Ю.Н. Климочкин - Самара, Самар. гос. техн. ун-т. 2012. - С. 118.

Аксельруд В.А., Лысянский В.М. Экстрагирование (система твёрдое тело - жидкость). / В.А.Аксельруд, В.М.Лысянский - Л.: «Химия», 1974. -- С. 256.

Дытнерский Ю.И., Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Массообменные процессы. / Ю.И.Дытнерский - М.:»Химия», 1995. - С. 368.

Лекции кафедры ОФ и БМТ, Российского университета дружбы народов (РУДН).

Петров Б.И. Жидкость-жидкостная экстракция: вчера, сегодня, завтра /

Б.И. Петров - Изв. Алт. Гос. Университета, Химия. - 2010. - Т.67. - С. 184 - 191.

Размещено на Allbest.ru