Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Особенности экстрагирования из растительного сырья с клеточной структурой





Особенности экстрагирования из растительного сырья с клеточной структурой

При экстрагировании из лекарственного растительного сырья идет диффузия БАВ из внутренних структур частицы материала. При этом процессе извлечение имеет свои особенности. Прежде всего, наличие пористой перегородки, межклеточного пространства и клеточных ходов снижает скорость диффузии. Далее, через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают размеров пор. Наконец, имеется еще одна существенная особенность - явление десорбции, наблюдаемое в клетке после проникновения в нее экстрагента. Поскольку вещества внутри клетки связаны силами притяжения, то необходимо, прежде всего, преодоление этих адсорбционных сил. Весь сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала, называют внутренней диффузией. Для выражения коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна (1.1) для свободной диффузии вводят поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса. Уравнение коэффициента внутренней диффузии в этом случае будет иметь вид:

, (1.2)

Для материала с клеточной структурой значение коэффициента внутренней диффузии значительно меньше, чем значение коэффициента свободной диффузии. Так, величина коэффициента свободной диффузии для многих природных соединений находится в пределах 10–4 – 10–5 м2/с. Для этих же соединений значение коэффициента диффузии в порах материала с клеточной структурой на 2-3 порядка меньше, т.е. 10–6 – 10–8 м2/с.

Особенности извлечения биологически активных веществ из материалов с клеточной структурой связаны с тем, что на пути к веществам, содержащимся в клетке, находится клеточная стенка, физиологическое состояние которой может быть различным. Так, живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы определенной толщины. Он накладывает особый отпечаток на свойства клеточной стенки, как перегородки, отделяющей раствор внутри клетки (клеточный сок) от жидкости вне клетки.

Пока протоплазма жива, клеточная стенка является полупроницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В этом случае возможно лишь проникновение экстрагента внутрь клетки (осмос).

Совершенно по-другому ведет себя мертвая клетка. Вследствие гибели протоплазмы (плазмолиза) клеточная стенка теряет характер полупроницаемой перегородки и начинает пропускать вещества в обе стороны (диализ). То есть клеточная стенка приобретает свойства пористой перегородки, через которую могут диффундировать биологически активные вещества, молекулы которых не превышают размера пор.

Подавляющее большинство экстракционных препаратов получают из высушенного растительного сырья, т.е. обезвоженного путем тепловой сушки. В случае получения препаратов из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом. Он очень гигроскопичен и при соприкосновении с растительной клеткой обезвоживает ее, вызывая сильнейший плазмолиз. Умерщвление клеток сырья животного происхождения достигается теми же способами: сушкой или обезвоживанием спиртом и ацетоном.

При получении препаратов из свежего сырья, клетки которого не обезвожены, скорее имеет место вымывание клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор, чем процесс экстрагирования.

Основные этапы экстракции

По характеру диффузии различают три основных этапа экстракции:

1. Диффузия экстрактивных веществ из внутренней части клеток к их поверхности

2. Диффузия веществ через ламинарный подслой, окружающий частицу и возникающий за счёт сил трения (сил вязкости) экстрагента при протекании через слой сырья

3. Конвективный перенос экстрактивных веществ от наружной поверхности ламинарного подслоя в общий поток растворителя. Конвективная (принудительная) диффузия тем эффективнее, чем интенсивнее гидродинамический режим (перемешивание и циркуляция). От гидродинамического режима зависит и толщина ламинарного подслоя.

Процесс массопередачи при установившемся режиме описывает уравнение:

, где

К– коэффициент массопередачи (м/с), который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения:

F – поверхность массопередачи, м2

τ – время экстракции, с

С1 – средняя концентрация экстрагируемых веществ внутри частицы, кг/м3

С2 – средняя концентрация экстрагента в объеме, омывающем частичку, кг/м3

Dвн – коэффициент внутренней диффузии, м2

l – толщина частицы материала, через которую диффундируют вещества, м

d – толщина ламинарного подслоя, м

Dж – коэффициент молекулярной диффузии вещества в жидком ламинарном подслое,

β – коэффициент массоотдачи (конвективной диффузии)

Основной фактор, определяющий скорость массопередачи, - внутреннее сопротивление твёрдой фазы. Уменьшение размера частиц приводит к уменьшению сопротивления.

Количественную теорию молекулярной диффузии разработал А. Фик, а позднее А. Н. Щукарев применил её для систем твердое тело-жидкость. А. Фик доказал, что кинетика диффузии аналогична кинетики теплопроводности, теория которой была развита Ж. Б. Ж. Фурье

По закону Фика-Щукарева количество растворенного вещества G (кг), продиффундировавшего сквозь некоторый слой растворителя (извлекателя), прямо пропорционально разности концентраций этого слоя (кг/м3), времени τ (ч), площади поверхности слоя F (м2) и обратно пропорционально толщине диффузионного слоя d (м).

D (м2/ч) – коэффициент диффузии, равный количеству вещества, способного продиффундировать в единицу времени через единицу поверхности при разности концентраций, равной единице.

Коэффициент диффузии определяют для различных веществ на основе экспериментальных данных. Оно зависит от рода диффундирующего вещества, прямо пропорционален температуре и обратно пропорционален вязкости извлекателя. Коэффициент диффузии увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера частиц экстрагируемого вещества. Например, белковые и слизистые вещества, находящиеся в состоянии коллоидных растворов, диффундируют плохо, так как имеют крупные молекулы. Вещества молекулярной и ионной дисперсии, имеющие малые размеры частиц, проникают в раствор значительно быстрее.

Коэффициент конвективной диффузии (β) при интенсификации перемешивания возрастает и становится максимальным при турбулентном движении. Поэтому при расчетах коэффициента массопередачи третьей составляющей можно пренебречь. В этом случае определяющей для процесса экстракции становится первая составляющая знаменателя, т. е. величина коэффициента внутренней диффузии (Dвн ), так как свободная диффузия вещества в ламинарном подслое оказывает незначительное влияние вследствие его малой толщины.

Разность концентраций

Разность концентраций является основной движущей силой диффузионного процесса. Диффузионный процесс при экстракции протекает до установления динамического равновесия в системе твердое тело-жидкость. Поэтому в процессе экстракции необходимо поддерживать максимальную разность концентраций, чего на практике достигают перемешиванием, циркуляцией экстрагента или заменой извлечения чистым реагентом.

Время установления равновесия в системе при экстракции видов сырья, различающихся по анатомической структуре и содержащих различные действующие вещества, водой и спиртом обычно находится в пределах 3-8 часов.

Влияние температуры

Скорость диффузионного обмена, а,следовательно, и скорость экстрагирования растительных материалов сильно зависят от температуры, при которой производится извлечение. Можно считать, что повышение температуры на 40 °С увеличивает скорость диффузии в 2 раза.

Поэтому экстрагирование при помощи нагретых растворителей является эффективным приемом для интенсификации процесса извлечения, тем более что растворимость многих растворимых компонентов растительных материалов при нагревании увеличивается.

Вытяжки, получаемые с помощью горячей воды, интересны тем, что в них отсутствуют активные ферменты и большая часть белков, коагулирующих при нагревании выше 60 °С. Крахмал, содержащийся в исходных материалах, под воздействием горячей воды клейстеризуется и переходит в состав вытяжки. По сравнению с холодными извлечениями в состав настоев и отваров переходит значительно большее количество пектиновых веществ и других соединений, трудно растворимых, медленно диффундирующих или образующихся в результате гидролиза нерастворимых нативных компонентов исходных материалов. Большими преимуществами вытяжек, приготовленных с помощью горячей воды, являются их относительная стерильность и связанная с этим столь же относительная устойчивость.

Однако в случае извлечения лекарственного растительного материала, содержащего термолабильные вещества, или использования легколетучих экстрагентов повышение температуры недопустимо, так как это приводит к разрушению первых и улетучиванию вторых.

Время экстрагирования

Количество вещества, продиффундировавшего через слой сырья, прямо пропорционально длительности процесса. Во время экстракции в извлечение переходят не только биологически активные, но и балластные вещества. Поэтому о конце процесса извлечения необходимо судить не по сумме экстрактивных, а по количеству действующих веществ. Последние имеют меньшую молекулярную массу (300-500), благодаря чему диффундируют быстрее высокомолекулярных веществ, поэтому в ряде случаев увеличение длительности экстракции нецелесообразно (ухудшается качественный состав извлечения вследствие большого содержания балластных веществ). Поэтому необходимо стремиться к ускорению полноты извлечения, используя все факторы, ведущие к интенсификации процесса экстракции. Ускорение процесса экстракции целесообразно и с экономической точки зрения. В большинстве случаев экстракция наиболее активно протекает в первые часы, а затем, несмотря на использование новой порции экстрагента, её скорость заметно снижается, и полнота извлечения наступает через сравнительно длительное время. Поэтому процесс экстракции целесообразно прекратить, когда предполагаемая (расчётная) дополнительная экстракция остатков действующих веществ не окупится избыточными расходами на ценные экстрагенты (спирт, эфир).

Выбор экстрагента

Выбор экстрагента определяется степенью гидрофильности извлекаемых веществ. Для экстрагирования полярных веществ с высоким значением диэлектрической постоянной используют полярные растворители: воду, метанол, глицерин; для неполярных – кислоту уксусную, хлороформ, эфир этиловый и другие органические растворители. Наиболее часто в качестве экстрагента применяют этанол – малополярный растворитель, который при смешивании с водой дает растворы разной степени полярности. Кроме этанола из малополярных растворителей применяют ацетон, пропанол, бутанол.

Вязкость экстрагента

Коэффициент диффузии обратно пропорционален вязкости экстрагента. Следовательно, в менее вязких жидкостях быстрее протекают диффузионные процессы. На вязкость извлекателей большое влияние оказывает температура, поэтому при необходимости экстракции извлекателем с большой вязкостью его целесообразно использовать в нагретом состоянии. Большая вязкость экстрагента и его поверхностное натяжение затрудняют проникновение жидкости в узкие капилляры (каналы) клеточных оболочек.

Особенности экстрагирования из растительного сырья с клеточной структурой

При экстрагировании из лекарственного растительного сырья идет диффузия БАВ из внутренних структур частицы материала. При этом процессе извлечение имеет свои особенности. Прежде всего, наличие пористой перегородки, межклеточного пространства и клеточных ходов снижает скорость диффузии. Далее, через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают размеров пор. Наконец, имеется еще одна существенная особенность - явление десорбции, наблюдаемое в клетке после проникновения в нее экстрагента. Поскольку вещества внутри клетки связаны силами притяжения, то необходимо, прежде всего, преодоление этих адсорбционных сил. Весь сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала, называют внутренней диффузией. Для выражения коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна (1.1) для свободной диффузии вводят поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса. Уравнение коэффициента внутренней диффузии в этом случае будет иметь вид:

, (1.2)

Для материала с клеточной структурой значение коэффициента внутренней диффузии значительно меньше, чем значение коэффициента свободной диффузии. Так, величина коэффициента свободной диффузии для многих природных соединений находится в пределах 10–4 – 10–5 м2/с. Для этих же соединений значение коэффициента диффузии в порах материала с клеточной структурой на 2-3 порядка меньше, т.е. 10–6 – 10–8 м2/с.

Особенности извлечения биологически активных веществ из материалов с клеточной структурой связаны с тем, что на пути к веществам, содержащимся в клетке, находится клеточная стенка, физиологическое состояние которой может быть различным. Так, живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы определенной толщины. Он накладывает особый отпечаток на свойства клеточной стенки, как перегородки, отделяющей раствор внутри клетки (клеточный сок) от жидкости вне клетки.

Пока протоплазма жива, клеточная стенка является полупроницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В этом случае возможно лишь проникновение экстрагента внутрь клетки (осмос).

Совершенно по-другому ведет себя мертвая клетка. Вследствие гибели протоплазмы (плазмолиза) клеточная стенка теряет характер полупроницаемой перегородки и начинает пропускать вещества в обе стороны (диализ). То есть клеточная стенка приобретает свойства пористой перегородки, через которую могут диффундировать биологически активные вещества, молекулы которых не превышают размера пор.

Подавляющее большинство экстракционных препаратов получают из высушенного растительного сырья, т.е. обезвоженного путем тепловой сушки. В случае получения препаратов из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом. Он очень гигроскопичен и при соприкосновении с растительной клеткой обезвоживает ее, вызывая сильнейший плазмолиз. Умерщвление клеток сырья животного происхождения достигается теми же способами: сушкой или обезвоживанием спиртом и ацетоном.

При получении препаратов из свежего сырья, клетки которого не обезвожены, скорее имеет место вымывание клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор, чем процесс экстрагирования.

Основные этапы экстракции

По характеру диффузии различают три основных этапа экстракции:

1. Диффузия экстрактивных веществ из внутренней части клеток к их поверхности

2. Диффузия веществ через ламинарный подслой, окружающий частицу и возникающий за счёт сил трения (сил вязкости) экстрагента при протекании через слой сырья

3. Конвективный перенос экстрактивных веществ от наружной поверхности ламинарного подслоя в общий поток растворителя. Конвективная (принудительная) диффузия тем эффективнее, чем интенсивнее гидродинамический режим (перемешивание и циркуляция). От гидродинамического режима зависит и толщина ламинарного подслоя.

Процесс массопередачи при установившемся режиме описывает уравнение:

, где

К– коэффициент массопередачи (м/с), который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения:

F – поверхность массопередачи, м2

τ – время экстракции, с

С1 – средняя концентрация экстрагируемых веществ внутри частицы, кг/м3

С2 – средняя концентрация экстрагента в объеме, омывающем частичку, кг/м3

Dвн – коэффициент внутренней диффузии, м2

l – толщина частицы материала, через которую диффундируют вещества, м

d – толщина ламинарного подслоя, м

Dж – коэффициент молекулярной диффузии вещества в жидком ламинарном подслое,

β – коэффициент массоотдачи (конвективной диффузии)

Основной фактор, определяющий скорость массопередачи, - внутреннее сопротивление твёрдой фазы. Уменьшение размера частиц приводит к уменьшению сопротивления.

Количественную теорию молекулярной диффузии разработал А. Фик, а позднее А. Н. Щукарев применил её для систем твердое тело-жидкость. А. Фик доказал, что кинетика диффузии аналогична кинетики теплопроводности, теория которой была развита Ж. Б. Ж. Фурье

По закону Фика-Щукарева количество растворенного вещества G (кг), продиффундировавшего сквозь некоторый слой растворителя (извлекателя), прямо пропорционально разности концентраций этого слоя (кг/м3), времени τ (ч), площади поверхности слоя F (м2) и обратно пропорционально толщине диффузионного слоя d (м).

D (м2/ч) – коэффициент диффузии, равный количеству вещества, способного продиффундировать в единицу времени через единицу поверхности при разности концентраций, равной единице.

Коэффициент диффузии определяют для различных веществ на основе экспериментальных данных. Оно зависит от рода диффундирующего вещества, прямо пропорционален температуре и обратно пропорционален вязкости извлекателя. Коэффициент диффузии увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера частиц экстрагируемого вещества. Например, белковые и слизистые вещества, находящиеся в состоянии коллоидных растворов, диффундируют плохо, так как имеют крупные молекулы. Вещества молекулярной и ионной дисперсии, имеющие малые размеры частиц, проникают в раствор значительно быстрее.

Коэффициент конвективной диффузии (β) при интенсификации перемешивания возрастает и становится максимальным при турбулентном движении. Поэтому при расчетах коэффициента массопередачи третьей составляющей можно пренебречь. В этом случае определяющей для процесса экстракции становится первая составляющая знаменателя, т. е. величина коэффициента внутренней диффузии (Dвн ), так как свободная диффузия вещества в ламинарном подслое оказывает незначительное влияние вследствие его малой толщины.







ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.