ЕКСТРАКЦІЯ В СИСТЕМАХ РІДИНА

В основі рідинної екстракції лежить перехід речовини з однієї рідини (розчину) в іншу, що не змішується з першою. У результаті взаємодії екстрагента з вихідною рідиною одержують екстракт-розчин витягнутих речовин і рафінад — залишковий вихідний розчин, збіднений на речовини, що витягаються, із вмістом якоїсь кількості екстрагента. Перехід речовин відбувається за наявності різниці концентрації між рідкими фазами за законом рівноважного розподілу між рідкими фазами до динамічної рівноваги між ними. Відповідно до цього закону відношення рівноважних концентрацій речовини, що розподіляється між двома рідкими фазами, є величина стала (для даної температури) і називається коефіцієнтом розподілення W:

де V і x — рівноважні концентрації розподілюваної речовини в екстракті і рафінаді, %.

Процес екстракції в системах рідина—рідина складається з таких стадій: змішування вихідного розчину з екстрагентом для створення між ними тісного контакту, розділення двох рідких фаз, які не змішуються, регенерація екстрагента, тобто видалення його з екстракту (розчину) і рафінаду.

Рідинна екстракція може бути ступінчастою і безперервною. Ступінчаста екстракція ділиться на одноступінчасту і проходить в одному апараті, багатоступінчасту — екстракція проходить в декількох апаратах. Багатоступінчаста екстракція може бути прямоточною і протитечійною.

У промисловості застосовують різноманітні технологічні схеми екстракційних процесів. Апарати для рідинної екстракції функціонують за принципом механічного перемішування і гравітації. Апарати, які працюють за принципом механічного перемішування,— це колони з мішалкою і відцентрові екстрактори, що використовують відцентрову силу для змішування і розділення фаз. У гравітаційних апаратах використовується різниця густин розчинників. Принцип гравітації лежить в основі роботи різних насадкових колон із сітчастими тарілками колонного типу, розпилювальних та інших конструкцій.

Після змішування первинної витяжки з екстрагентом суміш розділяється у відстійнику на рафінад і екстракт із концентраціями екстрагованої речовини — відповідно x і у. Матеріальний баланс процесу у разі взаємної нерозчинності вихідного розчинника W і екстрагента D зображується на діаграмі у — x (рис. 8.4) прямоїАВ, точки якої відповідають концентраціям екстракту і рафінаду на різних стадіях процесу.

Якщо максимальна розділювальна здатність одноступінчастої екстракції обмежена одним теоретичним ступенем рівноваги, то при її використанні досягається лише обмежене витягування.

Найбільш ефективні безперервні процеси екстрагування, здійснювані в багатоступінчастих апаратах при протитечії вихідного розчину. У цьому разі найбільш повно використовується рушійна сила процесу масообміну, а заданий ступінь екстрагування досягається при найменшій витраті екстрагента. Схема найпрості-

шого процесу при взаємній нерозчинності вихідного розчинника і екстрагента наведена на рис. 8.5. Тут число теоретичних ступенів рівноваги визначається ступінчастою побудовою між кривою розподілу і робочою лінією, рівняння якої визначається із рівняння матеріального балансу.

По довжині апарату незмінні потоки вихідного розчину і екстрагента рухаються назустріч один одному. Вихідний розчин х_п виснажується, і концентрація екстрагованої речовини збільшується в рафінаді у, який виходить із колониі має кілька ступенів n. Кожна ступінь є порогом, де відбувається віддача екстрагованої речовини з вихідного розчину в екстрагент.

При екстракційному розділенні декількох компонентів (А, В,...) особливо при їх близькій розчинності часто використовується екстрагування з двома екстрагентами, при якому вихідна суміш надходить у середню частину колони, а екстрагент — у нижню. У цьому процесі компонент А переходить у фазу одного екстрагента, а компонент В — у фазу іншого. Деякі конструкції багатоступінчастих апаратів для безперервної про-титечійної екстракції схематично зображені на рис. 8.6. Ефективність цих апаратів, як правило, оцінюється к. к. д. окремих ступенів або їх висотою (довжиною).

Для того щоб одержати стійкі емульсії, використовуються конструкції, здатні забезпечити сильне емульгування.

Доцільно використовувати апарати, в яких досягається добрий контакт фаз лише через контакт без їхнього емульгування. Вигідно використовувати конструкції різних модифікацій, при цьому щоб кожен ступінь був на порядок вищим (рис. 8.6).

Розпилювальний екстрактор а — це порожниста колона, заповнена однією з рідин — суцільною фазою — важкою рідиною. Для створення більшої поверхні контакту фаз інша рідина розпилюється за допомогою розподільного пристрою в суцільній фазі. На певному рівні краплі дисперсної фази зливаються та утворюють шар, відділений від суцільної фази поверхнею розділу. Іноді

a — розпилювальна колона; б — колона із сітчастими тарілками; в — насадкова колона; г — роторно-дисковий екстрактор; ґ — колона з перемінними змішувальними та відстійними насадковими секціями (колона Нейбелля); 1 — колона; 2 — розпилювачі; 3 - сітчаста тарілка; 4 — переливні труби; 5 — насадка; 6 — розпилювачі; 7 — вал; 8 — плоский ротор; 9 — кільцеві перегородки; 10 — мішалки; 11 — насадка; л. ф. — легка фракція, в. ф. — важка фракція

зверху і знизу екстракційна колона розширена, що сприяє кращому відстоюванню фаз. 3 цього розпилювального екстрактора рідина надходить у колону із сітчастими тарілками б для перетоку суцільної фази. У колоні за допомогою спеціального механізму (пульсатора) рідини сполучаються коливаннями невеликої амплітуди і певної частоти. Як пульсатор використовують безклапан-ний поршневий насос, приєднаний до днища колони. При пульсації відбувається тонке диспергування однієї з фаз, що зумовлює інтенсивну масопередачу. Таким чином, іде рівномірне і поступове розділення фаз у перемінних колонах різних модифікацій. Наступна колона, в яку надходить рідина — насадкова в. Усередині вона заповнена насадкою, зверху і знизу знаходяться розпилювачі, що подають дві рідини, які не змішуються між собою. Зверху надходить важка фракція, а знизу — легка, вони рухаються назустріч одна одній. Насадка призначена для створення поверхні контакту фаз. Рідини зливаються, і утворюється дисперсна фаза, відділена від важкої фракції поверхнею насадки. Легка фракція переходить через суцільну фазу, створюючи дисперсний шар, який затримується на насадці. Фракції, пройшовши одна через одну, надходять у роторно-дисковий екстрактор г, де відбувається подальше екстрагування. Роторно-дискова колона має вал, на якому розташовані плоскі ротори. На стінках колони знаходяться кільцеві перегородки. У таких колонах для зменшення зворотного перемішування і для турбулізації потоків фаз установлені на-садки-перегородки у вигляді тарілок або кілець. При обертанні вала з плоским ротором контакт між фазами здійснюється як при

обтіканні перегородок дисперсною фазою у вигляді тонкої плівки (коалісценції крапель), так і при русі крапель дисперсної фази в просторі між перегородками. При контакті важка фракція стікає вниз, а дисперсна фаза залишається на перегородках-кільцях.

Подальше екстрагування відбувається в колоні з перемінними змішувальними та відстійними насадочними секціями д.

Колона має насадки, перемінні з мішалками, призначеними для змішування фаз під дією відцентрової сили. На горизонтальному валі обертаються насадки. Рідкі фази для контактування подаються за допомогою насосів через вал по каналах. Важка рідина підводиться до периферії насадки. Рідини рухаються протитечійно, вони багаторазово змішуються при витіканні через отвори в перегородці і розділяються під дією відцентрових сил. Рафінат і екстракт відокремлюються також через відособлені канали вала. Апарати цього типу відрізняються високою інтенсивністю розділення.

Такі апарати використовуються в багатотонажному виробництві і мають високий к. к. д. ступеня (90 %). Діаметр їх досягає 6 м, висота — 4 м, а продуктивність перевищує 100 м³/год.

Як ми бачимо, колони мають різний принцип дії. У гравітаційних апаратах відбувається екстрагування за рахунок різниць густин двох рідин, що не змішуються між собою. До таких апаратів належать насадкові колони, розпилювальні колони і колони із сітчастими тарілками.

Наступні два екстрактори працюють за принципом механічного перемішування, за рахунок відцентрової сили йде змішування і розділення фаз. Це роторно-дисковий екстрактор і колона із перемінними змішувальними та відстойними секціями.

Значне поширення одержали ящикові екстрактори (рис. 8.7), які є різновидом змішувально-відстійних апаратів.

У цих апаратах вертикальними перегородками відділені ступені, кожен з яких складається зі змішувальної та відстійної камер. У кожному ступені рух фаз прямоточний, а в апараті в цілому — протитечійний. Транспортування рідин із ступеня в ступінь здійснюється турбінними мішалками. Такі змішувально-відстійні екстрактори можуть працювати з будь-яким співвідношенням розчину і екстрагента, зберігаючи робочий розподіл концентрацій у ступе-

нях при зупиненні. Змішувально-відстійні екстрактори, особливо ящикові, можна збирати в батареї, які складаються практично з будь-якого числа ступенів, що робить їх дуже перспективними при екстрагуванні важкорозділюваних компонентів. Окремі секції цих апаратів можуть використовуватися для однократної періодичної і безперервної екстракції, а їх групи — для перехресної.

У хіміко-фармацевтичній промисловості набули широкого за-стосовання різноманітні відцентрові екстрактори, в яких змішування і розділення рідин відбувається в полі відцентрових сил. Робочий орган деяких екстракторів (ротор) складається з набору перфорованих циліндрів або спіральних стрічок. Ці машини забезпечують високу продуктивність (до 120 м³/год при діаметрі ротора 1,2 м). Схема пристрою трубчастого відцентрового екстрактора зображена на рис. 8.8.

Циліндричний барабан 3 має швидкість обертання 1500— 5000 об/хв. Усередині барабан розділений перфорованими перегородками 7 на низку екстракційних II, IV, VI і сепараційних I, III, V, VII ділянок. Рідини надходять у барабан по відособлених каналах, які проходять усередині нерухомого циліндра 4. Важка рідина подається по каналу 2 у нижню екстракційну ділянку VI, легка — по каналу 6 у верхню екстракційну ділянку II. Рухаючись

у барабані протитечійно, рідини багаторазово перемішуються, проходячи між нерухомими перфорованими дисками 5, закріпленими на циліндрі 4. Емульсія, яка при цьому утворюється, попередньо розшаровується при проходженні через перфоровані відбійні перегородки 7, які виконані у вигляді декількох дискових або конусних тарілок. Остаточний розподіл фаз відбувається під дією відцентрової сили в сепараційних ділянках. Рідкі фази (екстракт і рафінад) видаляться з екстрактора через відособлені канали: легка — через верхній кільцевий злив 8, важка — через нижній 1.

Для деяких виробництв (антибіотики) такі апарати, забезпечуючи дуже незначний час контакту фаз, є незамінними; крім того, такі екстрактори застосовуються при дуже малій різниці в густині обох фаз, при утворенні стійких емульсій тощо.

Розпилювальні колони, механічний горизонтальний екстрактор з обертовою насадкою, які застосовувались раніше, показали свою незручність у роботі (часте промивання екстрактора, негерметич-ність установок, необхідність суворого і постійного контролю). Запропонований відцентровий екстрактор багатоступінчастий (раніше використовувався в ядерному військовому виробництві) дуже компактний, високоефективний, малометаломісткий, малоенерго-ємний. Не дає емульсій, дуже легко збільшується степінь витягання введенням додаткових ступенів.

Розглянемо принцип дії відцентрового багатоступінчастого екстрактора на прикладі приготування фламіну (рис. 8.9).

Кожний екстрактор установки має камеру змішування і камеру розділення (ротор). У камері змішування за допомогою мішалки йде екстракція діючих речовин. У роторі відбувається розділення водного середовища і етилацетатно-спиртової суміші за рахунок різниці густин під дією відцентрових сил. Після розділення розчини надходять на наступний ступінь. Подача розчинів в установку здійснюється за протитечійним принципом.

Водний концентрат фламіну надходить в установку через ротаметр на останню 6 секцію і заповнює всю установку. А в секцію 1 подають етилацетатно-спиртову суміш, теж через ротаметр. Про> йшовши послідовно всі стадії установки, етилацетатно-спиртова суміш протитечією витягає фламін із водного концентрату і надходить у збірник. У процесі екстракції плавно установлюють швидкість подачі суміші і водного концентрату.

Після встановлення режимних швидкостей подачі розчинів для досягнення заданого ступеня виснаження водяного концентрату продовжують збір водного концентрату в проміжний збірник, після чого зливання уже виснаженого водного концентрату переключають у збірник-відстійник.

По закінченні процесу екстракції перекривають подачу суміші і водного концентрату і відключають установку. За допомогою вакууму звільняють відцентрові екстрактори від залишків розчинів у проміжний збірник. Етилацетатно-спиртові витяжки зі збірника подають за допомогою вакууму в розділювальну лійку для відстоювання. Відстояні витяжки подають для упарювання в циркуляційний вакуум-випарний апарат.

Культивування клітин і тканинрослини — порівняно молода галузь біотехнології. Як відомо, у природних умовах клітини рослин знаходяться в тканинах і органах і захищені від механічної дії зовнішнього середовища. Крім того, ці клітини потребують більшості компонентів мінеральної та органічної природи для метаболізму і росту, тому експерименти культивування цих клітин in vivo y минулому закінчувалися невдачею. Спочатку до мінеральних середовищ додавали екстракти рослин або сироватку і лише 1922 року Роббінсу вдалося на синтетичному живильному середовищі здійснити ріст меристеми кінчиків коренів томатів і кукурудзи. Початок практичного культивування тканинних культур рослинного походження можна віднести до 1955 року.

Як приклад наведено склад середовища, мг/л, для культивування клітин горобейника (табл. 9.1).

Як видно з наведених даних, для рослинних клітин важливе значення мають солі азоту, калію, магнію, фосфору і деякі мікроелементи. 3 органічних речовин, крім вуглеводів, важливі окремі амінокислоти, вітаміни і фітогормони (індолілоцтова кислота, кінетин), ауксини, цитокініни, гіберелінова кислота та ін.).

Тепер рослинні клітини культивують, як правило, у вигляді калусу. Калусні клітини отримують із фрагментів тканин різних органів вищих рослин, розміщуючи шматочки такої тканини в живильне середовище (пробірки, колби, чашки Петрі).

У природних умовах калусна тканина утворюється в травмованих місцях для анатомічної регенерації постраждалого органа. Від інфекції калусну тканину в природних умовах захищають імунні механізми організму. У штучних умовах необхідно дотримуватися стерильності всіма доступними засобами. Звичайно експлантат обробляють дезінфікувальними розчинами і промивають очищеною водою. Потім його поміщають у розчин, який містить ферменти (целюлозу, геміцелюлозу і пектиназу), що руйнують

Хімічний склад середовища, мг/л, для культувування горобейника

клітинні стінки, при цьому утворюються тисячі поодиноких «голих» клітин, протопластів, які не мають клітинних стінок. У живильному розчині протопласти утворюють нові клітинні стінки, клітини починають ділитися.

3 метою дотримання стерильності середовища, посуд і апаратуру стерилізують традиційними способами (автоклавуванням, ультрафільтрацією, опроміненням). Щоб забезпечити розвиток калусних клітин у живильних середовищах, які містять необхідні для росту речовини, клітини тканин, запасаючої паренхіми, кореня і стебла, мезофілу листка та інших тканин повинні втрачати здатність диференціювання. Недиференційованому розвитку

клітин сприяє передінкубація експлантатів на середовищі без гормонів протягом 3—6 діб.

Через 4—6 тижнів культивування трансплантата виникає первинний калус, який необхідно перенести на свіже живильне середовище. При культивуванні на агаризованих середовищах (твер-дофазний спосіб культивування) шматочок калусу повинний мати масу 60—100 мг на 30—40 мл свіжого середовища. Калусна тканина, яка виросла на поверхні твердого живильного середовища, має аморфну структуру, що являє собою масу тонкостінних парен-хімних клітин. Для тривалої пересадки калусні тканини, які мають спочатку білу, жовтувату, зелену або червону пігментацію, можуть утрачати забарвлення, а структура тканини стає більш пухкою. Хімічний склад калусної тканини звичайно відрізняється від складу відповідного органа рослини (табл. 9.2).

Таблиця 9.2 Хімічний склад, %, біомаси культури тканини і кореня женьшеня

Калусні клітини після декількох поділів переходять на звичайний для цієї рослини цикл розвитку, тобто починається диференціація. Цей процес регулюють гормони.

Культивування клітин рослин на твердих середовищах здійснюють також у різних механізованих установках. Схема однієї із сучасних установок конструкції ВНДІбіотехніка для твердофазного культивування зображена на рис. 9.1. Апарат являє собою вертикальну посудину циліндричної форми з конічним днищем, обладнану оболонкою і змійовиками для охолодження культури. Усередині вона розділена перфорованими пластинами. Субстрат

перемішується за допомогою лопатевих мішалок, установлених у кожній секції на вертикальному валу. Засіяне живильне середовище завантажують через верхній люк, а готову культуру вивантажують через нижній.

Культура подається з верхніх секцій на нижні шляхом періодичного перевертання перфорованих пластин на 90° навколо горизонтальної осі. У кожну секцію під перфоровані пластини надходить стерильне повітря.

Перемішування субстрату в цьому апараті дозволяє вести процес культивування клітин у товстому шарі субстрату (300—500 мм), при вирощуванні в кюветах — 20—30 мм. Це суттєво підвищує питому продуктивність установки.

Процес одержання культури клітин твердофазним способом вимагає використання надто великої площі, не гарантує стерильності і дає низький вихід про-ДУКту.

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

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

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

ЕКСТРАКЦІЯ В СИСТЕМАХ РІДИНА—РІДИНА