Материал: Способы экстракции биологически активных соединений из лекарственных растений

Центробежные экстракторы обладают существенными достоинствами. Эти аппараты весьма компактны и сочетают значительную производительность с высокой интенсивностью массопередачи. В них можно эффективно обрабатывать жидкости с небольшой разностью плотностей. Вместе с тем центробежные экстракторы отличаются малой удерживающей способностью и коротким временем пребывания жидкостей в аппарате. Эта особенность центробежных экстракторов обусловливает их успешное применение для экстракции легкоразлагающихся веществ, например антибиотиков (пенициллина и др.), чувствительных не только к нагреванию, но и к продолжительному пребыванию в растворе при нормальной температуре. Вместе с тем эти аппараты не пригодны для экстракции, сопровождаемой химической реакцией, когда требуется длительное время контакта фаз.

.2     
Дробная мацерация (ремацерация)

Дробная мацерация или ремацерация - модификация, которая предусматривает эпизодическое изменение разности концентраций на границе раздела фаз за счет обновления экстрагента. При этом экстрагент разделяется на порции и время настаивания: если экстракт готовится в соотношении 1:5 то вначале растительный материал экстрагируется 4 суток трех кратным объемом экстрагента, после прессования экстракция осуществляется 1-кратным объемом чистого экстрагента в течение 2 суток и наконец в течение 1-х суток - оставшимся однократный объемом экстрагента. Таким образом, в сумме время экстракции составляет 7 суток, количество экстрагента - 5 объемов. Если же экстракт готовится в соотношении 1:10, тогда указанные объемы экстрагента удваиваются. Из статических многоступенчатых методов в производстве используется метод Н.А. Чулкова - противоточная ремацерация с незаконченным циклом.

Из динамических (периодических) методов в производстве используется одноступенчатый периодический способ - перколяция (от лат. percolare - процеживать, обеспечивать) - это непрерывная фильтрация, процеживание экстрагента сквозь слой сырья. Осуществляется в специальных емкостях, представляющих собой цилиндр с ложным дном и краном внизу. Перколирование ведется до "полноты" истощения, то есть до такой степени, когда в сырье остается настолько малое количество действующих веществ, что дальнейшее извлечение становится экономически нецелесообразным. Полноту истощения определяют визуально по обесцвечиванию перколята или качественными реакциями на действующие вещества - алкалоиды, таннаты, гликозиды, кислоты и т.п. После этого извлечение разбавляется чистым экстрагентом, если его объем получился меньше расчетного или содержание действующих веществ выше стандарта.

Если же извлечение содержит действующих веществ меньше нормы, то она ни в коем случае не может быть сконцентрирована упариванием. В таком случае повторно делается одноименная настойка, но с завышенным содержанием действующих веществ (более качественное сырье, меньший объем израсходованного извлекателя, заниженная скорость перколяции и др.), с помощью которой и исправляют брак.

Из методов в галеновом производстве более широко применяются периодические многоступенчатые методы реперколяции (с законченным или незаконченным циклами) сущность которых заключается в использовании батарей диффузоров (перколяторов). При этом извлечение из одного перколятора используется для перколирования сырья в следующем перколяторе (диффузоре). Таким образом, экстрагент, проходя через такую батарею диффузоров с сырьем, насыщается действующими веществами в необходимом количестве. Свежий экстрагент поступает всегда в экстрактор с наиболее истощенным сырьем, а вытяжку получают из экстрактора со свежезагруженным сырьем. Реперколяция с делением сырья на равные части с законченным циклом проводится в батарее перколяторов (рисунок 3). Количество перколяторов в батарее зависит от свойств сырья, чем труднее экстрагируется сырье, том большее число перколяторов входит в батарею.

Сырье, разделенное на равные части, загружают в перколяторы. В 1-м перколяторе сырье замачивают для набухания в течение 4-6 ч, после чего в перколятор подают экстрагент до «зеркала» и настаивают 24 ч. Затем перколируют в отдельную емкость, получая 80 % готового продукта по отношению к массе сырья в этом перколяторе. Перколирование продолжают до полного истощения сырья в другую емкость - получают «отпуск 1». Этим «отпуском 1» проводят намачивание, настаивание и перколирование сырья во 2-м перколяторе, из которого получают готовый продукт в количестве, равном 100 % от массы сырья в перколяторе и «отпуск 2».

Рисунок 3 - Реперколяция с делением сырья на равные части с законченным циклом

Отпуском 2 проводят намачивание, настаивание и перколирование сырья в 3-м перколяторе, из которого получают готовый продукт 3 в количестве, равном 100 % от массы сырья в перколяторе и «отпуск 3». Так ведут процесс в каждом последующем перколяторе, если их больше трех. Отпуск последнего перколятора упаривают до недостающих 20 % готового продукта, слитого из 1-го перколятора. При этом получают на 300 кг сырья жидкого экстракта: 80+100+100+20=300 л (кг), то есть в соотношении 1:1.

.3.1 Реперколяция по методу Босина

Сырье загружают в равных количествах в каждый перколятор батареи. Сырье в 1-м перколяторе экстрагируют чистым экстрагентом, в последующих - отпусками после извлечения сырья из предыдущих перколяторов. Число перколяторов подбирают таким образом, чтобы количество продукта при получении вытяжки из последнего перколятора было в объеме, равном всей массе экстрагируемого материала, то есть 1:1 (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема реперколяции по Босину

.3.2 Реперкуляция по методу Чулкова

Метод реперколяции по Чулкову был предложен в 1943 г. и нашел применение в фармацевтических производствах, длительно работающих по этой схеме. Экстрагирование проводят в батарее из 4-х и более перколяторов. Различают два периода: в пусковой период ежедневно загружают по одному перколятору и слив готового продукта не производят. В каждый перколятор загружают равное количество сырья, которое предварительно заливают равным количеством чистого экстрагента (для 1-го перколятора) или извлечением, полученным из предыдущего перколятора (для 2-го и всех последующих перколяторов). Набухшее сырье загружают в первый перколятор, заливают экстрагентом до зеркала и оставляют на сутки. На следующий день из первого перколятора сливают извлечения в два приема: первое извлечение - в объеме, равном массе сырья, загруженного в перколятор, используемое для замачивания сырья для второго перколятора, и второе извлечение - в двойном объеме по отношению к массе сырья, используемое для настаивания сырья во втором перколяторе.

В это время в первый перколятор подают свежий экстрагент в количестве, равном сумме извлечений. На третий день из второго перколятора собирают также два извлечения: для работы с сырьем, предназначенным для загрузки в третий перколятор. Во второй перколятор подают вытяжки из первого перколятора, а в него снова подают свежий экстрагент. Далее процесс проводится аналогично. Через сутки после загрузки последнего перколятора начинается рабочий период. В это время из последнего перколятора сливают первую порцию готового продукта в объеме, равном массе сырья в этом перколяторе. Одновременно из первого перколятора сливают все вытяжки.

Вторая и третья порции свежего экстрагента V1=V2 могут быть определены из уравнения:

Такой метод экстрагирования применяют для фитохимического производства небольших объёмов и в лабораторных условиях. При использовании этого метода в последнем и предпоследнем перколяторах сырье истощается не полностью, так как обработка проводится не чистым экстрагентом.

Батарейные экстракторы, наряду с положительными качествами (получение концентрированной вытяжки, непрерывность процесса) имеют и некоторые недостатки: большая затрата рабочей силы, громоздкость оборудования, невозможность автоматизации процесса. Большее преимущество имеют способы непрерывного экстрагирования в аппаратах с активным (прямоточным или противоточным движением сырья и экстрагента) противотоком.

Непрерывное экстрагирование (динамические методы прямо- и противоточные с движением экстрагента и/или сырья непрерывно). Общий принцип этих способов заключается в следующем: растительный материал, поступающий в специальные барабаны, постоянно перемещается с помощью шнеков, скребков, транспортных, лент и т.п. С противоположного конца экстрактора поступает извлекатель, который движется навстречу растительному материалу. При соприкосновении и перемешивании сырья и извлекателя происходит экстрагирование лекарственных веществ. С одного конца экстрактора вытекает концентрированное извлечение, а с противоположного выделяется истощенный растительный материал.

.4      Экстракция сжиженными газами

Экстракция сжиженными газами - один из новейших и перспективных способов экстракции материала, содержащего летучие и неустойчивые вещества, такие как эфирные масла, сердечные гликозиды, фитонциды, растительные гормоны и т.п. (рисунок 5).

При использовании в качестве экстрагента сжиженных бутана, бутанпропана, азота, аммиака, углекислоты, фреонов, аргона и др., имеющих температуру кипения ниже комнатной, окисления, разложения и потери ценных веществ и их свойства при выпаривании не будет, так как эти экстрагенты улетучиваются при комнатной температуре.

В СНГ освоена экстракция растительного сырья жидкой СО₂ (рисунок 6), при комнатной температуре и давлении 65-70 атм. Вязкость жидкой СО₂ в 14 раз меньше воды, в 65 раз - этилового спирта. Температура кипения сжиженного СО₂ лежит в пределах от -55,6 до +31 °С. Это позволяет быстро удалять газ из вытяжки и сохранять экстрагированные вещества в вытяжке без изменений.

Рисунок 5 - Схема процесса углекислотной экстракции

В химическом отношении сжиженная СО₂ проявляет полную индифферентность по отношению к сырью, извлекаемым веществам, материалам аппаратуры, является пожаро- и взрывобезопасной. Количественный выход действующих веществ при извлечении сжиженными газами достигает 88-98 %, что выше, чем у известных способов экстракции.

Рисунок 6 - Установка для непрерывной экстракции сжиженным СО₂

Основным элементом установки является вертикальная колонка, состоящая из ряда последовательных соединенных камер 1, 2, 4, 5, 8. Камера 1 для замачивания сырья СО₂-жидкой, камера 2 пониженного давления для взрывного разрушения сырья; экстрактор 4, испаритель 5 для освобождения шрота от СО₂; камера 6 пониженного давления для удаления из шрота остатков растворителя.

Внутри колонны снизу вверх движется непрерывная цепь контейнеров 7 с сырьем. Растительное сырье загружается в сетчатые корзины, которые вставляются в контейнеры. Последние входят в камеру 1, где происходит пропитка сырья СО₂-жидкой. Поступающее из сборника 15 насыщенное сырье затем переходит в камеру 2, где поддерживается пониженное давление. В результате резкого изменения давления сжиженный газ, содержащийся в сырье, резко меняет агрегатное состояние, вызывает разрушение сырья и понижение температуры.

Пары СО₂ отводятся через циклон 3. Измельченное сырье переходит в экстрактор 4, где осуществляется противоточный контакт сырья с растворителем, последний из сборников 15. Полученная вытяжка через фильтр 10 поступает в дистиллятор 12, из него пары поступают вновь в конденсатор 16, а экстракт периодически отбирается через нижний вентиль.

Растительное сырье после экстракции перемещается в камеру 5, где осуществляется испарение из шрота остатков сжиженного СО₂, перегретым водным паром. Оставшаяся в шроте СО₂ в камере 8 сбрасываются через циклон 6 в далее на сжижение в конденсатор 16. После выхода контейнеров из колонны на опускающейся ветви цепи происходит их разгрузка.

Экстракторы-диффузоры, имеющие форму удлиненных перколяторов, диаметром - 20-30 см., высотой - 1.5 м, толщиной стенок 5 см, сделаны из нержавеющей стали. Загрузочные и разгрузочные концы диффузоров герметизируются крышками на болтах. Трубопроводы соединяют диффузоры с испарителем через фильтр, соединяют с компрессором, с конденсатором-холодильником, мерником с жидкой СО₂, с баллонами с СО₂, и с диффузорами.

Работа начинается с измельчения сырья, для чего оно дробится на мельнице эксцельсиор или дезинтеграторе, порошкуется до мельчайшего порошка или до мелкого (0.05-0.125-0.5 мм) на вальцовой, шаровой мельнице или сжиженным газом. В этом случае материал после вальцев помещается в автоклав, герметизируется, пропитывается жидкой СО₂, а затем резко сбрасывается давление - жидкость мгновенно вскипает, наподобие пропелента в аэрозолях, разрывая при этом частицы на мельчайшие частицы.

Сухой растительный материал загружается в экстракторы, герметизируется, создается давление газообразной СО₂ из баллонов до 60-70 атм., затем сверху подается жидкая СО₂ в 3-6-кратном объеме от количества сырья и настаивается при комнатной температуре в течение 15 минут - 1.5-3 часов, в зависимости от свойств сырья и действующих или экстрактивных веществ. Мицелла (извлечение) пропускается через фильтр, подается в испаритель, экстрагент уваривается при комнатной температуре (в паровую рубашку подается теплая вода - 25-40 °С). Газообразная СО₂, по трубопроводу нагнетается в конденсатор, где вновь превращается в жидкость и снова подается на материал. После истощения материала в 1-м диффузоре подключается 2-й, а 1-й заполняется новой порцией сырья и т.д.

Глава 3. Очистка первичной вытяжки от балластных веществ

При экстрагировании растительного материала водой или слабыми водно-спиртовыми растворами извлекаются кроме действующих веществ и такие балластные, как слизи, пектиновые, белковые вещества, полисахариды, которые не способствуют устойчивости и качеству экстрактов. Разлагаясь при хранении, эти примеси придают экстрактам нехарактерный запах, растворы таких экстрактов становятся мутными.

.1 Удаление балластных веществ из водных извлечений

При удалении балластных веществ из водных извлечении применяют различные приемы.

) Простейшим из них является отстаивание при +8-10 °С в течение 0.5-1 суток.

) Для удаления белков водные извлечения кипятят при 100 °С в течение 0.5-3 часов, если это позволяют действующие вещества. При этом большинство белковых веществ коагулируют, жидкость затем отстаивается, фильтруется. Для более полного их осаждения первичное извлечение упаривают до 1/2-1/4 объема, отстаивают 1 сутки и фильтруют или центрифугируют, после чего упаривают до готовности. Кипячение, к тому же, ведет к гидролизу полисахаридов, что просветляет раствор.

) Для интенсификации процесса отстаивания используют осветлители, такие как фильтровальная бумага, размоченная в воде, суспензия талька (2 %), каолина (5 %), бентонита, порошка целлюлозы и другие, которые адсорбируют на своей поверхности взвешенные частицы, пигменты, смолы. Укрупненные таким образом комочки быстрее оседают на дно. Для этой цели ни в коем случае не применяется активированный уголь - он адсорбирует алкалоиды, гликозиды и другие действующие вещества и пигменты.

) Слизи, пектиновые вещества, белки и другие высокомолекулярные соединения (ВМС) можно осадить из раствора с помощью спирта, то есть провести так называемую спирто-очистку. Добавление спирта изменяет качество растворителя. При 60 % и более содержании спирта происходит деградация молекул ВМС или мицелл коллоидов и выпадение их в осадок.

Спирт добавляют:

а) непосредственно к первичной вытяжке добавляют 2-3х-кратный объем 96 % спирта (это зависит от количества извлечения, концентрации балластных веществ и их свойств);

б) извлечение выпаривают до 1/2 объема по отношении к массе растительного сырья, а затем добавляют 2-х кратный объем спирта по отношению к экстракту. После отстаивания фильтруют и упаривают фильтрат.