Массообменные процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тверская государственная медицинская академия»

Министерства здравоохранения Российской Федерации

(ГБОУ ВПО Тверская ГМА Минздрава России)

Курсовая работа

По производственной технологии

на тему: «Массообменные процессы»

Выполнила:

студентка 4 курса 401группы

Бирюкова Зоя Александровна

Руководитель:

ассистент Гальчинская Ирина Леонидовна

Тверь 2014



Содержание

Введение

1. Основы массопередачи

2. Абсорбция, адсорбация, кристализация

3. Теоретические основы экстрагирования

Заключение

Список использованных источников



Введение

В пищевой и химической промышленности и в технологии очистки газообразных и жидких систем широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного и нескольких веществ из одной фазы в другую в гетерогенных и гомогенных системах. массопередача химический проектирование

В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами: абсорбция, экстракция, ректификация, адсорбция, сушка, кристаллизация.

Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы.

Распределяемое вещество внутри и каждой фазы переносится путем молекулярной и турбулентной диффузии.

Для диффузионных процессов принимают, что количество переносимоговещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе (разности концентраций распределяемого компонента).

Теоретические основы современной технологии позволяет решать многочисленные и разнообразные проблемы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией соответствующих аппаратов, где протекают те или иные массообменные процессы.



1. Основы массопередачи

1.1 Общие сведения о массообменных процессах

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую, называются массообменными, а аппараты, в которых происходят эти процессы, - массообменнымиаппаратами.

Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологическихпроцессов.

В большинстве производственных установок химической промышленности массообменный и реакционный аппараты связаны по следующей схеме.

Исходное сырье поступает в реактор, где частично превращается в продукты реакции, поскольку химические реакции с получением целевых продуктов не протекают до конца. Выходящая из реактора смесь продуктов реакции и сырья, не участвующего в реакции, направляется в массообменную разделительную аппаратуру. В аппаратуре производится разделение смеси на продукты реакции и непрореагировавшее сырье, которое возвращается в реактор, а продукты реакции поступают на дальнейшую переработку.

Отсюда следует, что между реакционными и разделительными аппаратами существует тесная технологическая связь. Закон этой связи таков: чем меньше нагрузка на реакционный аппарат, т.е. чем меньше превращение исходного сырья в продукты реакции, тем больше нагрузка на разделительный аппарат, и наоборот.

Оптимальное сочетание нагрузок на реакционный и разделительный аппараты обеспечивает минимальныепроизводственные затраты. Поэтому основа химического производства - реактор - работает оптимально только в сочетании с оптимально работающим разделительным аппаратом.

В разделительном аппарате могут производиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионнообменные процессы и мембранное разделение.

Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями - адсорбентами. Этот процесс применяется во многих производствах, в которых из смеси газов необходимо извлечь какое-либо вещество или комплекс веществ. В процессе абсорбции имеет место переход вещества или группы веществ из газовой (паровой) фазы в жидкую. Обратный процесс называется десорбцией.

Ректификацией называется процесс разделения смеси жидкостей, имеющих различные температуры кипения при соответствующем давлении, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного движения потоков пара и жидкости. Процесс имеет большое значение в тех производствах, в которых необходимо частичное или полное разделение жидких однородных смесей на чистые компоненты или их группы. В процессе ректификации имеет место переход вещества или группы веществ из жидкой фазы в паровую, и наоборот.

Экстракцией называется процесс разделения, основанный на извлечении растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой. Процесс применяется в тех случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов, паров или растворенных в жидкостях веществ, твердым пористым поглотителем - адсорбентом, способным поглощать одно илинесколько веществ из их смеси. Процесс используется в тех производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечение того или иного вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твердую. Обратный процесс называется десорбцией.

Ионнообменный процесс представляет собой процесс извлечения вещества из раствора, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы извлекаемого вещества. Процесс применяется для извлечения веществ из растворов, имеющих низкую концентрацию. В этом процессе вещества переходят из жидкой фазы в твердую.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Процесс необходим для тех производств, в которых влажные природные вещества предварительно до их переработки или готовые вещества в последней стадии производства должны быть обезвожены. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Кристаллизацией называется процесс разделения, основанный на выделении вещества в виде твердой фазы (кристаллов) из жидкой фазы. Процесс имеет место в тех случаях, где требуется получение веществ повышенной чистоты. В этом процессе происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу. Обратный процесс - растворение.

Мембранное разделение основано на способности определенных тонких пленок (полупроницаемых мембран) пропускать одни вещества и задерживать другие. В этом процессе вещества переходят через полупроницаемую мембрану из исходной жидкости или газа в жидкую или газовую фазу, находящуюся за мембраной.

Из краткой характеристики следует, что для всех массообменных процессов характерным является переход вещества из одной фазы в другую, или массопередача.

Процессы массопередачи делятся на две группы. К одной группе процессов относятся, например, перегонка, кристаллизация, в которых минимально два вещества,составляющие две фазы, обмениваются компонентами и сами непосредственно участвуют в массопередаче. В другой группе процессов в большинстве случаев в массопередаче участвуют три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую. К этой группе относятся процессы: абсорбции, экстракции, адсорбции, сушки.

Одну фазу обозначим буквой G, другую L, а распределяемый компонент М. Поскольку все массообменные процессы обратимы, то распределяемое вещество может переходить в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах из фазы G в фазу L и наоборот.

Представим для первой группы процессов массопередачи, что распределяемое вещество находится вначале только в фазе G и имеет концентрацию. В фазе L в начальный момент распределяемого вещества нет и, следовательно, концентрация его в этой фазе.

Если распределяющие фазы привести в соприкосновение, начнется переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и в жидкой фазе появится распределяемый компонент с концентрацией, отличной от нуля. С момента появления вещества М в фазе L начинается обратный переход его в фазу G. До некоторого момента времени число частиц М, переходящих в единицу времени через единицу поверхности фазового контакта из фазы G в фазу L, больше, чем число частиц, переходящих обратно из фазы L в фазу G.

Через определенный промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из фазы G в фазу L и обратно становятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным. В состоянии равновесия существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в фазах, которые при равновесии системы называются равновесными.

Любой концентрации соответствует равновесная концентрация , и наоборот, любойконцентрации соответствует равновесная концентрация , т. е. имеют место зависимости вида.

Условия равновесия и равновесные зависимости могут быть выражены не только через концентрации, но и через другие параметры, например, энтальпии, химический потенциал.

Знание равновесных концентраций позволяет установить направление течения процесса, которое определяется стремлением к равновесию. Если распределяемое вещество М будет переходить из фазы G в фазу L. При условии отсутствии потерь в процессе взаимодействия фаз при параллельных потоках вдоль поверхности раздела концентрация распределяемого компонента в газовой фазе уменьшается, а в жидкой - увеличивается.

2. Абсорбция, адсорбция, кристаллизация

Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями - адсорбентами.

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель (абсорбент) и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

Примерами использования процессов абсорбции в химической технологии и технике могут быть разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получение соляной кислоты, аммиачной воды, очистка отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживание газовых выбросов и т. п.

Адсобция

Адсорбция- увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз (твердая фаза-жидкость, конденсированная фаза - газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Адсорбция является частным случаем сорбции, процесс, обратный адсорбции - десорбция.

Основные понятия

Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое -- адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) -- адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция. Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы)

Физическая адсорбция

Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы вещества)Ван-дер-Ваальсовы силы. Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием между адсорбентом и адсорбатом, является особым случаем. Явления такого рода называютхемосорбцией и химической адсорбцией. «Обычную» адсорбцию в случае, когда требуется подчеркнуть природу сил взаимодействия, называют физической адсорбцией.

Адсорбция -- всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма --активированный уголь), силикагели, цеолиты а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.

Адсорбция (особенно хемосорбция) имеет также важное значение в гетерогенном катализе. Пример адсорбционных установок приведён на странице азотные установки.

Установка для проведения адсорбции называется адсорбером.

Кристаллизация

Кристаллизация- получение (образование) вещества в кристаллическом виде. Из трех главнейших случаев образования кристаллов--при возгонке , из расплавленного состояния, из растворов--последний имеет наибольшее значение. Обычно пользуются:

1. Медленным испарением растворителя.

2.. Добавлением третьего вещества, смешивающегося с растворителем и уменьшающего растворимость в нем кристаллизуемого вещества; к раствору (обычно горячему) прибавляют осадителя до появления мути и оставляют стоять; так например к спиртовому раствору прибавляют воду, к эфирному раствору -- петролейный эфир, к фенолу--спирт и т. д.

3. Охлаждением насыщенного горячего раствора; вещество растворяют в подходящем растворителе при нагревании и помешивании, причем берут растворителя лишь немногим больше, чем нужно для растворения, и фильтруют горячим (лучше через нагревательную воронку); при охлаждении выделяются кристаллы.

Покой и медленное остывание способствуют росту кристаллов, однако величина кристаллов зависит также от природы вещества. При желании получить количество кристаллов большее, чем это возможно при охлаждении до комнатной t°, пользуются охладительной смесью, но при этом необходимо применять в качестве растворителя жидкости, не замерзающие при низкой t°, напр. сероуглерод, спирт, эфир, петролейный эфир. Часто бывает возможным вызвать К. вещества, выделившегося в виде масла, внося в него («заражая») кристаллик этого вещества, а иногда даже вещества, близкого ему по хим. строению. Потирание стенки сосуда стеклянной палочкой также ускоряет или вызывает К. Применяется К. с целью очищения вещества или получения его свежевыкристаллизованным с содержанием определенного количества «кристаллизационного» растворителя--воды, спирта, хлороформа и др.

В нек-рых случаях для выделения вещества в химически индивидуальном виде прибегают к К. его хорошо кристаллизующихся простейших производных: солей, ацетильных, бензольных и др. производных. Очень редким является образование хорошо кристаллизующегося двойного соединения индиферентного органического вещества, напр. соединения глюкозы и хлористого натрия: 2С6Н1206 + МаС1 + НгО. Некоторые вещества, например белки, могут быть получены в кристаллической форме высаливанием (см.). При очищении вещества К. (нередко многократно) исходят из того предположения, что кристаллизующееся вещество может быть отделено от примеси вследствие неодинаковой растворимости в подходящем растворителе. В нек-рых случаях удается получить чистое вещество лишь фракционированной К. Наблюдаются случаи неразделимых кристаллизацией смесей и образование смешанных кристаллов.--К. обычно ведут в кристаллизаторах--тонкостенных низких стаканах--или в чашках.-- Полученные кристаллы освобождают от маточного раствора промыванием на Бухнеров-ской воронке или выкладывают их на не-глазированную фарфоровую пластинку или фильтровальную бумагу, впитывающие маточный раствор, и, если нужно, отжимают между листьями фильтровальн. бумаги.

При сгущении маточного раствора или при добавлении к нему осадителя или совместным действием того и другого могут быть получены дальнейшие порции кристаллов. При выборе растворителя необходимо иметь в виду, чтобы он не влиял химически на подлежащие кристаллизации вещества и не содержал вредящих К. примесей и чтобы в случае К. охлаждением горячего раствора растворимость вещества в горячем растворителе достаточно резко отличалась от растворимости в холодном. Наиболее употребительными растворителями являются вода, этиловый, метиловый и амиловый ал-коголи, эфир, бензол, хлороформ, ацетон, уксусная к-та, петролейный эфир, фенол, пиридин, сероуглерод, H2S04 и друг.

Для микроскоп, исследования вещество выкристаллизовывают на предметном стекле, т. к. даже при осторожном переносе на предметное стекло кристаллы повреждаются. На предметное стекло наносят каплю концентрированного раствора испытуемого вещества, закрывают покровным стеклом и оставляют на воздухе или, если вещество легко расплывается, в эксикаторе и исследуют образовавшиеся кристаллы под микроскопом.

3. Теоретические основы экстрагирования

Процесс экстрагирования относится к массообменным процессам и протекает за счет диффузии из зоны с высокой концентрацией. Это, как правило, клетки животного или растительного материала, содержащие биологически активные вещества. Экстрагирование основано на диффузии биологически активных веществ из внутренних структур частиц материала в экстрагент и заканчивается при достижении равновесных концентраций. В равновесном состоянии из материала в экстрагент переходит такое же количество молекул, как и из экстрагента в материал, т. е. концентрация остается постоянной.

При экстрагировании из лекарственного растительного сырья идет диффузия БАВ из внутренних структур частицы материала. При этом процессе извлечение имеет свои особенности. Прежде ч 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.

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 слои 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 данном 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 нее 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,

Стадии процесса экстрагирования и их количественные характеристики

Процесс экстрагирования проходит в три стадии: 1) смачивание сырья (капиллярная пропитка); 2) образование первичного сока; 3) массообмен.

В процессе экстрагирования происходит массопередача, характеризуемая переходом одного или нескольких веществ из одной фазы (сырья) в другую (экстрагент). Массопередача из сырья с клеточной структурой -- сложный процесс, в котором можно выделить три стадии:

1) «внутренняя диффузия», включающая все явления переноса веществ внутри частиц сырья;

2) перенос вещества в пределах непосредственно диффузионного пограничного слоя;

3) перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия).

1.На первой стадии экстрагирование из обезвоженного сырья с клеточной структурой начинается с проникновения экстрагента в материал, смачивания веществ, находящихся внутри клетки, растворения и десорбции их. Далее следует молекулярный перенос растворенных веществ, вначале в экстрагент, находящийся в межклеточном пространстве, затем в экстрагент, заполняющий микро-и макротрещины, и наконец, на поверхность кусочков материала.

Представим в виде схемы (рис.) частичку материала, находящуюся в экстрагенте, и обозначим среднюю концентрацию экстрагируемых веществ внутри частицы С1 а на ее поверхности -- С2.

Рис 1. Частичка сырья в экстрагенте

2.На второй стадии идет диффузия веществ от поверхности частицы (концентрация С2) к наружной поверхности диффузионного пограничного слоя (концентрация С3). В настоящее время общепризнанно существование на поверхности кусочков сырья пристенного слоя, экстрагента, называемого диффузионным пограничным слоем. Пограничный диффузионный слой оказывает большое сопротивление дальнейшему переносу экстрагируемых веществ в экстрагент. Толщина этого слоя зависит от гидродинамики процесса и, в основном, от скорости перемешивания экстрагента. Чем больше скорость перемешивания, тем меньше толщина пограничного слоя. В пределах диффузионного пограничного слоя перенос веществ осуществляется по закону свободной диффузии и может быть записан в виде первого закона Фика:

3.Далее, на третьей стадии процесса экстрагирования перенос действующих веществ осуществляется за счет движения экстрагента (конвективная диффузия средняя концентрация экстрагента в объеме, омывающем частичку- С4, факторов.

Основные факторы, влияющие на полноту и скорость экстрагирования

Гидродинамические условия

При отсутствии конвекции, т. е. без перемешивания коэффициент конвективной диффузии р равен нулю, а толщина диффузионного слоя становится равной толщине всего слоя экстрагента. Следовательно, третья стадия экстрагирования отпадает, а коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией в сырье и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости.Такое явление наблюдается при мацерации (настаивании) без перемешивания. Этот способ экстрагирования самый продолжительный.

В том случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех стадий процесса Скорость этого способа экстракции выше, так как уменьшается слой неподвижной жидкости, появляются конвекционные токи, способствующие переносу вещества. Такой режим экстрагирования характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей реперколяции, непрерывной противоточной экстракции и др.

И наконец, при очень интенсивном перемешивании могут отсутствовать вторая и третья стадии диффузионного пути. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т. е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно. Вместе с тем становится равной нулю и толщина пограничного диффузионного .

Такой вид зависимости справедлив для вихревой экстракции и экстрагирования с применением роторно-пульсационного аппарата.

Второе и третье слагаемые могут отсутствовать, но наличие первого неотделимо от самого существа процесса экстракции из сырья с клеточной структурой.

В последнее время предложено экстрагирование с применением ультразвука, с помощью электрических зарядов с использованием электроплазмолиза и электродиализа. В этих случаях появляется возможность влиять на коэффициент внутренней диффузии что позволяет значительно ускорить процесс экстрагирования на самой его медленной стадии.

Поверхность раздела фаз, «твердое лекарственное сырье -- жидкость» зависит от степени измельчения сырья и будет тем больше, чем меньше его частички. Однако на практике известно, что при чрезмерно тонком измельчении сырье может слеживаться, а при содержании слизистых веществ -- ослизняться, в результате чего через такие массы экстрагент будет проходить очень плохо. При слишком тонком измельчении резко увеличивается количество разорванных клеток, что приводит к вымыванию сопутствующих веществ, загрязняющих вытяжку (белки, слизи, пектины, и другие высокомолекулярные соединения). Кроме того, в экстрагент переходит большое количество взвешенных частиц. В результате вытяжки получаются мутные, трудноосветляемые и плохо фильтруемые. Отсюда следует, что крупное сырье следует измельчать до оптимальных размеров: листья, цветы, травы 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.

Разность концентраций в сырье С1 и экстрагенте С4 является движущей силой процесса экстракции. Во время экстракции необходимо стремиться к максимальному перепаду концентраций, что достигается более частой сменой экстрагента (ремацерация вместо мацерации), проведением противоточного процесса и др.

Время (продолжительность) экстрагирования. Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, продиффундировавшего через некоторый слой, прямо пропорционально времени экстракции. Однако нужно стремиться к максимальной долноте извлечения в кратчайший срок, максимально использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса.

Чрезмерная продолжительность извлечения приводит к загрязнению вытяжек сопутствующими высокомолекулярными соединениями, скорость диффузии которых значительно меньше, чем у биологически активных веществ. При длительном экстрагировании могут протекать нежелательные процессы под влиянием ферментов. Общая продолжительность экстракции зачастую определяется экономическими соображениями. При этом бывает целесообразно прекратить процесс в какой-то момент, учитывая, что дополнительно извлеченные количества веществ не окупят избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов (спирт, эфир).

Вязкость экстрагента. По закону Фика количество растворенного вещества, продиффундировавшего через некоторый слой экстрагента, обратно пропорционально вязкости этого экстрагента при данной температуре. Следовательно, менее вязкие растворы обладают большей диффузионной способностью. Для уменьшения вязкости при экстрагировании растительными маслами используют подогрев.

Перспективными в этом отношении являются используемыев последнее время сжиженные газы -- углерода диоксид (С02), пропан, бутан, жидкий аммиак и др. Наиболее часто используютсжиженный углерода диоксид, который химически индифферентен к большому числу действующих веществ. Его вязкость в 14 разменьше вязкости воды и в 5 раз -- меньше вязкости этанола.

Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные маслаи другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрическойпроницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.).

Температура .Повышениетемпературы ускоряет процесс экстрагирования, но в условиях фитохимических производств подогрев используют только дляводных извлечений. Спиртовая и тем более эфирная экстракцияпроводится при комнатной (или более низкой) температуре,поскольку с ее повышением увеличиваются потери экстрагентов,а следовательно, вредность и опасность работы с ними.

Как было указано выше, при экстрагировании растительными маслами используют подогрев. Но для термолабильных веществ применение горячего экстрагента допустимо лишь в течение коротких отрезков времени. Повышение температуры экстрагента нежелательно для эфиромасличного сырья, поскольку при нагревании эфирные масла в значительной степени теряются. Необходимо учитывать, что при использовании горячей воды происходит клейстеризация крахмала, пептизация веществ; вытяжки в этом случае становятся слизистыми и дальнейшая работа с ними значительно затрудняется. Повышение температуры целесообразно при экстрагировании из корней, корневищ, коры и кожистых листьев. Горячая вода в этом случае способствует лучшему отделению тканей и разрыву клеточных стенок, ускоряя тем самым течение диффузионного процесса.

Добавка поверхностно-активных веществ (ПАВ). Экспериментально установлено, что добавление небольших количеств ПАВ (0,01--0,1%) улучшает процесс экстрагирования. При этом увеличивается количество экстрагируемых веществ -- алкалоидов, гликозидов, эфирных масел и других, а в некоторых случаях полнота извлечения достигается при меньшем объеме экстрагента. Добавки ПАВ снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, улучшая смачиваемость содержимого клетки иоблегчая проникновение экстрагента. Кроме того, существенную роль играет солюбилизирующая способность ПАВ.

Выбор экстрагента. Для обеспечения полноты извлечения действующих веществ и максимальной скорости экстрагирования к экстрагенту предъявляют следующие требования: селективность (избирательная растворимость); химическая и фармацевтическая индифферентность; малая токсичность; доступность.

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, что позволяет использовать его для избирательного экстрагирования различных биологически активных веществ. Кроме этанола из малополярных растворителей применяют ацетон, пропанол, бутанол.

Пористость и порозность сырья. 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.

Пористость и порозность сырья обусловливают его поглощающую способность, которая характеризуется коэффициентом поглощения сырья Кп: Поглощающая способность сырья находится в прямой зависимости от степени его измельчения.

Коэффициент вымывания. Он характеризует степень разрушенных клеток в измельченном сырье. Если он низкий, это значит, что в сырье мало разрушенных клеток, экстрагирование идет медленно и определяется в основном скоростью молекулярной диффузии. За величину коэффициента вымывания принимают количество веществ в вытяжке, полученное из определенной навески сырья, при определенном соотношении (сырье-экстрагент) при экстрагировании сырья в течение одного часа при определенной скорости перемешивания.

Воздействие вибраций, пульсаций, измельчения и деформации сырья в среде экстрагента. Использование методов экстрагирования, в которых имеют место вибрации, пульсации, измельчения и деформация в среде экстрагента, позволяет значительно увеличить скорость и полноту экстрагирования из сырья. Объясняется это тем, что:

1) При интенсивном воздействии на твердые частицы появляются сильные турбулентные течения, гидродинамические микропотоки, способствующие переносу масс, растворению веществ. Такое явление отмечается как снаружи твердых частиц, так и внутри них. В результате достигается интенсивное перемешивание даже внутри отдельных клеток.

2) При интенсивном колебании частиц сырья в местах трения происходит локальное повышение температуры, уменьшение вязкости экстрагента, а следовательно, увеличение коэффициента внутренней диффузии.

3) В результате увеличения турбулентности, нарушения структуры прилегающих слоев, пограничный диффузионный слой истощается или же будет иметь предельно малую толщину.

4) Следствием интенсивных колебаний является чередование зон сжатия и растяжения. При этом в момент растяжения в экстра-генте образуются полости разрыва жидкости (кавитационные зоны), которые захлопываются с силой в несколько сот атмосфер. Положительное качество этого процесса -- диспергирование частиц, приводящее к увеличению межфазной поверхности.

В результате появления турбулентного перемешивания как внутри, так и снаружи клеток молекулярно-кинетическое движение заменяется конвективным, что позволяет поддерживать разность концентраций в зоне соприкосновения фаз на высоком уровне.

Воздействие электроимпульсных разрядов. При экстрагировании с помощью электрических разрядов ускоряется процесс извлечения БАВ потому, что из-за искрового разряда в сырье происходит микровзрыв, разрывающий клеточные структуры материала. Процесс извлечения протекает быстрее за счет вымывания экстрактивных веществ и пульсации, увеличивающих скорость движения экстрагента. Возникающие в жидкости колебания сокращают время экстрагирования и повышают выход биологически активных веществ.

Требования к экстрагентам

Экстрагент в процессе экстракции БАВ играет особо важную роль. Он должен обладать способностью проникать через стенки клетки, избирательно растворять внутри клетки биологически активные вещества, после чего последним необходимо пройти через различные твердые оболочки и выйти за пределы растительного материала. К экстрагентам предъявляются определенные требования, вытекающие из специфических особенностей фармацевтического производства. Экстрагент должен обладать:-- избирательностью, т. е. максимально растворять лекарственные вещества, и минимально -- балластные вещества;

-- высокой смачивающей способностью, обеспечивающей хорошее проникновение его через поры материала и стенки клеток;

-- способностью препятствовать развитию в вытяжке микрофлоры;

-- летучестью, возможно низкой температурой кипения, легкой регенерируемостью;

-- минимальной токсичностью и огнеопасностью;

-- доступностью по стоимости.

Из двух равноценных экстрагентов выбирают менее огнеопасный, доступный по цене, фармакологически менее вредный и т. д. Если же экстрагент не удовлетворяет указанным требованиям, то применяют смеси, например, подкисленную воду, спирт с водой, эфир со спиртом и т. п.

Одним из наиболее часто применяемых экстрагентов является вода, которая обладает следующими преимуществами:

-- хорошо проникает через клеточные оболочки, не пропитанные гидрофобными веществами;

-- растворяет и извлекает многие вещества лучше других жидкостей;

-- фармакологически индифферентна;

-- повсеместно распространена;

-- негорюча и невзрывоопасна;

-- доступна по стоимости.

Однако как экстрагент имеет ряд отрицательных сторон, например:

-- не растворяет и не извлекает гидрофобные вещества;

-- не обладает антисептическими свойствами, вследствие чего в водных извлечениях могут развиться микроорганизмы, способные вызвать порчу получаемого извлечения;

-- за счет воды происходит гидролитическое расщепление многих веществ, особенно при высокой температуре;

-- в водной среде ферменты могут расщеплять лекарственные вещества и т. д.

Этиловый спирт -- наиболее часто применяемый экстрагент после воды.

Качество спирта-ректификата регламентируется ГФ X и ГОСТом 5962-51.

Спирт как экстрагент:

-- является хорошим растворителем многих соединений, которые не извлекаются водой, например жиры, алкалоиды, хлорофилл, гликозиды, эфирные масла, смолы и др;

-- обладает антисептическими свойствами (в спиртоводных растворах более 20% не развиваются микроорганизмы и плесени);

-- чем крепче спирт, чем менее возможны в его средах гидролитические процессы. Спирт инактивирует ферменты;

-- достаточно летуч, поэтому спиртовые извлечения легко сгущаются и высушиваются до порошкообразных веществ. Для сохранения термолабильных веществ выпаривание и сушка проводятся под вакуумом;

-- является лимитированным продуктом, отпускается фармацевтическим производством в установленном порядке;

-- значительно труднее, чем вода, проникает через стенки клеток, отнимая воду у белков и слизистых веществ, превращая их в осадки, закупоривающие поры клеток и тем самым ухудшающие диффузию. Чем ниже концентрация спирта, тем легче он проникает внутрь клеток;

-- фармакологически неиндифферентен; он оказывает как местное, так и общее действие, что необходимо учитывать при производстве извлечений;

-- горюч и огнеопасен.

Итак, спирт-экстрагент имеет более широкий диапазон извлечения БАВ, чем вода, причем его извлекающая способность зависит от концентрации. При экстрагировании этанолом в концентрации не менее 70% получают вытяжки, свободные от биополимеров (белков, слизей, пектинов).

Ацетон (СН3СОСН3). Бесцветная жидкость с характерным запахом. Относительная плотность 0,798. Кипит при 56,2 °С. С водой и органическими растворителями смешивается во всех отношениях. Применяют как экстрагент для алкалоидов, смол, масел и др.

Этиловый эфир (СН2Н5ОС2Н5). Бесцветная, легкоподвижная жидкость с чрезвычайной летучестью, температура кипения -- от 34 до 36 °С. Растворим в 12 частях воды, смешивается во всех соотношениях с ацетоном, спиртом, петролейным эфиром, жирными и эфирными маслами. Удельный вес 0,714 (при 20 °С). Пары эфира имеют большой удельный вес (2,56 по отношению к воздуху), они стелются по полу, ядовиты, могут перемещаться и накапливаться далеко от источника испарения эфира. При соприкосновении с огнем или горячими предметами могут дать взрыв большой силы (температура вспышки эфира 40 °С). Поэтому при работе с эфиром необходимо соблюдение особых мер безопасности, что ограничивает его применение как экстрагента. Этилацетат в смеси с этанолом в соотношении 9:1 используют при жидкостной экстракции флавокоидов в производстве фламина.

Хлороформ (СНС13). Бесцветная, прозрачная, легколетучая жидкость, смешивающаяся во всех соотношениях со спиртом, эфиром, бензином, со многими жирными и эфирными маслами, в воде растворима (1:200) и не смешивается с глицерином. Удельный вес 1,52, кипит при 59,5--62 °С. Пары хлороформа ядовиты, но не горючи и не взрывоопасны.

Является хорошим растворителем для многих лекарственных веществ: алкалоидов, гликозидов, масел и т. д.

Дихлорэтан (С1СН2СН2С1). Бесцветная, прозрачная жидкость, несмешивающаяся с водой. Имеет запах, напоминающий хлороформ. Плотность 1,252--1,235. Температура кипения 83,0-- 84,0 °С. Смешивается со спиртом и эфиром, жирами, минеральными маслами, смолами. Дихлорэтан малоогнеопасен (температура воспламенения 21,1 °С). При вдыхании паров вызывает отравление. Дихлорэтан в смеси с хлороформом (при плотности 1,315) применяется для экстрагирования гликозидов.

Хлористый метилен (СН2С12). Экстрагент q высокой относительной плотностью -- 3,33 и температурой кипения 41 °С. Применяется для экстрагирования гидрофобных веществ (гликозидов, алкалоидов и др.)»

Метанол, метиловый, или древесный спирт (СН3ОН). В настоящее время получается синтетически. Прозрачная, бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим этиловый спирт. Смешивается с водой во всех отношениях, образуя прозрачные растворы без следов помутнения и опалесценции. Плотность не более 0,793. Температура кипения 64--67 °С. Сильный яд. Прием внутрь 10 мл вызывает атрофию зрительного нерва, дозы 15-- 20 мл смертельны. К работе с метиловым спиртом допускаются лишь после специального инструктажа. Хранят в опломбированной таре. Применяется при экстрагировании кумаринов. Для разделения смеси гликозидов используют смесь метанола и воды (плотность 0,9464).

Масла растительные. Применяют масла растительные холодного прессования, хорошо отстоявшиеся; желтого цвета. Чаще всего применяют персиковое, миндальное и подсолнечное масла. Жирные масла смешиваются с эфиром, хлороформом, бензином, эфирными маслами и минеральными маслами. Все масла, кроме касторового, не смешиваются со спиртом и водой. Прогоркают, что влечет за собой повышение кислотного числа. Жирные масла обладают избирательной способностью как экстрагенты.

Сжиженные газы. Перспективными для экстрагирования являются предлагаемые в последнее время сжиженные газы: углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак, хладоны (хлорфторпроизводные углеводородов) и др. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные, жирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.)

Исследованиями, проведенными в ГНЦЛС, показано, что наиболее селективным растворителем в отношении эфирных масел является хладон-С318 (4-C4F8), практически не извлекающий жирных масел. Хладон-11 (CC13F), хладон-12 (CC12F2) и хладон-22 (CHC1F2) извлекают эфирные и жирные масла, каротиноиды, терпеноиды и другие природные вещества.

Экстрагирование сжиженными газами проводится под давлением, при снятии которого экстрагент улетучивается, а экстрактивные вещества остаются в чистом виде балластные вещества.



Заключение

Таким образом, можно отметить, что качество экстракционных препаратов из лекарственного растительного сырья для внутреннего и наружного применения, определяется составом и количественным соотношением отдельных видов растительных компонентов, входящих в состав сборов.

Данная работа может служить консультационным материалом для студентов фармацевтического факультета.



Использованная литература

1. Государственная фармакопея СССР.- 11-е изд.-М.,1989,-Вып.1.

2.Государственная фармакопея СССР.- 11-е изд.-М.,1989,-Вып.2.

3.Йорданов Д., Николаев П., Бойчинов А. Фитотерапия. - София, 1970.

4.Ладынина Е.А., Морозова Р.С. Лекарственные растения в медицине и в быту. Ставрополь.,1989.

5. Носаль М. А. , Носаль И.М. Лекарственные растения и способы применения в народе. - Л., 1991.

6. Соколов С.Я., Замотаев И.П. Справочник по лекарственным растениям. - М., 1988.

7. Фармацевтическая технология. Под ред. В.И. Погорелова. Феникс., Ростов-на-Дону, 2002.

Размещено на Allbest.ru

...