Настойка, технология ее производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

46

Введение

Настойки - это жидкие спиртовые или водно-спиртовые извлечения, полученные обычно из высушенного или свежего растительного или животного сырья без нагревания и удаления экстрагента.

Согласно определению ДФУ (I изд., 2001 г. с. 513) настойки - это жидкие препараты, обычно получаемые из высушенного растительного или животного сырья. Готовят настойки мацерацией, перколяцией или другим подходящим методом с применением спирта соответствующей концентрации. Готовят их в соотношении 1:10 или 1:5.

Почти все настойки представляют собой темно-окрашенные жидкости. По-видимому, это обстоятельство и явилось причиной их латинского названия Tincturae (от лат. tinctio - окрашивание), которое нельзя признать правильным и удачным.

Настойка - старейшая категория спиртовых извлечений, появившихся вскоре после открытия методов получения спирта. Настойки всегда составляли видное место в каталоге официнальных галеновых препаратов.

Настойки появились в 14-ом столетий, введены в мед. практику Парацельсом (1493-1541гг). Термин происходит от латинского “Тingere”, что значит "намачивать, окрашивать".



1. Литературный обзор

1.1 Классификация, номенклатура и особенности технологии настоек

Группа настоек в том виде, как она представлена в современном каталоге, не является однородной. Прежде всего, она включает препараты, отнесенные к настойкам только по внешнему виду (темноокрашенные жидкости) и не являющиеся извлечениями. Такими препаратами является 5% и 10% настойки йода, рассматриваемые нами в числе спиртовых растворов. Особым типом являются настойки, получаемые путем растворения экстрактов. Также особняком стоят сложные настойки, представляющие собой смесь извлечений из нескольких растений. Если учесть все сказанное, то все настойки можно разделить на две группы: настойки простые и настойки сложные.

Теоретические основы извлечения (экстрагирования).

Процессы экстрагирования (извлечения) имеют весьма большое значение в современной фармации. Путем извлечения получается основная группа суммарных (галеновых) препаратов - экстракты и настойки, а также новогаленовые препараты, полифракционные экстракты, извлечения из свежих растений и ряд других. Экстракционный процесс лежит в основе технологии многих препаратов, получаемых из сырья животного происхождения (препараты гормонов, ферментов и др.)

Экстракционный процесс лежит в основе не только производства суммарных препаратов, но и технологии выделения из сырья индивидуальных фармакологически активных веществ (алкалоиды, гликозиды, сапонины и др.).

Долгое время экстракция растительного сырья производилась примитивными малопроизводительными способами, базировавшимися на догматических регламентация*. Набор экстрагентов был очень ограниченным. Причиной являлась недостаточная изученность экстракции лекарственного растительного сырья как одной из форм массооб-менного процесса в системе твердое тело - жидкость. К познанию этого процесса советскими учеными было проложено много путей. В результате исследований, проведенных в ЛХФИ, I ММИ, ВНИХФИ, ВИЛР, ХНИХФИ и ПФИ, в настоящее время мы можем более или менее достоверно представить себе механизм процесса, протекающего при извлечении фармакологически активных веществ из лекарственного растительного сырья.

Сущность процесса извлечения.

В процессе извлечения преобладают диффузионные (массообменные) явления, основанные на выравнивании концентрации между растворителями (экстрагент) и раствором веществ, содержащихся в клетке. Различают диффузию; 1) молекулярную и 2) конвективную.

Молекулярной диффузией называется обусловленный хаотическим движением молекул процесс постепенного взаимного проникновения веществ (жидких или газообразных), граничащих друг с другом и находящихся в макроскопическом покое. Интенсивность диффузии зависит от кинетической энергии молекул. Чем она выше, тем интенсивнее протекает диффузионный процесс. Например, газы легко диффундируют друг в друга, поскольку молекулы их движутся с большими скоростями. Жидкости и растворы, движение молекул в которых более ограничено, диффундируют значительно медленнее.

Движущей силой диффузионного процесса является разность концентраций растворенных веществ в соприкасающихся жидкостях. Чем больше будет разница концентраций, тем большее количество вещества переместится при всех прочих равных условиях за одно и то же время. Скорость диффузии увеличивается при повышении температуры, поскольку при этом возрастает скорость движения молекул. Скорость диффузии зависит от относительной молекулярной массы вещества. На диффузионный процесс, естественно, влияет величина поверхности, разделяющей вещества, а также толщина слоя, через который происходит диффузия. Очевидно, чем больше поверхность раз-дела, тем больше продиффундируют вещества, и чем толще слой, тем медленнее идет выравнивание концентрации. Наконец, перемещение вещества требует определенного времени. Чем дольше длится диффузия, тем больше вещества переходит из одной среды в другую.

Влияние факторов на процессы диффузии может быть выражено математически следующим уравнением:

где S - количество продиффундировавшего вещества в кг; С-с - разность концентраций в кг/м3; F - поверхность раздела фаз в м2; т - время диффузии в с; х - толщина слоя, через который происходит диффузия в м; D - коэффициент молекулярной диффузии, показывающий количество вещества в кг, которое продиффундирует за 1 с через поверхность в 1 м2, при толщине слоя I м и разности концентраций в 1 кг/м3.

Согласно этому уравнению, называемому законом диффузии Фика, количество продиффундировавшего вещества прямо пропорционально разности концентраций, поверхности раздела фаз, времени диффузии, коэффициенту диффузии и обратно пропорционально толщине слоя.

Что касается коэффициента диффузии, то его математическое выражение было дано Эйнштейном:

где R -газовая постоянная 8,32 Дж/(град-моль); Т - абсолютная температура; N0- число Авоградро (6,06-1023); з - вязкость в н/(с-*м2); г - радиус диффундирующих частиц в м.

Из приведенного уравнения видно, что коэффициент диффузии увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера частиц вещества. Иначе говоря, чем меньше радиус диффундирующих частиц, тем быстрее идет диффузия. Например, растворы белков, слизей и т. п. диффундируют очень медленно, потому что они как высокомолекулярные соединения имеют очень низкие коэффициенты диффузии. Совершенно другая картина наблюдается в растворах веществ, находящихся в состоянии молекулярной или ионно-молекулярной дисперсии. Эти вещества как имеющие относительно малые размеры частиц диффундируют несравнимо быстрее.

В практике численные значения коэффициентов молекулярной диффузии берут из справочников или специально рассчитывают.

Конвективный перенос вещества происходит в результате сотрясения, изменения температуры, перемешивания и т. д., т. е. причин, вызывающих перемещение жидкости, а вместе с ней и растворенного вещества в турбулентном потоке. Иначе говоря, механизм конвективной диффузии состоит в (переносе вещества ib виде отдельных небольших объемов его раствора, причем внутри этих малых объемов имеет место и молекулярная диффузия. Конвентивная диффузия подчиняется закону, согласно которому скорость конвективной диффузии возрастает с увеличением поверхности контакта фаз, разности концентраций, продолжительности .процесса и коэффициента конвективной диффузии. Математически эта зависимость выражается следующим образом:

S = вF(C- с)т,

где в-коэффициент конвективной диффузии, представляющий собой количество вещества, переносимое за 1 с через поверхность в 1 м2, при разности концентраций, равной 1 кг/м3; 5 - количество вещества, перешедшего из жидкой фазы в движущийся поток другой жидкости в кг; F - поверхность раздела в м2; С-с - разность концентраций вещества, переходящего в поток, у поверхности раздела фаз (С) и в центре движущегося потока (с) в кг/м3; ф - время в с.

При конвективной диффузии размер молекул диффундирующего вещества, вязкость растворителя, кинетическая энергия молекул становятся второстепенными. Главными для скорости конвективного переноса вещества становятся гидродинамические условия, т. е. скорость и режим движения жидкости. Таким образом, молекулярный и конвективный переносы вещества отличаются друг от друга не только механизмом, но и тем, что скорость их протекания зависит от разнородных групп факторов. Обычно скорость конвективного переноса веществ во много раз больше скорости молекулярного переноса.[8]

Разбираемые нами положения относятся к так называемой свободной диффузии, т. е. к такому случаю, когда между соприкасающимися растворами или жидкостями нет никаких перегородок, иначе говоря, когда молекулярная и конвективная диффузии протекают свободно, не встречая на своем пути каких-либо преград.

Процесс же извлечения биологически активных веществ из растительного сырья осложняется рядом особенностей. Во-первых, на пути к веществам, содержащимся в клетке, находится клеточная стенка, физиологическое состояние которой может быть различным. Остановимся более подробно на этом весьма важном обстоятельстве. Живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы большей или меньшей толщины. Этот пристенный слой протоплазмы 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. Например, сколько ни вымачивать в холодной воде кусок только что выкопанного солодкового корня, обладающего приторно сладким вкусом, вода не приобретает сладкого вкуса, так как клеточные стенки не пропустят растворенных в клеточном соке глицирризина и сахаристых веществ. В этом случае возможно лишь проникновение воды внутрь клетки (осмос).

Совершенно по-другому ведет себя мертвая растительная клетка. Необходимо подчеркнуть, что подавляющее большинство экстракционных препаратов приготовляется из высушенного лекарственного растительного сырья, т. е. обезвоженного путем тепловой сушки. В случае получения препаратов из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом, который очень гигроскопичен и при соприкосновении с растительной клеткой обезвоживает ее, вызывая сильнейший плазмолиз. Умерщвление клеток сырья животного происхождения достигается теми же способами: сушкой и обезвоживанием спиртом и ацетоном.

Вследствие гибели протоплазмы клеточная стенка теряет характер полупроницаемой перегородки и начинает пропускать вещества в обе стороны. Иначе говоря, клеточная стенка приобретает свойства пористой перегородки, а извлечение - характер диализа, т. е. диффузии через пористую перегородку. При этом процесс извлечения приобретает свои особенности. Прежде всего наличие пористой перегородки отражается на скорости диффузии - снижает ее. Далее через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают определенных размеров. Наконец, имеется еще одна существенная особенность - явление десорбции, наблюдаемое в клетке после проникновения в нее экстрагента. Еще М. В. Цвет в своих классических исследованиях по хлорофиллу показал, что после проникновения экстрагента в клетку одновременно с растворением протекает процесс десорбции, поскольку вещества внутри клетки связаны силами притяжения и необходимо прежде всего преодоление этих адсорбционных сил субстрата.

Таким образом, извлечение необходимо рассматривать как сложный процесс, состоящий из отдельных моментов: диализа, десорбции, растворения и диффузии, протекающих самостоятельно и одновременно как единое целое, как один общий процесс. Процесс извлечения начинается с проникновения экстрагента внутрь частичек (кусочков) растительного сырья. Вначале по макро-, затем микротрещинам, по межклеточным ходам и межклеточникам экстрагент достигает клеток и получает возможность диффундировать через клеточные стенки (диализ). По мере проникновения экстрагента в клетку ее содержимое (спавшееся при сушке растения в небольшой комочек) начинает набухать и переходить в раствор (десорбция и растворение). Затем ввиду разницы между концентрацией раствора в клетке и вне ее начинается молекулярный перенос растворенных веществ в обратном направлении через клеточную стенку (диализ); вначале в экстрагент, находящийся в межклетниках и межклеточных ходах, а затем в экстрагент, заполняющий микро- и макротрещины и, наконец, в экстрагент, омывающий кусочек растительного материала.

Механизм диффузии через клеточную мембрану, согласно теории равновесной сорбции, заключается в следующем: молекулы диффундирующего вещества сорбируются материалом мембраны, диффундируют через нее и десорбируются с другой ее стороны; при этом скорость диффузии вещества через мембрану лимитируется градиентом концентрации и характеристикой самой мембраны. После выноса веществ из клетки их диффузия фактически становится свободной молекулярной диффузией, правда ограниченной узкими просветами и длиной ходов выноса веществ к наружной поверхности.

Весь этот сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала, называют внутренней диффузией. В основном он слагается из диффузии через пористую перегородку (стенка мертвой клетки) и свободной молекулярной диффузии. Это дает возможность применить уравнение Фика к количественной характеристике этой первой стадии экстракции, но лишь с поправкой на имеющиеся особенности.

Совершенно естественно, что величина коэффициента диффузии в порах растительного материала будет значительно меньше, чем для свободной диффузии. Так, например, если величина коэффициента свободной диффузии для большинства природных соединений составляет 10-4-10-5 г/(см2-с), то для этих же соединений величина коэффициента диффузии в порах растительного материала на 2-3 порядка меньше, т. е. 10-7-10-8 г см2/с.

Для выражения величины коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна для свободной диффузии нужно вводить поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса.

Тогда в уравнение Фика для переноса вещества в порах растительного материала вместо коэффициента свободной диффузии нужно будет поставить значение коэффициента внутренней диффузии (Dвн.):

После молекулярного переноса извлеченных веществ к наружной поверхности кусочков экстрагируемого сырья процесс экстракции вступает во вторую стадию.

В настоящее время общепризнанно существование на поверхности частиц твердой фазы (кусочков сырья) пристенного слоя экстрагента, называемого диффузионным пограничным слоем. Вещества, вынесенные на поверхность кусочков, проникают в диффузионный пограничный слой, полностью подчиняясь закону свободной молекулярной диффузии. Толщина диффузионного слоя зависит от гидродинамики процесса и в основном от скорости перемещения экстрагента. Если экстрагепт и. сырье находятся в состоянии относительного покоя, то диффузионный слой равняется толщине всего слоя неподвижной жидкости. Очевидно, что массоперенос в этом случае во всей толщине экстрагента будет осуществляться только молекулярной диффузией.

Уже при небольших скоростях перемещения экстрагента относительно твердой фазы пограничный диффузионный слой уменьшается, приобретая какую-то определенную величину. Наступает третья, конечная, стадия экстракции, когда вещества, поступившие в диффузионный слой, переносятся в центр потока конвективной диффузией.

При больших скоростях перемещения экстрагента толщина диффузионного слоя может стать равной нулю. Перенос вещества молекулярной диффузией происходит в этом случае только в частицах растительного сырья. За пределами частиц, т. е. в экстрагенте, перенос вещества осуществляется конвективной диффузией, которая при больших скоростях перемещения экстрагента возрастает до бесконечности: перенос и распределение вещества по всему объему вытяжки происходят практически мгновенно.

Таким образом, процесс экстракции растительного сырья состоит из трех стадий.

Стадия 1. «Внутренняя» диффузия, охватывающая все явления переноса вещества внутри частиц сырья; количественно оценивается величиной коэффициента DBa.

Стадия 2. Перенос вещества в пределах непосредственного диффузионного пограничного слоя; количественно оценивается величиной коэффициента D.

Стадия 3. Перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия); количественно оценивается величиной коэффициента в

Для количественной оценки общего переноса вещества, каким бы способом он ни осуществлялся, существует понятие «массопередача».

Массопередача, естественно, так же как молекулярная и конвективная диффузии, означает перенос вещества при отклонении системы от равновесия из фазы с большей концентрацией в фазу с меньшей концентрацией. Эта разность концентрации является движущей силой процесса массопередачи. Кроме того, скорость перехода вещества пропорциональна поверхности соприкосновения фаз.

Математически эта зависимость выражается формулой:

S = KF(C~ c) x,

где К - коэффициент массопередачи, означающий количество вещества, переносимое за 1 с через поверхность в 1 м2 при разности концентраций, равной 1 кг/м3; S - количество вещества, переходящего из одной фазы в другую в кг; F - поверхность соприкосновения фаз в м2; ф - время в с; С-с - движущая сила процесса массообмена - разность концентраций вещества, переходящего из одной фазы в другую в кг/м3.

Из этого уравнения следует, что количество вещества, переходящее в единицу времени из одной фазы в другую, пропорционально коэффициенту массопередачи, поверхности контакта фаз, продолжительности процесса и разности концентраций. Коэффициент массопередачи суммирует все величины, являющиеся количественными характеристиками трех перечисленных выше этапов диффузионного пути в процессе экстракции. Связь коэффициента массопередачи и коэффициентов всех видов диффузии определяется следующим уравнением:

где 2r - толщина частицы растительного сырья; п - коэффициент; Dвн-коэффициент внутренней диффузии; D - коэффициент молекулярной диффузии; д - толщина диффузионного пограничного слоя; в- коэффициент конвективной диффузии.

Анализ уравнения показывает, что при отсутствии конвекции коэффициент конвективной диффузии равен нулю, а толщина диффузионного слоя становится равной толщине всего экстрагента. Значит, третий этап диффузии отпадает, а коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости. Такое явление наблюдается при мацерации без перемешивания. Указанный способ экстракции самый длительный.

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

И, наконец, в некоторых случаях могут отсутствовать второй и третий этапы диффузионного пути. Это явление возможно при больших скоростях перемещения жидкости. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т. е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно, третий член уравнения отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина диффузионного слоя, поэтому второй член уравнения также отпадает. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного сырья. Типичным примером этого способа экстракции является вихревая экстракция.

Второй и третий этапы диффузионного пути, как было показано выше, могут отсутствовать, но наличие первого этапа неотделимо от самого существа процесса экстракции из растительного сырья.

Следует отметить, что вещества, находящиеся в клетке с разорванными стенками, значительно легче вовлекаются экстрагентом. Здесь происходит простое вымывание.

Знание теоретических основ экстракции дает возможность технологу разумно вести этот производственный процесс и тем самым обеспечить наиболее полное и в самый короткий срок извлечение действующих веществ.

Из факторов, влияющих на полноту и скорость извлечения, которые поддаются регулированию и, следовательно, могут быть изменены в желательную сторону, основными являются: выбор экстрагента, степень измельчения сырья, разность концентраций, температура, вязкость экстрагента, продолжительность извлечения и гидродинамические условия. О конкретном управлении этими факторами говорится ниже.

Факторы, влияющие на полноту и скорость извлечения. Для достижения наиболее полного и быстрого извлечения действующих веществ из лекарственного растительного сырья, помимо подбора экстрагента, должны быть еще созданы оптимальные условия для диффузионного процесса. Из факторов, влияющих на полноту и скорость извлечения, которые поддаются регулированию и, следовательно, могут быть изменены в желательную сторону, основными являются степень измельчения, разность концентраций, температура, вязкость экстрагента, продолжительность извлечения и гидродинамические условия.

1.2 Степень измельчения сырья

Диффузионный процесс, основанный на непосредственном контакте экстрагента с содержимым клеток, осложняется тем, что клетки, содержащие действующие вещества, отделены от экстрагента значительным рядом клеток, часто к тому же совершенно не содержащих ценных веществ (например, клетки покровных тканей: эпидермиса, пробки, коры). Для облегчения диффузионного процесса сырье должно быть измельчено. Этим достигается значительное увеличение поверхности соприкосновения между частицами сырья и экстрагентом. Согласно закону диффузии, количество извлеченного вещества при всех прочих равных условиях будет тем больше, чем обширнее эта поверхность. Следуя этому закону, необходимо было бы добиваться как можно более тонкого измельчения. Однако практика показала, что буквальное выполнение условий закона диффузии в некоторых случаях приводит к противоположному результату - ухудшению процесса извлечения. При чрезмерно тонком измельчении сырье может слеживаться, а при содержании слизистых веществ - ослизняться, в результате чего через такие массы экстрагент будет проходить чрезвычайно плохо. При слишком тонком измельчении резко увеличивается количество разорванных клеток, что влечет за собой вымывание веществ, обременяющих вытяжку (белки, пектины и другие высокомолекулярные соединения), и переход большого количества взвешенных частиц. В результате вытяжки получаются мутные, трудноосветляемые и плохо фильтруемые.

Из сказанного очевидно, что степень измельчения должна устанавливаться с учетом морфолого-анатомических особенностей перерабатываемого сырья и химической природы содержащихся в нем веществ.

Разность концентраций и гидродинамические условия.

Поскольку разность концентраций является движущей силой диффузионного процесса, необходимо во время экстракции постоянно стремиться к максимальному перепаду концентрации. Нетрудно представить, что при диффузии вещества из частичек сырья к их поверхности, а также при вымывании веществ из разорванных клеток вокруг частичек сырья и главным образом в неподвижном диффузионном слое постепенно повышается содержание извлекаемых веществ. Если экстрагент неподвижен, вокруг частицы образуется область с высокой концентрацией экстрагируемых веществ и, следовательно, разность концентрации резко снижается, что является причиной уменьшения движущей силы. Кроме того, в неподвижной жидкости, окружающей частицу, перенос веществ осуществляется очень медленной молекулярной диффузией. Достаточно высокую разность концентраций на границе раздела фаз можно поддерживать уже при малой скорости перемещения жидкости. Простейшим приемом интенсификации процесса извлечения является перемешивание настаиваемой массы. Более совершенный способ - смена экстрагента. Ее можно производить периодически или непрерывно. Под периодической сменой экстрагента понимается слив вытяжки сырья и залив его порцией экстрагента.

Под непрерывной сменой извлекателя понимается непрерывное истечение вытяжки из экстракционного сосуда и непрерывное поступление в сосуд свежего экстрагента. Перемешивание и периодическая смена извлекателя типичны для мацерационных методов получения извлечений и некоторых модификаций реперколяционного способа. Непрерывная смена экстрагента находит применение при получении извлечений методами перколяции, быстротекущей реперколяции и другими интенсивными методами. При периодической смене экстрагента процесс экстракции постепенно затухает, гак как каждая новая порция экстрагента соприкасается с сырьем, содержащим меньше действующих веществ.

Температура.

Выше уже отмечалось, что повышение температуры ускоряет процесс извлечения. Это сильно влияющий фактор, но в условиях галенового производства им можно воспользоваться только для водных извлечений. Спиртовые и тем более эфирные извлечения производятся при комнатной (и более низкой) температуре, поскольку с ее повышением увеличиваются потери экстрагентов, а следовательно, вредность и опасность работы с ними.

Использовать температурный фактор при экстрагировании лекарственных веществ следует, строго учитывая их термолабильность и другие особенности. Для термолабильных веществ применение горячей воды, как правило, допустимо лишь в течение коротких отрезков времени. Повышение температуры экстрагента не показано и для эфиро-масличного сырья, поскольку эфирные масла при извлечении горячей водой в значительной части теряются. Необходимо также помнить, что применение горячей воды сопровождается клейстеризацией крахмала, пептизацией веществ; вытяжки в этом случае становятся слизистыми и дальнейшая работа с ними значительно затрудняется.

Повышение температуры при извлечении особенно желательно в тех случаях, когда экстрагируемым сырьем являются корни и корневища, кора и кожистые листья. Горячая вода в этом случае способствует лучшему сепарированию тканей и разрыву клеточных стенок, облегчая тем самым течение диффузионного процесса. Горячая вода часто нужна и для инактивации ферментов.

Вязкость экстрагента.

Из уравнения Эйнштейна видно, что коэффициент молекулярной диффузии увеличивается с уменьшением вязкости экстрагента. Следовательно, менее вязкие жидкости обладают большой диффузионной способностью. Среди экстрагентов наиболее вязким является глицерин, но он один, как уже упоминалось, не применяется (добавка к воде). Чаще используются растительные масла, и теперь должно быть понятно, почему они применяются в подогретом виде: молекулы растворенных веществ (например, основания алкалоидов) легче продвигаются при диффундировании между молекулами экстрагента (масла). У основных экстрагентов - воды и спирта - с повышением температуры вязкость также заметно понижается. Например, абсолютная вязкость воды при 20°С равна 1,005-10~3 Н/(с-м2) (или 1,005 сП)1, а при 60°Сона падает до 0,469*10-3 Н/(см2).

Таким образом, в интенсификации процесса извлечения при повышении температуры определенную роль играет также понижение вязкости. Разную вязкость имеют и водно-спиртовые растворы (при одной и той же температуре), причем она изменяется непропорционально содержанию спирта в растворе; наибольшую вязкость имеют растворы, содержащие 40-50% спирта.

Продолжительность извлечения.

Из уравнения Фика следует, что количество извлеченных веществ пропорционально времени. Однако нужно стремиться к тому, чтобы полнота извлечения была достигнута в кратчайший срок, в максимальной степени использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации этого процесса.

Необходимо иметь в виду, что о конце процесса извлечения правильнее судить не по сумме извлекаемых веществ (экстрактивных), а по тем компонентам, которые являются биологически активными веществами. Последние (алкалоиды, гликозиды и др.) обычно диффундируют быстрее, чем более высокомолекулярные соединения, которые проходят через оболочку значительно медленнее. Отсюда следует, что если о полноте извлечения судить по экстрактивным веществам, то по мере удлинения времени будет ухудшаться качественный состав вытяжки балластными веществами, в то время как от них нужно по мере возможности освобождаться. Таким образом, чрезмерно продолжительное извлечение в ряде случаев просто вредно, особенно если принять во внимание нежелательные процессы, протекающие под влиянием ферментов.

Чрезмерно продолжительное извлечение часто себя не оправдывает и по экономическим соображениям. Изучение динамики извлечения действующих веществ показывает, что в большинстве случаев извлечение протекает наиболее активно в первые часы, а затем (несмотря на смену экстрагента) скорость его начинает заметно падать, и максимум (полнота) извлечения наступает через сравнительно продолжительное время.

В первые часы экстракции происходит просто вымывание веществ из разорванных клеток и диффузия из легкодоступных мест, чем и объясняется большая скорость экстракции. В последующие часы диффузия идет из труднодоступных мест, чему соответствует падение скорости экстракции. При этом иногда целесообразно прекратить процесс в какой-то точке учитывая, что дополнительно извлеченное количество веществ не окупит избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов (спирт, эфир).

Добавка поверхностно-активных веществ. Еще в прошлом десятилетии было показано, что при добавлении к экстрагеиту небольших количеств ПАВ (0,01-0,1%) наблюдается улучшение процесса экстрагирования, в подавляющем большинстве случаев либо увеличивается количество экстрагируемого вещества - алкалоидов, гликози-дов, эфирных масел и др., либо полнота извлечения достигается при меньшем объеме экстрагента. Тем самым может быть достигнута существенная экономия во времени, энергии и материалах.

Механизм действия ПАВ на скорость и полноту экстракции не во всех случаях ясен. Несомненно, что ПАВ понижают поверхностное натяжение раствора и улучшают смачиваемость. Наряду с понижением поверхностного натяжения существенную роль «грает солюбилизирующая способность ПАВ. Установить какую-либо зависимость между значением рН и экстрагирующей способностью растворов ПАВ пока не удается.

Таким образом, полнота и скорость извлечения являются равнодействующими многих факторов, влияние которых нужно умело регулировать.

Общие способы производства настоек.

Для получения настоек используется как сухое, так и свежее растительное сырье (алкоголатуры чеснока, ландыша, валерианы, боярышника и др.), как надземная, так и подземная части.

В качестве экстрагента используются спиртоводные растворы различной концентрации - от 30% до 95%. Например, настойка эвкомии (30% водный р-р) и настойка лимонника китайского (95%).

Для приготовления настоек применяются три основных способа: 1) мацерация; 2) перколяция; 3) растворение.[2]

При получении настоек используется следующая технологическая схема:

подготовка сырья и материалов

извлечение

очитка вытяжки

стандартизация

фасовка и упаковка.

Способы приготовления: статистические и динамические.

Статические способы экстракции характеризуются периодическим введением извлекателя в сырье, а динамические - постоянной сменой экстрагента либо непрерывным движением и извлекателя, и растительного материала.

Среди статических и динамических способов извлечения встречаются периодические и непрерывные, что зависит от динамики движения сырья и экстрагента:

А) в периодических способах сырье и экстрагент поступают в экстракционный аппарат периодически, одной или несколькими порциями (одно- и многоступенчатые способы);

Б) в непрерывных - сырьё поступает непрерывным потоком.

В зависимости от направления потока сырья и экстрагента, способы непрерывной экстракции бывают прямо- и противоточные, т.е. с прямым или встречным потоком сырья и экстрагента.

Наиболее простыми способами экстрагирования являются статические, и в их числе простейший метод - метод настаивания, мацерации (лат. macerare - вымачивать, намачивать), применяемый также при изготовлении настоек. Несколько сложнее ремацерационные методы (неоднократное настаивание), в частности, метод бисмацерации, применяемый при производстве густых и сухих экстрактов.

Метод мацерации.

Сущность его состоит в том, что измельченное до 0,5 - 3 мм растительное сырье, отсеянное от пыли на сите № 38 и от крупных частиц на сите №50, помещается в мацератор и заливается 5х или 10х-ным объемом экстрагента (в зависимости от списка "А" и "В") и настаивается при периодическом перемешивании при комнатной температуре в течение 7 суток. Извлечение сливается, шрот прессуется под прессом, промывается недостающим объемом чистого экстрагента, вновь прессуется, все извлечения объединяются, и после отстаивания в течение 4-8 суток настойка фильтруется, стандартизуется и фасуется или упаковывается (в ангро) в бутыли.

В настоящее время мацерация в этом "классическом" виде не отвечает требованиям интенсификации производства и используется только в редких случаях.

Достоинством этого способа является простота метода и оборудования.

Недостатками же служат:

а) неполнота экстракции действующих веществ (менее 90%),

б) большая продолжительность процесса,

в) завышенное содержание балластных веществ в извлечениях-ВМС,

г) трудоемкость (двойное прессование, промывка шрота).

Используются новые формы мацерации с максимальной динамизацией всех видов диффузии.

Примерами таких модификаций мацерации являются:

вихревая экстракция,

экстракция с использованием ультразвука (акустическая),

электродинамический метод

центробежная экстракция,

дробная мацерация и др.

Динамизация мацерации.

В настоящее время мацерация в описанном (классическом) виде не отвечает задачам интенсификации производства и оставлена только для единичных настоек. Одновременно изыскиваются новые формы мацерации с максимальной динамизацией всех видов диффузии. Одной из таких форм является вихревая экстракция (турбоэкстракция), предложенная М. Мелихаром и сотр. (ЧССР).

I. Вихревая (турбо) экстракция основана на вихревом перемешивании содержимого настойника и одновременном измельчении сырья с помощью турбинной или лопастной мешалки, вращающейся со скоростью 5.000 - 13.000 об/минуту.

Интенсификация массообмена в турбулентном потоке экстрагента, прежде всего, объясняется резким уменьшением толщины пограничного (ламинарного, диффузионного) слоя на границе раздела фаз. Мгновенная пульсация скоростей и механические удары частиц сырья о лопасти мешалки и стенки сосуда вызывают также деформацию набухших частиц сырья. Многократно повторяющиеся деформации частиц создают т.н. "эффект губки", т.е. деформации с временным изменением объёма твёрдой фазы. Кратковременные сжатия частиц способствуют более быстрому выведению первичного сока в момент сжатия. Возвращение частиц в первоначальное состояние ускоряет проникновение новой порции экстрагента в твердую фазу.

В последнее время значительное внимание уделяется методам, основанным на диспергировании материала в среде экстрагента. Возможность экстракции травы термопсиса, ландыша, горицвета и др. в шаровой мельнице изучалась в ВНИИФ. Получены интересные данные - динамическое равновесие наступает через 1-3 часа (в случае турбоэкстракции - 10 минут), но извлечение получается намного чище турбоэкстракта, где из сырья получается гомогенная пульпа, которая очень трудно очищается от балластных веществ.

II. Внимание технологов привлекает и акустический способ интенсификации процессов экстракции с помощью УЗ (ультразвука) и инфразвука.

Исследования, начавшиеся еще в 50-х годах, показали пригодность для интенсификации мацерационного процесса также ультразвуковых колебаний. Рассмотрим вкратце основные положения, без которых трудно будет понять ускорение диффузии с помощью ультразвука. В среде распространения звуковых волн наблюдается частотное равнопеременное чередование зон сжатия и разрежения, равных по величине амплитуды - звуковое давление. В колебательное движение вовлекаются не только молекулы и объемы жидкости, через которую проходит волна, но и частицы вещества, находящиеся в ней в различном физико-химическом состоянии. Все они испытывают постоянное давление в сторону от излучателя. Таким образом, компоненты систем типа жидкость - твердое тело (а также жидкость - жидкость) не только колеблются около положения равновесия, но и смещаются в одну сторону («звуковой ветер»). При этом появляются сильные турбулентные течения, гидродинамические микропотоки, способствующие переносу масс, растворению веществ и т. д. Такое явление отмечается как снаружи твердых частиц, так и внутри них (например, набухшей клетки). Вследствие различной инертности частиц фаз их собственные колебания не совпадут с таковыми основной массы жидкости. В результате этого в местах трения произойдут локальные повышения температуры, уменьшение вязкости жидкости, увеличение турбулентности, нарушение структуры прилегающих слоев и как основное следствие этого пограничный слой, имеющийся около частиц, истончится или же будет иметь предельную толщину, значительно меньшую, чем в спокойном состоянии фаз. На выход действующих веществ влияют интенсивность и продолжительность УЗ-облучения, температура экстрагента, соотношение сырья и иэвлекателя. Большинство авторов, изучающих этот процесс, рекомендует извлечение вести в пределах 40 мин. (бульшая продолжительность почти не повышает выход действующих веществ, но заметно влияет на их стабильность). Оптимальной частотой является 21-22 КГц. Повышение интенсивности ведет к уменьшению выхода. Рекомендуемая плотность облучения - не более 2-2,2 вт/см2. Концентрация твердой фазы - не более 10%, т.е. 1:10. О механизме образования кавитации и ее свойствах говорилось выше. Отметим, что главным ее положительным качеством является способность к диспергированию, т. е. увеличению межфазной поверхности.

Таким образом, физический механизм действия упругих колебаний сводится к интенсивному перемешиванию даже там, где этого достичь другими способами невозможно (например, внутри клетки); локальному нагреву частиц, отличному от теплового переноса, так как твердое тело, нагреваясь, само отдает тепло жидкости, а не наоборот, что важно при экстракции; и, наконец, проявлению диспергирования звуком в стадии кавитации.

Следует, однако, помнить, что состояние твердой фазы, физико-механическая структура ее определяет степень интенсификации процесса экстракции. Поэтому наибольший эффект от воздействия ультразвуком проявляется тогда, когда растительная или животная клетка хорошо-пропитана проводящим ультразвук экстрагентом. В некоторых случаях такое воздействие приписывается, и его нельзя отрицать, действию-кавитации. Это скорее можно объяснить резонансными упругими колебаниями стенок клеток, разбивающими в определенной степени пограничный диффузионный слой. А в результате появления турбулентного перемешивания как внутри, так и снаружи клеток молекулярно-кинетическое движение заменяется конвективным, что позволяет держать на высоком уровне разность концентраций в зоне соприкосновения фаз.

Основным достоинством этой модификации является малая продолжительность экстракции.

В числе недостатков метода следует назвать дороговизну оборудования, высокую агрессивность УЗ в отношении действующих веществ (ряд авторов подтверждает факт механокрекинга действующих веществ, т.е. разрушение молекул под действием гидродинамических ударов кавитации).

III. К физическим способам воздействия на процесс экстракции можно отнести и очень интересный метод воздействия электрическим разрядом на систему сырья: экстрагент-жидкость, т. н. электродинамический метод экстракции.

При пробое системы сырьё-экстрагент специально сформированным высоковольтным импульсным разрядом в её толще вызывают сверхвысокие ударные гидравлические давления порядка 1108 - 11010 атм., и мощные кавитационные процессы. Этот метод позволяет создавать мощные гидравлические удары с заданной частотой - от долей Гц до нескольких десятков КГц. Продолжительность каждого удара - несколько микросекунд. КПД преобразования электроэнергии в этих установках - более 90%. Продолжительность экстракции - около 2 часов. Выход, например, алкалоидов (по данным Бойко В.Д., Мизиненко И. В., ХнИХФИ) - 92,5% в сравнении с методом настаивания - менее 90%.

Этот метод перспективен, хотя и не лишен таких недостатков, как возможность механокрекинга молекул, большая шумность за счет гидравлических ударов при пробое; себестоимость продукта выше, чем в случае метода мацерации.

IV. Центробежная экстракция осуществляется с использованием фильтрующей центрифуги. За счет центробежных сил первичный сок удаляется из клеточного материала, на его место подается свежий экстрагент, который вновь удаляется из материала. Экстрагент циркулирует до насыщения, а затем заменяется новым.

Метод обеспечивает значительное ускорение экстракции, предложен проф. Ольшевским (Вроцлавская мед. академия, Польша, 1959).

V. Дробная мацерация. Эта модификация предусматривает периодическое изменение разности концентраций на границе раздела фаз за счет обновления экстрагента. При этом экстрагент (5х или 10х -кратные объемы) разделяется на порции и время настаивания, т.е. 7 суток, тоже расчленяется на периоды, а именно: вначале растительный материал экстрагируется 4 суток 3х кратным объёмом экстрагента, после прессования экстракция осуществляется 1х-кратным объёмом чистого экстрагента в течение 2 суток и, наконец, в течение ещё 2-х суток - оставшимся однократным объёмом экстрагента. Т.о., в сумме время экстракции составляет 7 суток, количество экстрагента - 5 объемов. Если же настойка готовится в соотношении 1:10, тогда указанные объемы экстрагента удваиваются, т.е. 6:2:2, что в итоге даст 10-кратный объём.[6,8]

Из динамических методов в производстве настоек используется одноступенчатый периодический способ -- перколяция.

Перколяция.

Почти все настойки готовятся этим методом, предложенным во Франции Рибике (1883 год).

Наименование метода происходит от лат. регсоlare - процеживать, обесцвечивать.

Перколяция - это непрерывная фильтрация, процеживание экстрагента сквозь слой сырья. Осуществляется в специальных емкостях, представляющих собой цилиндр с ложным дном и краном внизу (см. таблицу схему-перколятор).

Перколяторы могу быть цилиндрической или конической формы, с паровой рубашкой или без неё, самоопрокидывающиеся и саморазгружающиеся. Цилиндрические перколяторы удобны в работе при выгрузке сырья, конические - обеспечивают более равномерное экстрагирование.

Процесс экстракции состоит из следующих стадий:

I - намачивание сырья. Измельченное до 3-7 мм и отсеянное от пыли (сито № 38) сырье замачивается в мацераторе 1/2 или равным объёмом чистого экстрагента и оставляется в покое на 4-5 часов в закрытой посуде. За этот период осуществляется капиллярная пропитка сырья, происходит образование концентрированного внутриклеточного сока (первичного сока).

II-я стадия - мацерационная пауза (настаивание). Продолжается 24 или 48 часов, в зависимости от анатомической характеристики сырья - грубое, одревесневшее сырье намачивается дольше, т.е. 48 часов, нежное, рыхлое - 24 часа.

Для этого растительный материал плотно укладывается в перколятор, заливается при открытом спускном кране экстрагентом до образования "зеркала", т.е. гладкой поверхности. На этой стадии происходит выход экстрактивных веществ в экстрагент, образуется пограничный слой.

III-я стадия - перколация, т.е. непосредственное процеживание экстрагента через слой сырья. Процесс перколяции проходит синхронно - с какой скоростью извлечение выливается через нижний кран, с такой же скоростью сверху подается новый (чистый) извлекатель. Перколяция ведется с определенной скоростью: на производстве она соответствует 1/24 или 1/48 части рабочего объема (объема, нанятого сырьем) в час. При такой скорости экстрагент успевает насытиться извлеченными из клеточного материала веществами, за счет движения увлечь с собой часть пограничного слоя, обновить жидкость у твердой фазы. При этом ДС поддерживается на определенном уровне.

В лабораторных и полузаводских условиях скорость перколяции исчисляется по формуле Герцога:

С - количество сырья в килограммах;

К - коэффициент, зависящий от количества сырья.

Так, если перколируется сырья более 5 кг, то К = 0,75,

менее 1 кг - 0,25,между 1 и 5 кг - 0,50.

Настойки получают методом растворения сухих экстрактов в растворителе. Например, настойка чилибухи - Т-rа Strychni - получается растворением 16 г. сухого экстракта рвотного ореха/чилибухи в 1 л 70%-ного спирта с последующей фильтрацией продукта.

Очистка настоек сводится к отстаиванию при пониженной (+8°С ) температуре в течение 7 суток. При этом выпадают осадки таких экстрактивных веществ, которые при комнатной температуре образуют насыщенные растворы, а при пониженной температуре (подвал, холодильные камеры с температурой воздуха + 8-10°С) - пересыщенный и выпадают в осадок. Как правило, это балластные, ВМС. Осадок отделяют седиментацией, настойку дополнительно фильтруют через плотный материал (бельтинг, фланель, диагональ) и после стандартизации реализуют в ангро либо в мелкой расфасовке.

Перколяторы {экстракторы, диффузоры) представляют собой цилиндрические или конические сосуды из луженой меди или железа и алюминия, а в лабораторных условиях - из стекла. Перколяторы сверху закрываются крышкой с патрубком для ввода экстрагента; внизу у перколяторов находится спускной кран. Над краном на некотором расстоянии помещается ситовидное дно, застилаемое слоем фильтрующей ткани.

Важным моментом перколяции является загрузка перколятора. Не рекомендуется загружать его сухим растительным материалом, так как при последующем добавлении экстрагента внутри материала могут оставаться комки или даже целые участки сухого материала, до которого экстрагент по тем или иным причинам не сможет дойти во время перколирования. Кроме того, возможны и другие нежелательные явления. Мелко измельченное растительное сырье при смачивании сильно набухает и, если крышка плотно закрыта, может настолько спрессоваться, что экстрагент не пройдет через него.

Поэтому сырье предварительно смачивают экстрагентом в отдельном сосуде до получения равномерной влажной массы, на что обычно уходит 50-100% экстрагента по отношению к массе сырья. Для окончательного пропитывания экстрагентом и набухания сырую массу оставляют в закрытом сосуде на 4 ч. Подготовленное таким образом сырье укладывают в перколятор равномерно и достаточно плотно.

При слабом уминании массы будут пустоты, через которые экстрагент быстро проходит, не принося никакой пользы. При слишком же плотной укладке масса становится труднопроходимой для экстрагента. Условия укладки зависят от характера материала.

В некоторых случаях материал, склонный к слипанию, приходится укладывать слоями, с ситовыми прокладками. После того как перколятор загружен с достаточной плотностью, поверхность материала прикрывают куском полотна и дырчатым металлическим диском - грузом.



На рис. 90 показана схема цилиндрического перколятора большой емкости, разгрузка которого облегчена тем, что его можно опрокидывать. В других конструкциях цилиндрических перколяторов разгрузка осуществляется через люк, расположенный чуть выше днища перколятора. В ЦАНИИ разработана новая конструкция саморазгружающегося перколятора емкостью 100 и 250 л. Данный перколятор позволяет производить не только процесс экстракции, но также отгонку спирта из отработанного сырья и механическую разгрузку шрота. Герметизация перколятора дает возможность использовать не только спирт, но и другие более летучие органические растворители. В перколяторе (рис. 91, а) есть внутренний цилиндр 5 из нержавеющей стали. Вверхней части корпуса имеются патрубки для подачи спиртовой смеси 12 из мерника и вывода отработанного пара 8 из паровой рубашки 6, при помощи чего можно создавать определенную температуру экстракции. В нижней части корпуса размещены патрубки для ввода пара 13 в паровую рубашку и выпуска конденсата 3. Верхняя 11 и нижняя 2 крышки взаимозамещаемы, имеют слегка выпуклую форму. В центре крышек перколятора расположены штуцеры. В зависимости от местоположения крышки штуцеры служат либо для выхода паров спирта 10, либо для слива готовой продукции 15, а в случае отгонки спирта из отработанного сырья - для подачи острого пара 14. В нижнюю крышку вставляется ложное дно 1, представляющее собой перфорированный диск из нержавеющей стали, на который натягивается фильтровальный материал. Крышки имеют рычажно-винтовой механизм (рис. 91, б) с противовесом и резиновые прокладки, что позволяет закрывать перколятор герметически. Под верхней крышкой имеется перфорированный диск 9 из нержавеющей стали. Для того чтобы набухшее сырье не могло попасть в отверстия верхних патрубков перколятора, на диске предусмотрены четыре фиксатора 11. Для плотной укладки сырья и последующего механизированного удаления шрота из перколятора по обеим сторонам его корпуса установлены дебалансные электрические вибраторы 4. Корпус перколятора закрепляется на металлической подставке с резиновыми амортизаторами 7.

Форма применяемых экстракторов долгое время не имела теоретического обоснования, а между тем она, по данным И. А. Муравьева и Ю. Г. Пшукова (1975), является одним из существенных факторов, обеспечивающих равномерное и полное истощение сырья во всех точках емкости. На основании своих исследований авторы пришли к заключению, что для равномерного истощения сырья по всему объему экстрактора целесообразно изготовлять экстракторы цилиндроконической формы с углом конуса 45°; при этом коническая часть экстрактора должна составлять около 60% от общей его высоты. На рис. 92 изображен экстрактор, в конструкции которого- учтены экспериментальные данные указанных авторов. Опыты показали, что сырье истощается во всех точках экстрактора почти одинаково; особенно характерно, что- в нижних слоях экстрактора, ближе к вершине конуса, оно истощается почти так же, как и в верхних слоях, в отличие от цилиндрического экстрактора. Объяснить это можно тем, что скорость движения жидкости относительно частиц сырья в нижней части цилиндроконического экстрактора значительно выше, чем в верхней, так как объем жидкости, проходящей через экстрактор в участке с меньшим диаметром, тот же, что и проходящей через слои, лежащие в верхней части экстрактора с большим диаметром.

Варианты перколяции.

При производстве настоек в промышленных масштабах в перколяционный процесс могут вноситься разные вариации с целью максимальной интенсификации экстракции. Часто вместо типичного перколирования предпочитают пользоваться сочетанием процессов настаивания и циркуляции.

...