Технологические факторы, влияющие на полноту и скорость экстракции

Измельченность сырья

Для облегчения массообменного процесса при извлечении БАВ сырье должно быть измельчено, так как при этом увеличивается поверхность массообмена, т.е. поверхность соприкосновения между частицами сырья и экстрагентом. Измельченность сырья для каждого вида растительного сырья должна подбираться экспериментально, с учетом особенностей морфолого-анатомического строения растительного сырья, характера и локализации содержащихся в нем БАВ.

Чрезмерно тонкое измельчение растительного сырья также нежелательно по следующим причинам:

- сырье может слеживаться, а при содержании слизистых веществ «ослизняться», что ухудшает дренажирующие свойства растительного сырья;

- увеличивается количество «разорванных» клеток и поэтому извлечение насыщается балластными веществами.

Разность концентраций и гидродинамические условия

Как следует из формулы Щукарева-Фика (см. предыдущий раздел), разность концентраций является движущей силой диффузионного процесса, в связи с чем, при извлечении БАВ из растительного сырья необходимо поддерживать максимальный перепад концентраций на границе раздела фаз.

Высокая разность концентрации может быть достигнута за счет:

- экстрагирования с перемешиванием сырья и экстрагента;

- периодической смены экстрагента.

Перемешивание настаиваемой массы используется в основном при экстрагировании способом динамической мацерации (вихревая экстракция, ультразвуковая экстракция и т.д.). Данный метод требует достаточно сложного аппаратурного оформления.

Периодическая смена наиболее простой способ поддержания достаточно высокой разности концентрации и характерен для таких способов экстракции как ремацерация и такого варианта реперколяции как противоточное многоступенчатое экстрагирование. При периодической смене экстрагента процесс извлечения БАВ постепенно затухает, так как каждая новая порция экстрагента соприкасается со все более истощенным сырьем.

Непрерывная смена экстрагента используется в таких способах экстракции как перколяция, быстротекущая реперколяция и другие варианты непрерывной противоточной экстракции. При этом осуществляется непрерывный слив извлечения и непрерывная подача экстрагента в диффузор.

Если экстрагент неподвижен, то вокруг частиц сырья образуется слой с высоким содержанием экстрактивных веществ, что приводит к резкому уменьшению движущей силы процесса экстракции. Процесс экстрагирования в неподвижном слое экстрагента усложняется еще и тем, что перенос веществ в неподвижном экстрагенте осуществляется за счет молекулярной диффузии, скорость которой очень мала.

Температура

Повышение температуры является одним из основных способов повышения скорости экстрагирования БАВ из растительного сырья водой и растительными маслами. С повышением температуры скорость молекулярной диффузии увеличивается за счет увеличения скорости кинетической энергии молекул и снижения вязкости экстрагента.

Повышение температуры экстрагента наиболее целесообразно при экстрагировании БАВ из корней, корневищ и кожистых листьев, так как это способствует лучшему разделению тканей, их набуханию с последующим разрывом клеточных стенок. Горячая вода также способствует инактивации ферментов, что повышает стабильность БАВ.

Повышение температуры экстрагента следует проводить с учетом:

- термостабильности входящих БАВ;

- возможности клейстеризации и последующей пептизации входящих компонентов (например, крахмала).

 

Вязкость экстрагента

На процесс экстрагирования оказывает большое влияние вязкость экстрагента. Снижение вязкости экстрагента приводит к увеличению его диффузионной способности, последнее следует из уравнения Энштейна (см. предыдущий раздел), т.к. коэффициент молекулярной диффузии увеличивается с уменьшением вязкости экстрагента.

В связи с вышеизложенным, для повышения скорости диффузии желательно выбирать экстрагент с меньшей вязкостью (из полярных жидкостей – метиловый спирт, из малополярных – ацетон, из неполярных – хлороформ). Недостатком перечисленных экстрагентов является их токсичность, поэтому после извлечения БАВ их необходимо удалять. Один из самых вязких экстрагентов – глицерин, его вязкость 14,9 ПЗ (н с\ м² ) при 20⁰С, для сравнения вязкость воды – 0,1 ПЗ (н с\ м² ). Глицерин используется в качестве гидрофилизатора, для повышения растворения труднорастворимых веществ, повышения вязкости экстрагентов.

Добавка поверхностно активных веществ (ПАВ)

Добавка небольшого количества ПАВ (0,01-0,1%) приводит к увеличению полноты извлечения многих БАВ (алкалоидов, гликозидов, эфирных масел). Механизм действия ПАВ в данном случае в основном заключается в снижении поверхностного натяжения экстрагента и улучшения смачивания извлекаемых веществ.

Подача экстрагента в сырье

Экстрагент на сырье можно подавать как сверху, так и снизу. При подаче экстрагента «сверху вниз» возникают гравитационные силы, которые ускоряют вывод БАВ из зоны экстрагирования. Недостатком подачи экстрагента «сверху вниз» является то, что сжатие слоя сырья происходит неравномерно по высоте аппарата. Причиной является разница между давлением жидкости, окружающей частицу и давлением вышележащих частиц.

Для устранения этого недостатка:

- устанавливают решетки на высоте аппарата, которые принимают на себя часть общего сопротивления;

- на дне аппарата часто укладывают слой стружки или другого материала,

обладающий большей упругостью.

Но имеется ряд работ, где показано, что подача экстрагента «снизу вверх» позволяет добиться большего выхода БАВ, что достигается за счет:

- выноса из смеси частиц с очень мелкими размерами;

- создания оптимальных гидродинамических условий за счет сочетания подачи снизу с гравитацией;

- уменьшения неравномерности укладки сырья.

Воздействие электромагнитного поля

Создание определенного значения электромагнитного поля способствует увеличению полноты и скорости процесса экстрагирования БАВ, т.к. при этом увеличивается десорбция веществ. Недостатком данного метода является достаточно сложное оборудование.

Электрический ток

Электрический ток ускоряет диффузию веществ, являющихся электролитами. Это один из немногих факторов, который повышает скорость внутренней диффузии.

Плотность укладки сырья

Оптимальная плотность укладки сырья обеспечивает не только дренажирующие свойства слоя сырья, но и рациональное использование рабочего объема диффузора. Оптимальная плотность укладки сырья определяется по следующей формуле:

h = 0,005(x/d² )

h – высота слоя сырья,

x – масса сырья,

d – диаметр перколятора.

При высокой плотности укладки сырья могут образовываться «мертвые» зоны, в которой экстрагент не движется или с небольшой скоростью.

При малой плотности укладки сырья очень мало промежутков, что снижает эффективность экстрагирования.

Присутствие воздуха на поверхности сырья

Присутствие воздуха на поверхности сырья препятствует процессу экстрагирования, его удаление осуществляют следующими способами:

- предварительным вакуумированием сырья;

- заменой воздуха на растворимые газы (углекислый газ, аммиак).

Контрольные вопросы

1. Теоретические основы экстрагирования. Характеристика процесса экстрагирования.

2. Движущая сила процесса экстрагирования.

3. Молекулярная диффузия. Уравнение и коэффициент молекулярной диффузии.

4. Конвективная диффузия. Уравнение и коэффициент конвективной диффузии.

5. Внутренняя диффузия. Уравнение и коэффициент внутренней диффузии.

6. Особенности экстрагирования свежего растительного сырья.

7. Механизм экстрагирования высушенного растительного сырья.

8. Основные стадии процесса экстрагирования.

9. Пограничный диффузионный слой. Вид диффузии в ПДС.

10. Общие законы массообмена.

11. Массопередача. Уравнение. Коэффициент массопередачи и его анализ в зависимости от способа экстрагирования.

12. Потери на диффузии.

13. Понятия экстрактивных, биологически активных, сопутствующих веществ.

14. Классификация БАВ по степени гидрофильности, номенклатура.

15. Подготовка ЛРС для экстрагирования.

16. Технологические свойства растительного сырья (доброкачественность сырья и препарата, относительная доброкачественность, измельченность сырья коэффициент поглощения, коэффициент вымывания, пористость и порозность сырья).

17. Требования, предъявляемые к экстрагентам. Классификация и номенклатура. Выбор экстрагента и влияние его физических свойств на увеличение скорости и полноты экстрагирования БАВ.

18. Вода, этанол и глицерин как экстрагенты. Достоинства и недостатки.

19. Получение, ректификация, рекуперация, способы выражения и определения концентрации спирта этилового.

20. Технологические факторы, влияющие на полноту и скорость процесса экстракции (измельченность сырья, разность концентраций и гидродинамические условия, температура, вязкость экстрагента, время экстрагирования, добавка ПАВ, подача экстрагента в сырье, воздействие электромагнитного поля, электрический ток, плотность укладки сырья, присутствие воздуха на поверхности сырья).