Фракционное осаждение бав или сопутствующих веществ

Смена растворителя

Сущность данного метода заключается в том, что растворитель, применяемый для извлечения, меняют на прямо противоположный (т.е. органический липофильный равстворитель на неорганический гидрофильный и наоборот). При этом, как правило, примеси выпадают в осадок, а биологически активные вещества остаются в растворе.

Например:

1. При извлечении БАВ неполярным или малополярным растворителем (хлороформ) очистка извлечения от липофильных веществ достигается удалением экстрагента и добавлением к остатку воды. При этом растворимость липофильных веществ понижается, и они выпадают в осадок, а БАВ остаются в растворе.

2. При добавлении к этанольным извлечениям из листьев наперстянки этилового эфира, сапонины выпадают в осадок, а кардинолиды остаются в растворе.

3. При добавлении к упаренному хлороформ-этанольному (95:5) извлечению из травы горицвета воды в осадок выпадают сопутствующие липофильные вещества, а сердечные гликозиды остаются в растворенном состоянии (Адонизид).

Денатурация

Практически в любом извлечении из лекарственно-растительного сырья имеются белки. Это сложные органические соединения, которые очень чувствительны к воздействию разнообразных внешних факторов (нагревание, УФ-радиация, ультразвук и др.). Под воздействием указанных факторов белки видоизменяются, образуют осадки. Данный процесс необратим и называется денатурацией белков. Указанное явление используется для очистки извлечений от белков, при этом извлечение кипятят (БАВ должны быть термостабильны) и денатурированные белки выпадают в осадок.

Высаливание

Высаливание может проводиться с помощью значительных количеств насыщенного раствора сильного электролита. При этом такие высокомолекулярные соединения как белки, камеди, слизи, пектины выпадают в осадок. Механизм данного явления заключается в том, что при добавлении в извлечение раствора электролита образующиеся ионы гидратируются, отнимая воду от молекул биополимера. За этим следует слипание частиц и осаждение биополимера. Высаливание часто используется при очистке органопрепаратов белков (пепсина, инсулина).

Различные соли обладают различным высаливающим действием, что объясняется способностью анионов и катионов к гидратации. Высаливающая способность электролитов зависит в основном от анионов. Анионы по своей высаливающей силе распологаются в следующий лиотропный ряд:

SO^4-- > цитрат ^- > ацетат ^- > CL^- > NO₃ ^- > CNS^-

Для катионов имеется такой же лиотропный ряд:

Li⁺ > Na⁺ > К ⁺ > Pb⁺⁺ > Cs⁺

Наибольшей высаливающей способностью обладает лития сульфат, но большее распространение получил более дешевый натрия хлорид.

Спиртоочистка

Спирт этиловый является сильно гидрофильным веществом, в связи с чем, при добавлении к раствору биополимеров онотнимает у них защитную гидратную оболочку, в результате чего ВМС выпадают в осадок. Частичная очистка от ВМС достигается уже в процессе экстрагирования сырья, если в качестве экстрагента используется спирт этиловый в концентрации не менее 70 %.

 

Диализ

Диализ основан на свойстве молекул низкомолекулярных веществ проходить через полупроницаемые мембраны, при этом молекулы биополимеров не могут проходить через данные мембраны. Указанное явление используется для очистки извлечений из лекарственного растительного сырья от молекул ВМС. Для проведения процесса диализа используются полупроницаемые мембраны из желатина, целлофана, коллодия, производных целлюлозы и т.д.

Процесс диализа, как правило, протекает очень медленно. Увеличить скорость электродиализа можно повышением температуры, увеличением площади диализа, приложением электрического тока. В последнем случае наблюдается явление электродиализа, которому подвержены в основном вещества, распадающиеся на ионы. Схема простейшей установки для электродиализа представлена на рис. 20.

 

 

Рис. 20.Установка для электродиализа.

1 – электроды; 2 – мембраны; 3 – мешалка.

 

Установка для электродиализа состоит из ванны с мешалкой (3), разделенной двумя полупроницаемыми перегородками на три отсека. В крайние отсеки опущены катод и анод (1), в средний отсек заливается диализируемое извлечение. Катионы под действием электрического тока движутся через полупроницаемые мембраны (2) к аноду, анионы - к катоду. В среднем отсеке остаются вещества, которые не проходят через полупроницаемые перегородки. В процессе работы или непрерывно производится отвод извлечения и растворов продиализированных веществ.

 

Жидкостная экстракция

В основе очистки извлечений способом жидкостной экстракции лежит диффузионный процесс, при котором одно или несколько БАВ извлекаются из одной жидкости другой, нерастворимой или ограниченно растворимой в первой.

При жидкостной экстракции всегда имеются две фазы. Переход веществ из одной фазы в другую подчиняется законам массопередачи, растворимости и межфазного равновесия. Эффективность перехода веществ определяется законом Нернста, по которому при распределении вещества между двумя несмешивающимися фазами, образуется равновесие между концентрациями вещества в обеих фазах.

Константой пропорциональности является распределительный коэффициент

К = С₁/С₂

Где:

С₁ – равновесная концентрация БАВ в рафинате (остаточном исходном растворе);

С₂ – равновесная концентрация БАВ в экстракте или реэкстракте (раствор извлеченных веществ).

Коэффициент распределения зависит от растворимости вещества в каждой фазе.

Если С₂ >С₁, то К < 1;

Если С₂ < С₁, то К > 1;

Если С₁ = С₂ , то К=1.

Жидкостная экстракция может быть:

1. Ступенчатой.

Ступенчатая экстракция может быть одноступенчатой (один аппарат) и многоступенчатой (несколько аппаратов); кроме тог, она может быть прямоточной и противоточной.

2. Непрерывной.

Аппаратура для жидкостной экстракции может работать с использованием:

- сил гравитации;

- механического перемешивания или подводом какой-либо другой энергии для перемешивания жидкостей.

В гравитационных аппаратах (экстракторах) используется разность плотностей растворителей различных фаз.

На принципе гравитации работают:

1. Полые распылительные экстракторы.

2. Насадочные экстракторы.

3. Экстракторы с ситчатыми тарелками.

К экстракторам второй группы относятся:

1.Смесительно-отстойные экстракторы

2. Роторно-дисковые экстракторы.

3. Колонные экстракторы с мешалками.

Экстракторы, работающие на принципе гравитации

Гравитационные экстракторы подразделяют на по­лые распылительные экстракторы, насадочные экст­ракторы и экстракторы с ситчатыми тарелками. Основными преимуществами данных экстракторов является простота конструкции, обусловленная отсутствием движущихся частей. Высокая ин­тенсивность массопередачи в данных экстракторах достигается толь­ко в том случае, если жидкости обладают достаточной разностью плотностей (более 100 кг/м³) и низким межфазным натяжением.

Полые распылительные экстракторы (рис.8,9) представляют собой полую колонну, внутри которой имеются устройства для ввода тяжелой и легкой фаз. Колонна полностью заполняется тяже­лой жидкостью, которая движется сплошным потоком сверху вниз и удаляется из корпуса колонны через гидравлический затвор. С целью создания возможно боль­шей поверхности контакта фаз и следовательно для увеличения скорости массопередачи легкая жидкость вводится в аппарат через распылитель и в виде ка­пель поднимается вверх. В верхней части экстрактора капли сливаются и образуют слой легкой фазы, кото­рая отводится сверху колонны.

Основным недостатком распылительных ко­лонн является низкая интенсивностью массопереда­чи, что объясняется укрупнением капель дисперсной

фазы и обратным перемешиванием, при возникнове­нии которого капли дисперсной фазы увлекаются частицами сплошной фазы (или наоборот). В результате в колонне создаются местные циркуляционные токи, нарушающие их противоток.

 

 

 

Тяжелая жидкость

 

 

Легкая жидкость

 

Рис.8. Устройство колонного полого (распылительного) экстрактора (Л.А.Иванова,1991).

 

 

 

Рис.9. Распылительный экстрактор (И.А.Муравьев, 1980)

 

1-тяжелая жидкость,2-поверхность раздела фаз,

3-лёгкая жидкость,4-распределительное устройство

Насадочные экстракторы. Для уменьшения обрат­ного перемешивания в таких колоннах устанавливают перегородки различных конструкций (чередующиеся диски, кольца, тарелки с сегментными вырезами и др.). В экстракторах данной конструкции капли дисперсной фазы обтекают перегородки в виде тонкой пленки, омываемой сплош­ной фазой. Насадочные экстракторы представляют собой колонны, заполненные насадочными телами, в качестве которых используют керамические и сталь­ные кольца или цилиндры. Насадка в экстракторах обычно располагается на опорных колосниковых ре­шетках слоями высотой от 2 до 10 диаметров колонны. Насадка способствует более эффективному взаимодействию фаз в аппарате, так как, проходя через нее, капли многократно коалесцируют и вновь дробятся. Окончательная коалесценция капель и образование слоя диспергируемой фазы происходит в отстойной зоне колонны по выходе из слоя насадки.

В насадочных и распылительных экстракторах осу­ществляется постоянная противоточная экстракция — исходный раствор непрерывно отдает распределяемое вещество движущемуся противотоком экстрагенту.

Экстракторы с тарелками – перегородками. Основной частью данного экстрактора также является колонка (Рис. 10), в которой для уменьшения обратного перемешивания и с целью создания турбулентных потоков установлены перегородки, которые выполнены в виде дисков или колец. Массопередача веществ из одной фазы в другую осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалесценции капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками.

 

Рис. 10.Экстрактор с тарелками-перегородками (И.А.Муравьев, 1980)

1-лёгкая жидкость, 2-тяжелая жидкость,

а - колонка с дисковидными перегородками,

б – колонка с тарелковидными перегородками

Экстракторы с ситчатыми тарелками ( Рис.11) представляют собой колонны, разделенные тарелками на секции. Аппарат заполняется сплошной фазой (например, тяжелой жидкостью), которая про­текает с тарелки на тарелку через переливные трубки. Диспергируемая фаза (в данном случае легкая жидкость), вводится противотоком к сплошной фазе и проходит через отверстия ситчатых тарелок, при этом многократно дро­бится на капли и струйки, после чего они в свою очередь распадаются на капли в межтарелочном пространстве. Капли под действием подъемной силы движутся в сплошной фазе и сливаются вновь, при этом образуется слой легкой фазы под каждой расположенной выше тарелкой (если диспергируется тяжелая фаза, слой этой жидкости образуется над тарелками). Когда гидростатическое давление слоя жидкости становится до­статочным для преодоления сопротивления отверстий тарелки, жидкость, проходит через них и вновь диспергируется.

Рис.11. Устройство колонного экстрактора с ситчатыми тарелками (Л.А.Иванова,1991)

Перфоратор (рис.12)представляет со­бой одну из конструкций аппарата для жидкой экстракции, работаю­щего на гравитационном принципе с патрубками для вывода жидкости из нижней и верхней частей сосуда. Внутри сосуда находится труба, которая внизу заканчивается ситчатым воронкообразным расширением. Имеются и другие конструкции перфораторов (например, с ситчатыми дисками и др.). В перфоратор наливают хлороформ, после чего в трубу подают сгущенное извлечение из лекарственного растительного сырья, например, содержащего сердечные гликозиды. Извлечение стекает вниз в воронку и вследствие того, что оно легче хлороформа, и мелкими струйками поднимается вверх через весь слой хлороформа. В связи с тем, что хлороформа значительно больше, чем водного извлечения, а гликозиды лег­че растворимы в хлороформе, то происходит их перераспределение между водой и хлороформом. После того как водная фаза, скопившаяся над хлороформом, достигнет верхнего патрубка, она переливается во второй перфоратор для повторного извлечения. Жидкостная экстракция обычно производится в батарее из 4—5 перфораторов до полного из­влечения гликозидов из водной жидкости. Перфорацией удается освобо­диться от балластных веществ (белки, слизи и др.), поскольку они в хлороформе нерастворимы. Объединенное хлороформное извлечение содержит сумму выделяемых гликозидов.

 

 

 

Рис. 12.Схема перфорационной установки (И.А.Муравьев, 1980)

1-трубопровод, 2-насос, 3-бак, 4-крышка,

5-решётка-аппарат, 6-перфорационная воронка,

7-вакуум-аппарат, 8-сборник

 

Экстракторы, работающие на принципе механического перемешивания или с подводом другой энергии

К экстракторам с подводом внешней энергии во взаимодействующие жидкостиотносятся роторно-дисковые экстракторы, колонные экстракторы с мешалка­ми и пульсационные экстракторы.

Роторно-дисковые экстракторы (Рис.13) также выполнены в виде колонны, которая кольцевыми пере­городками, укрепленными на ее стенках, разделена на секции. По оси колонны вращается ротор-вал (1), на ко­торый насажены плоские диски (2), размещенные сим­метрично относительно перегородок (3). Две соседние кольцевые перегородки и диск между ними образуют секцию колонны (4).

Одна из фаз (например, легкая) диспергируется с помощью распределителя и, двигаясь противотоком с тяжелой фазой, многократно смешивается с ней (редиспергируется) в секциях колонны вращающими­ся дисками. Расслоение фаз происходит в верхней и нижней отстойных участках колонны (6), отделенных от смесительной перфорированными перегородками.

1

Рис.13.Устройство роторно-дискового колонного экстрактора (Л.А.Иванова,1991)

Колонные экстракторы с мешалками имеют различную конструкцию и в основном различаются видом перемешивающих устройств. Отличие от экстракторов предыдущей группы заключается в том, что вместо плоских дисков на валу устанав­ливают лопастные или открытые турбинные мешалки. Имеются экстракторы, у которых между смесительны­ми секциями расположены отстойные зоны, заполнен­ные сеткой или насадочными телами.

Рис.14. Устройство колонного смесительно-отстойного экстрактора с мешалками и зонами расслоения (Л.А.Иванова,1991)

1- зона смешивания, 2- зона отстаивания

Смесительно-отстоиные экстракторы (Рис.14). В аппарат за­гружают исходный раствор и экстрагент, их переме­шивают до состояния, возможно более близкого к рав­новесному. Затем разделяют на два слоя: экстракт и рафинад (остаточный раствор). Экстракцию обычно проводят многократно: один и тот же раствор обрабатывают несколькими порциями экстрагента, каждый раз смешивая, расслаивая и выводя его из аппарата. Процесс об­работки ведут до тех пор, пока не получат рафинад (или экстракт) заданного состава. Недо­статками способа являет­ся большой расход эк­страгента и затруднения при разделении жидких фаз, так как при меха­ническом перемешивании несмешивающихся жид­костей часто возникают устойчивые, плохо разде­ляющиеся эмульсии.

Пульсационные экстрактор (рис.15). В ве­дение дополнительной энергии в жидкости в пульсационных экстракторах осуществля­ется приданием им возвратно-поступательного движе­ния — пульсации, которая увеличивает турбулентное движение потоков и степень дисперсности фаз, повы­шая тем самым эффективность массопередачи. Наибо­лее часто пульсация жидкостей как средство интен­сификации массообмена используется в ситчатых и насадочных экстракторах. В качестве пульсатора применяют бесклапанный поршневой, плунжерный и мембранный насосы или же специальное пневмати­ческое устройство.

Рис. 15. Пульсационный экстрактор (И.А.Муравьев, 1980)

1-тяжелая жидкость, 2-легкая жидкость,

а - пульсатор присоединен к днищу колонки,

б – пульсатор присоединен к трубопроводу для подачи легкой жидкости

Центробежные экстракторы. Данный вид экстракторов может быть выполнен в различных вариантах, наиболее распространены центробежные экстракторы с горизонтальным валом и трубчатые центробежные экстракторы. Основным преимуществом центробежных экстракторов является максимальная скорость экстракции и возможность использования раство­рителей, плотности которых мало различаются между собой.

Центробежный экстрактор с горизонтальным валом (рис. 16). Основной частью центробежного экстрактора с горизонтальным валом является цилиндрический барабан (1), вращающийся на горизонтальном валу (2) со скоростью 1500 – 500 об/мин). Внутренняя поверхность барабана разделена спиралевидной перфорированной перегородкой (3) на каналы (4) прямоугольного сечения. Жидкие фазы подаются с помощью насосов через вал по обособленным каналам, тяжелая жидкость подводится к периферии барабана. В барабане жидкости движутся противотоком, они многократно смешиваются, главным образом при истечении через отверстия в перегородке, и в конечном итоге разделяются под воздействием центробежных сил. Экстракт и рафинад удаляются через обособленные каналы.

 

Рис. 16.Центробежный экстрактор с горизонтальным валом (И.А.Муравьев, 1980)

1-барабан, 2-вал, 3-тяжелая жидкость, 4-легкая жидкость

Трубчатый центробежный трубчатый экстрактор (рис. 17). В данном варианте цилиндрический бара­бан (3) вращается в вертикальной плоскости со скоростью я 1500—5000 об/мин.

 

Рис. 17.Устройство трубчатого центробежного экстрактора (Л.А.Иванова,1991)

Внутри барабан разделен перфорированными пере­городками (7) на ряд экстракционных II, IV, VI и сепарационных I, III, V, VII участков. Жидкости поступают в барабан по обособленным каналам, проходящим внутри неподвижного цилиндра (4). Легкая жидкость подается по каналу (2) в нижний экстракционный участок VI, тяжелая — по каналу (6) в верхний экстракционный участок II. Двигаясь в барабане противотоком, жидкости многократно перемешиваются, проходя между неподвижными пер­форированными дисками (5), закрепленными на цилиндре (4). Эмульсия, образовавшаяся при этом, предварительно расслаивается при прохождении через перфорированные отбойные перегородки (7), которые сделаны в виде нескольких дисковых или конусных тарелок, как у тарельчатого сепаратора. Окончатель­ное разделение фаз происходит под действием центро­бежной силы в сепарационных участках. Жидкие фазы (экстракт и рафинат) удаляются из экстрактора через обособленные каналы: легкая — через верхний кольцевой слив (8), тяжелая — через нижний (1)

 

Хроматография.

Хроматография – это процесс разделения смесей между двумя фазами, одной из которых является неподвижный слой, а другая имеет постоянное направление движения.

В основе хроматографического разделения лежит различное поведение разделяемых компонентов при их непрерывном перераспределении между двумя контактирующими фазами.

Хроматографические способы очистки позволяют:

1. Очистить извлечения от сопутствующих веществ.

2. Разделить смесь веществ на отдельные фракции.

3. Выделить вещества в чистом виде (индивидуальные препараты).

В производстве новогаленовых препаратов на стадии очистки наибольшее применение нашли следующие виды хроматографического разделения смесей:

1. Адсорбционная хроматография (на колонках);

2. Ионообменная хроматография.

Адсорбционная хроматография

При адсорбционной хроматографии поглощение веществ из газов или растворов идет на поверхности сорбентов. По­верхность сорбента обычно очень велика, так как на ней имеется ог­ромное количество пор. Так, поверхность 1 г активированного угля имеет площадь, равную 600—1000 м². Процесс адсорбции имеет селек­тивность и позволяет адсорбировать определенные вещества из раст­вора.

Абсорбция — поглощение вещества всем объемом твердой или жидкой фазы. Абсорбцию используют, например, при получении эфир­ных масел. При получении эфирных масел анфлеражем цветы поме­щают в закрытый сосуд над жиром, который всей своей массой абсор­бирует эфирное масло.

Хемосорбция — поглощение веществ с образованием химических соединений. К хемосорбции относится ионный обмен.

К адсорбентам относятся высокодисперсные тела с большой пористой (непористые) или внутренней (пористые) поверхностью (удельная поверхность активированного угля – 600-1000 м² ).

 

Адсорбенты.

Пористые Непористые

- силикагель; - сажа;

- активированный уголь; - глинистые минералы (бентониты).

- оксид алюминия.

 

Адсорбенты.

Гидрофильные: Гидрофобные:

- силикагель; - активированный уголь.

- оксид алюминия;

- бентониты;

- глины;

- оксид магния.

Гидрофобные адсорбенты применяются для очистки гидрофильных извлечений от малогидрофильных веществ (пигментов), т.к. они не адсорбируют гидрофильные компоненты.

Гидрофильные адсорбенты используются для адсорбции гидрофильных веществ из гидрофобных растворителей – хлороформа, эфира, которые они не адсорбируют.

Процесс адсорбции протекает следующим образом (Рис.18): предварительно очищенное от ВМС извлечение (3) пропускают через колонку с адсорбентом (1). При этом на сорбенте адсорбируются или БАВ или примеси. Процесс адсорбции проводят до полного насыщения адсорбента. Если на колонке адсорбировались БАВ, то после ее полного насыщения вещества элюируют (смывают) другим подходящим растворителем и получают насыщенный раствор веществ (6). Если сорбировались примеси, то собирают очищенное извлечение, а адсорбент направляется на регенерацию (5).

 

Рис.18. Адсорбер периодического действия (И.А.Муравьев.1980)

Процессы адсорбции сопровождаются выделением тепла (чаще всего), поэтому снижение температуры благоприятно для сорбции, по­вышение — для обратного процесса, т. е. десорбции. Резкую границу между отдельными видами сорбции провести нельзя, поэтому при ад­сорбции наблюдаются элементы всех видов сорбции.

Адсорбция происходит вследствие взаимодействия сил межмолеку­лярного притяжения в неполярных адсорбентах и силами электриче­ского взаимодействия в полярных адсорбентах. Например, адсорбция на активированном угле объясняется межмолекулярными силами, на силикагеле больше сказывается электрическое притяжение. Обычно вещество на адсорбенте адсорбируется в виде тонкого мономолекуляр­ного слоя, и естественно, его количество зависит от поверхности ад­сорбента.

Движущей силой процесса адсорбции является разность между равновесной концентрацией адсорбируемого вещества и его рабочей концентрацией.

Сг = К*F*DCt

Где:

Сг – количество адсорбированного вещества;

К – коэффициент массопередачи;

F – поверхность адсорбции;

DC – разность концентраций;

t - время.

4.Ионообменная хроматография.

Ионообменная хроматография основана на реакции обмена ионами между неподвижным твердым ионообменным сорбентом и растворенным в растворителе веществом.

В зависимости от характера ионообменных групп иониты подразделяются на:

1. Катиониты (К) (содержат кислотные группы различной силы – сульфогруппы, карбоксильные и оксифенильные) (Рис.19).

2. Аниониты (А) (содержат основные группы – аминогруппы различной замещенности) (Рис.20).

Обычно при пропускании через ионообменную колонку извлечений на ней адсорбируются или осаждаются БАВ, которые за тем смывают с колонки путем пропускания растворов кислот и щелочей. С помощью ионообменных колонок можно очищать и выделять БАВ, имеющие основный или кислотный характер (например: серотонина гидрохлорид из коры облепихи выделяют путем ионообменной хроматографии на катионите КБ – 4П – 2).

 

[AlkН]Cl+NaКаt®[AlkH]Kat+NaCl

[AlkH]Kat+NH₄OH®Alk+[NH₄]Kat+H₂O

Где:

NaKat – катионит в Na форме (солевой);

NH₄Kat – катионит в NH₄ форме

Alk – алкалоид в виде свободного основания

 

Рис. 19. Катионообменная колонка (Л.А.Иванова,1991)

 

Рис. 20. Анионообменная колонка (Л.А.Иванова,1991)