Влияние различных факторов на экстракцию

введение

Экстра́кция (от лат. extraho — извлекаю) — метод извлечения вещества из раствора или сухой смеси с  помощью подходящего растворителя (экстраге́нта). Для извлечения из раствора применяются растворители, не смешивающиеся  с этим раствором, но в которых вещество растворяется лучше, чем в первом растворителе.

Экстракция может быть разовой (однократной или многократной) или  непрерывной (перколя́ция).

Простейший способ экстракции из раствора — однократная или многократная промывка экстрагентом в делительной воронке. Делительная воронка представляет собой сосуд с пробкой и краном для слива нижнего слоя жидкости. Для непрерывной экстракции используются специальные аппараты — экстракторы, или перколяторы.

Для извлечения индивидуального вещества или определённой смеси (экстракта) из сухих продуктов в лабораториях широко применяется непрерывная экстракция по Сокслету.

 

 

Экстракция  органических кислот. Недиссоциированные молекулы органических кислот в водных растворах являются электронейтральными и слабо гидратируются молекулами воды. При контакте водных растворов с органическими растворителями электронейтральные молекулы кислоты легко сольватируются, и поэтому переходят в слой органического растворителя.

 

Ионы, образующиеся в водных растворах  при диссоциации слабых кислот, имеют соответствующие заряды, и поэтому легко гидратируются диполями воды. Связь молекул воды с ионами кислоты относительно прочная. Поэтому такие ионы слабо сольватируются молекулами органических растворителей и не экстрагируются органическими растворителями из водных растворов.

 

Изменение концентрации водородных ионов  в водной фазе приводит к относительному увеличению или уменьшению количества недиссоциированных молекул, а следовательно, и к изменению экстрагируемости кислоты.

 

С повышением рН (т. е. с уменьшением концентрации водородных ионов в водном растворе) увеличивается диссоциация кислоты в растворе, что приводит к уменьшению ее недиссоциированных молекул. В результате этого понижается экстрагируе-мость слабой кислоты органическими растворителями из таких растворов.

 

При повышении концентрации водородных ионов (т. е. с понижением рН) в водном растворе увеличивается число молекул  недиссоциированной кислоты, а следовательно, возрастает ее экстрагируемость органическими  растворителями. При значительном повышении концентрации водородных ионов в водном растворе слабую кислоту практически полностью можно перевести в недиссоциированное состояние и этим повысить ее экстрагируемость.

 

Экстракция  оснований. Многие органические основания, к числу которых относятся алкалоиды и их многочисленные синтетические аналоги, являются фармацевтическими препаратами. Эти основания в нейтральной среде находятся в недиссоциированном состоянии. При действии кислот на органические основания образуются их соли, которые в водных растворах диссоциируют на ионы.

 

Недиссоциированные молекулы органических оснований слабо гидратируются  молекулами воды, но хорошо сольватируются молекулами органических растворителей. Поэтому недиссоциированные молекулы органических оснований хорошо экстрагируются из водных растворов органическими растворителями.

 

Ионы, образующиеся при диссоциации  солей органических оснований, хорошо гидратируются молекулами воды и  слабо сольватируются молекулами органических растворителей. Поэтому соли органических оснований (за небольшим исключением) не экстрагируются органическими растворителями.

 

Органические основания являются слабыми электролитами. Степень  диссоциации их зависит от рН среды. От прибавления кислот к органическим основаниям они переходят в соли. При этом увеличивается количество ионов и уменьшается количество недиссоциированных молекул, а следовательно, уменьшается степень экстракции этих веществ органическими растворителями. От прибавления щелочей к солям органических оснований уменьшается количество ионов и увеличивается количество недиссоциированных молекул этих оснований. В результате этого в щелочной среде увеличивается степень экстракции органических оснований.

 

Экстракция  амфотерных соединений. К числу амфотерных соединений, имеющих токсикологическое значение, относятся вещества, в молекулах которых содержится аминный азот и фенольные группы (морфин, сальсолин и др.), а также соединения, содержащие аминный азот и карбоксильную группу (аминокислоты и др.). Эти соединения в зависимости от рН среды диссоциируют как основания (в кислой среде) и как кислоты (в щелочной среде). Экстракция амфотерных соединений зависит от рН среды, так как при изменении рН изменяется количество ионов и недиссоциированных молекул амфотерных соединений. Амфотерные соединения, находящиеся в молекулярном состоянии, экстрагируются органическими растворителями. Ионы амфотерных соединений хорошо гидратируются молекулами воды и почти не экстрагируются органическими растворителями.

 

Наибольшие количества амфотерных соединений экстрагируются при рН, соответствующем изоэлектрической точке этих веществ. Это объясняется тем, что в изоэлектрической точке молекулы амфотерных соединений не имеют электрического заряда.

 

Влияние различных  факторов на экстракцию

 

На экстракцию веществ органическими растворителями оказывают влияние различные факторы (природа экстрагируемого вещества, природа экстрагента, температура, рН среды, присутствие электролитов в водных растворах, скорость взбалтывания и др.).

 

Влияние температуры на экстракцию. Изменение температуры влияет на константу распределения экстрагируемого вещества. Это объясняется тем, что при изменении температуры изменяется растворимость экстрагируемых веществ в каждой фазе, а также изменяется взаимная растворимость органической и водной фаз. Причем с изменением температуры растворимость вещества в каждой фазе изменяется неодинаково. Это является одной из причин изменения константы распределения вещества при изменении температуры.

 

При изменении температуры может  изменяться диссоциация и ассоциация вещества в соответствующей фазе. Поэтому при изменении температуры изменяется гидратация (сольватация) и экстрагируемость химических соединений.

 

Влияние рН среды на экстракцию. Экстрагируемость органических веществ зависит от ряда факторов, в том числе и от рН среды. Количество экстрагированного вещества зависит от диссоциации его в водной фазе. Это связано с тем, что недиссоциированные молекулы вещества и его ионы неодинаково экстрагируются органическими растворителями из водных растворов. При экстракции недиссоциированные молекулы переходят в органическую фазу, а ионы, которые хорошо гидратированы молекулами воды, остаются в водной фазе. Поэтому сильные электролиты, хорошо диссоциирующие в воде на ионы, не экстрагируются органическими растворителями.

 

Влияние электролитов на экстракцию. Прибавление хорошо растворимых  солей к водному раствору другого  вещества может понижать или повышать его растворимость в воде. Понижение  растворимости веществ в водных растворах под влиянием электролитов называется высаливанием, а повышение растворимости — всаливанием.

 

Высаливание является фактором, понижающим растворимость веществ в воде и повышающим их экстрагируемость органическими  растворителями из водных растворов.

 

Высаливающее действие электролитов зависит от природы и свойств высаливаемого вещества, от природы и свойств высаливателя, концентрации и радиуса ионов высаливателя и т. д. Ионы высаливателя с малым радиусом имеют большую плотность заряда, чем ионы с большим радиусом. Поэтому ионы с малым радиусом гидратируются лучше, чем ионы с большим радиусом. В связи с этим высаливающее действие ионов с малым радиусом большее, чем высаливающее действие крупных ионов. Однако это правило имеет и ряд исключений.

 

Установлено, что высаливающим действием обладают и некоторые хорошо растворимые в воде неэлектролиты. Так, например, этиловый спирт хорошо высаливает уксусную кислоту из ее водных растворов при экстракции этой кислоты этилацетатом и т. д.

 

Вещества, проявляющие свойства всаливателей, применяются для повышения растворимости слаборастворимых веществ в воде. Известно несколько теорий, объясняющих процесс всаливания. Согласно одной из них, всаливание объясняется химическим взаимодействием всаливателей и всаливающихся веществ в экстракционных системах. В результате этого могут образовываться соединения или комплексы, хорошо растворимые в воде, которые не экстрагируются органическими растворителями.

 

 

 

Требования, предъявляемые  к органическим растворителям для  экстракции. К органическим растворителям, применяемым для экстракции, предъявляется ряд требований.

 

1. Органический растворитель должен  хорошо извлекать исследуемое  вещество из водной фазы.

 

2. Желательно, чтобы применяемый  растворитель был избирательным  или селективным. Он должен  извлекать из растворов только одно вещество или группу родственных соединений.

 

3. Растворитель должен иметь  незначительную растворимость в  воде, а вода не должна заметно  растворяться в этом растворителе.

 

При использовании для экстракции органических растворителей, растворяющихся в воде или растворяющих воду, конечные объемы фаз после взбалтывания не будут равны начальным объемам этих фаз. Это может быть источником ошибок при расчетах константы и коэффициента распределения, а также при вычислении степени экстракции. Чтобы исключить возможные ошибки при расчетах, органический растворитель насыщают водой, а воду — органическим растворителем. Только после этого производят экстракцию.

 

4. Органический растворитель по  возможности не должен быть  низкокипящим. Температура кипения растворителя должна быть выше 50 °С. Низкокипящие органические растворители даже при комнатной температуре быстро улетучиваются. Поэтому при экстракции их объемы уменьшаются, а концентрация экстрагированных веществ в этих растворителях увеличивается. Это может быть одним из источников ошибок при расчетах константы или коэффициента распределения экстрагируемого вещества. Однако низкая температура кипения органических растворителей является положительным фактором с точки зрения регенерации их после экстракции.

 

5. Плотность органических растворителей  по возможности должна отличаться  от плотности воды и водных  растворов. При большой разности  плотностей указанных жидкостей  разделение фаз происходит быстро.

 

6. Растворители не должны быть  огнеопасными или ядовитыми. Есть и некоторые другие требования, предъявляемые к растворителям.

 

 

Классификация способов экстрагирования

 

Все существующие способы экстрагирования  классифицируют на: статические и  динамические.

В статических способах сырье периодически заливают экстрагентом и настаивают определенное время.

В динамических – предусматривается  постоянная смена либо экстрагента, либо экстрагента и сырья.

 

Среди статических и динамических способов экстрагирования выделяют периодические – когда экстрагирование одной или нескольких порций сырья проводится в течение определенного времени, т.е. подача сырья (экстрагента и/или растительного материала) в экстракционные аппараты осуществляется периодически.

 

К статическим периодическим способам относятся одноступенчатые – мацерация - и многоступенчатые – ремацерация, циркуляция с периодическим сливом (это многоступенчатые прямоточные), а также многоступенчатые противоточные – реперколяция с периодическим сливом по Чулкову.

К динамическим периодическим способам – одноступенчатые – перколяция и многоступенчатые – реперколяция с законченным и незаконченным циклами.

 

Среди динамическим способов особо  выделяют непрерывные (с непрерывной  подачей сырья) – прямоточные (экстрагент и материал в одном потоке) и  противоточные (активное движение навстречу экстрагента и растительного к материала).

 

способы экстрагирования.

 

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

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, пектины, слизи, белки  и др.);

г) трудоемкость (двойное прессование, промывка шрота).

Сейчас  изыскиваются и внедряются новые  формы мацерации с максимальной динамизацией всех видов диффузии. Примерами таких модификаций мацерации являются:

1. вихревая  экстракция – турбоэкстрация;

2. экстракция  с использованием ультразвука  (акустическая);

З. электроимпульсный и другие методы импульсной обработки сырья;

4. центробежная экстракция;

5. дробная мацерация и др.

 

На выход действующих веществ  влияют интенсивность и продолжительность  УЗ облучения, температура экстрагента, соотношение сырья и извлечение вести в пределах 40 мин. (большая 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/cм2. Концентрация твердой фазы – не белее 10%, т.е. 1:10.

 

Среди многих факторов интенсификации экстракции ведущими являются скоростные изменения температуры и давления. Изменения этих параметров достигаются  с помощью различных Физических и электрофизических приемов импульсного магнитного поля (давление 1x109 Па), термического и механического действия лазерного луча на экстрагент с сырьем (2-3х1022Па), акустического излучения и импульсного электроразряда (до 109Па). Преимущество электрогидравлического эффекта по сравнению с любым из перечисленных методов заключается в большой надежности и воспроизводимости процесса, возможности его автоматизации.