Экстрагирование в системе «жидкость-жидкость» и «жидкость-твердое тело». Теоретические основы экстрагирования

 

 

 

 

 

 

Экстрагирование в системе  «жидкость-жидкость» и «жидкость-твердое  тело». Теоретические основы экстрагирования.

Экстракторы. Классификация.

Устройство и принцип  работы экстрактов.

Использование в фармацевтическом производстве.

 

 

 

 

2013 г

 

Содержание

Экстрагирование в системе  «жидкость-жидкость»……………………1

Экстрагирование в системе «жидкость-твердое  тело»                           6

Теоретические основы экстрагирования

для фармацевтического  производства                                                      8

Экстракторы. Классификация. Принцип работы                                    19

Список использованной литературы……………………………………28

 

Экстракция (от лат. еxtraho — извлекаю) – способ извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя (экстрагента). Экстракция может быть разовой (однократной или многократной) или непрерывной (перколяция). Простейший способ экстракции из раствора — однократная или многократная промывка экстрагентом в делительной воронке (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. В лабораторной практике химического синтеза экстракция может применяться для выделения чистого вещества из реакционной смеси или для непрерывного удаления одного из продуктов реакции из реакционной смеси в ходе синтеза. Экстракция применяется в аналитической химии, химическом синтезе, в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, металлургической, фармацевтической и других отраслях.

Объектами экстракции, из которых извлекают соответствующие соединения, могут быть как твердые вещества, так и жидкости. Следовательно, процессы извлечения подразделяют на экстракцию в системе «твердое тело — жидкость» и на экстракцию в системе «жидкость — жидкость» (жидкостную экстракцию).

Экстрагирование в системе «жидкость-жидкость»

Экстракция в системах «жидкость—жидкость» - диффузионный процесс, который протекающий при участии двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Этот метод известен с середины XIX в.. И получил широкое распространение через 100 лет — в 50-60-е гг. XX в.. В течение нескольких десятилетий он был одним из самых важных аналитических методов разделения и концентрирования органических соединений и микроэлементов.

Жидкостная экстракция состоит из двух технологических операций:

1) контактирование исходной смеси с растворителем, в ходе которого осуществляется массообменный процесс, переход компонента через границу раздела из одной фазы в другую;

2) отделение полученного раствора от оставшейся жидкой смеси.

При жидкостной экстракции происходит неполная взаимная растворимость исходной смеси и растворителя – в противном случае вторая операция неосуществима. Контактирование фаз проводится путём распределения (дробления) одной фазы в виде капель в объёме другой.

В результате взаимодействия жидких фаз получают экстракт – раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинад — остаточный исходный раствор, из которого удалены экстрагируемые компоненты.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинад) отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими механическими способами. После этого происходит извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерация экстрагента из рафинада. Целевой продукт выделяют из экстракта ректификацией, упариванием, или реэкстракцией.

Главное преимущество процесса экстракции в системе «жидкость—жидкость» по сравнению с другими процессами разделения жидких смесей – низкая рабочая температура процесса. Процесс часто проводится при нормальной температуре. Отпадает необходимость в затратах тепла на испарение раствора. При экстракции из многочисленных растворителей можно подобрать высокоизбирательный экстрагент, отличающийся по химическим свойствам от компонента исходной смеси. При этом достигается более полное разделение, чем с помощью других массообменных процессов.

В промышленности используют методы жидкостной экстракции (как правило, при использовании одного экстрагента):

- одноступенчатая (однократная);

- многоступенчатая с перекрёстныем током;

- непрерывная противоточная;

 - ступенчатая противоточая;

- противоточная с  флегмой.

Одноступенчатая экстракция применяется тогда, когда высок коэффициент разделения. Она заключается в перемешивании исходного раствора и растворителя, а после установления равновесия фаз – в разделении смеси на экстракт и рафинат. Для разделения эмульсий используют отстойники, для трудноразделимых эмульсий – сепараторы.

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках. Она может проводиться с противотоком экстрагента или комбинированным способом при наличии нескольких экстрагентов. Многоступенчатая противоточная экстракция более эффективна, чем экстракция в перекрестном токе. При противоточной экстракции достигается более высокая средняя движущая сила процесса и происходит более полное извлечение компонента из раствора.

Одним из типов оборудования для экстракции в системе «жидкость—жидкость», являются смесительно-отстойные экстракторы ящичного типа (рис. 1)

Рис. 1. Ящичный экстрактор.

 

Это однокорпусный аппарат, разделенный внутренними перегородками на секции 1. Каждая секция разделена на две камеры — смесительную 2 и расслаивания 3, В первой контактирующие фазы интенсивно перемешиваются, причем одновременно смесительные устройства 4 перекачивают тяжелую воду в камеру 2 из камеры 3. Движение легкой фазы по секциям аппарата осуществляется самотеком. Контактирование фаз осуществляется в смесительных камерах за счет внешнего подвода энергии, а разделение — в отстойных камерах вследствие гравитации.

Достоинство таких аппаратов: проводимые в смесителях- отстойниках экстракционные процессы могут быть прерваны без снижения эффективности экстракции и возобновлены. Поэтому данный тип наиболее удобным при переработке небольших количеств растворов, что имеет место в малотоннажных производствах химико-фармацевтической промышленности или при работе с вязкими растворителями.

В фармацевтическом производстве жидкостным методом выделяют БАВ (биологически активные вещества) из ферментных растворов, биожидкостей, культуральных сред при производстве антибиотиков, производят очистку новогаленовых препаратов.

Экстрагирование в системе «твёрдое тело-жидкость»

Движущей силой процесса экстракции в системе «твёрдое тело-жидкость» является разница концентраций экстрагируемого вещества в жидкости, заполняющей поры твёрдого тела, и в основной массе экстрагента, находящегося в контакте с поверхностью твёрдых частиц. Механиз экстрагирования состоит из следующих стадий:

- проникновение растворителя в поры частиц твёрдого материала;

- растворение целевого компонента;

- перенос экстрагируемого вещества из внутренних структур частиц материала к поверхности раздела фаз с образованием диффузионного пограничного слоя (плёнки);

- перенос экстрагируемого вещества через пограничный диффузионный слой (плёнку).

- перенос экстрагируемого вещества от наружной поверхности диффузионного пограничного слоя в объём омывающего материала.

При экстрагировании в системе «твёрдое тело - жидкость» процесс может лимитироваться следующими стадиями:

1. внешнедиффузионной. Скорость процесса определяется скоростью диффузии в объёме при условии, что концентрация растворителя в порах и на поверхности твёрдого материала меньше, чем концентрация его в объёме;
2. внутридиффузионной. Скорость процесса определяется скоростью диффузии в порах вещества;
3. внутренней кинетической. При условии, что пористый материал обладает низкой химической активностью, а концентрация растворителя в порах равна концентрации вобъёме;
4. внешней кинетической. Реагент имеет относительно высокую химическую активность. Поэтому реакция протекает на поверхности пористого материала при условии, что скорость реакции лимитирует скорость всего процесса (при малой пористости вещества).

В фармацевтической промышленности из твёрдых тел извлекают БАВ ил лекарственного растительного сырья (ЛРС) при получении фотохимических лекарственных препаратов (ЛП); извлекают БАВ из органов и тканей животных и клеток микроорганизмов.

 

Теоретические основы экстрагирования

для фармацевтического производства

Под препаратами из лекарственного растительного сырья (ЛРС) понимают готовые формы или субстанции, которые содержат в качестве активных ингредиентов растительное сырьё и/или  комплекс биологически активных соединении, полученных из растительного сырья.

ЛС можно разделить  на две группы:

1. Галеновые препараты (иначе — гале́новы препараты) — группа лекарственных средств, получаемых из растительного сырья путём вытяжки (экстракции). Принимаются почти исключительно внутрь (перорально, от лат. per os, oris), что отличает их от неогаленовых препаратов.

Появление термина связано  с именем Клавдия Галена (131 – 201 гг. н.э. Римский фрач, фармацевт (термин «галеновы препараты» появился в фармации спустя 13 веков после смерти Галена)).

Галеновые препараты  – это:

- настои и отвары  – водные извлечения из ЛРС или водные растворы сухих или жидих экстрактов (концентратов);

- настойки – спиртовые  (водно-спиртовые) извлечения из  ЛРС, получаемые без нагревания  и удаления экстрагента.

- экстракты - концентрированные  извлечения из ЛРС, представляющие собой подвижные, вязкие, жидкие или сухие массы. Это жидкие, густые или сухие экстракты;

- эликсиры – прозрачные  смеси спиртоводных извлечений  из ЛРС с добавлением сахаров  и ароматизаторов.

2. Новогаленовые препараты (или неогаленовые препараты) — водно-спиртовые, спиртово-хлороформные и другие экстракционные лекарственные средства, содержащие сумму действующих веществ, специфичную для данного растительного лекарственного сырья, и максимально освобождённые (подвергшиеся максимальной очистке) от всех сопутствующих веществ. В настоящее время их чаще называют суммарными очищенными лекарственными средствами .

 

При экстрагировании  растительного материала чаще всего работают с высушенным сырьём. Поэтому наиболее широко в производстве галеновых и новогаленовых препаратов распространена экстракция в системе «твердое тело – жидкость», где твердым телом является ЛРС или сырье животного происхождения, а жидкостью - экстрагент (растворитель). Экстракция – это сложный процесс, который включает в себя растворение, десорбцию, диффузию и др.

В процессе экстракции из сырья с клеточной структурой можно выделить три основных стадии:

1. Пропитывание  сухого растительного материала экстрагентом (капиллярная пропитка).

Экстрагент проникает в сырье и смачивает находящиеся в нём вещества. Пропитывание осуществляется за счет капиллярных сил. По каналам, образованным кусочками измельченного растительного материала, по межклеточным ходам и ультрамикропорам экстрагент проникает внутрь клетки, затем заполняет клеточное пространство и вытесняет воздух, что увеличивает площадь контакта с сырьем.

2. Растворение  компонентов растительной клетки.

При проникании экстрагента в материал в клетке образуется концентрированный раствор растворимых в нём веществ. Этот раствор называется первичным соком. Растворение компонентов растительной клетки происходит, когда растворитель внутри клетки вступает во взаимодействие со всеми компонентами клеточных мембран и клеточного содержимого. В результате хорошо растворимые вещества десорбируются и растворяются в экстрагенте, остальные - набухают или пептизируются.

Наибольшее набухание  растительного сырья вызывает вода. При использовании в качестве экстрагента спирта степень набухания сырья зависит от концентрации спирта. Чем выше концентрация спирта, тем степень набухания меньше, следовательно, процесс экстракции происходит труднее.

3. Переход растворенных  веществ в экстрагент 

Массообмен - это процесс перехода вещества из одной фазы в другую. В случае производства экстракционных препаратов это переход вещества из

растительного материала  в экстрагент, т.е. из твердой фазы в жидкую через пористые клеточные стенки. По мере увеличения концентрации экстрактивных веществ в жидкой фазе скорость обратного процесса возрастает. В определенный момент времени наступает состояние динамического равновесия, когда массообмен прекращается. Поэтому, переход вещества возможен только из фазы с большей концентрацией в фазу с меньшей концентрацией, при наличии разности концентраций. Разность концентраций является основной движущей силой.

Массообменная диффузия бывает:

- молекулярная;

   -внутренняя;

   -свободная;

- конвективная.

Молекулярная диффузия - это процесс переноса вещества (биологически активного вещества) за счет хаотического движения самих молекул в неподвижной среде, и зависит от запаса кинетической энергии частиц. Скорость молекулярной диффузии зависит:

1. от температуры извлечения (при её увеличении возрастает скорость движения молекул);
2. величины поверхности разделяющей вещества;
3. толщины слоя, через который происходит диффузия.
4. времени (чем дольше диффузия, -тем большее количество вещества переходит из одной среды в другую)