Настойки в промышленном производстве

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". 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I. Литературный обзор.

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); η - 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 = βF(C- с)т,

где β-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; τ - 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.