Теоретические основы процесса экстрагирования

Процесс экстракции имеет место в технологии всех экстракционных препаратов (водные извлечения, настойки, экстракты и др.) и при получении индивидуальных веществ из растительного и животного сырья.

Экстракция - частный случай процессов массообмена, в которых имеет место переход массы вещества из одной среды в другую. При экстракции осуществляется переход вещества из сырья (отдающая среда) в экстрагент (воспринимающая среда).

Экстракция — сложный процесс, объединяющий несколько более простых процессов, относящихся по своей сути тоже к массообменным. Процесс экстракции включает следующие процессы:

• — диффузия;
• — диализ;
• — растворение;
• — десорбция;
• — осмос;
• — механическое вымывание.

Все они идут одновременно, взаимно влияют друг на друга и составляют процесс экстракции. Основным процессом, обеспечивающим извлечение веществ из сырья, является диффузия.

Диффузия — это процесс постепенного взаимного проникновения веществ, граничащих друг с другом. Она основана на выравнивании концентрации вещества в отдающей и воспринимающей средах. Движущей силой диффузии является разность концентраций. При выравнивании концентраций диффузия приостанавливается. Различают молекулярную и конвективную диффузии, свободную и внутреннюю.

Молекулярная диффузия обусловлена хаотическим движением молекул. Отличительной особенностью ее является то, что перенос вещества осуществляется в виде молекул, а среды неподвижны относительно друг друга.

Скорость молекулярной диффузии определяется уравнением Фика:

(1) ,.

— скорость диффузии, определяемая массой вещества, перешедшей из одной среды в другую за единицу времени;

F — площадь контакта отдающей и воспринимающей сред;

dc — разность концентраций вещества в средах;

dx — изменение толщины диффузионного слоя;

D — коэффициент молекулярной диффузии:

(2).

R — универсальная газовая постоянная;

T — абсолютная температура;

N_o — число Авогадро;

r — вязкость экстрагента;

— радиус частиц (молекул) вещества.

Как видно из уравнений, скорость молекулярной диффузии прямо пропорциональна поверхности контакта сред, разности концентраций, температуре. Обратная зависимость от толщины диффузного слоя, вязкости экстрагента и радиуса частиц.

Конвективная диффузия отличается от молекулярной тем, что перенос вещества осуществляется не отдельными молекулами, а объемами его раствора. Происходит конвективная диффузия в результате перемещения экстрагента относительно сырья, а скорость ее выражается следующим уравнением:

(3) ,.

— коэффициент конвективной диффузии;

— скорость диффузии, определяемая массой вещества, перешедшей из одной среды в другую за единицу времени;

F — площадь контакта отдающей и воспринимающей сред;

dc — разность концентраций вещества в средах;

dx — изменение толщины диффузионного слоя.

Коэффициент конвективной диффузии показывает количество вещества, переходящее через 1 м поверхности контакта в воспринимающую среду (экстрагент) в течение 1 с при разности концентраций, равной 1.

Скорость конвективной диффузии значительно выше молекулярной. Молекулярную и конвективную диффузии можно отнести к свободной диффузии, если между отдающей и воспринимающей средами нет перегородки. В процессе экстракции лекарственного сырья дело обстоит сложнее в связи с тем, что отдающая и воспринимающая среды разделены клеточной перегородкой. Если растительная клетка живая (свежее сырье), она имеет пристенный слой протоплазмы, который делает оболочку полупроницаемой, т. е. она проницаема для экстрагента и непроницаема для содержащихся в клетке веществ. Поглощение живой клеткой экстрагента представляет собой процесс осмоса экстрагирования веществ из клетки при этом не наблюдается.

Внутренняя диффузия. По-другому ведет себя клетка высушенного сырья (мертвая клетка). Вследствие гибели протоплазмы клеточная оболочка теряет характер полупроницаемой и приобретает свойства пористой перегородки, а характер диффузии через нее составляет процесс диализа. Диализ, имеющий место при экстракции растительного сырья можно считать также внутренней диффузией, так как она происходит внутри частичек сырья.

Составляющим процессом экстракции является десорбция — процесс противоположный адсорбции. Десорбция имеет место в клетках, когда в них проникает экстрагент. Экстрактивные вещества в клетках находятся в адсорбированном состоянии, т. е. они прочно связаны силами адсорбции с внутриклеточным содержимым. Экстрагент преодолевает эти силы, десорбирует вещества. Процесс экстракции идет по следующей схеме:

Экстрагент проникает в кусочки сырья, по межклеточным каналам достигает поверхности клетки, через простую клеточную оболочку поступает внутрь клетки.

Внутри клетки после десорбции экстрактивные вещества растворяются в экстрагенте.

За счет разности концентраций начинается диализ — переход веществ из клетки через клеточную перегородку.

В результате диализа на поверхности растительного сырья образуется неподвижный диффузионный слой. В нем имеет место молекулярная диф-фузия. Толщина его различна и зависит от скорости движения экстрагента относительно сырья. Диффузионный слой является сопротивлением для экстракции веществ, т.к. замедляет выход веществ из сырья. Преодолев диффузионный слой, экстрактивные вещества распределяются по всему объему экстрагента по законам свободной конвективной диффузии.

Процесс экстрагирования в целом может быть выражен следующим математическим уравнением:

• S = KFdc (4) ,
• S — количество извлеченного вещества;

F — поверхность контакта сред;

dc — разность концентраций;

K — коэффициент массопередачи;

— время экстракции.

Коэффициент массопередачи объединяет все виды диффузии:

(5) ,.

— коэффициент конвективной диффузии;

D_b — коэффициент внутренней диффузии (диализа);

— толщина диффузионного слоя, в котором происходит молекулярная диффузия;

D_c — коэффициент молекулярной диффузии.

В зависимости от метода экстракции значение коэффициента различно. При высокой скорости движения экстрагента значение второго и третьего слагаемых может быть минимальным или даже равным 0 в связи с тем, что существенно увеличивается коэффициент конвективной диффузии и соответственно уменьшается диффузионный слой.

Однако при любом методе экстракции внутренняя диффузия (диализ) имеет место и значение коэффициента значимо.

Факторы, влияющие на процесс экстрагирования Из теории процесса экстрагирования можно вывести факторы, влияющие на процесс, с помощью которых можно увеличивать выход экстрактивных веществ.

Измельченность сырья. При измельчении увеличивается суммарная поверхность сырья, контактирующая с экстрагентом. Чем больше поверхность, тем больше вещества извлекается. Однако степень мелкости сырья регламентируется, так как при таком измельчении извлечение загрязняется балластными веществами и механическими примесями.

Разность концентраций экстрактивных веществ. Разность концентраций экстрактивных веществ в сырье и экстрагенте — является движущей силой любого вида диффузии и реализуется передвижением экстрагента относительно сырья, что предусматривается методами экстракции.

Температурный режим экстракции. С повышением температуры интенсивность диффузии увеличивается, в связи с этим этот фактор используется довольно часто: при изготовлении водных, масляных извлечений.