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 5 - 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 р-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.

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.

Весь этот сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала, называют внутренней диффузией. В основном он слагается из диффузии через пористую перегородку (стенка мертвой клетки) и свободной молекулярной диффузии. Это дает возможность применить уравнение Фика к количественной характеристике этой первой стадии экстракции, но лишь с поправкой на имеющиеся особенности.

Совершенно естественно, что величина коэффициента диффузии в порах растительного материала будет значительно меньше, чем для свободной диффузии. Так, например, если величина коэффициента свободной диффузии для большинства природных соединений составляет 10^-4-10^-5 г/(см²-с), то для этих же соединений величина коэффициента диффузии в порах растительного материала на 2-3 порядка меньше, т. е. 10^-7-10^-8 г см²/с.

Для выражения величины коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна для свободной диффузии нужно вводить поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса.

Тогда в уравнение Фика для переноса вещества в порах растительного материала вместо коэффициента свободной диффузии нужно будет поставить значение коэффициента внутренней диффузии  (Dвн.)-.

После молекулярного переноса извлеченных веществ к наружной поверхности кусочков экстрагируемого сырья процесс экстракции вступает во вторую стадию.

В настоящее время общепризнанно существование на поверхности частиц твердой фазы (кусочков сырья) пристенного слоя экстрагента, называемого диффузионным  пограничным  слоем.  Вещества,  вынесенные на поверхность кусочков, проникают в диффузионный пограничный слой, полностью подчиняясь закону свободной молекулярной диффузии. Толщина диффузионного слоя зависит от гидродинамики процесса и в основном от скорости перемещения экстрагента. Если экстрагепт и. сырье находятся в состоянии относительного покоя, то диффузионный слой равняется толщине всего слоя неподвижной жидкости. Очевидно, что массоперенос в этом случае во всей толщине экстрагента будет осуществляться только молекулярной диффузией.

Уже при небольших скоростях перемещения экстрагента относительно твердой фазы пограничный диффузионный слой уменьшается, приобретая какую-то определенную величину. Наступает третья, конечная, стадия экстракции, когда вещества, поступившие в диффузионный слой, переносятся в центр потока конвективной диффузией.

При больших скоростях перемещения экстрагента толщина диффузионного слоя может стать равной нулю. Перенос вещества молекулярной диффузией происходит в этом случае только в частицах растительного сырья. За пределами частиц, т. е. в экстрагенте, перенос вещества осуществляется конвективной диффузией, которая при больших скоростях перемещения экстрагента возрастает до бесконечности: перенос и распределение вещества по всему объему вытяжки происходят практически мгновенно.

Таким образом, процесс экстракции растительного сырья состоит из трех стадий.

Стадия 1. «Внутренняя» диффузия, охватывающая все явления переноса вещества  внутри частиц сырья; количественно  оценивается  величиной коэффициента  D_Ba.

Стадия 2. Перенос вещества в пределах непосредственного диффузионного пограничного слоя; количественно оценивается величиной коэффициента D.

Стадия 3. Перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия); количественно оценивается величиной коэффициента β

Для количественной оценки общего переноса вещества, каким бы способом  он  ни осуществлялся, существует понятие  «массопередача».

Массопередача, естественно, так же как молекулярная и конвективная диффузии, означает перенос вещества при отклонении системы от равновесия из фазы с большей концентрацией в фазу с меньшей концентрацией. Эта разность концентрации является движущей силой процесса массопередачи. Кроме того, скорость перехода вещества пропорциональна поверхности соприкосновения фаз. Математически эта зависимость выражается формулой:

S = KF(C~ c)x,

где К - коэффициент массопередачи, означающий количество вещества, переносимое за 1 с через поверхность в 1 м² при разности концентраций, равной 1 кг/м³; S - количество вещества, переходящего из одной фазы в другую в кг; F - поверхность соприкосновения фаз в м²; τ - время в с; С-с - движущая сила процесса массообмена - разность концентраций вещества, переходящего из одной фазы в другую в кг/м³.

Из этого уравнения следует, что количество вещества, переходящее в единицу времени из одной фазы в другую, пропорционально коэффициенту массопередачи, поверхности контакта фаз, продолжительности процесса и разности концентраций. Коэффициент массопередачи суммирует все величины, являющиеся количественными характеристиками трех перечисленных выше этапов диффузионного пути в процессе экстракции.

Связь коэффициента    массопередачи и коэффициентов всех    видов диффузии определяется следующим уравнением:

где 2r - толщина частицы растительного сырья; п - коэффициент; Dвн-коэффициент внутренней диффузии; D - коэффициент молекулярной диффузии; δ - толщина диффузионного пограничного слоя; β- коэффициент конвективной диффузии.

Анализ уравнения показывает (рис. 89), что при отсутствии конвекции коэффициент конвективной диффузии равен нулю, а толщина диффузионного слоя становится равной толщине всего экстрагента. Значит, третий этап диффузии отпадает, а коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости. Такое явление наблюдается при мацерации без перемешивания. Указанный способ экстракции самый длительный.

В том случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех этапов диффузионного пути. Скорость этого способа экстракции выше, так как уменьшается слой неподвижной жидкости и появляются конвекционные токи, способствующие переносу вещества. Такой способ экстракции характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей перколяции, непрерывной противоточной экстракции и др. И, наконец, в некоторых случаях могут отсутствовать второй и третий этапы диффузионного пути. Это явление возможно при больших скоростях перемещения жидкости. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т. е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно, третий член уравнения отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина диффузионного слоя, поэтому второй член уравнения также отпадает. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного сырья. Типичным примером этого способа экстракции является вихревая экстракция.

Второй и третий этапы диффузионного пути, как было показано выше, могут отсутствовать, но наличие первого этапа неотделимо от самого существа процесса экстракции из растительного сырья.

Следует отметить, что вещества, находящиеся в клетке с разорванными стенками, значительно легче вовлекаются экстрагентом. Здесь происходит простое вымывание.

Знание теоретических основ экстракции дает возможность технологу разумно вести этот производственный процесс и тем самым обеспечить наиболее полное и в самый короткий срок извлечение действующих веществ.

Из факторов, влияющих на полноту и скорость извлечения, которые поддаются регулированию и, следовательно, могут быть изменены в желательную сторону, основными являются: выбор экстрагента, степень измельчения сырья, разность концентраций, температура, вязкость экстрагента, продолжительность извлечения и гидродинамические условия.

О конкретном управлении этими факторами говорится ниже.

27.06.2015