Разработка трехступенчатого Роторно-пульсационного аппарата для получения лекарственного сырья

Проведен обзор работ по разработке многоступенчатых роторно-пульсационных аппаратов, используемых для экстрагирования лекарственного растительного сырья. Сравнения с одноступенчатыми РПА в литературе не встречается. В целом эффективность данных аппаратов зависит от методики определения площади проходного сечения прерывателя многоступенчатого РПА, что позволяет моделировать гидродинамику в таких аппаратах и определять их напорно-расходные характеристики.
Исследован механизм и кинетика экстрагирования лекарственного растительного сырья в условиях пульсационного давления.
Проведен обзор работ по изучению влияния различных факторов на кинетику экстрагирования биологически активных веществ из растительного сырья различной структуры.

...

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2
1. ОБЗОР РАБОТ ПО РАЗРАБОТКЕ ТРЕХ-СТУПЕНЧАТОГО РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОГО АППАРАТА 5
1.1.ПРЕПАРАТЫ РАСТЕНИЙ, ПОДЛЕЖАЩИЕ ЭКСТРАКЦИИ. 21
1.1.1. Экстракты (Extracta) 21
1.1.2. Жидкие экстракты (Extracta fluida) 24
1.1.3. Настойки (Tinkturae) 26
1.1.4. Густые экстракты и сухие экстракты (Extracta spissa et Extracta sicca) 28
1.2. СПОСОБЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТЕНИЙ 32
1.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ 39
1.4. ПРОЦЕСС ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РЕЗУЛЬТАТ 45
1.5. МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 59

Повышение эффективности химико-технологических процессов и производственного оборудования стоит в начале списка задач науки и техники. Одним из распространенных процессов в фармацевтической промышленности является экстрагирование биологически активных веществ (БАВ) из различных видов лекарственного растительного сырья. Технические и экономические показатели производства во многом зависят от качественного проведения процесса экстрагирования. На сегодняшний день представлен ряд способов воздействия на обрабатываемое сырье для повышения производительности процесса экстракции и несколько линеек соответствующего оборудования. Перспективность способам интенсификации процесса придает возможность сочетать высокую скорость извлечения активных веществ с одновременным измельчением растительного сырья [1-5]. Комплексное воздействие на сырье позволяет увеличить скорость и процент извлечения БАВ при более низких температурах. Это важно, так как некоторые биологически активные вещества весьма чувствительны к нагреву.
Разработка высокотехнологичных аппаратов с оптимальной энергоемкостью создает основу увеличению производительности и повышению качества продукции. Среди перспективных направлений науки выделяют создание высокоэффективного оборудования с комплексным воздействием на обрабатываемый материал.
Таким оборудованием, осуществляющим метод дробного, многофакторного энергетического воздействия на производственные процессы, являются роторно-пульсационные аппараты (РПА). Принцип работы РПА заключается в изменчивости потоков импульса, вещества и энергии. Роторно-пульсационные аппараты комплексно воздействуют на гетерогенную среду с целью получения высокодисперсных суспензий и эмульсий, способствуют интенсификации процессов экстрагирования биологически активных веществ (БАВ), деструкции молекулярных связей и изменению физико-химических свойств жидкости.
РПА разработаны для осуществления структурных преобразований жидкости для повышения интенсивности гидромеханических и массообменных процессов. Обработка среды в РПА реализуется с помощью импульсного комплексного воздействия: интенсивной кавитации, микроимпульсов давления, вихреобразования и нелинейных гидроакустических эффектов. РПА осуществляет преобразование энергии низкой концентрации в энергию локальной высокой концентрации в неустойчивых точках структуры вещества. Концентрация энергии в пространстве и времени дает возможность получить солидную мощность импульсного энергетического воздействия, высвободить внутреннюю энергию вещества, накачать энергией, запустить квантовые, самопроизвольные, цепные и другие энергонасыщенные процессы.

Из динамических периодических способов одноступенчатым является перколяция и многоступенчатым – реперколяция с законченным и незаконченным циклами.Среди динамических 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).Мацерация относится к одноступенчатым статическим периодическим способам, ремацерация – многоступенчатым статическим периодическим. Данные способы используют для приготовления настоек и экстрактов, для производства сухих и густых экстрактов применяют ремацерацию.Мацерация на сегодняшний день редко используется на производстве ввиду большой продолжительности, трудоемкости, неполной экстракции действующих веществ и завышенногосодержания балластных веществ (слизи, пектины, белки и проч.). К достоинствам способа можно отнести простоту метода и оборудования [14; 15, 42-45].В последнее время мацерацию стремятся усовершенствовать с максимальной интенсификацией всех видов диффузии. Среди таких модификаций мацерации выделяют: вихревую экстракцию (турбоэкстрацию), акустическую экстракцию, центробежную экстракцию, методы импульсной обработки сырья и др.Турбоэкстракция чаще выполняют с применением роторно-пульсационной аппаратуры [16], где более интенсивная вибрация частиц сырья. Метод турбоэкстракции предоставил возможность сократить до 5-10 мин. стадии извлечения действующих веществ листьев красавки, корней горечавки, коры хинного дерева [17; 18; 19]. Методом экстракции растительного сырья в турбулентном потоке экстрагента с одновременным измельчением сырья можно получить извлечения из свежих растений.На принципе колебаний частиц в движущейся жидкости построены кинематические способы. Одним из них является способ интенсификации процесса экстракции путем размола сырья в среде экстрагента с помощью шаровых мельниц. Время выделения основных биологически активных веществ при этом способе из такого сырья, как трава ландыша, мяты, пустырника, корневища валерианы и др., сокращается с 8-48 ч до 1-3 ч. При достаточно продолжительном ведении процесса (в 2-3 раза выше оптимального) происходит адсорбция основных действующих веществ большой поверхностью измельченного сырья, что является недостатком способа получения экстрактов с помощью шаровой мельницы.Для повышения интенсивности процессов гомогенизации, ускорения этапа извлечения биологически активных соединений на фармацевтических производствах внедряют и совершенствуют пульсационные методы обработки растительного сырья [20, 468-478].Неплохие результаты в интенсификации процесса извлечения биологически активных веществ из лекарственного сырья показывает метод с использованием электроимпульсных разрядов, не нарушая при этом целостности молекулы. Жидкости, которые обработали электроимпульсным ударом, длительное время не подвергаются микробиологической контаминации. [21, 35-38; 22].Из современных методов повышения эффективности экстракции биологически активных веществ из растительного сырья можно также выделить высокочастотную (ВЧ) и сверхвысокочастотную обработку (СВЧ) [14]. При применении такой обработки сырья наблюдается улучшение качества готовой продукции, увеличение производительности, значительного сокращения производственных площадей. Наибольшего эффекта ВЧ- и СВЧ-обработка достигает на стадии извлечения или упаривания жидкостей, при сушке различного лекарственного сырья (порошков, сыпучего растительного материала, гранулятов, различных полуфабрикатов, готовой продукции и т. д.), при этом скорость процессов увеличивается в несколько раз. Электромагнитная обработка способствует одновременному нагреву всей массы обрабатываемого материала. Приборы ВЧ — и СВЧ готовы к работе в течение 30-50 с, что в условиях производства сокращает энергозатраты и обеспечивает тем самым экономическую выгоду. При использовании ВЧ- и СВЧ-аппаратуры отсутствует необходимость создавать большие градиенты давления и температуры, как, например, при сушке растительного сырья, что является существенным преимуществом высокочастотной обработки по сравнению с традиционным тепломассообменом.Данный способ, помимо прочего, способствует стерилизации получаемых экстрагируемых веществ. Но у электромагнитного поля есть и недостатки. Действующая глубина проникновения в обрабатываемый материал ограничена 45-50 миллиметрами [23, 30-32]. Эффективность обработки при увеличении толщины высушиваемого образца падает, что сказывается на увеличении времени сушки.Из электрических способов обработки лекарственного растительного сырья можно выделить электроплазмолиз и электродиализ. Чаще всего электроплазмолиз используют при прессовом способе извлечения для получения соков [24]. За счет наличия ионов и коллоидных белов ткани растений, живо реагируют на внешние раздражители, в том числе и на электрический ток. Протоплазма разрушается практически мгновенно при воздействии электрического поля. В отличие от плазмолиза воздействие электрическим током не вызывает разрушения клеточных стенок, поэтому в этих извлечениях довольно мало пектина.Диффузия электролитов сквозь пористую полупроницаемую перегородку под действием электрического поля составляет основу электродиализа. При этом часть жидкостей, содержащих активные вещества, меняет свой солевой состав. Вещества, находящиеся в обрабатываемых жидкостях, сохраняют нативное состояние при электродиализе, не меняется агрегатное состояние системы [25]. Из недостатков можно отметить длительность процесса.В фармации довольно широко применяется ультразвук. Его используют при растворении веществ, получении суспензий, эмульсий, а также для изготовления микрогранул, при производстве ампул и стерилизации [22]. Воздействие ультразвука довольно сильно влияет на изменения молекул. Меняется не только конформация, пространственная конфигурация и свойства молекул, но также возможно деформирование и разрыв молекулярной цепи вещества на отдельные фрагменты. В связи с этим, сонохимические эффекты, связанные с преобразованием энергии ультразвуковых колебаний, представляют собой тип механохимических реакций.Условием внедрения технологии в фармацевтическое производство является сохранение химической устойчивости фармацевтических веществ. Специфичность ультразвуковых волн по-видимому является исключением. Часть препаратов теряет свои свойства, другая часть остается нейтральной, третьи препараты, становятся наоборот, терапевтически более действенными. Таким образом, под действием ультразвука в растворе можно наблюдать явления химической деполимеризации, гомогенизация фрагментов, образование новых макрорадикалов и т. д. Увеличение длительности и интенсивности озвучивания способствует более основательной деструкции веществ. Этот процесс разложения может быть приостановлен или замедлен путем добавления антиоксидантов, стабилизаторов и консервантов.Для получения высококачественных ароматизаторов, биологически активных веществ, оригинальных лекарственных препаратов, отдушек проводится обработка лекарственного и сырья, содержащего эфирные масла, сжиженными газами с целью извлечения отдельных компонентов в нативном виде [22]. Данный способ является весьма высокоэффективным, обеспечивающим значительное снижение трудовых затрат, улучшающим качество продукции и позволяющим комплексно использовать сырьевые ресурсы [26, 18-25]. Поскольку при нормальных условиях температуры и давления экстрагент мгновенно улетучивается из отработанного сырья, процесс экстракции сжиженными газами осуществляют под большим статическим давлением. По завершении процесса экстрагированные вещества не нуждаются в дополнительной обработке.Сжиженные газы подбираются под особенности сырья, поскольку обладают индивидуальными термодинамическими, гидрофильными и олеофильными свойствами, что позволяет выполнять экстракцию отдельных химических соединений из сырья растворителями, обладающими различной полярностью. Чаще всего для извлечения биологически активных веществ используют сжиженный углекислый газ [19; 22]. Углекислый газ химически инертен и проявляет химическую индифферентность по отношению к перерабатываемому сырью, экстрагируемым веществам и конструкционным материалам приборов. В отличие от многих сжиженных газов углекислый газ взрывобезопасен. Экстракты, полученные с сжиженным газом, нет отдельных экстрактивные и компонентов, которые дают определенный аромат, органолептические, фармакологические свойства - качества, которые отличают один препарат от другого. Будучи разведенным спиртом или водно-спиртового раствора, такие экстракты часто приобретают специфический запах и вкус. Это происходит потому, что каждый из сжиженного газа, имеет характерную особенность в отдельности.Как известно, после экстракции, такой как диоксид углерода, хранится в еде, почти все растворимые в воде вещества. Объемные экстракты лекарственного сырья, полученные с использованием сжиженных газов, оказывает разрушительное воздействие на активность микроорганизмов. Выявленные антибактериальные свойства экстрактов, полученных путем экстракции сжиженным СО2, открывают новые возможности их использования в качестве натурального консерванта, особенно для жидких лекарственных форм, предназначенных для длительного хранения. При выборе состава экстрактов в течение длительного времени может блокировать развитие микрофлоры в жидкостях. Приготовление экстрактов с применением сжиженных газов экономически выгодным, так как этот способ дает возможность производить достаточно концентрированную составы с относительно небольшой стоимостью.Основные стадии процесса экстракции различных веществ из лекарственного сырья (экстракция и дистилляция) проводят при относительно низкой температуре. Это исключает процессы окисления во время экстракции биологически активных веществ. Тем не менее, экстракты с некоторыми исключениями до сих пор не могут заменить существующие экстракты (или густая жидкость), широко используется в химической и фармацевтической практики и фармацевтической продукции для изготовления лекарственных форм.Несмотря на разнообразие путей повышения эффективности добычи, а также быстрое развитие современных технологий, предназначенных для оптимизации процесса экстракции биологически активных веществ из растительного сырья, многие вопросы остаются открытыми. Например, большое количество лекарственных растений, используемых в виде водных экстрактов и публикаций, посвященных проблеме увеличения перехода БАВ в воде совсем немного. Тем не менее, водные настои и отвары представляют собой наиболее физиологичные лекарственные формы для человека.1.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСТРАГИРОВАНИЯПроцессом экстрагирования называется избирательное извлечение из смеси твердых или жидких веществ отдельных компонентов с помощью растворителя, обладающего избирательной растворимостью.Под избирательной растворимостью понимается способность жидкости растворять только тот компонент (компоненты), который надо извлечь. При этом имеет место взаимодействие жидких и твердых фаз или одних только жидкостей. Различают экстракцию твердых тел и экстракцию жидкостей. В пищевой промышленности имеют место оба эти вида экстракции, однако особенно широкое распространение получила экстракция в системе твердое тело-жидкость.Примером первого рода экстракции и является извлечение биологически активных веществ из лекарственного растительного сырья с помощью какого-либо растворителя.Процесс экстрагирования является массообменным процессом. Основу экстрагирования составляет диффузия БАВ из внутренних структур клеток растительного материала в экстрагент и заканчивается при достижении равновесных концентраций. В равновесном состоянии из сырья в экстрагент переходит такое же количество молекул, как и из экстрагента в сырье. Экстракция объединяет следующие процессы: диффузия; растворение; десорбция; осмос; диализ; механическое вымывание.Все они происходят одновременно, взаимно влияя друг на друга и составляя процесс экстракции. Ведущая роль в этом комплексе, обеспечивающим извлечение веществ из сырья, принадлежит диффузии.Диффузия является процессом постепенного взаимного проникновения веществ, граничащих друг с другом. Основой диффузии является разность концентраций. При достижении равных концентраций процесс диффузии приостанавливается. Наличие клеточной стенки добавляет свои особенности извлечения биологически активных веществ из растительных материалов с клеточной структурой. Физиологическое состояние клеточной стенки может быть различным. Пристенный слой протоплазмы живой растительной клетки накладывает особый отпечаток на свойства клеточной стенки, которая отделяет клеточный сок от жидкости снаружи клетки.Клеточная стенка не пропускает наружу вещества, растворенные в клеточном соке, при живой протоплазме. В таком случае экстрагент может проникнуть только внутрь клетки (осмос).Наличие пористой перегородки, клеточных путей и межклеточного пространства уменьшает скорость диффузии. Вещества, частицы которых превышают размеры пор, не могут пройти через перегородки. После проникновения экстрагента в клетку наблюдается явление десорбции. Молекулы внутри клетки связаны силами притяжения, поэтому прежде всего необходимо обеспечить преодоление адсорбционных сил. Комплекс диффузионных процессов, протекающих внутри фрагментов растительного сырья, называется внутренней диффузией. По мере гибели протоплазмы клеточная стенка перестает быть полупроницаемой перегородкой и начинает пропускать различные молекулы в обе стороны (диализ). Таким образом клеточная стенка становится пористой перегородкой, через которую могут проникать биологически активные вещества, молекулы которых меньше размера пор.Экстракционные препараты в абсолютном большинстве получают из высушенного растительного сырья, т.е. обезвоживание происходит путем тепловой сушки. При получении препаратов из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом, который весьма гигроскопичен. При соприкосновении спирта с растительной клеткой происходит резкое обезвоживание, вызывая сильнейший плазмолиз. Молекулярная диффузия осуществляется благодаря хаотическому движению молекул. При этом вещества переходят в виде молекул, а жидкие среды остаются неподвижны друг относительно друга.Уравнением Фика определяет скорость молекулярной диффузии: dMdτ=-DFdcdx ( 1 ) , гдеdMdτ - скорость диффузии, зависящая от массы вещества, перешедшего из одной среды в другую за определенную единицу времени;F - площадь контакта отдающей и принимающей сред;dc - разность концентраций вещества в средах;dx - изменение толщины диффузионного слоя;D - коэффициент молекулярной диффузии:D=-RTN0∙1σπrη ( 2 ), гдеR - универсальная газовая постоянная;T - абсолютная температура;No - число Авогадро;r - вязкость экстрагента; - радиус частиц (молекул) вещества.Из уравнения выходит, что скорость молекулярной диффузии прямо пропорциональна площади контакта сред, дельте концентраций, температуре, и обратно пропорциональна толщине диффузного слоя, радиусу частиц и вязкости экстрагента.В отличии от молекулярной диффузии, при конвективной диффузии перенос вещества реализуется не отдельными молекулами, а объемами раствора. Конвективная диффузия происходит путем перемещения экстрагента относительно сырья, а скорость конвективной диффузии выражается следующим уравнением:dMdτ=-β∙Fdcdx ( 3 ), где - коэффициент конвективной диффузии;dMdτ - скорость диффузии, зависящая от массы вещества, перешедшего 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.Конвективный коэффициент диффузии указывает количество веществ, проходящих через контактную поверхность 1 м в принимающей среде (экстрагент), в течение 1 с при перепаде концентрации 1.Молекулярную и конвективную диффузии можно отнести к свободной диффузии, если между представляемым и принимающей среды нет разделов. В процессе лекарственного сырья экстракция является более сложным из-за того, что он дал и воспринимая среда клетки отделены друг от друга перегородкой. Если растительная клетка жива (свежее сырье), она имеет пограничный слой протоплазмы, что делает полупроницаемую мембрану, то есть она является проницаемой для экстрагента и непроницаема для веществ, содержащихся в клетке. Поглощение прижизненной экстрагента осмос представляет собой процесс извлечения веществ в клетках не наблюдается.Экстрактивные вещества найдены в клетках в адсорбированном состоянии, т.е. они тесно связаны с адсорбционными силами внутриклеточного содержимого. Компонент Процесс экстракции является десорбция - процесс адсорбции противоположно. Десорбция происходит в клетках, когда они проникают в экстрагент.. Экстрагентом преодолевает эти силы, вещество десорбируется. Процесс экстракции выглядит следующим образом:Экстрагент проникает в сырых бит межклеточным каналов достигает клеточной поверхности, клеточной мембраны с помощью простых входит в клетку.Внутри клетки после десорбции экстрактивных растворимы в экстрагента.Из-за разности концентраций начинается диализ - переход веществ из клеток через клеточный барьер.Преодоление диффузионного слоя, экстрактивные распределены по всему объему экстрагента в соответствии с законами свободного конвективной диффузии. Процесс экстрагирования в целом выражает следующее математическое уравнение:S = KFdc ( 4 ) , гдеS - количество извлеченного вещества;F - поверхность контакта сред;dc - разность концентраций;K - коэффициент массопередачи; - время экстракции.Коэффициент массопередачи объединяет все виды диффузии:K=11Db+1β+σDc ( 5 ), где - коэффициент конвективной диффузии;Db - коэффициент внутренней диффузии (диализа); - толщина диффузионного слоя, в котором происходит молекулярная диффузия;Dc - коэффициент молекулярной диффузии. Величина коэффициента зависит от метода экстракции. Высокая скорость движения экстрагента сожжет свести к минимуму значение второго и третьего слагаемых. Это связано с тем, что значительно увеличивается коэффициент конвективной диффузии, и, соответственно, уменьшается диффузионный слой.Но при любом методе экстракции внутренняя диффузия (диализ) имеет высокое значение коэффициента.В результате диализа растительного сырья формируются на неподвижном диффузионном слое. Он имеет молекулярную DIF-фьюжн. Его толщина варьируется и зависит от скорости движения относительно подачи экстрагента. Слой сопротивления диффузии для извлечения веществ, как это замедляет выход сырья.1.4. ПРОЦЕСС ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РЕЗУЛЬТАТРазница в концентрации в исходном материале и экстрагента C1 C4 является движущей силой процесса экстракции. Во время экстракции следует стремиться максимально дифференциальную концентрацию, которая достигла более частой смены извлечения (вместо rematseratsiya мацерации), выполняя противоточного процесса и другие.Время (длительность) экстракции. Из основного уравнения массопередачи, то отсюда следует, что количество вещества диффундируют через слой какой-то непосредственно proportsio¬nalno время экстракции. Тем не менее, мы должны стремиться к достижению максимального извлечения dolnote в кратчайшие сроки, большинство из всех других факторов, которые приводят к интенсификации процесса.В течение длительности капотов экстракции приводит к загрязнению сопутствующих соединений с высокой молекулярной массой, скорость диффузии, которая значительно меньше, чем у биологически активных веществ. При длительном экстракции может происходить нежелательные процессы под действием ферментов. Общая продолжительность экстракции часто определяется экономическими соображениями. В этом случае целесообразно, чтобы остановить процесс в какой-то момент, если учесть, что дополнительное количество извлекаемых веществ, не платить излишних затрат и увеличивается с этой потерей экстрагентов (спирт, эфир).Вязкость экстрагента.