Методы экстрагирования ЛРС и оборудование по возможности достижения равновесия равновесные неравновесные Статические Динамические По режиму работы: Периодические. - презентация

1 Методы экстрагирования ЛРС и оборудование по возможности достижения равновесия равновесные неравновесные Статические Динамические По режиму работы: Периодические Полунепрерывные Непрерывные одноступенчатые Простые многоступенчатые Противоточные многоступенчатые по направлению потока экстрагента и сырья прямоточные противоточные.

2 Оборудование для экстрагирования - экстракторы По режиму работы: –Периодического –Полунепрерывного –Непрерывного действия По направлению движения потоков: –Противоточные –прямоточные По виду циркуляции: –с однократным прохождением экстрагента –С рециркуляцией экстрагента –оросительные По давлению: –Атмосферные –Вакуумные –Работающие под давлением. По конструкции корпуса: –Колонные –Барабанные –Камерные: По виду транспортного органа: –Шнековые –Лопастные –Цепные –Ковшовые –Ротационные –ленточные По свойствам твердой фазы: –Для крупнозернистых материалов –Для мелкозернистых –Тонкодисперсных –Пастообразных –Волокнистых и т.п По расположению корпуса: –Горизонтальные –Вертикальные –наклонные По гидродинамическому характеру процесса: –С неподвижным слоем твердой фазы –С движущимся слоем –С кипящим слоем По конструкции: –Колонные –Ротационные –Шнековые –Оросительные –С кипящим слоем –Камерные –Батарейные и др.

3 Мацерация (от лат maceratio вымачивание) статический периодический метод наиболее древний и примитивный (официальный по ГФ VIII) режимы мацерации: время (3-10 суток) соотношение экстрагента и сырья (2:7,5 1:12) «-» длительный, в вытяжку переходит большое количество балластных веществ, выход действующих веществ невысок (процесс идет до установления динамического равновесия в системе твердое тело – жидкость) Современная модификация - период настаивания РМ 4-12 часов С целью увеличения выхода используют различные модификации метода мацерации: Перемешивание мешалками Вращающиеся баки-тубусы Циркуляция экстрагента Сущность метода: в мацерационном баке настаивают необходимое количество материала с прописанным объемом экстрагента при комнатной температуре в течение 7 сут (если нет других указаний в НД ) и периодически перемешивают мешалкой. Затем сырье отжимают и замеряют объем полученной вытяжки. Поскольку часть экстрагента удерживается в шроте, его промывают чистым экстрагентом в количестве, равном оставшемуся в сырье, повторно отжимают и обе порции извлечения объединяют. Если полученная вытяжка не соответствует заданному объему готового продукта, то добавляют чистый экстрагент

4 Ремацерация (дробная мацерация) прямоточный периодический метод (свежий экстрагент подается на постепенно истощаемый РМ) разновидность ремацерации - бис мацерация. Аппаратура: Настойники (мацераторы) вертикальные цилиндрические аппараты, из нержавеющей стали или чугунно-эмалированные (не вступают во взаимодействие ни с извлекаемыми веществами, ни с экстрагентом). Мацераторы имеют ложное дно, установленное на определенном расстоянии от дна. В нижней части аппарата кран для слива извлечения. конструкции настойников, отличаются деталями: рубашки, мешалки, откидывающееся дно, люки, гидроудаление истощенного сырья и т. д Для ускорения процесса экстрагирования применяют перемешивание Суть метода: (деление на части экстрагента или сырья и экстрагента) общее количество экстрагента делят на 3-4 части и последовательно настаивают сырье в первой части экстрагента, затем во второй, третьей и четвертой, каждый раз сливая вытяжки. Время настаивания подбирается индивидуально в зависимости от свойств растительного материала. Периодическая смена экстрагента позволяет, при меньшей затрате времени на извлечение, полнее истощить сырье, уменьшить потери на диффузии, так как постоянно поддерживается высокая разность концентраций и скорость диффузии. Модификацией метода дробной мацерации является его сочетание с циркуляцией экстрагента через слой сырья. Экстрагент делят на неравные части и после настаивания сырья сначала в первой, а затем во второй его порции, каждый раз вытяжки возвращают на экстрагируемый материал. С третьей порцией экстрагента сырье только настаивают, без циркуляции.

5 Перколяция (от лат. percolatio процеживание) Динамический периодический метод, с непрерывной переменой экстрагента (представляет собой процесс его фильтрования через слой РМ), осуществляемый в особом аппарате перколяторе. Аппаратура: перколятор - (высота к диаметру около 3:1). –по форме: цилиндрические (удобны в работе при загрузке и выгрузке сырья) конические (обеспечивают более равномерное экстрагирование и получение, за тот же период, вытяжки, более обогащенной действующими веществами) –с паровой рубашкой или без нее, –опрокидывающиеся и саморазгружающиеся, –Материалы: нержавеющая сталь, алюминий, луженая медь и др. Сверху – крышка с одним или несколькими патрубками для ввода экстрагента, вывода отработанного пара из паровой рубашки и т. д. Внизу - спускной кран. ложное дно, на которое помещается фильтрующий материал (мешковина, полотно, древесная стружка) и загружается сырье.

6 преимущества перколяции перед мацерацией процесс протекает быстрее и более полно; достигается достаточно высокий выход действующих веществ; в вытяжку переходит меньшее количество балластных веществ. Устройство цилиндрического перколятора Для перколяции используют средне измельченное сырье. Очень мелкий порошок брать нельзя, так как в перколяторе может образоваться тестообразная масса, через которую не будет проходить извлекатель. «методика» Измельченное сырье послойно укладывают в перколятор и смачивают, заливают экстрагентом до «зеркала» Настаивают до установления динамического равновесия БАВ в системе твердое тело жидкость или близкое к нему. Скорость перколирования зависит от длительности настаивания для установления равновесия и составляет 1/4 + 1/8 используемого объема перколятора в час. При анализе общего количества экстрактивных веществ она составляла 1/24 + 1/48 используемого объема перколятора в час Процесс ведут до получения вытяжки необходимого объема, после чего заменяют приемник и перколируют до истощения сырья. Полученную вторичную вытяжку используют для получения новой партии препарата.

7 Намачивание вне перколятора (в мацерационном баке или другой емкости) половинным или равным количеством экстрагента по отношению к массе сырья, в течении 4 часов без перемешивания. В производственных условиях намачивание проводится не всегда и может быть объединено с настаиванием (кроме сильнонабухающего сырья) «+» достигается равномерная загрузка сырья в перколятор исключается возможность образования воздушных полостей, которые препятствуют прохождению экстрагента. предотвращается спрессовывание РМ и непроходимость его для экстрагента. Стадии метода перколяции За счет капиллярных сил экстрагент проникает между кусками растительного материала и внутрь клетки, происходит так называемая капиллярная пропитка. Сырье набухает со скоростью, зависящей от свойств материала и природы экстрагента. Многие виды ЛРС обладают дифильными свойствами, но имеют большее сродство к гидрофильным экстрагентам, такое сырье лучше набухает при использовании воды или слабого этанола (2030%), особенно тритерпеновых веществ или низкомолекулярных белков. Наименьшее набухание этих видов сырья вызывает крепкий этанол и различные органические растворители. При намачивании происходит растворение действующих веществ внутри клетки и образование концентрированного первичного сока.

8 Настаивание Набухший или сухой материал загружают в перколятор на сетчатое (ложное) дно достаточно плотно, чтобы в сырье оставалось как можно меньше воздуха. Материал, способный слеживаться, укладывают в перколятор слоями. Для такого сырья перколяторы снабжают специальными ситовидными прокладками Сверху растительный материал покрывают полотном и прижимают перфорированным диском. Заливают сырье экстрагентом сверху или снизу (при открытом кране для воздуха) непрерывным потоком. (до образования «зеркала» 3-4 см - тем самым предотвращают попадание воздуха в сырье) выдерживают 2448 ч мацерационная пауза. В результате молекулярной диффузии экстрагируемые вещества переходят в экстрагент.

9 Собственно перколяция непрерывное прохождение экстрагента через слой сырья и сбор перколята (открывают кран перколятора, а на сырье непрерывно, с постоянной скоростью подают экстрагент. Концентрированный сок вытесняется из РМ током свежего экстрагента. Скорость поступления экстрагента на РМ равна скорости перколирования ('/24 и '/48 рабочего объема перколятора): 1. вытекает более концентрированный сок, содержащий экстрактивные вещества, вымываемые из разрушенных клеток - быстротекущая перколяция, 2. процесс продолжается за счет внутренней диффузии. за один Перколирование заканчивается получением вытяжки - за один прием при производстве жидких, густых и сухих экстрактов или в два приема - при производстве жидких экстрактов.

10 впервые предложена в 1966 г. в США. особенности: сырье делят на части и каждую последующую его порцию экстрагируют (перколируют) вытяжкой, полученной из предыдущей. применяется батарея из 3 -5 и более перколяторов извлечение из одного перколятора передается для экстрагирования сырья в следующий максимально используется растворяющая способность экстрагента, так как слабые вытяжки имеют ее запас и могут извлекать действующие вещества из необработанного материала. «+» Получение концентрированных вытяжек без последующего упаривания. Существует много разновидностей метода (см. учебники) Реперколяция или повторная (многократная) перколяция

11 Противоточное экстрагирование Метод заключается в многоступенчатом продвижении экстрагента с более истощенного, на менее истощенное сырье до насыщения экстрактивными веществами. Промышленные способы противоточного экстрагирования: Экстрагирование в батарее экстракторов в каждом экстракторе сырье настаивается определенное время, в первом с чистым экстрагентом, в последующих - с вытяжками, полученными из предыдущих экстракторов Батарея экстракторов связана между собой с помощью штуцеров и трубопроводов, является коммуницированной. Получается замкнутая система, позволяющая подавать экстрагент и получать вытяжку из любого экстрактора. Число экстракторов в батарее и скорость движения экстрагента обеспечивают возможность его полного насыщения к моменту получения готовой вытяжки из последнего экстрактора и полного истощения сырья в первом.

12 Принцип противоточного экстрагирования в батарее экстракторов Чистый экстрагент непрерывно подается на сырье в первый экстрактор. В момент получения готового продукта из последнего экстрактора (V) первый отключают и загружают запасной (VI). Чистый экстрагент остается во втором экстракторе, который становится первым, а готовый продукт получают из запасного экстрактора, который становится последним готовый продукт получают с менее истощенного сырья. «+» во всей батарее поддерживается высокая разность концентраций. в каждом экстракторе сырье максимально истощается Батарея экстракторов (схема)

13 Предназначены для получения очищенных концентрированных вытяжек из растительного сырья путем экстрагирования. Малые габариты позволяют использовать данное оборудование в научно – исследовательских лабораториях. Варка в воде, мацерация, принудителная циркуляция, сбор экстракта, сбор растворителя. Нагрев паровой и электрический. Все детали установки, соприкасающиеся с сырьем и продуктом - из нержавеющей стали. Многофункциональные экстракторы

14 Экстрагирование в экстракторах непрерывного действия (активный противоток) РМ при помощи транспортных устройств: шнеков, ковшей, дисков, скребков или пружинно-лопастных механизмов перемещается навстречу движущемуся экстрагенту. Сырье, непрерывно поступающее в экстракционный аппарат, встречает на своем пути экстрагент, насыщенный экстрактивными веществами, и по мере продвижения внутри аппарата истощается. время получения концентрированной вытяжки от 20 мин до 2 ч. Экстрагирование проводится в экстракторах различной конструкции: Дисковый (рис. а), пружинно-лопастной (рис. б), шнековый (рис. в)

15 Экстракционные аппараты А дисковый Б пружинно-лопастной. В. шнековый

16 Циркуляционное экстрагирование - многократное экстрагирование РМ одной и той же порцией летучего экстрагента (эфир, хлороформ, хлористый метилен) Основные узлы установки: испаритель (1), снабженный паровой рубашкой, экстрактор (4), конденсатор (2) и сборник (3). этапы циркуляционного экстрагирования: РМ загружают в экстрактор (в полотняном мешке), заливают экстрагентом и оставляют для настаивания на несколько часов. вытяжку переводят в испаритель (1) и доводят до кипения. пары поступают в конденсатор и в виде дистиллята возвращаются на сырье в экстрактор. циркуляция экстрагента повторяется 1015 раз до истощения РМ. вытяжку концентрируют отгонкой экстрагента в приемник. в испарителе остается концентрированный раствор экстрактивных веществ.

17 Интенсификация процесса экстрагирования Турбоэкстракция (вихревая) основана на интенсивном перемешивании и одновременном измельчении РМ в среде экстрагента с помощью быстроходных мешалок, снабженных острыми лопастями. (скорость вращения об/мин). в таких условиях изменяется способ обтекания частиц сырья экстрагентом, толщина ламинарного слоя становится минимальной (слой почти исчезает), конвективная диффузия протекает мгновенно. высокая скорость перемешивания создает условия неравномерного давления на поток обрабатываемой смеси. в системе возникает эффект кавитации и пульсации, что увеличивает скорость внутренней диффузии. «+» время экстрагирования РМ несколько минут «-» повышение температуры при работе мешалок (влияет на сохранность действующих веществ и приводит к потере экстрагента) дополнительное измельчение РМ приводит к загрязнению вытяжки мелкими частицами и осложняет ее очистку.

18 Экстрагирование сырья на роторно-пульсационном аппарате основано на циркуляции обрабатываемой среды при различной кратности твердой и жидкой фаз. Технологические особенности: В технологической схеме РПА установлен в циркуляционном контуре, замкнутом на экстрактор с мешалкой Экстрактор и трубы циркуляционного контура могут быть снабжены паровой рубашкой для нагревания или охлаждения обрабатываемой среды Экстрагенты: дихлорэтан, метилен хлористый, масла растительные и минеральные Применение в производстве: масло облепихи, настойки календулы и валерианы, танин из листьев скумпии, комплекс каротиноидов из плодов шиповника, оксиметилантрахиноны из коры крушины ломкой и других препаратов. «+» повышение производительность процесса увеличение выхода действующих веществ. исключение предварительного измельчения РМ совмещение операций экстрагирования и диспергирования сокращение материальных потерь Методика: сырье загружают на ложное дно экстрактора и заливают экстрагентом; жидкая фаза поступает в РПА из нижней части экстрактора, а сырье подается и дозируется шнеком - питателем, установленным на торце над его днищем из РПА пульпа поднимается вверх и через штуцер в крышке экстрактора вновь заполняет его

19 Принцип работы установки с несколькими РПА три ступени, каждая из которых сочетает три элемента: экстрактор с мешалкой, РПА и центрифуга. сырье поступает в РПА (3) из бункера (1) с помощью шнека (2), на него подается промежуточный экстракт из центрифуги (9) после измельчения в экстрагенте смесь поступает в экстрактор (4) первой ступени установки, соединенной с РПА (5) при непрерывной работе установки одновременно с циркуляцией смеси через РПА (5) часть ее поступает в центрифугу (6), из которой получают готовый продукт. шрот и одновременно экстракт из третьей ступени, установки и центрифуги (12) направляется в экстрактор (7). после циркуляции через РПА (8) обрабатываемый материал подается в центрифугу (9), экстракт в РПА (3), а шрот вместе со свежим экстрагеном в экстрактор (10), затем через РПА (11) в центрифугу (12), а оттуда в экстрактор (7). Отработанное сырье удаляется из установки. «+» сокращение времени в 1,52 раза, повышение качества готового продукта..

20 Экстрагирование с применением ультразвука Методика: источник УЗ помещают в обрабатываемую среду в экстрактор; Механизмы интенсификации: УЗ волны создают знакопеременное давление, кавитацию и «звуковой ветер»; происходит ускорение пропитки материала и растворение содержимого клетки, увеличение скорости обтекания частиц сырья, в пограничном диффузионном слое экстрагента образуются турбулентные и вихревые потоки. молекулярная диффузия внутри РМ и в диффузионном слое сменяется на конвективную - ускоряется массообмен; кавитация вызывает разрушение клеточных структур, что способствует вымыванию экстрактивных веществ из клеток и тканей РМ УЗ не индифферентен по отношению к БАВ (ионизация молекул, понижение или усиление терапевтической эффективности) Параметры процесса: перемешивание материала путем подведения частиц к излучающей поверхности, число экстракторов и их расположению. скорость процесса 0,52 мин. температура не выше 3060 °С, во избежании образования пузырьков воздуха, рассеивающих УЗ волны. экстрагент - этанольно-водные смеси с высокой концентрацией этанола, (ингибирует окислительно- восстановительные реакции, возникающие в УЗ поле) добавление ПАВ для задержки кавитации и связанные с ней деструктивных изменения БАВ интенсивность УЗ - 1,5-2,3 Вт/см 2

21 Экстрагирование с помощью электрических разрядов Внутри экстрактора с РМ помещают источники импульсивного тока высокой или ультравысокой частоты. Под воздействием электрического разряда возникают ударные волны, создающие высокое импульсивное давление. происходит интенсивное перемешивание обрабатываемой смеси, истончается или полностью исчезает диффузионный пристенный слой и возрастает коэффициент конвективной диффузии. ударные волны способствуют проникновению экстрагента внутрь клетки. быстро протекает внутриклеточной диффузия. за короткий промежуток времени в малом пространстве выделяется большое количество энергии и происходит микровзрыв, разрывающий клеточные структуры растительного материала. из разрушенных клеток вымываются экстрактивные вещества за время существования постоянно пульсирующих полостей увеличивается скорость движения жидкости около частиц сырья и возрастает коэффициент конвективной диффузии. «+» электрическая энергия непосредственно преобразуется в энергию колебательного движения жидкости. возникающие в жидкости акустические колебания широкого спектра частот и амплитуд сокращают время экстрагирования и повышают выход биологически активных веществ.

22 Электроплазмолиз Суть метода: обработка сырья электрическим током низкой и высокой частоты. разрушение белково-липидных мембран растительных тканей с сохранением целостности клеточных оболочек. «+» увеличение выхода сока, обогащенного действующими веществами и содержащего минимум сопутствующих веществ. Применение: получение препаратов из свежего растительного и животного сырья Аппаратура: устройства - электроплазмолизаторы, снабженные подвижными и неподвижными электродами. Электроплазмолизатор с подвижными электродами системы Флауменбаума Яблочкина имеет два горизонтальных вальца электрода, вращающихся навстречу друг другу, на которые подается ток от сети, напряжением 220 В. Свежее сырье поступает на вальцы из бункера, сок собирается в приемник. выход увеличивается на 2025 % по сравнению с традиционными методами электроплазмолизатор импульсный камера с перфорированным дном и подвижной крышкой, которая опускаясь отжимает сырье. Электроды в камере у боковых стенок, подача тока высокого напряжения осуществляется импульсами через несколько минут после прессования сырья опусканием подвижной крышки. Время обработки доли секунды

23 Пример: получения алкалоидов из семян и плодов дурмана индейского. Аппаратура: Емкость из электронепроводящего материала (дерева, пластика) с коническим днищем из нержавеющей стали, над которым помещается стальная перфорированная пластина, служащая катодом На пластину, покрытую фильтрующим материалом, загружается предварительно замоченное сырье, на которое опускается крышка или рама, обтянутая полотном, с графитными анодами. Электроды присоединяются к источнику постоянного тока (15 А, плотность на катоде 0,6 А/м 2, напряжение 0,8 В/см) «+» При непрерывном режиме экстракции время затрачиватся в два раза меньше по сравнению с другими методами Выход алкалоидов возрастает на 20% 1 - экстрактор; 2 - псрфорированное ложное дно (катод). 3 - фильтровальным материал, 4 - стальная пластина с анодами Электродиализ разность концентраций экстрагируемых веществ по обе стороны полупроницаемой перегородки (оболочки клеток) под действием электрического тока изменяются электрические потенциалы поверхности материала, улучшается его смачиваемость, ускоряется движение ионов БАВ в полости клеток и в капиллярах клеточных оболочек. увеличивается коэффициент внутренней диффузии.

24 Экстрагирование сжиженным СО 2 Аппаратура: Установка: экстрактор, испаритель и камеры для предварительной обработки сырья и удаления остатков растворителя из шрота, конвейер передающий контейнеры с сырьем из одной камеры в другую, снизу вверх. Методика: Замачивание РМ (в контейнер-сетка), в камере со сжиженным СО 2 (давление 5,86,0 Н/м 2, температура 1825 °С, время 3-10 минут) Измельчение в камере с пониженным давлением - за счет разности давления на поверхности и внутри РМ и за счет кристаллов льда в порах и трещинах РМ Экстракция в экстракторе - на РМ сверху подается сжиженный СО 2 по принципу противотока Фильтрация на фильтрах и сбор очищенной вытяжки и удаление паров СО 2 в теплообменнике из шрота удаление паров СО 2 в конденсатор для сжижения. Сжиженный СО 2 поступает в производство. По выходе из камеры контейнеры с отработанным сырьем разгружаются. «+» метода более высокое содержание БАВ в экстракте устойчивость при хранении, устойчивость к микробной контаминации предпочтительно для сырья, содержащего полифенольные соединения, алкалоиды и гликозиды