научная статья по теме КИНЕТИКА ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ КИПЯЩИМ РАСТВОРИТЕЛЕМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «КИНЕТИКА ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ КИПЯЩИМ РАСТВОРИТЕЛЕМ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 2, с. 206-213

УДК 66.011+66.061.34

КИНЕТИКА ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ КИПЯЩИМ РАСТВОРИТЕЛЕМ © 2015 г. А. А. Саламатин*, Р. Ш. Хазиев, А. С. Макарова, С. А. Иванова

Казанский государственный медицинский университет *Казанский (Приволжский) федеральный университет arthouse131@rambler.ru Поступила в редакцию 25.03.2014 г.

В работе сформулирована модель процесса экстракции веществ, получаемых в результате кипячения растворителя с измельченным растительным сырьем на водяной бане. Особенность модели заключается в том, что она содержит только один адаптационный параметр — коэффициент диффузии веществ в сырье, зависящий от используемого растворителя и сырья. На основе данной модели изучается кинетика извлечения веществ, а также определен минимальный объем растворителя, который целесообразно использовать для экстракции. Сравнение модели с экспериментальными данными по экстракции гидрофобных дитерпеновых кислот из листьев шалфея и гидрофильных фла-воноидов из травы горца птичьего показало ее хорошее согласие с экспериментом. Проведенные серии опытов в случае тонкого измельчения (диаметр частиц менее 1 мм) показали, что для большинства условий экстракции к моменту закипания растворителя из сырья экстрагируется более 90% целевых веществ.

Ключевые слова: кинетика экстракции, математическое моделирование, флавоноиды, дитерпены. БО1: 10.7868/80040357115020116

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время подавляющее большинство лекарственных растений, применяющихся в научной медицине, подвергается количественной стандартизации по содержанию различных групп биологически активных веществ (флавоноиды, сапонины, алкалоиды и др.). Определение проводится разнообразными методами — фотометрическими, хроматографическими (ГЖХ и ВЭЖХ), электрохимическими и др., но во всех случаях непосредственно самому определению предшествует процедура экстракции определяемых соединений из растительного материала. Зачастую именно экстракция биологически активных веществ из растительного сырья оказывается наиболее трудоемкой и продолжительной частью методики количественного определения. Это связано с тем, что добиваются полного и исчерпывающего извлечения определяемых соединений, чего зачастую достигают в результате продолжительной и многократной экстракции растительного материала. Обоснованность такого подхода вызывает определенные сомнения, поскольку было замечено, что основная часть извлекаемых целевых соединений выходит в раствор уже в первые минуты однократной экстракции.

Это наблюдение приводит к идее о возможной модификации принятых методов количественного определения целевых веществ с целью существенного уменьшения времени экстракции. Для исследования этого вопроса в данной работе предлагается математическая модель процесса, подробно описанная в первой части статьи. Эта модель учитывает большинство подходов, предлагаемых в литературе [1—5], и упрощает некоторые из них. При этом сформулированная модель оказывается достаточно общей для описания всех наблюдаемых эффектов и в тоже время содержит всего один адаптационный параметр, зависящий от взаимодействия целевых веществ и экстраген-та. На основе предложенной модели исследуется кинетика выхода извлекаемых целевых веществ в случае однократной и многократной экстракции новыми порциями растворителя.

Во второй части статьи проводится адаптация модели на примере извлечения флавоноидов из травы горца птичьего и дитерпенов из листьев шалфея. В заключении на основе полученных результатов выделены главные параметры, на основе которых можно добиваться уменьшения времени полной экстракции.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ

Процесс экстракции на водяной бане можно условно разделить на два этапа. Первый этап будем называть подготовительным, и его длительность 10 может значительно меняться в зависимости от свойств используемого растворителя. На этом этапе измельченное растительное сырье известной массы т0 и плотности р0 помещается в колбу с растворителем, который пропитывает сырье при комнатной температуре. После этого колба присоединяется к обратному холодильнику и устанавливается на горячую водяную баню, вследствие чего растворитель закипает, и повышается его растворяющая способность [1—3]. Пропитка сырья растворителем и постепенное повышение температуры вплоть до температуры кипения приводят к постепенному высвобождению целевых веществ из клеток растительного сырья в транспортные каналы.

Они образуются из пор (клеточные стенки, межклеточное пространство), которые изначально существуют в высушенном сырье. Объемную долю этих пор обозначим через е. Пропитка сырья растворителем приводит к увеличению размера частиц сырья, раскрытию пор, увеличению их объемной доли и формированию транспортных каналов в молотых частицах. По этим каналам экстрактивные вещества начинают диффундировать к поверхности частиц молотого сырья уже на первом этапе экстракции. Коэффициент объемного расширения пор, вызванного пропиткой сырья, обозначим через а.

Подробное математическое описание процессов, проходящих в сырье на подготовительном этапе, затруднено по следующим причинам. Во время постепенного нагревания растворителя (обычно t0 > 3 мин) существенно меняется не только структура сырья на клеточном уровне (при достаточно больших температурах коагулируют белки и разрушаются клеточные мембраны), но и химические свойства растворителя (увеличивается его растворяющая способность и скорость диффузии экстрактивных веществ). Поэтому при моделировании первой стадии экстракции предлагается рассматривать только ее конечный момент — момент закипания растворителя, с которого будем вести отсчет времени I экстракции.

При I = 0 начинается второй, основной, этап экстракции, математическое описание которого и предлагается в данной работе. Для этого определим плотность С0 экстракта в растворе в момент закипания растворителя, а также среднюю по объему транспортных каналов плотность 9тах экстрактивных веществ, доступных для экстракции на втором этапе. Эти значения будут начальными для соответствующих величин, в терминах

которых будет записан баланс массы экстрактивных веществ на основной стадии экстракции.

Через V обозначим объем экстрагента, используемого для экстракции, а через V,, — объем "свободного" растворителя, не впитавшегося в сырье

V = V - У0Е, Е = еа. Здесь V0 — объем сухого сырья, определяемый как отношение массы навески к плотности сырья р0, а V0E — объем транспортных каналов пропитанного сырья, содержащих растворитель. В силу того, что во время кипения растворителя образуются значительные конвекционные потоки, перемешивающие раствор, ограничимся рассмотрением его гомогенного приближения, считая, что текущая плотность С(1) экстракта в растворе равна его средней плотности, то есть отношению текущей массы т экстракта к объему V, растворителя.

Обозначая через 90 исходную массовую концентрацию целевых веществ в сырье, отнесенную к единице массы сухого сырья и считая, что при температуре кипения растворитель способен неограниченно растворять извлекаемые вещества, запишем уравнение баланса массы для целевых веществ в моменты времени I = 0 и I ^ +да

бтях^Е + С^, = 00^0 = Ст^.

Отсюда получим выражение для 9тах и максимальной плотности Стах экстракта в растворе

^тах - 1 [ 0ОрО С0 V

Е \ Vo

С —

вртр V '

Для частиц навески сырья примем, что они изотропны и изометричны. Радиус сухих частиц обозначим через а', а через а — соответствующий радиус частиц, пропитанных растворителем

а = а' (1 + ае - е)3.

В общем случае навеска молотого сырья состоит из частиц разных размеров. Распределение частиц по размерам будем описывать функцией объемного распределения Е(а) с плотностью /(а). По определению величина йЕ=/йа равна объемной доле частиц, размер которых лежит в интервале от а до а + йа.

В частицах введем сферическую систему координат, обозначая через 0 < г < а расстояние от ее центра. Тогда, считая, что процессы диффузии целевых извлекаемых веществ проходят по закону Фика с коэффициентом диффузии Б и не зависят от других веществ, запишем уравнение баланса массы в каналах частиц сырья [6]

50 Б д 2 50

^ г дt г дг\ дг

(1)

Здесь 9 (г, I, а) — текущая плотность экстрактивных веществ в каналах частицы размером а. В начальный момент времени

0(г,0, а) = 0тах. (2)

0.8

0.6 0.5

0.005

0.05

0.1

0

0.2

0.4

2

tD/а0

Рис. 1. Нормированные КВЭ при различных значениях величин У0 и у. Сплошные линии — у0 = 0.8, пунктирные линии — у0 = 0.4, штрихпунктирные линии — У0 = 0. Числа под кривыми — соответствующие значения у. Каждому значению у соответствует по три кривые с различными значениями у0 и наоборот.

Будем считать, что коэффициент массоотдачи с поверхности частиц вследствие кипения растворителя достаточно большой, по сравнению с диффузией D. Тогда граничные условия в частице примут вид

59

дг

= 0 9_ = С(0.

(3)

В принятых обозначениях уравнение баланса массы в объеме V,, свободного растворителя для полидисперсной навески запишется следующим образом

йС йг

1 -у 1

■3 56

а дг

/(а)йа, у = ^,

(4)

где безразмерный комплекс у равен отношению объема пор в пропитанном сырье к объему используемого растворителя.

Так как к началу основного этапа экстракции плотность экстракта равна С0, то начальное условие для уравнения (4) примет вид (5)

4=0 = С0. (5)

В дискретном случае, когда, например, в результате ситового анализа сырья выделено п фракций частиц с массовыми долями/ь/2, ...,/п и соответствующими характерными размерами а1 <

< а2 < ... < ап, уравнение (4) примет вид

— = - 3Б-

йг

у

У к дв

я,-

(6)

г=ак

1 -У £ ак дг, Математическая запись (1)—(6) предложенной модели аналогична основным уравнениям работы [1], так как при формулировке модели учитывались одни и те же законы массопереноса в сырье. В рассматриваемых моделях отметим два существенных различия. Первое состоит в том, что сформулированная модель учитывает полидисперсность навески. Необходимость этого для аналогичного процесса экстракции продемонстри-

рована в работах [7, 8]. Но осно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком