Автореферат и диссертация по фармакологии (15.00.01) на тему:Интенсификация процессов извлечения биологически активных веществ из растительного сырья при переменном давлении в системе

На правах рукописи

ШВЫРЕВ Михаил Валерьевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ДАВЛЕНИИ В СИСТЕМЕ

15.00.01 - Технология лекарств и организация фармацевтического дела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фармацевтических наук

Санкт-Петербург 2005

На правах рукописи

ШВЫРЕВ Михаил Валерьевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ДАВЛЕНИИ В СИСТЕМЕ

15.00.01 - Технология лекарств и организация фармацевтического дела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фармацевтических наук

Санкт-Петербург .... 2005

Ш9Ю6

Диссертационная работа вьшолнена в Санкт-Петербургской государе I венной химико-фармацевтической академии (СПХФА) Федерального Агенте та по здравоохранению и социальному развитию Российской Федерации.

Научные руководители:

доктор фармацевтических наук, профессор

кандида! технических наук, доцен I

Минина Сусапна Александровна Иванов Евгений Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор фармацевтических наук, профессор

кандидат фармацевтических наук

Вайнштейн Виктор Абрамович Шиков Александр Николаевич

Ведущая организация-

Всесоюзный научно-исследовательский инстичу[ лекарственных и ароматических растений (ВИЛАР) Российской Академии Сельскохозяйственных Наук (РАСХН)

Защта состоится «20» сешября 2005 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 208.088 01 в Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академии по адресу 197376. Санкт-Петербург, ул Проф. Попова, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПХФА по адресу: Санкт-Петербург, ул Проф Попова д. 4/6.

Автореферат разослан «18» августа 2005 г.

Учёный секретарь диссертационно! о совета, доктор фармацевтических наук, дешеш:

РОС. НАЦИОНАЛЫ

БИБЛИОТЕКА СЯете] 08 «0.

льн«ДОч

;КА I

М В. Рыжкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Спрос на продукты, полученные на основе извлечений из растительного сырья, постоянно растет. Рынок фитоэкстрактов только в качестве пищевых добавок в 2003 году составил 6,7 млрд € в Европе и 17,5 млрд € в мире Постоянное увеличение объемов производства диктует необходимость разработки новых высокоишенсивных способов экстрагирования и аппаратов для их осуществления

Традиционные способы извлечения биологически активных веществ (БАВ) из лекарственного растительною сырья (JIPC), как правило, малоэффективны, кк. не обеспечивают достаточную полноту истощения сырья, характеризуются высокой длительностью и непродуктивными загратами подведенной энергии. Большинство способов, предлагаемых для ин-1енсификаттии процесса (например, вихревое экстрагирование или экстрагирование с применением роторно-пульсационных аппаратов) позвошпот сократить длительность процесса, но. ia счет и!мельчения сырья и вымывания высокомолекулярных веществ из разрушенных клеток, извлечения загрязняются балластными веществами и тонкодисперспой твердой фазой растительного материала Для очистки таких извлечений требуется длительное отстаивапие (в течение нескольких сутк) или разделение на отстойных суперцентрифугах. Кроме того, наличие большого количества балластных веществ спижает стабильность и сроки годности фитопрепаратов, затрудняе! очистку при получении новогаленовых препаратов и индивидуальных всщсств (алкалоидов, гликозидов, кумаринов и т.д.).

Результаты новейших исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом, сви-де1ельствук>1 о перспективности способом экстрагирования, позволяющих за счет пульсаций давления в объеме аппарата или вблизи поверхности часгиц заменить молекулярную диффузию в частицах расштельного сырья на конвективный массопсренос. Это увеличивает скорость процесса, сокращает его продолжительность и снижает энергозатраты. Вместе с тем. указанное направление лишь начинает развиваться и недостаточно изучено, а в опубликованных работах конвективный массоперенос учитывается либо в рамках диффузионных моделей, либо рассматривается на уровне плоских моделей отдельных капил^шров. Пкнгому, изучение физических основ массопереноса при переменном давлении в системе и создание на _>той основе новых, высокоэффективных способов экстрагирования является перспективной и актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное обоснование возможности ишенсификации экстрагирования JIPC при переменном давлении и разработка новых высокой нтенсивньгх способов экстрагирования. В соо [ветствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

• Разработать физическую модель и математическое описание конвективного массопереноса эюлрагевта в частицах ЛРГ при низкочастотном изменении давления в системе. Метолом численною моделирования исследован, механизм и кинетику экстрагирования ЛРС в условиях периодически изменяющегося давления в системе

• Экспериментально изучить влияние различных факторов (частоты пульсаций, амплитуды изменения давления, соотношения фал, измельченности сырья и длительности процесса) на кинетику экстрагирования БАВ из ЛРС различной анатомической структуры - плодов боярышника, корней солодки, цветков бессмертника и травы зверобоя.

• Разработать пути интенсификации и энер! осбережения процесса экстрагирования ЛРС в режиме вакуумного кипения.

• Исследовать механизм процесса экстрагирования при деформационном (опкимающем) воздействии на сырье, и предложить на его основе новый, эффективный способ экстрагирования ЛРС. Изучить возможность интенсификации экстрагирования ЛРС после выхода процесса на регулярный режим (плат кинетической кривой).

• Провести сравнительный анализ традиционных и новых, разработанных способов экстрагирования ЛРС по эффективности использования подведенпой энергии и выходу БАВ в извлечение.

• Разработать аппаратурно-технологические предложения по совершенствованию процессов экстрл ирования ЛРС различной структуры.

Научная новизна. Систематизированы данные но способам интенсификации процесса экстрагирования ЛРС путем частичной замены внутридиффузионного механизма массопереноса на конвективный.

Разработана физическая и математические модели движения жидкости в частицах ЛРС с защемленным воздухом при низкочастотном периодическом изменении давления в системе. Меюдом численного моделирования исследован механизм процесса и влияние тех-ноло! ичесюм о режима (амплитуды, частоты пульсаций и др.) на кинетику экстрагирования.

Получены новые данные по экстрагированию ЛРС в пульсационном аппарате. Сопос-■ авлены результаты экстрагирования воздушно-сухого и полностью пропитанного эксгра-гентом сырья. Показано, что наличие защемленного воздуха в частицах сырья приводит к увеличению выхода ЬАВ.

Впервые исследовано влияние интенсивности вакуумного кипения на процесс экстра-1 ирования ЛРС различной сфуктуры.

На основе анализа явлений, протекающих при экстрагировании ЛРС в аппаратах вакуумного кипения, разрабо1ан новый, высокоинтенсивный энергосберегающий способ экстрагирования в вакуум осци.ишрующем режиме и аппарат для его осуществления. Изучен ме-

ханизм осциллирующего вскипания жидкости и влияние основных параметров процесса на кинетику зксфагирования ЛРС различной структуры.

Покаина возможность интенсификации процесса экс грагирования после его выхода на "регулярный" режим путем перераспределения извлекаемых веществ я обьеме часшц растительною сырья в рс5ультате его разового отжима или кратковременной обработки в поле СВЧ.

Впервые предложен способ экстрагирования в планетарном аппарате и исследовано влияние условий проведения процесса на кинетику экстрагирования из ЛРС различной структуры.

Впервые проведено сопоставление различных способов экстрагирования по эффективности использования подведенной энергии и выходу БАВ в извлечение.

Практическая значимость работы. Предложены новые высокоинтенсивные энергосберегающие технологии экстрагирования ЛРС в режиме вакуумного кипения, вакуум-осциллирующем режиме и в гюле центробежных сил.

Разработаны режимы экстрагирования ЛРС различной структуры в пульсационном аппарате, аппарате вакуумного кипения, вакуум осциллирующем и планетарном аппарате.

Обоснованы технологические решения, позволяющие повысить выход БАВ в извлечение после наступления регулярной стадии.

Полученные результаты подтверждены актами испытаний и рекомендованы к рассмотрению для внедрения на фармацевтических и пищевых предприятиях, перерабатывающих рас I ителыгое сырье.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на III международной конференции «Пульсационные резонансные технологии в процессах и аппаратах» (Санкт-Петербур1, 2003 1 ), VII Международном сьезде «Актуальные проблемы создания новых лекарственных препаратов природного происхождения» (Сан кг -Петербург-Пушкин, 2003 ] ), 59-й региональной конференции по фармации и фармакологии «Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции» (Пятигорск, 2004 г.), международной научно-практической конференции «Выпускник фармацевтического ВУЗа (факулыета] в прошлом, настоящем и будущем» (Санкт-Петербург, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Связь исследований с федеральными научными пршраммами и планами НИР.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ СПХФА по теме. «Разработка технологии лекарственных средств, лекарственных форм, биологически активных добавок и методов их анализа».

На защиту выносятся: физическая модель движения жидкости в частицах ЛРС с защемленным газом; результаш численного моделирования и эксиеримен гального и учения процесса экстрагирования ЛРС в режиме периодического изменения давления, результаты экспериментальных исследований экстрагирования ЛРС в режиме вакуумного кипения, вакуум осциллирующем и планетарном аппаратах, экспериментальное и теоретическое обоснование оптимальных режимов для перечисленных способов экстрагирования с учетом анатомической структуры сырья; механизмы интенсификации процесса экстрагирования после его выхода на "регулярный" режим.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа coctohi из введения, обзора литсраауры, четырех глав экспериментальных исследований, выводов, списка литературы и приложений. Рабо га изложена на_страницах машинописного текс га, содержит_

таблиц, _рисунков Библио1рафический указатель включает_источников, из них_на

иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литературы (глава 1) Глава посвящена анализу процессов, протекающих при экстрагировании рааительнош сырья Приведена характеристика факюров, оказывающих влияние на процесс экстрагирования, и раскрыт механизм их влияния Рассмотрены широко используемые и новые, перспективные методы интенсификации процесса Приведена классификация аппаратов, используемых для оформления экстракционных процессов Систематизированы данные по способам ин генсификации процесса экстрагирования ыуюм частичной замены внутридиффузионного механизма массопереноса на конвективный при периодическом изменении давления в объеме аппарата или в локальных точках вблизи или на поверхности частиц pacjHiejjbHoro сырья.

Объск1ы и методы исследования (глава 2) Для проведения диссертационного исследования были использованы следующие виды ЛРС. плоды боярышника (Г1Б) - Fructus Crataegi, корни солодки (КС) - Radix Glycyrrhizae, трава ¡веробоя (ТЗ) - Hcrba Hyperici, цве1-кя бессмертника (ЦБ) - Flores Hclichrysi Содержание суммы флавоноидов н сырье и извлечениях определяли методами прямой (КС) и дифференциальной (ТТБ, ТЗ и ЦЬ) спекгрофото-мстрии по ФС 42-2425-86 «Ликвиригон» и ГФ XI Приведены методы определения числовых и технолмических характеристик сырья, подтверждено соответствие используемого сырья требованиям ГФ XI. Все перечисленные виды сырья содержат флавоновьте гликозиды. которые были выбраны в качестве веществ-маркеров при изучении кинетики экстрагирования В качестве зкетрагента использовали 40%об расгвор этилового спирта При изучении процесса исиолыовали методы рирессионно] о и дисперсионного анализов с применением IIK.

Экстрагирование расти ¡ельного сырья при периодическом изменении давления в системе (1 лава 3). При погружении воздушно-сухих частиц ЛРС в экстрагеят пол действием капиллярных сил происходит их пропитка, причем в каждой частице образуется одна или несколько зон защемленного воздуха Изменение давления в аппарат вызывает движение (фильтрацию) экстрагснта в капиллярах пористых частиц: при повышении давления - от периферии к центру, при понижении - от цен [ра к периферии При этом I аз в зонах защемления то сжимается, то расширяется. Разность между максимальным и минимальным объемами зон защемленного газа равна (с учетом пористости частицы) объему экстрагента, прошедшему через частицу за один цикл изменения внешнего давления. Моделью плодов и, в первом приближении, измельченных частиц сырья могут служить пористые частицы шаровой формы, листьев - пластины, С1еблей - цилиндры.

При разработке моделей принимали, что частица и экстра!ент несжимаемы, структура частицы изотропна, изменением гидрос! этического давления по ее высоте и действием силы гравитации на движение экстрш ента вну гри частиц пренебрет ани. С учетом приня I ых допущении и симметрии частиц была получена система из двух обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих движение жидкости н капиллярах пористой сферической частицы с защемленным воздухом:

Л(Аг* —1) — АПэта/т + ~(гА -1) — В\>кВ(г — V)

<1т Я

(1т

начальные условия: т - 0; vR=0; г = д/с0; (1)

1дс: П-(Рк+Ро+ р§к)/р, АП=АР/р, Л=(г(/Я), Р=Лсгсоъ916 - капиллярное давление, Па; а -поверхнос1Ное натяжение, Н/м; 0 - краевой угол смачивания, рад; 5^ - диаметр капилляров, м, Ро - давление в экстракторе в начальный момент времени, Па: р^И - гитфостатиче-ское давление на глубине расположения часгицы И, Па; р- плотность экстрагента, кг/м3, ДР-амплитуда колебания давления ошосительно Рц, Па; Гц- радиус зоны защемленного 1аза в

я ¿2 2

частице на момент пропитки, м; Я - радиус частицы, м; в _ - коэффициент, характе-

с2Р

ризующий силу сопротивления движению жидкости в пористом теле, с"1; |! - коэффициенг динамической вязкости экстрагента, Пас, ^ - коэффициент извилистости пути фильтрации. ьу - удельная внутренияя объемная поверхность скелета частиц, м2/м3; е - объемная доля пор; V^ - скорость фильтрации жидкости через сферу с радиусом Я, м/с; г - Н/г0 - безразмерная

переменная; о> - кру! овая частота колебания, рад/с, г - время, с.

Из (1) найдено относительное количество жидкости (по отношению к объему жидкости в пористом 1еле при полной пропиле), которое всасывается и выталкивается из пористой частицы за один цикл изменения давления в системе:

отн (Гк+Г0 + ^)2~ЛР2'

где' а- объемная доля защемленного в частице воздуха.

Соотношение (2) позволяе! рассчитать максимально возможную величину Котв, соот-ветс1вующую режиму движения жидкое!и в капиллярах без сопротивления, то есть при условии достижения в каждый момент времени равенства давления воздуха внутри зоны защемления и давления в основном обьеме жидкости. Аналогичные соотношения получаются при решении уравнений фильтрации в пористых пластинах (модель листьев растительною сырья) и цилиндрах (модель стеблей), в центрах которых расположены зоны защемленного газа.

Кривые: 1 и 3 - ЛР=0.3ШПа, 2 и 4 - ЛР -0 05М11а; 1 и 2 - аг-0.25;

---___3 и 4 - «=0.05.

0) о

§ Iг#

с

§ О 5 10 15 20 25 30 35

частота, Гц

Рис. 1 Зависимость относительной толщины обновляемою поверхностною слоя сферической частицы 01 частоты пульсаций давления при различных долях защемленного воздуха (а) и перепаде давления (АР)

Численное решение (1) показало (рис. 1), что только при самых благоприятных условиях (частота пульсаций <40 Гц, АР>0,31 МПа и ¿¡=0,25) толщина поверхностного слоя, в котором обновляется экстрагент, составляет около 3,5% 01 радиуса частицы, в остальных случаях она меньше 1%. В крупных капиллярах, расположенных глубже обновляемого слоя, экстрагент совершает осциллирующее движение При этом интенсифицирующее воздействие фильтрации практически сводится к замене молекулярной диффузии на конвективную в крупных капиллярах В остальных капиллярах массоперенос при отсутс1вии деформации частиц происходит исключительно за счет молекулярной диффузии.

Обьем экстрагента, проходящий через пористые частицы с защемленным воздухом, зависит от частоты пульсапиопных воздействий, определяется объемом защемленного в частицах воздуха, перепадом давления, начальным давлением в аппарате и диаметром наименьших пор в частицах растительного сырья.

1 ехнические характеристики установки: -высота колонн -0,085 м; -внутренний диаметр колонн - 0,050 м; -диаметр поршня - 0,020 м; -объем установки - 0,5 л; -диапазон изменения частоты 1-40 Гц; -диапазон изменения перепада давления 0,05-0,31 MIJa.

Рис. 2. Схема лабораторной установки для экстрагирования рас!тельного сырья в пульсационном режиме.

Изучение особенностей экстрагирования ЛРС при переменном давлении в системе проводили яа лабораюрной установке кафедры процессов и аппаратов СГТХФА, схема которой приведена на рис. 2. Величину перелада давления регулировали изменением высоты воздушных полостей в верхних частях колонн, и рассчитывали из условий адиабатного режима протекания процесса Р 1*=сопз1.

Вклад конвективного массопсреноса был оценен при экстрагировании неизмельчен-ных 1Ш, имеющих значительные размеры частиц и плотную внешнюю оболочку, что снижает эффективность их экстрагирования. Часть сырья предварительно полностью пропитывали экстршеншм путем вакуумирования. Отсутствие защемленного воздуха в частицах делало невозможным фильтрацию в них экстрагента при изменении давления в системе. Другая час!ь сырья пропитке не подвергалась, поэтому после погружения в экстрагент оно содержало защемленный воздух.

Рис. 3. Кинетика экстрагирования неизмельченных ПБ в пульсационном аппарате (соотношение сырье экстрат ент 1 6; частота пульсаций 5 1 ц; перепад давления 0,31 МПа).

—■—Сырье с защемленным воздухом —А— Сырье, пропитанное эксграгентом

0 30 60 , 90 120 150 180 210

Время, мин

Из рис 3 видно, что скорость экстра! ирования ПБ, содержащих защемленный воздух, выше, чем плодов, полностью пропиташмх экстрагснтом Экспериментальные данные по кинетике набухания сырья в пульсационном аппарате свидетельствуют о том, что через 8090 мин обработки весь воздух из ПБ полностью диффундируе1 в объем экстра! ента. Г эюго момента скорость извлечения лимитируется только молекулярной диффузией. 11рирост выхода флавоноидов за счет конвективною массопереноса в раегюельных частицах при пульсациях давления составляет приблизительно 15%

Таким образом, проведение процесса в режиме пульсаций давления позволяет исключить стадию предварительной пропитки сырья эксграгентом, увеличить скорость извлечения на начальной стадии (до полной пропитки сырья) и выход БАВ в извлечение

30 -,-,-,-,-,--,---

О 2 4 6 8 10 12 14 16

Частота, Гц

Рис. 4. Зависимость "кажуще! ося" равновесного выхода флавоноидов от частоты и амплитуды пульсаций давления (непрерывные линии - ПБ, пунктирные - ТЗ)

Влияние часто гы и амплитуды пульсапионного воздействия на кинетику экстрагирования было исследовано на сырье различной структуры ПБ и ТЗ Экстрагирование осуществляли при перепадах давления 0,05 и 0,31 МПа и частотах пульсаций ог 1 до 15 Гц. Соотношение сырье • экстрагепт составляло 1:12 для ПБ и 1:20 для ТЗ.

При экстрагировании неизмельченных ПБ и ТЗ с рос 1 ом частоты пульсационных воздействий увеличивался выход флавоноидов в извлечение Поскольку при небольшом перепаде давления (0,05 МПа) фильтрационный массопсрснос возникал только в крупных капиллярах, ю увеличение выхода БАВ можно объяснить увеличением суммарного объема экстра-гента, прошедшею через частицы Высокий перепад давления (>0,31 МПа) интенсифицировал фильтрацию экстрагснта и в мелких капиллярах, что сопровождалось увеличением выхода БАВ в излечение (рис 4) При экстрагировании ТЗ влияние часюты пульсаций на скорость процесса одинаково, независимо от величины перепада давления Это можно объяснить небольшими линейными размерами частиц сырья, в результате чего конвективный мас-соперенос протекает но всей 1 лубице частиц уже при перепаде 0,05 МПа.

Для оценки влияния различных факторов на экстрагиронание растительного сырья в пульсационном режиме был использован метод планирования эксперимента Бокса-Уилсона.

♦ 0 05 МПа А 0,31 МПа

Он позволил получить информацию о степени влияния факторов на скороегь и полноту протекания процесса Факторы и уровни варьирования значений приведены в табл 1

Факторы и уровни варьирования. Таблица. 1

Растительное сырье ПБ ТЗ КС ЦБ

Факторы | Нижний Средний Верхний « 5 | | Средний 1 >5 я » а я Средний Верхний Нижний 1 Средний Верхний

(ХО Частота пульсаций, Гц 5 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15

(Хг) Перепад давления, МПа 0,05 0,18 0,31 0,05 0,18 0,31 0,05 0,18 0,31 0,05 0,18 0,31

(Х3) Соогношение фаз (Ж/Т) 6 9 12 10 15 20 6 9 12 10 15 20

(Х4) Измельченпость сырья, мм 7,3 4,55 1,80 4,83 3,67 2,5 4,95 3,50 2,04 6,0 4,30 2,60

(Х5) Время экстрагирования, мин 30 60 90 30 60 90 30 60 90 30 60 90

Коэффициенты уравнений рецессии. Таблица 2.

Растительное сырье В. В, частота пульсаций в3 перепад давления В, соотношение фаз в, измельчен-ность сырья в5 время

КС 4,7 - 2,28 2,34 2,22 3,55

ЦБ 28,7 3,53 1,7 8,29 -2,57 6,33

ПБ 33,6 2,52 1,62 1,42 5,77 8,79

13 45,4 2,09 1,69 5,16 - 8,66

Анализ коэффициентов полученных уравнений регрессии вида У=Во+В|Х1+Й2Х2+ В3Х3+ В4Х4+ В5Х5 (табл. 2), свидетельствует:

- Частота пульсационного воздействия оказывает существенное влияние при экстрагировании цветков и травы, т.к. частицы данного сырья обладают малой толщиной и подвергаются упругой деформации, в результате которой происходит вытеснение (отжим) экстрагента и молекулярная диффузия внутри частиц частично заменяется конвективным массопереносом.

- Дополнительное измельчение травы и цветков нежелательно, т к. при этом происходит уменьшение эффективной поверхности контак га фаз за счет слипания частиц сырья. В тоже время целесообразно дополнительно измельчать плоды и корни, т.к. при этом сокращается путь диффузии извлекаемых веществ.

- Влияние соотношения фаз велико для ЦБ и ТЗ. Эти виды сырья обладают малой насыпной плотностью и уменьшение гидромодуля сопровождается уплотнением слоя материала с уменьшением поверхносш кон такта фаз и ростом сопротивления фильтрации экстрагента в

слое. Кроме того, соотношение фаз определяет движущую силу процесса - разность концентраций флавоноидов в частицах сырья я в объеме экстрагснта

Экстрагирование растительного сырья в режиме кипения экстрагента (глава 4) Способ экстрагирования в режиме вакуумного кипения предложен Лысянским ВМ еще в 50-х годах прошлого века и в дальнейшем неоднократно исследовался на лабораторных и полупромышленных установках, в результате чего была подтверждена его высокая эффективность По мнению автора способа, паровые пузыри, двигаясь через стой материала, создают одинаковые условия во всех точках слоя, способе [вуют энержчному относительному движению частиц и жидкое!и и, тем самым, ускоряют внешний массообмен Вместе с тем, ударные возны, образующиеся при росте и схлопывании паровых пузырей, оказывают гидродинамическое воздействие на частицы сырья, в результате чего молекулярная диффузия внутри растительною материала частично заменяется конвективным массопереносом Несмотря на обилие экспериментальных данных по экстра! ированию различных материалов в режиме вакуумного кипения, в литературе отсутствуют данные о влиянии ин генсивности кипения на эффективность процесса Обычно экстрагирование в режиме вакуумного кипения проводят при температурном напоре (разности хемператур греющей стенки и экстрагента) начала кипения (5-7 °С). Между тем, температурный напор определяет интенсивность кипения и гидродинамический режим в аппарат

Для изучения влияния температурного напора на эффективность процесса снимали кинетику экстрагирования ПБ и ДБ при температуре кипения экстрагента (и) около 70 °С (^=68,4-72,5 °С) и давлении 62 кПа. Экстрагирование проводили в стеклянной круглодонной колбе емкое гью 1 л с обратным холодильником.

* 901

I «М

ю '

80 1 2 плоды боярышника

75 ( ^ а цветки бессмертника

70 -65

0 5 10 15 20 25 30 Температурный напор, 'С

Рис. 5. Зависимость "кажущегося" равновесного выхода флавоноидов из растительного сырья от темнературпого напора.

Данные по кипетике экстрагирования аппроксимировали логарифмическими зависимостями вида. /1 - а1п[/>(Дг)'"г], где: а, Ь и т - экспериментальные коэффициенты, завися-

тцие о г свойств растительного сырья и экстрагента, начального содержания в экстрагенте из-

12

влскаемых веществ, температуры, гидродинамического режима в аппарате и других факторов; А! - температурный напор- // - выход флавоноидных соединений в извлечение, %: т -время, мин.

Для ПБ /=15,8, 24,1, 29,7, 0=18 7, 6=0,02, ?и=1, ДЛЯ ТЗ Л/=6,5, 13,4, 25,2 а=9, Ь~2,09, отЧ Установлено, что увеличение температурного напора при экстрагировании ЛРС на каждые 10 °С позволяет увеличить выход флавоноидов в извлечение на 10-15% (рис 5)

Экстраптротзание в режиме вакуумного кипения протекает с высокой скоростью (равновесие наступает через 60-80 мин) и позволяет достичь больших выходов в извлечение (80-90 %), однако, ею широкое распространение ограничивается высокий энергоемкостью. Значительное снижение энергозатрат позволяет обеспечить применение теплового насоса. Д га этого вторичный пар необходимо сжимать в компрессоре до требуемою давления и направлять для обогрева экстрактора. Расчет ьт показали, что применение такой схемы позволи г с ни зи I ь энергозатраты на экстрагирование в режиме вакуумною кипения с 252 до 47 кВт-ч (для аппарата емкостью 1 м3), т .е более чем в 5 раз.

Рис. 6 Схема установки вакуум осциллирующею экстрагирования (1- стеклянный экстрактор с рубашкой; 2- мембрана; 3- привод мембраны; 4- термостат; 5- насос; 6- загрузочный узел; 7- вентиль; 8- ловушка, 9- вакуумный насос; 10- вакуумметр)

Анализ явлений, протекающих при экстрагировании ЛРС в режиме вакуумного кипения, позволил разработать новый, высокоингенсивный энергосберегающий способ экстрагирования в вакуум осциллирующем режиме. Он был реализован путем периодическою изменения объема термостатированной системы, состоящей из перерабатываемой суспензии (сы-рье-экстрагент) и иарового пространства. С увеличением объема системы давление в ней понижается, жидкость становится перетретой и вскипает С уменьшением объема системы дав-

Технические характеристики установки.

-диаметр колонны 0,055 м;

-обьем аппарата 0,25 л;

-диаметр мембраны 0,2 м;

-диапазон изменения

частоты колебания мембраны 1 -7,5 Гц;

-амплитуда колебания

жидкости в колонне 0,005-0,040 м

Р—►

ление нозрастаег, пузырьки схлопьгваются, кипение прекращается, а тепло испарения (конденсации) возвращается в суспензию Рост и схлопывание паровых пузырей сопровождается образованием ударных волн с большим градиентом давления, при столкновении которых с частицами растительного сырья в капиллярах последних возникает конвективный массопе-ренос БАВ в экстрагенте. Интенсивность экстрагирования в данном режиме напрямую зависит от режима вскипаний экстрагента.

Для и учения процесса экстрагирования JIPC в режиме вакуум осциллирующего кипения, была спроектирована и изготовлена установка, в которой изменение рабочею объема обеспечивается за счст мембранного узла (рис. 6)

Окстрагент и растительное сырье загружали в сменный цилиндрический стеклянный зкс фактор 1 с рубашкой через узел 6. Постоянную температуру в аппарате поддерживали с помощью I орячей воды, подаваемой в рубашку экстрактора насосом 5 через термос iar 4. Вакуумным насосом 9 из тазового пространства экстрактора откачивали воздух. После достижения в аппарате давления, равного давлению насыщенного пара экстрагента, вешиль 7 закрывали и включали привод 3, сообщающий мембране возвратно-поступательное движение.

Эксперименты показали, чю в диапазоне температур 66-80 °С и остаточных давлений 49-88 кПа вскипание жидкости происходило при давлениях (Р„с) и температурах (?), связанных cooi ношением Ршс =exp[l8. 79-1433.4/(i-t 112 5)]. Исследование механизма адиаба-I ического вскипания осуществляли при 70 "С путем фотографирования жидкости через прозрачные стенки колонны экстрактора с последующим подсчетом размера и числа паровых пузырей. Амплитуда движения жидкости составляла 0,035 м, частоту вскипания варьировали от 1,25 до 7,5 Гц.

Частота вскипаний Гц

Рис. 7. Влияние частоты вскипаний жидкости на размеры (сплошная линия) образующихся пузырьков (мм) и их количество (пунктир) в 1 см3 жидкости.

При частоте вскипания 1,25 Гц образовывались одиночные пузыри достаточно большого размера (до 30 мм), которые за время полуцикла изменения давления успевали достиг-

нуть поверхносли жидкости С увеличением частены колебаний мембраны количество образующихся пузырей возрастало с одновременным уменьшением их радиусов (рис 7) и суммарно! о объема - произведения числа ну зырькол на средний обьеч

220

| 140 "I

а юо ,

I

1- частота колебаний 2,5 Гп;

2- частота колебаний 5 Гц.

30 40 50 60 70 80 90 ЮО 120 130

Расстояние от верхнего среза колонны мм

Рис. 8. Распределение количества пузырьков по высоте аппарата при различных частотах вскипания экстрагепта

Расчеты показали, что перепад АР между давлением насыщенного пара и давлением в аппарате снижается с роешм частоты вскипаний: для частоты 1.25 Гц он равен 10 кПа, для 2.5 Гц - 5 кПа; для 5 Гц - 3.5 кПа и для 7.5 Гц - 3 кПа. Если бы вскипания жидкое!и не происходило (при наличии в экстракюре воздуха), максимальный перепад между давлением насыщенно! о пара и давлением в аппарате составил бы 50 кПа

Изучение распределения количества паровых пузырьков по высоте аппарат (рис. 8)

показало, что резкий перелом на лилии распределения происходит на глубине 40-60 мм от

верхнего уровня жидкости Ниже это1 о сечения распределение числа пузырьков равномерно,

поэтому их воздействие на частицы ЛРС было приблизительно одинаково

—Я—ПБ -А-ТЗ

100 т

90 н

80 J

70 т 60 , 50 ' 40 -) 30 -

40 50 60 70 80 90 100 Температура, °С

3 4 5 6 7

Частота, Гц

20 30 40 Амплитуда, мм

Рис 9 Зависимости "кажущеюся" равновесного выхода флавоновых гликозидов из ПБ и ТЗ и вакуум осциллирующем аппарате, а- от частоты вскипаний (амтитуда котсбаний жидкости 35 мм), Ь- 01 амплитуды колебания жидкости (частота вскипаний 2,5 Гц), с- от температуры жстрагента (частота вскипаний 2,5 Гц; амплитуда колебаний жидкости 35 мм)

Для оценки эффективности вакуум осциллирующего способа жсфагирования проведена серия экспериментов на ПБ и 13. Соотношение твердой и жидкой фат составляло 1:12 для плодов и корней, 1.20 - для цветков и травы.

Увеличение частоты вскипаний в интервале 1-5 Гц вызывает гораздо меньший прирос! выхода, чем в ишервале 5-7,5 Гц (рис. 9-а). При частоте 1-5 Гц образуются паровые ' пузыри большого радиуса, которые схлопываются с образованием ударных волн низкою давления. При частоте 7,5 Гц кипение гораздо интенсивнее и в экстрагенте образуется * большое число паровых пузырьков (рис 7) Ввиду малых размеров они полное гью схлопываются при повышении давления в системе, а образующиеся при этом ударные волны вызывают фильтрационный массоперенос в пористых частицах сырья, вытесняя из них эксфа-гент, насыщенный извлекаемыми веществами. С увеличением частоты вскипаний растет число гидродинамических воздействий на сырье и, как следствие, суммарный объем эксгра-гента, прошедшего через частицы.

Увеличение амплитуды хода жидкости также сопровождайся увеличением выхода флавоноидов из сырья (рис. 9-6). При небольших амплитудах образуется меньшее число паровых пузырей, в результате меньшее количество ударных волн досютает поверхности частиц сырья и меньшее количество эксграгснта вытесняется из частицы. Вместе с тем, с ростом амплитуды прирос! выхода постепенно снижается Это обусловлено снижением АР, энергии, расходуемой на образование и рост пузырей и, как следствие, энергии воздействующей на частицы и вызывающей конвективный массоперенос При повышении амплитуды, прирост выхода из ТЗ больше, чем из ПБ, что связано с интенсивной деформацией (изгибом) тонкого листового материала (лучшим отжимом)

Зависимость величины "кажущегося" равновесия от температуры носит линейный характер для ТЗ (рис 9-е). Наибо.гьшее влияние температуры на выход флавоноидов из ПБ наблюдается в диапазоне 50-70 °С.

Факторы и уровни варьирования. Таблица 3

Растительное сырье ПБ ТЗ КС ЦБ

Факторы Нижний Средний Верхний | | Нижний Средний Верхний 1 Нижний Средний ! Верхний Я Средний Верхний 1

(X]) Частота вскипаний, Гц 2,5 5 7,5 2,5 5 7,5 2,5 5 7,5 2,5 5 7,5

(Х2) Амплитуда хода жидкости, мм 15 25 35 15 25 35 15 25 35 15 25 35

(Х3) Соотношение фаз (Ж/Т) 6 9 12 10 15 20 6 9 12 10 15 20

(Х<) Изчельчениость сырья, мм 7,3 4,55 1,80 4,83 3,67 2,5 4,95 3,50 2,04 6,0 4,30 2,60

(Х5) Температура, °С 50 60 70 50 60 70 50 60 70 50 60 70

Оценка влияния отдельных параметров (факторов) процесса на выход флавоноидов в извлечение была выполнена методом планирования эксперимента Бокса-Уилсопа Значения факторов и интервалов варьирования приведены в табл 3

Коэффициенты уравнений регрессии. Таблица 4.

Растительное сырье В„ в, в2 в3 в4 в5

частота амплитуда соотноше- ичмельчен- время

вскипаний ние фаз ность сырья

КС 65,1 5,66 2,15 - 2,34 12,7

ЦБ 68,1 7,21 5,60 - - 8,19

иь 50,8 6,17 3,80 2,84 2,85 12,9

тз 72,9 7,77 7,28 - - 9,22

Анализ коэффициентов уравнений регрессии (|абл. 4) вида Y=Bo+BiX]+B2X2+ В1Х5+ В4Х4+ В5Х5 свидегельствует, что наибольшего увеличения выхода следует ожидать от повышения температуры. Это обусловлено увеличением растворимости флавоноидов и ростом коэффициентов диффузии. Увеличение частоты вскипаний приблизительно одинаково влияет на экстрагирование из "крупно-кускового" и "листово1 о" материала. При повышении амплитуды прирост выхода из "листового" материала больше, чем из кускового. Это, вероятно, вызвано более интенсивной деформацией (изгибом) листового материала (лучшим отжимом) при больших амплитудах Влияние измельченности сырья и соотношения жидкой и твердой фаз в выбранных интервалах варьирования оказывает менее выраженное влияние на выход флавоновых гликозидов в извлечение.

В сопоставительных экспериментах по экстрагированию в пульсационном режиме в том же аппарате при тех же частотах, амплитудах, температурах и общем перепаде давления в 50 кПа выходы оказались на 25-30% ниже. В режиме вакуумного кипения при тех же температурах и температурном напоре 5-6 °С выход ниже на 10-20% Суммарные удельные затраты потребляемой энергии (тепловой и электрической) в вакуум-осциллирующем экстракторе составляют 5-15 кВт/м3, что ниже, чем удельные затраты гепла в эксгракторе вакуумного кипения без теплового насоса (более 250 кВг/м3)

Интенсификация процесса экстрагирования за счет кратковременно! о воздействия иа сырье (глава 5). После истощения поверхностного слоя частиц JIPC скорость процесса существенно уменьшается и дальнейшее увеличение выхода БАВ происходит только за счет диффузии извлекаемых веществ из глубины частицы в основной объем эксгршента С этою момента расход энергии на обработку сырья становится неэффективным Иптенсифи-

кация процесса в этом случае во1можна за счет перераспределения ВДВ в объеме частицы путем ее кратковременного отжима или посредством обработки в СВЧ поле

Сырье (ПБ, КС. ЦБ и ТЗ) экстрагировали в пульсационпом аппарате (соотношение твердой и жидкой фаз составляло 1 12, перепад давления 0,31МПа, частота пульсаций 5 Гц) В момент выхода кинет ической кривой на равновесное плато плоды и Увлекали из экстраген-та и подвергали механическому воздействию на т идравлическом прессе (~2 М11а) или помещали в СВЧ печь мощностью 0,8 кВт па 120 с После обработки сырье возвращали в аппарат и продолжали экстрагирование.

Время, мин

Рис. 10 Интенсификация процесса экстрагирования ПБ при помощи разового отжима сырья в момент выхода на кажущееся равновесие.

Разовый 01жим ПБ приводил к увеличению выхода флавоноидов на 14% (рис. 10). Такие же результаты были получены и при отжиме КС, Отжим ТЗ и ЦБ не вызывал существенного прироста выхода, чю можно объяснить особенностями морфолого-анатомическо1 о строения сырья - его низкой способностью к упрут ой деформации.

Выдерживание сырья в поле СВЧ обеспечивало быстрое перераспределение извлекаемого вещества из тлубины частиц к их поверхности за счет уноса вещества вскипающим экстрагешом. Кроме того, с повыгаеписм температуры растет растворимость извлекаемых соединений и скорость диффу¡ионных процессов. Одпократпая СВЧ обработка ПБ, КС, ЦБ и ТЗ в СВЧ поле после выхода процесса на "кажущееся" равновесие приводила к увеличению выхода флавоноидов из ЛРС на 10-12% при его последующем экстра1 ировании

Дальнейшего и (учения ин!енсифицирутощего влияния отжима ЛРС на процесс экстрагирования проводили в планетарном аппарате периодического действия ООО "Техника и технологии дезинтеграции" СПб (рис. 11-а).

Рис 11 Схема планетарного аппарата (а) и характер движения ролика в барабане (Ь).

Аппарат имел 3 барабана емкостью по 0.62 л Скорость вращения барабанов вокруг цен 1ральной оси составляла 448 об/мин, вокруг собственных осей - 550 об/мин Ускорение центробежного поля па окружности вращения осей барабанов - 28 g. В качестве тел, воздействующих на перерабатываемую суспензию, использовали стальные ролики (рис. 11-Ь) Значительные ускорения, реа.шзонанные в планетарном аппарате, позволяли увеличить скорость движения частиц сырья относительно экстрагента и. как следствие, интенсифицировать внешний массообмен В тоже время высокое давление на растительное сырье со стороны тел, загруженных в барабаны, интенсифицировало массообмен внутри частиц JIPC Ьсли в существующих аппаратах с отжимающим воздействием на сырье проводится 0,1-0,5 отжимов в минуту с давлением 0.01-0,1 МПа. то в планетарном аппарате число отжимов и давление на сырье выше на один - два порядка Кроме того, в ПА частицы сырья с большой энергией соударяются между собой, ударяю 1ся о стенки барабана и ролик, в результате чего частицы ЛРС деформируются с отжимом экстрагенга Сравнение результатов, полученных при экстрагировании ПБ, ЦБ и КС в планетрном аппарате с результатами, полученными другими способами экстрагирования показали, что выход в нем существенно выше. Наиболее высокая скорость экстрагирования набтодалась из КС, несколько ниже - из ПБ и еще ниже из ЦБ. В ■иом же порядке располагаются и упруше свойства используемого растительного сырья Максимальный выход флавоноидов из ПБ составлял 85%, причем досгшался за 6-7 минут. Выход из КС достигал 79% через 5 минут, а через 10 минут устанавливалось кажущееся равновесие на уровне выхода 86% При экстрагировании ЦБ выход флавоноидов сооавлял 72%

Уделыпле затраты эпергии, отнесенные к объему перерабатываемой суспензии, в планетарном аппарате были определены калориметрическим методом и составили 60-65 кВт/м3 Выход флавоноидов из перечисленных видов сырья в планетарном аппарате выше в 1,1-1,4 раза выше, чем в роторно-пульсационном В тоже время, в роторно-иульсационпом аппарате удельные затраты энергии были на уровне 270 кВт/м1, то сеть в 4 раза выгне.

Чтобы оценить эффективное^ того или иного способа экстрагирования, необходимо учитывать затраты энергии на извлечение БАВ из сырья, величину выхода и продолжительность экстрагирования. На рис. 16 представлены зависимости выхода от удельных энергозатрат для различных способов экстрагирования неизмельченных ПБ (соотношение сырье • экстраген i 1:12) Чем выше и левее на графике располагаются экспериментальные точки для того или ино1 о способа, тем выше его эффективность.

X Листовая мешалка 150 об/мин А Турбинная мешалка 3500 об/мин ♦ Роторно пульсационный аппарат-100 Ж Пульсационный аппарат О Ваккум осцилирующий аппарат □ Планетарный аппарат

Рис 16 Зависимость выхода флавоноидов из 11Б от удельных энерюзатра1 для различных способов экстра! ирования.

Из рис 16 видно, чю эффективность способов экстрагирования ЛРС уменьшается в следующем ряду, планетарный аппарат; рогоргго-пулъеадиотгный аппарат: вакуум осциллирующий аппарат; аппараты с турбипной и тихоходной листовой мешалкой.

Выводы:

1 Анализ литературных данных и собственные исследования показали, что проведение экстрагирования ЛРС в условиях переменного давления в аппарате или локальных импульсов давления на поверхности частиц является перспективным направлением интенсификации процесса.

2 Численное моделирование показало, что при неременном давлении в системе движение экстрагснта в частицах ЛРС с защемленным воздухом происходи г преимущес I венно и крупных капиллярах и определяется долей защемленного воздуха, амплитудой перепада давления и частотой пульсаций. Окстрагент обновляется в периферийных слоях частиц сырья, в остальном объеме частиц экстрагент совершает осциллирующее движение в крупных капиллярах и массоперенос в них осуществляется за счет турбулентной диффузии.

3. Анализ экспериментальных данных по кинетике экстрагирования ЛРС в пулъеационном аппарате показал, что обработку крупного "кускового" сырья целесообразно проводить

£100

80

® Ш

ш 60 i ш *

I ш

40 1 V^IM*

20 1 * * I * X ****

о - *--,---,--—--,-

5 5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9 5

Lg(E), Дж/м3

при перепаде давления >0,3 МПа и час ютах 1 3 1 п. Выход БАВ из травы и цветков в пульсационном аппарате слабо зависит от перепада давления и определяется, главным образом, общим числом пульсаций Использование пулъсационного способа экстрагирования целесообразно на этапе пропитки ЛРС, либо для интенсификации процесса в существующем емкостном оборудовании.

4. При экранировании в режиме вакуумного кипения увеличение гемпературпого напора на каждые 10 °С вызывает повышение "кажущегося" равновесного выхода на 10-15%. Для снижения энер/ опотребления способа более чем в 5 раз целесообразно использовать установки с тепловым насосом.

5. Разработан способ и аппарат для экстра! ирования ЛРС в вакуум осциллирующем режиме, позволяющий интенсифицировать процесс и значительно снизить энергозатраты по сравнению с экстрактором вакуумного кипения. Количество образующихся паровых пузырьков растет, а их радиусы уменьшаются с увеличением частоты вскипаний. Локальные имиульсы давления, возникающие при схлопывании паровых пузырьков, инициируют в частицах ЛРС часшчную замену диффузионного массопереноса на конвективный

6. В вакуум осциллирующем режиме экстрагирования наибольшее увеличение выхода БАВ в извлечение вызывав! повышение температуры Это наиболее выражено для плодов и корней, менее - для травы и цветков. С увеличением амплитуды и частоты вскипаний растет выход БАВ в извлечение. Уменьшение размера частиц растительного материала сопровождается увеличением выхода БАВ т плодов и корней, но практически не оказывает влияния на выход из травы и цвет ков

7. Кинетические кривые экстрагирования выходят на "кажущееся" равновесие после истощения периферийных слоев частиц ЛРС Разовый отжим сырья или его кратковременная экспозиция в СВЧ поле обеспечивают перераспределение БАВ в объеме частиц ЛРС и увеличивают выход при последующем экстра! ировании на 10-14%

8. Разработанный способ экстрагирования в планетарном annapaie позволяет достигать выходов 70-85% за 5-10 минут. Наилучшие результаты были достигнуты при предвари> ¡ельном намачивании сырья и использовании эластичных отжимающих тел. Удельные

затраты энергии для данного способа составляют 60-65 кВт/м3, в то время как в РПА они - 270 kBi/m3.

9. Гидродинамический режим влияет на величину выхода БАВ в извлечение и скорость процесса только на начальной стадии, после чего затраты энергии становятся неэффективными.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Швырев М.В. Получение извлечений из растительною сырья в пульсационпом режиме/Молодая фармация - СПб . 2003. -№ 5. - С 31-38

2 Артемова М А, Швырев М В Исследование мехапизма экстрагирования в вакуум осциллирующем режиме//Молодая фармация - СПб , 2003. -№5 - С. 38-43.

3 Иванов Е.В., Швырев М В., Минина С.А , Кочнев В Г. Способ экстра; ирования лекарственною растительного сырья в планетарном атшарате//Химико-фармацевгический журнал-2004 -№11. -С. 29-32.

4. Иванов Е В, Мясников В.Ю., Швырев М.В. Фильтрационный массоперенос в пористых частицах при низкочастотном колебании давления в экстракторе//Химическая промышленность -2004 -т 81 -№7 - С. 358-363

5. Иванов Е В., Швырев М В., Артемова М А Фильтрация экстрагента в пористых частицах с защемленным газом при низкочастотном колебании давления в экстракгоре//Журнал прикладной химии. - 2004. - т. 77 - №10 - С 1676-1680.

6 Иванов Е В Швырев М В , Мясником В Ю Фильтралиогшый массоперенос в плодах при периодическом изменении дав гения в экстракторе//Актуальные проблемы создания новых лекарственных препаратов природного происхождения. Материалы VI Международного съезда. - СПб, 2002. - С 65-69

7. Швырев М.В., Иванов Е В., Минина С А., Мясников В Ю Ларина М А Влияние способа сушки плодов боярышника на кинетику их экстрагирования в пульсационном аппара-ге//Ак1уальныс проблемы создания новых лекарс!Венныч препаратов природною происхождения. Материалы VII Международного съезда - СПб., 2003 -С. 103-106.

8 Швырев МВ, Иванов Е.В., Минина С А Интенсификация процессов экстрагирования лекарственно расти[ельиото сырья при переменном давлении в системе//Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию академии -СПб Изд-во СПХФА, 2004. - С 214-217

9 Швырев М.В , Прошин А Ю., Иванов Е В , Минина С А. Способ экстрагирования лекар-сз венного растительною сырья//Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции. Труды 59 региональной конференции по фармации и фармакологии - Пятигорск, 2004. - С. 164-166.

На правах рукописи

Швырев Михаил Валерьевич

Интенсификация процессов извлечения биологически активных веществ из растительного сырья при переменном давлении в системе

Специальность 15.00 01-"Технология лекарств и организация фармацевтического дела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Печать И.В. Андриановой

Подписано к печати 15 08 2005 Формат 60x90/16 Бумага тип Печать ризограф _Гарнитура «Тайме» Печ л 1,5 Тираж 70 экз Заказ 564_

Санкт-Петербург 2005

РНБ Русский фонд

2006-4 12214

Спрос на продукты, полученные на основе извлечений из растительного сырья, постоянно растет. Рынок фитоэкстрактов только в качестве пищевых добавок в 2003 году составил 6,7 млрд. евро в Европе и 17,5 млрд. в мире. Постоянное увеличение объемов производства диктует необходимость разработки новых высокоинтенсивных способов экстрагирования и аппаратов для их осуществления.

Традиционные способы извлечения биологически активных веществ (БАВ) из лекарственного растительного сырья (ЛРС), как правило, малоэффективны, т.к. не обеспечивают достаточную полноту истощения сырья, характеризуются высокой длительностью и непродуктивными затратами подведенной энергии. Большинство способов, предлагаемых для интенсификации процесса (например, вихревое экстрагирование или экстрагирование с применением роторно-пульсационных аппаратов) позволяют сократить длительность процесса, но, за счет измельчения сырья и вымывания высокомолекулярных веществ из разрушенных клеток, извлечения загрязняются балластными веществами и тон ко дисперсной твердой фазой растительного материала. Для очистки таких извлечений требуется длительное отстаивание (в течение нескольких суток) или разделение на отстойных суперцентрифугах. Кроме того, наличие большого количества балластных веществ снижает стабильность и сроки годности фитопрепаратов, затрудняет очистку при получении новогаленовых препаратов и индивидуальных веществ (алкалоидов, гликозидов, кумаринов и т.д.).

Актуальность темы

Результаты новейших исследований, проводимых как в нашей стране, так и за рубежом, свидетельствуют о перспективности таких способов экстрагирования, в которых тем или иным образом реализуется замена молекулярной диффузии внутри частиц растительного сырья на конвективный массоперенос, который возникает в результате пульсаций давления в объеме аппарата или вблизи поверхности частиц. Обеспечение конвективного массопереноса в частицах растительного сырья за счет пульсаций давления позволяет увеличить скорость процесса, сократить его продолжительность и снизить энергозатраты. Вместе с тем, указанное направление лишь начинает развиваться, и недостаточно изучено, поэтому, изучение физических основ массопереноса при переменном давлении в системе и создание новых, высокоэффективных способов экстрагирования является перспективной и актуальной задачей.

Цель работы

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное обоснование интенсификации экстрагирования ЛРС различной анатомической структуры при переменном давлении и разработка новых высокоинтенсивных способов экстрагирования. Задачи исследования

• разработать физическую модель и математическое описание конвективного массопереноса экстрагента в частицах ЛРС при изменении давления в системе. Методом численного эксперимента исследовать механизм и кинетику экстрагирования ЛРС в условиях периодически изменяющегося давления.

• экспериментально изучить влияние различных факторов (частоты пульсаций, амплитуды изменения давления, соотношения фаз, измельченности сырья и длительности процесса) на кинетику экстрагирования биологически активных веществ из растительного сырья различной анатомической структуры - плодов боярышника, корней солодки, цветков бессмертника и травы зверобоя в пульсационном аппарате. Получить математическую модель процесса и определить оптимальные режимы экстрагирования с учетом анатомической структуры сырья.

• разработать пути интенсификации и энергосбережения процесса экстрагирования ЛРС в режиме вакуумного кипения.

• исследовать механизм процесса экстрагирования при деформационном воздействии на сырье и на его основе разработать новый, высокоэффективный способ экстрагирования ЛРС.

• изучить возможность интенсификации экстрагирования ЛРС после выхода процесса на регулярный режим.

• провести сравнительный анализ традиционных и разработанных способов экстрагирования ЛРС по эффективности использования подведенной энергии и выходу БАВ в извлечение.

• разработать аппаратурно-технологические предложения по совершенствованию процессов экстрагирования ЛРС различной структуры.

Научная новизна

Систематизированы данные по способам интенсификации процесса экстрагирования путем частичной замены внутридиффузионного механизма массопереноса на конвективный при периодическом изменении давления во всем объеме аппарата или в локальных точках.

Разработана физическая и математические модели движения жидкости в частицах растительного сырья с защемленным воздухом. Методом вычислительного эксперимента исследован механизм процесса и влияние технологического режима (амплитуды, частоты пульсаций и др.) на кинетику экстрагирования.

Получены новые данные по экстрагированию ЛРС в пульсационном аппарате. Сопоставлены результаты экстрагирования воздушно-сухого и полностью пропитанного экстрагентом сырья. Показано, что наличие защемленного воздуха в частицах сырья приводит к увеличению выхода БАВ.

Впервые исследовано влияние интенсивности вакуумного кипения на процесс экстрагирования ЛРС различной структуры.

На основе анализа явлений, протекающих при экстрагировании ЛРС в аппаратах вакуумного кипения, разработан высокоинтенсивный энергосберегающий способ экстрагирования в вакуум осциллирующем режиме и аппарат для его осуществления. Изучен механизм вскипания жидкости и влияние основных параметров процесса на кинетику экстрагирования растительного сырья различной структуры.

Показана возможность интенсификации экстрагирования после выхода на регулярный режим путем перераспределения извлекаемых веществ в объеме частиц растительного сырья за счет разового отжима или кратковременной обработки в поле СВЧ.

Впервые предложен новый способ экстрагирования в планетарном аппарате и исследовано влияние условий проведения процесса на кинетику экстрагирования из ЛРС различной структуры.

Впервые проведено сопоставление различных способов экстрагирования по эффективности использования подведенной энергии и выходу БАВ в извлечение. Практическая значимость

Предложены новые высокоинтенсивные энергосберегающие технологии экстрагирования ЛРС в режиме вакуумного кипения, вакуум-осциллирующем режиме, в поле центробежных сил.

Разработаны режимы экстрагирования ЛРС различной структуры в пульсационном аппарате, аппарате вакуумного кипения, вакуум осциллирующем и планетарном аппарате.

Обоснованы технологические решения, позволяющие повысить выход биологически активных веществ в извлечение после выхода процесса на регулярный режим.

Полученные результаты подтверждены актами испытаний и рекомендованы к рассмотрению с целью внедрения на фармацевтических и пищевых предприятиях, перерабатывающих растительное сырье.

Апробация работы

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на III международной конференции «Пульсационные резонансные технологии в процессах и аппаратах» (Санкт-Петербург, 2003 г.), VII Международном съезде «Актуальные проблемы создания новых лекарственных препаратов природного происхождения» (Санкт-Петербург-Пушкин, 2003 г.), 59-й региональной конференции по фармации и фармакологии «Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции» (Пятигорск, 2004 г.), международной научно-практической конференции посвященной 85-летию академии «Выпускник фармацевтического ВУЗа (факультета) в прошлом, настоящем и будущем» (Санкт-Петербург, 2004 г.). Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Связь исследований с федеральными научными программами и планами НИР

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ СПХФА по теме: «Разработка технологии лекарственных средств, лекарственных форм, биологически активных добавок и методов их анализа». На защиту выносятся

Физическая модель движения жидкости в частицах ЛРС с защемленным газом; результаты численного моделирования и экспериментального изучения процесса экстрагирования растительного сырья в режиме периодического изменения давления; результаты экспериментальных исследований экстрагирования JIPC в режиме вакуумного кипения, вакуум осциллирующем и планетарном аппаратах; экспериментальное и теоретическое обоснование оптимальных режимов для перечисленных способов экстрагирования с учетом анатомической структуры растительного сырья; механизмы интенсификации процесса экстрагирования после выхода на регулярный режим.

Выводы:

1. Анализ литературных данных и собственные исследования показали, что проведение процесса экстрагирования растительного сырья в условиях переменного давления в аппарате или локальных точках является перспективным направлением интенсификации процесса.

2. Численное моделирование на основе разработанных физической и математической моделей показало, что при переменном давлении в системе движение экстрагента в частицах растительного сырья с защемленным воздухом происходит преимущественно в крупных капиллярах (>20 мкм) и определяется долей защемленного воздуха, амплитудой перепада давления и частотой пульсаций. Экстрагент обновляется в периферийном слое частицы сырья глубиной менее 3,5% их радиуса, в остальном объеме частицы экстрагент совершает осциллирующее движение в капиллярах и массоперенос в них осуществляется за счет турбулентной диффузии.

3. Анализ экспериментальных данных по кинетике экстрагирования ЛРС в пульсационном резонансном аппарате показал, что обработку крупного "кускового" сырья целесообразно проводить при перепаде давления >0,3 МПа и частотах 1-КЗ Гц. В этих условиях "кажущееся" равновесие устанавливается менее чем за 2 часа на уровне 50% выхода. Выход БАВ из травы и цветков в пульсационном режиме экстрагирования слабо зависит от перепада давления и определяется главным образом гидродинамикой в аппарате, уровень "кажущегося" равновесия для такого сырья выше и достигает за 2 часа 70%. Изучение пульсационного способа экстрагирования показало, что его использование можно рекомендовать на этапе пропитки растительного сырья, либо для интенсификации процесса в существующем емкостном оборудовании.

4. На основании изучения кинетики экстрагирования ЛРС при различных режимах вакуумного кипения установлено, что увеличение температурного напора на каждые 10 °С вызывает повышение кажущегося" равновесного выхода на 10-15%. Для снижения энергопотребления способа экстрагирования в режиме вакуумного кипения более чем в 5 раз целесообразно осуществлять процесс в установках с термокомпрессией вторичного пара.

5. Разработан способ и аппарат для экстрагирования ЛРС в вакуум осциллирующем режиме, позволяющий интенсифицировать процесс и значительно снизить энергозатраты по сравнению с вакуумным кипением. Экспериментальное изучение зарождения и схлопывания паровых пузырьков в вакуум осциллирующем режиме показало, что с увеличением частоты вскипаний количество образующихся паровых пузырьков возрастает, а их радиус уменьшается. Локальные импульсы давления, образующиеся при схлопывании паровых пузырьков, воздействуют на частицы растительного материала, частично заменяя диффузионный массоперенос извлекаемых БАВ на конвективный.

6. Исследование кинетики экстрагирования ЛРС в вакуум осциллирующем режиме показало, что наибольшее увеличение выхода флавоноидов в извлечение вызывает повышение температуры, что обусловлено увеличением растворимости флавоноидов и ростом коэффициента диффузии. Влияние температуры более выражено для плодов и корней, чем для травы и цветков. С увеличением частоты вскипаний происходит увеличение выхода БАВ в извлечение. Так увеличение частоты от 1 до 7,5 Гц сопровождалось увеличением выхода флавоноидов с 60 до 80% из ПБ и с 78 до 93% для ТЗ. Увеличение амплитуды колебания жидкости также приводит к увеличению выхода. Уменьшение размера частиц растительного материала повышает выход БАВ из плодов и корней и не оказывает влияния на выход из травы и цветков. Уменьшение соотношения сырье : экстрагент от 1:12 до 1:6 для ПБ и КС и от 1:20 до 1:10 для ТЗ и ЦБ практически не оказывает влияние на выход флавоноидов из сырья.

7. Установлено, что кинетические кривые экстрагирования выходят на "кажущееся" равновесие после истощения периферийных слоев частиц ЛРС. Разовый отжим сырья или его кратковременная экспозиция в СВЧ поле обеспечивает перераспределение извлекаемых веществ в объеме частиц растительного материала и увеличивает выход при последующем экстрагировании на 10-14%.

8. Установлено, что проведение процесса экстрагирования в планетарном аппарате характеризуется высокими значениями выхода и скорости, т.к. позволяет достигать выходов 70-85% за 5-10 минут. Наилучшие результаты были достигнуты при предварительном намачивании сырья и использовании эластичных отжимающих тел. Удельные затраты энергии для данного способа составляют 60-65 кВт/м , в то время как в РПА они -270 кВт/м3.

9. При экстрагировании ЛРС гидродинамический режим влияет на величину выхода БАВ и скорость процесса только на начальной стадии, после которой гидродинамика среды не оказывает заметного влияния на процесс.

10.Сопоставление различных способов экстрагирования по выходам БАВ в извлечение и удельным энергозатратам показало, что эффективность способа уменьшается в следующем ряду: планетарный аппарат; роторно-пульсационный аппарат; вакуум осциллирующий аппарат; аппараты с турбинной и тихоходной листовой мешалкой.

176

Заключение

При сравнительной оценки различных способов экстрагирования важно учитывать затраты энергии на истощения сырья, величину кажущегося равновесия и время его наступления. На рис. представлены зависимости выхода от удельных энергозатрат для различных способов обработки неизмельченных плодов боярышника (соотношение 1:12). Чем выше и левее на представленных графиках располагаются точки того или иного способа, тем выше его эффективность.

100 -,

XЛистовая мешалка 150 об/мин 90

§80 л

Ш70

60 50 40 30 -20 -10

А Турбинная мешалка 3500 об/мин ♦ РПА-100 ЖПульсационный аппарат О Ваккум-осцилирующий аппарат □ Планетарный аппарат £

5 нщ$т X

Ж1* II Ж ж * ж * ж

Ж ** Х

1д(Е), Дж/м

-!-!-!-!-!-1-1-1

5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5

Можно предположить, что интенсивность воздействия на обрабатываемую систему сырье-экстрагент, определяет толщину прорабатываемого слоя частиц сырья, т.е. толщину слоя, в котором молекулярная диффузия заменяется конвективным массопереносом вещества при движении экстрагента по капиллярам. Величина кажущегося равновесия определяет эффективность способа экстрагирования.