Фитоэкстракционные прапараты.

В современных условиях мировая фармация все более склоняется к созданию лекарственных препаратов из природных объектов, как более безвредных безвредных, а зачастую и более эффективных. Фитопрепараты представляют собой композиции лекарственного растительного сырья или извлечений из него более или менее сложного состава. Фитопрепараты прошли сложный путь от вытяжек из растений, полученных с помощью вина, масел, меда, жиров – экстрагентов эпохи римского врача Клавдия Галена (131-201 гг. н.э.), до извлечений, полученных с помощью спирта этилового, который внедрил в медицинскую практику Парацельс (ХYI в.), актуальных и в настоящее время. Открытие алхимиком Раймондом Луллием (1235-1315) спирта внесло значительное оживление в технологию фитопрепаратов. Именно водно-спиртовые извлечения, называемые настойками и экстрактами, получают дальнейшее развитие и занимают прочное место в современном каталоге фитопрепаратов.

Суммарные неочищенные фитопрепараты получили название «галеновые препараты» по фамилии знаменитого римского врача Клавдия Галена, спустя 13 веков после его смерти. На рубеже 19 –20 веков появились новые фитопрепараты, представляющие собой суммарные препараты, максимально очищенные от сопутствующих веществ. В связи с этим действие на организм имеет свои особенности. Эта группа фитопрепаратов получила название новогаленовых.

В середине 20 века было освоено промышленное производство лекарственных препаратов, представляющих собой индивидуальные природные вещества. Это стало возможно благодаря большим достижениям в области химии, физики, фармацевтической технологии, фармакологии и других научных дисциплин.

Современная номенклатура фитопрепаратов представлена тремя группами: суммарными неочищенными (настойки и экстракты), суммарными максимально очищенными и индивидуальными веществами.

Кроме того, к экстракционным относятся и препараты, получаемые из свежих растений, препараты фитонцидов, некоторые препараты биогенных стимуляторов. В основе получения большинства фитопрепаратов лежит процесс экстрагирования лекарственного растительного сырья.

1. Теоретические основы экстрагирования

Процесс экстрагирования относится к массобменным и определяется основными законами массопередачи: молекулярной диффузией, массопередачей и массопроводимостью.

При экстрагировании лекарственного сырья процесс массопередачи происходит в системе твердое тело – жидкость.

Экстрагирование растительного материала в отличие от других твердых тел имеет много особенностей, связанных с его клеточной структурой и физико-механическими свойствами. Биологически активные вещества заключены в клетках, экстрагент должен проникнуть в них, преодолев клеточный барьер. Процесс экстрагирования различен для свежего и высушенного сырья. В свежем сырье действующие вещества находятся в растворе внутри клетки, а в высушенном – в виде сухих конгломератов на стенках клетки или порах. Этим обусловлен разный подход к экстрагированию материала: из свежего сырья – он сводится к вымыванию клеточного сока из разрушенных клеток. Живая клетка, пристенный слой которой плотно прижат к оболочке, находится в состоянии тургора. Через клеточные мембраны чистый экстрагент проникает внутрь клетки, биологически активные вещества покинуть клетку могут только при активном транспорте. Диффузии через клеточные мембраны не наблюдается.

При высушивании растительного материала клетка меняет свои свойства – она переходит в состояние плазмолиза. Клеточные мембраны теряют полупроницаемость и приобретают свойство пористой перегородки, в которой насчитывается до 20000 и более пор диаметром от 0,2 - 0,3 мм до десятков и сотен нанометров. Процесс экстрагирования приобретает при этом характер диализа через пористую мембрану. Процесс экстрагирования высушенного сырья является многостадийным и начинается с проникновения экстрагента в материал.

Оболочки клеток обладают дифильными свойствами, с преобладанием гидрофильности. Процесс проникновения экстрагента в клетку определяется степенью гидрофильности материала, природой экстрагента, числом и размером пор в клеточной стенке. При этом растительное сырье имеет капилярно-порстую структуру. Чем больше сродство экстрагента к материалу, тем он быстрее смачивает стенки капилляров и быстрее проникает в материал, поступая по макро- и микротрещинам, межклеточным ходам, диффузией через поры клеточной оболочки. При этом часть экстрагента поглощается клеточными структурами, состоящими из целлюлозы и других ВМВ, происходит увеличение объема материала – набухание. Одновременно идет образование внутреннего клеточного сока – экстрагент проникает внутрь клетки, контактирует с высохшим клеточным соком. Наблюдаются процессы растворения, десорбции и вымывания содержимого клеток. Продолжительность процесса зависит от морфологических особенностей растительного сырья и длится в среднем 2-4 часа.

Проникновению экстрагента в капилляры мешает находящийся в них воздух. Для интенсификации процесса проводят предварительное вакуумирование, подачу экстрагента под повышенным давлением, замену воздуха в порах на легко растворимый газ. Далее наблюдается массоперенос растворенных в клеточном соке вещества через поры клеточных стенок в межклеточное пространство и далее на поверхность растительного материала.

В процессе экстрагирования лекарственного растительного сырья сочетается три вида массопереноса:

1. массоперенос внутри растительного материала, скорость которого характеризуется коэффициентом внутренней диффузии – Д_вн ;

2. в клеточном соке и пограничном диффузионном слое, определяющийся коэффициентом свободной диффузии – Д_с ;

3. конвективный, характеризующийся величиной коэффициента конвективной диффузии – β.

И внутренняя диффузия и свободная относятся к молекулярному виду диффузии, математически определяемому уравнением Эйнштейна:

где К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура, град.

Ґ – радиус диффундирующих частиц в м;

ή – вязкость раствора, н/с х м²

Молекулярная диффузия зависит от температуры, размера частиц и вязкости растворов. Коэффициент внутренней диффузии имеет низкую величину, на нее влияет число и диаметр пор, структура материала.

Движущей силойдиффузионного процесса является разность концентраций растворенных веществ в соприкасающихся жидкостях. Чем больше будет разница концентрации, тем большее количество вещества переместится при всех прочих равных условиях за одно и то же время. Скорость диффузии увеличивается при повышении температуры, поскольку при этом возрастает скорость движения молекул. Скорость зависит от относительной молекулярной массы вещества. На диффузионный процесс, естественно, влияет величина поверхности, разделяющей вещества, а также толщина слоя, через который происходит диффузия. Наконец, перемещение вещества требует определенного времени. Чем дольше длится диффузия, тем больше веществ переходит из одной среды в другую.

Влияние факторов на процессы диффузии может быть выражено математически уравнением, называемым законом диффузии Фика:

, где

S - количество продиффундировавшего вещества, кг;

(C – c) – разность концентраций, кг/м³

F – поверхность раздела фаз, м²

τ – время диффузии, с

D – коэффициент молекулярной диффузии

Согласно этому уравнению количество продиффундировавшего вещества прямо пропорционально разности концентраций, поверхности раздела фаз, времени диффузии, коэффициенту диффузии и обратно пропорционально толщине слоя.

В отличие от молекулярной диффузии конвективная диффузия имеет иной механизм и состоит в переносе вещества в виде отдельных небольших объемов его раствора, причем внутри этих малых объемов имеет место и молекулярная диффузия. Конвективная диффузия может быть спонтанной, обусловленной изменением температуры и разностью плотностей растворов, и принудительной, осуществляемой под воздействием сотрясений, перемешивания. При конвективной диффузии размер молекул диффундирующего вещества, вязкость растворителя, кинетическая энергия молекул становится второстепенными. Главными для скорости конвективного переноса вещества становятся гидродинамические условия, т.е. скорость и режим движения жидкости. Таким образом, молекулярный и конвективный переносы вещества отличаются друг от друга не только механизмом, но и тем, что скорость их протекания зависит от разнородных групп факторов. Скорость конвективного переноса во много раз больше скорости молекулярного переноса.

Суммарный коэффициент массопереноса при экстрагировании растительного сырья определяется следующим уравнением:

где К, D_c , D_вн , β – коэффициенты массопередачи, свободной молекулярной диффузии, внутренней диффузии, конвективной диффузии;

l – размер частиц, м; S – толщина пограничного слоя, м.

Анализ уравнения показывает, что при отсутствии перемешивания коэффициент конвективной диффузии будет равен нулю, а толщина диффузионного слоя равна толщине слоя всего экстрагента. При этом коэффициент массопереноса будет определяться только внутренней и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости. Процесс экстракции при этом очень длительный. При перемешивании с небольшой скоростью коэффициент массопереноса определяется количественными характеристиками всех трех этапов диффузионного процесса.

При перемешивании с большой скоростью отсутствуют первый и третий этапы диффузионного процесса. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности и. следовательно, первый член уравнения отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина диффузионного слоя, поэтому третий член уравнения также отпадает. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом внутренней диффузии. Типичным примером этого способа экстракции является вихревая экстракция. Процесс экстракции идет достаточно быстро.

Для достижения более полного и быстрого извлечения действующих веществ необходимо регулировать ряд параметров процесса. Среди этих параметров можно выделить: технологические свойства материала: гидродинамические условия экстракции; температурный фактор; временной фактор; особенности конструкции аппаратов для экстракции.

Среди технологических свойств сырья важным для процесса экстракции является влажность, содержание действующих веществ, пористость и порозность, способность набухать и удерживать некоторое количество экстрагента, коэффициентов диффузии и вымывания.

Так, пористость сырья – величина пустот внутри растительного материала определяет количество образующегося внутреннего сока. Порозность – это величина пустот между кусками измельченного сырья, определяет количество внешнего сока. Степень и характер измельчения, поверхность частиц и число разрушенных клеток оказывают существенное влияние на процесс экстрагирования. Чем меньше размер частиц материала, тем больше поверхность его соприкосновения с экстрагентом, тем быстрее происходит извлечение.

Для каждого вида сырья в зависимости от анатомического строения, состава и локализации действующих веществ степень и характер измельчения подбираются индивидуально. Оптимальным считается размер частиц от 0,5 до 2 мм.

К гидродинамическим условиям процесса экстракции относятся: характер и скорость движения экстрагента, перемешивание, вибрация, колебание жидкости, циркуляция экстрагента, воздействие ультразвука и центробежных сил. На процесс экстрагирования оказывает влияние характер загрузки сырья в экстракторы, способ подачи экстрагента.