Экстрагирование: Экстракционные методы выделения продуктов, используемые в

Экстракционные методы выделения продуктов микробиологического синтеза 1

Экстрагирование: Экстракционные методы выделения продуктов, используемые в

Экстракционные методы выделения продуктов микробиологического синтеза 1

Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого компонента из одной фазы (жидкой или твердой) в фазу жидкого экстрагента при их взаимном соприкосновении. Экстрагент ‒ жидкая фаза, служащая агентом процесса экстракции. После перехода вещества в экстрагент эта фаза называется ‒ экстракт.

Экстрагируемые компоненты переходят из исходного раствора в растворитель вследствие разности концентраций, поэтому данный процесс относится к числу диффузионных. Как диффузионный процесс экстракция в большой степени зависит от температуры: повышение температуры увеличивает скорость процесса. Т. к.

продукты биотехнологии в большинстве термолабильны, экстракцию проводят при умеренных температурах (часто ‒ пониженных). Это позволяет в процессе экстрагирования обеспечить разделение исходного раствора с полным исключением термического распада молекул. Экстракция ‒ универсальный метод, т. к.

позволяет извлекать продукты из мицелиальных масс и из жидкой фазы. Аппаратурно экстракцию легко осуществить в непрерывном исполнении. 2

1. Экстракция из мицелиальных масс 1.

1 Извлечение продуктов из биомассы клеточной стенки применяется редко: без разрушения ü извлечение витамина В 12 из биомассы изопропиловым спиртом ü некоторых ферменты, образуемые культурами грибов ü экстракция Cl-Tetr метанол/ Ca. Cl 2 (хлоркальциевый комплекс растворим в метаноле) ü экстракция полиеновых антибиотиков поверхности сухого мицелия (нистатин, леворин) метанол/ Ca. Cl 2 3 с

Продукты выделяют из экстрактов осаждением (осадительная экстракция): вода/ацетон Оборудование: 1. аппараты с мешалкой и «ложным днищем» (аппаратфильтр); 2. отделение биомассы от экстракта на пресс-фильтрах 4

1. 2 Извлечение продуктов из биомассы после разрушения клеточной стенки ‒ дезинтеграции Экстрагирование ферментов, липидов из дрожжевых клеток, полисахаридов 5

(Методы дезинтеграции см. Бирюков) 6

2. Экстракция из нативного раствора Продукт переходит из одной жидкой фазы (раствора) в другую жидкую фазу ‒ метод замены растворителей.

Метод основан на различной растворимости разных химических форм антибиотиков в воде и несмешивающихся с водой органических растворителях Процесс экстракции включает 2 этапа: I – приведение в контакт 2 -х несмешивающихся фаз, в одной из которых растворен продукт: происходит переход АБ из одной фазы в другую ‒ экстракция I I – последующее разделение образовавшейся эмульсии ‒ сепарация Процесс экстракции – сепарации проводится многократно. Постепенно достигается: – концентрирование от 1% до 30% 7 – освобождение от примесей

Для успешного проведения экстракции важно правильно выбрать растворитель-экстрагент.

Требования, предъявляемые к растворителю: – избирательность растворителя по отношению к целевому продукту – высокое значение коэффициента распределения k k = САБ в обогащенной фазе САБ в обедненной фазе – не смешиваться с водой (с водной фазой должно теряться ≤ 1, 5%) – не должен образовывать стойкие эмульсии при смешении – доступность и дешевизна – легкость регенерации 8

Условия максимального перехода АБ из одного растворителя в другой определяется определяются законом действующих масс: G = (Δ/R)*F*τ, где G – количество вещества, переходящего из одной фазы в другую Δ – движущая сила процесса, определяемая разностью между рабочей и равновесной концентрацией вещества R – сопротивление массы переходу из-за внутреннего трения F – поверхность фазового контакта τ – время (длительность процесса) Следовательно, 1) ‒ количество перешедшего АБ увеличивается с увеличением времени, но с течением времени рабочие концентрации приближаются к равновесным и увеличение τ не дает увеличения концентрации продукта. Кроме того, увеличение времени экстракции ведет к инактивации АБ. 2) ‒ увеличить эффективность процесса можно максимально развивая поверхность контакта между фазами: диспергирование одной из фаз и равномерное распределением ее в другой фазе. В периодическом процессе ‒ активное перемешивание. 9

3) ‒ движущая сила процесса может быть увеличена путем проведения экстракции непрерывным методом в противотоке Содержащий АБ орг. растворитель встречается с уже “обедненным” нативным раствором.

В конце процесса почти полностью насыщенный экстрагент контактирует со свежим исходным раствором. нат.

р –р Δ 2 Δ 1 орг р-ль При таком взаимодействии повышается средняя разность концентрации Δ, определяемая разностью между рабочей и равновесной концентрацией в любой из фаз в начале и в конце процесса. Δ= Δ 1 – Δ 2 2, 3*lg(Δ 1/Δ 2) 10

Для оптимального разделения и концентрации применяется двухступенчатая противоточная экстракция- сепарация 11

12

Основным законом экстракции является закон распределения Нернста. где К — коэффициент распределения; С 0‘ — концентрация компонента в водной фазе; С 0'‘ — концентрация компонента в органической фазе.

Вещество переходит в органический растворитель в неионизированном состоянии, поэтому для улучшения процесса экстракции изменяют р. Н раствора с целью уменьшения степени ионизации экстрагируемого компонента.

При экстракции веществ, способных к ионизации, пользуются несколько видоизмененным уравнением Нернста: α — степень ионизации. 13

В процессе экстракции, особенно в органической фазе, наблюдается ассоциация молекул экстрагируемого вещества с образованием ассоциатов. В таких случаях необходимо учитывать степень диссоциации ассоциатов.

Тогда уравнение распределения Нереста будет выглядеть следующим образом: α 2 — степень диссоциации ассоциатов. Уравнение справедливо в том случае, если в водной фазе имеются только мономеры, а в органической — только димеры.

Эта закономерность имеет место при выделении и очистке многих антибиотиков экстракцией. 14

Если при экстракции происходят ионизация экстрагируемого компонента в водной фазе и образование ассоциатов в органической фазе, то коэффициент распределения следует определить по формуле: В таких системах при изменении р.

Н раствора ионизация экстрагируемого вещества изменяется и, следовательно, изменяется коэффициент распределения.

Для вещества кислотного характера это изменение можно выразить следующей зависимостью: где Ка часто можно определить потенциометрическим титрованием; К — 'коэффициент распределения — также быгаает известен.

В данном случае справа мы имеем уравнение Лэнгмюра, которое показывает, что с повышением концентрации ионов водорода в растворе насыщение органической фазы веществом кислотного характера увеличивается до определенного значения и затем 15 не изменяется.

Жидкофазная экстракция наиболее часто используется для выделения антибиотиков Представителями антибиотиков, для выделения и очистки которых до сих пор наиболее успешно применяется экстракционный метод, являются пенициллины (бензилпенициллин.

феноксиметилпенициллин) После предварительной обработки КЖ и отделения продуцента нативный раствор пенициллина направляют на экстракцию бутилацетатом. В производстве экстракцию пенициллина осуществляют при р. Н 1, 9 -2, 2. р.

Н раствора обычно доводят до 2, 0 серной кислотой, таким образом исключая возможность кислотной ионизации пенициллина в водной фазе. Неионизированная пенициллиновая кислота легко переходит в 16 органическую фазу.

Коэффициент распределения между бутилацетатом (наиболее широко используемым растворителем в промышленности) и водой (при 0°С) меняется следующим образом: р. Н 4 2, 5 0 Кр 1, 8 35 50 -60 Реэкстракцию пенициллина из бутилацетата осуществляют слабыми растворами щелочей или буферными растворами с р.

Н 6, 8— 7, 0, и пенициллин в виде соли снова переходит в водную фазу нативный р-р → Pen. COOH → Pen. COONa орг. р-ль вода Для получения пенициллина более высокой степени чистоты и для концентрирования раствора бутилацетатную экстракцию повторяют и проводят вторую щелочную или буферную экстракцию.

17

Экстракция с переносчиком Переход экстрагируемого компонента из водной фазы в органическую в этом случае экстракции происходит с образованием комплексного соединения с гидрофобным переносчиком (гидрофобизации молекул антибиотика переносчиком).

В качестве переносчиков, как правило, используются вещества кислотного или основного характера с длинной углеводородной цепью (С 10—С 30), фенолы, сульфокислоты, олеиновая кислота, цетазол. Олеиновая кислота, например, взаимодействует со стрептомицином, образуя соль с большей энергией сольватации в органической фазе.

Как следствие, экстрагируемый компонент (стрептомицин) в большей степени переходит в органическую фазу. 18

Переносчик может находится как в водной, так и в органической фазе.

В случае, когда переносчик (В) находится в водной фазе, экстракцию вещества А можно представить следующим образом: Если переносчик (В-С+) находится в органической фазе, экстракцию вещества А можно представить следующим образом: В этом случае мы имеем уравнение ионного обмена, и к нему можно применить все законы ионного обмена Таким образом, если перенос осуществляется с помощью неионизированного переносчика, то используется уравнение 2, если переносчик ионизирован, то уравнение 1 19

Методом экстракции с переносчиком можно выделять аентибиотики тетрациклиновой группы Наличие в молекуле этих антибиотиков одной основной и двух кислотных (фенольный и енольный ) групп позволяет использовать в качестве переносчиков этих соединений вещества основного и кислотного характера.

Исследования по экстракции тетрациклина показали возможность его экстракции на 95— 97% 5% раствором цетазола в бутилацетате или изоактиловом спирте, взятом в количестве 15% от объема нативного раствора, за 1 мин.

Последующую реэкстракцию тетрациклина из органической фазы растворами соляной, фосфорной, лимонной кислот позволяет получать растворы с концентрацией 40000— 50000 ЕД/мл, но интенсивной темной окраски.

Реэкстракция тетрациклина 4— 5% раствором щавелевой кислоты позволяет получить растворы с концентрацией антибиотика 35 000— 45 000 ЕД/мл со светлой окраской реэкстракта. 20

АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭКСТРАКЦИИ 21

Экстракция периодическим способом Проводят в аппаратах с мешалками. Разделение ‒ гравитационная сепарация. Разделение проводят в том же аппарате (ставится смотровое окно) или в делительных воронках.

Периодический метод: 1. малопроизводителен , 2. непригоден для растворов, образующих стойкие эмульсии , 3. не дает полного извлечения, 4. длителен во времени, влечет за собой инактивацию, 5.

большие потери за счет неполного разделения. 22

23

Экстракционное оборудование для непрерывных процессов. Типы смесителей и сепараторов Контактирование (смешение): 1. Горизонтальные экстракторы 2. Изогнутый контактор Питерских) (труба 24

3. Контактор – циклон 4. Струйный жидкостный инжектор Нагнетаемая жидкость – нативный р-р Подсасывающая жидкость – растворитель 25

Разделение: Используют – сепараторы (тарельчатые) суперцентрифуги (трубчатые) Основной элемент этих машин – вращающийся с большой скоростью ротор-барабан. Скорость: 4 – 7 тыс об/мин. – сепараторы 13 -15 тыс об/мин.

– суперцентрифуги Развиваемые центробежные силы в 1000 раз превышают силу гравитации, что позволяет разделять стойкие эмульсии.

В сепараторе пространство барабана разделено съемными конусообразными тарелками на тонкие слои – «тонкослойная сепарация» Пространство между тарелками 0, 4 -2 мм. САЖ-3, САЖ 3 М (2, 5 м 3/час) «Вестфалия» (5 -7 м 3/час) 26

Саморазгружающийся тарельчатый сепаратор фирмы «Альфа-Лаваль» 1 – электродвигатель, 2 – тормоз, 3 – червячный редуктор, 4 – вал, 5 – подвижное днище, 6 – разгрузочные щели, 7 – пакет тарелок, 8 – ротор, 9 – кожух, 10 – напорный диск легкой жидкости, 11 – напорный диск тяжелой жидкости. Потоки: Ι – исходная жидкость, ΙΙ – легкая жидкость, III – тяжелая жидкость, ΙV – осадок 27

28

Экстракторы-сепараторы камерного типа «Россия» 2 -х камерный А- струйное перемешивание I ступени Б- струйное перемешивание I I ступени В – сепарация смеси I ступени Г – сепарация смеси I I ступени 1 – ввод легкой жидкости в барабан 2 – вывод легкой фракции 3 – ввод тяжелой жидкости 29 4 – вывод тяжелой фракции

Две камеры – расположены навстречу другу. Переход извлекаемого вещества из одной фазы в другую происходит ступенчато: в каждой камере последовательно осуществляется их смешение и сепарация. Экстракция происходит в струйном экстракторе – инжекторе. Разделение – сепаратор с коническими тарелками.

«Россия» : производительность – 10 м 3час, время экстр. 11 сек. , Нативный раствор поступает в сопло в нижнем комплекте тарелок, турбулентно смешивается с частично насыщенным растворителем. В верхнем комплекте тарелок частично насыщенный растворитель донасыщается и выводится из аппарата.

Частично отработанный нативный раствор отбрасывается к периферии и по каналам переходит в сопло, где смешивается со свежим растворителем. Поступает на нижний комплект тарелок, где разделяется. Частично насыщенный растворитель идет на встречу со свежим нативным раствором.

Примеси, содержащиеся в нативном растворе отбрасываются на периферию и скапливаются в грязевых карманах. 30

Увеличивая число камер смешения и разделения можно обеспечить полноту процесса, большую эффективность экстракции. Экстрактор-сепаратор «Робатель» : 4 -8 камер, смешение с помощью «Робатель» дисковых диспергаторов. Состоит из неподвижной и подвижной частей.

Перемешивание идет на дисках (неподвижная часть). Легкая фаза, растворитель, подается на нижний комплект, тяжелая фаза – в верхнюю камеру. Создается противоток. Между дисковыми диспергаторами идет перемешивание.

Обеспечивается высокая степень диспергирования, 31 контактирования.

Экстракторы-сепараторы дифференциальноконтактного типа Центробежный экстрактор: . 1 – станина, 2 – вал ротора, 3 – кожух, 4–ротор, 5 – перфорированные концентрические цилиндры. Потоки: ЛФ – лѐгкая фаза, ТФ – тяжѐлая фаза 32

Массообмен протекает непрерывно, без разделения на отдельные ступени в результате турбулентного контакта двух встречных потоков, двужущихся по каналам, образованным специальными перегородками. Центробежная сила используется не только для разделения, но и для смешения (экстракции).

Тяжелая жидкость вводится ближе к оси ротора, а легкая к периферии непрерывно. За счет центробежных сил тяжелая жидкость будет отбрасываться к периферии, а легкая к оси, т. е. обеспечивается противоток. Перегородки могут быть горизонтальными и вертикальными.

Горизонтальные машины: Подбильняк (США), ЭГН (Россия), Водан (Чехия), Хитачи (Япония) 33

Центробежный экстрактор Подбильняка: а) общий вид; б) схема насадки в виде концентрических цилиндров. 34

35

Типичный пример центробежных экстракторов дифференциальноконтактного типа — экстрактор Подбильняка Экстрактор имеет цилиндрический ротор 2, жестко закрепленный на полом валу 10. Ротор заключен в кожух 4 со съемной крышкой 9 и вращается совместно с валом в двух опорах станины 3.

На концах полого вала имеются каналы, через которые легкая ЛФ и тяжелая ТФ фазы раздельно подаются в ротор и отводятся из него. Полый вал отделен от неподвижных коллекторов специальными торцовыми уплотнениями 1. Вал получает вращение от электродвигателя через клиноременную передачу 5.

Корпус ротора состоит из внутренней 6 и наружной 7 концентрических обечаек, закрытых с торцов боковыми стенками. Внутри ротора находится пакет 8 перфорированных концентрических цилиндров. От формы перфораций существенно зависит эффективность массообмена.

Жидкости подаются в аппарат под избыточным давлением, причем тяжелая фаза поступает в ротор через сопла у его внутренней обечайки б, а легкая — через сопла у наружной обечайки 7. Через контактные элементы (перфорированные цилиндры) жидкости движутся противотоком, многократно смешиваясь и разделяясь в каналах между цилиндрами.

Проконтактировавшие фазы удаляются через каналы в полом валу 10. Уровень раздела фаз в этих аппаратах регулируют изменением давления на выходе тяжелой фазы. Центробежные экстракторы такого типа относятся к напорным аппаратам, поскольку жидкость в них подается под избыточным давлением. 36

Типы перегородок соосные цилиндры спираль l=30 м конические перегородки гофрированные соосные цилиндры 37

Вертикальные машины: Альфа-Лаваль (Швеция) 38

Сравнительная характеристика экстракторов-сепараторов Показатель Россия Подбильняк α-Лаваль АВЕ-216 ЭГН Хитачи D барабана, мм 600 660 700 914 τ контакта фаз, сек 15 15 10 – 30 25 30 V ротора, л 30 30 70 30 200 V л. ф. /Vт. ф. л. ф.

/V (степень концентрирования) 1/41/3 1/6 – 1/7 1/3 – 1/5 1/6 1/5 Производительность по л. ф.

, м 3/час 8 8 5 -9 5 6, 8 Число теоретических ступеней контакта 2 6 9 – 20 ~5 9 – 20 Скорость вращения ротора, об/мин 4500 2500 6000 4000 1900 Процент извлечения (по пенициллину) 90 98 98 83 98 39

Самый эффективный экстракторсепаратор «Альфа-Лаваль» со встроенной спиралью. Концентрические перегородки снабжены спиральными крыльями. Спираль в одной перегородке поднимает жидкости, а в соседнем канале жидкости спускаются по спирали. Это обеспечивает максимальную турбуленизацию.

На машинах можно разделить жидкости с разностью плотностей 0, 015 г/см 3. В центре – зона отстаивания. Тяжелая фаза подается на третий от центра ротора комплект цилиндров, а легкая фаза подается на предпоследнюю перегородку.

Первые три служат для отстаивания, задерживания легкой фазы, а предпоследние 40 для тяжелой фазы.

Чтобы предотвратить унос одной фазы другой предусмотрены зоны отстаивания. В барабане экстрактора два жидких компонента принудительно протекают по принципу противотока, по каналам общей длиной 26 м. Барабан экстрактора содержит цилиндры, снабженные спиралями, через которые жидкость проходит по каналу, ограниченному стенкой цилиндра и спиралью.

От дна цилиндра этот канал поднимается по спирали к верхней части. У верхней части цилиндра имеется ряд отверстий, через которые жидкость сможет проходить в следующий цилиндрический канал. В этом цилиндре спирали идут в противоположном направлении по отношению к предыдущему. Затем эти спирали отпускаются вниз относительно находящихся там отверстий.

Легкая фаза подается по проходам периферии машины на предпоследний ряд цилиндров, а тяжелая фаза на третий ряд перегородок. После прохождения по всем экстракционным цилиндрам легкая фаза поступает в зону сепарирования в центре барабана, где отделяются остатки сопутствующей тяжелой фазы. Чистая легкая фаза выходит из барабана экстрактора в центре.

Тяжелая фаза проходит по концентрическому каналу в рабочем валу в одно из внутренних пространств цилиндра, отбрасывается к наружной стенке канала и проходит по каналу к отверстиям, через которые попадает в канальное пространство, находящееся снаружи цилиндра и т. д. (зигзагообразный путь).

Наконец, тяжелая фаза попадает в наружное пространство для сепарирования (в самое крайнее), где освобождается от остатков легкой фазы и выгружается из экстрактор через выход тяжелой фазы (с периферии по каналу), Таким образом, жидкости движутся по истинно противоточному принципу. Фазы перемешиваются в отверстиях и на спиралях цилиндра.

Но все время этого прохождения имеет место параллельный эффект сепарирования (легкая фаза концентрируется у внутренней стенки канала) и это обеспечивает эффективное, многоступенчатое противоточное экстрагирование. Тяжелая фаза концентрируется у наружной стенки канала. Таким образом, в дифференциально-контактном экстракторе-сепараторе нет узлов смешения и разделения.

Масса обмен происходит в результате турбулентного противоточного смешения фаз в отверстии перегородок и на спиральных перегородках канала (альфа-Лаваль) все время работы имеет место параллельный эффект сепарирования.

Это обеспечивает эффективное многоступенчатое противоточное экстрагирование (в Лавале до 20 ступеней контакта, сколько перегородок, столько и ступеней контакта). В целом, дифференциально-контактные экстракторы-сепараторы более 41 производительные, имеют больше ступеней равновесия, чем камерные экстракторы-сепараторы. Степень концентрирования у них выше.

Пути усовершенствования экстракционного оборудования 1. Для повышения степени экстракции для камерных экстракторовсепараторов: увеличение количества камер, удлинение межфазового контакта, различные профили и перфорация тарелок. 2.

Для увеличение степени разделения жидкости (снижение величины уноса одной фазы другой): установка напорных дисков, задерживающих одну из фаз в барабане. 3. Повышение степени маневренности машины.

Возможность широкого регулирования производительности, устойчивой работы с разными по физическим свойствам жидкостями. 4. Улучшение эксплуатационных возможностей машин.

Пригодность для переработки жидкостей, содержащих взвешенную фазу, возможность отделения осадка при контактировании исходной жидкости и экстрагента. 42 Это – конструкции со специальными карманами для накопления шлама и с дополнительной сепарационной камерой.

Достоинства экстракционного метода выделения: 1. обеспечивает высокую степень чистоты продукта; 2. коэффициент распределения велик, поэтому очень быстро достигается сокращение объемов растворителя; 3.

протекают значительно быстрее ионообмена; 4. возможность организации непрерывного процесса Недостатки: 1. большое количество органических растворителей, что ведет за собой огнеопасность, взрывоопасность, токсичность 2.

применяется дорогое, сложное и энергоемкое оборудование. 43

Технологическая схема химочистки пенициллина 44

45

На химочистку поступает нативный раствор Pen в виде натровой соли. Чтобы перевести в органический растворитель и сконцентрировать, Pen переводят в форму кислоты. Нативный р-р смешивают в насосе-смесителе с серной кислотой, подкисляют до p. H = 1, 9 -2, 2.

Переход Pen из водной фазы в бутилацетат в машине «Альфа-Лаваль» : концентрирование в 2 раза, активность в 2 -3 раза выше. В обработанном нативном р-ре остались соли и др. примеси. 1, 5% бутилацетата содержится в нативном растворе, бутилацетат отгоняют с паром (азеотропная смесь). Далее Pen переводят в водный раствор. Температура 4 -6 о. C.

Емкости, куда принимается бутилацетатный экстракт, снабжены на дне змеевиками. Бутилацетат поступает в экстрактор охлажденный. Содовое извлечение бикарбонатом натрия, добавляется 0, 7 -1, 2%. Pen переходит в содовый р-р в виде натровой соли. Освободились от органики, которая не образует натровых солей. Подкисление и вторая бутилацететная экстракция.

Смешивается буферный экстракт со слабой серной кислотой и подается на экстрактор. Происходит концентрирование. Вымораживание (обезвоживание), фильтрация от кристаллов льда. Осветление углем, двойная фильтрация. Фильтры охлаждаются рассолом. В бутилацетатном экстракте присутствует вода. Примеси удаляют с этой водой отгонкой.

Выделение K-соли ацетатом калия (щелочная экстракция) Ацетат калия предварительно растворяют в обессоленной воде, фильтрууют. Далее щелочная экстракция K-соли ФМП, K-соль Pen в бутилацетате не растворяется, выпадает. 46

47

Источник: https://present5.com/ekstrakcionnye-metody-vydeleniya-produktov-mikrobiologicheskogo-sinteza-1/

Методы экстракции

Экстрагирование: Экстракционные методы выделения продуктов, используемые в

При экстракциинеорганических веществ обычно извлекаютодно или несколько веществ из воднойфазы одним экстрагентом.

При разделенииэкстракцией смесей органических веществв зависи­мости от числа применяемыхэкстрагентов различают:

  1. экстракцию одним экстрагентом в системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов исходного раствора и экстрагента);

  2. экстракцию, двумя экстрагентами (фракцион­ная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами).

Экстракция однимэкстрагентом наиболее распространена.Рассмо­трим разные варианты этогопроцесса на примере ступенчатойэкстракции, различные способы осуществлениякоторой приведены ниже.

Одноступенчатая(однократная) экстракция.Этот простейший метод заключается втом, что исходный раствор Ри экстрагентSперемешиваются в смесителе 1 (рис.

ХIII-8),после чего разделяются на два слоя:экстракт Еи рафинатR.Разделение обычно происходит всепараторе-отстойнике 2.

При такомоднократном взаимодействии экстрагентаи исходного раствора при достаточномвремени контакта могут быть получе­ныблизкие к равновесным составы экстрактаи рафината.

Рис.ХIII-8 Схема одноступенчатой экстракции: 1 —смеситель; 2 — сепаратор-отстойник.

Таким образом,количество экстрагируемого веществафиксировано законом равновесногораспределения и степень его извлеченияявляется относительно низкой.

Степеньизвлечения можно повысить путемувели­чения количества используемогоэкстрагента, но с увеличением объемногосоотношения потоков экстрагента иисходного раствора снижается кон­центрацияэкстракта, что удорожает извлечениеконечного продукта.

По этим причинамодноступенчатую экстракцию применяютв промышленной практике лишь в техслучаях, когда коэффициент распределенияочень высок. Процесс может проводитьсякак периодически, так и непрерывнымспособом — при непрерывном возвратеэкстрагента в смеситель (после его регенерации).

Многоступенчатаяэкстракция при перекрестном токе.Экстракция этим способом проводится внескольких ступенях (рис. ХIII-10),через которые последовательно движетсяисходный раствор, причем во всех ступенях,начиная со второй, исходным растворомявляется рафинат R1,R2,R3,…,Rп-1с предыдущейступени.

Общее количествосвежего экстрагента разделяется начасти и подво­дится в количествах S1,S2,S3,…., Sn,как показано на рис. ХIII-10,а, параллельнона все ступени.

Рис.ХIII-10.Схема многоступенчатой экстракции приперекрестном токе (а)иизображение процесса на диаграмме У—X(б): 1, 2, 3, …. п— ступени.

Изображениепроцесса в прямоугольной диаграммеприведено на рис. ХШ-10, б.Построениена диаграмме проведено так же, как дляпро­цесса одноступенчатой экстракции.При этом предполагалось, что экстрагенти растворитель исходного растворанерастворимы друг в друге, экстрагентравномерно распределяется междуступенями и содержит не­котороеколичество экстрагируемого компонента,т. е.

имеет начальную концентрацию хEo.При достаточнобольшом числе ступеней указаннымспособом можно получать практически вчистом виде компонент А,остаю­щийсяв рафинате, т. е. растворитель исходногораствора.

Однако это свя­зано с большимипотерями данного компонента и уменьшениемего выхода, так как на каждой ступенинекоторая часть компонента Аудаляетсяс экстрактом.

На каждую последующуюступень в качестве исходного растворапо­ступают все более обедненныеэкстрагируемым компонентом рафинатыR1,R2,R3,…,Rп-1 поэтомуконцентрации экстрактов снижаются отпер­вой 1к последнейп)ступени. Врезультате для получения рафинатавысокой чистоты требуются большиеобъемные соотношения экстрагента иисходного раствора, т. е. большой суммарныйрасход свежего экстраген­та, чтосвязано со значительным удорожаниемпроцесса его регенерации. Вследствиеуказанных недостатков описанный способэкстракции находит ограниченноеприменение в промышленности. Так, егоиспользуют в тех случаях, когда необходимополучить, не считаясь с потерями, ввесьма чистом виде компонент А и когдадля этой цели можно применять деше­выйэкстрагент (например, воду), причем нетребуется регенерации экст­рагента.

Многоступенчатаяпротивоточная экстракция.Экстракция по этой схеме (рис. ХIII-11)особенно часто применяется в промышленности.Исходный раствор Ри экстрагент5 поступают с противоположных концовустановки, состоящей из последовательносоединенных ступеней, и движутсяпротивотоком друг к другу.

Конечныйэкстракт Еnудаляетсяиз первой ступени установки, а конечныйрафинат Rп— из последнейступени.

При этом на последней (n-ой)ступени рафинат Rп-1наиболееобедненный экстрагируемым компонентомВ, взаимодействует со свежим экстрагентом5, не содержащим (или содержащимнезначительное коли­чество) этогокомпонента, а на первой ступени наиболееконцентрирован­ный раствор компонентаВ (исходный раствор) взаимодействует сблиз­ким к насыщений этим компонентомэкстрагентом Е2.Благодаря этому выравнивается движущаясила на концах установки, достигаетсявысокая средняя движущая сила процессаи осуществляется наиболее полноеиз­влечение экстрагируемого компонентаиз исходного раствора.

Рис.ХIII-11. Схема многоступенчатой противоточной экстракции (1, 2, ..„ n—1,n—ступени).

При одинаковойчистоте конечного рафината в процессепротивоточной экстракции значительноуменьшается расход экстрагента иувеличи­вается выход рафината, нотребуется большее число ступеней посравне­нию с экстракцией при перекрестномтоке. С технико-экономической точкизрения многоступенчатая противоточнаяэкстракция является более эф­фективнымпроцессом, чем экстракция в перекрестномтоке.

Многоступенчатаяпротивоточная экстракция с флегмой.Для того что­бы повысить степеньразделения исходного раствора накомпоненты, при экстракции, по аналогиис ректификацией, используют иногдаорошение аппарата флегмой.

В процессахэкстракции без применения флегмыконцентрация экстракта, выходящего измногоступенчатого аппарата, не можетбыть выше равновесной, соответствующейконцентрации исход­ного раствора,что ограничивает степень разделения.При использовании флегмы (рис.

ХIII-15)экстракт E1направляется, как обычно, в установкудля регенерации, где из него отгоняютвозможно большее количества экстрагентаSрег.Однако в данном случае установка длярегенерации является аналогом дефлегматорав процессе ректификации.

Выходящий изнее остаточный продукт делится на двечасти: одна часть отводится в видеэкстракта Еnдругаячасть возвращается в аппарат в видефлег­мы Sфл.

Поток флегмы, поступающей в аппарат настороне отбора экстрак­та, вымываетиз последнего частично или полностьюрастворенное в нем некоторое количествоисходного растворителя (компонента А),причем-удаленныйиз экстракта компонент Ав конечномсчете переходит в рафинат. В результатестепень разделения увеличивается ивыход рафината возрастает.

Рис.ХIII-15.Схема многоступенчатой противоточной экстракция с флегмой (1, 2. ,.., n—1,n—ступени).

Возврат частиэкстракта в виде флегмы, улучшаяразделение и повы­шая чистоту конечныхпродуктов, приводит вместе с тем кувеличению» расхода экстрагента (чтоэквивалентно большему расходу теплапри ректификации), увеличению размерови удорожанию экстракционной установки.Поэтому выбор доли возвращаемогоэкстракта, соответствую­щей флегмовомучислу при ректификации, долженпроизводиться на ос­новетехнико-экономического расчета.

Отмечая сходствопроцессов экстракции и ректификации,где анало­гом экстракта являетсяпаровая фаза, аналогом рафината — жидкаяфаза, а относительная летучестькомпонентов подобна избирательностипри экстракции, следует подчеркнуть,что эта аналогия не полная.

Так,использование флегмы при экстракциисвязано с определенными ограни­чениями.Например, возврат флегмы должен бытьтаким, чтобы составы» смесей жидкостей(экстракта и рафината) соответствовалидвухфазной области на треугольнойдиаграмме, т. е.

чтобы этот возврат неприводил к полной взаимной растворимостикомпонентов.

В принципе возможнотакже использование флегмы рафината,но ее применение значительно менееэффективно, чем орошение экстрактом,и, по-видимому, нецелесообразно.

Многоступенчатаяэкстракция двумя растворителями(экстрагентами).Процесс экстракции двумя несмешивающимисядруг с другом экстраген­тами носитназвание фракционной экстракции.

Применение в качестве экстр агентаоднородной смеси из двух, а иногда ибольшего числа компонентов позволяетповысить его селек­тивность, а такжеизменить некоторые другие свой­ства,влияющие на массопередачу, например,сни­зить межфазное натяжение илиуменьшить вяз­кость.

Процесс фракционнойэкстракции отличает­ся наибольшейразделяющей способностью по срав­нениюс другими методами экстрагирования,опи­санными выше.

В простейшем случаев процессе участвуют че­тыре компонента:два компонента исходного раст­вора(А+В) идва экстрагента (S1+S2).

Один из экстрагентов, например S1извлекает преиму­щественно компонентВ иобразует фазу экстракта, а другойэкстрагент S2,в котором растворяется глав­нымобразом компонент A,образует фазу рафината.

Процесс проводитсяпри ступенчатом или непре­рывномвзаимодействии компонентов.

На рис. ХIII-16показана схема непрерывной фракционнойэкстракции, проводимой в колонномаппарате.

Исходная смесь Рпоступаетв среднюю часть экстракционной колонны1, болеетяжелый экстрагент S2подается в верхнюю часть колонны, аболее легкий S1— в ее нижнюю часть.

Экстракт (S1+В)и рафинат(S2+ А) отбираютсяс проти­воположных концов колонны.ЭкстрагентыS1и S2 извлекаютсясоответственно в установках 2и 3.

Экстрагент S1называется экстрагирую­щим.Соответственно часть колонны междуточка­ми ввода этого экстрагента иисходного раство­ра, где осуществляетсяобогащение экстракта, носит названиесекции экстр акции (секция ана рис.ХIII-16).

Экстрагент S2называется промывным, а нижняя частьколонны (между точками ввода ис­ходногораствора и экстрагента S2),в которой происходит очистка, илиисчерпывание, рафината, — секциейотмывки (секция б).

В не­которых случаяхфракционную экстракцию проводят сорошением аппа­рата флегмой.

Рис. ХШ-16. Схема фракционной экстрак­ции в колонном ап­парате: а-секция экстракции; б-секция отмывки; 1-экстракционная колонна; 2, 3-установки для ре­генерации каждого из экстрагентов соответственно.

Нетрудно заметить, чтомежду процессами фракционной экстракциии ректификации также имеется аналогия,которая уже отмечалась выше. Можноотметить также, что, в отличие оторганических веществ, не­органическиевещества при выделении их экстракциейобычно присутст­вуют в исходном водномрастворе, из которого они извлекаютсяоргани­ческим экстрагентом. Ихвыделение, по существу, со­ответствуетпроцессу экстракции двумя растворителями(вода +орга­нический экстрагент).

Экстракция двумяэкстрагентами применяется главнымобразом для разделения веществ с близкойрастворимостью, например, смесей редкоземельных элементов. Этот метод экстракциитребует значительных рас­ходовэкстрагентов и поэтому являетсяотносительно дорогим.

УСТРОЙСТВОЭКСТРАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ

В зависимости отвида контакта между жидкими фазамиэкстракторы, как и другие массообменныеаппараты, бывают: 1) ступенчатые, гдеизменение состава фаз происходитскачкообразно, от ступени к сту­пени,из которых состоит аппарат; 2)дифференциально-контактные, в которыхизменение состава фаз приближается кнепре­рывному.

Обычно в экстракторахдля создания возможно большей поверхностиконтакта фаз и, соответственно, дляувеличения скорости массопередачи однаиз жидкостей (дисперсная фаза)распределяется в другой жидкости(сплошная фаз а) в виде капель.

В зависимостиот ис­точника энергии, используемойдля диспергирования одной фазы в дру­гойи перемешивания фаз, экстракторы каждойиз указанных выше групп могут бытьподразделены на аппараты, в которыхдиспергирование осу­ществляется засчет собственной энергии потоков (безвведения допол­нительной энергииизвне), и аппараты с введением внешнейэнергии во взаимодействующие жидкости.Эта энергия подводится посредствомме­ханических мешалок, сообщенияколебаний определенной амплитуды ичастоты (пульсаций или вибраций), путемпроведения экстракции в поле центробежныхсил и другими способами.

В экстракторахпосле каждого процесса перемешиванияследует раз­деление (сепарация) фаз.В зависимости от рода сил, под действиемкото­рых осуществляется сепарация,различают экстракторы с разделениемфаз в поле сил тяжести — под действиемразности удельных весов фаз (гравитационныеэкстракторы) и экстракторы с разделениемфаз в поле центробежных сил (центробежныеэкстракторы).

Вместе с тем попринципу организации процесса всеэкстракторы могут быть разделены напериодически действующие и не­прерывнодействующие.

В настоящее времяаппараты периодического действияприменяются главным образом в лабораторнойпрактике и сравнительно редко — впромышленных установках малойпроизводительности.

Приведеннаяклассификация не отражает всехконструктивных осо­бенностей аппаратоводного и того же типа; важнейшие из этихособен­ностей будут отмечены нижепри рассмотрении экстракторов различныхтипов.

Источник: https://studfile.net/preview/6217388/page:2/

Экстракция как метод выделения биологически активных соединений: краткий обзор

Экстрагирование: Экстракционные методы выделения продуктов, используемые в

WIN KOI DOS ISO MAC LAT

СТАТЬИ

Экстракция как метод выделения биологически активных соединений: краткий обзор

к.х.н. Т. Ширшова с.н.с. лаборатории биохимии и биотехнологии растений

e-mail: kolegova@ib.komisc.ru, тел. (8212) 21 14 67

Научные интересы: биоорганическая химия, химия алкалоидов, липидов, сапонинов

Экстракция – один из древней ших методов выделения биологически активных веществ (БАВ) из природных растительных источников и в настоящее время остается основным методом при получении БАВ.

В научной лаборатории многообразие видов экстрагируемых органических веществ способствовало созданию и развитию большого разнообразия методов экстракции, которые применяют не только для выделения БАВ из растительного сырья, но и для разделения смеси веществ и очистки индивидуальных органических соединений от примесей.

Одним из наиболее чувствительных методов разделения и определения чистоты небольших (миллиграммовых) количеств природных и синтетических органических соединений является противоточное распределение.

Новые методы противоточной экстракции с большой разделительной способностью в настоящее время непосредственно связаны с развитием хроматографических методов: экстракция твердого вещества жидкостью – с адсорбционной хроматографией, экстракция жидкости жидкостью – с распределительной хроматографией. Очень часто между этими процессами нельзя провести четкой границы. Для некоторых видов экстракции исторически возникли названия, которые постоянно пополняются новыми, отражая специфику или нюансы конкретного метода экстракции. Наиболее часто применяют простые в исполнении и результативные методы: мацерация, дигерирование, перколяция, перфорация и экстрагирование.

Метод мацерации заключается в том, что вещество в твердой фазе в измельченном растительном источнике экстрагируют многократно при нормальной температуре небольшими порциями растворителя.

Дигерирование отличается от мацерации лишь тем, что экстракция проводится при нагревании.

При использовании метода перколяции вещество в твердой фазе экстрагируют растворителем при нормальной температуре противоточным методом.

Простое экстрагирование заключается в том, что вещество экстрагируют из раствора одной порцией растворителя. Если экстракция повторяется несколько раз, то это повторное и/или фракционное экстрагирование. Если вещество непрерывно экстрагируют растворителем из раствора, то такой метод носит название перфорация. При использовании противотока процесс называется противоточной перфорацией.

Эффективность любого вида экстракции твердого вещества жидкостью зависит прежде всего от его растворимости и скорости перехода из одной фазы в другую. Растворимость можно изменить, подбирая соответствующий растворитель, в который переходит преимущественно требуемое вещество, а присутствующие загрязнения остаются в твердой фазе.

Скорость перехода вещества из твердой фазы в раствор определяется, в основном, скоростью проникновения жидкости в твердую фазу, скоростью диффузии вещества в жидкости и скоростью удаления вещества с поверхности раздела фаз. В отличие от системы двух жидких фаз равновесие на границе твердой и жидкой фаз наступает очень медленно.

Ускорить приближение к равновесному состоянию можно путем увеличения поверхности твердой фазы за счет измельчения образца или постоянной подачей свежего растворителя на границу фаз.

Кроме того, можно ускорить достижение равновесия посредством простого перемешивания (при мацерации и дигерировании) или при помощи противотока (при перколяции).

Мацерация представляет собой простейший в исполнении и техническом оснащении способ экстракции, когда твердую фазу размешивают с растворителем и отфильтровывают. Тщательное измельчение повышает степень экстрагирования твердого вещества.

Эффективность процесса увеличивается также при применении избытка растворителя, постоянном перемешивании и при тщательном отделении экстракта от сырья.

Повторная мацерация несколькими меньшими порциями свежего растворителя дает лучшее извлечение, чем мацерация в один прием всем количеством растворителя.

При перколяции – противоточной экстракции – в научных лабораториях используют перколяторы и экстракторы. Наиболее часто применяют экстрактор Сокслета, при помощи которого можно проводить непрерывную экстракцию в течение нескольких суток.

Для выделения БАВ из растительного сырья используют весь спектр методов экстракции. Как правило, первым этапом при предподготовке сырья к экстракции БАВ является удаление липидов. Чаще всего для этих целей используют нейтральные растворители, спирты и их смеси [4, 6].

Одновременно с липидами при обработке надземной части растения, богатой хлорофиллом, удаляют большую часть зеленых и желтых пигментов, что значительно облегчает дальнейшее выделение искомых соединений. Так, одна из схем выделения фитоэкдистероидов из рдестов (р.

Potamogeton) в качестве начального этапа предусматривает обработку воздушно-сухого растительного сырья гексаном и/или хлороформом [8].

При выделении стероидных гликозидов из диоскореи (Dioscorea deltoidea и D. caucasica) сухие измельченные корневища обезжиривали диэтиловым эфиром в аппарате Сокслета, а лиофильно высушенные клетки культуры D. deltoidea обезжиривали перколяцией хлористым метиленом [1].

Освобождение от общих липидов подземных органов и соцветий луков (Allium nutans и A. cernuum) при выделении стероидного сапогенина диосгенина проводили также перколяцией хлороформом в аппарате Сокслета [2].

Однако, если липиды являются искомым объектом исследования, то для полноты их извлечения используют различные растворители или смеси растворителей: хлороформ, гексан, диэтиловый эфир, ацетон, спирты и их смеси.

Известно, что многие липиды являются важнейшими биологическими эффекторами, регуляторами и медиаторами, участвующими практически во всех физиологических процессах. Поэтому внимание к липидам лекарственных и других полезных растений, их функциям и биологическим свойствам в последнее время растет.

Выделение индивидуальных липидов из исходного материала обычно включает несколько этапов.

Первым этапом является разрушение ткани путем измельчения сухого сырья, следующим – экстракция нейтральных липидов, затем экстракция суммы фосфо- и гликолипидов с последующим фракционированием и выделением чистых веществ. Полноту извлечения липидов обеспечивает максимальное размельчение материала.

Полярные растворители, такие, как метанол и этанол, которые разрушают водородные связи и ослабляют электростатическое взаимодействие липидов с белками, наиболее эффективно экстрагируют липиды.

Использование спиртов для экстракции фосфолипидов удобно и тем, что они дезактивируют большинство липолитических ферментов, которые в активной форме вызывают деградацию липидов [4, 6]. Длительность экстракции и полноту экстрагирования, а также способ и условия проведения экстракции определяют в каждом конкретном случае.

На практике для выделения липидов чаще всего используют два основных рутинных метода экстракции, позволяющих количественно извлекать липиды практически всех классов из самой ткани и ее фракций.

Наиболее распространенным является метод Фолча, согласно которому экстракцию проводят смесью хлороформ-метанол (2:1) из расчета 20 частей экстрагирующей смеси на одну часть ткани. Этот метод позволяет получить достаточно высокий выход нейтральных липидов, диацилглицерофосфолипидов и сфинголипидов.

Лизофосфолипиды переходят в раствор лишь частично, а более полярные кислые липиды могут теряться при промывке экстракта растворами солей и водой. Однако при повторных экстракциях и ограничении промывок выход липидов можно повысить до количественного.

Другой метод предложен Блайем и Дайером, когда экстракцию липидов осуществляют смесью хлороформ-метанол (1:1) из расчета две части смеси на одну часть ткани. Однако и в этом случае при промывке водой наиболее полярные кислые фосфолипиды и лизофосфолипиды переходят в водную фазу и теряются.

В зависимости от химической природы липидов используют модифицированные методы извлечения. Заменив смесь хлороформ-метанол на смесь хлороформ-2 %-ный раствор уксусной кислоты в метаноле, можно повысить выход полярных липидов. Впоследствии для этих же целей была применена смесь хлороформ-метанол-1М соляная кислота (4:2:3).

При экстракции нейтральных и общих липидов часто используют неполярные растворители, такие, как хлороформ, гексан, диэтиловый эфир. Естественно, что при этом теряется большое количество полярных липидов.

При выделении нейтральных липидов из семян лекарственных растений, в том числе из “маральего корня” (Rhaponticum carthamoides), использовали гексан [3]. При этом был получен высокий выход (20 %) общих липидов (ОЛ), сравнимый с выходом растительных масел (подсолнечное, маковое).

При экстракции ОЛ из семян R. carthamoides хлороформом был получен такой же высокий выход (20 % сухой массы семян) ОЛ [7].

После экстракции хлороформом из семян R. carthamoides, интродуцированного в Ботаническом саду Института биологии Коми НЦ УрО РАН, было выделено 11.9 % ОЛ. Модифицированная нами методика Фолча (хлороформ и смесь хлороформа с метанолом) позволила выделить 15.7 %. Для выделения ОЛ из каллусов R.

carthamoides, серпухи венценосной (Serratula coronata) и живучки ползучей (Ajuga reptans) также использовали модифицированный метод Фолча, что позволило провести количественную экстракцию липидов [9].

Однако применение полярных растворителей при экстракции липидов способствует выделению и других классов биологически активных соединений.

Так, при проявлении хроматограмм ОЛ каллусов в УФ-свете (хроматоскоп УФС-254) нами было обнаружено пятно соединения, соответствующее хроматографической области 20-гидроксиэкдизона, особенно интенсивное на хроматограмме каллусов S. coronata. Аналогичная картина была ранее отмечена для каллусов R. carthamoides [5].

Из водных растений р. Potamogeton, в которых впервые были обнаружены экдистероиды, липидные фракции были выделены нами последовательно экстракцией гексаном, а затем хлороформом [8]. Полученные гексановые и хлороформенные экстракты ОЛ пяти видов растений р.

Potamogeton, произрастающих на территории Республики Коми, проявили поразительно высокую антимикробную активность, даже в концентрации 1 мкг/мл полностью подавляя рост таких тест-культур микроорганизмов, как Staphylococcus aureus, Proteus vulgaris, Pr. morgani, Pr.

rettgeri [8].

Таким образом, экстракция – один из самых древних технологических процессов, освоенных еще древнейшими нашими предками, и в наши дни является одним из самых распространенных и чаще других используемых методов выделения и очистки БАВ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васильева И.С., Пасешничен- ко В.А., Гусева А.Р. Стероидные сапонины из корневищ диоскореи кавказской Dioscorea caucasica // Прикладная биохим. и микробиол., 1984. Т. 20, № 3. С. 404-406.

2. Диосгенин из Allium nutans и Allium cernuum / А.Ф. Азаркова, В.А. Стихин, О.А Черкасов и др. // Химия природных соединений, 1983. № 5. С. 653.

3. Липиды некоторых лекарственных растений / С.Д. Гусакова, Г.А. Степаненко, Д.Т. Асимбекова и др. // Раст. ресурсы, 1983. Т. 19, вып. 4. С. 444-445.

4. Препаративная биохимия липидов / Л.Д. Бергельсон, Э.В. Дятловицкая, Ю.Г. Молотковский и др. М.: Наука, 1981. 259 с.

5. Синтез экдистероидов в растениях и культурах клеток Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iljin / И.В. Орлова, А.М. Носов, В.Г. Лукша, В.В. Володин // Физиол. растений, 1994. Т. 41, № 6. С. 907-912.

6. Степанов А.Е., Краснопольс- кий Ю.М., Швец В.И. Физиологически активные липиды. М.: Наука, 1991. 135 с.

Источник: https://ib.komisc.ru/add/old/t/ru/ir/vt/02-57/04.html

Medic-studio
Добавить комментарий