Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние технологии получения биологически активных соединений из растительного сырья 8
1.1. Традиционные технологии экстракционного процесса 10
1.2. Методы обработки, интенсифицирующие экстракционный процесс 11
1. 2. 1. Ультразвуковая обработка ... 11
1. 2. 2. Экстракционный процесс при действии электрического тока 13
1. 2. 3. Интенсификация процесса экстракции лекарственного
растительного сырья электрическими импульсными разрядами 15
1. 2. 3. 1. Электроэрозионный износ электродов 24
1. 3. Постановка задач исследований 26
ГЛАВА 2. Экспериментальные методики исследования эрозионных процессов 28
2. 1. Выбор объекта исследований 28
2. 2. Методика проведения опытов и идентификации выделенных веществ..32
2. 2. 1. Методика проведения опытов 32
2. 2. 2. Идентификация выделенных веществ 33
2. 3. Экспериментальные установки и их характеристики 34
2.3. 1. Экспериментальные камеры для изучения кинетики процесса 34
2. 4. Техника и методика экспериментальных исследований 36
2. 4. 1. Количественная оценка эрозионного износа и микроскопический анализ поверхностей электродов 36
2. 4. 2. Регистрирующая аппаратура 36
2. 4. 3. Источник импульсных напряжений для инициирования разряда в экстракционной камере 37
2. 4. 4. Особенности кинетики процесса, обусловленного тепловыми явлениями в межэлектродном промежутке 39
2. 4. 4. 1. Исследование процессов эрозионного износа электродов 39
2. 4. 4. 2. Роль тепловых процессов в эрозионном износе электродов 46
2. 4. 4. 3. Эрозионный износ электродов при пробое комбинированного МЭП 51
2. 5. Выводы по второй главе з
ГЛАВА 3. Расчет энергетических характеристик 63
3.1. Обработка экспериментальных результатов 63
3. 2. Температура искрового разряда в жидкости 66
3. 3. Составление уравнения энергетического баланс 74
3. 3. 1. Численный расчет составляющих энергобаланса 80
3. 4. Влияние формы экстракционной камеры на фокусировку
волн давления 92
3. 5. Выводы по третьей главе 99
ГЛАВА 4. Исследование кинетики экстракционного процесса при использовании эир 101
4. 1. Отработка технологических режимов экстракции пектинов 101
4. 2. Экстракция изохинолиновых алкалоидов 112
4. 3. Выводы по четвертой главе .120
ГЛАВА 5. Практическая реализация способа интенсивной экстр акции 122
5. 1. Разработка конструкции экстракционной камеры 122
5. 2. Рекомендации по внедрению экстракционной аппаратуры с ЭИР 128
Выводы по диссертации 130
Список литературы
- Ультразвуковая обработка
- Экспериментальные установки и их характеристики
- Составление уравнения энергетического баланс
- Экстракция изохинолиновых алкалоидов
Введение к работе
Актуальность работы. Несмотря па бурное развитие производства синтетических лекарственных средств, еще очень многие биологически активные вещества получают из природного сырья растительного происхождения. Существующие промышленные методы экстрагирования - мерколяиия и мацерация - являются трудоемкими и длительными, достигли своего естественного предела и не дают возможности повысить скорость обработки сырья и увеличить выход целевого продукта. Поэтому возникает необходимость изыскания новых способов интенсификации экстракции. Эффективность интенсификации процессов обработки лекарственного сырья с помощью ультразвука, различных механических, электрических, магнитных, импульсных воздействий подтверждена пока только в лабораторных условиях.
Одним из перспективных способов интенсификации экстракции из растительного и другого сырья, является способ интенсификации электрическими импульсными разрядами (ЭИР), допускающий замену токсичных экстрагентов на водные растворы и отвечающий требованиям, предъявляемым к охране окружающей среды. Однако, для создания установок работающих на принципах электроимпульсных технологий, необходимо проведение комплексных исследований, которые позволили бы выяснить целесообразность применения ЭИР большой мощности для интенсификации процесса экстракции, изучить влияние ЭИР на кинетику экстракции, осуществить выбор материала электродных систем, обосновать конструктивные параметры экстракционных камер, временные и амплитудные характеристики импульсов напряжения, температурные режимы обработки и оценить энергоемкость процесса экстракции при требуемой производительности.
Эти задачи, поставленные и решенные в диссертации делают ее актуальной в научном и практическом отношении.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Пятигорской государственной фармацевтической академии 1989-1999г.г. (№ государственной регистрации 01.89.0085610).
Цель работы. Исследование процесса интенсификации экстракции лекарственного растительного сырья с помощью электрических импульсных разрядов.
Задачи исследования:
разработать методику изучения кинетики развития разряда в исследуемом процессе;
определить факторы, влияющие на температурный режим обработки сырья ЭИР;
изучить эрозионный износ электродов и экспериментально обосновать выбор материала, обеспечивающего требуемый технологический процесс;
- исследовать влияние параметров воздействующего импульса напряжения,
длины межэлектродного промежутка, соотношения «сырье - экстрагент» на кине
тику процесса экстракции;
оценить распределение энергии в межэлектродном промежутке при пробое комбинированного диэлектрика, осуществить численный расчет составляющих энергобаланса;
провести оптимизацию энергетических параметров разряда для экстракции
биологически активных соединений в водных растворах.
- разработать и испытать устройство для экстрагирования пектина и гемицел-люлоз из отходов консервного производства, а также алкалоидов из растительного сырья.
Научная новизна:
разработан способ интенсификации экстракции биологически активных веществ с применением ЭИР в водных растворах, не вызывающий деструкцию биологически активных веществ (БАВ);
рекомендован материал электродных систем, стойких к эрозионному износу и обеспечивающий необходимый технологический режим;
впервые показана возможность регулируемого ввода в экстракт ионов металла в процессе экстракции;
изучена кинетика интенсивной экстракции пектинов, изохинолиновых алкалоидов, гемицеллюлоз.
Автор защищает:
-
Феноменологическую модель развития процессов, способствующих интенсивному ходу экстракции при электрическом разряде в объеме сырье-экстрагент.
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости способа интенсификации экстракции электрическими импульсными разрядами при получении пектинов, изохинолиновых алкалоидов.
-
Температурный режим процесса экстракции, определенный экспериментальным и расчётным путем.
-
Способ регулируемого ввода ионов металла в экстракт.
-
Режимные параметры технологического процесса интенсивной экстракции
импульсными разрядами: коэффициент перенапряжения р< 1,3; фронт импульса
Т~5-10"9 с; длительность импульса t и« 0,8-10" 6с.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована большим объемом экспериментальных данных, обеспечивающих статистический анализ результатов, использованием современных методик измерений и соответствующей аппаратуры, а также экспериментальным подтверждением эффективности использования ЭИР для интенсивного экстрагирования биологически активных веществ с помощью опытно-демонстрационных устройств.
Практическая значимость. Предложена конструкторская схема экстракционного аппарата и разработана технология интенсивной экстракции сырья электроимпульсными разрядами для получения биологически активных веществ, позволяющая:
а) увеличить выход пектинов в 2 раза, алкалоидов на 35%-40%, гемицеллюлоз
на 34,5% без применения минеральных кислот и других вредных веществ по срав
нению с классическими методами экстракции;
б) повысить антимикробную активность пектиновых препаратов;
в) сократить продолжительность экстракции веществ, в 6-40 раз;
г) внедрить в производство винзавода «Бештау» Ставропольского края техно
логию переработки неутилизованных отходов яблочного жома, с целью извлече-
ния биологически активных соединений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на V Российском научном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 1998 г.), на научно-практической конференции, посвященной 30-летию фармацевтического факультета Курского медицинского института «Достижения современной фармацевтической науки и практики на рубеже XXI века» (Курск, 1996 г.), па Северо-Кавказской региональной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Эдельвейс -' 96» (Нальчик, 1996 г.), на научно-практической конференции, посвященной 75-летию Укр. фармац. акад. (Харьков, 1996 г.), на региональной конференции, посвященной 30-летию фармацевтического факультета Тюменского медицинского института (Тюмень, 1994 г.) и на отчетных научных конференциях ПГФА по проблемам биофармации, технологии лекарств и фитопрепаратов (Пятигорск, 1991 г., 1995-2000 гг.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 155 страницах основного текста, содержит 67 рисунков, 17 таблиц; состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и библиографии, включающей 82 источника.
Ультразвуковая обработка
В химико-фармацевтической, пищевой промышленности, производстве соков из плодов и ягод определенное место занимает ультразвук [1-2], воздействие которого способствует интенсивному перемешиванию системы сы-рье-экстрагент, тем самым, ускоряя массообмен [3-6].
При экстрагировании сырья практически всегда приходится иметь дело с высушенным материалом, на замачивание которого по регламенту тратится от 4 до 6 часов (за редким исключением эта стадия отсутствует). Эта стадия необходима, так как процесс экстрагирования складывается из двух фаз: осмотического набухания (замачивания) клетки с растворением ее содержимого (движение растворителя внутрь клетки) и фазы экстрагирования (диализа), транспорта макромолекул растворенных веществ из клетки через клеточные мембраны, поры и капилляры в объем растворителя.
Процесс замачивания зависит от скорости вытеснения воздуха из клетки. то есть от степени капиллярности сырья. Однако многие капилляры заканчиваются в пачках и фибриллах, не выходя наружу. В таких системах воздух удерживается до тех пор, пока не растворится в экстрагенте. Кроме того, часть воздуха в виде полостей остается внутри клетки. Ультразвуковые волны, создавая звукокапиллярный эффект, не только ускоряют вытеснение таких пузырьков воздуха, но и создают условия для его растворения в жид 12
кости. На скорость процесса экстрагирования биологически активных веществ из растительного сырья оказывают влияние факторы, зависящие как от параметров ультразвуковых волн, природы растворителя, физико-механического состояния сырья, так и от морфолого-анатомического строения сырья, а в связи с этим и его дисперсности [8]. Если исходным сырьем является трава растений, имеющая тонкую рыхлую листовую пластинку с мягкими оболочками клеток и большим количеством путепроводящих тканей, межклеточных пространств, то для такого сырья размер частиц, как правило, не играет существенной роли. Если же озвучиваемое сырье представляет собой группы сильно одревесневших клеток плотной структуры, то для процесса экстракции определяющим параметром становится количество разрушенных клеток. С увеличением степени дисперсности частиц коэффициент отражения звуковой волны на границе раздела фаз ввиду быстрой пропитки мелко измельченного сырья экстрагентом будет минимальным, интенсивнее происходит процесс растворения и вымывания содержимого из разрушенных клеток. Следовательно, при озвучивании должно произойти сокращение времени экстрагирования.
Вопросу определения стабильности лекарственных препаратов после воздействия ультразвуковых колебаний посвящены немногочисленные исследования. Достоверно не найдено пока зависимости между частотой, интенсивностью ультразвука, молекулярной массой и скоростью, а также степенью деструкции лекарственных веществ. Но уже известно, что с увеличением времени озвучивания и интенсивности степень деструкции веществ увеличивается, так раствор адреналина гидрохлорида уже через 2-3 минуты озвучивания начинает желтеть. Весьма по-разному ведут себя под воздействием ультразвука алкалоиды. Большинство алкалоидов и азотистых оснований (атропин, кофеин, хинин, морфин), озвученных свыше 15-20 минут частично или полностью теряют свои свойства. Атропина сульфат при продолжительном озвучивании распадается до тропина и троповой кислоты, при этом теряется способность снижать угнетение сердечной деятельности, вы 13 званное карбохолином. Некоторые соединения, будучи озвучены, уменьшают свой предел растворимости [7].
С увеличением температуры экстрагента интенсивность передачи ультразвуковой энергии уменьшается, особенно в области температур (70-90С). Такое явление объясняется интенсивным образованием газовых пузырьков на границе раздела фаз со значительным парциальным давлением, которое не дает пузырькам захлопываться. Образуется воздушная подушка, которая экранирует частицы сырья, интенсивно поглощая и рассеивая ультразвук.
Поиск рациональных значений удельной нагрузки для каждого вида сырья позволяет остановиться на таком значении интенсивности ультразвука, при котором нет еще явления кавитации. Если этот фактор не оказывает влияния на стабильность экстрагируемых веществ, то с увеличением экспозиции озвучивания выход суммы действующих веществ увеличивается пропорционально [9].
В то же время, исходя из соображений защиты молекул действующих веществ от разрушения ультразвуком, рационально минимальное время озвучивания. Выбор параметров ультразвукового воздействия зависит от степени перемешивания, то есть подвода частиц к излучающей поверхности, размеров экстрактора, в котором осуществляется озвучивание сырья, количества и местоположения излучателей и т. д. Если метод экстракции связан с периодическим процессом, то время экстрагирования выражается в часах. Если используется непрерывно действующая установка, где сырье подается к излучателю в виде небольших порций, то время воздействия сокращается [7].
Суспензии растительного сырья отличаются от электролитов тем, что их гомогенность нарушена наличием внутриклеточных и внешнекле-точных областей, содержащих различные вещества, разграниченные клеточными мембранами. Поскольку массообменные процессы в таких системах носят электрохимический Характер, то они зависят от внешнего электрического воздействия [10]. Электрический ток, проходя через обрабатываемую среду, влияет на подвижность ионов, проницаемость мембран и, соответственно, влияет на процессы переноса веществ как в твердой, так и в жидкой фазе. Эти явления положены в основу таких процессов как электроплазмолиз и электродиализ, используемых для интенсификации экстракции целевых компонентов из растительного сырья. Как правило, электроплазмолиз ис-пользуется совместно с механическим воздействием, таким как резание, прессование, перемешивание и т.д. Электроплазмолиз отличает простота аппаратурного оформления, он хорошо вписывается в поточные линии производства, позволяет в широких пределах регулировать степень воздействия за счет изменения плотности тока, частоты, полярности и длительности обработки.
Экспериментальные установки и их характеристики
В процессе исследований для регистрации электрических параметров импульсных напряжений использовали электронные осциллографы И2-7, 6ЛОР-4М позволяющие фиксировать временные интервалы до 10 не и осциллограф С8-13 с блоком памяти. Осциллограммы фиксировали на рентгеновскую фотопленку типа РФ-500 фотоаппаратами "Зенит - Е" для осциллографа И2-7 и устройством "Снежинка" для 6ЛОР-4М с последующей обработкой и расшифровкой.
Для подсчета количества импульсов, затраченных на обработку лекарственного сырья, применяли частотомер 43-33, для оценки времени обработки - электронный секундомер типа СЭД-1М.
Измерение амплитуды напряжения косоугольных импульсов проводили стандартными шаровыми разрядниками, но для измерений в наносекунд 37 ном диапазоне времени этот способ не применим, так как вносит значительные погрешности.
Для регистрации процессов наносекундной длительности изготовлен ёмкостный делитель напряжения по [34] встроенный в передающую линию.
Электромагнитное излучение, температура, давление и т.п. являющиеся характеристиками импульсной электрической искры, определяемые мощностью N(t) и E(t), рассчитывали по осциллограммам тока i(t) и напряжения і E(t)= JN(t)-dt Здесь \]ф) и Ui(t) - активное и индуктивное падение напряжения на искре. Датчиками сигналов, пропорциональных i(t) и U(t), являются токовые шунты и делители напряжения. Поскольку сопротивление искры составляет порядка 0,1 Ом, а скорость изменения разрядного тока di/dt «10 -10 " А/с, то (7(7 Л как правило, превосходит (7у?(г). Это служит причиной ошибок при определении N(t) и E(t), т.к. ток отстает по фазе от напряжения.
Для регистрации UR(t) на электрической искре с автоматической компенсацией UR(t) нами использована схема приведенная в [35].
В качестве источника импульсных напряжений использовали многоступенчатый генератор импульсных напряжений (ГИН) рис.2.3. Вся высоковольтная установка состояла из блоков: пульта управления (ПУ), зарядного устройства (ЗУ), непосредственно генератора (ГИН) и экспериментальной камеры (ЭК). 1 Іринцип действия ГИН состоит в автоматическом переключении конденсаторов Со с параллельного соединения при зарядке, на последовательное соединение при разряде с помощью искровых промежутков (ип).
Когда напряжение на конденсаторах достигает значения пробивного напряжения искровых промежутков, происходит их пробой. В результате этого конденсаторы оказываются соединенными последовательно через пробитые искровые промежутки. При этом на выходе схемы возникает напряжение, равное сумме напряжений на конденсаторах.
Под действием суммарного напряжения пробивается разделительный искровой промежуток и напряжение оказывается приложенным к разрядной цепи, состоящей из фронтового сопротивления, фронтовой емкости и испытываемого объекта (ЭК). На выходе схемы формируется импульсная волна, параметры которой определяются параметрами разрядной цепи. Для устранения высокочастотных колебаний, которые могут возникнуть в схеме и исказить форму импульсной волны, последовательно с искровыми промежутками включены активные демпфирующие сопротивления, величиной 10 0.1/ (на схеме не показаны).
Источник импульсных напряжений. ГИН - генератор импульсных напряжений; ЭК - экстракционная камера; ДН - делитель напряжения. Конструкция генератора позволяла в широком диапазоне изменять как временные, так и амплитудные характеристики импульса напряжения за счет включения в разрядную цепь различных по величине Rxe и Сф, а также подключения дополнительной ступени ГИН. Фронт импульса регулировался с помощью обостряющей емкости включаемой параллельно ЭК.
Параметры импульса напряжения могли регулироваться в следующих пределах: амплитуда импульса от 14 до 100 кВ; - фронтотО,ЫО"6сдоО,8-10"6с; - длительность импульса - 4 мкс.
Особенности кинетики процесса, обусловленного тепловыми явлениями в межэлектродном промежутке 2. 4. 4. 1. Исследование процессов эрозионного износа электродов
При обработке лекарственного растительного сырья, с целью получения экстрактов, стойкость электродных систем к электрической эрозии приобретает первостепенную важность (см. раздел 1.1).
Феноменологическая теория электрической эрозии разработана в настоящее время достаточно полно и изучению процессов эрозии посвящено очень большое количество работ (свыше 2000). Многие исследователи [53-55] при изучении электрической эрозии вводят критерии эрозионной стойкости, а также составляют эрозионные ряды. Общего критерия эрозионной стойкости, пригодного для всех режимов работы электродов, в настоящее время не имеется. Это связано с тем, что с изменением режима работы электродов меняется и режим нагрева металла, т.е. сочетание параметров влияющих на эрозию. Для разных практических применений получены критерии разного вида. Эрозионная стойкость различных материалов зависит от условий протекания тока через промежуток, от значения и формы тока, полярности, среды, времени разряда и т. д., поэтому ряды, составленные различными авторами для конкретных условий, отличаются друг от друга.
Для исследования эрозии при пробое твердой среды нами использовались электроды, изготовленные из различных металлов и сплавов, а также их комбинации. Высоковольтные электроды острие-плоскость изготавливались из прута следующих материалов: алюминий, цинк, дюраль, медь, латунь, сталь У8, сталь-3, нержавеющая сталь, а электроды из вольфрама, молибдена и титана изготавливались из металлической ленты и имели размеры (0,5х5х10)мм.
Мы считаем, что эрозионный износ электродов будет иметь одинаковую кинетику, поскольку условия проведения экспериментов идентичны для всех представленных металлов и сплавов. Следует ожидать различия только в количественном отношении.
В качестве модельного материала для электродов выбран Ст 3, как наиболее доступный и относительно дешевый металл. В качестве образцов нами использовались листья грецкого ореха, люцерны, ромашки полевой, розы и листья красавки. Критерием эрозионного износа служило изменение веса электродов. В результате проведенных исследований, на электродах выполненных из различных материалов, получены значения электрической эрозии в зависимости от материала находящегося в межэлектродном промежутке и межэлектродного расстояния. На рис.2. 4 приведены данные по кинетике эрозионного износа для электродов выполненных из Ст 3.
Составление уравнения энергетического баланс
Сравнивая интенсивности излучения // и U для частот U] и L 2, можно оценить температуру Те.
Поскольку фотопластинки СП-2 имеют примерно равномерную спектральную чувствительность в области 3800 - 4400 А0 [63], то в этой области измерялось распределение энергии излучения в относительных единицах — по о длинам волн. Затем по полученным данным строилась зависимость распреде , L hv -, „ ЛЧ „ ления энергии излучения в координатах In — и — (рис. 3. 2). По углу наклона h к в этой прямой можно было вычислить электронную температуру: Те= - ctgfl При U = 25кВ, / = 1мм, С = 0,125мкФ величина электронной температуры оказалась порядка Ге=2,4-104 К.
Помимо фотометрических проводились и осциллографические измерения. Световой импульс от монохроматоров УМ-2 воспринимался спектрофо-тометрическим умножителем ФЭУ-29 и передавался на осциллограф. В момент подачи импульса на вертикально отклоняющие пластины осциллографа, запускался генератор ждущей развертки и генератор меток времени. По осциллограммам судили о характере изменения во времени интенсивности свечения в определенном интервале длин волн, а также, о продолжительности свечения канала разряда. В зависимости от параметров разрядного контура, последняя изменялась до ЗОмкс. Ток в импульсе достигал значения 4кА при длительности Змкс. Мощность, выделяемая в канале такого разряда, составила: N=1,3-10 Вт.
Экспериментально полученные данные о столь высокой температуре искрового канала в жидкости побудили нас к проведению специальных исследований, направленных на изучение температурных режимов экстракционных процессов, проводимых с применением электрических импульсных разрядов.
Измерения температуры проводились хромель-копелевыми термопарами при толщине проволоки 0,1мм. Запись термо-э.д.с. проводилась многоточечным потенциометром ЭПР-09 РД. Продолжительность времени, в течение которого измерялась температура в трех точках (рис. 1. 2) экстракционной камеры составляла 9 с. За это время на электродную систему поступало 45 импульсов с энергией в импульсе 40 Дж. Температура в каждой точке определялась как среднее 5 измерений. Погрешность измерения не превышала 1С.
Предварительные исследования по экстрагированию выбранных объектов электроимпульсным способом показали, что наиболее полно извлечение происходит при трехкратной обработке сырья серией импульсов со сменой экстрагента. При частоте следования импульсов напряжения 5с 1, время обработки в одной серии, в зависимости от вида растительного сырья, составляет от 8 до 10 минут.
Нами проведены сравнительные исследования изменений температуры смеси в экстракционной камере на косоугольных импульсах напряжения и прямоугольных, с наносекундным фронтом. Исследования показали, что при экстракции с применением косоугольных импульсов напряжения в экстракционной камере, содержащей 500 мл смеси экстрагента с сырьем, имеющей исходную температуру 18 С, происходит плавное увеличение температуры смеси. Рост температуры, содержимого камеры, не превышает 25С от исходной и к окончанию первой серии обработки достигает 43С. Полученный в этой серии экстракт сливали и камеру заполняли свежей экстрагирующей жидкостью. Многократные опыты показали, что после смешивания, в соотношении 1:5, свежего экстрагента, взятого при температуре 18С, с уже однократно обработанным сырьем, температура смеси устанавливается близкой к 22С. Тенденция постепенного увеличения температуры обрабатываемой смеси, соблюдается от серии к серии. Так, после вторичной обработки температура смеси 47 С, после окончательной 51 С.
Таким образом, увеличение температуры в камере с применением косоугольных импульсов напряжения составляет в условиях опыта 33С. При увеличении перерывов между сериями, температура смеси, к окончанию оптимального времени обработки может быть несколько ниже.
Результаты измерений температуры при воздействии на объект прямоугольных импульсов напряжения с наносекундным фронтом представлены на рис. 3.3. Проведенные исследования показали, что в отличие от первого варианта, температура смеси в экстракционной камере изменяется незначительно. Перепад температуры в каждой серии не превышает 5-6 С от исходной температуры содержимого камеры.
Такое значение температуры, при воздействии на объект прямоугольных импульсов напряжения с наносекундным фронтом, можно объяснить следующим. Во-первых - осциллографические исследования показывают, что в этих условиях практически отсутствуют предпробивные токи, в отличие от воздействия косоугольных импульсов напряжения, при которых токи утечки достигают 15-20% от разрядного тока (см. рис. 2.11). Подтверждением этому могут служить и теневые фотоснимки канала электрического разряда, сделанные при синхронной импульсной подсветке с одинаковым интервалом времени между кадрами для случая косоугольных импульсов с объемной, кустообразной формой, многочисленных ярко светящихся первичных каналов (рис. 3.4) и для прямоугольного, при тех условиях (рис. 3.5).
Экстракция изохинолиновых алкалоидов
Современное фармацевтическое производство, лабораторные исследования для получения изохинолиновых алкалоидов из растительного сырья предусматривают многократную, длительную (до 14 суток) экстракцию сырья метанолом, хлороформом или другими, не менее токсичными органическими растворителями [62,73-75]. Совершенствование технологических процессов экстракции обычно осуществляется за счет введения дополнительных стадий, как правило, удлиняющих и удорожающих эти процессы.
В работе [19] описан способ оптимизации процесса экстракции алкалоидов в хлороформе и бензоле с помощью импульсов напряжения косоугольной формы. В результате исследований получено уравнение регрессии вида: У =0,65 + 0,08 X, + 0,13 X 2 + 0,11 Х3. где Xi - емкость конденсатора, Х2 - время обработки, Х3 - частота следования импульсов. При этом наибольшее влияние на степень разрушенности растительного сырья, согласно данным [19], оказывает время обработки исходного сырья Х2, Меньшее - частота следования разрядов Х3, и наименьшее - емкость конденсатора Х\.
Однако с подобными выводами трудно согласиться. Как уже указывалось, электрогидравлический удар инициируется импульсным разрядом в жидкости. При этом определяющую роль на параметры электрогидравлического удара (т.е. трансформацию энергии электрического разряда в энергию механических возмущений) оказывает характер энерговыделения. Он значительной степени, как мы установили, зависит от формы импульсов, амплитуды напряжения, емкости накопителя, свойств жидкости, конструкции электродных систем и т. д. Так как нагрузка носит емкостный характер, то в предпробивной стадии, в результате зарядки емкости, происходит вытягивание фронта импульса, и пробой промежутка происходит при параметрах волны напряжения, отличной от оптимальной. При экстракции растительного сырья растворами, обладающими низким удельным сопротивлением, с помощью импульсов косоугольной формы происходит значительное, как показано выше, снижение напряжения за счет импульсных токов растекания. Это приводит к вынужденному увеличению напряжения, необходимого для пробоя промежутка, а соответственно и к увеличению энергии импульса. Что касается емкости конденсатора, играющего роль накопителя энергии, то именно от его величины, зависит как количество энергии выделившейся в канале, так и величина механических возмущений, вызванных ударной волной.
Таким образом, указанные недостатки и отсутствие конкретных данных по параметрам импульса напряжения не позволяют спрогнозировать, а тем более оптимизировать процесс экстрагирования сырья с помощью импульсов косоугольной формы.
На нагрузке нужно формировать импульс напряжения такой формы, при которой бы исключалась возможность растекания токов в предпробивной стадии разряда из-за возможно низкого удельного сопротивления экстрагента, или сводилась до минимальной величины. Время выделения энергии в канале разряда является основным параметром, однозначно характеризующим процесс трансформации энергии электрического разряда в энергию механических возмущений. Обязательным условием возникновения электрогидравлического удара в жидкости является пробой жидкостного промежутка между электродами. Амплитуда импульса напряжения, необходимая для пробоя разрядного промежутка, выбирается из вольт-секундных характеристик. Анализ вольт-секундных характеристик показывает [76], что чем больше амплитуда пробивного напряжения, тем меньше время до пробоя.
При обработке лекарственного растительного сырья импульсными разрядами эффективность выделения алкалоидов находится в прямой зависимости от количества разрушенных клеток. При больших напряжениях время запаздывания развития разряда мало и канал электрического разряда протыкает клетку, не приводя к ее разрушению (бризантное воздействие). Если увеличивать время выделения энергии (тектоническое воздействие), т.е. увеличивать время воздействия импульса напряжения на объект, то соответственно возрастает и разрушение клетки (выстрел пулей в стекло приводит к образованию отверстия, брошенный камень - к его разрушению). Количество энергии, выделившейся за малый промежуток времени при большом напряжении, может быть равно энергии при пробое на более низком напряжении, но с большим запаздыванием. Но т.к. время действия в первом и во втором случае будут различны, различными будут и разрушения. Поэтому для оптимизации процесса выделения алкалоидов, увеличения их выхода из растительного сырья необходимо выбирать строго фиксированное время воздействия импульса на обрабатываемое сырье.
Представляло несомненный как теоретический, так и практический интерес изучение возможности оптимизации процесса экстракции изохинолиновых алкалоидов, увеличении их выхода за счет использования импульсных электрических разрядов, для различных видов растений. Работа проводилась с конкретными образцами сырья растений четырех ботанических родов: 1. Papaver - P. bractetum, P. Paucifoliatum; 2. Glaucim - G corniculatum, G. flavum varfuevum; 3. Fumaria - F. officinalis, F. Schleicheri; 4. Cordialis- C. emanueli, C. marschalliana (var rosea- purpurea). Так как алкалоиды являются труднорастворимыми в воде основаниями, то экстракция алкалоидов водой затруднена. Алкалоиды образуют соли с кислотами, поэтому при переводе их в лекарственные формы выбирают те кислоты, которые обеспечивают хорошую растворимость их солей в воде. Такими кислотами являются из минеральных - хлорводородная, серная, азотная, а из органических - винная, салициловая, уксусная и др. С точки зрения доступности и стоимости, в качестве экстрагента выбран водный раствор уксусной кислоты.
Экстракцию проводили с помощью прямоугольных импульсов напряжения с фронтом 5 не и регулируемой длительностью от 0,4-10"1 до 1-Ю"6 с. Определение соотношения сырье - экстрагент выполнено по методике приведенной выше для пектинов. Оптимальной величиной соотношения сырье-экстрагент, для извлекаемых в данном случае веществ, является соотношение по массе 1:10.
