СПОСОБ ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
METHOD FOR EXTRACTION OF BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES OF HERBAL RAW MATERIAL

Изобретение относится к области экстракции органическими растворителями растительного сырья и может быть использовано в фармацевтической, пищевой, лесохимической и других отраслях промышленности.
Несмотря на бурное развитие производства синтетических соединений технологического назначения, пищевых ароматизаторов, вкусовых добавок и нутрицевтиков многие биологически активные вещества в настоящее время продолжают получать из возобновляемых ресурсов - природного растительного или животного сырья. Метод экстракции является наиболее щадящим способом выделения биологически активных веществ из природного сырья. Однако экстрагирование, как правило, наиболее продолжительная стадия переработки исходного сырья. Традиционные методы экстракции нередко занимают часы, сутки или даже недели.
Кроме того, в крупнотоннажных производствах существует проблема отделения побочных продуктов, мешающих протеканию основного процесса, например, отделение смолы при переработке древесины. В этих случаях, используя способность смол растворяться в органических растворителях, также прибегают к методам экстракции. Однако такие процессы, протекающие непрерывно, требуют осуществления процессов экстракции в возможно короткие сроки.
Скорость экстракции во многом определяется процессом диффузии на границе раздела фаз между растворителем и частицей растительного сырья. Поэтому известны различные технические решения, направленные на улучшение межфазного массопереноса и, как следствие, повышающие эффективность массообмена.
К ним относятся способы экстрагирования с постоянным или периодическим перемешиванием растительного сырья с помощью различных по конструкции мешалок.
Известно использование при экстрагировании приводной мешалки с наклонными лопастями и закрепленных по периферии корпуса на пружинных кольцах отстойников (Патент RU №2091121, B01D 11/02, 1997 г.). Однако в подобных способах экстрагирования возбуждаемые механическими мешалками потоки по масштабам значительно превышают характерные размеры диффузионных слоев и практически не изменяют их толщины, а следовательно, и диффузионного сопротивления, то есть не оказывают существенного влияния на скорость межфазного переноса.
Значительно ускорить процесс экстракции, увеличить выход и качество экстрагируемого вещества, улучшить условия труда и повысить его производительность позволяет использование ультразвука.
Ультразвуковая экстракция широко известна и является одним из наиболее эффективных способов выделения биологически активных веществ из растительного сырья.
В основе всех ультразвуковых технологий лежат эффекты взаимодействия ультразвука со средой. Мощный ультразвук, в зависимости от его параметров и условий воздействия, вызывает в жидких средах ряд специфических эффектов - кавитацию, интенсивные микро - и макропотоки, приводящие к нарушению диффузионного слоя и, как следствие, быстрому проникновению жидкой среды в структуру частицы, набуханию частиц, экстрагированию растворимых компонентов, быстрому и качественному перемешиванию компонентов среды. Эти эффекты и используют для интенсификации процессов в биотехнологических производствах.
Известен способ экстракции, согласно которому процесс ведут в противотоке сырья и экстрагента в режиме ультразвуковой кавитации, создаваемом ультразвуковым волноводом, представляющим собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью, при этом происходит интенсификация процесса массопереноса между жидкой и твердой фазой как за счет образования, так и «схлопывания» пузырьков кавитирующей жидкости, что приводит к разрушению равновесного слоя на поверхности раздела фаз и тормозящего диффузию, так и за счет частичного диспергирования твердой фазы, что значительно повышает поверхность контакта (Патент RU №2053006, B01D 11/02, 1996 г.).
Также известен способ роторно-кавитационной экстракции с использованием вращающегося кавитатора, в результате чего в экстракционной смеси возникают кавитационные перепады давления, приводящие к разрушению клеточных мембран и диспергированию биологического сырья (Патент RU на полезную модель №5735, B01D 11/02, 1998 г.).
Описан способ экстракции дитерпенов (компонентов смол хвойных растений) и тритерпенов из биоматериала, согласно которому растительное сырье, например, древесину, растения с полыми стеблями или содержащими лигноцеллюлозу, подвергают действию ультразвука с частотой 2-50 кГц в диапазоне частот 10-20 кГц при температуре от -20 до 40°С и времени обработки от 10 до 90 минут (Международная заявка WO 2005/087338, B01D 11/02, 2005 г.). Однако эти способы не обеспечивают достаточной скорости диффузионного переноса, и процесс протекает достаточно длительное время.
Задачей предложенного изобретения является интенсификация процесса экстракции биологически активных соединений из растительного сырья, улучшение условий труда и снижение объемов экстрагентов, содержащих экстрагированный материал.
Технический результат от использования предложенного способа заключается в ускорении процесса экстракции при одновременном увеличении степени извлечения веществ.
3
3
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет осуществления способа экстракции биологически активных веществ из растительного сырья органическими растворителями путем воздействия на предварительно подготовленное растительное сырье ультразвуком, получение экстракта и отделение органических растворителей и остатка растительного сырья, характеризующийся тем, что процесс осуществляют в несколько стадий: на первой - в низкочастотном ультразвуковом поле, в режиме широкополосного воздействия с плотностью энергии не менее 0,05 Вт/см, а на второй - в низкочастотном ультразвуковом поле, в режиме резонансного воздействия с плотностью энергии не менее 0,5 Вт/см.
На первой стадии для создания низкочастотного ультразвукового поля с широкополосным воздействием используют, например, гидродинамический излучатель, на второй стадии для создания низкочастотного ультразвукового поля с резонансным воздействием используют пьезокерамический или магнитострикционный преобразователи.
Для увеличения степени извлечения биологически активных веществ (БАВ) остаток растительного сырья промывают растворителем в противотоке.
Растительное сырье, подвергаемое экстракции, имеет размеры частиц не более 0,2 см и влажность не более 20%.
Оптимальное соотношение исходное сырье-органический растворитель составляет 1:8÷1:15. При более низких соотношениях преобладает повышенная эффективная вязкость среды, что не позволяет в полной мере использовать преимущества ультразвуковой обработки за счет снижения кавитационной активности (Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. - М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2005, 224 с.). При более высоких соотношениях неоправданно увеличивается расход экстрагента, а следовательно, увеличиваются время и энергия, затрачиваемые на удаление экстрагированной субстанции из экстракта и регенерацию растворителя.
2
Для экстракции пригоден любой растворитель, однако каждый растворитель имеет свои особенности. Некоторые из них слишком дороги, например жидкий СО, другие взрывоопасны, третьи имеют высокую температуру кипения и плохо отгоняются (что, однако, не препятствует их применению, если растворитель не мешает дальнейшей переработке). Например, для извлечения смолы из древесных опилок предпочтительно использовать следующие растворители: ацетон, этанол, бутанол, четыреххлористый углерод, петролейный эфир.
Механизм комбинированного ультразвукового воздействия в предложенном способе экстракции можно разложить на следующие составляющие:
1. Относительно сухая частица растительного сырья, содержащая воздух, способный расширяться и сжиматься в ультразвуковом поле, попадает в ультразвуковое поле гидродинамического излучателя с широким спектром частот. Собственная частота частицы, которая зависит от ее размеров и содержания воздуха, с большой вероятностью совпадает с одной из частот, генерируемых гидродинамическим излучателем. Высокоамплитудные резонансные пульсации частицы приводят к нарушению диффузионного слоя на границе раздела фаз между растворителем и частицей, высвобождению воздуха и быстрому насыщению частицы экстрагентом.
2. Насыщенная экстрагентом частица поступает в область с высокой плотностью акустической энергии, созданной группой пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей за счет их функционирования в резонансном режиме. Высокая плотность энергии обеспечивает интенсивную экстракцию растворимых в экстрагенте веществ, которые содержит частица.
3. Вследствие нарушения диффузионного слоя происходит увеличение степени извлечения биологически активных веществ при промывании остатка растительного сырья растворителем в противотоке.
Предлагаемый способ экстракции осуществляют следующим образом:
Растительное сырье измельчают и сушат, затем в рабочую емкость с растворителем, уровень которого поддерживают постоянным (что обеспечивают известными в уровне техники средствами автоматики), подают одновременно подготовленное сырье и растворитель через гидродинамический излучатель. Также растворитель подают через штуцер в нижней части рабочей емкости в противотоке. Затем масса попадает в зону обработки ультразвуком с высокой плотностью энергии, сформированной магнитострикционными или пьезокерамическими преобразователями. Экстракт, содержащий биологически активные вещества и растворитель, отводят через штуцер между зонами воздействия гидродинамического излучателя и зоной воздействия преобразователями. Растворитель отгоняют и получают комплекс БАВ. Отогнанный растворитель возвращают обратно в процесс. Массу растительного сырья, которую подвергали процессу экстракции, выгружают из емкости по шнековому транспортеру, одновременно промывая массу чистым растворителем. Шнековый транспортер расположен под наклоном к рабочей емкости, что позволяет растворителю, содержащему экстрагированные вещества, попадать обратно в рабочую емкость.
Изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера:
Пример 1
Известный способ экстракции:
Измельченный до размера 2,5 мм и высушенный до влажности 8-10% 1 кг травы Эхинацеи Пурпурной подают в аппарат для экстракции, туда же загружают органический растворитель этанол в количестве 10 л, соотношение сырья и растворителя 1:10. Массу выдерживают 6 часов. Сливают полученный экстракт, отгоняют растворитель и получают 26 грамм комплекса БАВ. Выход 2,6%. Время экстракции 6 часов.
Пример 2
Известный способ экстракции:
Измельченные до размера 1 мм и высушенные до влажности 8% 10 кг сосновых опилок подают в аппарат для экстракции, туда же загружают органический растворитель ацетон в количестве 100 л, соотношение сырья и растворителя 1:10. Процесс выдерживают 6 часов. Сливают полученный экстракт, отгоняют растворитель и получают 200 грамм смолы. Выход 2%, время экстракции 6 часов.
Пример 3
3
3
Смесь измельченного до размера 2,5 мм и высушенного до влажности 8-10% 1 кг травы Эхинацеи Пурпурной с этанолом, соотношение сырья и растворителя 1:8, подают в аппарат для экстракции с гидродинамическим излучателем на первой ступени, обеспечивая, таким образом, быстрое насыщение сырья экстрагентом. Плотность энергии в акустическом поле гидродинамического излучателя составляет 0,1 Вт/см. Смесь травы с экстрагентом, обработанную вышеуказанным способом, подают в зону действия акустического поля с высокой плотностью энергии, плотность акустической энергии составляет 0,5 Вт/см. Частота акустического поля составляет 22 кГц. Отводят полученный экстракт, отгоняют растворитель и получают 35 грамм комплекса БАВ. Выход 3,5%. Время экстракции 20 секунд.
Пример 4
3
Смесь измельченных до размера 1 мм и высушенных до влажности 8% 100 кг сосновых опилок с растворителем, соотношение сырья и растворителя 1:10, подают в аппарат для экстракции с гидродинамическим излучателем на первой ступени, обеспечивая, таким образом, быстрое насыщение сырья экстрагентом. Плотность энергии в акустическом поле гидродинамического излучателя составляет 0,05 Вт/см. Отводят полученный экстракт, отгоняют растворитель и получают 100 грамм смолы. Выход 0,1%, время экстракции 0,03 минуты.
Пример 5
3
3
Смесь измельченных до размера 1 мм и высушенных до влажности 8% 100 кг сосновых опилок с растворителем, соотношение сырья и растворителя 1:10, подают в аппарат для экстракции с гидродинамическим излучателем на первой ступени, обеспечивая, таким образом, быстрое насыщение сырья экстрагентом. Плотность энергии в акустическом поле гидродинамического излучателя составляет 0,05 Вт/см. Композицию опилок с экстрагентом, обработанную вышеуказанным способом, подают в зону действия акустического поля с высокой плотностью энергии, плотность акустической энергии составляет 0,5 Вт/см. Частота акустического поля составляет 22 кГц. Отводят полученный экстракт, отгоняют растворитель и получают 2,8 кг смолы. Выход 2,8%, время экстракции 30 секунд.
Пример 6
3
3
Смесь измельченных до размера 1 мм и высушенных до влажности 8% 100 кг сосновых опилок с растворителем, соотношение сырья и растворителя 1:10, подают в аппарат для экстракции с гидродинамическим излучателем на первой ступени, обеспечивая, таким образом, быстрое насыщение сырья экстрагентом. Плотность энергии в акустическом поле гидродинамического излучателя составляет 0,05 Вт/см. Композицию опилок с экстрагентом, обработанную вышеуказанным способом, подают в зону действия акустического поля с высокой плотностью энергии, плотность акустической энергии составляет 0,5 Вт/см. Частота акустического поля составляет 27 кГц. После обработки ультразвуком с высокой плотностью энергии суспензия опилок выводится из экстракционной установки через шнековый транспортер, в противотоке по транспортеру подают чистый растворитель. Благодаря тому что диффузионный слой на поверхности частиц, препятствующий дальнейшей экстракции смолы, не успевает образоваться, из опилок дополнительно извлекаются остатки смолы. Отводят полученный экстракт, отгоняют растворитель и получают 3,5 кг смолы. Выход 3,5%, время экстракции 50 секунд.
Результаты примеров сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Режим обработки
Время экстракции
Соотношение растворитель: опилки
Количество неизвлеченной смолы в % к массе опилок
Лабораторный периодический (контроль)
6 часов
10:1
1
Непрерывный, двустадийный
30 с
10:1
0,5
Непрерывный одностадийный (гидродинамический преобразователь)
30 с
10:1
1,5
Непрерывный одностадийный (электромеханический преобразователь)
30 с
10:1
1,0
Непрерывный, двустадийный
30 с
8:1
1,2
Непрерывный, двустадийный
30 с
15:1
0,45
Таким образом, реализованная в способе совокупность ультразвуковых воздействий позволяет более чем на два порядка сократить длительность процесса экстракции растворимых в органических растворителях соединений. В частности, в предложенном способе показана возможность реализации эффективной кратковременной ультразвуковой экстракции органическими растворителями древесной (сосновой) смолы, представляющей собой ценное промышленное сырье, но снижающей скорость энзиматической трансформации целлюлозы в сахара, пригодные для использования в ферментативных процессах микробиологической промышленности, направленных на получение биотехнологической продукции - органических растворителей, ферментов, биологически активных веществ.