СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЬГИНАТА КАЛЬЦИЯ
METHOD OF PRODUCING CALCIUM ALGINATE

Изобретение относится к способам получения альгината кальция и может быть использовано в различных отраслях промышленности и медицины, в частности фармацевтической промышленности для изготовления энтеросорбентов.
Альгинат кальция представляет собой нерастворимую в воде кальциевую соль альгиновой кислоты. Альгиновая кислота является растительным полисахаридом.
Альгиновую кислоту получают из бурых водорослей. Она состоит из D-маннуроновой и L-гулуроновой кислот.
Альгиновая кислота и ее соли - альгинаты - в настоящее время рассматриваются в качестве перспективных природных сорбентов, которые могут найти широкое применение в качестве лечебно-профилактических средств при отравлениях солями тяжелых металлов и радионуклидами, при пищевых и бактериальных токсикозах, гепатитах и для нормализации липидного обмена.
Промышленностью выпускаются, в основном, растворимые альгинаты (натриевые, калиевые и аммониевые соли альгиновой кислоты), которые представлены на мировом рынке в широком ассортименте. По сравнению с ними объемы производства альгината кальция незначительны и они выпускаются в основном для технических целей. По понятным причинам такой продукт по качеству не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям на пищевые и медицинские продукты. В то же время альгинат кальция как этеросорбент имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с растворимыми алъгинатами.
Характерной особенностью растворимых альгинатов является их способность образовывать вязкие растворы, благодаря чему они широко используются в различных отраслях промышленности в качестве эффективных загустителей. Растворимость и загустительные свойства являются серьезным недостатком в тех ситуациях, когда для достижения нужного терапевтического результата необходимо вводить достаточно большие дозы препарата - до 10-15 г/ день, а в ряде случаев - до 45 г/день. В этом плане альгинат кальция выгодно отличается от других альгинатов тем, что он практически нерастворим в воде и может использоваться для приема пациентами в любых необходимых количествах как в сухом виде, так и в форме концентрированной суспензии.
Так как альгинат кальция практически не влияет на реологические свойства большинства пищевых продуктов, он может быть включен в их состав в необходимом количестве в качестве биологически активной добавки.
Другим существенным недостатком всех коммерчески выпускаемых альгинатов (за исключением альгината кальция) является их характерный привкус. Альгинат кальция не имеет привкуса и не нарушает, таким образом, вкуса продукта, к которому добавляется.
Общим недостатком всех сорбентов - хелаторов, образующих прочные комплексы с ионами металлов, является их способность связывать и выводить из организма кальций, нарушая, таким образом, его обмен, что может со временем привести к серьезным последствиям. Альгинат кальция в отличие от других сорбентов не нарушает баланса кальциевых солей в организме.
Обычно альгинат кальция получают взаимодействием водного раствора альгината с солью кальция с последующим отделением и обработкой выпавшего осадка геля альгината кальция.
Так за рубежом для приготовления альгината натрия широко применяют метод Грина (И.В.Кизеветтер, В.С.Грюнер, В.А.Евтушенко. Переработка морских водорослей и других промысловых водных растений. - М.: Пищевая промышленность, 1967. - С.337-338.), по которому вначале альгиновую кислоту осаждают в виде альгината кальция по следующей технологической схеме. Сырые водоросли в течение нескольких часов промывают в слабом (0,3-0,4%) растворе соляной кислоты для удаления водорастворимых солей и облегчения разваривания водорослей. Промытые водоросли измельчают и смешивают с кальцинированной содой (1,8-2,2% к массе пульпы). После получасового перемешивания к смеси добавляют вторую порцию соды и повторяют обработку; значение pH раствора поддерживают на уровне 9,6-11,0. Затем смесь в 6 раз разбавляют водой и направляют в чаны, где смешивают с инфузорной землей, нагревают до температуры 50-60°С и пропускают через фильтры для осветления. К прозрачному фильтрату добавляют 10%-ный раствор хлористого кальция в количестве, достаточном для полного связывания альгиновой кислоты. Хлопья альгината кальция всплывают на поверхность; прозрачный раствор сливают, к осадку добавляют в избытке воду и раствор хлорноватокислого натрия в количестве, достаточном для полного обесцвечивания альгината. Обесцвеченный альгинат кальция используется затем для производства альгината натрия.
Также известен способ получения альгината кальция для пищевой и медицинской промышленности, в котором для улучшения качества альгината и уменьшения расхода пресной воды предлагается использовать морскую воду (авторское свидетельство СССР №1351565, кл. A23L 1/04, 1987). В соответствии с этим способом воздушно-сухие бурые водоросли замачивают и промывают в морской воде, а затем последовательно обрабатывают растворами формалина и соляной кислоты, приготовленными на морской воде. Промывку водорослевого сырья от кислоты ведут морской водой, а водную экстракцию с добавлением углекислого натрия ведут при 70-90°С. Полученный экстракт подвергают очистке, а затем из последнего производят осаждение солей альгиновой кислоты и их сушку. При осаждении альгината кальция в очищенный экстракт добавляют 10%-ный раствор хлористого кальция, приготовленный на морской воде. Затем альгинат кальция промывают морской водой от избытка хлористого кальция, подпрессовывают и сушат в сублимационной сушилке.
Общим недостатком вышеописанных методов является использование водных растворов альгинатов, которые, как известно, обладают высокой вязкостью и поэтому их эффективная технологическая обработка возможна только при низких концентрациях полисахаридов - не более 1-2%.
Это вызывает необходимость переработки больших объемов растворов и использования технологического оборудования соответствующих размеров.
Другим недостатком является то, что при осаждении из водных растворов альгинат кальция выпадает в виде объемного, сильно обводненного геля (содержание сухих веществ составляет 0,4-2,0%), дальнейший отжим и промывка которого представляет достаточно трудоемкий процесс и требует специального оборудования.
Следует также отметить, что в фармацевтической промышленности часто удобнее получать альгинат кальция не из растительного сырья, а непосредственно из альгинатов. Это связано с тем, что в современной медицине ощущается потребность в достаточно широком ассортименте альгинатов кальция, различающихся, например, по сорбционным свойствам, степени набухаемости и адгезии. Ассортимент выпускаемых промышленностью альгиновой кислоты и ее водорастворимых солей насчитывает несколько сотен марок и типов, различающихся по составу и физико-химическим свойствам, что позволяет получать на их основе разные типы альгинатов кальция с различными свойствами и в соответствующем ассортименте.
13
16
Наиболее близким к заявленному способу является способ получения альгината кальция путем взаимодействия альгината натрия с хлоридом кальция в водной среде (авторское свидетельство СССР №1432064, кл. С08В 37/04). Данный способ отличается тем, что, с целью интенсификации процесса взаимодействия, альгинат натрия подвергают взаимодействию в виде эмульсии его водного раствора в гидрофобной жидкости, стабилизированной 12,5 об.% ПАВ (поверхностно-активного вещества), а хлористый кальций в виде микроэмульсии, содержащей 4,8-5,6 об.% 40%-ного водного раствора хлористого кальция, 23-24 об.% ПАВ и 71-72 об.% гидрофобной жидкости. В качестве гидрофобной жидкости используют алканы состава C-C или минеральное масло, а в качестве ПАВ - оксиэтилированные эфиры жирных кислот и сорбита.
Способ осуществляют следующим образом. Готовят 30 мл 25%-ного раствора твина-81 (ПАВ) в минеральном масле. 10 мл полученного раствора насыщают 0,25 мл воды (масляная фаза I), a 20 мл раствора насыщают 1,0 мл 40%-ного водного раствора хлористого кальция (микроэмульсия). К масляной фазе I при перемешивании добавляют 10 мл 4%-ного водного раствора альгината натрия (эмульсия). К полученной эмульсии также при перемешивании добавляют микроэмульсию и перемешивают в течение 10 мин. Затем систему выдерживают без перемешивания в течение двух часов при комнатной температуре. Весь объем суспензии переносят в пробирку и суспензию отделяют центрифугированием при 3000 об/мин в течение 20 мин. Затем суспензию отмывают от масляной фазы ацетоном или спиртом, промывают водой и снова ацетоном или спиртом. Полученный продукт сушат в эксикаторе под вакуумом.
Недостатками указанного способа являются следующие:
а) использование так же, как и в ранее описанных способах, водного (хотя и концентрированного) раствора альгината, что приводит к формированию достаточно обводненного геля альгината кальция (расчетное содержание сухих веществ геля - менее 9%) и связано с дополнительными затратами на его обезвоживание и сушку;
б) использование органических растворителей (масел, алканов, ацетона) и ПАВ, необходимых для создания условий для интенсификации ионного обмена между вязкими растворами полисахаридов и концентрированным раствором хлористого кальция;
в) многостадийность и технологическая сложность процесса.
Задачей, решаемой данным изобретениям, является упрощение процесса получения альгината кальция.
Поставленная задача решается тем, что согласно известному способу получения альгината натрия, включающему обработку альгинатсодержащего продукта водным раствором соли кальция, отделение целевого продукта и его сушку, в соответствии с заявленным изобретением в качестве альгинатсодержащего продукта берут альгиновую кислоту или ее водорастворимые соли, причем исходный альгинатсодержащий продукт берут в сухом виде и обрабатывают его водным раствором соли кальция с концентрацией не менее 0,6 моль/л.
В качестве соли кальция берут соли кальция, способные образовывать водные растворы концентрацией не менее 0,6 моль/л, в частности хлорид кальция, нитрат кальция, ацетат кальция.
Использование исходных альгинатсодержащих продуктов в сухом виде для получения целевого продукта препятствует их растворению или существенному набуханию в процессе реакции за счет быстрого образования нерастворимой кальциевой соли, т.е. альгината кальция.
В качестве альгинатсодержащего продукта рекомендуется использовать альгиновую кислоту или ее водорастворимые соли, поскольку именно с этими соединения возможно проведение реакции обмена с концентрированными растворами солей кальция.
Главным условием практического осуществления предлагаемого способа является создание в реакционной среде определенной концентрации соли кальция, достаточно высокой для того, чтобы скорость ионного обмена, в результате которого образуется нерастворимая кальциевая соль полисахарида, намного превышала скорость гидратации молекул полисахарида - процесса, приводящего к набуханию и растворению гранул порошка полисахарида.
Минимальное допустимое значение концентрации соли кальция составляет 0,6 моль/л. При использовании концентрации соли кальция ниже этого значения происходит слишком большое набухание и соответственно увеличение объема гранул порошка полисахарида, что приводит к существенному снижению их механической прочности, слипанию и превращению в однородную массу, плохо поддающуюся дальнейшей обработке - промывке, фильтрации и сушке.
Напротив, верхний предел концентрации соли кальция ограничен только растворимостью данной соли и составляет, в частности, для хлористого кальция 4-5 моль/л при нормальных условиях (комнатной температуре и атмосферном давлении). Использование более концентрированных растворов, полученных, например, при повышенной температуре, технически возможно, но практически нецелесообразно, так как не приводит к какому-либо заметному улучшению технологического процесса и качества получаемого продукта, но вызывает перерасход соли кальция и необходимость последующего удаления ее избытка из готового продукта.
В научной и патентной документации заявителем не обнаружены существенные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение соответствует критериям патентоспособности изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».
Способ осуществляют следующим образом.
В исходном продукте сначала определяют содержание альгиновой кислоты по методу, изложенному в п.4.3.6. Определение массовой доли альгиновой кислоты в альгинате натрия ГОСТа 26185-84 «Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки».
Сухой порошок альгиновой кислоты или ее водорастворимой соли смешивают с водным раствором соли кальция, концентрацией не менее 0,6 моль/л. Смесь тщательно перемешивают, выдерживают не менее 10 минут, затем полученный альгинат кальция отделяют от водной фазы (если таковая образуется) декантацией, центрифугированием или фильтрацией. В случаях, когда требуется дополнительная очистка от водорастворимых примесей, включая остатки солей или кислот, полученный альгинат кальция промывают водой, затем отделяют жидкую фазу, например, фильтрацией или центрифугированием. Полученный влажный альгинат кальция сушат в обычных полочных конвекционных сушилках или сушилках других конструкций. Выход готового альгината кальция зависит от качества исходного сырья и составляет не менее 90% по уроновым кислотам.
Пример 1. 100 г сухого порошка альгината натрия (марка «Grindsted Alginate FD 120, производитель «Danisco Landernean SA», Франция), содержащего 76,5% альгиновой кислоты, высыпают при постоянном перемешивании в емкость, содержащую 400 мл 2,0 М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученную суспензию альгината кальция фильтруют через капроновый фильтр под небольшим вакуумом (0,01-0,03 МПа). Осадок альгината кальция на фильтре промывают 1000 мл воды для удаления солей и сушат в сушильном шкафу при атмосферном давлении и температуре 70-90°С.
Выход сухого альгината кальция составляет 94,2 г. Полученный продукт содержит 78,0% альгиновой кислоты и 9,6% кальция.
Пример 2. 100 г сухого порошка альгиновой кислоты (марка А7003, «Sigma»), содержащей 88,2% чистой альгиновой кислоты, высыпают при постоянном перемешивании в емкость, содержащую 400 мл 2,0 М раствора ацетата кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученную суспензию альгината кальция обрабатывают, как описано в примере 1.
Выход сухого альгината кальция составляет 106,4 г.Полученный продукт содержит 81,4% альгиновой кислоты и 9,0% кальция.
Пример 3. 10 г сухого порошка альгината аммония (марка S37178, «Aldrich»), содержащего 78,0% альгиновой кислоты, высыпают при постоянном перемешивании в емкость, содержащую 1000 мл 0,6 М раствора азотнокислого кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученную суспензию альгината кальция для отделения твердой фазы центрифугируют в центрифужных стаканах 15 минут при 2000 об/мин и диаметре ротора 40 см, что соответствует величине относительного центробежного ускорения около 1000 g, жидкую фазу сливают декантацией, осадок повторно суспендируют в 200 мл воды и центрифугируют. Полученный осадок альгината кальция сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого альгината кальция составляет 9,2 г. Полученный продукт содержит 79,1% альгиновой кислоты и 10,5% кальция.
Пример 4. К 100 г сухого порошка альгината натрия (марка «Grindsted Alginate FD 120, производитель «Danisco Landernean SA», Франция), содержащего 76,5% альгиновой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 50 мл 5,0 М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок альгината кальция переносят на фильтр, промывают 1000 мл воды и сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого альгината кальция составляет 98,0 г. Полученный продукт содержит 77,0% альгиновой кислоты и 8,4% кальция.
Пример 5. К 100 г сухого порошка альгината натрия (марка «Grindsted Alginate FD 120, производитель «Danisco Landernean SA», Франция), содержащего 76,5% альгиновой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 44 мл 5,0 М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок альгината кальция, не промывая, сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого альгината кальция составляет 125,0 г. Полученный продукт содержит 61,1% альгиновой кислоты, 7,0% кальция, 19,5% хлорида натрия (образуется в ходе обменной реакции между альгинатом натрия и хлоридом кальция).
Пример 6. К 100 г сухого порошка альгиновой кислоты (марка А7003, «Sigma»), содержащей 88,2% чистой альгиновой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 125 мл 2,0 М раствора ацетата кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок альгината кальция, не промывая, сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого альгината кальция составляет 110,5 г. Полученный продукт содержит 80,0% альгиновой кислоты и 9,0% кальция.
Пример 7. К 100 г сухого порошка альгината натрия (марка «Grindsted Alginate FD 120, производитель «Danisco Landernean SA», Франция), содержащего 76,5% альгиновой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 22 мл 5,0 М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок альгината кальция, не промывая, сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого альгината кальция составляет 112,5 г. Полученный продукт содержит 68,0% альгиновой кислоты, 3,9% кальция, 11,5% хлорида натрия. Данный продукт содержит кальций в количестве, существенно меньшем эквивалентного (примерно на 50%), и при контакте с водой сильно набухает, превращаясь в однородную вязкую массу.
Преимуществом предлагаемого способа, по сравнению с известными, является то, что он, во-первых, позволяет осуществлять перевод любой растворимой соли или кислотной формы альгината в форму его кальциевой соли без применения каких-либо органических растворителей с использованием только водных растворов.
Во-вторых, перевод альгинатов в форму кальциевой соли происходит без изменения агрегатного состояния полисахарида - частицы порошка полисахарида не только не успевают раствориться, но даже существенно набухнуть, и, в целом, сохраняют свою форму и достаточную жесткость. Это является принципиально важным моментом, так как позволяет достаточно легко и просто проводить дальнейшую технологическую обработку полученной кальциевой соли. Напротив, потеря частицами полисахарида механической прочности способствует их деформации, разрушению, слипанию и превращению в однородную желеобразную массу, что существенно затрудняет или делает невозможным технологические операции по отделению жидкой фазы, промывке и сушке (в обычных сушилках для сыпучих продуктов) полученного продукта.
Предлагаемый способ позволяет также получать неполные кальциевые соли альгиновых кислот, то есть такие альгинаты кальция, в которых содержание кальция меньше эквивалентного. Данные соединения могут представлять определенный практический интерес, например, в медицине, благодаря тому, что могут впитывать большое количество влаги, сильно набухать и образовывать сплошной гелеобразный слой на любой поверхности. Получение таких соединений обычным путем - осаждением из водных растворов - практически неосуществимо или трудновыполнимо, так как образующийся осадок неполного альгината кальция представляет собой желеобразную аморфную структуру, имеет слабую консистенцию и может быть частично растворим. Получение неполных альгинатов кальция по предлагаемому способу может быть осуществлено, например, путем смешивания растворимых альгинатов с концентрированным раствором соли кальция по методике, описанной в примере 7. При этом образуется влажный, достаточно плотный порошок неполного альгината кальция, который легко поддается сушке.
В экономическом плане существенным преимуществом предлагаемого способа является также высокое содержание сухих веществ в свежеполученном альгинате кальция (22-36% и более), в то время как свежеосажденный альгинат кальция, полученный по традиционной технологии, содержит всего 0,4-2,0% сухих веществ. Поэтому для получения альгината кальция по предлагаемому способу требуется технологическое оборудование значительно меньших размеров, что позволяет компактно разместить производство целевого продукта даже на небольшом фармацевтическом предприятии. Кроме этого, такое высокое содержание сухих веществ дает большую экономию энергии при сушке продукта - самой энергозатратной стадии процесса.