Кафедра технологии лекарств

Лектор проф. В.А. Головкин

VII семестр

1. Характеристика некоторых экстрагентов.

2. Спирт этиловый. Основы ректификации.

3. Определение концентрации спирта.

4. Вода. Получение обессоливание воды.

Растворители, используемые при экстракции растительных и биологических материалов либо при экстракции жидкость-жидкость, называются экстрагентами.

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям:

- легко проникать (диффундировать через стенки клетки);

- должен быть летучим, т.е. иметь низкую температуру кипения;

- быть огне- и взрывобезопасным;

- быть доступным, дешевым;

- препятствовать развитию микроорганизмов, грибков, плесени.

Выбор экстрагента зависит от степени гидрофильности извлекаемого вещества. Здесь используется правило: подобное растворяется в подобном. Вещества полярные, с высоким значением диэлектрической постоянной, хорошо растворяются в полярных растворителях. Вещества неполярные, с малым значением диэлектрической постоянной, растворимы в неполярных растворителях.

Экстрагента, отвечающего всем названным требованиям, пока нет. Комбинируя известные экстрагенты можно получать такие растворители, которые будут обеспечивать избирательную экстракцию определенного вещества или комплекса веществ, химическую или физиологическую индифферентность, огнебезопасность, стабильность, устойчивость к микрофлоре и др. свойства.

Ассортимент и физико-химические свойства большинства применяемых экстрагентов изложены в учебниках.

В зависимости от величины диэлектрической постоянной экстрагенты-растворители делятся на:

1) неполярные;

2) малополярные;

3) полярные.

1) Неполярные растворители (хлороформ, бензол, петролейный эфир, бензин, гексан и т.п.) хорошо извлекают агликоны сердечных гликозидов, основания большинства алкалоидов, сапогенины, флавоны, эфирные масла, жиры, воски, смолы и т.п., но не растворяют белки, пектины, сахара, минеральные вещества и др. гидрофильные вещества.

2) Малополярные растворители - этиловый спирт, (изо)пропиловый и бутиловый спирты, ацетон и др. - растворяют как соли, так и основания алкалоидов, гликозиды и их агликоны, флавоны и их агликоны, кумарины, каротиноиды, витамины группы В, Р, РР, эфирные масла, пигменты, хлорофилл, смолы, бальзамы и др., но не растворяют белки, слизи, пектины, сахара, воски, таннины и др.

3) Полярные растворители - вода, метиловый спирт, глицерин - обладают способностью растворять соли алкалоидов, сердечные гликозиды, антрагликозиды, сапонины, фурокумарины, витамины С, К, Р, РР, органические кислоты, соли, сахара, слизи и др. Эти способности присущи воде и растворам спиртов в воде.

Вода не растворяет неполярные вещества - основания алкалоидов, воски, смолы, жиры и масла, эфирные масла, агликоны сердечных гликозидов, сапонинов, антрахинонов, флавоноидов, пигменты, в частности, хлорофилл, церины и др.

Масла растительные. Применяют масла растительные холодного прессования, хорошо отстоявшиеся; желтого цвета. Чаще всего применяют персиковое, миндальное и подсолнечное масла. Жирные масла смешиваются с эфиром, хлороформом, бензином, эфирными маслами и минеральными маслами. Все масла, кроме касторового, не смешиваются со спиртом и водой. Прогоркают, что влечет за собой повышение кислотного числа. Жирные масла обладают избирательной способностью как экстрагенты.

Сжиженные газы. Перспективными для экстрагирования являются предлагаемые в последнее время сжиженные газы: углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак, хладоны (хлорфторпроизводные углеводородов) и др. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные, жирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.)

Исследованиями, проведенными в ГНЦЛС, показано, что наиболее селективным растворителем в отношении эфирных масел является хладон-С318 (ц-С₄F₈), практически не извлекающий жирных масел. Хладон-11 (ССl₃F) , хладон-12 (ССl₂F₂) и хладон-22 (СНСlF₂) извлекают эфирные и жирные масла, каротиноиды, терпеноиды и другие природные вещества.

Кроме значения диэлектрической постоянной экстрагента, большое влияние на растворимость и скорость диффузии веществ при экстракции оказывают вязкость и поверхностное натяжение. Из полярных экстрагентов наименее вязкий метанол, из малополярных - ацетон, из неполярных - этиловый эфир, гексан, хлороформ.

Большинство сжиженных газов обладает свойствами неполярных растворителей, хотя сами являются гидрофильными соединениями (кроме фреонов).

А теперь остановимся на наиболее распространенном, часто используемом в галеновом производстве, растворителе - спирте этиловом, его свойствах, методе очистки-ректификации.

Этиловый спирт - бесцветная, прозрачная, легкоподвижная жидкость своеобразного запаха, жгучего вкуса, физиологически неиндифферентная, смешивается с водой, эфиром, хлороформом и многими органическими растворителями в любых соотношениях.

Жидкость легковоспламеняющаяся, предельная концентрация паров в воздухе - 0,1 мг/л, минимальный предел взрывчастности - 3,2% (объемные).

Для медицинских целей, в качестве растворителя, экстрагента применяется только спирт-ректификат, полученный методом брожения крахмал- и сахаросодержащих продуктов с последующей очисткой и ректификацией.

Картофель, злаки, отходы сахарной промышленности (патока, солод) с помощью дрожжей сбраживаются до получения так называемой “бражки”, содержащей 8-12% спирта, отгоняют спирт-сырец с содержанием спирта 88-90%, 10-12% воды и около 0,4% сивушных масел (амиловый, изоамиловый, бутиловый, изобутиловый спирты, эфиры этих спиртов с уксусной, масляной и др. кислотами, эти кислоты в свободном состоянии).

Для разделения этого комплекса веществ пользуются методом разгонки смеси жидкости с компонентами, имеющими различную t⁰_кип.

Условия кипения этих смесей таковы:

1. Температура кипения такой смеси лежит между точками кипения каждого компонента (в нашем случае “спирт-вода” - между 100⁰С и 78,8 ⁰С);

2. Температура кипения определяется процентным содержанием компонентов и приближается к тому из них, процентное содержание которого в смеси выше. Т.е., чем больший процент спирта в смеси, тем температура кипения будет ближе к 78,8⁰С, и наоборот - слабые растворы спирта кипят при температурах близких к 100⁰С.

3. Состав паров над кипящей смесью отличается от состава жидкой фазы и всегда более богат легколетучим компонентом, что видно из диаграммы кипения смеси “спирт-вода” (из равновесной кривой).

Доводя фракцию “С” до кипения, получим пар состава “Д” и т.д. Когда мы дойдем т.о. до точки “М”, характеризующейся тем, что и кипящая жидкость, и пары над ней будут иметь одинаковую концентрацию спирта (одинаковый состав), то получим спирт-ректификат состава: спирта этилового 95,57% (по массе) или 97,17% (по объему) и воды дистиллированной - 4,43%

Дальнейшая фракционная разгонка смеси результата не даст, т.к. полученный отгон представляет собой азеотропную смесь, т.е. нераздельнокипящую. Для удаления остаточной влаги, т.е. для обезвоживания такого спирта, прибегают к воздействию водоотнимающих средств (СаО, СаСl₂ и CuSO₄ - безводные, натр металлический и др.), либо доставляют бензол и разгоняют уже тройную систему, получая спирт 99,9%-ной концентрации.

Из приведенной диаграммы (графика), где на оси абсцисс отложено содержание спирта в жидкой фазе, а на оси - в парах, видно, что по мере “укрепления спирта” прирост концентрации в парах ослабевает, и наступает момент, когда обогащение пара спиртом не идет, поскольку состав пара над кипящей жидкостью соответствует составу кипящей жидкости.

Рассмотренная кривая подтверждает невозможность разделения смеси летучих жидкостей однократной перегонкой, поэтому приходиться прибегать к многократной (фракционной) перегонке или к ректификации.

Фракционная перегонка отличается от простой тем, что конденсат отбирается по фракциям, имеющим различные температуры кипения, в отдельные приемники.

Разделять смеси жидкостей с близкими температурами кипения фракционной перегонкой нецелесообразно, т.к. процесс получается очень громоздким, многоступенчатым, продолжительным. Поэтому в таких случаях пользуются методом ректификации.

Ректификация (от лат. rectificare - очищать, исправлять) - способ почти полного разделения смеси летучих жидкостей путем взаимодействия пара и жидкости при многократном испарении и конденсации (в результате противоточного взаимодействия паров и жидкой смеси).

Процесс многократной дистилляции ректификация осуществляется в специальных аппаратах - ректификационных установках, основной частью которых являются ректификационные колонны.

Составные части ректификационной установки:

Назначение каждого узла:

1. Дистиллятор - перегонный куб, предназначен для превращения жидкости в пар, т.е. для перегонки;

2. Ректификационная колонна - для разделения смеси паров двух и более летучих жидкостей;

3. Дефлегматор - холодильник для частичной конденсации паров, выходящих из РК (ректификационной колонны). Служит для образования и поддержания уровня флегмы на тарелках;

4. Конденсатор - холодильник для полной конденсации паров, выходящих из РК. В отличие от дефлегматора, конденсатор охлаждается не теплой, а проточной (холодной) водой;

5. Сборник - емкость для готовой продукции (цистерны, танки);

6. Смотровой фонарь - стеклянный колпак с плавающим внутри спиртомером, показывающим “крепость” получаемого спирта;

7. Коммуникации - трубопроводы для пара, жидкостей, связывающие все узлы в единый агрегат.

Принципиальная схема ректификационной установки периодического действия представлена на таблице (рис.)

Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испарения. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре богатые спиртом пары конденсируются, и флегма поступает в делитель потока 4. Часть флегмы из делителя потока направляется на орошение ректификационной колонны, а другая часть - дистиллят - проходит через холодильник 5 и направляется в сборники 6.

Укрепление спирта в колонне основано на том, что пары, поднимающиеся снизу, барботируют через слой флегмы, находящейся на горизонтальных перегородках - тарелках, в результате чего пары труднокипящего компонента (воды), соприкасаясь с более холодной жидкостью, конденсируются в ней, а легколетучий продукт испаряется. Вследствие этого пары, уходящие из колонны, обогащаются легколетучим продуктом (спиртом). Для более тесного контакта паров, поднимающихся снизу, с флегмой, истекающей сверху, ректификационные колонны, применяются различной конструкции тарелки.

Ректификационная колонна - чаще всего это полый стальной цилиндр (труба) диаметром от 0,1 до 2,5м и более, высотой от 6 до120м (в зависимости от того, что разгоняют - спирт-вода, нефтепродукты, воздух, продукты синтетической химии и пр.).

Внутри колонна перегорожена тарелками колпачкового, ситчатого или клапанного типа.

1. Наиболее распространенными являются колпачковые тарелки в колоннах; монтируется от 6 до нескольких десятков тарелок.

Тарелка - сплошная перегородка с одним или несколькими отверстиями (круглыми или тоннельными), воротником, колпаком, сливным патрубком – стаканом или переливным порогом.

Воротник (поднятые края отверстия) служит для предотвращения слива жидкости-флегмы через отверстие вниз.

Колпачок направляет пар в толщу флегмы. Чтобы увеличить поверхность контакта пара с флегмой в нижней (утопленной во флегму) части, колпачок имеет много отверстий или щелей, рассекающих поток пара на тонкие струйки.

Ситчатая тарелка представляет собой перегородку, пронизанную массой отверстий диаметром 0,8-3 мм, через которые и барботирует пар.

Порог и переливные стаканы обеспечивают автоматизм в процессе разгонки.

Колонны с ситчатыми тарелками - самый простой тип РК. Широко используются для производства спирта-ректификата, разделения воздуха на кислород-азот-водород-гелий и др.

Недостаток их в том, что, в случае снижения давления пара в колонне, флегма “проваливается”, т.е. через отверстия сливается со всех тарелок вниз, и колонна прекращает свою работу.

В клапанных тарелках скомбинированы оба типа (ситчатый и колпачковый), но вместо колпачков над каждым отверстием установлен клапан, своим весом, автоматически регулирующий величину площади зазора между ним и площадью отверстия.

ПУЗЫРЬКОВЫЙ РЕЖИМ наблюдается при небольших скоростях пара, когда он движется сквозь слой флегмы в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта пара и жидкости здесь невелика.

ПЕННЫЙ РЕЖИМ. С увеличением подачи пара выходящие через отверстия или прорези колпачка тарелки отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая сразу же разрушается, образуя с флегмой парожидкостную систему - пену, которая является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи пара. В пенном режиме поверхность контакта фаз на тарелках максимальна.

СТРУЙНЫЙ РЕЖИМ. При дальнейшем увеличении скорости пара длина паровых струй увеличивается, и они выходят на поверхность флегмы, не разрушаясь, образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в таких условиях гидродинамического режима резко снижается.

Переход от данного режима к другому происходит постепенно, поэтому при проектировании ректификационных колонн расчетным путем определяют скорость пара на верхнем и нижнем пределе работы тарелки и затем выбирают его рабочую скорость.

Вместо периодически действующих установок рациональнее применять непрерывно действующие. Схема такой установки представлена на рисунке.

В ее состав входят ректификационная колонна, теплообменник, дефлегматор, змеевиковый холодильник, сборник для готового продукта.

Разгоняемая смесь подается по трубе 6, нагревается в теплообменнике до темп. кипения и по трубе поступает на верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны, обогреваемой паром из кипятильника.

В колонне (исчерпывающей части) смесь стекает с тарелки на тарелку и барботируется горячим паром, подаваемым снизу из кипятильника 2; пар, увлекая за собой легколетучий компонент смеси, поднимается в укрепляющую часть колонны, а вода, освобожденная от спирта, поступает по трубе 10 в трубки теплообменника 3 и там отдает свое тепло.

Таким образом, часть тепла отбросной жидкости (воды) рекуперируется.

Дальнейшее обогащение паров легколетучим продуктом (спиртом) осуществляется в укрепляющей части колонны 2 при помощи флегмы, стекающей по трубе 12 на ее верхнюю тарелку. Происходит это так: в дефлегматоре 4 происходит полная конденсация паров. Часть флегмы возвращается в колонну, где через нее барботирует пар, поднимающийся от исчерпывающей части колонны.

Снизу вверх по колонне движется восходящий поток пара, поступающий в нижнюю часть аппарата из кипятильника по паропроводу 11. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке исчерпывающей части, в результате взаимодействия между жидкостью и паром, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно низкокипящий спирт. Из пара конденсируется и переходит в жидкость вода, т.е. пар будет содержать больше низкокипящего компонента (НК), чем на первой тарелке и соответственно кипит при более низкой температуре. Соприкасаясь с разгоняемой жидкостью пар частично конденсируется, обогащается низкокипящим компонентом (спиртом) и поднимается на вышерасположенную тарелку.

Таким образом, пар по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом, покидает тарелку исчерпывающей части колонны в виде чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары спирта, наконец, конденсируются в дефлегматоре 4, и получаемая жидкость (концентрированный 96% спирт) разделяется на дистиллят и флегму, последняя направляется на верхнюю тарелку укрепляющей части колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой 96% низкокипящий компонент (спирт). Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость (спирт) все более обогащается водой, конденсирующейся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки исчерпывающей части колонны, она становится практически чистой водой и поступает в теплообменник.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости (флегмы) из подогревателя исходной смеси присоединяется эта исходная смесь, подогретая до температуры кипения. Подогретая исходная смесь поступает на так называемую питающую тарелку исчерпывающей части колонны . Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их спиртом, с тем чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому спирту. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости спирт, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к воде. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматор 4 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), который после охлаждения в холодильнике направляется в сборник 7. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и одновременно охлаждаются в холодильнике.

Непрерывно действующая ректификационная установка оснащается необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях.

Питание ректификационной колонны флегмой может осуществляться и другими способами - дефлегматор монтируют непосредственно над ректификационным аппаратом, и осуществляют частичную конденсацию выходящих паров и возврат конденсата в укрепляющую часть колонны. Часть же паров идет дальше в холодильник и далее из него - в сборник.

Во втором случае выходящие пары полностью конденсируются в конденсаторе, и весь конденсат собирается в сборнике. Часть дистиллята с помощью насоса направляется в укрепляющую часть колонны. Остальное количество идет в сборник либо на дальнейшую переработку, либо в емкости готового продукта.

Что касается насадочных колонн - они представляют собой вертикальный циллиндр-трубку, заполненный дробленым кварцем, мрамором, фарфоровыми кольцами, керамическими решетками и т.п., обеспечивающими значительное увеличение поверхности контакта жидкости и пара. Разгоняемая жидкость подается сверху, она распределяется на наполнителе в виде пленки, контактирующей с паром, поступающим снизу. На пленке и идут эти оба процесса - испарения и конденсации. РК насадочного типа широко применяются в синтетической химии при разгонке смесей с очень близкими температурами кипения.

Спирт смешивается с водой в любых соотношениях, но при этом происходит сжатие смеси - уменьшение объема, т.н. контракция (лат. сontractio - сжатие). Это явление объясняется уплотнением молекул за счет перекрестной ассоциации молекул спирта и воды. Этот процесс глубоко изучался нашим знаменитым соотечественником Д.И. Менделеевым. Объем полученной смеси всегда меньше суммы взятых объемов исходных компонентов - воды и спирта. Например, смешение 50 литров безводного (100%-ного) спирта и 50 литров воды дает 96,4 литра смеси.

Плотность спиртоводных растворов всегда меньше 1,000 и зависит от процентного содержания спирта. Например, плотность безводного спирта равна 0,78927 г/мл, а 50%-ного раствора спирта в воде - 0,9302.

В практической деятельности пользуются двумя единицами измерения концентрации спирта: объемными процентами и % по массе.

Процент по массе - количество граммов безводного спирта в 100г смеси.

Процент спирта по объему свидетельствует о количестве мл безводного спирта в 100 мл смеси.

Разница в плотностях спирта и воды, свойство уплотняться при смешении с водой приводит к тому, что объемный процент и процент по массе для одного и того же спиртового раствора будут величинами разными. Например, 40%-ной концентрации спирта по объему соответствует 33,3%-ная концентрация по массе.

В производственных условиях - на хим.-фарм. заводах, фарм. фабриках и в аптеках, чаще пользуются концентрацией выраженной “в объемных процентах” или в “градусах”.

Концентрация спирта определяется с помощью специальных приборов - спиртомеров стеклянных или металлических, по плотности жидкости, рефрактометрически, по температуре кипения смеси, по поверхностному натяжению и др.

Наиболее простым, быстрым, достаточно точным и наиболее распространенным является определение крепости спирта спиртомерами.

Спиртомеры - это ареометры, шкала которых градуирована в объемных процентах спирта при + 20⁰С.

Демонстрируются образцы спиртомеров разных типов:

Класс А Цена деления 0,1%

Класс В Цена деления 0,1%

Класс С Цена деления 0,1%

Металлический спиртометр - полый латунный шар, позолоченный сверху, с припаянными вверху и внизу стержнями: нижний конический стержень служит для удержания плавающего прибора в одном положении и для навешивания гирек (10 дисков с прорезью разной массы, на каждой из гирек выбиты цифры 0,10,20 и т.д. вплоть до 90); верхний стержень - это шкала с 10 делениями, разделенными в свою очередь на 5 малых делений, т.о. цена деления этого спиртомера 0,2 условных единицы. Металлический спиртомер показывает истинную крепость спирта.

Единицей учета количества спирта на крупных предприятиях - ПХФО (ХФЗ) является литр безводного спирта при +20⁰С. Для оптового отпуска и учета пользуются дкл и гкл (дека- и гектолитры).

Объем спирта отмеривается с помощью мерников - стальных вместилищ - емкостью в 50,75,100 и более литров, калиброванных Палатой мер и весов при + 20⁰С.

В аптеках и на аптечных складах единицей учета спирта служит кг спиртоводного раствора определенной концентрации. Температурный фактор в этом случае не играет роли на количественном учете спирта. Склады получают спирт со спиртзаводов по объему, затем, с помощью Таблиц Госстандарта, переводят в кг и, т.о., уже отпускают аптекам, больницам и фармацевтическим фабрикам.

Вода очень распространенный растворитель и экстрагент. Потребление ее на хим.-фарм. заводе огромно - для производства галеновых препаратов (экстрактов, настоек, медицинских спиртов, эмульсии, мазей и пр.).

Вода, используемая для приготовления лекарств, не должна содержать минеральных солей, органических примесей, микроорганизмов, т.е. она должна быть обессоленной.

Применяется несколько способов обессоливания:

Сырьем для ее получения служит природная вода, которая различается - по качеству:

При получении очищенной воды чаще используют термический метод, т.е. метод перегонки. Это самый древний и надежный метод обессоливания. Он дешев, доступен, прост. Аристотелем (более 2000 лет тому) описан этот метод очистки воды.

На хим.-фарм. производстве для термического опреснения используются аппараты непрерывного действия.

Наиболее часто в промышленном производстве используются аквадистилляторы с вертикально и горизонтально расположенными перегонными корпусами:

Каждый корпус (1) представляет собой испаритель с губчатым паровым нагревателем (5). Технический греющий пар подается в его верхнюю часть, а отработанный выводится в нижней части в парозапорное устройство линии конденсата технического пара. Внутрь испарителя заливается нагретая в конденсаторе-холодильнике (2) вода, деминерализованная до постоянного уровня, которая нагревается до кипения. Вторичный пар в верхней части каждого корпуса проходит через ситчатую тарелку с постоянным слоем проточной воды апирогенной (4). Барботаж способствует эффективному задерживанию капель из пара. Очищенный пар поступает в нагреватель второго корпуса и нагревает воду, находящуюся в нем, до кипения. Вторичный пар второго корпуса барботирует через слой воды апирогенной в ситчатой тарелке и поступает в нагреватель третьего.

Очищенный вторичный пар третьего корпуса поступает в конденсатор-холодильник (2), являющийся общим для всех корпусов. Вторичный пар первого и второго корпусов из соответствующих нагревателей, проходя подпорные шайбы, подается вместе с образовавшимся дистиллятом в конденсатор-холодильник. Дистиллят собирается в сборнике с воздушным фильтром. Восполнение воды в испарителях всех корпусов происходит нагретой водой из конденсатора-холодильника. Для последовательного нагревания воды до кипения в нагревателях корпусов автоматически с помощью подпорных шайб поддерживается соответствующее давление и температура пара. В испарителях первого корпуса – 120-140°С, второго – 110-120°С и третьего – 103-110°С. Качество дистиллята хорошее, так как в корпусах достаточная высота парового пространства и предусмотрено эффективное удаление капельной фазы из пара.

На ГЛАВНУЮ

к оглавлению