Dyfuzja- to samoistne przenikanie cząsteczek jednej fazy do drugiej, pod wpływem bezwładnego (termicznego) ruchu cząsteczek materii, powoduje mieszanie gazów, cieczy i ciał stałych. Dyfuzja najszybciej przebiega w gazach, wolniej w cieczach, a najwolniej w ciałach stałych. Szybkość procesu zależy od współczynnika dyfuzji danej substancji, gradientu (różnicy) stężeń, wielkości powierzchni przez którą migrują dyfundujące cząsteczki, oraz ich masy. Efektem dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównanie się stężeń wszystkich składników w całej objętości cieczy.
Ekstrakcja- polega na wydzieleniu substancji zawartych w jednej fazie, ciekłej lub stałej i przeprowadzeniu ich do innej fazy ciekłej.
Podstawa ekstrakcji ciecz-ciecz- równowaga dynamiczna zachodząca w układzie dwóch faz niemieszających się ze sobą cieczy. W stanie równowagi- przechodzenie z jednej fazy do drugiej i na odwrót- takie samo.
Ekstrakcja – wyodrębnianie składnika lub składników mieszanin metodą dyfuzji do cieczy lepiej rozpuszczających te związki chemiczne. Pojęcie ekstrakcji odnosi się najczęściej do owana ekstrakcja prosta lub wielokrotna z użyciem rozdzielaczy (wytrząsanie) lub ekstrakcja ciągła, z użyciem ekstraktorów lub perkolatorów o różnej konstrukcji, takich jak aparat Soxhleta lub Aparat Graefego (perkolacja)[7].
Prawo Nemsta- określa rozdzielanie substancji ekstrahowanej między 2 fazy:
- jeżeli do układu 2 niemieszających się cieczy A i B doda się pewną ilość substancji rozpuszczalnej w obu cieczach, nastąpi podział między te dwie ciecze w taki sposób, że stosunek stężenia w jednym rozpuszcalniku CA do stężenia w drugim rozpuszczalniku CB jest wielkością stałą w stałej temperaturze: CA/CB= K= const
K- współczynnik podziału (rozdziału)~ stosunkowi rozpuszczalności danej substancji w obu rozpuszczalnikach
Ekstrakcja
W praktyce: warunki równowagi powstałego trójskładnikowego układu dwufazowego- bardziej skomplikowane ( towarzyszą zjawiska asocjacji i dysocjacji)
- prawo Nernsta- tylko dla roztworów rozcieńczonych
Ekstrakcja skuteczna- gdy substancja lepiej rozpuszcza się w jednym rozpuszczalniku
Aby osiągnąć najlepsze efekty ekstrakcji należy:
-stosować małe porcje rozpuszczalnika, ale proces powtarzać kilkukrotnie
- aby przyspieszyć ustalenie równowagi- maksymalnie zwiększyć powierzchnię zetknięcia: w przypadku cieczy stosuje się wytrząsanie, ekstrahowane ciała stałe- dokładnie się rozdrabnia
Do ekstrakcji:
- rozpuszczalniki jednoskładnikowe lub ich mieszaniny (najczęściej azeotropowe)
- prędkość ustalenia równowagi stężeń zależy m.in. od takich cech fiz-chem, jak lepkość czy polarność
Dobór rozpuszczalnika do ekstrakcji:
- rozpuszczalność substancji ekstrahowanej
-jak najmniejsza rozpuszczalność wzajemna z fazą ekstrahowaną
- jak największa różnica gęstości względem fazy ekstrahowanej
-brak skłonności do tworzenia emulsji
- łatwość usuwania z ekstraktu
- wpływ budowy rozpuszczonej substancji oraz polarność obu faz
Generalnie;
- substancje z ugrupowaniami (np. łańcuch alifatyczne, niepodstawione pierścienie aromatyczne)- rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych np. węglowodory
- związki z grupami hydrofilowymi (-OH, -COOH, -SO3H)- w rozpuszczalnikach polarnych
Zalety ekstrakcji- możliwość stosowania neutralnych rozpuszczalników w umiarkowanych temperaturach (substancje wrażliwe na działanie ciepła)
Wada- duże zużycie rozpuszczalników (często drogich i niebezpiecznych)
Metody otrzymywania ekstraktów (dobór uzależniony od hydrofilowo- lipofilowego charakteru aktywnych związków zawartych w surowcu roślinnym)
- hydrofilowe związki biologicznie czynne- ekstrahowane wodą, wodnymi roztworami glikolu propylenowego lub glicerolu albo wodne roztwory EtOH (stosowane w recepturach kosmetyków bez usuwania rozpuszczalnika)
Przykłady hydrofilowych związków biologicznie czynnych : flawonoidy, heteropolisacharydy (śluzy), saponiny i niektóre witaminy
- związki lipofilowe, np. karotenoidy, fitosterole, wit. E, woski roślinne itp.- ekstrakcja olejami roślinnymi, mineralnymi lub selektywnym rozpuszczalnikiem dobranym do rodzaju wyodrębnionych składników
- substancje zapachowe: ekstrakcja dwustopniowa:
- najpierw rozpuszczalnik niepolarny np. heksan, tłuszcze
- następnie polarnym np. EtOH
- stabilizacja ekstraktów wodnych: np. 3-5 % 1,2- pentadiolu (dobrze nawilża skórę, stężenie 3-5% wystarczające do zabezpieczenia antymikrobowego)- wodne ekstrakty siemienia lnianego, korzenia żywokostu, liści podbiału itd.
Podstawowe procesy w technologii galenowej (wykonane z surowców roślinnych, przede wszystkim ziół w formir np. wyciągowej)
Ekstrakcja polega na wyodrębnieniu za pomocą rozpuszczalnikó pewnych substancji z mieszaniny związków o konsystencji stałej lub płynnej.
Wg Bruda i Glinki w zależności od sposobu podawania rozpuszczalników wyróżniamy:
-periodyczne metody ekstrakcji (rozpuszczalnik podawany jednokrotnie lub w częściach)
- ciągłe metody ekstrakcji (surowiec styka się stale ze świeżym rozpuszczalnikiem)
Podział ekstrakcji w zależności od temperatury:
- ekstrakcja w temp. Normalnej (pokojowej)
-maceracja, perlokacja, reperkolacja
- ekstrakcja w temp. Podwyższonej
-dygestia, naparzanie, odgotowanie, ekstrakcja w aparacie Soxhleta
Rozpuszczalniki stosowane w ekstrakcji:
woda:
-tani i obojętny fizjologicznie rozpuszczalnik, często stosowany do ekstrakcji, jednak mało selektywny- wytrawia dużo substancji balastowych- ulegają wytraceniu podczas przechowywania; wyciągi wodne- dobra pożywka dla drobnoustrojów
- ekstrahuje z surowców roślinnych: glikozydy, sole alkaloidów, śluzy roślinne, kwasy organiczne, sole mineralne, saponiny, gorycze, cukry, pektyny, białka (pod wpływem gorącej wody- koagulacja)
- nie wytrawia: tłuszczów i żywic, alkaloidy i olejki eteryczne- częściowo
- niektóre substancje- rozpuszczalne na gorąco, wytrącają się po ochłodzeniu
- w gorącej wodzie- inaktywacja enzymów
Etanol:
-bardziej selektywny od wody; ekstrahuje alkaloidy, glikozydy, olejki eteryczne, balsamy i żywice
- nie ekstrahuje: białek, cukrów, śluzów roślinnych, pektyn
Inaktywuje eznymy- hamuje wzrost drobnoustrojów
- w praktyce: stosowanie mieszaniny EtOh i aq. w różnych proporcjach
Eter etylowy
-doskonały do ekstrakcji żywic, tłuszczy, olejków eterycznych- inne składniki surowca nie są ekstrahowane
- woda: łatwopalność i skłonność do eksplozji
Aceton- ekstrahuje alkaloidy, żywice, tłuszcze i oleji eteryczne
Prawo Ficka- opisuje szybkość dyfuzji do rozpuszczalnika substancji ekstrahowanej
Q= k·(C2-C1)·A·t/L
Q- ilość substancji dyfundującej
k- współczynnik dyfuzji (rodzaj substancji, rozpuszczalnika, temperatura)
C2- stężenie substancji w surowcu
C1- stężenie substancji w rozpuszczalniku
t- czas
L- grubość warstwy granicznej (odl. Między środowiskami o podanych wyżej stężeniach)
Maceracja- zalanie rozdrobnionego surowca całą ilością rozpuszczalnika i pozostawienie w temperaturze pokojowej na okres do ok. 15-30 min. do kilku dni (mieszanej co pewien czas)
- fazy maceracji:
- bezpośrednie rozpuszczanie w uszkodzonych komórkach powierzchownych
- spęcznienie błony komórkowej
-przenikanie rozpuszczalnika do komórek nieuszkodzonych
- rozpuszczanie substancji znajdujących się w komórkach
- utworzenie się różnicy stężeń pomiędzy wnętrzem komórki i jej otoczeniem
- dyfuzja rozpuszczonych składników na zewnątrz poprzez błonę komórkową
- wyrównanie stężeń między wnętrzem i otoczeniem komórki
Klasyczna maceracja- stały skład rozpuszczalnika, najczęściej EtOH+ aq, maceracja stopniowa- rozpuszczalniki o zmiennym składzie
Inne maceracje
- maceracja połączona ze wstrząsaniem- surowiec i rozpuszczalnik są stale wstrząsane
-maceracja wibracyjna- stały ruch surowca i płynu zapewnia wibrator
- maceracja dźwiękowa i ultradźwiękowa- ruch cząsteczek surowca i rozpuszczalnika- fale dźwiękowe i ultradźwiękowe o częst≥ 50 kHz ( skala przemysłowa)
- turboesktrakcja- surowiec i płyn ekstrakcyjny mieszane szybkoobrotowymi mieszadłami
- dygestia- wytrawianie surowców roślinnych w podwyższonej temperaturze (30-50 ºC)- tylko do związków, które nie ulegają rozkładowi
- maceracja wielokrotna
- lepsza wydajność poprzez wytrawianie surowca podzielonymi porcjami rozpuszczalnika- uzyskiwanie kilkakrotne maksymalnej różnicy stężeń pomiędzy surowcem i rozpuszczalnikiem
- najczęściej maceracja podwójna, rzadziej potrójna- podział rozpuszczalnika na 2 nierówne części i zalanie surowca większą porcją, po upływie określonego czasu- zbieranie maceratu, pozostałość do wyciskania, a następnie zalanie druga porcja rozpuszczanika
- uzyskane maceraty- łączenie
Perkolacja:
-ciągła metoda ekstracji:
- do surowca stale dopływa świeży rozpuszczalnik
- stopniowo wypiera bardziej stężony płyn wyciągowy
- zapewnia to stałe utrzymanie maksymalnej różnicy stężeń pomiędzy roztworem w komórce a płynem na zewnątrz
- umożliwia całkowite wytrawienie surowca
- pozwala na zmniejszenie ilości używanego rozpuszczalnika
- pozwala na przyspieszenie ekstrakcji i całkowite wyekstrahowanie surowca
- zgodnie z prawem Ficka szybkość ekstrakcji jest wprost proporcjonalna do gradientu stężenia i odwrotnie proporcjonalna do odległości między rozpuszczalnikiem i substancją rozpuszczona, zatem można to uzyskać wypełniając surowcem kolumnę, przez którą stale napływa rozpuszczalnik
Perkolacja etapy:
- zwilżenie surowca w celu jego napęcznienia
- załadowanie perkolatora aby utworzyć warstwę o równomiernie rozłożonych kapilarach
- zalanie surowca w perlokatorze rozpuszczalnikiem przy jednoczesnym usunięciu powietrza z przestrzeni między cząsteczkami surowca, następnie maceracja przez 24h
- właściwa perkolacja: ustawienie szybkości przepływu poprzez odkręcenie dolnego kranu (zależy od surowca), dolewanie z góry rozpuszczalnika tak aby nie odsłonić powierzchni surowca;
zbyt szybki przepływ – mała wydajność, szybkość przepływu zależy od wysokości słupa surowca, jego rozdrobnienia i struktury
- perlokacja prowadzona do określonej ilości płynu wyciągowego lub do całkowitego wyczerpania surowca ( wyciekanie płynu pozbawionego charakterystycznego koloru lub zapachu)
Reperlokacja:
- ekstrakcja w baterii perkolatorów (przy perkolacji- pierwsza porcja wyciągu najbogatsza w ekstrahowane substancje)
- perkolacja; najpierw czystym rozpuszczalnikiem (połowa porcji surowca)- zbieramy kilka porcji o coraz niższym stężeniu badanej substancji
- do drugiej porcji (30% surowca) dodajemy rozpuszczalnik z poprzedniej perkolacji zaczynając od najniższego stężenia
- z trzecią porcją postępujemy analogicznie
Ekstrakcja periodyczna
- ekstrakcja związków organicznych rozpuszczonych w wodzie lub innych rozpuszczalnikach – w lejkach rozdzielniczych (rozdzielaczach)
- ekstrakcja roztworów wodnych rozpuszczalnikami lżejszymi lub cięższymi od wody (~1/3 obj. roztw. ekstrahowanego)
- rozdział i ponowna ekstrakcja (kilkukrotnie)
W przypadku utworzenia emulsji:
-przepuszczenie strumienia powietrza przez rozdzielacz
- wysolenie (nasycenie w. wodnej elektrolitem np. NaCl)
-dodatek kilku kropel rozpuszczalnika zmniejszającego napięcie powierzchniowe (np. alkohol, aceton, benzen itp.)
Ekstrakcja ciał stałych
- ekstrakcja w celu wydzielenia pożądanej substancji i oddzielenia od zanieczyszczeń
- dobór rozpuszczalnika- w celu wymycia badanej substancji lub tylko zanieczyszczeń
- możliwość ogrzewania substancji pod chłodnicą zwrotną, sączenie na gorąco lub dekantacja
- zastosowanie ekstraktorów- aparat Soxhleta
KasiekJay