ЭКСТРАГИРОВАНИЕ

ЭКСТРАГИРОВАНИЕ (латинский extrahere извлекать, вытягивать; синоним экстракция) — процесс разделения смеси жидких или твердых веществ путем извлечения из нее индивидуальных соединений с помощью селективных растворителей — экстрагентов. Результатом экстрагирования является переход извлекаемого (экстрагируемого) вещества из одной фазы (жидкой или твердой) в другую фазу (фазу жидкого экстрагента).

Экстрагирование используют в лабораторных и промышленных условиях для извлечения из биол. материала и разделения смеси белков (см.), в том числе ферментов (см.), а также жиров (см.), витаминов (см.), гормонов (см.) и других биологически активных соединений. Процессы экстрагирования имеют важное значение в современной фармации, особенно для извлечения природных органических соединений из высушенного или свежего растительного сырья. Путем экстрагирования получают основную группу галеновых и новогаленовых лекарственных средств, экстракты и настойки, препараты из сырья животного происхождения, алкалоиды (см.), антибиотики (см.) и др. Экстрагирование широко применяют в химической, фармацевтической, пищевой, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности. Экстрагирование используют в аналитической химии и радиохимии для разделения химических элементов (см.), а также для разделения, концентрирования и очистки радиоактивных изотопов (см.).

Экстрагирование позволяет избирательно извлекать вещества из исходного раствора, повышать концентрацию извлекаемых веществ, разделять вещества, содержащиеся в исходном растворе, и получать их в чистом виде. К достоинствам экстрагирования относятся низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов (см.), возможность разделения соединений с близкой точкой кипения и азеотропних смесей (см.), сочетаемость с другими технологическими процессами, простота и возможность автоматизации процесса.

Экстрагирование состоит из трех стадий: 1) смешение исходного материала с экстрагентом; 2) механическое разделение (расслаивание) двух фаз, при котором получается экстракт (раствор извлекаемого вещества в экстрагенте) и остаток исходного раствора (рафинат) или твердого материала; 3) удаление экстрагента из экстракта и регенерация экстрагента для повторного использования. Экстракт отделяют путем фильтрования (см.), центрифугирования (см.) или отстаивания; для выделения индивидуального вещества из экстракта с одновременной регенерацией экстрагента для повторного использования применяют дистилляцию, выпаривание, высаливание, кристаллизацию, вымораживание и другие способы.

Экстрагирование подчиняется законам диффузии (см.) и равновесного распределения (см. Распределения закон). Кинетика экстрагирования описывается общим уравнением массообмена M = k × Δc × F × t, где М — количество экстрагированного вещества, k — коэффициент массопередачи, Δc — разность концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах, F — величина поверхности соприкосновения фаз, t — время. Для ускорения и повышения полноты экстрагирования достигают больших значений М путем увеличения значения к в результате перемешивания, увеличения поверхности соприкосновения взаимодействующих фаз (F) посредством измельчения материалов или диспергирования одной из жидких фаз на мелкие капли, увеличения до оптимальных значений таких параметров, как время, температура и количество экстрагента. Для характеристики распределения вещества между водной фазой и не смешивающейся с ней органической фазой используют такую величину, как коэффициент распределения D, который представляет собой отношение концентраций вещества в органической фазе и в водной фазе. Степень извлечения E выражается в процентах:

где V_водн и V_орг — объемы водной и органической фаз соответственно.

Классификация процессов экстрагирования основана на различных признаках: механизме экстрагирования, строении и свойствах получаемых соединений, свойствах экстрагентов, формах нахождения извлекаемого вещества в растворе и др. Различают физическое разделение (экстрагирование ковалентных соединений) и экстрагирование, происходящее с изменением химической формы веществ (катионообменное, анионообменное экстрагирование, экстрагирование ионных ассоциатов и внутрикомплексных солей). В зависимости от типа используемого экстрагента выделяют экстрагирование нейтральными растворителями и экстрагирование реагентами кислотного и основного характера.

Экстрагент должен обладать селективностью (хорошо растворять извлекаемое соединение и плохо растворять сопутствующие соединения), хорошо диффундировать, иметь малую вязкость, по возможности извлекать вещество без его существенных химических превращений, легко регенерироваться, быть нетоксичным, доступным и относительно дешевым. При выборе экстрагента следует также учитывать степень смешиваемости фаз, относительный удельный вес (массу) и тенденцию к образованию эмульсий (см.). В зависимости от свойств исходного материала, требований к конечному продукту и других показателей в качестве экстрагентов применяют воду (экстрагирование водой иногда называют выщелачиванием), этиловый спирт, эфир, глицерин, масла, хлороформ и др. Иногда экстрагирование проводят несколькими растворителями последовательно или в смеси (например, при разделении компонентов с близкой растворимостью в исходном растворителе). При однократном экстрагировании степень извлечения вещества из исходного раствора сравнительно невелика, поэтому взаимодействующие фазы чаще всего многократно перемешивают и дают им расслаиваться; наиболее эффективно с точки зрения извлечения нужного вещества встречное движение исходного раствора и экстрагента.

Различают жидкостное экстрагирование — полное или частичное извлечение одного или нескольких компонентов из гомогенной жидкой смеси путем обработки ее жидким растворителем, а также экстрагирование в системе твердое тело — жидкость. Известны два основных способа жидкостного экстрагирования из гомогенной жидкой фазы — ступенчатое и непрерывное. При ступенчатом экстрагировании цикл смешения исходной смеси с экстрагентом и последующее отстаивание фаз в отдельных аппаратах повторяют. Используемые для ступенчатого экстрагирования аппараты могут быть периодически действующими (в промышленности они имеют ограниченное применение вследствие низкой эффективности) и непрерывно действующими (в том числе аппараты с механическим перемешиванием). Для более полного извлечения нужного вещества применяют возврат части экстрагента из экстракта и части рафината в аппарат навстречу уходящим потокам (многоступенчатое противоточное экстрагирование с возвратом). Примером непрерывного экстрагирования может служить часто используемое в промышленности непрерывное противоточное экстрагирование в колоннах с насадкой, в полых колоннах с разбрызгивателем и др. В дифференциально-контактных экстракторах процесс изменения состава фаз приближается к непрерывному. При проведении непрерывного экстрагирования из твердой фазы растворитель испаряется в специальном сосуде, его пары конденсируются в холодильнике, откуда растворитель стекает на экстрагируемый материал, проходит через него, и экстракт стекает опять в сосуд, из которого происходит испарение растворителя. Цикл повторяется до полного извлечения нужного вещества. В лабораторных условиях для экстрагирования из твердой фазы применяют аппарат Сокслета, используемый главным образом для экстрагирования жиров и других липидов (см.). Пары подогреваемого растворителя (главным образом эфира) поступают в холодильник, из него растворитель попадает на измельченный материал, находящийся в гильзе из фильтровальной бумаги, помещенной в средней цилиндрической части аппарата. Эфир пропитывает материал, растворяет содержащиеся в нем липиды и сливается в колбу, откуда пары эфира вновь поступают в холодильник, а экстракт накапливается в колбе.

Применяемые в промышленности аппараты для экстрагирования в системе твердое тело — жидкость различают также по режиму работы (периодические, пол у периодические, непрерывные), по взаимному направлению движения экстрагента и твердых частиц (прямоточные и противоточные, с процессом в неподвижном, движущемся и «кипящем» слое), по виду циркуляции (с однократным прохождением экстрагента, с рециркуляцией экстрагента), но давлению в экстракторе (атмосферные, вакуумные и работающие под давлением), по свойствам частиц твердой фазы (крупнозернистые, мелкозернистые, тонкодисперсные, пастообразные, волокнистые вещества) и др.

Библиогр.: Аксельруд Г. А. и Лысянский В. М. Экстрагирование, Система твердое тело — жидкость, Л., 1974; Берестовой А. М. и Белоглазов И. Н. Жидкостные экстракторы, Л., 1982; Золотов Ю. А. и Кузьмин Н. М. Экстракционное концентрирование, М., 1971; Моррисон Дж. и Фрейзер Г. Экстракция в аналитической химии, пер. с англ., М., 1960; Муравьев И. А. Технология лекарств, т. 1, М., 1980; Трейбал Р. Жидкостная экстракция, пер. с англ., М., 1966.

Н. В. Гуляева.