6. Cấu trúc luận văn
1.4.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách
a. Kích thước của nguyên liệu
Vật liệu rắn có kích thước càng nhỏ thì khả năng chiết càng lớn do diện tích tiếp xúc giữa chúng và dung môi tăng lên tạo điều kiện cho quá trình chiết dễ dàng hơn. Phương pháp nghiền nhỏ hay băm nhỏ là phương pháp thường áp dụng, tuy nhiên nếu kích thước vật liệu quá nhỏ cũng gây trở ngại cho quá trình chiết vì nó có thể làm tắc các ống mao dẫn và làm phức tạp cho các quá trình xử lý tiếp theo.
Ngoài ra cấu trúc bên trong hay thành phần hóa học, tính chất của vật liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình chiết tách, nếu độ ẩm cao thì nước có thể tác dụng với thành phần protein và các chất háo nước khác có thể ngăn cản sự di chuyển của dung môi thấm sâu vào nguyên liệu làm chậm quá trình khuếch tán. Hay đối với vật non, mềm thì dung môi thấm vào dễ dàng nên khi xay chỉ cần xay thô không cần xay mịn để tránh chiết nhiều tạp chất vào dịch chiết...
b. Nhiệt độ
Theo công thức tính hệ số khuếch tán của Einstein, khi nhiệt độ tăng thì hệ số khuếch tán cũng tăng, do đó theo định luật Fick, lượng chất khuếch tán cũng tăng lên. Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của dung môi giảm, do đó sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng sẽ gây bất lợi cho quá trình chiết xuất trong một số trường hợp sau:
* Đối với những hợp chất kém bền ở nhiệt độ cao: nhiệt độ tăng cao sẽ gây phá huỷ một số hoạt chất như vitamin, glycosid, alcaloid ...
* Đối với tạp: khi nhiệt độ tăng, không chỉ độ tan của hoạt chất tăng mà
độ tan của tạp cũng đồng thời tăng theo, dịch chiết sẽ bị lẫn nhiều tạp. Nhất là đối với một số tạp như gôm, chất nhầy ... khi nhiệt độ tăng sẽ bị trương nở; tinh bột bị hồ hoá, độ nhớt của dịch chiết sẽ bị tăng, gây khó khăn cho quá trình chiết xuất, tinh chế.
* Đối với dung môi dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp: khi tăng nhiệt độ thì
dung môi dễ bị hao hụt, khi đó thiết bị phải kín và phải có bộ phận hồi lưu dung môi.
* Đối với một số chất đặc biệt có quá trình hoà tan toả nhiệt: khi nhiệt độ
tăng, độ tan của chúng lại bị giảm. Do đó để tăng độ tan thì cần phải làm giảm nhiệt độ.
Từ những phân tích trên ta thấy tuỳ từng trường hợp cụ thể mà cần lựa chọn nhiệt độ sao cho phù hợp.
c. Thời gian chiết xuất
Khi bắt đầu chiết, các chất có phân tử lượng nhỏ sẽ được hoà tan và khuếch tán vào dung môi trước, sau đó mới đến các chất có phân tử lượng lớn. Do đó, nếu thời gian chiết ngắn sẽ không chiết được hết hoạt chất trong nguyên liệu; nhưng nếu thời gian chiết dài quá, dịch chiết sẽ bị lẫn nhiều tạp, gây bất lợi cho quá trình tinh chế và bảo quản. Tóm lại, cần phải lựa chọn thời
gian chiết xuất sao cho phù hợp với thành phần nguyên liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất...
d. Tỉ lệ nguyên liệu : dung môi
Thực chất quá trình chiết tách là quá trình khuếch tán, nên đòi hỏi có sự chênh lệch nồng độ giữa pha lỏng dung môi với pha chứa chất trích ly.
Khi nồng độ các chất hòa tan trong dung môi thấp thì lượng chất chiết từ nguyên liệu tăng, thời gian chiết giảm. Vì vậy để đảm bảo quá trình chiết tốt người ta thường thực hiện tăng tỷ lệ dung môi so với nguyên liệu.
e. Khuấy trộn
Khi dung môi tiếp xúc với nguyên liệu, dung môi sẽ thấm vào nguyên liệu, hoà tan chất tan, chất tan sẽ khuếch tán từ nguyên liệu vào dung môi qua màng tế bào. Sau một thời gian khuếch tán, nồng độ chất tan trong tế bào giảm dần, nồng độ chất tan trong lớp dung môi tăng dần, chênh lệch nồng độ giữa trong và ngoài tế bào giảm dần, tốc độ quá trình khuếch tán cũng giảm dần, đến một lúc nào đó sẽ xảy ra quá trình cân bằng động giữa hai pha. Như vậy, nếu không có khuấy trộn, quá trình khuếch tán sẽ xảy ra rất chậm. Theo định luật Fick, chênh lệch nồng độ giữa hai pha là động lực của quá trình khuếch tán.
Do đó muốn tăng cường quá trình khuếch tán, cần phải tạo ra chênh lệch nồng độ bằng cách di chuyển lớp dịch chiết ở phía sát màng tế bào ra phía xa hơn và di chuyển lớp dung môi ở phía xa đến sát màng tế bào. Điều này được thực hiện bằng cách khuấy trộn. Như vậy bằng cách khuấy trộn, người ta đã tăng cường được tốc độ khuếch tán.
Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn cấu tạo cánh khuấy và tốc độ khuấy sao cho phù hợp.
- Nếu nguyên liệu là hoa lá mỏng manh, chỉ cần chọn tốc độ khuấy nhỏ,
tránh đưa nhiều tạp vào dịch chiết.
- Nếu nguyên liệu cứng chắc như hạt, rễ, thân, gỗ... cần phải chọn loại
cánh khuấy khoẻ, tốc độ khuấy mạnh.
1.4.3. Phương pháp chiết tách thường dùng [5]
a. Phương pháp ngâm
Phương pháp ngâm là phương pháp đơn giản nhất và đã có từ thời cổ xưa. Sau khi chuẩn bị nguyên liệu, người ta đổ dung môi cho ngập nguyên liệu trong bình chiết tách, sau một thời gian ngâm nhất định, rút lấy dịch chiết và rửa nguyên liệu bằng một lượng dung môi thích hợp. Để tăng cường hiệu quả chiết tách, có thể tiến hành khuấy trộn bằng cánh khuấy hoặc rút dịch chiết ở dưới rồi lại đổ lên trên.
Có nhiều cách ngâm: Có thể ngâm tĩnh hoặc ngâm động, ngâm nóng hoặc ngâm lạnh, ngâm một lần hoặc nhiều lần. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ưu điểm: Đây là phương pháp đơn giản nhất, dễ thực hiện, thiết bị đơn
giản, rẻ tiền.
Nhược điểm: Nhược điểm chung của phương pháp chiết tách gián đoạn:
năng suất thấp, thao tác thủ công. Nếu chỉ chiết một lần thì không chiết kiệt được hoạt chất trong nguyên liệu. Nếu chiết nhiều lần thì dịch chiết loãng, tốn dung môi, tốn thời gian chiết.
b. Phương pháp ngấm kiệt
Sau khi chuẩn bị nguyên liệu, ngâm nguyên liệu vào dung môi trong bình ngấm kiệt. Sau một khoảng thời gian xác định, rút nhỏ giọt dịch chiết ở phía dưới, đồng thời bổ sung thêm dung môi ở phía trên bằng cách cho dung môi chảy rất chậm và liên tục qua lớp nguyên liệu nằm yên (không được khuấy trộn). Lớp dung môi trong bình chiết thường được để ngập bề mặt nguyên liệu khoảng 3 - 4 cm.
mới để chiết đến kiệt hoạt chất trong nguyên liệu.
- Ngấm kiệt phân đoạn: Là phương pháp ngấm kiệt có sử dụng dịch chiết
loãng để chiết mẻ mới hoặc để chiết các mẻ có mức độ chiết kiệt khác nhau.
Ưu điểm:Nguyên liệu được chiết kiệt, tiết kiệm được dung môi.
Nhược điểm: Có nhược điểm chung của phương pháp chiết tách gián
đoạn: năng suất thấp, lao động thủ công. Cách tiến hành phức tạp hơn so với phương pháp ngâm. Tốn dung môi.
c. Phương pháp chiết ngược dòng
Phương pháp này có sử dụng một hệ thống thiết bị gồm nhiều bình chiết khác nhau, có thể mắc thành một dãy từ 4 - 16 bình chiết nối tiếp nhau. Ở đây, quá trình coi như là ngược chiều tương đối vì thực tế nguyên liệu không chuyển động.
Lúc đầu, nguyên liệu và dung môi được nạp vào trong tất cả các thiết bị, nguyên liệu được ngâm vào dung môi trong một khoảng thời gian xác định. Lúc này nguyên liệu và dung môi đều không chuyển động. Sau đó dịch chiết được chuyển tuần tự từ thiết bị này sang thiết bị khác. Hệ thống tổ hợp kín các bình chiết này cho phép đóng ngắt một cách có chu kỳ một trong những thiết bị ra khỏi hệ thống tuần hoàn, cho phép tháo bã nguyên liệu ở bình đã được chiết kiệt rồi nạp nguyên liệu mới. Sau đó, thiết bị này lại được đưa vào hệ thống tuần hoàn và dịch chiết đậm đặc nhất được dẫn qua nó mà dịch chiết này vừa đi qua tất cả các thiết bị còn lại. Tiếp theo, lại đóng ngắt một thiết bị kế tiếp mà trước đó dung môi mới vừa được dẫn qua. Số thiết bị càng nhiều thì quá trình xảy ra càng gần với quá trình liên tục. Ở đây, bã nguyên liệu trước khi ra khỏi hệ thống thiết bị sẽ được tiếp xúc với dung môi mới nên nguyên liệu sẽ được chiết kiệt. Dịch chiết trước khi ra khỏi hệ thống sẽ được tiếp xúc với nguyên liệu mới nên dịch chiết thu được sẽ đậm đặc nhất. Như vậy có thể nói quá trình xảy ra theo nguyên tắc: “dung môi mới tiếp xúc với
nguyên liệu cũ và nguyên liệu mới tiếp xúc với dung môi cũ”. Trong phương pháp này, quá trình xảy ra gần với quá trình ngược chiều, do đó phương pháp này còn được gọi là phương pháp chiết ngược chiều tương đối.
Ưu điểm: Dịch chiết đậm đặc và nguyên liệu được chiết kiệt.
Nhược điểm: Hệ thống thiết bị cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích lắp đặt.
Vận hành phức tạp. Thao tác thủ công. Không tự động hoá quá trình được.
d. Chiết Soxhlet
Chiết bằng bộ chưng cất hồi lưu có bể ổn định nhiệt tự động. Nguyên liệu được ngâm trong dung môi và được gia nhiệt đến mức nhiệt cần thiết nhờ bể ổn định nhiệt tự động. Dung môi được hồi lưu liên tục để đảm bảo hiệu quả cho quá trình chiết tách. Sau khoảng thời gian chiết nhất định lấy dịch chiết ra.
e. Phương pháp chiết dưới áp suất cao
Khả năng hòa tan của các chất trong dung môi phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, khả năng hòa tan các chất tăng. Vì thế, trong chiết xuất, người ta có xu hướng tăng nhiệt độ để giảm lượng dung môi sử dụng và giảm thời gian chiết. Tuy nhiên, trong điều kiện bình thường, việc tăng nhiệt độ để chiết có giới hạn của nó là nhiệt độ sôi của dung môi. Khi hóa hơi, dung môi không còn khả năng hòa tan các chất nữa. Để khắc phục điều này, người ta tiến hành chiết các chất dưới áp suất cao dựa vào nguyên tắc: nhiệt độ sôi của chất lỏng tăng khi áp suất tăng. Khi đó ta có phương pháp chiết chất lỏng dưới áp suất. Khi nhiệt độ tăng lên 100C, khả năng hòa tan của dung môi tăng lên gấp rưỡi. Trong chiết dưới áp suất, dung môi chiết được đưa tới nhiệt độ và áp suất gần với vùng tới hạn. Nhiệt độ và áp suất cao làm tăng khả năng hòa tan và khuếch tán của dung môi để cho việc chiết xuất hiệu quả hơn. Nhiệt độ có thể thay đổi từ 80 – 2000C và áp suất có thể tới 150 bar tùy theo loại dung môi và chất cần chiết.
Có sự linh hoạt hơn trong việc lựa chọn dung môi do đó có thể chiết các chất trong một giới hạn rộng hơn về độ phân cực. Các thiết bị cũng không cần đạt áp suất cao nghiêm ngặt nên dễ dàng áp dụng thực tế trên quy mô lớn.
f. Chiết với sự hỗ trợ của siêu âm
Trong quá trình chiết xuất, đôi khi sóng siêu âm cũng được áp dụng để tăng hiệu quả chiết. Sóng siêu âm với tần số trên 20 kHz thường được sử dụng. Sóng siêu âm có tác dụng làm tăng sự hòa tan của chất tan vào dung môi và tăng quá trình khuyếch tán chất tan. Sóng siêu âm cường độ cao cũng có thể phá vỡ cấu trúc tế bào, thúc đẩy quá trình chiết.
Chiết với sự hỗ trợ của sóng siêu âm thường được sử dụng thay cho phương pháp ngâm lạnh hay chiết Soxhlet cổ điển. Khi đó, người ta nhúng bình chiết vào một bể siêu âm có chứa nước, sóng siêu âm phát ra từ các đầu phát sẽ truyền qua môi trường nước và đi vào hỗn hợp chiết. Trong chiết siêu âm, hỗn hợp chiết với dung môi phân cực sẽ nóng lên. Tuy nhiên, người ta cũng có thể gia nhiệt để quá trình chiết được nhanh hơn. Trong chiết xuất ở quy mô lớn hơn, đầu phát siêu âm thường được nhúng trực tiếp vào bình chiết chứa nguyên liệu. Do khả năng xuyên sâu kém nên việc sử dụng thường ở quy mô phòng thí nghiệm.
g. Chiết với sự hỗ trợ của vi sóng
Khi chiếu bức xạ điện từ ở tần số 2450 MHz (bức xạ trong vòng vi sóng của dải sóng điện từ) vào môi trường các chất phân cực, các phân tử sẽ chịu đồng thời 2 tác động: sự dẫn truyền ion và sự quay lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường. Cả hai tác động này làm sinh ra nhiệt trong lòng khối vật chất làm cho việc gia nhiệt nhanh và hiệu quả hơn rất nhiều so với phương pháp dẫn nhiệt truyền thống.
Trong chiết xuất, trong chiếu xạ vi sóng vào môi trường có chứa các tiểu phân nguyên liệu và dung môi phân cực, các phân tử dung môi và các chất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
phân cực sẽ dao động và nóng lên nhanh chóng làm tăng khả năng hòa tan các chất vào dung môi. Thêm vào đó, vi sóng cũng làm phá hủy cấu trúc vách tế bào thực vật làm các chất tan giải phóng trực tiếp vào dung môi chiết làm cho quá trình chiết chuyển thành hòa tan đơn giản. Điều này làm cho việc chiết xuất nhanh hơn nhưng cũng làm dịch chiết nhiều tạp chất hơn.
Việc sử dụng vi sóng hỗ trợ việc chiết xuất nguyên liệu ở quy mô phòng thí nghiệm được áp dụng thay thế cho chiết xuất truyền thống (như chiết bằng Soxhlet) do rút ngắn thời gian chiết xuống còn từ vài chục giây tới 15 - 20
phút. Cũng đã có những thiết bị chiết vi sóng ở quy mô lớn. Chiết với sự hỗ trợ của vi sóng cũng có nhược điểm đó là các tạp chất trong dịch chiết nhiều hơn, cần có quy trình loại tạp tiếp theo. Thiết bị chiết hỗ trợ bằng vi sóng đặc biệt thích hợp cho tinh cất tinh dầu bằng phương pháp lôi cuốn theo hơi nước. Thời gian chưng cất rút ngắn đáng kể, hàm lượng tinh dầu thu được thường cao hơn và chất lượng tốt hơn do thời gian tiếp xúc với nhiệt ngắn. Cũng có báo cáo về chiết xuất các nhóm hoạt chất khác bằng phương pháp này như chiết saponin, anthraquinon, alkaloid...
CHƯƠNG II
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU