внутрідіффузіонной - швидкість процесу визначається швидкістю дифузії в порах речовини;
внутрішньої кінетичної - за умови, що пористий матеріал володіє відносно низькою хімічною активністю, а концентрація розчинника в порах дорівнює концентрації в обсязі;
зовнішньої кінетичної - реагент має відносно високу хімічну активність, внаслідок чого реакція проходить на поверхні пористого матеріалу за умови, що швидкість реакції лімітує швидкість всього процесу (при малій пористості речовини) [4].
Ефективність процесу екстрагування залежить від великого числа параметрів, наприклад, від форми знаходження витягується компонента, характеру взаємодії твердого тіла з вилученими компонентом, відмінності у виборчій здатності екстрагента по відношенню до компонентів, що містяться в твердій фазі, від структури пористого матеріалу [5].
1.2.2 Екстрагування біологічно активних речовин з рослинної сировини
Головна особливість процесу екстрагування з харчового і рослинної сировини полягає в тому, що фізичні властивості сировини в значній мірі змінюються в процесі екстрагування, і це істотно впливає на всі стадії процесу.
Екстрагування БАВ - головна, але і найбільш тривала стадія переробки сировини. Складність вивчення процесів твердофазного екстрагування обумовлена, по-перше, невизначеністю зміни структури твердої фази під час вилучення з неї цільових компонентів, по-друге, полидисперсностью твердої фази. Крім того, виникають певні труднощі при виборі виборчого екстрагента [1].
На більшості заводів екстрагування ведеться малоефективними методами, такими як: мацерація, перколяції, випарювання, наполягання, відварювання [4]. Мацерація являє собою звичайне вимочування, при якому відбувається руйнування клітинних стінок рослинної сировини і розчинення речовин, що екстрагуються. Тривалість процесу досягає 14 днів. При перколяції, або просочуванні, розчинник просочується через шар подрібненої сировини і «вимиває» цільові компоненти. Основні фізичні явища, що обумовлюють процес перколяції, - гравітація, в'язкість, адгезія, тертя, осмос, поверхневі, капілярні явища і розчинення [5].
Але все використовувані в даний час методи екстракції досить неекономічні, що призводить до їх обмеженому застосуванню.
1.2.3 Інтенсифікація екстракційних процесів під дією ультразвуку
Застосування різних електрофізичних методів (зокрема, ультразвуку) дозволило по-новому побудувати технологічний процес, значно прискорити його, підвищити вихід і поліпшити якість продукції. Доведено доцільність широкого застосування ультразвуку не тільки в харчовій і фармацевтичній промисловості, а й для впливу на різні технологічні процеси [6].
Велика кількість досліджень в області ультразвукової інтенсифікації різних гомо- і гетерогенних процесів присвячено виділенню з сумішей, сплавів необхідних речовин, а також очищенню вод, грунтів і повітря. Так, описані ультразвукова екстракція діметіоната [7], екстракція антитіл з клітин [8], екстракція гербіцидів з грунту з використанням ультразвуку [9], ендоскопічна екстракція жирової маси за допомогою ультразвукового скальпеля [10], Рідкофазний екстракція поліциклічних ароматичних вуглеводнів із забруднених вод з допомогою ультразвуку [11], екстракція поліциклічних ароматичних вуглеводнів з лісових грунтів [12]. Ультразвуком також виділяють з мікрооранізмов амінокислоти і білки з сирним смаком для додання смакових якостей різних сирів [13], виробляють виділення з клітин ферменту ендонуклеази [14], здійснюють твердо-рідинну ультразвукову екстракцію селену з біологічних зразків [15].
Показано, що ультразвуком із сировини рослинного походження в діапазоні частот 19 кГц - 1 МГц можливо отримувати практично всі відомі сполуки, які продукують рослинами. Кінетика ультразвукової екстракції біологічно активних речовин залежить від приналежності до певної хімічної групи, а ступінь вилучення зростає в ряду: масла, алкалоїди, фуранохроми, флавоноїди, сапоніни, глікозиди [16]. При використанні ультразвуку спостерігається не тільки значне прискорення процесу, а й збільшення в порівнянні з іншими способами екстрагування виходу продукту [17].
Переваги ультразвукової екстракції в порівнянні з іншими способами:
мінімальне застосування ручної праці;
скорочення часу технологічних процесів.
Однак недоліком цього методу є те, що ультразвукова дія, що використовується для обробки рослинної сировини є, дуже потужним і досить тривалим. Проведення процесу в цих умовах викликає потужний розігрів розчину, і, отже, руйнування деяких класів БАР [2].
Можна виділити кілька основних параметрів, які власне і роблять процес ультразвукового екстрагування більш ефективним в порівнянні з традиційними методами екстракції. До числа факторів, що сприяють інтенсифікації, відносяться:
збільшення швидкості обтікання;
прискорення просочення твердого тіла рідиною;
збільшення коефіцієнта внутрішньої дифузії;
кавітаційний ефект, що впливає на структуру пористих тіл і приводить до появи мікротріщин;
властивості звукових і ультразвукових коливань запобігати екстракцію пористих частинок твердими інертними домішками [17].
В акустичному полі, поряд зі зняттям дифузійних обмежень, велике значення для інтенсифікації процесу екстракції мають також інші процеси. Одним з таких важливих процесів є розпорошення, іншим - порушення міцелярної структури екстрагується речовини як в воді, так і в органічних розчинах.
Показано дію акустичних коливань на збільшення міжфазної питомої поверхні реагуючих компонентів. Диспергирование при цьому йде як за рахунок руйнування частинок твердої фази, так і за рахунок поверхневого тертя між твердими і рідкими фазами. Зменшується товщина дифузійного прикордонного шару, збільшуючи активацію молекул, в результаті чого підвищується кількість результативних зіткнень молекул реагуючих компонентів. В результаті використання вихровий екстракції в процесах екстракції речовин з кореня валеріани призвело до висновку, що поєднання механічного впливу (розмелювання, розрив клітин при ультразвукової обробки) з турбулізацією середовища по обидва боки клітинної перегородки позитивно позначається на зміні внутрішнього опору.
При екстрагуванні рослинної сировини рекомендується попереднє замочування, тривалість якого залежить від швидкості витіснення повітря з клітки. Однак багато капіляри закінчуються в пачках і фібрила, не виходячи назовні. Ультразвук, створюючи звукокапілярний ефект, не тільки прискорює витіснення таких бульбашок повітря, а й створює умови для розчинення його в рідинах. На кінцях капіляра виникає різниця тисків в результаті турбулентного руху прикордонного шару при накладенні ультразвука. Протікаючи з великою швидкістю повз отвори капіляра, шар проявляє відсмоктує ефект, тобто тут формується зона зі зниженим тиском [2].