Масоперенос

Размножение человека.

Размножение — воспроизведение себе подобных — одно из определяющих свойств живой материи. Жизнь на земле продолжается благодаря размножению. Боль­шинство организмов, в том числе и человек, размно­жаются половым путем. При половом размножении происходит слияние мужской и женской половых кле­ток, в результате чего будущий организм получает ге­нетическую информацию от обоих родителей.

Женская половая клетка называется яйцеклеткой, мужская — сперматозоидом. Известно, что клетки тела человека имеют двойной набор хромосом (23^2=46). В отличие от других клеток тела человека половые клет­ки содержат одинарный, то есть уменьшенный вдвое набор хромосом.

При слиянии сперматозоида с яйцеклеткой во вре­мя оплодотворения восстанавливается двойной набор хромосом, образуется зигота, из которой развивается организм человека.

Половые клетки образуются в половых железах. Сперматозоиды образуются в мужских половых желе­зах — яичках, или семенниках, которые находятся вне таза — в мошонке. Яйцеклетки вырабатываются яич­никами — половыми железами женщины, которые расположены в малом тазе.

Оплодотворение — это слияние мужских и женс­ких половых клеток, в результате чего возникает зиго­та, которая является оплодотворенной яйцеклеткой, из которой в матке развивается плод. За 9 месяцев бере­менности из оплодотворенной яйцеклетки микроско­пических размеров развивается ребенок массой около 3 кг и ростом 50 см. Беременность заканчивается рода­ми. Рождается человек, здоровье которого будет зави­сеть от многих факторов, в том числе и от факторов окружающей среды.

Швидкість масопереносу (масопередачі) (кг/м² ∙с) пропорційна рушійній силі процесу

(3)

де М – кількість речовин, що підлягає масопередачі, кг; F – площа фазового контакту, м²; τ – час екстрагування, с; Δ – рушійна сила масообмінного процесу, кг/м³; К – коефіцієнт масопередачі.

Перенос речовин в екстрагент здійснюється молекулярною і конвективною дифузією. В процесі екстрагування рослинної сировини сполучаються три види масопереносу:

1. масоперенос всередині рослинного матеріалу, швидкість якого характеризується коефіцієнтом внутрішньої дифузії – D_в. Масоперенос розчинних у клітинному сокові речовин через пори клітинних стінок у міжклітинний простір і далі на поверхню рослинного матеріалу здійснюється шляхом внутрішньої дифузії. Швидкість дифузії в цьому випадку можна виразити наступним чином:

(4)

На коефіцієнт внутрішньої дифузії впливають число і діаметр пор, структура матеріалу.

2. масоперенос з поверхні рослинних клітин визначається коефіцієнтом вільної молекулярної дифузії – D_вільн., який можна розрахувати за рівнянням Ейнштейна:

(5)

де – k – стала Больцмана; Т – абсолютна температура, ºС; R – радіус дифундуючих частинок, м; η – в’язкість розчину, н/с∙м². Величина коефіцієнта вільної дифузії більше в порівнянні з D_в. і залежить від температури і концентрації розчина.

3. конвективний масоперенос, що характеризується величиною коефіцієнта β (рівняння 3), здійснюється в шарі екстрагенту, що рухається, шляхом переносу екстрагованої речовини невеликими об’ємами розчину. Коефіцієнт конвективної дифузії більше D_вільн. і є визначальним для процесу екстрагування в цілому.

Сумарний коефіцієнт масопередачі (К) при екстрагуванні рослинної сировини визначається наступним рівнянням:

де L – розмір частинок, м; S – товщина приграничного шару, м.

1.4. Масовіддача

Процес масовіддачі речовин з поверхні рослинного матеріалу в екстрагент є визначальним для екстракції. На цей час запропоновано декілька теорій для пояснення цього процесу. Найбільш - відомі плівкова теорія масовіддачі речовин і теорія дифузійного шару.

Згідно з плівковою теорією масовіддача речовин здійснюється шляхом молекулярної дифузії через нерухому плівку екстрагента, що знаходиться на поверхні матеріалу. Речовина з поверхні рослинної сировини переноситься у потік екстрагента шляхом вільної молекулярної дифузії, швидкість якої залежить від площі і товщини плівки.

За теорією дифузійного шару на поверхні сировини є приграничний (ламінарний) шар, в який переносяться речовини з пор рослинного матеріалу. Швидкість масопереносу залежить від товщини цього шару, яка постійно змінюється в залежності від руху екстрагента. При сильному перемішуванні товщина приграничного шару екстрагента зменшується, а процес віддачі речовин з поверхні сировини збільшується. Масоперенос речовин в шарі екстрагента, що рухається, здійснюється конвективною дифузією.

2. Особливості екстрагування рослинної сировини

Екстрагування рослинного матеріалу має багато особливостей, пов’язаних з його клітинною структурою і фізико-механічними властивостями. Біологічно активні речовини замкнуті в клітині, екстрагент повинен проникнути в неї, долаючи клітинний бар’єр. Процеси екстрагування відмінні для свіжої і висушеної сировини.

2.1. Екстракція свіжої сировини

В свіжій сировині діючі речовини знаходяться в розчині всередині клітини, тому екстракція зводиться до вимивання клітинного соку зі зруйнованих в процесі подрібнення клітин рослини і з відкритих пор. Перенос діючих речовин з незруйнованих клітин в екстрагент не здійснюється, що пояснюється складністю їх будови.

Рослинна клітина представляє собою живий протопласт, замкнутий в клітинну оболонку. Протопласт оточений плазмолемою та тонопластом, що володіють вибірковою проникливістю. Окрім цих мембран, в клітині є багато інших, що оточують численні вакуолі з клітинним соком. Жива клітина знаходиться у стані тургору, пристінний шар якої щільно притиснутий до оболонки. Через клітинні мембрани чистий екстрагент проникає всередину клітини, вони ж і перешкоджують переходу з неї екстрагента з розчиненими в ньому діючими речовинами. Об’єм клітинного соку збільшується і в середині клітини виникає гідростатичний тиск. Коли він стає рівним осмотичному, проникнення екстрагента в клітину зупиняється. Тому руйнування рослинних клітин (механічне подрібнення, тиск, електричний струм, тощо) має дуже важливе значення при екстрагуванні свіжої сировини.

2.2. Екстракція висушеної сировини

У висушеній сировині діючі речовини знаходяться у вигляді сухих конгломератів у порожнині клітини (адсорбовані на її стінках) або порах. При висушуванні рослинного матеріалу клітина змінює властивості – вона переходить у стан плазмолізу. Клітинні мембрани втрачають напівпроникливість і набувають властивостей пористої перегородки, в якій нараховується до 20000 і більше пор, а процес екстрагування сировини набуває характер діалізу через неї.

Процес екстрагування висушеної рослинної сировини є багатостадійним і починається з проникнення екстрагента в матеріал, змочування речовин, що знаходяться в середині клітини, розчинення і десорбції їх, вимивання клітинного вмісту зі зруйнованих клітин, дифузії через пори клітинної оболонки та закінчується масопереносом речовин від поверхні матеріалу у розчин.

3. Oсновні фактори, що впливають на процес екстракції

Екстрагування рослинного матеріалу, що має клітинну структуру, є складним фізико-хімічним процесом, на протікання якого впливає низка факторів: подрібненість сировини і щільність її завантаження, втрата на дифузії, температура і час екстракції, співвідношення сировина – екстрагент, вибір екстрагенту, тощо. Для досягнення максимального виходу з сировини основних діючих речовин необхідно враховувати ці фактори.

3.1. Подрібненість і щільність завантаження рослинної сировини

Ступінь і характер подрібненості, поверхня частинок і число зруйнованих клітин суттєво впливають на процес екстрагування. Чим дрібніше розмір частинок матеріалу, тим більше поверхня його дотику з екстрагентом, тим швидше здійснюється вилучення. Для кожного виду сировини в залежності від анатомічної будови, складу і локалізації діючих речовин ступінь і характер подрібненості визначають індивідуально.

При використанні занадто подрібненої сировини, внаслідок сильного набрякання процес екстрагування утруднюється. З сировини зі зруйнованою клітинною структурою (роздавлене, розмолоте) процес вилучення зводиться до вимивання. Отримане вилучення буде містити багато дрібних частинок рослинного матеріалу, яких важко позбутися.

В розрізаному матеріалі, де зберігається клітинна структура, переважають дифузійні процеси, екстрагування сповільнюється, але отримане вилучення містить менше механічних включень і легше очищується.

Розмір частинок впливає на величину пустот між шматками подрібненого матеріалу і щільність завантаження сировини, які, в свою чергу, визначають пропускну і поглинальну здатність сировини. Коефіцієнт поглинання (K) сировини визначається за формулою:

де М₁ і М₂ – відповідно маса сировини до і після набрякання. Розрізняють "внутрішню" і "повну" поглинальну здатність сировини. "Внутрішня" – це кількість внутрішнього соку, що утримує сировина, "повна" – кількість екстрагента, що поглинута сировиною і знаходиться на його поверхні. Для проведення процесу екстракції визначальним є "повна" поглинальна здатність сировини, яка знаходиться в залежності від ступеня її подрібненості.

3.2. Втрата на дифузії

Після закінчення екстрагування рослинний матеріал за рахунок набрякання утримує частину екстрагента, разом з яким на шроті залишаються біологічно активні речовини. Їх називають втратою на дифузії (r_x) і визначають за формулою:

де – – кількість діючих речовин в рослинній сировині, кг; – кількість екстрагента, що залишилась на шроті, л; – загальна кількість екстрагента, що була використана при екстракції, л.

Для зменшення втрати на дифузії шрот віджимають на пресах, використовують дрібне екстрагування. Іноді збільшують об’єм екстрагента, але це може привести до порушення концентрації вилучення.

3.3. Температура і час екстракції

Час екстрагування визначає тривалість процесу взагалі і залежить від анатомічної будови сировини і розчинності екстрагованих речовин. В деяких випадках (наприклад, при умові, що діючі речовини легкорозчинні) зайвий час екстрагування сприяє переходу до вилучення великої кількості баластних речовин. Тому тривалість процесу екстракції в значній мірі залежить від властивостей речовин, які необхідно вилучити з рослинної сировини.

Збільшення температури призводить до інтенсифікації процесу екстрагування. Однак, треба мати на увазі, що водночас підвищення температури призводить до збільшення розчинності деяких баластних речовин і їх дифузії.

3.4. Співвідношення сировина - екстрагент

Процес екстрагування залежить від співвідношення масових частин сировина – екстрагент. Оскільки в кінцевому результаті необхідно отримати, як правило, суху речовину, то чим більш концентрованим буде екстракт, тим економічніше буде процес. Однак, застосування занадто малої кількості екстрагента по відношенню до кількості сировини може привести до неповного вилучення необхідних речовин. Вибір цього співвідношення залежить від типу сировини і природи розчинника.