Окружающий мир полон возможностей сделать человеческую жизнь проще и приятнее. Но далеко не каждая из таких возможностей даётся в руки легко. Часто, чтобы получить что-то от природы, приходится приложить недюжинную смекалку. Но затем новая методика находит множество применений в самых, казалось бы, далёких от изначального применения сферах.
Примером подобного развития технологической идеи может служить экстрактор Сокслета. Довольно простое устройство, использующее физически и физико-химические закономерности для решения задач слишком затратных и трудоёмких при других подходах.
Перед тем как переходить к разбору работы самого экстрактора Сокслета, стоит вспомнить, а что же вообще такое экстракция. Всю свою историю люди стремятся выделять из окружающего мира полезные для себя вещества. Отделять зёрна от плевел. Для этого есть множество разных методов. И экстракция ‒ один из них.
Суть экстракции состоит в том, что в различных жидкостях разные вещества растворяются по-разному. И если подобрать растворитель, в котором из всей смеси растворяется только нужное вещество, то это вещество можно будет выделить в концентрированном виде.
В теории всё просто. На практике же всегда возникают сложности. Например, что делать, если смесь, из которой требуется выделить один компонент, это нерастворимое твёрдое вещество. Да ещё и растворитель проникает в него с большим трудом? У этой проблемы есть два решения. Можно либо увеличить контакт экстрагирующей жидкости с сырьём, или увеличить объём растворителя.
Однако у каждого из этих методов есть негативные стороны. Длительное вымачивание сырья в одном и том же растворителе, конечно, позволит извлечь из него большую часть требуемых веществ. Но с течением времени экстракция будет всё менее эффективной. Ведь движущая сила этого процесса ‒ разница концентрации извлекаемого вещества в изначальном сырье и в полученном растворе. И чем дольше идёт экстракция, тем эта разница становится меньше. Потому что вещество переходит из сырья в раствор.
Эту проблему можно решить, постоянно заменяя экстрагирующий раствор новым. Но и с таким подходом есть сложности. Во-первых, это значительно увеличивает требуемое количество экстрагента. А во-вторых, полученный раствор оказывается всё более разбавленным по мере того, как мы получаем всё более бедные на целевое вещество фракции.
И вот тут в дело вступает экстрактор Сокслета. Он сочетает оба описанных выше подхода, беря от них только положительные черты. Конструктивно экстрактор Сокслета ‒ это насадка на круглодонную колбу, сочетающая обратный холодильник, резервуар для сырья и сифон, отводящий экстрагирующую жидкость обратно в колбу.
Для его работы нужно, чтобы в качестве экстрагирующей жидкости использовалась летучая жидкость. Чаще всего это какие-либо спирты и эфиры. Но может применяться и обычная вода или какие-то более экзотические варианты.
Принцип работы экстрактора Сокслета довольно прост. В колбу заливают значительный объём извлекающей фазы, после чего к колбе присоединяют экстрактор, уже содержащий сырьё. В зависимости от целей, к экстрактору могут подключить обычный перегонный холодильник для последующей отгонки продукта.
Когда установка собрана, на холодильник экстрактора подают охлаждение, а на колбу с экстрагирующей жидкостью ‒ нагрев. Содержимое колбы испаряется и, минуя пока ещё сухое сырьё, устремляется в обратный холодильник. Там жидкость конденсируется и стекает в ёмкость с сырьём. Ёмкость постепенно заполняется. Вещества извлекаются в жидкую фазу. И в это же время, по принципу сообщающихся сосудов, заполняется и сифон.
Как только жидкость доходит до изгиба сифона, она перемещается обратно в нижнюю колбу, унося с собой порцию экстрагированных веществ. Там экстрагирующая жидкость снова испаряется, но извлечённые вещества за счёт подобранной температуры, остаются в нижней колбе. И в ёмкость с сырьём вновь будет поступать чистый растворитель.
Таким образом мы постоянно подвергаем сырьё воздействию всё новых порций чистого экстрагента, но при этом интересующее нас вещество не разбавляется. Наоборот, всё новые и новые порции экстракта повышают концентрацию нужного нам продукта в нижней колбе.
Частота подобных переливаний и скорость заполнения ёмкости экстрактора зависит от температуры нижней колбы, и потому может легко регулироваться. Обычно устанавливается частота в 5-8 переливаний за час. И, в зависимости от типа сырья, извлекаемых веществ и того, насколько полная экстракция требуется, процедура может длиться от нескольких часов до нескольких суток.
При этом важным плюсом можно считать практически полную самодостаточность экстрактора Сокслета. После сборки и запуска установки, она работает практически как закрытая система, требующая минимума внимания.
Две основные сферы применения экстракции по Сокслету различаются тем, важно нам извлекаемое вещество, или сырьё, которое остаётся после извлечения. В первом случае процесс не очень отличается от какого-либо другого вида экстракции. Во втором, когда мы очищаем изначальную смесь от какого-то компонента, на первый план выходит проверка полноты извлечения.
Благодаря первому подходу экстрактор Сокслета стал известен в народе. Он отлично подходит для извлечения из сырья красящих и пахучих веществ. Причём не только из растительных плодов, для которых подошла бы и простая мацерация, то есть экстракция замачиванием. При помощи экстрактора Сокслета можно извлекать краски и ароматы практически из любого сырья. В силу того, что метод лучше работает с летучими растворителями, приходится мириться с наличием в конечном продукте спирта.
Правда, применительно именно к легко экстрагируемому растительному сырью именно высокая эффективность данного метода может сыграть негативную роль. Плоды, листья и травы отдают своё содержимое слишком быстро. Поэтому в процессе получения экстракта работу установки необходимо несколько раз останавливать и заполнять ёмкость новыми порциями сырья.
К слову, именно в случае получения растительных экстрактов чаще всего используют дополнительный холодильник. После окончания процесса экстракции, охлаждение самого экстрактора Сокслета отключают, а полученный экстракт нагревают до температуры, обеспечивающей испарение не только растворителя, но и той части извлечённых веществ, которая нас интересует. То есть, фактически, первичный продукт подвергают обыкновенной перегонке. Так можно не только дополнительно разделить компоненты смеси, но и получить на выходе гораздо более чистый продукт.
Второй подход, при котором более важен не экстрагируемый продукт, а остающееся сырьё, чаще применяют в органическом синтезе, металлургии и аналитической химии. В частности, именно этим методом определяют содержание жира в продуктах.
В отличие от получения экстрактов, требующего только примерного соответствия рецептуре, в этом случае все этапы производятся строго количественно. Кроме того, поскольку дальнейшее использование в пищу ни одной из фракций не предполагается, при данном подходе можно применять более эффективные растворители. Например, эфир.
Принцип определения доли жира в веществе достаточно прост. Навеска определённой массы подвергается экстракции до полного извлечения жира. И по окончании процесса растворитель отгоняется, а извлечённое вещество взвешивается. Понятно, что наиболее важным в данном случае является именно полное извлечение жиров из продукта. И, хотя зачастую эта проблема решается просто избыточным количеством циклов экстракции, такой подход требует значительно больших затрат времени и энергии. Поэтому часто аналитики используют другие подходы для определения полноты извлечения.
Первый достаточно прост. При очередном цикле экстракции отбирают небольшую порцию растворителя, и, полностью испарив летучую фазу, определяют, содержала ли ещё данная порция извлекаемое вещество или уже нет. Однако он имеет ряд минусов. Это и необходимость потенциально уменьшить количество извлекаемого продукта, если произвести такую проверку слишком рано. И тогда при конечном расчёте придётся вносить коррективы. К минусам относится и необходимость наличия дополнительного элемента в приборе, позволяющего отбирать образцы жидкости прямо в процессе работы.
Другой подход заключается в сравнении оптической плотности или коэффициента преломления чистого растворителя и порции растворителя после цикла экстракции. Использовать подобные методы можно даже не прерывая работу установки, поскольку и камера для загрузки сырья и отводной сифон в экстракторе Сокслета обычно изготовляются из прозрачных материалов.
Неудивительно, что такой простой в исполнении и обслуживании, эффективный и компактный аппарат, как экстрактор Сокслета нашёл применение в самых разных сферах промышленности. Не имея никаких органов управления, фактически он является автоматическим устройством. При этом не требуя каких-то дополнительных трудозатрат этот аппарат позволяет сделать процесс экстракции во много раз более эффективным, нежели прочие методы.
