CC BY
16
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ДИГИДРОАТИЗИНА
Валиев Неъматжон Валижон- угли
д-р филос. по техн. наукам, мл. науч. сотр. Экспериментально-технологической лаборатории Института химии растительных веществ Академии наук Республики Узбекистан,
Республика Узбекистан, г. Ташкент Е-mail: [email protected]
Ботиров Рузали Анварович
д-р филос. по техн. наукам, мл. науч. сотр. Экспериментально-технологической лаборатории Института химии растительных веществ Академии наук Республики Узбекистан,
Республика Узбекистан, г. Ташкент Е-mail: [email protected]
Жураев Обиджон Тухлиевич
мл. науч. сотр. Экспериментально-технологической лаборатории Института химии растительных веществ Академии наук Республики Узбекистан,
Республика Узбекистан, г. Ташкент
Саноев Акбар Исомиддинович
базовый докторант Экспериментально-технологической лаборатории Института химии растительных веществ Академии наук Республики Узбекистан,
Республика Узбекистан, г. Ташкент
Азизова Матлюба Абдухаликовна
мл. науч. сотр. Экспериментально-технологической лаборатории Института химии растительных веществ Академии наук Республики Узбекистан,
Республика Узбекистан, г. Ташкент
OPTIMIZING THE DIHYDROATISINE PRODUCTION PROCESS
Nematjon Valiev
doctor of philosophy in technical sciences, junior researcher of the Experimantal-technological laboratory of the Institute of chemistry ofplant substances Academy of sciences of the Republic of Uzbekistan,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Ruzali Botirov
doctor ofphilosophy in technical sciences, junior researcher of the Experimantal-technological laboratory of the Institute of chemistry ofplant substances Academy of sciences of the Republic of Uzbekistan,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Obidjon Juraev
junior researcher of the Experimantal-technological laboratory of the Institute of chemistry ofplant substances
Academy of sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Akbar Sanoev
basic doctoral student researcher of the Experimantal-technological laboratory of the Institute of chemistry
ofplant substances Academy of sciences of the Republic of Uzbekistan,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Matlyuba Azizova
junior researcher of the Experimantal-technological laboratory of the Institute of chemistry ofplant substances
Academy of sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: Оптимизация процесса получения дигидроатизина // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. Валиев Н.В. [и др.]. 2019. № 3(57). URL: http://7universum.com/ru/ nature/ar-chive/item/7005
АННОТАЦИЯ
В статье приведены результаты оптимизации процесса получения дигидроатизина из изоатизина за счет реакции восстановления с применением математического метода Бокса-Уилсона. После ряда вычислений выявлена значимость всех факторов, влияющих на ход реакции. В результате оптимизации процесса производимость реакции (см. ниже в заключении) повысилась на 11,25%.
ABSTRACT
This article presents the results of optimization by mathematical method - Box-Wilson of the process of obtaining dihydroatisine from isoatisine by the reduction reaction. After a series of calculations, the signifinance of all factors influencing the course of the reaction was revealed. As a result of the optimization of the process, the productivity of the reaction increased by 11.25%.
Ключевые слова: дигидроатизин, реакция восстановления, оптимизация, статистический анализ, Бокс-Уилсон.
Keywords: dihydroatisine, recovery reaction, optimization, statistical analysis, Box-Wilson.
Введение.
Ранее сообщалось о разработанной нами технологии получения субстанции нового противоаритми-ческого препарата дигидроатизина гидрохлорида на основе алкалоида атизина, выделяемого из надземной части растения Aconitum zeravschanicum - Борца зеравшанского [2]. В рамках деятельности по разработке технологии переработки данного растительного сырья с целью производства субстанции препарата дигидроатизина гидрохлорида было изучено морфо-анатомическое строение надземных органов растения Aconitum zeravschanicum [3]. Кроме того растительное сырье было стандартизировано [4].
Технология производства субстанции дигидроатизина гидрохлорида состоит из множества химико-технологических процессов: экстракция растительного сырья; очистка экстракта в системе «жидкость -жидкость» с применением кислот и щелочей; получение суммы алкалоидов; разделение суммы алкалоидов на лактоновую и нелактоновую части; осаждение атизина-хлорида; превращение последнего в его изомер; восстановление изоатизина в дигидроатизин;
получение хлористоводородной соли дигидроатизина. При получении дигидроатизина - продукта восстановления изоатизина - реакция восстановления является наиболее ответственной стадией технологического цикла из-за тонкости химических превращений и требует особого внимания. Исходя из этого, мы предлагаем проводить оптимизацию процесса восстановления математическим методом. В данном случае был использован метод Бокса-Уилсона [1], который широко распространен при планировании экспериментов в химии и химической технологии.
Цель работы.
Оптимизация процесса получения дигидроати-зина математическим методом с целью повышения производимости реакции восстановления.
Полученные научные результаты и их обсуждение.
На основе априорной информации (в данном случае результатов однофакторных экспериментов) выбрали все факторы, которые влияют на ход реакции восстановления, также установили для них основные уровни и интервалы их варьирования (табл. 1).
Таблица 1.
Факторы и интервалы варьирования
Уровень факторов Фактор
X X Х5 X
Верхний 10,0 2,0 70 30
Средний 7,5 1,5 60 20
Нижний 5,0 1,0 50 10
Интервал варьирования 2,5 0,5 10 10
Единица измерения % % мин °С
Факторы:
1) Х1 - соотношение изоатизин-хлорида к растворителю - 80%-ному метанольному раствору, %;
2) Х2 - соотношение израсходованного реагента - боргидрида натрия к растворителю, %;
3) Х3 - продолжительность реакции, мин;
4) Х4 - температура процесса, °С. Установлены два уровня четырех факторов, т. е.
полный факторный эксперимент типа 24. Использовали дробную реплику 2, реплики от полного факторного эксперимента 24 с применением планирования типа 24-1 с генерирующими соотношениями:
Х4 = Х1 • Х2 (1)
Матрица планирования экспериментов и полученные результаты приведены в табл. 2.
Каждый из 8 опытов проводили в соответствии с составленной матрицей, используя выбранные уровни каждого фактора, закодированные в матрице знаками «+» и «-» (соответственно верхний и нижний уровни варьирования). Например, опыт № 1 проводили таким образом: при 5%-ной концентрации
раствора, потраченного 1% боргидрида натрия по от- натрия по отношению к раствору, при температуре ношению к раствору, при температуре 10°С, продол- 30°С, продолжительностью 70 мин. жительностью 50 мин; опыт № 8: при 10%-ной концентрации раствора, потраченного 2% боргидрида
Таблица 2.
Матрица планирования экспериментов и их результаты
№ опыта Код фактора Yl Y2 Yср
Хо Х1 Х2 Х3 Х4
1 + + + + + 83,1 79,4 81,25
2 + - + + - 65,3 60,2 62,75
3 + + - + - 61,5 64,9 63,20
4 + - - + + 59,6 62,1 60,85
5 + + + - + 68,9 65,3 67,10
6 + - + - - 38,6 43,5 41,05
7 + + - - - 45,8 49,8 47,80
8 + - - - + 48,7 16,1 47,40
Результаты опытов представлены в виде уравнения регрессии:
У = Ьо + Ь1Х1 + Ь2х2 + Ь3х3 + Ьх ; (2)
где Ьо, Ь1, Ь2, Ьз, Ь4 - коэффициенты регрессии неполного квадратного уравнения. Изучаемый процесс при заданных интервалах варьирования переменных может быть описан линейной зависимостью. Таким образом, опираясь на метод наименьших квадратов, определили коэффициенты регрессии по формуле:
п
X У ■ у) Ь = ^— ;
где i - номер опыта (1, 2, ..., 8);] - номер фактора (1, 2, 3, 4); Ху - кодированное значение факторов; N -число опытов в матрице.
На основе формулы (3) рассчитали значения коэффициентов регрессии:
Ьо = 58,93; Ь = 5,91; Ь2 = 4,11; Ьз = 8,09; Ь4 = 5,23.
Подставляя рассчитанные значения «Ь» - коэффициентов в уравнение (2), получили следующее уравнение регрессии первого порядка:
(3)
У = 58,93 + 5,91 X + 4,11 Х2 + 8,09 Х3 + 5,23 Х4; (4)
Для установления адекватности полученной модели провели статистическую обработку полученных данных (табл. 3).
Таблица 3.
Статистический анализ
Yl Y2 Yср АYi А^2 Sl2 Yрас АYi^ (АК)
83,1 79,4 81,25 1,85 3,4225 6,845 82,263 -1,01 1,025
65,3 60,2 62,75 2,55 6,5025 13,005 59,988 2,76 7,631
61,5 64,9 63,20 -1,70 2,89 5,78 63,588 -0,39 0,015
59,6 62,1 60,85 -1,25 1,5625 3,125 62,213 -1,36 1,856
68,9 65,3 67,10 1,80 3,24 6,48 66,088 1,01 1,025
38,6 43,5 41,05 -2,45 6,0025 12,005 43,813 -2,76 7,631
45,8 49,8 47,80 -2,00 4 8 47,413 0,39 0,150
48,7 16,1 47,40 1,30 1,69 3,38 46,038 1,36 1,856
Для определения вариации значений повторных опытов использовали дисперсию, вычисленную по формуле:
X
(Уд - Ур )
2 _ д=1
Sf =
п -1
(5)
где Уд - результат отдельного опыта; Уср - среднее арифметическое его значение; (п - 1) - число степеней свободы, равное количеству повторных опытов, минус единица.
Для двух повторных опытов формула (5) приобрела следующий вид:
S,2 =
2АУ2
(6)
1
Расчет однородности дисперсии проводили по критерию Кохрена:
s 2
G макс ^ = "77-
(7)
Окр = 0,6798
Оэкс < Окр
Оэкс = 0,2805
Полученный результат соответствует заданным условиям формулы (7), следовательно, дисперсия однородна.
Для проверки адекватности полученной модели определяли сначала дисперсию адекватности,
X (А, )
2 _ ¿=1
Ç2 -
Sad =
f
(8)
затем находили У рас.; (табл. 3) Далее, опираясь на полученные результаты, находили ATi по формуле
АГ, Yep Ypac •
(9)
После этого определяли дисперсию воспроизводимости по формуле:
<s2 -
S ад =
(Yep - Ypae )' ; N - q '
(12)
где q = K + 1; K - число коэффициентов регрессии.
s]à = 2213263 = 426526 = 14,2175
8 - (4 +1)
3
Адекватность модели проверяли по критерию Фишера:
S 2
F = SaL •
экс о2 '
Sr
Fma6 (11) = 4,5 для f = 2, f = 8
(13)
В данном случае 14 2175
(F-с = = 2'088) < (Fma6 = 4,5).-
Следова-
тельно, модель адекватна. Для проверки значимости коэффициентов регрессии необходимо найти дисперсию коэффициентов регрессии S2 по формуле:
X X (Y,q - Y)2
g2 _ ¿=1 q=1
N (n -1)
(10)
где i =1,2, ..., Ы; q =1,2,..., п
Для двух повторных опытов формула (1 0) приняла вид:
2X (Y,q - Y)2 XS,2
1-1
s;
N
N
(11)
S2 = 5862 = 7,3275
г g
S2 = SL = 7,3275 = 0,9159; N 8
(14)
^ = = л/0,9159 = 0,957
Затем определяли доверительный интервал Abi =
t Sbi ,
где / - табличное значение критерия Стьюдента при числе степеней свободы, с которыми определялась S2 в выбранном уровне значимости (обычно 0,05).
Sbi - квадратичная ошибка коэффициента регрессии.
Находили дисперсию адекватности:
Значимость коэффициентов регрессии
Мкр = 3,182 Abi = 3,182 • 0,957 = 3,045
Таблица 4.
¿=1
bi Значения Значки Abi - значения Результаты
b0 31,24 > 3,045 Коэффициент значим
b1 5,98 > 3,045 Коэффициент значим
b2 5,64 > 3,045 Коэффициент значим
bs 8,47 > 3,045 Коэффициент значим
b4 9,93 > 3,045 Коэффициент значим
Коэффициент значим, если его абсолютная величина больше доверительного интервала (табл. 4). Как видно из таблицы 4, значимыми оказались факторы, влияющие на ход реакции восстановления.
Выводы.
Таким образом, выявлено: при использовании 1,5% восстанавливающего реагента - боргидрида натрия на 7,5%-ный метанольный раствор изоатизин-хлорида при комнатной температуре в течение
70 мин реакция восстановления с получением дигид-роатизина происходит с наибольшим выходом.
Так, если выход реакции восстановления изотиа-зина в дигидроатизин обычно составлял 81,25%, то после математического планирования эксперимента и оптимизации параметров - 92,5%, т. е. вырос на 11,25%. Скорее всего: наибольшая эффективность реакции восстановления изоатизина в дигидроатизин.
Список литературы:
1. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1985. - 327 с.
2. Валиев Н.В. Технологии производства субстанций препаратов антиаритмина и дигидроатизина гидрохлорида: Автореф... дисс. д-ра филос. по техн. наукам. - Ташкент, 2018. - 44 с.
3. Валиев Н.В., Юсупова Д.М., Салимов Б.Т. Aconitum Zeravschanicum - сырье для производства препарата дигидроатизина гидрохлорида и анатомо-морфологическое строение его надземных органов // Фармацевтический журнал. - Ташкент, 2016. - № 3. - С. 24-27.
4. Стандартизация надземной части Aconitum zeravschanicum в качестве алкалоидоносного сырья / Н.В. Валиев, Р.А. Ботиров, О.Т. Жураев и др. // Электронный научный журнал «Universum»: Химия и биология. - 2018. -№ 10. - C. 10-14 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6387 (дата обращения: 22.02.2019).
