Разработка технологии получения и применения дисперсных форм природных препаратов для деконтаминации
На правах рукописи
БАМБУРА Мария Владимировна РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ФОРМ ПРИРОДНЫХ ПРЕПАРАТОВ ДЛЯ ДЕКОНТАМИНАЦИИ Специальности: 03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва-2010 г.
Диссертационная работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) на кафедре «Экологическая и промышленная биотехнология».
Доктор биологических наук, профессор
Научный консультант:
Акопян Валентин Бабкенович
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор, Винаров Александр Юрьевич, Зав. лабораторией ОАО «ГосНИИСинтезбелок» Кандидат технических наук, доцент Камруков Александр Семенович, НИИ энергетического машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана
Ведущая организация: Московский государственный университет технологий и управления
Защита состоится « 7 »_декабря_2010 г. в 10.30 часов на заседании Объединенного Диссертационного Совета ДМ 212.204.13 в РХТУ им. Д.И.
Менделеева (125047, г. Москва, Миусская площадь, д.9) в аудитории (конференц-зал)
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно – библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Автореферат разослан « 3 » _ноября_2010 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета ДМ 212.204.13 И.В. Шакир
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Несмотря на успехи химии синтетических препаратов, натуральные бактериоцины не потеряли своей ценности и значимости для решения задач деконтаминации биотехнологических, сельскохозяйственных, ветеринарных, медицинских, промышленных, лабораторных, офисных и др. помещений. Натуральные природные вещества обладают антимикробным действием и оказываются в большинстве случаев достаточно эффективными, не оказывают негативного влияния на организм человека, животных и рыб, не требуют увеличения дозировки вещества со временем, не приводят к повышению резистентности микроорганизмов к этим препаратам.
В частности, известная своей противомикробной активностью смола сосны, полученная методом ультразвуковой экстракции, отличается повышенной биологической активностью, так как не подвергается в процессе выделения действию высоких температур и содержит эфирное масло, обладающее бактерицидными свойствами. Прямое применение смолы сосны, как, впрочем, и других смолоподобных природных соединений, весьма затруднительно, поскольку они, как правило, отличаются низкой растворимостью в воде, а их растворы в органических растворителях в ряде случаев противопоказаны для применения в медицине, парфюмерии или в товарах бытового назначения.
Разработка новых форм препаратов смолы сосны и других природных смолоподобных соединений, методов их получения и использования для снижения обсемененности промышленных и офисных помещений является актуальной задачей, поскольку решает проблему снижения обсемененности промышленных помещений, рыбоводных бассейнов, проблему улучшения условий труда производственного персонала и офисных работников, а также проблему утилизации смолы, как отхода производства.
Цель работы Разработка методов использования сосновой смолы, а также других, аналогичных по консистенции и свойствам веществ, для деконтаминации рабочих поверхностей промышленных объектов и воздуха в помещениях целевого назначения.
Основные задачи исследования 1. Разработать ультразвуковые методы получения водных микросуспензий и аэрозолей препаратов экстракционной сосновой смолы и, для сравнения, смолоподобного вещества прополиса;
2. Разработать экспресс - метод измерения плотности акустической энергии в поле низкочастотных ультразвуковых излучателей;
3. Изучить возможные изменения свойств водных растворов при их ультразвуковом распылении;
4. Исследовать действие аэрозоля суспензии сосновой смолы, прополиса, а также некоторых эфирных масел на микроорганизмы. Испытать полученные аэрозоли в производственных условиях для снижения бактериальной обсемененности промышленных, лабораторных и офисных помещений.
Научная новизна Впервые показано, что трансформируемая ультразвуком в водные суспензии, а затем аэрозоли смола сосны, а также другие природные смолоподобные вещества, такие как прополис, обладают высокой антимикробной активностью.
Впервые экспериментально подтверждено явление обогащения поверхностных слоев жидкости растворенными в ней поверхностно-активными веществами. Показано, что трансформация ультразвуком поверхностных слоев водной среды в аэрозоль приводит к концентрированию в аэрозоле, а затем и в сконденсированной жидкости поверхностно-активных составляющих раствора. Эффект превышения концентрации поверхностно активного вещества в конденсате аэрозоля над его концентрацией в исходном растворе, является основанием для разработки нового метода концентрирования.
Предложен новый экспресс-метод измерения плотности акустической энергии, позволяющий оценивать данную физическую величину с помощью лабораторных весов.
Практическая значимость Разработаны новые методы и технические решения, имеющие прикладное значение:
- Метод измерения мощности ультразвукового излучения, позволяющий оценивать энергетические параметры ультразвукового поля (заявка на патент №2009123519/28(032537).
- Способ оценки распределения плотности энергии в ультразвуковом поле (патент РФ № 2386111, Бюлл. №10) - Способ выделения поверхностной компоненты из жидкой гетерогенной среды, позволяющий концентрировать поверхностно-активные составляющие раствора при его ультразвуковой трансформации в аэрозоль, обеспечить снижение энергопотребления, исключить температурные воздействия, обусловить возможность непрерывной сепарации полезного метаболита в процессе его биосинтеза, исключить необходимость в фильтрах, сорбентах и других сменных или регенерируемых функциональных элементах, что делает этот метод удобным для решения ряда практических задач (Патент РФ №2393903, Бюлл. №19).
- Получен препарат из экстракционной смолы сосны, трансформируемой в аэрозоль с помощью ультразвука, который испытывался в производственных условиях на ФГУ «Ардонский лососевый рыбоводный завод», в НП «Межрегиональный Общественный институт защиты Биоресурсов» и в ООО «АКВАТЕХНОПАРК» - в рамках проекта «НИОКР по разработке технологии стимулирования выживаемости, роста и развития личинок и молоди ценных видов и пород рыбы с применением ультразвукового воздействия и биологически активных соединений» и проекта «Разработка технологии физического (ультразвукового) воздействия на биообъекты в замкнутых системах выращивания, с целью повышения их продуктивности и выживаемости при поставках за рубеж» (НИР по договору №6284р/8908 от 09.12.2008г).
Мягкость действия водной суспензии сосновой смолы, хорошая переносимость человеком, отсутствие противопоказаний и токсических проявлений при длительном применении, выраженное биорегулирующее действие, - все это дает возможность для его массового и индивидуального использования. Микросуспензия смолы сосны, наряду с другими аналогичными препаратами весьма перспективна для изготовления лечебных, профилактических, косметических и санитарно-гигиенических средств типа гелей, спреев, бальзамов, кремов, лосьонов и жидкостей для пропитки салфеток дезинфицирующего и оздоравливающего действия с антибактериальной и антивирусной активностью без побочных эффектов для человека и животных.
- Наработаны опытные партии «Смолы сосновой пропиленгликолевой экстрактивной» для использования в качестве сырья в производстве косметических препаратов и бытовой химии, которые переданы ООО «Инвистра» и ООО «Ребион», а также испытаны на практике.
- На основании проведенных исследований разработан Лабораторный регламент ЛР-01-2010 на маломасштабное производство препарата из смолы сосны для деконтаминации промышленных поверхностей и воздуха.
Суспензию сосновой смолы, полученную УЗ методом, можно вводить в составы парфюмерно-косметических и лечебно-профилактических композиций, применять в качестве самостоятельного продукта для освежения воздуха в производственных и жилых помещениях и снижения его обсемененности микроорганизмами.
Основные методы, разработанные в рамках выполнения работы, защищены патентами (Способ оценки распределения энергии в ультразвуковом поле - Патент РФ № 2386111;
Способ выделения поверхностно активной компоненты из жидкой гетерогенной среды - Патент РФ № 2393903;
Способ экстрагирования - Патент РФ № 2393905;
Способ кондиционирования растительного сырья - Патент № 2394419).
Апробация работы Результаты исследований представлены на: научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, Москва, апрель 2008г.;
апрель 2009г.;
апрель 2010г.;
на выставке РУСНАНОЭКСПО, Москва, декабрь 2008 г.;
декабрь 2009 г.;
V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, март 2009г.;
совместной конференции Совета РАН по акустике и XXII сессии РАО, Москва, июнь 2010 г.
Публикации Материалы диссертации представлены в 16 публикациях, в том числе в журнальных статьях, в тезисах докладов, в 5 патентах и заявке на патент. Из них, публикаций в изданиях из списка ВАК РФ.
Структура и объем работы Диссертация включает: введение, обзор литературы, материалы и методы исследования, результаты экспериментов и их обсуждение, выводы, список использованной литературы. Диссертация изложена на 120 страницах, содержит таблиц и 30 рисунков. Список литературы включает 132 ссылки на отечественные и зарубежные публикации.
Приложения содержат акты и другие документы, подтверждающие практическое использование полученных результатов.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая значимость работы.
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ В обзоре литературы раскрыты экологические проблемы, связанные с утилизацией ценных продуктов лесопереработки, а также со снижением микробной контаминации промышленных и других объектов. Обоснованы преимущества использования природных, биологически-активных веществ, таких как прополис [Кивалкина В.П. Бактерицидные свойства прополиса. 1969] и эфирные масла [Николаевский В.В. Биологическая активность ЭМ. 1987] для решения проблемы деконтаминации помещений целевого назначения, т.к. использование химических веществ для обеззараживания как правило не всегда допустимы. В частности на организм человека эти вещества могут оказывать негативное влияние. Показаны направления и перспективы практического использования натуральных смолоподобных биологически-активных веществ в медицине, косметологии, парфюмерии, в пищевой промышленности и в повседневной жизни человека.
Проанализированы возможные эффекты и механизмы, возникающие в растворах под действием ультразвука. Анализ литературных данных позволил сформулировать цели и задачи данного исследования.
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Объектом для проводимых исследований послужили – водная суспензия сосновой смолы и суспендированный в воде прополис. Для сравнения с водными суспензиями биологически активных смолоподобных веществ использовали эмульсии некоторых эфирных масел (ЭМ), которые распылялись из тонкого поверхностного слоя водной среды в ультразвуковом генераторе аэрозолей.
Исследования проводили как с использованием стандартных методов, так и новых методов, специально разработанных нами для решения поставленных задач.
2.1. Новые специально разработанных для решения поставленных задач методы. Специально разработанные нами лабораторные методы включают в себя:
способ получения эмульсий и суспензий (заявка на патент 2007113000/15(014124), способ оценки распределения энергии в ультразвуковом поле (Патент РФ № 2386111, 2008), экспресс - метод определения мощности ультразвукового излучения (заявка на патент №2009123519/28(032537), способ выделения поверхностно активной компоненты из жидкой гетерогенной среды (Патент РФ № 2393903, 2008).
В промышленности существует много различных диспергаторов: дисперсии готовят путем механического (мешалки, механические форсунки, гомогенизаторы, УЗ диспергаторы и др.) и пневматического (барботажные аппараты, пневматические форсунки и др.) диспергирования. Мешалки и барботажные аппараты не позволяют получать высокодисперсные системы в промышленных масштабах [Винаров А.Ю., 1978], поэтому нами не рассматриваются. Остальные конструкции для эмульгирования, в том числе и УЗ, работают достаточно медленно, и только предложенный УЗ дезинтегратор, сочетающий нагревание до температур разжижения и ультразвуковое воздействие, позволяет получить устойчивую суспензию с микронными размерами частиц в течении нескольких секунд. Хранится такая суспензия длительное время в жидком виде без понижения ее активности (до 3-х – 5-ти месяцев).
2.1.1. Метод получения водных суспензий тугоплавких растительных Суспендирование смол.
осуществляется с помощью УЗ реактора, представляющего собой емкость для воды с условно выделенным в ней объемом, в который помещают смолу сосны или другие вещества сходной консистенции, имеющие температуру плавления ниже температуры кипения воды Рис.1 Схематическое изображение реактора для эмульгирования (суспендирования) (рис. 1). Под действием тугоплавких веществ.
низкочастотного ультразвука, обеспечивающего в рабочей зоне плотность энергии, равную 1 Вт/см3, и достаточную для разогрева и плавления поверхностного слоя смолоподобного вещества, вещество нагревалось, эмульгировалось и уносилось акустическими течениями в зону с низкой температурой, где превращалось в стабильную суспензию, с размерами частиц – 0,87±0,02 мкм.
2.1.2.Способ оценки распределения плотности энергии в ультразвуковом поле. Реализация метода осуществлялась за счет применения многослойной конструкции из бумаги, или другого впитывающего воду материала.
При пропитке индикаторной бумаги водой, обеспечивающей взаимодействие ионов йода с крахмалом в присутствии перекиси водорода, возникало характерное сине-фиолетовое окрашивание, а поскольку скорость пропитки зависит от плотности энергии ультразвука, то в неоднородном ультразвуковом поле скорость пропитки в разных местах индикаторной бумаги, а, следовательно, и степень ее окрашивания была различной.
2.1.3. Экспресс-метод оценки плотности энергии низкочастотного УЗ в реакционном объеме. Оценку проводили разработанным нами устройством. Метод направлен на реализацию возможности быстрого измерения мощности низкочастотного ультразвука с использованием лабораторных весов (1). Показания весов линейно изменяются с увеличением плотности акустической энергии и мало зависят от температуры реакционной среды, ее объема или формы сосуда.
Устройство можно откалибровать, используя, калориметрический метод.
Для этого измеряли температуру жидкости в теплоизолированной емкости (2) до включения ультразвука (3), время ультразвукового воздействия и температуру жидкости в емкости после выключения ультразвука.
Измерение акустической мощности заключалось в ее оценке по степени Рис. 2: Устройство для измерения мощности ультразвукового излучения повышения температуры T = Т2 - Т жидкой среды в теплоизолированном объеме V, с известной теплоемкостью С и СVT плотностью, по формуле: Р=, где t – время воздействия УЗ на жидкость.
t Поскольку практически вся акустическая энергия переходила в тепловую, измерение Т позволяло вычислить величину акустической мощности.
2.1.4. Для оценки изменений свойств водных сред при их трансформации в аэрозоли использовали метод конденсирования с последующим сравнением концентраций компонентов в исходной среде и в конденсате. Полученные данные легли в основу разработки нового метода концентрирования ПАВ.
2.2. Стандартные методы исследования.
2.2.1. Ультразвуковые генераторы аэрозолей. В работе использованы УЗ генераторы аэрозолей «Альбедо», «Вулкан», «Ореол», распыляющие жидкости УЗ с частотами 2, 64 МГц, сфокусированным из глубины жидкости к ее поверхности.
Такой способ распыления жидкостей обеспечивает монодисперсность аэрозоля, высокую плотность и однородность аэрозольных частиц с размером 2-6 мкм.
2.2.2. Пьезокерамический излучатель УЗ. Для получения УЗ поля с высокой плотностью энергии использовали пьезокерамический излучатель УЗ, питаемый от соответствующего генератора УЗ, например – лабораторный УЗ аппарат – УЗГ 01/22 с частотой 22 кГц.
2.3. Для исследования изменений свойств веществ использовались стандартные рефрактометрические, хроматографические, сталагмометрические, спектрофотометрические методы, для исследования влияния суспензий сосновой смолы, прополиса и эфирных масел на анализируемые поверхности применялись микробиологические методы нанесения и распыления с помощью ультразвукового распылителя на исследуемые чашки Петри биологически-активных веществ в течении определенного времени, а также и другие методы измерения и анализа, потребность в которых возникала в процессе работы.
Результаты измерений подвергнуты статистической обработке.
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ Одним из возможных путей практического применения сосновой смолы и других натуральных биологически-активных веществ, имеющих смолоподобную консистенцию и плохо растворимых в воде, их ультразвуковая трансформация в водные суспензии с размерами частиц измеряемыми единицами мкм.
Наилучший способ воздействия полученных суспензий смолоподобных веществ на обширные поверхности, - это преобразование этих веществ в аэрозоль.
Преимущество аэрозольного обеззараживания поверхностей заключается в том, что аэрозоль распространяется на всё помещение, в котором происходит обработка и равномерно покрывает все поверхности. Частицы аэрозольного средства проникают даже в труднодоступные места. Кроме того, на поверхностях, где был применен аэрозоль, остается защитная антимикробная пленка.
3.1. Исследование влияния ультразвука на вещества, трансформируемые в аэрозоль.
Прежде чем использовать аэрозоли водных суспензий биологически активных веществ на практике, было исследовано, как процесс трансформации в аэрозоль влияет на воду и свойства этих веществ.
3.1.1.Влияние ультразвука на размеры частиц аэрозоля В качестве источника ультразвука для исследований в работе использовался фокусирующий пьезокерамический излучатель, работающий на относительно высоких частотах ультразвука 2,52,64 МГц. Анализ распределения размеров частиц аэрозоля показал, что ультразвуковые излучатели, используемые в исследованиях, создают аэрозоли с мелкими частицами, средний размер которых лежит в интервале от 3 до 6 мкм, причем часть получаемых частиц имеет размеры, лежащие в области сотен нанометров.
3.1.2. Ультразвуковые химические реакции в воде.
На сегодняшний день ультразвуковые технологии стали достаточно распространенными, однако, проблема возможных изменений в свойствах веществ под влиянием ультразвука практически выпали из круга интересов исследователей.
Вопрос о влиянии на свойства аэрозолей молекул Н2О2, НNO2, НNO3 образующихся в результате сонохимических реакций при ультразвуковом распылении водных сред до настоящего времени остается открытым. Поэтому в работе были исследованы возможности появления продуктов сонохимических реакций под действием фокусированного ультразвука в насыщенной воздухом воде. Эти продукты, а также промежуточные продукты их образования обладают весьма высокой химической активностью, и обнаружить их в сложных растворах или суспензиях весьма не просто. Возможность наложения сонохимических эффектов на трансформацию водных сред в аэрозоль, контролировалась по содержанию перекиси водорода, азотной и азотистой кислот в конденсированном аэрозоле.
Для этого остаток воды из кюветы для распыления, а также конденсат аэрозоля (воду, накопившуюся в конденсирующем устройстве), анализировали на наличие ионов NO2+, NO3+ и перекиси водорода по спектрам поглощения в области 200 – нм. Концентрацию перекиси водорода Н2О2, образовавшегося в процессе кавитации в кювете с распыляемой жидкостью и в конденсате, дополнительно определяли йодометрическим методом.
Анализ исходной воды, подвергшейся ультразвуковому воздействию в кюветах аппаратов, предназначенных для получения аэрозолей, не выявил присутствия ионов азотной и азотистой кислоты, а также перекиси водорода. Однако в конденсате аэрозоля воды обнаружены следы Н2О2 и около 15-20 мг/л ионов азотной и азотистой кислот суммарно (Таблица 1).
Таблица 1:
Содержание перекиси водорода, азотной и азотистых кислот в исходной и сконденсированной жидкости:
Исходная Исходная жидкость Сконденсированная жидкость после процесса жидкость до распыления распыления Содержание NO2+, мг/л 1,0 ±0,05 8,0 ±0, не обнаружено Содержание NO3+, мг/л 2,0 ±0,07 6,0 ±0, не обнаружено 0,002 0, не обнаружено Содержание Н2О2, % При таких относительно малых концентрациях влиянием этих веществ можно пренебречь, т.к. они весьма активны и при распылении растворов быстро связываются с их составляющими или взвешенными частицами лишь усиливая антимикробные свойства распыляемого вещества, однако в лечебной практике в некоторых случаях следует учитывать наличие в ультразвуковых водных аэрозолях нитратов, нитритов и незначительного количества перекиси водорода.
3.1.3. Концентрирование веществ в конденсате.
Поверхность воды и водных растворов обогащается за счет поверхностной сорбции поверхностно-активными компонентами раствора. Это давно известное явление не получило до сих пор прямого экспериментального подтверждения.
Трансформация поверхностного слоя в аэрозоль под действием фокусированного ультразвука, с последующей его конденсацией позволяет подтвердить этот феномен экспериментально.
Поскольку суспензии смолоподобных веществ представляют собой сложные физико-химические системы, проследить изменения в которых не всегда представляется возможным, в качестве модельных жидкостей использовали простые объекты - воду, водные растворы этилового, а также бутилового спирта, физиологический раствор (0,9% раствор NaCl), растворы NaCl других концентраций.
Аэрозоль, уносимый током воздуха, улавливали в аппарате с охлаждаемым жидкостным затвором, образованным из того же сконденсированного аэрозоля (рис.
3).
Эффективность процесса разделения (коэффициент концентрирования) оценивали по соотношению содержания исследуемых веществ в единице объема жидкости полученной конденсацией УЗ аэрозоля к содержанию того же вещества в исходной жидкости. Концентрации веществ в исходной и в конденсированной жидкости измеряли рефрактометрическим и хроматографическими методами.
Устройство 4 К вакуумному поддержания насосу уровня жидкости и подачи воздуха 2 Рис 3. Принципиальная схема установки для выделения поверхностно-активной компоненты из раствора. 1. Фокусирующий излучатель ультразвука, 2. Раствор, 3.
Сконденсированный аэрозоль, 4. Аэрозоль. 5. Гидрозатвор, 6.кольцевые электроды, - фокальная область.
Полученные результаты оценки эффективности метода аэрозольного концентрирования модельных растворов этилового и бутилового спиртов от их начальной концентрации приведены на рис. Как следует из полученных зависимостей, наблюдался выраженный эффект концентрирования для рассматриваемых спиртов с наибольшим коэффициентом концентрирования при малых начальных концентрациях растворенных в воде поверхностно активных компонентов, и составлял от 2-х для этилового до 3,2 для бутилового спиртов.
Эффект концентрирования для 3, спиртов при малых концентрациях Отношение концентраций Скон./Снач.
составляет от 1,5 до 3-х раз.
Коэффициент концентрирования 1, 2, Скон./Снач.
1, 1,4 1, 1,2 0, 0, 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2, 2 12 22 32 42 Конце нтрация, % Концентрация раствора, % (а) (б) Рис 4. Аэрозольное концентрирование этилового спирта (а), бутилового спирта (б) от их исходной концентрации. Температура исходного раствора Т=20С.
Для подтверждения природы эффекта разделения было использовано также явление повышения концентрации поверхностно-активного вещества на границе раздела водной среды с газо-паровой фазой за счет введения в раствор хорошо растворимых солей, в частности - NaCl, повышающих поверхностное натяжение воды. Экспериментальный результат хорошо согласуется с теорией при не слишком высоких (не 2-3%) концентрациях NaCl. Более высокие концентрации соли изменяют физико-химические свойства среды и, в частности, условия возникновения кавитации. Эффект концентрирования при «высаливании» возрос в 1,5 раза Эффект разделения может быть дополнительно повышен при введении в среду (или при возникновении в ней) газовых пузырьков, увлекающих к поверхности жидкости растворенные в ней поверхностно-активные вещества (таблица 2).
Инициировать появление газовых пузырьков в воде удобно, например, за счет разложения воды электрическим током, приложенным к кольцевым электродам, помещенным в разделяемую жидкость и не заслоняющим источник ультразвука. В данном случае коэффициент концентрирования увеличился более чем в 2 раза и составил 4,5 для этилового и 5,75 для бутилового спиртов.
Приведенные примеры иллюстрируют тот факт, что трансформация обогащенного поверхностно-активной компонентой поверхностного слоя жидкой среды в аэрозоль и его последующая конденсация в жидкость приводят к повышению содержания в аэрозоле, а затем и в конденсате, поверхностно активных составляющих раствора. Эффект наиболее выражен при низких концентрациях поверхностно-активной компоненты в исходной среде, что объясняется быстрым насыщением поверхностного слоя исходной среды молекулами поверхностно активного вещества и снижением поверхностной активности раствора (d/dС) по мере роста его концентрации.
Таблица 2. Зависимость коэффициента концентрирования раствора Скон/Сисх этанола и бутанола от концентрации в исходном растворе в поле пузырьков газа, возникающих при электролизе.
Растворенное Концентрация Скон/Сисх Скон/Сисх вещество исходного при раствора, % (контроль) электролизе 2 2,1 4, 3 1,7 3, 5 1,4 2, Этанол 7 1,3 2, 10 1,2 1, 0,5 3,2 5, 1,0 2,4 3, 1,5 1,8 2, Бутанол 2,0 1,6 1, Следует отметить, что по затратам энергии процесс аэрозольного концентрирования намного выгоднее, чем к примеру традиционная ректификация, требующая на каждый килограмм воды или разбавленного водного раствора затраты энергии, равной теплоте испарения. При аэрозольном же концентрировании из 1 кг воды образуется ~1018 частиц аэрозоля размером 6-10 мкм, с поверхностью каждой частицы 10-11м2. Общая поверхность всех, образовавшихся из кг воды частиц достигает 107 м2. Энергия, необходимая для образования новой поверхности при разделении жидкости на капли радиусом 6 мкм, равна 0,43Дж. Чтобы испарить 1г воды при температуре 20 градусов по Цельсию нужно затратить энергию 2400 Дж.
Полученные данные могут быть полезны при разработке новых методов концентрирования.
3.2. Исследование влияния суспензий смолы сосны и прополиса на обсемененность сред.
Полученная УЗ методом водная суспензия смолоподобных веществ (рис. 3) распылялась из тонкого поверхностного слоя среды в ультразвуковом генераторе аэрозолей. Воздействие аэрозолей суспензии сосновой смолы на микроорганизмы Aeromonas spр., Moraxella spр., Nitrobacter spр., Bacillus spр, выделенных из поверхностных слоев рыбоводных бассейнов Дмитровского водохранилища, оценивались визуально (таблица 3).
В сравнительных исследованиях наряду с водной суспензией сосновой смолы использовали водную суспензию прополиса, полученную аналогичным образом и эмульсии некоторых эфирных масел (ЭМ) в воде, которые распылялись из тонкого поверхностного слоя водной среды в ультразвуковом генераторе аэрозолей.
Исследования позволили заключить, что кратковременная экспозиция чашек Петри с питательной средой, зараженной культурами вышеперечисленных бактерий в аэрозолях суспензии сосновой смолы и прополиса, полученных ультразвуковым суспендированием, а также в аэрозоле эфирных масел сосны, базилика и эвкалипта, обуславливает значительное подавление роста микроорганизмов, обитающих в рыбоводных бассейнах.
Таблица 3.
Сравнительная антимикробная эффективность действия эфирных масел, а также водных суспензий сосновой смолы и прополиса в равных концентрациях на микроорганизмы, выделенные из поверхностных слоев воды рыбоводных бассейнов.
Эмульсии эфирных масел Серия микроорганизмов, выделенные из поверхностных и водные суспензии слоев воды рыбоводных бассейнов.
прополиса и смолы Moraxella Nitrobacter Aeromonas sp. Bacillus sp.
Водная суспензия - - * прополиса ** - - Водная суспензия смолы ** * - Эмульсия ЭМ монарды Эмульсия ЭМ ** *** ** можжевельника ** - ** * Эмульсия ЭМ сосны Эмульсия ЭМ иссопа *** ** ** ** лекарственного ** * * ** Эмульсия ЭМ пихты *** ** *** ** Эмульсия ЭМ шалфея ** ** *** *** Эмульсия ЭМ чайного дерева ** ** *** * Эмульсия ЭМ кориандр * * - * Эмульсия ЭМ базилик ** - * Эмульсия ЭМ эвкалипт ** ** ** * Эмульсия ЭМ базилик + Эмульсия ЭМ кориандр ЭМ монарда + *** *** ** ** ЭМ эвкалипт Эмульсия ЭМ базилик + * ** *** ** Эмульсия ЭМ эвкалипт Bacti – home Фруктовая ** *** * ** чаша ***** ***** **** **** Водопроводная вода ***** ***** ***** ***** Чистая культура Примечание:
***** - активный рост бактериальной культуры;
*** - снижение роста культур;
** - снижение роста культур, рост отдельной колонии;
* - значительное снижение роста культур;
- - рост не фиксируется.
Определение минимальной действующей концентрации показало, что для каждого микроорганизма существует свой порог чувствительности к данному веществу (таблица 4).
Таблица 4:
Минимальная действующая концентрация водной суспензии сосновой смолы, суспензии прополиса, а также эмульсии ЭМ сосны:
Тест культура Исследуемое Минимальная действующая концентрация, мл/м вещество Moraxella spp. 0, Nitrobacter spp. Водная суспензия 0, Bacillus spp. сосновой смолы 0, Aeromonas spp. 0, Moraxella spp. 0, Nitrobacter spp. Водная суспензия 0, Bacillus spp. прополиса 0, Aeromonas spp. 0, Moraxella spp. 0, Nitrobacter spp. 0, Bacillus spp. Эмульсия ЭМ сосны 0, Aeromonas spp. 0, Несмотря на отличающийся порог чувствительности для разных микроорганизмов, высокая эффективность аэрозолей сосновой смолы и прополиса для санитарной обработки поверхностей обеспечивает их низкий расход и большие возможности для обеззараживания помещений целевого назначения.
Испытания, проведенные с биологически-активными веществами (водная суспензия сосновой смолы, прополиса, эмульсии эфирных масел монарды и сосны), действующими на микроорганизмы Candida albicans, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, предварительно выделенные из воздуха лабораторных помещений, дали следующие результаты (табл. 5).
Таблица 5:
Влияние биологически-активных веществ на микрофлору воздуха в помещениях:
Испытуемые Тест - штаммы образцы микроорганизмов Candida albicans Micrococcus luteus Bacillus subtilis Водная суспензия сосновой смолы 2,5* 3,2 Эмульсия ЭМ сосны 3 2,8 Эмульсия ЭМ монарды 2 4 Контроль 0 0 * - диаметр зоны задержки роста (мм) Результаты, приведенные в таблице, подтвердили антимикробное действие исследуемых суспензий и эмульсий и в воздушной среде.
Эффект обработки препаратом с суспензией смолы сосны в течение времени в воздушной среде подчинялся следующей зависимости: сразу после обработки численность микроорганизмов уменьшалась почти в 2 раза, спустя 3 часа после воздействия - в 2,5 раза. Эффект сохранялся спустя 6 - 48 часов после обработки, но через 48 часов уровень контаминации начинал увеличиваться, стремиться к исходным значениям и достигал их через 3-5 суток (рис.5), что говорит о необходимости повторной обработки через 2 суток.
Уровень контаминации, КОЕ в м 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Время, часы обработка водной суспензией смолы сосны исходный уровень контаминации в помещении обработка ЭМ монарды Рис.5 Изменение уровня обсемененности воздуха в лабораторных помещениях до и после обработки аэрозолями водной суспензии смолы сосны и аэрозолями ЭМ монарды.
Для оценки количества аэрозоля, распыленного на единицу поверхности, учитывали, что минимальная бактерицидная доза суспензии, трансформируемой в аэрозоль, составляла 10 мл\м2 поверхности, а минимальная антибактериальная доза смолы сосны в водной суспензии, составляла 2,5 г/л., (прополиса - 2 г/л., ЭМ – 8 г/л), таким образом, количество смолы сосны (прополиса, ЭМ), перешедшие в аэрозоль и распыленное на единицу поверхности, составило 0,025 г/м2;
0,02 г/м2;
0,08 г/м соответственно.
Совместно с испытательным лабораторным центром МГУ было изучено влияние аэрозолей суспензии сосновой смолы на клинические штаммы Staphylococcus аureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruoginosa и отмечен заметный бактериостатический эффект в пределах концентраций до 10 г/л. В тех же концентрациях суспензии экстракционной смолы сосны и прополиса снижают в среднем в 2-3 раза уровень контаминации воздуха плесневымих грибами - Аspergilus niger.
Судя по результатам исследований, обработка воздуха помещений аэрозольной формой препарата, содержащей водную суспензию сосновой смолы и прополиса, эмульсии эфирных масел монарды и сосны оказывала выраженное антимикробное действие.
Экстракционная сосновая смола и прополис были включены в состав антисептических кремов и средств - спреев косметологической кампании «Инвистра», «Ребион» выпускающей средства гигиены человека. Новые средства, в состав которых входит суспензия сосновой смолы, серий «BactiViva», «BactiHome», «BactiVet» удостоены золотых и серебряных наград на Биотехнологической выставке-ярмарке «РосБиоТех – 2008, 2009».
Проведенные расчеты показали, что себестоимость препарата – водной суспензии смолы сосны составила 7,73 руб./литр. На основании разработанной технологии и на базе полученных актов внедрения в производство рассчитан экономический эффект, который составил 825 620 руб/год и более на обработку препаратами смолы сосны рыбоводного завода мощностью 50 т\год в сравнении с обработкой другими аналогичными антимикробными природными веществами, например, ультразвуковым распылением ЭМ базилика, монарды. Других аналогов обработки природными, безвредными для человека и животных аэрозольными препаратами не обнаружено.
Технологическая схема получения (а) и применения (б) препарата из смолы сосны представлена на рис. 6.
(а) СМОЛА СОСНЫ (отход производства технического сахара при ферментативном гидролизе древесины) Дозирование Ультразвук Вода ПОЛУЧЕНИЕ ТП 35кГц;
дистиллированная УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СУСПЕНЗИИ 1 1 Вт/см ФИЛЬТРОВАНИЕ СУСПЕНЗИИ ТП. ФАСОВКА, УПАКОВКА, ПОЛУЧЕНИЕ ГОТОВОЙ МАРКИРОВКА ТП.3 УМО СУСПЕНЗИИ ГОТОВОЙ СУСПЕНЗИИ Применение полученного препарата суспензии сосновой смолы в производстве (б):
РАСПЫЛЕНИЕ ТП. УЛЬТРАЗВУКОВЫМ РАСПЫЛИТЕЛЕМ Поверхности ОБРАБОТКА ТП. АЭРОЗОЛЯМИ Лабораторных и офисных помещений Рис. 6. – Технологическая схема производства (а) и применения аэрозольного (б) препарата из смолы сосны.
суспензия смолы сосны;
вода водопроводная;
3 воздух;
4 готовый продукт – охлажденная водная суспензия смолы сосны;
Теплообменник – подогреватель;
Холодильник;
Исходный продукт – экстракционная смола сосны;
- Готовый продукт, может быть использован в различный областях производства.
5– Ультразвуковой распылитель, производительность – 20 л/мин, частота 2, 64 МГц.;
Низкочастотный ультразвуковой излучатель – частота – 22 кГц.
Рис. 7 – Технолого-аппаратурная схема получения дисперсной формы препарата.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Смола сосны, экстрагированная из древесины методом ультразвуковой экстракции, а также другие смолоподобные вещества, проявляющие бактерицидные или бактериостатические свойства, преобразуются с помощью ультразвукового дезинтегратора в водную суспензию с микроразмерными частицами, а суспензия трансформируется затем в ультразвуковые аэрозоли, обладающие высокой биологической активностью;
2. Разработан экспресс - метод измерения плотности акустической энергии в поле низкочастотных ультразвуковых излучателей с помощью лабораторных весов;
3. Трансформация обогащенного поверхностно-активной компонентой слоя жидкой среды в аэрозоль в ультразвуковых распылителях, приводит к повышению содержания в аэрозоле поверхностно активных составляющих раствора, что составляет основу для разработки нового метода концентрирования (Патент РФ №2393903, бюлл. №19);
4. Полученные ультразвуковым распылением аэрозоли натуральных, эффективных и безвредных для человека водных микросуспензий смолы сосны и прополиса обладают выраженной антимикробной активностью и позволяют снизить обсемененность воздуха и рабочих поверхностей на предприятиях по разведению и выращиванию рыбы, в производственных и офисных помещениях. Показано, что полученный препарат может быть применен в лечебных, профилактических, косметических и санитарно-гигиенических средствах типа гелей, спреев, бальзамов, кремов, лосьонов и жидкостей для пропитки салфеток, в качестве самостоятельного продукта для освежения воздуха в производственных и жилых помещениях;
5. Сравнение основных экономических показателей предложенной и существующей аналогичной технологии для деконтаминации помещений УЗ распылением показал, что экономический эффект от применения предложенной технологии для рыбоводного завода мощностью 50 т/год составит не менее 825 620,0 руб/год.
СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ 1. Бамбура М.В. и др. Способ выделения поверхностно активной компоненты из жидкой гетерогенной среды / В. Б. Акопян, М.В. Бамбура, Е.Р. Давидов, О.И. Чубатова, А.Ю. Ступин // Патент РФ № 2393903. Опубликовано 10.07.2010, бюллетень №19.
2. Бамбура М.В. и др. Способ экстрагирования / М.В. Бамбура, А.Е. Пашинин, А.Ю. Ступин, О.И. Чубатова, // Патент РФ № 2393905. Опубликовано 10.07.2010, бюллетень №19.
3. Бамбура М.В. и др. Способ кондиционирования растительного сырья / В. Б.
Акопян, М.В. Бамбура, Е.Р. Давидов, А.Ю. Ступин, О.И. Чубатова // Патент № 2394419.
Опубликовано 20.07.2010, бюллетень №20.
4. Бамбура М.В. и др. Способ оценки распределения энергии в ультразвуковом поле / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, Н.Е. Биняев, Б.И. Леонов, А.А. Рухман // Патент РФ № 2386111. Опубликовано 10.04.2010, бюллетень №10.
5. Бамбура М.В. и др. Устройство для очистки внутренних поверхностей бассейнов / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, В.Р. Браславец, В. К. Призенко, А.В. Призенко, А.А. Рухман // Патент РФ № 96156. Опубликовано 27.08.2010, бюллетень №24.
6. Бамбура М.В. и др. Аэрозольный способ получения наночастиц / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, В.В, Бирюков, Ю.В. Соколова, А.Ю. Ступин // Материалы выставки РУСНАНОЭКСПО, Декабрь 2008 г. [на электронном носителе] 7. Бамбура М.В. и др. Древесная смола - ценный отход основного производства / М.В. Бамбура, И.Н. Овешников, А.Е. Пашинин, А.Ю. Ступин, О.И. Чубатова // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы пятого Московского международного конгресса. - М., 2009. - Ч.2. – С. 248.
8. Бамбура М.В. и др. Изменение свойств водных растворов при их ультразвуковом распылении / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, Е.Р. Давидов, А.Ю. Ступин, О.И. Чубатова // Акустический журнал. – 2009. - Т. 55. - №4-5. – С. 684 – 688.
9. Акопян В.Б., Бамбура М.В., Соколова Ю.В. Распылительный способ получения наночастиц. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009, №2, с 10. Бамбура М.В., Соколова Ю.В. Ультразвуковой метод выделения отдельных компонентов из раствора. // Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, Апрель, 2008.
11. Бамбура М.В. Аэрозоль экстракционной смолы сосновой древесины. // Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, Апрель,2009.
12. Бамбура М.В. и др. Устройство для измерения мощности ультразвукового излучения / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, А.А. Рухман, Е.П. Рухман, А.Ю. Ступин, О.И.
Чубатова, Л.Г. Коновалова, Д.В. Коновалов, Б. Нонгайяр (B. Nongaillard) // Заявка на изобретение № 2009123519/032537 от 22 мая 2009 г.
13. Бамбура М.В. и др. Получение микро- и наноразмерных частиц ультразвуковым распылением в жидких и газовых средах / М.В. Бамбура, Т.В.
Вышенская, В.П. Тычинская, А.Ю. Ступин, О.И. Чубатова // Материалы выставки РУСНАНОЭКСПО, Декабрь 2009 г. [на электронном носителе] 14. Бамбура М.В. и др. Ультразвуковой метод сепарации поверхностно-активных веществ, адсорбированных на границе раздела жидкость – газ / В.Б. Акопян, М.В.
Бамбура, Е.Р. Давидов, А.Ю. Ступин, О.И. Чубатова // Журнал физической химии. – 2010. – Т. 84. - № 3. – С. 425–428.
15. Бамбура М.В. и др. Ультразвук в формировании водных суспензий тугоплавких биологически активных веществ / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, А.А. Рухман, А.Ю. Ступин, В.Б. Филатова // Сборник трудов XXII сессии Российского акустического общества и сессии научного совета по акустики РАН.- М., 2010. - Т. 3. – С. 125-127.
16. Бамбура М.В. и др. Аэрозоль экстракционной смолы сосновой древесины / М.В. Бамбура, В.Р. Браславец, А.В. Призенко, А.Ю. Ступин // Вестник НГАУ. – 2010. № 4. – С. 32 -39.