Ультразвуковая трансформация сосновой смолы и смолоподобных веществ в аэрозоли с антимикробной активностью

Синтетические заменители не могут полностью вытеснить растительные продукты, хотя доля последних в производстве у нас в стране постоянно снижается. На мировом рынке синтетические дубители, например, полностью вытеснены таннидами черной акации, и мировое производство растительных дубителей имеет тенденцию к росту. В нашей стране дефицит дубителей, например, можно снизить, получая из коры некоторых сосновых таннидную фракцию. Проблему производства пектинов в России, возникшую после развала Советского Союза, когда все предприятия производящие пектин оказались за рубежом, также можно решить, выделяя пектины из коры тех же сосновых. По предварительной технико-экономической оценке, из 100 тыс. т. коры можно получить около 500 т пектинов (Черненко Г. Ф., Багрянская И. Ю., Шмидт Э. Н., 1990, Черненко Г. Ф и др. 1991).

Сырьем для лесохимическойпарфюмерной, фармацевтической и других отраслей промышленности могут служить отходы, в большом количестве образующиеся при заготовке и первичной переработке леса, а биотехнология переработки этих отходов, включающая новые способы биохимической трансформации древесины и других источников растительного сырья позволит существенно увеличить объем и разнообразие социально востребованной продукции, производимой из древесных отходов.

Традиционные лесохимические производства образуют также большие количества жидких отходов — растворов, содержащих органические вещества, часто насыщенных колониями микроорганизмов. Выбросы этих отходов в окружающую среду, в частности в водоёмы приводят к масштабным загрязнениям, вплоть до локальных техногенных экологических катастроф. До недавнего времени одним из важнейших направлений развития отрасли являлось внедрение технологий очистки сточных вод, позволяющих, кроме снижения экологической нагрузки на окружающую среду, улавливать ценные химические компоненты для дальнейшего использования. (Рикис1а Т. 1963, Выродов В. А., Кислицын А. Н. и др. 1987). Однако сегодня более перспективной является разработка современных технологий полной, комплексной, безотходной переработки сырья.

Узкопрофильность действующих в настоящее время предприятий по переработке древесины приводит к образованию многотоннажных отходов. В связи с этим разработка новых подходов к использованию отходов основного производства при комплексной переработке древесины представляется весьма актуальной. Поскольку 99% всех запасов древесины сосновых находится в Сибири и на Дальнем Востоке, вовлечение ее биомассы в углубленную переработку, в частности, при биосинтезе органических растворителей, используемых в качестве добавок к автомобильному горючему, позволит более рационально распоряжаться имеющимися ресурсами.

Условно весь процесс переработки отходов древесины, в частности, в биогорючее можно разделить на 5 этапов, характеризующих основные переделы древесины и получаемых из нее продуктов:

1. Подготовка сырья: размол древесины, удаление смол и (отдельно) синтез ферментов.

2. Ферментативный гидролиз древесины и получение Сахаров.

3. Биосинтез бутанола и других растворителей,.

4. Переработка отходов, в частности, очистка газовоздушных выбросов с разделением диоксида углерода и водорода,.

5. Выращивание кормовых дрожжей и частичное их использование для выделения биологически активных веществ, как сырья для фармацевтической и косметической промышленности.

Такое условное деление позволяет реализовать каждую стадию независимо от остальных при условии обеспечения исходным сырьем, однако наиболее эффективно реализовать единовременно всю цепочку, что позволяет комплексно перерабатывать древесину, значительно улучшить экологические и экономические показатели производства за счет использования всех ее компонентов, рационального использования электроэнергии, тепла и других ресурсов. (Егоров А.Е., Акопян В. Б., 2009).

Среди продуктов переработки древесного сырья особое место занимают природные соединения с антимикробной активностью. Успехи химии отодвинули на время эти природные противомикробные соединения на задний план, однако вскоре выяснилось, что бактерии быстро адаптируются к антибиотикам, что многие новые лекарственные препараты, обладают нежелательными побочными эффектами, а некоторые современные бактерицидные соединения весьма токсичны для человека и сельскохозяйственных животных. В связи с этим, в последнее время исследователи вновь обратили внимание на природные растительные препараты, и интерес к ним снова возрос. (Огка1р В., Огкап М. М. 2009, 1010) Успехи современных технологий в ряде случаев позволяют получать значительно более активные, чем ранее, комплексы веществ, за счет исключения, например, нагревания сырья до слишком высоких температур.

Совершенствование традиционных технологий переработки растительного и животного сырья, разработка принципиально новых технологий «живых систем», возвращение интереса к фитотерапии и опыту народной медицины вызвали новую волну исследований растений как источников ценных биологически активных ¦ веществ и разработки технологий выделения этих биологически активных веществ из растительного сырья, основанных на последних достижениях и учитывающих современные требования комплексной переработки сырья.

Решение ряда проблем экологии, связанных с утилизацией многотоннажных отходов производства и кондиционированием среды обитания человека и сельскохозяйственных животных в условиях повышенных техногенных нагрузок, нередко требуют интенсификации технологических процессов, реализуемой с применением ультразвуковых технологий. Особенно ярко проявляется это в технологиях переработки отходов, остающихся' после вырубки леса. Лесные ресурсы являются перспективным источником сырья для химической переработки всвязи с естественной их возобновляемостью. Только комплексное использование древесного сырья для получения востребованной продукции делает производство каждого из производимых продуктов экономически оправданным. Проблема рационального использования отходов^ лесозаготовительной промышленности, является одной из актуальных задач (Каныгин П.С., 2009).

При получении, например, биогорючего, в частности’биобутанола из древесного сырья, это сырье необходимо освобождать от смол, подавляющих активность целюлолитических ферментов, обеспечивающих ферментативную трансформацию целлюлозы в, сахара, доступные для утилизации микроорганизмами, синтезирующими, в частности, бутиловый спирт в качестве одного из метаболитов. Смола легко удаляется ультразвуковой экстракций — одним из наиболее эффективных способов выделения биологически активных веществ из растительного сырья (Хмелев В.Н., 2010'Abdullah S. at al., 2010; Молчанов Г. И., 2009), но требующим специфической адаптации к экстргенту, экстрактанту и условиям основного технологического процесса.

Смола сосны, полученная методом ультразвуковой экстракции, отличается повышенной активностью, так как не подвергается в процессе выделения-действию высоких температур и содержит ряд бактерицидных летучих компонентов, в частности эфирное масло.

Древесная смола, как и другие биологически активные вещества растительного или животного происхождения, имеющие смолоподобную консистенцию и плохо растворимые в воде (прополис, тугоплавкие жиры и т. д.) непросто использовать при создании форм, удобных в практике биотехнологии, кормопроизводства, медицины, ветеринарии, санитарии, парфюмерии и кондиционирования воздуха, а удобные для использования их растворы в органических растворителях небезвредны и находят лишь ограниченное применение.

Один из возможных путей практического применения этих веществультразвуковая трансформация в водную суспензию с размерами частиц от долей до единиц мкм. Общая поверхность частиц при этом оказывается весьма существенной, что обеспечивает интегральное повышение биологической активности суспендированной субстанции. Весьма перспективно и использование биологически активных соединений в виде аэрозолей (Боченин Ю.И., 1970, 1978, 1999, 2002; Осипов Л. В., 2003; Ярных В. С., 1972; Но1сотЬ 8.1 а1., 1997). Однако, повышение активности частиц путем значительного увеличения их интегральной поверхности обычными методами не может быть признано целесообразным по причине высокой себестоимости активации. (Петрянов — Соколов И. С., Сутугин А. Р., 1989).

Разработка ультразвуковых методов трансформации смолы сосны и других природных смолоподобных соединений, содержащих эфирные масла, в водные суспензии и их использование в виде ультразвуковых аэрозолей для повышения сроков хранения пищевых продуктов и кормов, для деконтаминации сельскохозяйственных промышленных и офисных помещений, для лечения болезней органов дыхания, параллельно решает проблему утилизации смолы, как отхода производства, и проблему улучшения условий труда производственного персонала и офисных работников.

Выделенные из древесины биологически активные вещества представляют собой ценное сырье для дальнейшей переработки в составляющие лекарственных или косметических композиций, и могут также использоваться в производстве товаров бытовой химии дезодорантов, ароматизаторов воздуха (Бретшнайдер Б., 1989) и т. д.

Следует отметить, что микроорганизмы даже в случае длительного контакта с некоторыми смолоподобными соединениями — прополисом, смолой сосны и эфирными маслами ряда растений практически не вырабатывают резистентности к ним (Николаевский В.В., Еременко А. Е., Иванов И. К., 1987, Motiejunaite О., Peciulyte D. 2004, Ozcalp. В., Ozean М.М., 2009).

Это свойство выгодно отличает природные бактериостатики и бактерицидные вещества от антибиотиков и агрессивных химических соединений и делает весьма перспективным их использование для снижения обсемененности (даже в присутствии человека) медицинских кабинетов и ветеринарных боксов, складов ветеринарных препаратов, промышленных, офисных, учебных и жилых помещений, для повышения сохранности кормов и пищевых продуктов, а в перспективе и для использования в комплементарной (поддерживающей) медицине и ветеринарии (Ярмоненко С.П., 1997).

Использование ультразвука требует разработки и применения адекватных метрологических методов оценки плотности энергии в ультразвуковом поле. Такие методы, применяемые в технологических целях должны отличаться экспрессностью, достаточной точностью и воспроизводимостью.

Интенсификация УЗ экстракции смолы, трансформация смолы и смолоподобных веществ в форму, удобную для использования в качестве средства для снижения бактериальной обсемененности, представляет собой актуальную проблему, решение которой требует:

— разработки технологии интенсивной УЗ экстракции смолы из древесного сырья;

— разработки метода трансформации смол и смолоподобных веществ в водные суспензии;

— разработки экспресс-метода оценки плотности энергии в УЗ поле;

— исследования изменений свойств водных суспензий и растворов в процессе их УЗ распыления;

— сравнительного испытания полученных суспензий смолоподобных веществ для снижения бактериальной обсемененности на промышленных объектах, в медицинских и ветеринарных клиниках, офисных помещениях, а также в кормовых и пищевых продуктах и профилактических препаратах медицинского и ветеринарного назначения.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР ОАО Государственный Научно-исследовательский институт Биосинтеза белковых веществ. Корпорация «БИОТЕХНОЛОГИИ», МОСКВА, по теме: «Комплексная переработка лесной продукции».

Целью настоящей диссертации является разработка новых интенсивных ультразвуковых технологий выделения смолы из древесного сырья, трансформации смолы и смолоподобных веществ в водные суспензии, применение ультразвуковых методов для распыления суспензий и испытание полученных аэрозолей для снижения бактериальной обсемененности промышленных объектов, офисных, служебных и жилых помещений, пищевых и кормовых продуктов, а также профилактических препаратов медицинского и ветеринарного назначения.

Основные задачи исследования: 1. Разработать технологические приемы и методы экстракции биологически активных соединений, в частности смолы, из древесного сырья.

2. Разработать экспресс — метод оценки плотности энергии низкочастотного УЗ.

3. Разработать УЗ метод трансформации смолы сосны и других смолоподобных биологически активных соединений (прополиса, например), в водные суспензии.

4. Исследовать изменения в водных средах при их УЗ трансформации в аэрозоль.

5. Провести сравнительные испытания аэрозолей и суспензий смолы сосны и прополиса, а также эмульсии эфирного масла сосны для повышения сохранности пищевых и кормовых эмульсий, а также снижения обсемененности в лабораторных, промышленных сельскохозяйственных и офисных помещениях.

Научная новизна.

1.Наиболее эффективным способом экстракции смолы из опилок в настоящее время является двухступенчатый способ с использованием на первой ступени гидродинами-ческого преобразователя, создающего излучение с широким спектром частот, ускоряю-щее пропитку экстрагентом, а на второй — группы оппозитных электромеханических преобразователей, обеспечивающих высокую плотность энергии УЗ (107Вт/мЗ) и, как следствие, интенсивное извлечение смолы из опилок (Патент РФ № 2 393 905. Бюл. ФИПС № 19- патент РФ № 2 394 419. Бюл. ФИПС № 20).

2.Показано, что древесная смола, как и другие тугоплавкие высоковязкие смолоподобные вещества, трансформируются УЗ в водные суспензии, пригодные для их распыления в УЗ генераторах аэрозоля.

3.Впервые экспериментально подтвержден эффект сорбирования поверхностно активных веществ (ПАВ) на границе раздела водная средавоздух, и показана возможность использования этого эффекта для разработки метода концентрирования ПАВ путем УЗ трансформации приграничных слоев жидкости в аэрозоль с последующей его конденсацией (Патент РФ № 2 393 903. Бюл. ФИПС № 19).

4.Впервые установлено, что при УЗ трансформации водных суспензий в аэрозоль, в конденсате этого аэрозоля обнаруживаются следы перекиси водорода, азотной и азотистой кислот.

5.УЗ суспензия смолоподобного вещества — прополиса, введенная в состав жировых эмульсий, снижает их обсемененность в ~ 1 ООО раз и в три раза увеличивает срок их хранения.

6.Исследования показали, что аэрозоли водных суспензий смолы сосны, так же, как и прополиса обладают выраженной бактериостатической активностью и перспективны для снижения обсемененности воздуха и рабочих поверхностей на предприятиях по разведению и выращиванию рыбы, в учебных, лабораторных и офисных помещениях. Аэрозоли водных суспензий. смолы сосны в два, три раза (в зависимости от локальных условий) снижают обсемененность воздуха лабораторных и офисных помещений, подавляя жизнеспособность микроорганизмов.

Практическое значение.

Разработан экспресс — метод оценки плотности энергии низкочастотного УЗ. (Заявка на изобретение № 2 009 123 519 от 22.05.2009).

Разработан и испытан комбинированный УЗ метод, позволяющий интенсифицировать процесс экстракции смолы из древесного сырья и сократить его длительность до нескольких секунд, что в тысячу раз быстрее, чем методом настаивания;

Разработан и испытан УЗ метод получения водных суспензий древесной смолы и других тугоплавких смолоподобных веществ (в частности, прополиса) с выраженными бактерицидными свойствами;

Разработан лабораторый регламент ЛР-01−2010 на мелкомасштабное производство препарата «Смола сосновая пропиленгликолевая экстрактивная» утвержденный заместителем директора по науке ОАО «ГосНИИсинтезбелок Е. Р. Давидовым 24 03. 2010 и получено санитарноэпидемиологическое заключение № 77.01.12.915.П.11 097.02.10 выданное Федеральной службой по надзору в сфере прав защиты потребителей и защиты человека 26.02.2010, о соответствии этой субстанции санитарным правилам.

Наработаны опытные партии «Смолы сосновой пропиленгликолевой экстрактивной» для использования в качестве сырья, переданы ООО «ИНВИСТРА» ООО «РЕБИОН» и испытаны на практике (Акт о внедрении, выданный Генеральными директором ООО «Инвистра» В. С Синицыным 23.03 2010, акт о производственных испытаниях, выданный Генеральными директором ООО «РЕБИОН» О. И. Чубатовой 22.03 2010, См. приложения к диссертации).

Проведены сравнительные испытания аэрозолей суспензии смолы сосны, а таюке прополиса в хозяйствах по промышленному разведению рыбы ценных пород с целью снижения обсемененности производственных помещений и получены официальные заключения о применимости этих аэрозолей для санитарной обработки промышленных объектов (см. Приложение).

Основные результаты исследований представлены на выставках «РУСНАНОЭКСПО», М., 2008 г., «РосБиоТех-2008», М., 2008 г., на Московских международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития, 2009 и 2010, на Международном форуме Российско-Германского биотехнологического кооперационного союза, Москва, 2009 г., на совместной XXII сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета РАН. Москва. 15−17 июня 2010 г.

Публикации. Материалы диссертации представлены в 15 публикациях, в том числе в монографии, в журнальных статьях, в тезисах докладов, в описаниях к патентам и заявке на патент, в том числе, 8 публикаций в изданиях, рекомендованных для ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 125 стр., содержит 12 таблиц, 24 рисунка, 20 листов приложений, публикаций и материалов диссертации. Состоит из введения, экспериментальной части, результатов исследования и их обсуждения, заключения и выводов, а также приложений.

ВЫВОДЫ.

1. Разработаны технологические приемы и методы экстракции биологически активных соединений смолы из хвойной. древесины и смолоподобных веществ. Установлено, что наиболее эффективным методом экстракции из опилок является метод двухступенчатой экстракции.

2. Разработан экспресс-метод оценки плотности энергии низкочастотного ультразвука в реакционном объеме, основанный на измерении радиационного давления.

3. Смола сосны и другие смолоподобныевещества, в частности, прополис, трансформируются с помощью ультразвука в водные суспензии с размерами частиц 0,01? 1 мкм. Эти суспензии под действием высокочастотного фокусированного ультразвука легко превращаются в аэрозоли с размером капель 1?5 мкм с помощью стандартных ультразвуковых распылителей (ингаляторов, небулайзеров).

4. Установлено, что трансформация ультразвуком водных растворов поверхностно-активных веществ в аэрозоль приводит к повышению содержания в аэрозоле поверхностно-активных составляющих раствора. Концентрация поверхностно-активного вещества в конденсате аэрозоля превышает его концентрацию в исходном растворе, что явилось основанием для разработки нового метода концентрирования.

5. Суспензия прополиса обладает бактериостатическим и бактерицидным действиями и рекомендуется для увеличения в 3−4 раза сроков хранения кормовых и пищевых эмульсий.

6. Аэрозоли водных суспензий смолы сосны или прополиса непосредственно после обработки воздуха ~в2 раза снижают численность бактерий, а спустя 3< часа ~ в 2,5 раза. Эффект сохраняется около 6 часов, затем уровень контаминации постепенно увеличивается, стремясь к исходным значениям, и достигает их через 3 — 5 суток.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

В результате проведенных исследований разработана технологическая схема производства и применения смолы сосны и лабораторный регламент на мелкомасштабное производство препарата «Смола сосновая пропиленгликолевая экстрактивная», утвержденный заместителем директора по науке ОАО «ГосНИИсинтезбелок» Е. Р. Давидовым 24 03. 2010 г. Получено санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.01.12.915. П. 11 097.02.10, выданное Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (26.02.2010 г.), о соответствии этой субстанции санитарным требованиям.

Полученные по разработанным в диссертации методам суспензии и аэрозоли смолы сосны были испытаны в НП «Межрегиональный общественный институт защиты биорессурсов» (акт от 20.08.2009 г.), в ФГУ «Ардонский лососевый рыбоводный завод» (акт от 24.04.2010 г.), в ООО «Акватехнопарк» (акт от 12.08.2009 г.), ООО «РЕБИОН» (акт от 22.03.2009 г.) и рекомендуются для снижения обсемененности помещений сельскохозяйственного, ветеринарного, медицинского назначения, а также офисных и лабораторных помещений. 7.

Полученные по разработанным в диссертации методам суспензии и аэрозоли смолы сосны испытаны в НП «Межрегиональный общественный институт защиты биорессурсов» (Акт от 20.08.09), в ФГУ «Ардонский лососевый рыбоводный завод» (Акт от 24.04.2010), в ООО «Акватехнопарк» (Акт от 12.08.2009), ООО' «РЕБИОН» (Акт от 22.03.2009) и рекомендуются для снижения обсемененности помещений сельскохозяйственного, ветеринарного, медицинского назначения, а также офисных и лабораторных помещений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Ступин А. Ю., Пашинин А. Е, Чубатова О. И., Способ экстрагирования. 2008. Патент РФ № 2 393 905. Опубликовано 10.07.2010, Бюллетень ФИПС № 19.

2. Ступин А. Ю. Давидов Е. Р., Чубатова О. И., Бамбура М. В., Акопян В. Б. Способ выделения поверхностно активной компоненты из жидкой гетерогенной среды. Патент РФ № 2 393 903.Опубликовано 10.07.2010 Бюллетень ФИПС № 19.

3. Ступин А. Ю., Чубатова О. И., Бамбура М. В., Акопян В. Б., Давидов Е. Р. Способ кондиционирования растительного сырья. Патент РФ № 2 394 419. Опубликовано 20.07.2010. Бюллетень ФИПС № 20.

4. Соколова Ю. В., Ступин А. Ю., Бамбура М. В, Бирюков В. В., Акопян В. Б. Аэрозольный способ получения наночастиц. Материалы выставки РУСНАНОЭКСПО. М. 2008. На электронном носителе.

5. Бамбура М. В., Овешников И. Н, Пашинин А. Е., Ступин А. Ю., Чубатова О. И. Древесная смола — ценный отход основного производства. Тезисы V Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития. М. 2009, т.2, с. 248.

6. Акопян В. Б., Бамбура М. В., Давидов Е. Р., Ступин А. Ю., Чубатова О. И. Изменение свойств водных растворов при их ультразвуковом распылении. Акустический журнал 2009, 55. № 4−5,.с. 684 — 688.

7. Акопян В. Б., Бамбура М. В., Давидов Е. Р., Ступин А. Ю., Чубатова О. И. Ультразвуковой метод сепарации поверхностно-активных веществ, адсорбированных на границе раздела жидкость-газ. Журнал физической химии, 2010, 84, № 3, с. 425−428.

8. Ступин А. Ю., Грузинов Е. В., Никитина Э. С., Чубатова О. Ю. Использование прополиса в пищевых эмульсиях, полученных с применением ультразвука. Пищевая промышленность, 2010, 2, с.54−56.

9. Акопян В. Б., Давидов Е. Р., Овешников И. Н, Пашинин А. Е., Ступин А. Ю., Экстракция смолы из сосновых опилок. Биотехнология, 2010, № 2, с 65−69.

10. Ступин А. Ю., Акопян В. Б., Бамбура М. В., Рухман A.A., Рухман Е. П., Чубатова О. И., Коновалова Л. Г., Коновалов Д. В., Нонгайяр Бертран. Устройство для измерения мощности ультразвукового излучения. Заявка на изобретение № 2 009 123 519/032537 от 22.05.2009.

И. Ступин А. Ю., Бамбура М. В., Тычинский В. П., Вышенская Т. В., Чубатова О. И. Получение микрои наноразмерных частиц ультразвуковым распылением в жидких и газовых средах. Материалы выставки РУСНАНОЭКСПО. М. 2009i На магнитном носителе.

12. Акопян В. Б., Ступин А. Ю., Бамбура М. В., Рухман A.A., Филатова В-А. Ультразвук в формировании водных суспензий тугоплавких биологически активных веществ. Сборник трудов XXII сессии Российского акустического общества и сессии научного совета по акустики РАН, 2010, 3, с.125−127.

13. Ступин А. Ю., Акопян В. Б. Влияние ультразвука на свойства аэрозолей. Материалы. Московской международной научно-практической конференции Биотехнология: экология, крупных городов: М.2010, с. 109−110.

14. Ступин А. Ю., Чубатова О. И., Браславец В. Р. Снижение микробной обсемененности производственных, офисных помещений и пищевых продуктов натуральными веществами. Материалы Московской-международной: научно-практической конференции Биотехнология: экология крупных городов. М.2010, с. 273−274.

15. Ступин А. Ю., Бамбура М. В., Браславец В. Р., Призенко А. В, Кропачев F.B. Аэрозоль экстракционной смолы сосновой древесины. Вестник НГАУ (Новосибирский государственный аграрный университет), 2010, 4, с. 32−39.

1 б. СтупинА. ЮСуспензии природных смоли смолоподобных веществ. М. ФГНУ «Росинформагротех». 2010, 67 с.

1.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ опубликованных ранее в специальных изданиях и приведенных выше данных позволяет заключить, что несмотря на существующую ныне потребность в природных препаратах, обладающих бактерицидными свойствами, потребность в технологии интенсивной высокоскоростной экстракции смол из древесного сырья, в методах превращения смол и смолоподобных веществ в препараты, удобные для использования с целью снижения микробной обсемененности промышленных (Моисеев П.А. и др. 1985), офисных и других помещенийа также снижения обсемененности воздуха и пищевых продуктов натуральными веществами и увеличения срока их хранения, проблемы удовлетворения этих потребностей еще далеки от своего решения.

Существуют, однако, подходы к решению этих проблем, ряд которых связан с использованием ультразвука для интенсификации процессов массопереноса и снижения диффузионных ограничений при экстракции, для трансформации смол и смолоподобных веществ в устойчивые водные суспензии, обладающие высокой биологической активностью за счет сильно развитой поверхности действующего вещества, для распыления этих суспензий в аэрозоли, обладающие выраженными бактерицидными свойствами и введения суспензий некоторых смолоподобных веществ в пищевые и кормовые композиции, с целью подавления развития в них нежелательной микрофлоры.

Решения указанных проблем получены в результате проведенных в рамках представленной диссертации ряда исследований и разработки новых методов и технологических приемов с использованием ультразвука.

Глава 2.0БЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Объектами исследований являлись опилки и смола хвойных пород деревьев, произрастающих в основном в Восточной Сибири. Для сравнения с бактерицидными свойствами смолы использовался прополис, обладающий сходной консистенцией и высокий противомикробной активностью, а также эфирное масло сосны.

Исследования проводили как с использованием стандартных методов, так и методов специально разработанных для решения поставленных задач.

2.1. Объекты исследований.

2.1.1. Опилки сосновой древесины, отличаются большим разнообразием своих свойств, что обусловлено не только широким представительством семейства Сосновых {Ртасеаё) — около 100 видов сосен в лесах умеренного пояса и более 20 видов — в субтропическом и тропическом поясах, но и зависимостью свойств древесины и содержания в ней смолы от климатических условий, плодородия почвы, возраста дерева, части дерева и ряда других. В России самый обширный ареал занимает сосна обыкновенная (Ртиэ яНуезМв). Однако, даже деревья одного этого вида, выросшие в разных условиях дают явно отличающиеся сорта древесины: рудовую — мелкослойную, плотную и смолистую, которую образуют сосны растущие на возвышенных местах на хороших боровых песчаных почвах и мяндовую — малосмолистую, крупнослойную и более рыхлую, образованную деревьями, растущими на низких, сырых и жирных почвах. Такое разнообразие усложняет разработку некоторых технологии переработки сосновой древесины и, в частности, технологию ее обессмоливания, необходимого как для использования древесины в производстве мебели, так и для ферментативного гидролиза отходов лесозаготовки и лесопереработки в технологии получения Сахаров.

2.1.2. Смола сосны и ряда других хвойных деревьев вырабатывается деревом в ответ на неблагоприятные внешние условия, служит защитным средством, в частности при повреждениях коры. Содержит смола (в % по массовым долям) :

— 35% смоляных кислот, 3,5% водорастворимых кислот, в частности уксусной, 8% фенолов, 30% высших спиртов, эфиров углеводородов, 15% летучих веществ, I 8% воды, 0,5% примесей.

Смолусосны и других деревьевсемейства сосновых добывают в наше время самыми разными способами. Следует, однако, отметить, что с развитием химических производств потребность промышленности в натуральной сосновой смоле постоянно уменьшается.

Состав смолы, варьирует в зависимости от породы и части дерева, .а также способа ее извлечения (Бетеко I., Бетеко Г. 1998, 1999). Смола, вырабатываемая хвойными деревьями, собирается в многочисленных смоляных ходах, где находится под давлением и выделяется через повреждения коры. Для ее добычи на коре делают специальные надрезы и собирают вытекающий сок. Собранный сок, — живицу, перегоняют, освобождая от воды и посторонних примесей. После отгонки остается твердая смола — канифоль.

Другой способ добычи смолы — смолокурение. Смола, полученная методом смолокурения — сложная смесь фенолов (10−25%), в составе которых находится фенол, крезолы, ксиленолы, о-этилфенол, псевдокуменолы, пирокатехин, гваякол, метиловые эфиры пирогаллола и другие соединенияряд органических кислот (10−30%) от муравьиной до каприловой, пальмитиновая, арахиновая, бегеновая, 1 ненасыщенные кислоты этого ряда, смоляные и др.- нейтральные вещества (40−55%), содержащие кетоны, альдегиды, спирты, углеводороды различных классов и прочее.

Именно эту смолу используют в качестве ингредиента1 при изготовлении" мыла, шампуней, а также в медицинских целях при производстве лекарственных средств противоаллергической сыпи, псориаза, экземы, медицинских лейкопластырей.

Смолу экстракционную извлекают из пней, где содержание смолы бывает, как правило, весьма высоким по-сравнению с ее содержанием в свежей древесине. Со временем в? пнях, в процессе созревания, смоляные кислоты и терпеновые углеводороды, содержащиеся* в сосновой* древесине, подвергаются изомеризациии окислению, вследствие чего образуются окисленные смоляные кислоты и терпеновые спирты. В* результате, смолистые вещества, содержащиеся в пнях существенно отличаются-как от смолы, содержащейся в древесине, так и от сосновой живицы. Для экстракции смолы из измельченной древесины пней чаще всего используется бензин.

При* выборе экстрагента обычно учитывают его технологическую эффективность, а также огнеи взрывоопасность и токсичность. Растворителей, полностью отвечающих этим требованиям, не существует. Из многих органических растворителей (бензин, бутиловый и изопропиловый спирты, толуол, ксилол, дихлорэтан, трихлорэтилен (Бе^е!

Б., Рггук1епк М, 1983), хорошо растворяющих смолистые вещества наиболее приемлемым считается относительно дешевый и малотоксичный бензин. Однако пожарои взрывоопасность, а также некоторые другие свойства бензина накладывает существенные ограничения на его применении.

Экстракция летучими растворителями имеет свои преимущества, поскольку экстракция производится при невысокой температуре, при этом растворитель извлекает не только смолу, но и все растворимые' душистые вещества и биологически активные компоненты растения с примесью восков. После очистки такие экстракты успешно применяются в парфюмерии и медицине, равно как, и"для санации. помещений и освежения воздуха. В последнее время в парфюмерии и профилактической медицине предпочитают применять смолу, специальнодля" этих целей, экстрагированную пропиленгликолем.

Экстрагированная бензиномсмола находит такое жеширокое применение, как и смола, добытая другими методами. Древесное сырье, после экстракции и сушки вполне пригодно для дальнейшего использования напримерв производстве, древесно-стружечных плит, однако, его применение для получения Сахаров методом ферментативного гидролиза целлюлозы весьма затруднено, так как остатки бензина, содержащие циклические углеводороды даже в следовых количествах, препятствуют ферментативному гидролизу целлюлозы.

Область применения сосновой смолы «существенно расширяется при ее модификации.

2.1.3. Прополис — используемое нами в сравнительных исследованиях смолоподобное вещество, вырабатываемое пчёлами из компонентов, которые они! собирают с клейких почек тополя, ольхи, берёзы и некоторых других деревьев, и используемое для замазывания щелей и отверстий в улье, с целью создать в нем оптимальный для, пчелиной семьи" микроклимат. С помощью прополиса пчёлы регулируют ширину летка в зависимости от температуры снаружи улья.

Обладая выраженными антисептическими свойствами, прополис защищает пчел от многих грибков, бактерий и вирусов. Пчелы используют прополис и для изоляции посторонних предметов, которые они физически не в состоянии удалить из своего жилища, например убитых мышей и других мелких животных.

Прополис имеет горьковато-жгучий вкус, цвет от жёлтого до тёмно-бурого. Изредка встречается прополис практически лишенный запаха, но, как правило, он обладает специфическим ароматом, смолистых веществ и эфирных масел. Изначально довольно пластичный, со временем он постепенно твердеет. При температуре, превышающей 65−70°С прополис разжижается, а при охлаждении ниже 15 °C твердеет и легко крошится. Всего в составе прополиса обнаружено около 280 различных соединений, однако более 150 так еще и не идентифицировано. В прополисе обнаруживают смоляные кислоты и спирты, артипиллин, дубильные вещества, фенолы, бальзамы, воск, эфирные масла, флавоноиды, аминокислоты, микроэлементы, в частности, кальций, магний, цинк, селен, железо и другие, а также витамины В1, В2, В6, А, Е, никотиновая, пантотеновая кислоты и другие. Прополис отличается целебным и противомикробным действием, используется в медицине и ветеринарии. Бактерицидное действие прополиса распространяется практически на всех возбудителей болезней человека и животных и проявляется в довольно малых концентрациях. Прополис занял прочное место в ветеринарной практике и в гуманитарной медицине для профилактики и лечения заболеваний дыхательный путей, желудочно-кишечного тракта, покровных тканей. Широко используется при лечении детских болезней, а также в отоларингологии и гинекологии. Благодаря своему бактерицидному, дезодорирующему, и анестезирующему действию прополис часто применяют в производстве косметических композиций.

Из прополиса готовят мази для лечения ран, экзем и некоторых других болезней: Прополис проявляет активность в борьбе против таких опасных возбудителей, как микобактерии туберкулеза, вирусы герпеса, гриппа, гепатита, как грибы рода кандида, а еще он оказывает выраженное обезболивающее, противовоспалительное и иммуномодулирующее действие, обладает противоопухолевым, радиопротекторным и антитоксическим эффектом.

В воде прополис практически не растворим, что существенно ограничивает возможности его применения.

2.2. Ультразвуковое оборудование для воздействия на вещество.

В работе использовали как экспериментальное, разработанное и построенное специально для проведения собственных исследований, так и стандартное ультразвуковое оборудование.

2.2.1. Гидродинамический излучатель ультразвука (ультразвуковой свисток) выполнен НПК «Афалина» в рамках совместных исследований. Он конструктивно прост в нем нет движущихся деталей, удобен в эксплуатации и, как и все подобные приспособления, дает самую дешевую акустическую энергию.

Излучатель представляет собой трубу, диаметром 20 — 25 мм, с расположенной перед ней стальной пластинкой толщиной в 4 — 7 мм. Струя жидкости под давлением 6−105 Па попадает на пластинку, заставляя ее колебаться и излучать ультразвук в среду. Моды колебания пластины хорошо видны на изображениях компьютерного моделирования. (Рис. 2.1).

Рис. 2.1. Моды колебаний пластин гидродинамического излучателя.

Экспериментально, с помощью специального.

С. гидрофона, были измерены частотные характеристики излучателя Рис. 2.2., полностью подтвердившие правомерность расчетов и компьютерного моделирования и позволили определить амплитудно-частотную характеристику источника колебаний при оптимальных давлениях, развиваемых насосом. (Рис. 2.3.).

Рис. 2.2. Экспериментальные данные, отражающие особенности колебательных процессов в гидродинамическом свистке.

СП г- • —. — ю сл г- 2 Г.

• ю т о ю «>

5 3 «.

Частота колебаний,.

Рис. 2.3. Амплитудно-частотная характеристика источника ультразвука.

При использовании такой конструкции создается ультразвуковое поле с о относительно невысокой средней плотностью энергии (0,01 — 0,1 Вт/см), но в довольно широком диапазоне частот — от звуковых до 35 — 40 кГц.

Стоимость механических излучателей невысока, но они не могут создавать монохроматическое излучение и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие излучатели отличаются нестабильностью частоты и амплитуды, но вполне применимы в некоторых технологических процессах, результат которых практически не зависит от частоты ультразвука.

Известны удачные попытки экстракции ультразвуком с применением магнитострикционных преобразователей (Молчанов Г. И., Молчанов A.A., Морозов Ю. Ф. 2009), однако применение гидродинамических источников ультразвука экономически более выгодно и перспективно для применения в промышленных масштабах биотехнологических производств.

2.2.2. Пьезокерамические излучатели ультразвука. Для получения ультразвуковых полей с высокой плотностью энергии использовали пьезокерамические излучатели ультразвука, питаемые от соответствующих электрических генераторов ультразвуковой частоты. В работе использовали лабораторный генератор ультразвука УЗПЗ 01/22 (Рис. 2.9) с частотой 22 кГц, разрешенной Международной электротехнической комиссией (МЭК) для промышленного использования. Более мощная полупромышленная ультразвуковая установка с пьезокерамическими излучателями расположенными оппозитно, что позволяет получать акустические поля с высокими (порядка 107 Вт/см3) плотностями энергии, была изготовлена по заказу специально для наших исследований НПК «Афалина». Кпд пьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность излучения — несколько десятков Вт/см2. Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют ультразвуковые концентраторы.

Рис. 2.4. Лабораторный ультразвуковой генератор УЗГ 13−0,1/22 (1) с пьезокерамическим излучателем (2) и акустическим концентратором (3).

2.2.3. Ультразвуковые генераторы аэрозолей.

Рис. 2.5. Высокочастотный ультразвуковой ингалятор «Ореол».

В работе использованы ультразвуковые генераторы аэрозолей «Альбедо», «Вулкан»,"Ореол", (Рис. 2.5), распыляющие жидкости ультразвуком с частотой 2,6 МГц сфокусированным из глубины жидкости к ее поверхности.

Такой способ распыления жидкостей обеспечивает высокую плотность и однородность аэрозольных частиц по размерам в интервале 1 -5 мкм (Рис. 2.6).

Рис. 2.6. Интегральное (1) и дифференциальное (2) распределение частиц аэрозоля воды (тумана), полученного при частоте 2,64 МГц в ультразвуковом ингаляторе «Ореол» (Осипов Л.В., 2003).

Ультразвуковые генераторы аэрозолей, бесшумны и надежны, но ряд веществ могут испытывать изменения в ультразвуковом поле.

2.3. Стандартные методы и измерительные приборы использованные для исследования изменений свойств веществ.

2.3.1. Рефрактометрия — метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления. В данной работе применяется рефрактометр ИРФ — 454МБ для экспресс измерения концентрация органических растворителей и некоторых других веществ по предварительно построенным калибровочным кривым.