Введение к работе
Актуальность темы. Решение ряда проблем экологии, связанных с сохранением и улучшением среды обитания человека и сельскохозяйственных животных в условиях повышенных техногенных нагрузок, требует разработки новых комплексных интенсивных энергосберегающих технологий (Каныгин П.С., 2009). Интенсификация ряда технологических процессов успешно достигается применением ультразвука, вызывающим в последнее время повышенный интерес, что связано с новыми решениями в области ультразвуковой техники (Хмелев В.Н., 2010). Только ультразвуком (УЗ) удается быстро и без потерь биологической активности экстрагировать из растительного сырья биологически активные вещества (БАВ) и лекарственные субстанции (Abdullah S. еt al., 2010; Молчанов Г.И., 2009).
УЗ экстракцией, например, удается быстро и эффективно удалить смолу из древесины перед ее ферментативным гидролизом. Смола сосны, полученная методом УЗ экстракции, не подвергается в процессе выделения действию высоких температур и содержит бактерицидный компонент - эфирное масло.
Одним из возможных путей практического применения древесной смолы, прополиса и других натуральных БАВ, имеющих смолоподобную консистенцию и плохо растворимых в воде, является их УЗ трансформация в водные суспензии с размерами частиц 0,01 – 10 мкм. Общая поверхность частиц при этом возрастает, что обеспечивает интегральное повышение биологической активности суспендированной субстанции. Водные суспензии легко распылить в виде аэрозолей, нашедших широкое применение в ветеринарии и медицине (Боченин Ю.И., 1970, 1978, 1999, 2002; Петрянов – Соколов И.С., Сутугин А.Р., 1989; Осипов Л.В., 2003; Ярных В. С., 1972; Derksen F. J. еt al., 1996, 1999; Genicot В. еt al., 1994).
Разработка УЗ методов трансформации смолы сосны и других смолоподобных соединений в водные суспензии и их использование в виде УЗ аэрозолей способствует решению проблем повышения сроков хранения кормов, деконтаминации помещений целевого назначения и параллельно, утилизации смолы, как отхода производства.
Даже при длительном контакте со смолой сосны, а также прополисом, имеющим смолоподобную консистенцию, эфирными маслами ряда растений, микроорганизмы практически не вырабатывают резистентности к ним (Motiejnait O., Peiulyt D. 2004, zcalp B., zcan M.M., 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).
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.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ОАО «ГосНИИсинтезбелок» (корпорации «БИОТЕХНОЛОГИИ») по теме: «Комплексная переработка лесной продукции».
Цель и задачи исследований. Цель исследований - разработка ультразвуковых методов экстракции сосновой смолы, трансформации смолы и смолоподобных веществ в суспензии и аэрозоли, эффективные для снижения микробной обсемененности промышленных объектов, офисных, служебных и жилых помещений, пищевых и кормовых продуктов.
В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входило:
- разработка технологических приемов и методов экстракции биологически активных соединений, в частности смолы, из древесного сырья;
- разработка экспресс - метода оценки плотности энергии низкочастотного УЗ;
- разработка УЗ метода трансформации смолы сосны, прополиса и других смолоподобных биологически активных соединений в водные суспензии;
- изучение изменений активности БАВ в водных средах при их УЗ трансформации в аэрозоль;
- проведение сравнительных испытаний 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 работы. Установлено, что наиболее эффективным способом экстракции смолы из опилок в настоящее время является двухступенчатый способ с использованием на первой ступени гидродинамического преобразователя, создающего излучение с широким спектром частот, ускоряющего пропитку экстрагентом, а на второй – с включением в технологию группы оппозитных электромеханических преобразователей, обеспечивающих высокую плотность энергии УЗ (107 Вт/м3), что способствует интенсивному извлечению смолы из опилок (патенты РФ: № 2393905, Бюлл. ФИПС, № 19, 2010; № 2394419, Бюлл. ФИПС, № 20, 2010).
Показано, что древесная смола, как и другие тугоплавкие высоковязкие смолоподобные вещества, трансформируются УЗ в водные суспензии, пригодные для их распыления в УЗ генераторах аэрозоля.
Впервые экспериментально подтвержден эффект сорбирования поверхностно- активных веществ (ПАВ) на границе раздела водная среда – воздух 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 № 2393903, Бюлл. ФИПС, № 19).
Впервые установлено, что при УЗ трансформации водных суспензий в аэрозоль в конденсате этого аэрозоля обнаруживаются следы перекиси водорода, азотной и азотистой кислот.
Установлено, что УЗ суспензия смолоподобного прополиса, введенная в состав жировых эмульсий, снижает их обсемененность в 1000 раз и в три раза увеличивает срок их хранения.
Экспериментально показано, 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 2-3 раза (в зависимости от локальных условий использования) снижают обсемененность воздуха лабораторных и офисных помещений, подавляя жизнеспособность микроорганизмов.
Практическая значимость работы. Разработан экспресс - метод оценки плотности энергии низкочастотного УЗ.
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 прополиса с выраженными бактерицидными свойствами.
Разработан лабораторный регламент ЛР-01-2010 на препарат «Смола сосновая пропиленгликолевая экстрактивная», утвержденный заместителем директора ОАО «ГосНИИсинтезбелок» Е.Р. Давидовым (24.03.2010 г.) и получено санитарно-эпидемиологическое заключение о соответствии этой субстанции санитарным правилам (№77.01.12.915.П.011097.02.10 от 26.02.2010 г.), выданное Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. Получены и поведены испытания на практике опытных партий «Смолы сосновой пропиленгликолевой экстрактивной» (акт о внедрении, выдан ген. директором ООО «Инвистра» В.С Синицыным (23.03 2010 г.), акт о производственных испытаниях, выдан ген. директором ООО «РЕБИОН» О.И. Чубатовой (22.03 2010 г).
Проведены сравнительные испытания аэрозолей суспензии смолы сосны и суспензии прополиса в хозяйствах по промышленному разведению рыбы ценных пород с целью снижения обсемененности производственных помещений и получены официальные заключения о возможности применения этих аэрозолей для санитарной обработки промышленных объектов (акты испытаний).
Основные результаты исследований представлены на выставках «РУСНАНОЭКСПО», М., 2008 г.; «РосБиоТех-2008», М., 2008 г.; на Московских международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития», М.,2009- 2010 гг.; на Международном форуме Российско-Германского биотехнологического кооперационного союза, М., 2009 г.; на совместной XXII сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета РАН, М., 15-17 июня 2010 г..
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента РФ, издана монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 24 рисунка, 20 листов приложений, публикаций и материалов диссертации. Состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей результаты исследований и их обсуждение, выводов и приложений.
