Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Получение и применение дисперсных форм антимикробных препаратов на основе смолы сосны и прополиса

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Получение и применение дисперсных форм антимикробных препаратов на основе смолы сосны и прополиса"

БАМБУРА Мария Владимировна

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ФОРМ АНТИМИКРОБНЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ СМОЛЫ СОСНЫ И ПРОПОЛИСА

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

- 1 ДЕК 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Щелково-2011 г.

005004404

Диссертация выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) и в ОАО «Государственный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ» корпорации «БИОТЕХНОЛОГИИ», г. Москва

Научный руководитель: Акопян Валентин Бабкенович,

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Клюкина Валентина Ивановна, доктор биологических наук, профессор

Складнев Дмитрий Анатольевич, доктор биологических наук, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств» (ФГБОУ ВПО «МГУПП»)

Защита состоится 9 декабря 2011 года на заседании диссертационного совета Д.006.069.01 при ГНУ Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности по адресу: 141142 Московская область, Щелковский район, п/о Кашинцево, пос. Биокомбината! ВНИТИБП; т/факс: (495) 526-43-74; E-mail: vnitibp@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности.

Автореферат разослан 8 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Ю.Д. Фролов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Несмотря на успехи химии синтетических препаратов, натуральные бактерицидные вещества не потеряли своей ценности и значимости для решения задач деконтаминации биотехнологических, сельскохозяйственных, ветеринарных, медицинских, промышленных, лабораторных, офисных и других помещений. Натуральные природные вещества, к примеру, смола сосны и прополис, обладают антимикробным действием, не оказывая при этом негативного влияния на организм человека и животных, не требуя увеличения дозировки вещества со временем, и не приводят к повышению резистентности микроорганизмов к этим препаратам.

В частности, смола сосны, полученная методом ультразвуковой экстракции (Ступин А.Ю., 2009; 2010) отличается повышенной биологической активностью, так как не подвергается в процессе выделения действию высоких температур и содержит эфирное масло, обладающее бактерицидными свойствами. Непосредственное применение смолы сосны и других смолоподобных природных соединений, имеют ограничения, из-за высокой вязкости и низкой растворимости в воде. Растворы этих веществ в органических растворителях в ряде случаев противопоказаны для применения в медицине, парфюмерии и в товарах бытового назначения.

В связи с этим разработка препаратов на основе экстракционной смолы сосны и прополиса, технология получения и изучение их антимикробных свойств, является актуальной задачей. Ее решение позволит снизить микробную обсемененность промышленных помещений, рыбоводных бассейнов, улучшить условия труда производственного персонала и разрешить проблему эффективного использования смолы сосны, как отхода производства.

Цель работы. Разработка технологии получения и эффективного использования дисперсных форм антимикробных препаратов на основе смолы сосны и прополиса

Основные задачи исследования:

- Разработать технологию получения водных микросуспензий и микроаэрозолей на основе смолы сосны и прополиса.

- Разработать экспресс - метод определения концентрации смолоподобных веществ в водных суспензиях.

- Изучить механизм действия и оценить антимикробные свойства дисперсных форм смолоподобных веществ.

- Испытать полученные аэрозоли смолы сосны и прополиса в производственных условиях для деконтаминации промышленных объектов.

- Оценить свойства водных растворов смолоподобных веществ при их ультразвуковом распылении.

Научная новизна. Разработана технология получения микросуспензий и микроаэрозсшей на основе смолы сосны и прополиса. Показано, что микросуспензии и микроаэрозоли природных смолоподобных веществ обладают высокой антимикробной активностью.

Предложен экспресс - метод определения концентрации смолоподобных веществ в водных суспензиях («Способ оценки концентрации смолоподобных веществ в суспензии», заявка на изобретение 2011113702/05 (020344) от 19.07.2011).

Изучен механизм антимикробного действия суспензий смолы сосны и прополиса, полученных ультразвуковым дезинтегрированием.

Разработан новый метод концентрирования за счет трансформации ультразвуком поверхностных слоев водной среды в аэрозоль, основанный на эффекте превышения концентрации поверхностно активного вещества в конденсате аэрозоля над его концентрацией в исходном растворе («Способ выделения поверхностно активной компоненты из жидкой гетерогенной среды», Патент РФ № 2393903, Опубликовано 10.07.2010, Бюллетень №19).

Разработан способ экспресс - оценки распределения плотности энергии в высокочастотном ультразвуковом поле («Способ оценки распределения энергии в ультразвуковом поле», Патент РФ № 2386111, Опубликовано 10.04.2010, Бюллетень №10).

Практическая значимость работы.

На основе проведенных исследований разработаны и предложены:

- устройство для очистки внутренних поверхностей бассейнов, позволяющее осуществлять их санитарную обработку в процессе эксплуатации, снижать микробную контаминацию за счет действия ультразвука и покрытия смолой сосны фильтрующих элементов («Устройство для очистки внутренних поверхностей бассейнов», Патент №96156, Опубликовано 27.08.2010. Бюллетень №24);

- препарат на основе экстракционной смолы сосны, трансформированной в аэрозоли, апробирован в производственных условиях для снижения микробной контаминации на ФГУ «Ардонский лососевый рыбоводный завод», в НП «Межрегиональный Общественный институт защита 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 09.12.2008).

- Лабораторный регламент ЛР-01-2010 на «Маломасшгабное производство смолы сосны и препарата из смолы сосны для деконтаминащш промышленных поверхностей и воздуха».

Микросуспензии и микроаэрозоли экстракционной смолы сосны и прополиса перспективны для изготовления лечебных, профилактических, косметических и санитарно-гигиенических средств с антибактериальной активностью без побочных эффектов для человека и животных.

Основные положения, выносимые на защиту

Технология полученная водных микросуспензий и микроаэрозолей на основе смолы сосны и прополиса.

Экспресс - метод определения концентрации смолоподобных веществ в водных суспензиях.

Результаты лабораторных и производственных испытаний дисперсных форм антимикробных препаратов на основе смолы сосны и прополиса.

Технология концентрирования поверхностно-активных составляющих раствора, полученных трансформацией ультразвуком поверхностных слоев водной среды в аэрозоль и оценка их свойств.

Экспресс - метод оценки распределения плотности энергии в высокочастотном ультразвуковом поле.

Апробация работы. Результаты исследований представлены на: научных конференциях студентов и молодых ученых МГУИЭ, Москва, 2008; 2009; 2010; 2011; на выставках РУСНАНОЭКСПО, Москва, 2008; 2009; V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 2009; совместной конференции Совета РАН по акустике и XXII сессии РАО, Москва, 2010; совместной конференции Совета РАН по акустике и XXIV сессии РАО, Саратов, 2011, 12-м Международном форуме «Высокие технологии XXI века - ВТ ХХ1-2011», 2011.

Публикации. Материалы диссертации представлены в 17 публикациях: из них в 5 журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, в 4 действующих патентах РФ, в 8 материалах и тезисах научных конференций.

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 137 страницах, содержит 23 таблицы и 33 рисунка. Список литературы включает 137 ссылок на отечественные и зарубежные публикации.

Приложения содержат акты и другие документы, подтверждающие практическое использование полученных результатов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исходным материалом служила смола сосны, полученная по технологии экстрагирования из древесных опилок, А.Ю. Ступиным (2010). Объектом исследований являлись - водная суспензия сосновой смолы, суспендированный в воде прополис и их ультразвуковые (УЗ) аэрозоли. Для сравнения использовали аэрозоли водных эмульсий эфирных масел (ЭМ): монарды, можжевельника, сосны, иссопа лекарственного, пихты, шалфея, чайного дерева, кориандра, базилика, эвкалипта.

. В исследованиях использовали стандартные и новые методы, специально разработанные для решения поставленных задач.

2.1. Новые специально разработанные или адаптированные для решения поставленных задач методы.

2.1.1. Водные суспензии на основе смолы сосны и прополиса получали по разработанному ранее в ОАО «ГосНИИсинтезбелок», и адаптированному для суспендирован™ смолоподобных веществ (рис. 1), методу переработки тугоплавких жиров и отработанных ГСМ с целью их микробиологической утилизации

(В. Б.Акопян, А.А. Рухман и др., 2007).

2.1.2. Концентрацию смолоподобных веществ в суспензии измеряли по методу титрования водой спиртового раствора смолоподобного вещества до его помутнения по калибровочной кривой («Способ оценки концентрации смолоподобных веществ», заявка на изобретение 2011113702/05 (020344) от 19.07.2011; Бамбура М.В. и др.).

2.1.3. Оценку распределения плотности энергии в ультразвуковом поле осуществляли за счет применения специальной индикаторной бумаги (рис. 6) («Способ оценки распределения энергии в ультразвуковом поле», Патент РФ

№ 2386111, Бамбура М.В. и др.).

2.1.4. Оценку изменений свойств водных сред при их трансформации в аэрозоли проводили методом конденсирования с последующим сравнением концентраций компонентов в исходной среде и в конденсате («Способ выделения поверхностно активной компоненты из жидкой гетерогенной среды», Патент РФ № 2393903, Бамбура М.В., Ступин А.Ю. и др.). Полученные данные легли в основу разработки нового метода концентрирования поверхностно активных веществ.

2.2. Стандартные методы исследования и устройства для их реализации.

2.2.1. Ультразвуковые генераторы аэрозолей. В работе использованы УЗ генераторы аэрозолей «Альбедо», «Вулкан», «Ореол», работающие на частотах 2,64 МГц, в которых УЗ сфокусирован из глубины жидкости к ее поверхности.

, 6

2.2.2. Пьезокерамнческий излучатель УЗ. Для получения акустического поля низкочастотного ультразвука с высокой плотностью энергии использовали пьезокерамнческий излучатель УЗ, питаемый от генератора УЗ - УЗПЗ 01/22.

2.3. Для исследования изменений свойств веществ использовали стандартные рефрактометрические (ИРФ-454Б), хроматографические (Кристалл 2000М), сталагмометрические, спекггрофотометрические методы (двулучевой УФ спектрофотометр-Specord М40).

2.4. Для определения степени контаминации и антимикробного действия суспензий сосновой смолы, прополиса и эфирных масел на анализируемые поверхности применялись классические микробиологические методы (ГОСТ.ССБТ. 12.1.005-88, ГОСТ 17.1.5.01-80), в частности, метод выделения отдельных штаммов, установка чувствительности выделенных микроорганизмов к антимикробным препаратам - водным суспензиям смолы сосны и прополиса, а также метод распыления биологически-активных веществ в течение определенного времени на поверхность чашек Петри с помощью ультразвукового распылителя.

2.5. Статистическая обработка результатов. Анализ и статистическую обработку полученных данных проводили по методу (Г.Ф. Лакин, 1990) и с использованием программы «Microsoft Excel», входящей в пакет программ «Microsoft Office, 2007».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Одним из возможных путей практического применения натуральных биологически активных веществ - смолы сосны и прополиса, является их ультразвуковая трансформация в водные суспензии с микронными размерами частиц. Наиболее эффективным способом воздействия полученных суспензий смолоподобных веществ на обширные поверхности является обработка их аэрозолями.

Преимущество аэрозольного обеззараживания поверхностей заключается в том, что аэрозоль распространяется на всё помещение, в котором происходит обработка и с равномерным покрытием всей поверхности. Аэрозольные частицы при этом проникают в труднодоступные места.

3.1. Разработка технологии получения водных микросуспензий на основе сосновой смолы и прополиса.

Технология получения водных микросуспензий разработана на основе метода получения эмульсии тугоплавких жиров и отработанных смазочных материалов (ГСМ) с целью их микробиологической утилизации, которая адаптирована нами для суспендирования смолоподобных веществ.

Существующие конструкции для эмульгирования, в том числе и УЗ, требуют значительных затрат времени. Преимуществом предложенного УЗ дезинтегратора, сочетающего нагревание до температур разжижения и ультразвуковое воздействие, является получение устойчивой суспензии в течение 30 секунд. Причем, хранится такая суспензия длительное время (до 3-х - 5-ти месяцев) без снижения ее антимикробной активности.

Ишучатсль ультразвука

Ршочд» зова с температурой l'i

Эмульгируемое вещество , Вуфершн «на с температурой Ti

Направление потоков жидкост и

Канал подачи тмулмтфуемого млн суспендируемого вещества

Т,>Тг

Рис.1 Схематическое изображение реактора для эмульгирования (суспендирования) тугоплавких веществ.

Смолоподобные вещества

помещают в специально сконструированный УЗ реактор, с условно выделенным объемом (рис. 1). Под действием низкочастотного ультразвука, обеспечивающего в рабочей зоне плотность энергии, ~10 Вт/м3, достаточную для разогрева и плавления

поверхностного слоя

смолоподобного вещества, вещество нагревается, эмульгируется и акустическими течениями уносится

в зону с низкой температурой, где превращается в стабильную суспензию, с размерами частиц - 0,87±0,02 мкм.

3.2. Концентрацию смолоподобного вещества в водной суспензии определяли титрованием этиловым спиртом. При добавлении к водным суспензиям определенного количества этилового спирта, раствор суспендированного в воде вещества (микрочастицы суспензии), становился прозрачным. Концентрацию суспензии определяли по градуировочной кривой титрования.

3.3. Изучение антимикробных свойств дисперсных форм смолы сосны и прополиса.

Воздействие аэрозолей суспензии смолы сосны на микроорганизмы Aeromonas spp., Moraxella spp, Nitrobacter spp., Bacillus spp, выделенные из поверхностных слоев рыбоводных бассейнов Дмитровского водохранилища, оценивались визуально (таблица 1).

В сравнительных исследованиях наряду с водной суспензией смолы сосны использовали водную суспензию прополиса, полученную аналогичным образом и .эмульсии некоторых эфирных масел (ЭМ) в воде, которые также распылялись стандартным ультразвуковым генератором аэрозолей.

Таблица 1. Сравнительная характеристика антимикробного действия эфирных масел, а также водных суспензий смолы сосны и прополиса в равных концентрациях на микроорганизмы, выделенные из поверхностных слоев воды рыбоводных бассейнов

Эмульсии эфирных масел и водные суспензии прополиса и смолы Микроорганизмы, выделенные из поверхностных слоев воды рыбоводных бассейнов

МогахеНа ШгоЬайег Аеготопаз эр. ВасШиз $р.

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 * ** *** **

Васй - коте 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.

***** . *** ** *

Результаты исследований позволили заключить, что кратковременная экспозиция чашек Петри с питательной средой, содержащей культуры 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 исследованных микроорганизмов, обитающих в рыбоводных бассейнах.

Определение минимальной действующей концентрации показало, что для каждого микроорганизма существует свой порог чувствительности к данному веществу (таблица 2).

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.

Таблица 2. Минимальная действующая концентрация водной суспензии смолы

сосны, прополиса, эмульсии ЭМсосны

Teer KyjitTypa Исследуемое вещество Минимальная действующая концентрация, мл/м2

Moraxella spp. Nitrobacter spp. Bacillus spp. Aeromonas spp. Водная суспензия сосновой смолы 0,05 ± 0,002 0,02 ±0,001 0,02 ±0,001 0,03 ±0,001

Moraxella spp. Nitrobacter spp. Bacillus spp. Aeromonas spp. Водная суспензия прополиса 0,02± 0,002 0,03± 0,002 0,01± 0,001 0,04 ±0,002

Moraxella spp. Nitrobacter spp. Bacillus spp. Aeromonas spp. Эмульсия ЭМ сосны 0,08 ±0,005 0,1 ± 0,001 0,04 ± 0,002 0,08 ± 0,005

В результате испытаний, проведенных с водными суспензиями смолы сосны, прополиса, эмульсиями эфирных масел монарды и сосны, оказывающими влияние на микроорганизмы Candida albicans, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, предварительно выделенные из воздуха лабораторных помещений, получены следующие результаты (таблица 3).

Таблица 3. Влияние водных суспензий смолы сосны, прополиса, эмульсий эфирных

масел монарды и сосны, на микрофлору ______воздуха в помещениях

Испытуемые образцы Диаметр зон задержки роста (в мм) тест - штаммов микроорганизмов

Сап(Н<1а а1Ысаш Мкгососсия Ыеия ВасШиз «иЫНв

Водная суспензия сосновой смолы и прополиса 2,5 ±0,2 3,2 ±0,5 5 ±0,5

Эмульсия ЭМ сосны 3 ±0,2 2,8 ±0,2 5 ±0,5

Эмульсия ЭМ монарды 2 ±0,2 4 ±0,5 4 ±0,5

Контроль 0 0 0

Результаты, приведенные в таблице, подтвердили антимикробное действие исследуемых суспензий и эмульсий в воздушной среде.

Полученные экспериментальные данные показали, что механизм антимикробного действия суспензии смолы сосны обусловлен растворимыми в воде компонентами, к которым относятся фенольные и терпеновые соединения, а также незначительное количество смоляных кислот.

Эффект обработки суспензией смолы сосны в течение времени в воздушной среде подчинялся следующей зависимости: непосредственно после обработки численность микроорганизмов уменьшалась в 2 раза, спустя 3 часа после воздействия - в 2,5 раза. Эффект сохранялся в течение 6 - 48 часов после обработки, но через 48 часов уровень контаминации начинал восстанавливаться и достигал исходных значений через 3-5 суток (рис.2), что говорит о необходимости повторной обработки через 2 суток.

350

Ч

300

250

с 200

150

100

10

20

30

40

50

60

70

-обработка водной суспензией смолы сосны

— - —исходный уровень контаминации в помещении —*— обработка ЭМ монарды

80 90 100 Время, часы

Рис.2 Изменение уровня контаминации воздуха в лабораторных помещениях до и после обработки аэрозолями водной суспензии смолы сосны и ЭМ монарды.

Для оценки количества аэрозоля, распыленного на единицу поверхности, учитывали, что минимальная бактерицидная доза суспензии, трансформируемой в аэрозоль, составляла 10 мл/м3 объема, 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 в единице объема, составило 0,025 г/м3; 0,02 г/м3; 0,08 г/м3 соответственно.

Технологическая линия получения и применения антимикробного препарата на основе смолы сосны представляет собой аппаратурный комплекс, изображенный на рис.3

Тудая

- 1 -► суспензия смолы сосны;

_ 2_^ вода водопроводная;

--1 -► воздух;

4-готовый продукт - охлажденная водная суспензия смолы сосны;

Теплообменник - подогреватель; Холодильник;

Исходный продукт - экстракционная смола сосны-

X

■ 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. 3 - Технологическая линия получения дисперсной формы антимикробного препарата.

Совместно с МГУ им. М.В. Ломоносова было изучено влияние аэрозолей суспензии сосновой смолы на клинические штаммы Staphylococcus aureus> Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruoginosa и отмечен заметный бактериостатический эффект в пределах концентраций 10 г смолы сосны/л воды в суспензии. В тех же концентрациях, суспензии экстракционной смолы сосны и прополиса снижают в среднем в 2,5 раза уровень контаминации воздуха плесневыми грибами Aspergilus niger.

Согласно полученным 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.

3.4. Оценка и исследование изменений свойств водных растворов смолоподобных веществ при их ультразвуковой трансформации в аэрозоль. Прежде чем использовать аэрозоли водных суспензий смолы сосны и прополиса на практике, было исследовано, как процесс трансформации в аэрозоль влияет на суспензионную среду (воду) и свойства водной суспензии смолы сосны и прополиса.

3.4.1. Определение размеров частиц аэрозоля. В качестве источника ультразвука для исследований в работе использовался фокусирующий пьезокерамический излучатель с частотой ультразвука - 2,64 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 100-200 нанометров.

3.4.2. Химические реакции в воде под действием ультразвука. 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 Н202, HN02, HNO3 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 высокой химической активностью, что затрудняет их обнаружение в сложных растворах или суспензиях. 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 N02 , N03+ и перекиси водорода по спектрам поглощения в области 200 - 250 им. Концентрацию перекиси водорода Н202, образовавшегося в процессе кавитации в кювете с распыляемой жидкостью и в конденсате, дополнительно определяли йодометрическим методом (Маргулис М.А., Акопян В.Б., 1978).

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 Н202 и от 15 до 20 мг/л ионов азотной и азотистой кислот суммарно (Таблица 4).

Таблица 4. Содержание перекиси водорода, азотной и азотистых кислот в

Исследуемые вещества Исходная жидкость до распыления Исходная жидкость после процесса распыления Сконденсированная жидкость

N<V, мг/л не обнаружено 1,0 ±0,05 8,0 ±0,1

ГЧОз+, мг/л не обнаружено 2,0 ±0,07 6,0 ±0,1

HjOj, % не обнаружено 0,002 0,01

Анализ результатов, приведенных в таблице 4, показал, что при таких малых

концентрациях, влиянием этих компонентов на свойства веществ, содержащихся в

распыленном растворе, можно пренебречь, т.к. они весьма активны и при

распылении растворов быстро связываются с составляющими растворов или

взвешенными частицами лишь усиливая антимикробные свойства распыляемого

вещества, однако в лечебной практике следует учитывать наличие в ультразвуковых

водных аэрозолях нитратов, нитритов и незначительного количества перекиси водорода.

3.4.3. Концентрирование веществ в конденсате. Поверхность воды и водных растворов обогащается поверхностно-активными компонентами раствора за счет поверхностной сорбции. Это 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.

Суспензии смолоподобных веществ представляют собой сложные физико-химические системы, проследить изменения в которых не всегда представляется возможным. В качестве модельных жидкостей нами использованы простые объекты - воду, водные растворы этилового, а также бутилового спирта, физиологический

раствор (0,9% раствор ЫаС1), растворы ЫаС1 других концентраций. Аэрозоль, уносимый током воздуха, улавливали в аппарате с охлаждаемым жидкостным затвором, образованным из конденсата того же аэрозоля (рис. 4).

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 поддержания уровня жидкости и подачи воздуха

К

вакуумному насосу

Рис 4. 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.

Результаты оценки эффективности метода аэрозольного концентрирования модельных растворов этилового и бутилового спиртов от их начальной концентрации приведены на рис. 5

Как следует из полученных зависимостей, установлен 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.

Концентрация рас творя, %

Коиненграом, %

(а) (б)

Рис. 5. Аэрозольное концентрирование этилового спирта (а), бутилового спирта (б) от их исходной концентрации. Температура исходного раствора Т=20"С.

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 - №С1, повышающих поверхностное натяжение воды. Установлено, что экспериментальный результат хорошо согласуется с теорией, когда используются низкие (не > 2-3%) концентрации МаС1. Более высокие концентрации соли изменяют физико-химические свойства среды и, в частности, условия возникновения кавитации. Эффект концентрирования при «высаливании» возростает в 1,5 раза.

Повышение эффекта разделения достигается за счет введения 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-

,16

активного вещества и снижением поверхностной активности раствора (с1в/с1С) по

мере роста его концентрации.

Таблица 5. Результаты определения коэффициента концентрирования раствора СК01/Сиас этанола и бутанола в поле пузырьков газа, возникающих при электролизе

Растворенное Концентрация Скон/Сисх СкоН^Сисх

вещество исходного при

раствора, % (контроль) электролизе

2 2,1 4,5

3 1,7 3,8

Этанол 5 1,4 2,9

7 1,3 2,14

10 1,2 1,7

0,5 3,2 5,75

1,0 2,4 3,6

Бутанол 1,5 1,8 2,9

2,0 1,6 1,85

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 -5*1012 частиц аэрозоля размером 6-10 мкм, с поверхностью каждой частицы 11,3*10"пм2. Общая поверхность всех, образовавшихся из кг воды частиц, достигает 600 м2. Затраченная энергия, необходимая для образования новой поверхности при разделении жидкости на капли радиусом 6 мкм (распыление 1 л жидкости), равна 41 кДж. Чтобы испарить 1л вода при температуре 20 градусов по Цельсию нужно затратить энергию 2400 кДж.

Полученные данные могут быть полезны при разработке новых методов концентрирования, в частности, для выделения и удаления отдельных метаболитов из культуральной жидкости при брожении в биотехнологических процессах.

3.4.4. Определение и контроль энергетических параметров ультразвукового поля. Получать качественную картину распределения плотностей энергии в ультразвуковом поле молено располагая полоски специально разработанной индикаторной бумаги в любой проекции по отношению к направлению распространения ультразвука. Многослойная конструкция (рис.6) меняет цвет в зависимости от скорости пропитки, в свою очередь, зависящие' от интенсивности ультразвука.

Усредненное значение плотности энергии в ультразвуковом поле оценивали тензометрически. Это дополнительное давление зависит от мощности излучения и коэффициента поглощения ультразвука, который для разбавленных водных растворов можно считать практически одинаковым. Для измерения

гидродинамического давления использовали весы. Установлено, что показания устройства практически не зависят от формы реакционного сосуда и угла, в пределах ±45° между направлением распространения ультразвука и нормалью к плоскости преграды, давление на которую измеряют.

Рис.6. Распределение плотности энергии па трех разных уровнях (расстояниях) от излучателя ультразвука при его фокусировании.

3.5. Очистка внутренних поверхностей бассейнов. Для очистки стенок бассейна без прекращения его эксплуатации разработано устройство, содержащее экранированный ультразвуковой излучатель и систему эвакуации воды, с частицами смытой с внутренних поверхностей рыбоводных и других бассейнов грязи. Устройство представляет собой ультразвуковой излучатель (1), экранированный кожухом (6), с опорными роликами (5), обеспечивающими подвижность ячейки и постоянный зазор между краем кожуха 6 и стенкой бассейна (4). систему эвакуации воды с частицами смытой с внутренних поверхностей рыбоводных и плавательных бассейнов грязи через штуцеры (2), ее очистки, например, с помощью самоочищающегося ультразвукового фильтра подавляющего рост и развитее микроорганизмов, за счет покрытия фильтрующего элемента лаком смолы сосны или прополиса, и возврата воды в бассейн без прекращения процесса его эксплуатации. Модуль можно передвигать по периметру бассейна с применением специальных автоматизированных транспортных устройств для последовательной очистки всей его боковой поверхности по установленной программе с помощью современных средств автоматики.

Использование ультразвуковых модулей в процессе эксплуатации бассейнов способствует снижению обсемененности воды и стенок бассейна, вероятности инфицирования биообъектов в бассейне, увеличению срока пригодности воды, снижению затрат на периодические перерывы в эксплуатации бассейнов для их санитарной обработки. Введение в фильтрующий поток суспензии смолы сосны обеспечивает снижение микробной обсемененности воды в бассейне.

Рис 7. Ультразвуковой модуль санитарной обработки стенок бассейна, а- Вид сверху по разрезу О—О, Ь- вид сбоку: 1. излучатель ультразвука, 2- штуцеры эвакуации воды с отмытой грязью из под кожуха, 4 - очищаемая поверхность 5 - ролики, обеспечивающие свободу передвижения и постоянный зазор между краем кожуха и очищаемой поверхностью, 6 - кожух устройства, 7- направляющий рельс вдоль для края бассейна, 8- подвижная консоль.

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения водных суспензий на основе смолы сосны и прополиса с размерами частиц 0,87±0,02 мкм методом ультразвукового дезинтегрирования с частотой УЗ 22 кГц. Полученные из суспензий аэрозоли проявляют высокую антимикробную активность при концентрацией действующего вещества более 2,5 г/литр.

2. Разработан экспресс - метод оценки концентрации смол и смолоподобных веществ в водных суспензиях, основанный на определении изменения их светорассеяния при титровании.

3. Показано, что механизм антимикробного действия суспензий и аэрозолей смолы сосны и прополиса обусловлен растворенными под действием ультразвука компонентами смолоподобных веществ. Суспензия частиц смолы, осажденных центрифугированием и ресуспендированных в воде без применения ультразвука не обладает антимикробным действием.

4. Установлена антимикробная эффективность применения аэрозолей водных микросуспензий смолы сосны и прополиса, полученных ультразвуковым распылением.

5. Установлено, что трансформация обогащенного поверхностно-активной компонентой поверхностного слоя лсидкости в аэрозоль позволяет концентрировать в 2-5 раз поверхностно активные составляющие раствора,

что составляет основу для разработки нового метода концентрирования поверхностно-активных веществ.

6. Разработан экспресс-метод оценки распределения плотности энергии в ультразвуковом поле, основанный на интенсификации ультразвуком пропитки и окрашивания специально созданной индикаторной бумаги.

7. Показано снижение микробной контаминации стенок рыбоводных бассейнов на предприятиях по разведению и выращиванию рыб с применением разработанного ультразвукового приспособления для очистки стенок водных бассейнов.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Разработана н предложена технологическая производственная схема трансформации смолоподобных веществ в водные суспензии и применения смолы сосны, включенная во внутренний служебный лабораторный регламент ЛР-01-2010 на «Маломасштабное производство смолы сосны и препарата из смолы сосны для деконгаминации промышленных поверхностей и воздуха» «Смола сосновая пропиленгликолевая экстрактивная», утвержденный заместителем директора по науке ОАО «ГосНИИсинтезбелок» Е.Р. Давидовым 24.03.2010 г. Предложена возможность применения препарата «Смола сосновая пропиленгликолевая экстрактивная» подтверждена санитарно-эпидемиологическим заключением №77.01.12.915. П.011097.02.10, выданным Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (26.02.2010 г.).

Разработаные методы получения и применения суспензии я аэрозоли смолы сосны испытаны в НП «Межрегиональный общественный институт зашиты биоресурсов» (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 рекомендованы для очистки стен рыбоводных бассейнов в процессе их эксплуатации и снижения обсемененности помещений рыбоводных хозяйств, и других закрытых помещений.

Получены научные данные по изменению свойств растворов поверхностно активных веществ при их трансформации в аэрозоли и предложены в качестве основы для разработки новых энергосберегающих методов концентрирования.

Предложен экспресс - метод оценки распределения плотности энергии в ультразвуковом поле, основанный на интенсификации пропитки и окрашивания индикаторной бумаги созданной для реализации данного метода.

Показана сравнительная характеристика основных экономических показателей предложенной и существующей аналогичной методики деконтаминации помещений ультразвуковым распылением эфирных масел, и установлено что экономический

эффект от предложенной технологии для рыбоводного завода мощностью 50 т/год составит не менее 825 тыс. рублей/год.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Бамбура М.В., Акопян В .Б., Соколова Ю.В. Распылительный способ получения наночастиц. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009, №2, с 13.

2. 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.

3. 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.

4. Бамбура М.В. и др. Аэрозоль экстракционной смолы сосновой древесины / М.В. Бамбура, В.Р. Браславец, A.B. Призенко, А.Ю. Ступин // Вестник НГАУ. - 2010. № 4. - С. 32 -39.

5. Бамбура М.В., Акопян В.Б.. Аэрозоль смолы сосновой древесины // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010, №4, с 29.

Патенты

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 оценки распределения энергии в ультразвуковом поле / В .Б. Акопян, М.В. Бамбура, Н.Е. Биняев, Б.И. Леонов, A.A. Рухман // Патент РФ №2386111. Опубликовано 10.04.2010, бюллетень №10.

3. Бамбура М.В. и др. Устройство для очистки внутренних поверхностей бассейнов / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, В.Р. Браславец, В. К. Призенко, A.B. Призенко, A.A. Рухман // Патент РФ № 96156. Опубликовано 27.08.2010, бюллетень №24.

4. Бамбура M.B. и др. Устройство для измерения мощности ультразвукового излучения. / Акопян В.Б., Бамбура М.В., Рухман A.A., Рухман Е.П., Ступин А.Ю., Чубатова О.Ю., Коновалова Л.Г., Коновалов Д.В., Нонгайяр Бертран // Патент РФ № 2421694. Бюллетень ФИПС 2011, №17.

Материалы и тезисы научных конференций

1. 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)

2. Бамбура М.В., Соколова Ю.В. Ультразвуковой метод выделения отдельных компонентов из раствора. // Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, Апрель, 2008. С. 37-38

3.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]

4. Бамбура М.В. и др. Ультразвук в формировании водных суспензий тугоплавких биологически акгавных веществ / В.Б. Акопян, М.В. Бамбура, A.A. 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.

5. Бамбура М.В., Овешников И.Н., Пашинин А.Е., Ступин А.Ю., Чубатова О.И. Древесная смола - ценный отход основного производства // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы пятого Московского международного конгресса. -М., 2009.-4.2.-С. 248.

6. Бамбура М.В., Авдошина Е.И. Исследование бактерицидных свойств суспензий смолоподобных веществ. // Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, Апрель, 2011. С. 162

7. Бамбура М.В., Пашинин А.Е., Алдошина Е.И. Метод оценки концентрации смолоподобных веществ в водных суспензиях. // Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, Апрель, 2011.С.48-50

8. Бамбура М.В., Пашинин А.Е. Способ оценки концентрации смолоподобных веществ. // Материалы 12-го Международного форума «Высокие технологии XXI века - ВТ XXI-2011», Экспоцентр, Апрель, 2011. - С. 363 - 366

Бамбура Мария Владимировна

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ФОРМ АНТИМИКРОБНЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ СМОЛЫ СОСНЫ И ПРОПОЛИСА

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Подписано в печать 26.10.2011 Формат 60x84 '/iS. Объем 1,5 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 187

109029, Москва, Ср. Каиггниковская ул., д. 30 E-mail:9115803@rambler.ru Печать авторефератов тел. 911-58-03

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Бамбура, Мария Владимировна

Введение.

1. Обзор литературы.

2. Материалы и методы.

2.1. Материалы.

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Стандартные методы исследования.

2.2.2. Специальные методы исследования.

3. Результаты экспериментов и обсуждения.

3.1. Изучение влияния суспензий смолы сосны и прополиса на микробную контаминацию сред.

3.2. Механизм антимикробного действия водных суспензий смолоподобных веществ.

3.3. Оценка и исследование изменений свойств водных растворов смолоподобных веществ при ультразвуковой трансформируемые в аэрозоль.

3.3.1. Влияние ультразвука на размеры частиц.

3.3.2. Химические реакции в воде под действием ультразвука.

3.3.3. Концентрирование веществ в конденсате при трансформации в аэрозоль.

3.4. Экономический расчет производства препарата - суспензии экстракционной смолы сосны.

4. Выводы.

Практические предложения.

Список используемой литературы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Получение и применение дисперсных форм антимикробных препаратов на основе смолы сосны и прополиса"

Актуальность работы

Экологические проблемы постоянно требуют повышенного внимания, поэтому поиски решения любой из них, а тем более комплекса этих проблем, всегда актуальны.

Одним из примеров такого комплексного решения может быть разработка методов получения и использования смолы сосны, являющейся отходом производства технического сахара при ферментативном гидролизе древесины.

Защитные и лечебно-профилактические свойства смолы» сосны широко известны. Ее издавна используют для пропитки канатов,- корпусов деревянных судов, рыболовных снастей и строительных конструкций с целью предотвращения их гниения; в качестве антисептического, ароматического и лечебно-профилактического компонента мыла, шампуней, лейкопластырей, а также медицинских препаратов против аллергической сыпи.

Для ферментативного гидролиза смолу из древесины удаляют, поскольку смола снижает активность целлюлолитических ферментов. На сегодняшний день наиболее эффективным способом удаления смолы из древесины является ультразвуковая экстракция (Акопян В.Б. и др. 2009,. Ступин А.Ю., 2010). Смола сосны, полученная методом ультразвуковой экстракции, отличается повышенной биологической активностью (Birol Ozkalp, Mehmet Musa Ozkan 2009, 2010), так как не подвергается в процессе выделения действию высоких температур и содержит эфирное масло, обладающее бактерицидными свойствами. По качеству смола сосны превосходит аналогичные препараты, и расширение сферы ее использования обеспечивает организацию безотходного производства.

Непосредственное применение смолы сосны и других смолоподобных природных соединений, в медицине и парфюмерии, имеет ограничения из-за их высокой вязкости и низкой растворимости в воде. А растворы этих веществ в органических растворителях в ряде случаев противопоказаны для применения, как в медицине, так и в парфюмерии или в товарах бытового назначения.

Другой экологической проблемой является борьба с повышенной контаминацией воздуха в помещениях промышленных объектов, в том числе в рыбоводных бассейнах, где наличие влаги, тепла и питательных веществ создают все предпосылки для развития-патогенной микрофлоры. В настоящее время- в- качестве эффективных профилактических антимикробных средств, направленных на инактивацию микроорганизмов в воде и воздухе промышленных объектов используют множество различных методов и препаратов. Однако, все они имеют свои преимущества и существенные недостатки. Поэтому, создание и применение- экологически безопасных препаратов, практически не оказывающих при этом негативных воздействий на организм человекам животных, являетсяодним из-возможных решений проблемы борьбы с повышенной оконтаминацией промышленных объектов. Сегодня все больше внимания исследователей привлекают препараты на основе растительного и животного сырья (таких как смола сосны, прополис и эфирные масла), которые давно и успешно используются в качестве бактерицидных средств, не1 обладают отрицательным действием на организм человека и животного и обеспечивают длительный, устойчивый эффект.

В связи с повышенным интересом к прополису, как к перспективному фармацевтическому сырью, были проведены исследования, направленные на изучении его антимикробных свойств и химического состава, подтвердившие безвредность вещества вырабатываемого пчелами для организма животных и человека [Кивалкина В.П., 1969]

Эфирные масла обладают антисептической активностью, обусловленной их антимикробным, антигрибковым и антивирусным действиями. Это связано с наличием в маслах особых биологически активных веществ, относящихся к фитонцидам. Именно они убивают бактерии, грибки, вирусы, либо задерживают их рост и развитие.

Разработка препаратов на основе экстракционной смолы сосны и прополиса, технология получения и изучение их антимикробных свойств, является актуальной задачей. Ее решение позволит снизить микробную обсемененности промышленных помещений, рыбоводных бассейнов, улучшить условия трудапроизводственного персонала и разрешить проблему эффективного использования смолы сосны, как отхода производства.

Цель работы:

Разработка технологии получения и эффективного использования, дисперсных форм антимикробных- препаратов на основе смолы сосны и прополиса

Основные задачи исследования:

- Разработать технологию получения» водных- микросуспензий и микроаэрозолей'на основе смолы сосны и прополиса.

Разработать экспресс — метод определения концентрации смолоподобных веществ в водных суспензиях.

- Изучить механизм действия и оценить антимикробные свойства дисперсных форм смолоподобных веществ.

- Испытать полученные аэрозоли смолы сосны и прополиса в производственных условиях для деконтаминации промышленных объектов.

- Оценить свойства водных растворов смолоподобных веществ при их ультразвуковом распылении.

Научная новизна.

Разработана технология получения микросуспензий и микроаэрозолей на основе смолы сосны и прополиса. Показано, что микросуспензии и микроаэрозоли природных смолоподобных веществ обладают высокой антимикробной активностью.

Предложен экспресс - метод определения концентрации смолоподобных веществ в водных суспензиях («Способ оценки концентрации смолоподобных веществ в суспензии», заявка на изобретение 2011113702/05 (020344) от 19.07.2011).

Изучен механизм антимикробного действия суспензий смолы сосны и прополиса, полученных ультразвуковым дезинтегрированием.

Разработан новый метод концентрирования за счет трансформации ультразвуком'поверхностных слоев водной среды в аэрозоль, основанный на: эффекте превышения концентрации поверхностно активного» вещества? в. конденсате аэрозоля над его концентрацией в исходном растворе («Способ выделения поверхностно активной компоненты из жидкой гетерогенной среды», Патент РФ № 2393903, Опубликовано 10.07.2010, Бюллетень №19):

Разработан способ экспресс - оценки распределения плотности энергии в высокочастотном ультразвуковом поле («Способ оценки распределения энергии в ультразвуковом поле», Патент РФ № 2386111, Опубликовано 10.04.2010, Бюллетень №10).

Практическая значимость работы.

На основе проведенных исследований разработаны и предложены:

- устройство для очистки внутренних поверхностей бассейнов, позволяющее осуществлять их санитарную обработку в процессе эксплуатации, снижать микробную контаминацию за счет действия ультразвука и покрытия смолой сосны фильтрующих элементов («Устройство для очистки внутренних поверхностей бассейнов», Патент №96156, Опубликовано 27.08.2010. Бюллетень №24);

- препарат на основе экстракционной смолы сосны, трансформированной в аэрозоли, апробирован в производственных условиях для снижения микробной контаминации 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/8908от 09.12.2008).

- Лабораторный»- регламент ЛР-01-2010 на «Маломасштабное производство смолы сосны и препарата из смолы сосны для деконтаминации промышленных поверхностей и воздуха».

Микросуспензии и- микроаэрозоли экстракционной смолы сосны и. прополиса перспективны, для изготовления лечебных, профилактических, косметических и санитарно-гигиенических средств с антибактериальной активностью без побочных эффектов для человека и животных.

Основные положения, выносимые на защиту:

Технология полученная водных микросуспензий и микроаэрозолей :на основе смолы сосны и прополиса.

Экспресс — метод определения концентрации смолоподобных веществ в водных суспензиях.

Результаты лабораторных и производственных испытаний дисперсных форм антимикробных препаратов на основе смолы сосны и прополиса.

Технология концентрирования поверхностно-активных составляющих раствора, полученных трансформацией ультразвуком поверхностных слоев водной среды в аэрозоль и оценка их свойств.

Экспресс — метод оценки распределения плотности энергии в высокочастотном ультразвуковом поле.

Апробация работы.

Результаты исследований представлены на: научных конференциях студентов и молодых ученых МГУИЭ, Москва, 2008; 2009; 2010; 2011; на выставках РУСНАНОЭКСПО, Москва, 2008; 2009; V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 2009; совместной конференции Совета РАН по акустике и XXII сессии РАО, Москва, 2010; совместной конференции Совета РАН по акустике и XXIV сессии РАО, Саратов, 2011, 12-м Международном форуме «Высокие технологии XXI века - ВТ ХХ1-2011», 2011.

Публикации.

Материалы диссертации представлены в 17 публикациях: из них в 5 журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, в 4 действующих патентах РФ, в 8 материалах и тезисах научных конференций.

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 141 странице, содержит 23 таблицы и 33 рисунка. Список литературы включает 137 ссылок на отечественные и зарубежные публикации.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)", Бамбура, Мария Владимировна

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения водных суспензий на основе смолы сосны и прополиса с размерами частиц 0,87±0,02 мкм методом ультразвукового дезинтегрирования с частотой УЗ 22 кГц. Полученные из суспензий аэрозоли проявляют высокую антимикробную.активность при концентрацией действующего вещества более 2,5 г/литр.

2. Разработан экспресс — метод оценки концентрации смол и смолоподобных веществ в водных суспензиях, основанный на определении изменения их светорассеяния при титровании.

3. Показано, что механизм антимикробного действия суспензий и аэрозолей смолы сосны и прополиса обусловлен растворенными под действием ультразвука компонентами смолоподобных веществ. Суспензия частиц смолы, осажденных центрифугированием и ресуспендированных в воде без применения ультразвука не обладает антимикробным действием.

4. Установлена антимикробная эффективность применения аэрозолей водных микросуспензий смолы сосны и прополиса, полученных ультразвуковым распылением.

5. Установлено, что трансформация обогащенного поверхностно-активной компонентой поверхностного слоя жидкости в аэрозоль позволяет концентрировать в 2-5 раз поверхностно активные составляющие раствора, что составляет основу для разработки нового метода концентрирования поверхностно-активных веществ.

6. Разработан экспресс-метод оценки распределения плотности энергии в ультразвуковом поле, основанный на интенсификации ультразвуком пропитки и окрашивания специально созданной индикаторной бумаги.

7. Показано снижение микробной контаминации стенок рыбоводных бассейнов на предприятиях по разведению и выращиванию рыб с применением разработанного ультразвукового очистки стенок водных бассейнов.

128 приспособления для

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Полученные результаты вошли в качестве одной из составляющих в разработанную и- предложенную совместно с А. Ю. Ступиным технологическую' схему производства, трансформации в суспензию и применения смолы сосны включенную во внутренний служебный^ лабораторный регламент на мелкомасштабное производство препарата «Смола сосновая пропиленгликолевая экстрактивная», утвержденный заместителем директора по науке ОАО «ГосНИИсинтезбелок» Е.Р. Давидовым 24 03. 2010 г. Возможность применения препарата «Смола сосновая пропиленгликолевая экстрактивная» подтверждена санитарно-эпидемиологическим заключением №77.01.12.915. П.011097.02.10, выданным Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (26.02.2010 г.).

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 очистки стен рыбоводных бассейнов в процессе их эксплуатации и снижения обсемененности помещений рыбоводных хозяйств, и других закрытых помещений. (Патент РФ на полезную модель № 96156, 2010)

Полученные результаты научных исследований изменения свойств растворов поверхностно активных веществ при их трансформации в аэрозоли предлагаются в качестве основы для разработки новых энергосберегающих методов концентрирования. (Патент РФ №2393903, 2010).

Для оценки распределения плотности энергии в ультразвуковом поле предлагается специально разработанный экспресс - метод, основанный на интенсификации пропитки и окрашивания индикаторной бумаги созданной для реализации данного метода. (Патент РФ № 2386111, 2010).

Сравнение основных экономических показателей предложенной и существующей аналогичной методики деконтаминации помещений ультразвуковым распылением эфирных масел показал, что экономический эффект от предложенной технологии для рыбоводного завода мощностью 50 т/год составит не менее 825 620,0 руб./год.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бамбура, Мария Владимировна, Щелково

1. Абрамзон A.A. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение. 2-е изд. — JL: Химия, 1981.- 303с.

2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей.- М.: Мир, 1979.- 568с.

3. Акопян. В.Б., Бамбура М.В., Давидов Е.Р., Чубатова О.И., Ступин А.Ю. Способ выделения поверхностно — активной компоненты из жидкой гетерогенной среды // Патент РФ № 2393903, 2008.

4. Акопян. В.Б., Бамбура М.В., Давидов Е.Р., Чубатова О.И., Ступин А.Ю. Изменения свойств водных растворов при их ультразвуковом распылении // Акустический журнал, 2009, 55, № 4-5.- С. 684^688.

5. Акопян. В.Б., Бамбура М.В., Давидов Е.Р., Чубатова О.И., Ступин А.Ю. Ультразвуковой метод сепарации поверхностно-активных веществ, адсорбированных на границе раздела1 жидкость-газ // Журнал физической химии, 2010, 84, № 3.- С. 493-497.

6. Акопян. В.Б., Богерук А.К., Браславец В.Р., Призенко В.К. Основы применения ультразвука в рыбном хозяйстве. М.: ФГНУ Росинформагротех,2009.- 92с.

7. Акопян В.Б., Давидов Е. Р., Овешников И.Н., Пашинин А.Е. Рухман A.A., Ступин Ю.А. Экстракция смолы из сосновых опилок // Биотехнология,2010, №2.- С. 65-69.

8. Акопян В.Б., Дубовой A.C., Способ определения формы ультразвукового поля при биологических исследованиях A.C. 918840, 1981.

9. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами (ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии). М.: РГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005.- 223с

10. Акопян В.Б., Рухман A.A., Кузнецова О.В., Давидов Е.Р., Мордвинова Е. Способ получения эмульсий и суспензий // Патент 2342188

11. Акопян В.Б., Бамбура М.В., Бирюков В .В., Соколова Ю.В., Ступин

12. А.Ю. Аэрозольный способ получения наночастиц // Материалы выставки РУСНАНОЭКСПО. -М.- 2008.

13. Бамбура М.В., Овешников И.Н., Пашинин А.Е., Ступин А.Ю., Чубатова О. И. Древесная смола — ценный отход переработки древесины // Тезисы V Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития. — М, т.2, 2009.- С. 248.

14. Акопян В.Б. , Бамбура М:В., Биняев Н.Е., Леонов Б.И., Рухман A.Ä. Способ оценки распределения энергии в ультразвуковом поле // Патент РФ № 2386111,2008.

15. Акопян В. Б., Бамбура М. В. Аэрозоль экстракционной смолы сосновой древесины // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2010, № 4.- С. 29

16. Акопян В. Б., Бамбура М.В., Браславец В.Р., Призенко В.К., Призенко A.B., Рухман A.A. Устройство для очистки внутренних поверхностей бассейнов // Патент РФ № 97156, 2010.

17. Бамбура М.В., Браславец В.Р. Ультразвуковая стимуляция роста и развития молоди рыбы // Сб. трудов Научной конференции «Сессии научного совета РАН по акустике и XXIV сессия РАО. т.2.- М.: ГЕОС, 2011.- С.117-119.

18. Бамбура М.В., Алдошина Е.И. Исследование бактерицидных свойств суспензий смолоподобных веществ. // Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, Апрель, 2011.

19. Бакулина H.A., Краева Э.Л. Микробиология. М.: Медицина, 1980.- 448с.

20. Бамбура М.В, Соколова Ю.А. Распылительный способ получения наночастиц // Химическое и нефтехимическое машиностроение; 2009, №2.-С.13.

21. Бамбура М.В., Браславец В.Р., Призенко A.B., Кропачев Г.В., Ступин А.Ю. Аэрозоль экстракционной смолы сосновой древесины // Вестник Новосибирского государственного университета, 2010, №3(15), С. 54 -60.

22. Бамбура М.В., Ступин А.Ю., Браславец В.Р., Призенко A.B. Аэрозоли сосновой' смолы, прополиса и эфирных масел в рыбоводческих хозяйствах. Рыбоводство. 2010, 5, с.28-35

23. Баранов Г.А., Беляев A.A., Земляной A.B., Смирнов С.А., Хухарев В.В. Активация клеток в кавитационном потоке // Журнал технической физики, 2007,11, С. 108-114.

24. Барсков A.A. Лекарственное растительное сырье. М.: изд. стандартов.-1988.-495с.

25. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике: Перевод с немецкого. 2 изд. М.: Мир, 1957.- 577 с.

26. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. М.: КолосС, 2004.- 296 с.

27. Бретшнайдер Б. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль: Пер. с англ. / Б. Бретшнайдер, И. Курфюст. Под ред. А.Ф. Туболкина. Л.: Химия, 1989.- 288 с.

28. Булатов М. И., Калинкин И. П. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа, изд. 3-е, исправ. и доп. Л.: Химия, 1976.- 219 с.

29. Вайсбергер А., Проскауэр Э, Риддик Дж., Туле Э. Органические растворители. Физические свойства и методы очистки. М.: ИЛ, 1958.- 518 с.

30. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975.- 512с.

31. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия, изд. 4 стереотипное. СПб.: Лань, 2008.- 336 с.

32. Глухов С.А., Эйделыптейн С.И. Техническое оснащение аэрозольтерапии. -М.: Медицина, 1974.- 152с.

33. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы, туманы / Под ред. H.A. Фукса. 2-е изд-е. - Л.: Химия, 1972.- 427 с.

34. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Мулер В.М. Поверхностные силы.- М.: Наука, 1985.- 400с.

35. Дитяткин Ю.Ф., Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И. Распыление жидкости. 2-е изд., доп. и перараб. М.: Машиностроение, 1977.- 207 с.

36. Думанский A.B. Избранные труды. Коллоидная химия.- Воронеж: изд. Воронежского университета, 1990.- 342с.

37. Дэвис П. Ароматерапия от А до Я. Пер. с англ. / М.Котельниковой. — М.: ФАИР-ПРЕСС, 2007.- 672 с.

38. Новицкий Б.Г., Анисимов В.А. Выбор оптимальных условий для ультразвукового диспергирования суспензий. Ультразвуковая техника. М.: Стройиздат, 1965.- 120с.

39. Осипов JI.B. Индивидуальные ультразвуковые и компрессорные ингаляторы. (Практические рекомендации для пользователей). М.: Изомед, 2003.- 52с.

40. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963, 292 с.

41. Пажи Д.Г., Палустов B.C. Основы техники распыления жидкости. — М.: Химия, 1984.- 255с.

42. Петрянов Соколов И.С., Сутугин А.Р. Аэрозоли. - М.: Наука, 1989.144 с.

43. Петрянов И.В., Сутугин А.Г. Вездесущие аэрозоли. М.: Педагогика, 1989.- 112с.

44. Плетнев М.Ю. Успехи коллоидной химии / Под ред. Русанова А.И. JL: Химия, 1991.- 60 с.

45. Писаренко М.П., Постелов К.А., Яковлев А.Г. Курс коллоидной химии / Под. ред. А.П. Писаренко, 3-е изд. исправл. М.: Высшая школа, 1969.- 248 с.

46. Полоцкий И.Г. Определение NO2, N03, Н2О2 в воде, экспонированной в ультразвуковом поле // Журнал общей химии. 1947, №17, вып.4.- С.649.

47. Пономаренко Г.Н., Червинская A.B., Коновалов С.И. Ингаляционная терапия. СПб.: СЛП, 1998.- 234с.

48. Поправко С.А. Тихомирова В.И. Сравнительное изучение химического состава и биологической активности прополиса и его источников // Ценный продукт пчеловодства: ПРОПОЛИС. Бухарест: Апитерапия, 1981,- С.35-37.

49. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ./ под ред. К.Хилла. М.: Мир, 1989.- 568с.

50. Райст П. Аэрозоли введение в теорию. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987.271 с.

51. Ступин А.Ю. Суспензии природных смол и смолоподобных веществ // М. ФГНУ «Росинформагротех».- 2010.- 67 С.

52. Ступин А.Ю., Пашинин А.Е, Чубатова О.И. Способ экстрагирования / Бюллетень ФИПС.- 2010.- № 19. Патент РФ № 2393905.

53. Ступин А.Ю., Чубатова О.И., Давидов Е.Р. Способ кондиционирования растительного сырья. /Бюллетень ФИПС.-2010.- № 20. Патент РФ № 2394419.

54. Таныгина Е.Д., П.Н., Бернацкий. Аэрозоли. Учебное пособие. Тамбов, 2005.- 151 с.

55. Уваров И. П., Гордон JI. В. Древесные смолы. Mj: изд-во Лесной промышленности, 1974.-257с.

56. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Главн. редак. ИЛ. Голямина. -М.: Советская энциклопедия, 1989.- 399с.

57. Ультразвук в медицине. Физические основы его применения / Под ред. К. Хилла, Дж. Бамбера, Г.тер Хаар. Пер. с англ. под ред. Л.П. Гаврилова, В.А. Хохловой, O.A. Сапожникова. М.: Физматлит, 2008.- 544с.

58. Физическая энциклопедия в 5 томах. Том. 2. Глав, редактор А.М1' Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1990.

59. Физические основы ультразвуковой технологии / Под редакцией проф. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968.- 453с.

60. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1995, 399 с.

61. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1989.- 464с.

62. Фукс H.A. Механика аэрозолей. М.: АНСССР, 1956.- 252 с.

63. Фукс H.A. Физическая химия. Высоко дисперсные аэрозоли. М.: ВИНИТИ, 1969.- 81 с.

64. Харнаж В. Ценный продукт пчеловодства: ПРОПОЛИС. Изд. четвертое, переработан, и доп. — Бухарест, 1981.- 247с.

65. Об.Химическая энциклопедия в 5 томах, т. 2. / Главный редактор И.Л. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия, 1990.

66. Химия древесины. Пер. с финского Р.В. Заводова / под редакцией канд. хим. наук М.А.Иванова. М.: Лесная промышленность, 1982.- 400с.

67. Хисматулина Н.З. Апитерапия. Пермь: Мобиле, 2005.- 296 с.

68. Хоулт Дж. Краткий определитель бактерий Берги.- М.: Мир, 1980.- 496 с.

69. Чижмарик И. Изучение химической структуры прополиса / Чижмарик И., Мател И. // Ценный продукт пчеловодства: ПРОПОЛИС. Бухарест: Апитерапия, 1980.- С.31-32.

70. Шелудко А. Коллоидная химия. Перевод с англ. / под ред. Б.Д. Дерягина и Е.Д. Щукина. М.: Мир, 1984.- 320 с.

71. Шмерельсон М.Б., Сидоров А.И., Бричкин Ю.Д. Аэрозольтерапия. Применение и рецептура. Н-Новгород: НГМА, 2002.- 72 с.

72. Щукин Е.Д., Перцов A.B., Амелина Е.А. Коллоидная химия. Изд. четвертое, исправ. М.: Высшая школа, 2006.- 443с.

73. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. — Л.: Изд. Ленинградского университета, 1980.- 280 с.

74. Экнадиосянц O.K. Получение аэрозолей, в кн.: Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1970.- 689с.

75. Экнадиосянц O.K., Богуславский Ю.Я. О физическом механизме распыления жидкости акустическими колебаниями // Акустический журнал. 1969, т.15, вып.1.- С. 17-24.

76. Экнадиосянц O.K. О роли кавитации в процессе распыления жидкости в ультразвуковом фонтане // Акустический журнал,. 1966, т. 12, вып.З.- С.310-312.

77. Эйделыдтейн С.И. Основы аэрозольтерапии. М.: Медицина, 1967. -335с.

78. Эльпинер Е. Биофизика ультразвука. М.: Наука, 1973.- 384с.

79. Янеш К., Бумба В. К вопросу о составе прополиса // Ценный продукт пчеловодства: ПРОПОЛИС. Бухарест: Апитерапия, 1981.- С.40-41.

80. Schultes H.,Gohr H. Uber chemische Wirkungen der Ultraschallwellen // Angew. Chem. 1936, № 49, 420.- P. 15-22.

81. Sollner K. The mechanism of the formation of fogs by ultrasonic waves // Trans.Faraday Soc. 1936, №32. P. 1532-1536.

82. Stigter D. Micelle formation by ionic surfactants. I. Two phase model, Gouy-Chapman model, hydrophobic interactions // J Colloid Interface Sci. 1974, 47, №2.-P. 473-482.

83. Streibl F. Inhalationstherapie ein neues Anwendungsgebiet des Ultraschalls. Diss. Erlangen, 1947.- 274 p.

84. Suslick K.S. Ultrasound, Its chemical, physical and biological effects // VCH Publichers, Inc., New York, 1988. 123 p.

85. Wilcox R.L., Tate R. W. Liquid atomization in a high intensity sound field // Amer. Inst. Chem. Engrs. J. 1965, № 1, 11. P. 69-72.

86. Virtanen I., Ellfolk N. Oxidative Nitrogen Fixation in Ultrasonic Field // Acta Chem. Scand. 1950, № 4, 93; Journ. Amer. Chem. Soc. 1046, № 72.- P. 1950.

87. Модуль осуществляет комплекс операций, в том числе, ультразвуковую санитарную очистку поверхности, удаление смытых отложений с частью воды, сепарацию воды и смытых' отложений, возврат очищенной. воды в бассейн. ' . •2