Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Копылова (Добродомова) Е.В. 1 Везенцев А.И. 1 Перистый В.А. 1

---

1 Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Применение теории гидродинамики позволило на практике методом гравитационного осаждения выделить из природной монтмориллонитовой глины высокодисперсный сорбент, который при его активировании этанольным раствором тимола и при последующей обработке обладал высокой сорбционно-антибактериальной активностью, превосходящей аналогичные препараты. Данный метод запатентован. Способ получения данного сорбционно-антибактериального препарата заключался в предварительном грубом и тонком измельчении природных монтмориллонит содержащих глин, которые путем их смешивания с водой превращались в подвижную суспензию, из которой методом двухстадийного гравитационного осаждения выделена высокодисперсная фракция (2–9 мкм). После ее стерилизации при температуре 105–140 °С последняя обрабатывалась 0,8–19,4 масс. %-ным этанольным раствором тимола с последующей отгонкой этанола-растворителя и высушиванием кондиционного препарата при температуре 40–90 °С в течение 1–4 часов.

Статья в формате PDF

464 KB

сорбционно-антибактериальный препарат

гидродинамика обогащения глин

активирование сорбентов

тимол

монтмориллонит

1. Буханов В.Д. Антибактериальные свойства монтмориллонитсодержащих сорбентов / В.Д. Буханов, А.И. Везенцев, Н.Ф. Понамарева, Л.А. Козубова, С.В Коралькова, Н.А. Воловичева, В.А. Перистый // Научные ведомости БелГУ, серия «Естественные науки». – Белгород: изд-во БелГУ, 2011. – № 21 (116). – В. 7. – С. 57–62.

2. Везенцев А.И. Технология получения антибактериального препарата на основе монтмориллонитсодержащей глины и его ингибирующая активность по отношению к патогенным организмам / А.И. Везенцев, В.Д. Буханов, В.А. Перистый, Е.В. Добродомова, Л.Ф. Перистая, Г.В Фролов, В.Н. Богданов, А.А. Шапошников // Сорбенты как фактор жизни и здоровья: материалы IV Междун. научн. конф. (Белгород, 24–28 сентября 2012). – Белгород: ИД «Белгород», 2012. – С. 279–283.

3. Ветеринарные препараты в России (справочник), т.1 / под ред. Н.Ф. Кленова и др. – М.: ООО Сельхозиздат, 2004. – С. 526–527.

4. Патент РФ № 2423985 от 11.01.2010.

5. Перистый В.А. Гидродинамические и математические аспекты получения устойчивых микросуспензий монтмориллонитовых наноструктурных глин для птицеводства / В.А. Перистый, А.И. Везенцев, В.Д. Буханов, Л.Ф Перистая, Е.В Добродомова, Г.В. Фролов, А.А Шапошников // Научные ведомости БелГУ, серия «Естественные науки». – Белгород: Изд-во БелГУ, 2012. – № 21 (140). – В. 21. – С. 133–136.

6. Перистый В.А. Теоретическое обоснование получения монтмориллонитовых глин для их практического использования в качестве сорбента в птицеводстве / В.А. Перистый, А.И. Везенцев, В.Д. Буханов, Л.Ф. Перистая, Е.В. Добродомова, Р.Н. Саенко, А.А. Шапошников, Г.В. Фролов // Сорбенты как фактор жизни и здоровья: материалы IV Междун. научн. конф. (Белгород, 24–28 сентября 2012). – Белгород: ИД «Белгород», 2012. – С. 127–130.

В настоящее время при лечении животных, страдающих инфекционными заболеваниями, применяются различные антибактериальные препараты, которые хотя и бактерицидны по отношению к патогенной микрофлоре, но не защищают организм животных от пагубного воздействия бактериальных токсинов и продуктов распада белковых субстанций вредной микрофлоры. В этой связи целесообразно при лечении желудочно-кишечных заболеваний наряду с лечебными препаратами применять и энтеросорбенты, которые, не разрушаясь в желудочно-кишечном тракте, способны были бы путем адсорбции, ионообмена и комплексообразования связывать токсичные экзо- и эндогенные вещества различной природы, включая бактериальные токсины, антигены, пищевые аллергены, природные и синтетические яды, соли тяжелых металлов и радионуклиды. Такие сорбенты должны быть способны сорбировать избытки билирубина, холестерина, мочевины, липидов, различных металлов, которые являются причиной эндогенного токсикоза.

Таким образом, актуальной задачей является создание такого комплексного препарата, который совмещал бы в себе как лечебные антибактериальные свойства, так и сорбционную активность. Причем в качестве сорбента применялся бы доступный, дешевый и, главное, эффективный природный материал, например глина.

Сорбенты как таковые приводятся в ряде публикаций. Так, известен сорбент для ветеринарии на основе водной суспензии высокодисперсного кремнезёма, но срок хранения его менее 2-х суток и, кроме того, практическое применение этого сорбента трудоемко и многостадийно (предварительное голодание, водное выпаривание и т.д.) [3].

Упоминается также сорбент на основе природного шунгита, который способствует удалению из желудочно-кишечного тракта продуктов окисления липидов при микотоксикозе [4]. Но данный сорбент обладает неспецифическими антиоксидантными свойствами, что ограничивает его использование. Но, главное, названные два сорбента не обладают антимикробной бактерицидной активностью.

В этой связи в последние годы на кафедре общей химии Белгородского государственного университета под руководством профессора А.И. Везенцева проводятся исследования по созданию препаратов, обладающих как антипатогенной, так и высокой сорбционной активностью на основе доступных и дешевых природных глин. В результате проведенной экспериментальной научно-исследовательской работы был разработан способ получения сорбционно-антибактериального препарата на основе монтмориллонитовых глин, обогащенных парами тимола (2-изопропил-5-метилфенол С₆Н₃(СН₃)(ОН)(С₃Н₇)) [1]. Такой препарат начал проявлять антимикробную активность, но в недостаточной степени, т.к. насыщение глин парами тимола не позволяло достичь его эффективной концентрации. Поэтому активирование глин ацетоновым раствором позволило устранить этот недостаток и достичь высокой антипатогенной активности [2]. Тем не менее данный метод имел один небольшой экологический недостаток: ацетон является легко воспламеняющейся жидкостью 4-го класса опасности и при полном высушивании уже кондиционного препарата все же ощущается запах ацетона.

Устранить данный недостаток удалось путем замены ацетона на более приемлемый для этих целей этанол. Предлагаемый способ получения сорбционно-антибактериального препарата состоит из следующих семи стадий.

1. Монтмориллонитовая глина после грубого и тонкого измельчения замачивается в течение суток 10-кратным количеством воды с последующим взмучиванием в течение минуты.

2. Взмученная суспензия, содержащая частицы глины различных седиментационных фракций, подвергается разделительному отстаиванию с целью отделения грубых частиц с размерами более 10 мкм [5]. В основу расчета скорости осаждения грубых частиц был положен применяемый нами ранее при расчете устойчивости микросуспензий метод гидродинамики [5, 6], но усовершенствованный применительно к данным конкретным гидродинамическим факторам.

Скорость свободного осаждения твердых тел под действием гравитационных сил тяжести в условиях ламинарного режима при очень малых значениях гидродинамического критерия Рейнольдса (Re ? 2) определяется уравнением

(1)

где d – средний диаметр частичек глины, м; V – объем твердых частичек глины, м³; ?тв – плотность частичек глины, равная ? 2000 кг/м³; ?ж – плотность воды, равная 1000 кг/м³; g – ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с²; ? – безразмерный коэффициент гидродинамического сопротивления, который для ламинированного режима осаждения, согласно закону Стокса, равен

(2)

где Rе – безразмерный гидродинамический критерий Рейнольдса, характеризующий режим течения жидкости, равный

(3)

где ? – скорость осаждения частичек глины, м/с; ? – коэффициент кинетической вязкости, равный для воды 1,05?10–6 м²/с.

Подставляя (3) в (2), получаем зависимость ? от ?:

(4)

При расчете скорости осаждения частичек глины по уравнению (1) необходимо знать величину коэффициента гидродинамического сопротивления ?, который, в свою очередь, зависит от скорости осаждения [уравнение (4)]. Поэтому определить скорость осаждения ? по формуле (1) можно только методом последовательного математического приближения, с этой целью с учетом теоретических закономерностей гидродинамики, практического опыта и интуиции задаются предварительным априорным значением ? и по формуле (4) вычисляется значение ?, которое подставляется в формулу (1) и вычисляется значение ?. При несовпадении ? (заданного) и ? (вычисленного) вычисления продолжаются, т.е. задается новое скорректированное значение ? (заданное) и вычисляется значение ? (вычисленное). Расчеты заканчиваются при их практическом совпадении, т.е. при относительном расхождении менее чем 10 % относительных.

С этой целью прежде всего упростим формулы (1) и (4), подставив в них конкретные значения (d = 10^–5 м, ?_тв = 2?10³ кг/м³, ?ж = 1?10³ кг/м³, g = 9,8 м/с, ? = 1,05?10^–6 м²/с):

(5)

(6)

? принимает значение

(7)

(8)

Оперируя формулами (6) и (8), вычисляется скорость осаждения частичек глины, размер которых составляет 10^–5 м. Зададимся первоначальным априорным значением ?_1зд = 10^–3 м/с. Коэффициент сопротивления при этом составит

(9)

Вычисленная скорость осаждения составит

м/с. (10)

Так как ?_1зд и ?_1выч значительно отличаются между собой, задаемся следующим (скорректированным) значением ?_2зд, равным 0,06?10^–3 м/с, и произведем аналогичные вычисления:

(11)

м/с. (12)

Так как заданные и вычисленные значения скорости осаждения практически совпадают, принимаем, что скорость осаждения частиц глины размером 10 мкм и далее будет составлять не менее 0,064?10^–3 м/с. Следовательно, при высоте слоя водной суспензии глины порядка 10 см время осаждения составит

или

(13)

Однако на практике необходимо учитывать, что значение скорости свободного осаждения твердых частиц относительно жидкости, а не относительно стенок аппарата – стенок отстойника и при повышенном содержании суспензии твердых частиц имеет место стесненное осаждение. Поэтому необходимо по возможности оперировать менее концентрированными суспензиями, и при более чем 10-кратном смешении с водой глин скорость осаждения снижается, но не более чем на 3–5 %отн.

3. После отстаивания суспензии в течение 30–35 минут верхний слой декантируется от грубых частиц и этот уже слабоконцентрированный высокодисперсный водный слой отстаивается. Причем продолжительность его отстаивания рассчитывается приведенным выше методом, но применительно к более мелким частицам глины, размер которых составляет от 3 до 10 мкм. В результате проведенных расчетов время осаждения для слоя суспензии высотой 10 см составило порядка 4-х часов, что подтвердилось практически.

4. Образующийся в результате 4-часового отстаивания верхний осветленный водный слой декантируется и отбрасывается, а нижний осадочный кондиционный слой высушивается при 70–105 °С.

5. Полученный таким образом обогащенный монтмориллонитовый сорбент подвергается стерилизации при температуре 105–140 °С в течение 2–3 часов, затем охлаждается до 20–30 °С. Он состоит из частичек глины средним размером 2–9 мкм (метод электронной микроскопии).

6. Активирование сорбента осуществляется при его перемешивании с этанольным раствором, содержащим 0,8–19,4 масс. % тимола при массовом соотношении сорбент: этанольный раствор тимола 1:1.

7. Растворитель этанол отгоняется и активированный препарат высушивается до постоянной массы в течение 1–4 часов при температуре 40–90 °С.

Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Описанный способ позволяет получить комплексный сорбционно-антибактериальный препарат с повышенным содержанием тимола до 16 масс. %.

2. Данный препарат при содержании тимола не менее 14,3 масс. % проявляет бактерицидную активность в отношении эшерихий, сальмонелл и стафилококков.

3. Сравнительная оценка разработанного нами препарата с активированным углем, неосмектином, смектой, нативной глиной и обогащенной монтмориллонитовой глиной показала, что при одинаковых условиях эти широко применяемые препараты даже при их высоком содержании в мясопептонном агаре (до 100 мг/мл МПА) не подавляли рост и развитие данной патогенной микрофлоры.

Результаты, представленные в данной работе, защищены патентом РФ (положительное решение от 15.07.2015).

Библиографическая ссылка