книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

ное воздействие ультразвуком и наиболее подходящим для решения конкретной задачи веществом, обладающим бактерицидным действи­ ем. При комбинированной очистке концентрацию бактерицидного ве­ щества в растворе можно существенно понизить, так как ультразвук об­ ладает способностью усиливать действие тех или иных препаратов на биологические системы. Однако в ряде случаев, в частности в пищевой индустрии, считается недопустимым использование моющих или бак­ терицидных веществ, даже следовые количества которых могут изме­ нить объективные или органолептические показатели продукта.

Особый интерес представляет проблема очистки поверхности скор­ лупы куриных яиц, где нередко обнаруживаются клетки сальмонеллы, вызывающей тяжелое заболевание у людей. Наибольшей тщательности требует санация поверхности яиц, предназначенных для приготовления блюд, рецептура которых исключает тепловую кулинарную обработку.

Разработка и реализация способа обеззараживания поверхности скорлупы куриных яиц, предназначенных для использования в кулинар­ ных целях, стали возможными благодаря ультразвуковым эффектам, обеспечивающим смывание с поверхностей и разрушение суспендиро­ ванных в жидкости живых клеток со скоростью тем большей, чем выше плотность ультразвуковой энергии в среде. Верхний предел по мощности ограничен не только современными техническими возможностями, но и прочностью скорлупы, а также необходимостью минимизировать влия­ ние ультразвука на содержимое яйца: исключить его взбалтывание, дена­ турацию белка и разрушение биологически активных соединений, а так­ же по возможности снизить вероятность фонофореза в яйцо загрязняю­ щих или бактерицидных веществ сквозь неповрежденную скорлупу.

Для обеззараживания скорлупы яиц можно использовать стан­ дартную ультразвуковую ванну (22 кГц), содержащую воду с раство­ ренным в ней озоном. Слишком быстрое разрушение озона в ультра­ звуковом поле предотвращается легким подкислением воды в ванне соляной или уксусной кислотой. Плотность энергии ультразвука в среде составляет 5 • 104 Вт/м3. В процессе ультразвуковой обработки температура среды не должна повышаться более чем на 3...4 °С.

Исследование эффективности обеззараживания, проведенное на двух наиболее стойких к внешним воздействиям штаммах сальмонелл тифимуреум и дублин, нанесенных на поверхность скорлупы в кон­ центрациях, на два порядка превышающих значения, характерные для заражения в обычных условиях, показали высокую эффективность ультразвуковой очистки. Для обеззараживания кассету с яйцом пред­ варительно помещают на 2 мин в подкисленный до рН 4 водный рас­ твор озона (8,5 мг/л), а затем в течение последующих двух минут под­ вергают действию ультразвука.

Весьма перспективно применение новых ультразвуковых техно­ логий для регенерации насыпных фильтрующих материалов, напри­ мер кизельгура, используемого для осветления пива, песчаных фильт­ ров на станциях очистки питьевой воды и пр.

5.4. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Некоторые процессы в биотехнологии - экстрагирование, суспен­ дирование, фильтрование и даже приготовление смесей нередко тре­ буют много времени для получения качественного продукта и могут быть интенсифицированы ультразвуком.

5.4.1. Эмульгирование

Ультразвуковое эмульгирование позволяет получать высокодис­ персные, стойкие, практически однородные эмульсии без добавления эмульгаторов, стабилизаторов и других химических веществ.

Эмульгирование в поле ультразвука обусловлено кавитацией, условия возникновения и развития которой зависят от параметров ультразвука - мощности, частоты, формы поля, а также состояния среды - вязкости, температуры, природы и количества растворен­ ных в жидкости газов, давления. Применение ультразвуковых реак­ торов с магнитострикционными или пьезокерамическими преобра­ зователями позволяет получать практически монодисперсную эмульсию. Качество эмульсии, полученной в установках с гидроди­ намическими преобразователями, ниже, но их производительность в десятки раз выше эмульгаторов с электромеханическими преобра­ зователями.

Водно-масляные эмульсии, полученные с применением ультра­ звука, используются в хлебопекарном производстве для смазывания поддонов, в колбасном и кондитерском производстве, при изготовле­ нии косметических композиций.

Ультразвуковая гомогенизация мороженого существенно улучша­ ет его вкус, а гомогенизация молока придает ему новые свойства, не­ обходимые для интенсификации производства кисломолочных про­ дуктов, сухого и сгущенного молока, сливок и т.д. Использование от­ ходов молокоперерабатывающих заводов, отходов переработки сои, непригодного для питания человека растительного масла и некоторых других веществ позволяет с помощью ультразвуковых технологий по­ лучать заменители цельного молока для выпаивания молодняка сель­ скохозяйственных животных.

5.4.2. Диспергирование

Ультразвуковое диспергирование подразумевает размельчение твердых тел в жидкой среде и происходит при воздействии ультразву­ ком на суспензии твердых частиц или их агрегаты. Применение ультра­ звука позволяет на несколько порядков увеличить дисперсность про­ дукта по сравнению с диспергированием без применения ультразвука. Процесс диспергирования обусловлен ударными волнами, возникаю­ щими при захлопывании кавитационных полостей. Скорость дисперги­ рования зависит от мощности ультразвука, свойств жидкости и диспер­ гируемого вещества. Эффективность ультразвукового диспергирова­ ния значительно повышается, если наряду с действием ультразвука жидкость подвергнуть статическому давлению. Ультразвуковые дис­ пергаторы-гомогенизаторы широко используются для приготовления суспензий сухих пряностей, которые значительно легче, чем порошок, равномерно вносить в пищевые формы для приготовления фрукто­ во-ягодных пюре, гомогенизации шоколадной и пралиновой масс.

Новые конструкции ультразвуковых диспергаторов позволяют существенно повысить производительность процессов с одновремен­ ным снижением энергетических затрат.

5.4.3. Экстрагирование

Экстракция - один из наиболее распространенных методов, ис­ пользуемых в процессе получения биологически активных веществ из растительного или животного сырья. Все процессы экстракции лими­ тирует диффузия на границе раздела фаз через диффузионный слой с градиентом концентраций экстрагируемого вещества. Использование перемешивающих устройств не дает существенного улучшения меж­ фазного массопереноса.

Несмотря на бурное развитие производства синтетических пище­ вых ароматизаторов, вкусовых добавок и нутрицевтиков, еще очень многие биологически активные вещества получают из природного растительного или животного сырья.

Экстрагирование биологически активных веществ - наиболее про­ должительная стадия переработки сырья. Традиционные методы экс­ тракции нередко занимают часы, сутки или даже недели. Использование ультразвука позволяет значительно ускорить процесс экстракции, уве­ личить выход и снизить себестоимость экстрагируемого вещества, улуч­ шить условия труда и повысить его производительность. Однако увели­ чение мощности и размеров излучателей традиционной конструкции (стержневого или мембранного типа) приводит к возрастанию неодно­ родности ультразвукового поля и сильной кавитации в отдельных зонах поля излучения, обусловливающей возникновение в жидкости химиче­ ски активных частиц, ударных волн и микропотоков с высокими гради­

ентами скоростей. В этих условиях наблюдается инактивация многих биологически активных веществ: энзимов, витаминов и т. д.

Для совершенствования технологии и испытания ультразвуково­ го оборудования необходим дешевый субстрат, позволяющий модели­ ровать основные особенности процесса. Хорошей моделью для таких исследований являются пшеничные отруби, богатые крахмалом. Час­ тицы отрубей с хорошим приближением можно рассматривать как двумерный источник высокомолекулярных труднорастворимых ком­ понентов (тонкие чешуйки с удельной поверхностью, мало изменяю­ щейся в процессе экстракции макромолекул) и пренебречь измене­ ниями условий диффузии в твердой фазе.

Основными извлекаемыми компонентами являются биополиме­ ры - белки и углеводы, а также водорастворимые витамины. Крахмал повсеместно распространен в растительных материалах и представлен амилозой и труднорастворимым амилопектином. Пшеничные отруби содержат 60 % углеводов (в основном крахмала), 15 % белка, 9 % клет­ чатки, 12 % воды, остальное - липиды и соли.

В реакторе с лопастной мешалкой при температуре 75...80 °С в нейтральной среде концентрация крахмала в жидкой фазе в течение 15.. .60 мин остается постоянной (и соответствующей 10...11 % массы отрубей). Добавление щелочи до рН 9,5-10,0 позволяет увеличить выход компонентов до 52...57 %.

В ультразвуковом реакторе, конструкция которого исключает обра­ зование зон коллективных кавитационных явлений, значительно повы­ шающих опасность инактивации биологически активных веществ, при экстракции водой в течение нескольких минут из отрубей извлекается

	59.. .60 % сухих веществ. Эта вели­
	чина практически совпадает с вели­
	чиной углеводов в отрубях. При
	повышении рН среды до значений
	7,5-8,0 из отрубей экстрагируется
	до 70,5 % сухих веществ, что связа­
	но с дополнительной экстракцией
	белков (рис. 5.4).
	Увеличение	скорости экстрак­
	ции почти вдвое объясняется изме­
	нением диффузионного сопротивле­
	ния пограничного слоя, вязкость ко­
	торого зависит	от	растворимости	Рис. 5.4. Экстракция биополиме­
	экстрагируемых макромолекул и их
				ров из пшеничных отрубей:
	межмолекулярного взаимодействия.			1 - с механическим перемешиванием
	В ультразвуковом поле наряду с			(рН 6,5); 2 - в стандартной ультразву­
	крупномасштабными		акустически­	ковой ванне (рН 6,5); 3 - в ультразву­
				ковом реакторе (рН 6,5); 4 - в ультра­
	ми течениями у границ раздела фаз			звуковом реакторе (рН 7,5 - 8,0)

возникают мелкомасштабные вихревые потоки, характеризующиеся зна­ чительными градиентами скоростей, диссипацией энергии и локальным нагревом жидкости. Эти факторы ускоряют диффузию макромолекул в результате турбулентной диффузии и снижения вязкости раствора.

В эфиромасличном и пищевом производствах, в производстве со­ ков из плодов и ягод применение ультразвука весьма перспективно, так как ни одно из этих производств не обходится без извлечения из природного сырья физиологически активных соединений, пищевых красителей, масел, отдушек, сахаров и т. д.

Ультразвук, разрушая и гомогенизируя ткани, облегчает извлечение из них тех или иных ценных веществ. Обработка мощным ультразвуком рыбного фарша, например, существенно увеличивает выход рыбьего жира, воздействие на семена масличных культур увеличивает выход раститель­ ного масла, использование ультразвука перед прессованием винограда в ряде случаев на 10 % увеличивает отдачу сока и снижает энергетические затраты на его отделение, усиливается и интенсивность окраски сока при прессовании красных сортов винограда. Вкусовые качества виноградного сока при этом не меняются. В пищевой промышленности ультразвуковые экстракторы применяются, например, для приготовления экстрактов чер­ ного перца и других пряностей, используемых в производстве мясных и других продуктов, пищевых красителей и т. д.

Возможности существенного повышения эффективности экс­ тракционных технологий и аппаратов в результате применения ульт­ развука далеко не исчерпаны. При этом снижается потребность в хи­ мических добавках, а новые принципы конструирования излучателей уменьшают вероятность инактивации БАВ.

Следует отметить, что помимо процессов экстракции ультразвук способен значительно ускорять и процесс пропитки экстрагентом рас­ тительного и животного сырья, что позволяет интенсифицировать процесс замачивания предварительно высушенного сырья, посола мя­ са, обработки рыбы в коптильной жидкости и т. д.

5.4.4. Осветление

Для осветления напитков, растительных масел, других жидких пищевых продуктов широко применяется фильтрование, эффектив­ ность которого существенно повышается под влиянием ультразвука, ускоряющего транспорт сквозь пористые материалы. Кроме того, ис­ пользуя способность ультразвука удалять с поверхностей различные отложения, можно создавать самоочищающиеся ультразвуковые фильтры с относительно низким сопротивлением течению фильтрую­ щимся средам, не повышающимся в процессе эксплуатации.

Самоочищающийся фильтр, принцип действия которого основан на интенсификации массопереноса в ультразвуковом поле, позволяет

эффективно разделять жидкости и взвешенные в них частицы нерас­ творимых веществ. Конструкция фильтра дает возможность осущест­ влять ускоренный непрерывный процесс фильтрования, обеспечивать самоочищение фильтрующего элемента акустическими микропотока­ ми, эвакуировать отделяемую фракцию твердых частиц, повышать экономическую эффективность производства.

Интенсификацию фильтрования обычно осуществляют, управляя образованием осадка. Однако, если не осадок, а фильтрат представля­ ет собой производственную ценность, в ряде случаев удобно восполь­ зоваться способами, предотвращающими образование осадка. Ультра­ звуковому воздействию здесь нет альтернативы.

В идеализированном случае скорость фильтрования определяют по формуле

(IV _	АР
	^ Д о с + Д ф г , ) ’

где V - объем фильтрата;

5 - площадь фильтрующей перегородки; I - время;

ДР - разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки; •П- вязкость жидкой фазы;

.Кос - гидродинамическое сопротивление слоя осадка; КфП- гидродинамическое сопротивление фильтрующей перегородки.

Очевидно, что Косменяется в процессе фильтрования. В случае по­

степенного закупоривания пор Кос фильтра				пропорционально объему
прошедшей через фильтр жидкости в
степени 3/2.
Ультразвуковая		интенсификация
фильтрования наиболее наглядно иллю­
стрируется на друк-фильтре, простом по
конструкции, но с высокими требова­
ниями к качеству фильтрата (рис. 5.5).
Эффект особенно очевиден, если задача
заключается в предотвращении закупо­
ривания пор фильтрующего элемента и
ускорении	процесса	стерилизующего
фильтрования инъекционного медицин­
ского или	ветеринарного препарата,			Рис. 5.5. Ультразвуковой
представляющего собой раствор ком­
плекса лекарственных веществ.				друк-фильтр:
При фильтровании без ультразвука			1	- выход фильтрата; 2 -	вход
под действием разности давлений на			фильтруемой жидкости; 3 -		излу­
			чатель ультразвука; 4 - корпус
фильтрующей перегородке 105 Па ско­			друк-фильтра; 5 - фильтрующий
рость процесса за 20...30 мин уменьша­				элемент

ется до пренебрежимо малых значений. За это время сквозь фильт­ рующую перегородку диаметром 32 см, типа «Владипор», с размерами пор в 0,2 мкм проходит не более 2...3 л раствора.

Под действием ультразвука с частотой 35 кГц и с плотностью энер­ гии в объеме друк-фильтра 2...4 кВт/м3 начальная скорость фильтрова­ ния увеличивается примерно вдвое и остается на том же уровне в тече­ ние 8 ч, что позволяет за смену фильтровать около 200 л суспензии. Фармакологическая активность препарата в результате его обработки ультразвуком не меняется, а прошедшая ультразвуковой фильтр жид­ кость полностью обеззараживается и отвечает требованиям, предъяв­ ляемым к инъекционным препаратам.

Ультразвуковое поле в объеме друк-фильтра благодаря особой кон­ струкции излучателя организовано так, чтобы фильтрующий элемент оказался вне зоны кавитации, а микропотоки активно смывали образую­ щийся на фильтрующей перегородке осадок. В результате такого воздей­ ствия гидродинамическое сопротивление осадка Кос остается равным ну­ лю в течение всего процесса фильтрования, а сопротивление фильтрую­ щей перегородки /2фп уменьшается благодаря снижению диффузионных ограничений у поверхности фильтрующей перегородки.

Ультразвуковая обработка фруктовых соков и вин также способ­ ствует их осветлению, вызывая коагуляцию взвешенных органиче­ ских частиц и появление большого числа центров кристаллизации, что приводит к сокращению процесса выпадения, например, избытка винного камня с 12-15 суток до 6...10 ч.

5.4.5. Сушка

Сушка - один из распространенных и весьма энергоемких процес­ сов в пищевой промышленности. Применение ультразвуковых мето­ дов и оборудования в ряде случаев позволяет без существенного по­ вышения температуры ускорить отделение влаги из пористых мате­ риалов и суспензий.

Ускоренное удаление влаги при ультразвуковой сушке обеспечи­ вается снижением диффузионного сопротивления в объеме и у по­ верхности высушиваемого материала, мощными турбулентными газо­ выми потоками у поверхности материала, вытряхивающими и унося­ щими микрокапли жидкости, а также толщины пограничного слоя. Эвакуация отделенной в виде паров и микрокапель жидкости осуще­ ствляется газовым потоком. В результате применения технологии ультразвуковой сушки удается снизить температуру процесса до зна­ чений, обеспечивающих сохранность биологически активных ве­ ществ, увеличить скорость процесса сушки, уменьшить потери высу­ шиваемого продукта. Оборудование для ультразвуковой сушки легко адаптируется к традиционным сушильным установкам с виброкипя­

щим слоем, распылительным, тоннельным, барабанным и другим, су­ щественно повышая их производительность и экономическую эффек­ тивность. Ультразвуковую сушку применяют в производстве лекарств, биологически активных добавок к пище, солода и т. п.

5.4.6. Очистка сточных вод

Сточные воды многих пищевых производств содержат вещества, которые могут быть использованы в качестве корма для сельскохозяй­ ственных животных. Применение ультразвука в ряде случаев сущест­ венно облегчает выделение этих веществ. После обработки ультразву­ ком, например из сточных вод рыбоперерабатывающих комбинатов, удается извлечь значительное количество кормового белка и жира, что не только позволяет получить ценные кормовые вещества, но и ус­ корить дальнейшую очистку сточных вод.

Стимуляция сообществ микроорганизмов ультразвуком низкой интенсивности в бассейнах биологической очистки интенсифицирует их обмен веществ, увеличивает скорость биосинтеза биологически ак­ тивных соединений, ускоряет адаптацию клеток к новым условиям. Так, стимуляция ультразвуком клеток плесени АзрегфЬлз пщеглиграю­ щих важную роль в процессе очистки воды, в полтора раза ускоряет их развитие, увеличивает скорость утилизации веществ в сточных во­ дах, например, рыбоперерабатывающих комбинатов. Развивающаяся в бассейнах плесень выделяет мощные ферменты - целлюлазу и целлобиазу, разрушающие клетчатку. Выделяющаяся при этом глюкоза полностью используется клетками плесени, превращающими ее в уг­ лекислый газ и воду. Параллельно усиливается превращение серово­ дорода и серы в безвредные сульфаты. В процессе жизнедеятельности клетками плесени АзретцИиз пщег выделяются лимонная кислота и не­ которые другие органические кислоты, создающие неблагоприятную для развития бактериальных клеток среду. Усиливается и выработка антибиотиков, которые вместе с органическими кислотами быстро снижают в сточной воде количество бактерий, в том числе болезне­ творных. Клетки той же плесени после обработки ультразвуком ак­ тивно концентрируют в себе соединения тяжелых металлов.

В ряде случаев мощный ультразвук применяется для ускорения окислительных процессов в сточных водах, снижения общей обсемененности, для гомогенизации осадка и т. д.

5.5. УЛЬТРАЗВУК В ПРОИЗВОДСТВЕ КОРМОВ (ПРЕДПОСЕВНАЯ СТИМУЛЯЦИЯ СЕМЯН УЛЬТРАЗВУКОМ)

Рациональное кормление и хорошее содержание - лучшие спосо­ бы профилактики многих заболеваний сельскохозяйственных живот-

ных. В оптимизации условий содержания ультразвук практически не применяется, но увеличить количество кормов и повысить его качест­ во с помощью ультразвуковых методов в ряде случаев несложно и эко­ номически весьма выгодно. Примером может служить приготовление вышеупомянутого заменителя цельного молока.

Один из путей улучшения кормовой базы - увеличение урожай­ ности растений, составляющих рацион животных. Добиться этого можно, повышая посевные качества семян, для чего перед посевом их обрабатывают химическими веществами, подвергают механиче­ скому или термическому воздействию, влиянию ионизирующих и неионизирующих излучений. Воздействуют на них и ультразвуком самых разных частот и интенсивностей. Обычно семена обрабатыва­ ют ультразвуком в ванне с водой или водными растворами различ­ ных веществ. Наличие водной среды позволяет избежать потери аку­ стической энергии при ее передаче от преобразователя к семенам, но создает определенные трудности в воспроизведении и интерпрета­ ции результатов.

Многих недостатков использованных ранее методов предпосев­ ной обработки лишен разработанный недавно, но уже нашедший при­ менение в практическом растениеводстве способ ультразвуковой сти­ муляции семян в суховоздушном состоянии.

Первые же случаи применения этого метода позволили обнару­ жить еще одну возможную причину получения исследователями раз­ ных результатов. Оказалось, что эффект повышения урожайности рас­ тений после предпосевной обработки семян существенно зависит от их биологического качества. Элитные семена мало реагируют на предпо­ севную стимуляцию, тогда как семена низкого качества после ультра­ звуковой обработки дают 30...50 %-ную прибавку урожая.

Под влиянием ультразвука на поверхности сухих семян образуют­ ся микроповреждения характерных размеров (10-5...Ю-6 м). Их вели­ чину и количество можно изменять, регулируя режим обработки. Эти микроповреждения снижают механическую прочность семенной обо­ лочки и облегчают газовлагообмен.

Прочная и плотная оболочка, созданная природой для сохранения семян в экстремальных условиях, в определенной степени затрудняет их прорастание и препятствует интенсивному влагогазообмену. После ультразвуковой обработки семена быстро набухают и прорастают раньше обычного, растения лучше развиваются и дают более высокий урожай семян и зеленой массы. Растения, выросшие из семян, обрабо­ танных ультразвуком, более устойчивы к различным заболеваниям и неблагоприятным условиям внешней среды. Поэтому химическое протравливание семян может быть исключено из технологического процесса их подготовки к севу.

Ультразвуковая стимуляция семян весьма эффективна для кормо­ вых трав и злаковых. Обработка семян корнеплодов приводит к буй­ ному росту надземной части растений и уменьшению массы корне­ плодов. Используют ультразвук для повышения урожайности зерно­ вых (пшеницы, ржи, овса, тритикале - гибрида пшеницы и ржи); огородных (огурцов, помидоров), а также декоративных и других рас­ тений. Во всех случаях эффект сохраняется, по крайней мере, во вто­ ром, дочернем поколении.

5.6.ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНСКОЙ

ИВЕТЕРИНАРНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

Ультразвуковые методы весьма перспективны для применения в биотехнологии, так как в зависимости от характера поставленной за­ дачи позволяют, подбирая параметры ультразвукового воздействия, интенсифицировать или подавлять те или иные физико-химические и биологические процессы, увеличивать выход конечного продукта и уменьшать расход сырья, сделать отдельные процессы производства более технологичными и создать такие, которые без применения ульт­ развука были бы просто невозможны.

5.6.1. Ультразвук в криобиологии и криоконсервировании

Давно известно, что при понижении температуры замедляются биохимические процессы, лучше и дольше сохраняются биологические ткани. Поиск способов длительного хранения жизнеспособных клеток и тканей привел к разработке ряда новых методов их консервирования холодом и даже появлению новой науки - криобиологии. Успехи крио­ биологии открывают широкие возможности сохранения генофонда ди­ ких и сельскохозяйственных животных и растений, консервации и дли­ тельного хранения их репродуктивных клеток, сохранения клеток кро­ ви и костного мозга, а также отдельных тканей и даже органов для трансплантации.

Охлаждение живых клеток до температур ниже О °С сопровождается замораживанием внутри- и внеклеточной воды, что приводит к образо­ ванию в клетке и вне ее кристаллов льда, возникновению механических напряжений, резкому увеличению концентрации растворенных солей в результате вымораживания чистой воды, изменению рН среды. Эти про­ цессы могут привести к нарушению структурной целостности клеток, нарушению их функций, изменению транспорта веществ через клеточ­ ные мембраны и, следовательно, к изменению состава внутриклеточной среды. Для защиты клеток от отрицательных воздействий при замора­ живании используют некоторые вещества - криопротекторы, - сущест­ венно уменьшающие повреждения клеточных и тканевых структур.