Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

Водно-масляные эмульсии, полученные с применением ультразвука, используются в хлебопекарном производстве для смазывания поддонов, в колбасном и кондитерском производстве, при изготовлении косметических композиций.

Ультразвуковая гомогенизация мороженого существенно улучшает его вкус, а гомогенизация молока придает ему новые свойства, необходимые для интенсификации производства кисломолочных продуктов, сухого и сгущенного молока, сливок и т.д. Использование отходов молокоперерабатывающих заводов, отходов переработки сои, непригодного для питания человека растительного масла и некоторых других веществ позволяет с помощью ультразвуковых технологий получать заменители цельного молока для выпаивания молодняка сельскохозяйственных животных.

5.4.2. Диспергирование

Ультразвуковое диспергирование подразумевает размельчение твердых тел в жидкой среде и происходит при воздействии ультразвуком на суспензии твердых частиц или их агрегаты. Применение ультразвука позволяет на несколько порядков увеличить дисперсность продукта по сравнению с диспергированием без применения ультразвука. Процесс диспергирования обусловлен ударными волнами, возникающими при захлопывании кавитационных полостей. Скорость диспергирования зависит от мощности ультразвука, свойств жидкости и диспергируемого вещества. Эффективность ультразвукового диспергирования значительно повышается, если наряду с действием ультразвука жидкость подвергнуть статическому давлению. Ультразвуковые диспергаторы-гомогенизаторы широко используются для приготовления суспензий сухих пряностей, которые значительно легче, чем порошок, равномерно вносить в пищевые формы для приготовления фруктово-ягодных пюре, гомогенизации шоколадной и пралиновой масс.

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

5.4.З. Экстрагирование

Экстракция - один из наиболее распространенных методов, используемых в процессе получения биологически активных веществ из растительного или животного сырья. Все процессы экстракции лимитирует диффузия на границе раздела фаз через диффузионный слой с градиентом концентраций экстрагируемого веществу. Использование перемешивающих устройств не дает существенного улучшения межфазного массопереноса.

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

Экстрагирование биологически активных веществ наиболее продолжительная стадия переработки сырья. Традиционные методы экстракции нередко занимают часы, сутки или даже педели. Использование ультразвука позволяет значительно ускорить процесс экстракции, увеличить выход и снизить себестоимость экстрагируемого вещества, улуч- шить условия труда и повысить его производительность. Однако увеличение мощности и размеров излучателей традиционной конструкции (стержневого или мембранного типа)

1-е механическим перемешиванием (рН 6,5); 2 - в стандартной ультразвуковой ванне (рH 6,5); 3 - в ультразвуковом реакторе (рН 6,5); 4 - в ультразвуковом реакторе (рН 7,5 - 8,0)

Вультразвуковом поле наряду с крупном масштабными акустическими течениями у границ раздела фаз возникают мелкомасштабные вихревые потоки, характеризующиеся значительными градиентами скоростей, диссипацией энергии и локальным нагревом жидкости. Эти факторы ускоряют диффузию макромолекул в результате турбулентной диффузии и снижения вязкости раствора.

Вэфиромасличном и пищевом производствах, в производстве соков 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 растительного 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 применяют, например, для приготовления экстрактов черного перца и других пряностей, используемых в производстве мясных и других продуктов, пищевых красителей и т. д.

Возможности существенною повышения эффективности экстракционных технологий и аппаратов в результате применения ультразвука далеко не исчерпаны. При этом снижается потребность в химических добавках, а новые принципы конструирования излучателей уменьшают вероятность инактивации БАВ.

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

5.4.4. Осветление

Для осветления напитков, растительных масел, других жидких пищевых продуктов широко применяется фильтрование, эффективность которого существенно повышается под влиянием ультразвука, ускоряющего транспорт сквозь пористые материалы. Кроме того, используя способность ультразвука удалять с поверхностей различные отложения, можно создать самоочищающиеся ультразвуковые фильтры с относительно низким сопротивлением течению фильтрующимся 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 нерастворимых веществ. Конструкция фильтра дает возможность осуществлять 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 представляет собой производственную ценность, в ряде случаев удобно воспользоваться способами, предотвращающи ми образование осадка. Ультразвуковому воздейс твию здесь нет альтернативы.

В идеализированном слу чае скорость фильтрования определяют по формуле

где V- объем фильтрата;

S- площадь фильтрующе й перегородки;

t - время;

- разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки;

- вязкость жидкой фаз ы;

- гидродинамическое сопротивление слоя осадка;

Рис. 5.5. Ультразвуковой друк-фильтр:

1 - выход фильтрата; 2 - вход фильтруемой жидкости; 3- излучатель ультразвука; 4 - корпус: друк-фильтра; .5 - фильтрующий элемент

- гидродинамическое сопротивление фильтрующей перегородки.

Очевидно, что меняется в процессе фильтрования. И случае по степенного закупоривания пор ф ильтра пропорционально объему прошедш ей через фильтр жидкости в степени 3/2.

Ультразвуковая интенсиф икация фильтрования наиболее наглядно иллюстрируется на друк-фильтре, простом по конструкции, но с высокими требованиями к качеству фильтрата (рис. 5.5). Эфф ект особенно очевиден, если задача заклю чается в предотвращении закупоривания пор фильтрующего элемента и ускорении процесса

стерилизующего фильтрования инъекционного медицинского или ветеринарного препарата, представляющего собой раствор комплекса лекарственных веществ.

При фильтровании без ультразвука под действием разности давлений на фильтрующей перегородке 105. На скорость процесса за 20...30 мин уменьшается до пренебрежимо малых значений. За это время сквозь фильтрующую 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 энергии в объеме друк- фильтра 2…4 кВт/м3 начальная скорость фильтрования увеличивается примерно вдвое и остается на том же уровне в течение 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 жидкость полностью обеззараживается и отвечает требованиям, предъявляемым к инъекционным препаратам.

Ультразвуковое поле в объеме друк-фильтра благодаря особой конструкции излучателя организовано так, чтобы фильтрующий элемент оказался вне зоны кавитации, а микропотоки активно смывали образующийся па фильтрующей перегородке осадок. В результате такого воздействия гидродинамическое сопротивление осадка остается равным нулю в течение всего процесса фильтрования, а сопротивление фильтрующей

перегородки уменьшается благодаря снижению диффузионных ограничений у поверхности фильтрующей перегородки.

Ультразвуковая обработка фруктовых соков и вин также способствует их осветлению, вызывая коагуляцию взвешенных органических частиц и появление большою 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 процессов в пищевой промышленности. Применение ультразвуковых методов и оборудования в ряде случаев позволяет без существенного повышения температуры ускорить отделение влаги из пористых материалов и суспензий.

Ускоренное удаление влаги при ультразвуковой сушке обеспечивается снижением диффузионного сопротивления в объеме и у поверхности высушиваемого материала, мощными турбулентными газовыми потоками у поверхности материала, вытряхивающими и уносящими микрокапли жидкости, а также толщины пограничного слоя. Эвакуация отделенной в виде паров и микрокапель жидкости осуществляется газовым потоком. В результате применения технологии ультразвуковой сушки удастся снизить температуру процесса до значений, обеспечивающих сохранность биологически активных веществ, увеличить скорость процесса сушки, уменьшить потери высу- шиваемого продукта. Оборудование для ультразвуковой сушки легко адаптируется к традиционным сушильным установкам с виброкипящим слоем, распылительным, тоннельным, барабанным и другим, существенно повышая их производительность и экономическую эффективность. Ультразвуковую сушку применяют в производстве лекарств, биологически активных добавок к нище, 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 сельскохозяйственных животных. Применение ультразвука в ряде случаев существенно облегчает выделение этих веществ. После обработки ультразвуком, например из сточных вод рыбоперерабатывающих комбинатов, удастся извлечь значительное количество кормового белка и жира, что не только позволяет получить ценные кормовые вещества, но и ускорить дальнейшую очистку сточных вод.

Стимуляция сообществ микроорганизмов ультразвуком низкой интенсивности в бассейнах биологической очистки интенсифицирует их обмен веществ, увеличивает скорость биосинтеза биологически активных соединений, ускоряет адаптацию клеток к новым условиям. Так, стимуляция ультразвуком клеток плесени Aspergilus niger; играю- щих важную роль в процессе очистки воды, в полтора раза ускоряет их развитие» увеличивает скорость утилизации веществ в сточных водах, например, рыбоперерабатывающих комбинатов. Развивающаяся в бассейнах плесень выделяет мощные ферменты - целлюлазу и целлобиозу, разрушающие клетчатку. Выделяющаяся при этом глюкоза полностью используется клетками плесени, превращающими ее в уг- лекислый газ и воду. Параллельно усиливается превращение сероводорода и серы в безвредные сульфаты, В процессе жизнедеятельности клетками плесени Aspergilus niger выделяются лимонная кислота и некоторые 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 болезнетворных. Клетки той же плесени после обработки ультразвуком активно концентрируют в себе соединения тяжелых металлов.

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

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

Рациональное кормление и хорошее содержание - лучшие способы профилактики многих заболеваний сельскохозяйственных животных. В оптимизации условий содержания ультразвук практически не применяется, но увеличить количество кормов и повысить его качество с помощью ультразвуковых методов в ряде случаев несложно и экономически весьма выгодно. Примером может служить приготовление вышеупомянутого заменителя цельного молока.

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

Многих недостатков использованных ранее методов предпосевной обработки лишен разработанный недавно, но уже нашедший применение в практическом растениеводстве способ ультразвуковой стимуляции семян в суховоздушном состоянии.

Первые же случаи применения этого метода позволили обнаружить еще одну возможную причину получения исследователями разных результатов. Оказалось, что эффект повышения урожайности растений после предпосевной обработки семян существенно зависит от их биологического качества. Элитные семена мало реагируют на предпосевную стимуляцию, тогда как семена низкого качества после ультразвуковой обработки дают 30...50 %-ную прибавку урожая.

Под влиянием ультразвука на поверхности сухих семян образуются микроповреждения характерных размеров 10-5...10-6 м). Их величину и количество можно изменять, регулируя режим обработки. Эти микроповреждения снижают механическую прочность семенной оболочки и облетают 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, обработанных 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 кормовых трав и злаковых. Обработка семян корнеплодов приводит к буйному росту надземной части растений и уменьшению массы корнеплодов. Используют ультразвук для повышения урожайности зерновых (пшеницы, ржи, овса, тритикале - гибрида пшеницы и ржи); огородных (огурцов, помидоров), а также декоративных и других растений, Во всех случаях эффект сохраняется, но крайней мере, во втором, дочернем поколении.

5.6. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНСКОЙ И ВЕТЕРИНАРНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

Ультразвуковые методы весьма перспективны для применения в биотехнологии, так как в зависимости от характера поставленной задачи 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 ультразвука 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- биологам открывают широкие возможности сохранения генофонда диких и сельскохозяйственных животных и растений, консервации и длительного хранения их репродуктивных клеток, сохранения клеток крови и костного мозга, а также отдельных тканей и даже органов для трансплантации.

Охлаждение живых клеток до температур ниже 0°С сопровождается замораживанием внутри- и внеклеточной воды, что приводит к образованию в клетке и вне ее кристаллов

льда, возникновению механических напряжений, резкому увеличен ию концентрации растворенных солей в результате вымораживания чистой воды, изм енению рН среды. Эти процессы могут привести к нарушению структурной целостности клеток, нарушению их функций, изменению транспорта веществ через клеточные мембра ны и, следовательно, к изменению состава внутриклеточной среды. Для защиты клеток от отрицательных воздействий при замораживании используют некоторые вещества - криопротекторы, - существенно уменьшающ ие повреждения клеточных и тканевых структур.

Основные нарушения в клетках при криоконсервировании обусловлены механическими напряжениями, возникающими в биологической среде при замораж ивании. Следовательно, криорезистентиость клеток тем выше, чем выше их устойчивость к механическим воздейств иям, а механическую резистентность легкоо оценить, используя метод ультразвуковых цитолизограмм (см. § 2.4).

При добавлении криопротектора к среде физико-химические свойства раствора стабилизируются не сразу и продолжают меняться в течение нескольких часов или даже суток до тех пор, пока раствор не станет гомогенным. Воздействие низкочастотным ультразвуком (35 кГц) мощностью 15...100 Вт существенно ускоряет растворение криопротектора в жидких средах и в течение нескольких минут стабилизирует параметры раствора. Даже отстоявшиеся в течение недели растворы криопротективиых веществ, например глицерина или полиэтиленоксида, после ультразвуковой обработки становятся более гомогенными, о че м свидетельствуют результаты рентгеноструктурного анализа их замороженных образцов. В разбавителе спермы ультразвук диспергирует лецитин с сохранением его ламелярной структуры, что существенно улучшает качество разбавителя, повышает его защитные с войства.

Клетки и ткани, помещенные в раствор криопротектора, должны в ыдерживаться в нем до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение. Время эквилибраци и, т. е, период, в течение которого криопротекторы насыщают клетку, также может быть сокращено с использованием ультразвука, так как, увеличивая проницаемость клеточных мембран, ультразвук ускоряет проц есс переноса веществ через эти мембраны .

Ультразвук может быть полезен и для определения степени насыщения клеток в суспензии, а также ткане й и органов криопротектором. При перфузии изолированного органа перед низкотемпературной консервацией раствором криопротектора измеряют и сравнивают скорости ультразвука в подводимом к органу и оттека ющем от него растворе (рис. 5.6). Когда происходит насыщение, концентрация криопротектора и, следовательно, скорость ультразвука в п одводимой и отводимой жидкости уравниваются.

Рис. 5.6. Ультразвуковой метод контроля степени насыщения

почки криопротектором: V1 - скорость ультразвука на входе, У2 - скорость ультразвука на выходе

При замораживании подготовленных для криоконсервирования об разцов подбирают такие режимы охлаждения, чтобы образующиеся кристаллы льда как можно меньше травмировали клеточные мембраны. Если жидкость, не содержащую зародышей кристаллизации, медленно охлаждать, то она может переохладиться, оставаясь в жидком состоянии при температурах ниже точки замерзания. Этот нежелательный для криоконсервирования эффект можно предотвратить, замораживая образцы в ультразву- ковом поле (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Влияние ультразвука (0,88 МГц) на степень переохлаждения растворов криопротекторов при их замораживании

Вданном случае влияние ультразвука обусловлено увеличением ко личества центров кристаллизации. В резуль тате в среде формируется множество кристаллом, размеры которых сравнимы с размерами клетки. Кроме того, кристаллы льда растут с большим числом разветвлений, что также способствует выживанию клеток.

Вохлажденном растворе, прежде всего, начинает вымерзать чистая вода, а в незамерзшей части жидкости быстро возрастает концентрация солей, и раствор с тановится гипертоническим. В такой среде клетки испытывают существенные изменения: они обез- воживаются, меняется соотношение ионов во внутриклеточной среде. Интенсивно перемешивая жидкую сре ду как внутри клеток, так и вне их, ультр азвуковые микропотоки способствуют равномерному распределению солей и уменьшают вредные последствия пребывания клеток в гип ертоническом растворе.

Качество спермы сельскохозяйственных животных, замороженной в ультразвуковом поле (880 кГц; 0,1...0,2 Вт/см2) , после размораживания значительно выш е, чем качество спермы, криоконсервиро ванной без ультразвукового воздействия. Средняя активность сперматозоидов увеличив ается на 1-2 балла, повышается абсолютный показатель живучести и удлиняется промежуток времени, в течение которого сперматозоиды остаются способными выполнять свои биологические функции.

Ультразвуковая обработка эритромассы, защищенной криопротектором (глицерином или полиэтиленоксидом), также способствует повышению криорезистентности клеток.

Клетки костного мозга, содержащие ядра, так же, как и безъядерные эритроциты, лучше сохраняются при криокон сервировании с использованием ультразвука. Сохранность клеток повышается по мере увеличения интенсивности ультразвук ового воздействия до