СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНЦЕНТРАТА САПРОПЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК A61K35/10 

Способ относится к бальнеологии, точнее к способам получения концентратов сапропеля, сохраняющих основные биологически активные компоненты.

Известны способы получения экстрактов из сапропеля, характеризующиеся тем, что экстракты содержат один из биологически активных компонентов или группу сходных компонентов. Таким образом, каждый из этих экстрактов лишен значительной части компонентов, свойственных цельному сапропелю.

Существует способ получения концентратов из сапропеля, который осуществляют путем предварительной обработки нативной лечебной грязи спиртовым раствором щелочи до pH (8,5÷9,0) и экстракции обработанного сырья водой при соотношении сырье-экстрагент 1:(10÷12) при интенсивном перемешивании (1500 об/мин) в течение 15 мин при температуре 50-60°C, отделения экстракта от осадка, упаривания в вакууме [1].

Однако указанный способ сложен, требует применения химических веществ, а полученный целевой продукт содержит только легкоотделяемые водорастворимые компоненты грязи в объеме, равном примерно половине объема исходной грязи.

Также известен способ получения грязевого центрифугата, основанный на использовании центробежной силы для отделения жидкой фазы грязи [2].

Согласно этому способу сапропель центрифугируют с ускорением 600g в течение 1 ч, отделяют надосадок, наполняют им трехлитровые бутыли и закатывают для транспортировки. Полученный продукт используется в виде местных аппликаций с парафином при лечении артритов, артрозов, радикулита, гинекологических заболеваний.

Недостатком является то, что центрифугат содержит только легкоотделяемые водорастворимые компоненты грязи в объеме, равном примерно половине объема исходной грязи.

Существует способ, дополняющий описанный. Препарат, полученный с его помощью, носит название "Пелоидин". Согласно этому способу сапропель заливают в фарфоровую емкость 5-кратным объемом физиологического раствора, настаивают (3-4) суток при помешивании, дают смеси отстояться и сливают отстой. После фильтрования отстой стерилизуют и разливают для транспортировки в стеклянные емкости. Область применения та же, что и для грязевого центрифугата, от которого пелоидин отличается увеличенным в 5 раз объемом и тем, что содержит больше водорастворимых компонентов благодаря длительному настаиванию физиологического раствора с грязью.

Существует способ получения гуминового комплекса сапропеля, основанный на осаждении гуматов натрия из щелочного экстракта грязи [2]. Для получения гуминовых кислот сапропель заливают 10-кратным объемом 2%-ного раствора едкого натрия, нагревают (4-6) ч при температуре кипения, охлаждают и разбавляют водой в 2 раза, отстаивают 24 ч, сифонируют и фильтруют, к фильтрату добавляют 20%-ную серную кислоту до pH 1,0, отстаивают до полного выпадения осадка, надосадок отбрасывают, а осадок промывают водой и высушивают при температуре 60°C. Полученный продукт - комплекс гуминовых кислот - используется в лечебных целях, в том числе и при состояниях, которые лечат центрифугатом грязи и пелоидином.

Недостаток способа заключается в том, что целевой продукт содержит лишь один из полезных компонентов цельного сапропеля - гуминовые кислоты.

Существует способ, позволяющий получить препарат, содержащий липидный комплекс из цельного сапропеля [2].

Для получения препарата грязь заливают органическим растворителем или смесью растворителей, выдерживают при постоянном помешивании 6-12 ч, декантируют растворитель, фильтруют, фильтрат упаривают до небольшого объема и переводят в масляный раствор, удаляя следы растворителя.

Препарат содержит высокомолекулярные жирные кислоты, фитостерины, хлорофилл, каротин и окисленные каротиноиды. Недостатком его является полное отсутствие водорастворимых компонентов и гуминовых кислот, имеющихся в цельном сапропеле.

Известен способ получения концентрата сапропеля, включающий извлечение липидного комплекса органическими растворителями. При этом предварительно из сапропеля последовательно извлекают водорастворимые вещества и гуминовые кислоты. Затем экстракт, содержащий водорастворимые вещества, концентрируют выпариванием в 25 -30 раз и в полученном концентрате солюбилизируют выделенные предварительно комплексы гуминовых кислот и липидов [3].

Последовательность операций в упомянутом способе заключается в следующем:

из цельного продукта сапропеля извлекаются водорастворимые соединения путем настаивания его с 5-кратным объемом воды и отделением экстракта;

остаток сапропеля, полученный после экстракции водорастворимых компонентов, используется для выделения из него комплекса гуминовых кислот, которые получают в виде сухого индивидуального продукта;

остаток сапропеля после извлечения из него водорастворимых соединений и гуминового комплекса, используется для экстракции липидного комплекса, получаемого в виде сухого продукта.

Такая последовательность операций позволяет вместо трех объемов сапропеля, которые необходимы для получения водорастворимого компонента, гуминового и липидного комплексов согласно известным способам, использовать только один объем, т.е. обеспечивает при получении биологически активных компонентов сапропеля использовать в 3 раза меньше целевого сапропеля;

одновременно с извлечением гуминового и липидного комплексов экстракт, содержащий водорастворимые соединения, концентрируется выпариванием, что позволяет уменьшить его исходный объем в 25-30 раз;

в сконцентрированном экстракте солюбилизируют полученный ранее комплекс гуминовых кислот, а затем и полученный липидный комплекс.

Результатом этих действий является получение целевого продукта, который содержит основные биологически активные компоненты цельного сапропеля (водорастворимые соединения, гуминовые кислоты и комплекс липидов) в объеме, меньшем в 25-30 раз, чем в способе-аналоге.

Вся совокупность действий в указанной последовательности обеспечивает уменьшение в 3 раза исходного сапропеля при сохранении в составе целевого продукта основных компонентов цельного сапропеля, а также уменьшение объема целевого продукта в 25-30 раз, что облегчает его транспортировку.

Однако указанный способ сложен, так как состоит из множества стадий, энергозатратен, требует применения дополнительных органических растворителей, и экстрагирования водой, и в процессе получения концентрата теряется часть полезных веществ, имеющихся в нативном сапропеле. Получаемый по данному способу сапропель обладает невысокой биологической активностью.

Недостатки способов-аналогов:

с помощью первого и второго способов-аналогов получают водную фазу сапропеля, содержащую только легко растворимые в ней соединения, при этом объем целевого продукта лишь в 2 раза меньше объема исходного сапропеля;

с помощью третьего способа-аналога получают продукт, содержащий водорастворимые компоненты сапропеля более полно, однако объем целевого продукта увеличивается против объема исходного сапропеля в 3-4 раза, кроме того, как и в первом случае, целевой продукт не содержит таких биологически важных компонентов как гуминовый и липидный комплексы;

с помощью четвертого способа-аналога получают целевой продукт, не содержащий водорастворимых соединений и липидного комплекса, являющегося наиболее важным биологически активным компонентом сапропеля;

с помощью пятого способа-аналога получают продукт, содержащий только липидный комплекс и не содержащий водорастворимых компонентов и гуминовых кислот;

при использовании всех способов-аналогов часть сапропеля, сохраняющая неизвлеченные компоненты, теряется, так как каждый способ предусматривает для получения целевого продукта использование исходного сапропеля;

шестой способ-аналог сложен, так как состоит из множества стадий, энергозатратен, требует применения дополнительных органических растворителей и экстрагирования водой, и в процессе получения концентрата теряется часть полезных веществ, имеющихся в нативном сапропеле, а получаемый по данному способу сапропель обладает невысокой биологической активностью.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения концентрата сапропеля[4].

Способ-прототип включает в себя разделение нативного сапропеля на сухой остаток и жидкую фракцию, концентрированно жидкой фракции, и солюбилизацию в полученном концентрате сухого остатка, причем нативный сапропель разделяют на сухой остаток и жидкую фракцию путем помещения его в вакуумный выпарной аппарат, внутри которого создают разрежение 50-60 Торр, разогревают нативный сапропель до 30-40°C, концентрируют легкоотделяемые водорастворимые компоненты сапропеля, затем после выделения и концентрирования легкоотделяемых водорастворимых компонентов из сапропеля осуществляют окончательную сушку и измельчение сухого остатка, для чего сухой остаток помещают в вакуумную сушильную установку барабанного типа, внутри которой вновь создают разрежение 50-60 Торр, и разогревают сухой остаток сапропеля до 30-40°C, и измельчают до частиц размера 20-40 мкм, после чего осуществляют солюбилизацию полученного сухого остатка в концентрате легкоотделяемых водорастворимых компонентов.

Однако в способе-прототипе отсутствует контроль процесса разделения нативного сапропеля на сухую и жидкую фракцию. Отсутствие такого контроля не позволяет точно определить момент времени окончания процесса отделения жидкой фракции, что приводит либо к неоправданному удлинению процесса разделения нативного сапропеля на сухую и жидкую фракцию, либо к преждевременному прерыванию указанного процесса, что оказывает отрицательное влияние на качество продукта. Кроме того, процесс разделения нативного сапропеля на сухую и жидкую фракцию происходит недостаточно интенсивно, что увеличивает продолжительность процесса и приводит к неоправданным затратам энергии.

Техническая задача изобретения заключается в разработке контроля процесса разделения нативного сапропеля на фракции, позволяющего точно определить момент времени окончания процесса отделения жидкой фракции, в создании возможности снижения времени упомянутого процесса и повышении качества продукта, а также в повышении интенсивности процесса разделения нативного сапропеля на фракции и в снижении энергозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения концентрата сапропеля, включающем извлечение и концентрирование легкоотделяемых водорастворимых компонентов сапропеля путем помещения нативного сапропеля в вакуумный выпарной аппарат, внутри которого создают разряжение 50-60 Торр и разогрев сапропеля до 30-40°C, последующую солюбилизацию в полученном концентрате сухого остатка, при этом в процессе разогрева сапропеля на него воздействуют ультразвуком, частота которого лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне низких частот от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см², при этом непрерывно или периодически измеряют скорость ультразвука и его ускорение, путем дифференцирования скорости ультразвука по времени, и указанную процедуру повторяют до тех пор, пока ускорение ультразвука станет равным нулю, после чего процесс отделения легкоотделяемых водорастворимых компонентов из сапропеля и их концентрирование прекращают, и осуществляют солюбилизацию сухого остатка в полученном концентрате легкоотделяемых водорастворимых компонентов.

На фиг. 1 приведены графики зависимости скорости ультразвука от времени процесса разделения нативного сапропеля на жидкую и сухую фракции.

Сущность изобретения заключается в следующем. Нативный сапропель помещают в вакуумный выпарной аппарат и создают в нем разряжение 50-60 Торр. Создание разряжения внутри вакуумного выпарного аппарата необходимо для того, чтобы реализовать эффективное парообразование в режиме кипения воды, обеспечить выделение, концентрированно и сохранение в концентрированном виде легкоотделяемых водорастворимых компонентов сапропеля. Выбор диапазона разряжения в 50-60 Торр в вакуумном выпарном аппарате обусловлен следующими соображениями. Известно, что чем ниже величина разряжения, тем меньше температура вскипания воды. Например, при разряжении 10 Торр вода закипает при 18°C. Однако для получения низких температур вскипания воды требуется ужесточать требования к герметичности вакуумного выпарного аппарата и к выбору форвакуумного насоса, что усложняет применение способа на практике и приводит к повышению затрат на изготовление вакуумного аппарата. При разряжении в 50 Торр, вода начинает кипеть при сравнительно низкой температуре, равной 30°C. Получение разряжения в 50 Торр достаточно просто осуществляется относительно дешевыми форвакуумными насосами и может быть получено без особо жестких требований к обеспечению герметичности вакуумного выпарного аппарата. Достаточно низкая температура кипения воды при давлении в 50 Торр, возможность получения указанного разрежения более дешевыми форвакуумными насосами и исключения завышенных требований к герметичности вакуумного выпарного аппарата указывают на нецелесообразность при выпаривании и концентрировании применения более низкого разрежения, чем 50 Торр. При разрежении в 60 Торр вода закипает при температуре 40°C. Поэтому при создании разрежения более 60 Торр потребуется для обеспечения вскипания воды поднимать температуру разогрева нативного сапропеля, что приводит при получении концентрата сапропеля к повышению энергетических затрат и к разрушению биологически активных веществ. Выбор аналогичного диапазона разрежений и температур разогрева сапропеля в барабанной вакуумной сушилке обусловлен теми же причинами, что и выбор этих режимов в вакуумном выпарном агрегате. Помещение сухого остатка после выделения и концентрирования легкоотделяемых водорастворимых компонентов из нативного сапропеля в вакуумную барабанную сушилку осуществляют для того, чтобы произвести окончательную сушку и измельчение сухого остатка. Измельчение сухого остатка осуществляют для того, чтобы увеличить активную поверхность взаимодействия частиц сухого остатка сапропеля, что приводит к увеличению его химической и биологической активности.

Известно, что многие технологические процессы интенсифицируются при воздействии на объект процесса ультразвуком.

В заявляемом способе за счет ультразвука существенно увеличивается интенсивность процесса разделения нативного сапропеля на сухую и жидкую фракции.

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука.

Принято считать, что к ультразвуковому диапазону относятся частоты, находящиеся в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Частоты, находящиеся в диапазоне от 16 кГц до 20 кГц, относятся к слышимому звуку.

Частоты, лежащие ниже 16 кГц относятся к инфразвуку, а частоты, лежащие выше 1 ГГц называют гиперзвуком.

Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти:

- ультразвук низких частот (2×10⁴-10⁵ Гц) - УНЧ;

- ультразвук средних частот (10⁵-10⁷ Гц) - УСЧ;

- ультразвук высоких частот (10⁷-10⁹ Гц) - УЗВЧ.

В жидких средах под действием ультразвука возникает и протекает специфический физический процесс - ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на частицы сапропеля.

В ультразвуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в сапропеле, за счет чего значительно усиливается эффект выделения водорастворимых веществ и воды из сапропеля.

Кавитация производится за счет чередующихся волн высокого и низкого давления, образуемых звуком высокой частоты (ультразвуком).

Ультразвуковая кавитация - основной инициатор физико-химических процессов, возникающих в жидкости под действием ультразвука и, в частности, процесса разделения сапропеля на сухую и жидкую фракции.

Кавитационные явления в той или иной среде возникают только при превышении ультразвуком порога кавитации.

Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.

Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.

При частотах выше 20 кГц порог нестабильной кавитации находится в диапазоне от 0,3 вт/см² до 1 вт/см².

Дальнейшее повышение интенсивности до 1,5 Вт/см² приводит к нарушению линейности колебаний стенок пузырьков. Начинается стадия стабильной кавитации. Диапазон интенсивностей стабильной кавитации лежит в области от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см². Пузырек сам становится источником ультразвука колебаний. На его поверхности возникают волны, микротоки, электрические разряды.

Увеличение интенсивности ультразвука за величину 2,5 Вт/см² приводит вновь к стадии нестабильной кавитации.

Наиболее интенсивное разделение сапропеля на сухую и жидкую фракции возникает в диапазоне стабильной кавитации, возникающей в области низких частот. Поэтому разделять сапропель на жидкую и сухую фракции лучше всего ультразвуком низких частот. Выбор этого диапазона частот обусловлен следующими факторами.

Во-первых, частота 20 кГц принята за нижнюю границу возникновения ультразвуковых колебаний. При частотах ниже 20 кГц находится область слышимого звука и процессы кавитации в этой области не наблюдаются.

Во-вторых, в низкочастотной области, лежащей в от 20 кГц до 100 кГц, диапазон интенсивностей ультразвука, в котором наблюдается стабильная кавитация, как это указывалось выше, лежит в области от 1,5 Вт/см до 2,5 Вт/см.

Область частот, лежащая выше 100 кГц относится к области средних частот ультразвука. Для обеспечения стабильной кавитации в области средних частот требуются более мощные излучатели ультразвука, чем для создания упомянутой области в диапазоне низких частот. Это обусловлено тем, что порог кавитации возрастает с увеличением частоты ультразвука. Необходимость применения более мощных излучателей в области средних частот, по сравнению с мощностью излучателей в области низких частот, приводит к усложнению и к удорожанию устройств для разделения нативного сапропеля на сухую и жидкую фазы.

В заявляемом способе наиболее эффективно использовать диапазон интенсивностей стабильной кавитации, который лежит в области от 1,5 Вт/см до 2,5 Вт/см.

Скорость ультразвука в различных средах зависит от их плотности. При разделении сапропеля на жидкую и сухую фракции, при удалении из нативного сапропеля воды и водорастворимых веществ скорость ультразвука непрерывно возрастает (см. фиг.1). При этом ускорение ультразвука также непрерывно изменяется. Такое изменение ускорения ультразвука происходит до тех пор, пока из сапропеля не выделится вся жидкая фаза. После выпарки всей жидкой фазы из сапропеля скорость ультразвука в оставшемся твердом остатке сапропеля (в шроте) стабилизируется и ускорение ультразвука перестает изменяться и становится равным нулю. В этот момент времени процесс выпарки нативного сапропеля прекращают. Выделенную жидкую фракцию из нативного сапропеля концентрируют, путем ее дальнейшего выпаривания и в полученном концентрате солюбилизируют полученный сухой остаток.

Пример конкретного выполнения. Концентрировали две партии сапропеля добытого на озере Карасевое, расположенном в Колпашевском районе Томкой области. Одну партию сапропеля концентрировали по способу-прототипу, а другую - по заявляемому способу. Для реализации способа-прототипа использовали вакуумный выпарной аппарат ВВА-100 [3], имеющий производительность выпарки 100 л/ч. Внутри ВВА-100 создавали разрежение, равное 50 Торр. Нативный сапропель разогревали до температуры 30°C, при которой вода закипала. По истечению 12 часов процесс выделения и концентрирования легкоотделяемых водорастворимых компонентов сапропеля был завершен, и сухой остаток сапропеля был перегружен в барабанную вакуумную сушилку типа С-25, имеющей производительность 20 кг/час по выпаренной влаге. В вакуумной барабанной сушилке создавали разрежение 50 Торр и разогревали сухой остаток до температуры 30°C. Барабан сушилки вращался со скоростью 2 об/с. В процессе сушки шарами барабанной сушилки сухой остаток измельчался в порошок до размеров зерен порошка 20-40 мкм. Измельчать сухой остаток до размеров менее 20 мкм сушилки барабанного типа не позволяют. При размере зерен порошка более 40 мкм падает химическая и биологическая активность порошка. Процесс сушки и измельчения продолжался в течение 10 часов. По завершению окончательной сушки и измельчения сухого остатка его солюбилизировали в полученном концентрате легкоотделяемых водорастворимых компонентов. Измельчение сухого остатка сапропеля повышает его химическую активность, что приводит к более интенсивному процессу солюбилизации сухого остатка в полученном концентрате легкоотделяемых водорастворимых компонентов и к повышению биологической активности целевого продукта.

Концентрирование по заявляемому способу осуществляли точно так же, как и по способу-прототипу. Отличие состояло лишь в том, что в процессе выпаривания нативного сапропеля на него непрерывно воздействовали ультразвуком, частота которого составляла 20 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежала в области стабильной кавитации и равнялась 2 Вт/см². При этом непрерывно измеряли скорость (фиг.1) и ускорение ультразвука. В соответствии с заявляемым способом для интенсификации процесса разделения сапропеля на сухую и жидкую фракции был применен индустриальный звуковой процессор «Hielscher Ultrasound Technology UP» марки UIP 1000 hd [5], который был использован в качестве кавитационного активатора. Скорость ультразвука определяли ультразвуковым измерителем концентрации веществ I:\PIOX® S [6].

Как следует из фиг.1, скорость ультразвука в выпариваемом нативном сапропеле непрерывно изменяется в течение 7 часов. После 7 часов скорость звука стабилизировалась, и его ускорение становилось равным нулю. В момент равенства ускорения ультразвука нулю процесс разделения нативного сапропеля на сухую и жидкую фракцию прекращали. Жидкую составляющую сапропеля концентрировали и солюбилизировали в ней сухой остаток сапропеля (шрот).

Таким образом, заявляемый способ имеет следующие преимущества перед способом-прототипом:

- в заявляемом способе осуществлена разработка контроля процесса разделения нативного сапропеля на фракции, позволяющего точно определить момент времени окончания процесса отделения жидкой фракции, что дает возможность снижать время упомянутого процесса и повысить качество продукта;

- в заявляемом способе за счет воздействия на сапропель ультразвуком процесс разделения сапропеля на сухой и жидкий компонент сокращается по сравнению с прототипом на 30% с 10 часов в прототипе до 7 часов в заявляемом способе.

Используемые источники

1. Патент РФ №1793578. Способ получения веществ, обладающих противовоспалительным действием. // Буркова В.Н., Саратиков А.С., Писарева С.И., Юдина Н.В., Матис Е.Я., Кураколова Е.А., Сибилева Л.А., Москвин В.П., Баневич С.М./ Опубл. 27.09.1996.

2. htt://www.ntpo.com/patents_medicine/ medicine_6/medicine-69/shtml.

3. Патент РФ №2005478. Способ получения концентрата сапропеля. // Бышевский А.Ш., Потапов А.П., Гембаржевский С.Б., Чирятьев Е.А. // Опубл. 1994.01.15.

4. Патент РФ№2477140. Способ получения концентрата сапропеля. // Смирнов Г.В., Смирнов Д.Г., Дведенидов А.Н., Палосон Ю.Р. // Дата публикации заявки: 10.09.2012 Бюл.№25. Опубликовано: 10.03.2013 - Бюл. №7-(Прототип).

5. Inquiry from http://www.hielscher.com.

6.1:\PIOX® S - измеритель концентрации ультразвуковой.mht.

Изобретение относится к медицине, в частности к экспериментальной бальнеологии, и касается способа получения концентрата сапропеля. Способ получения концентрата сапропеля, включающий извлечение и концентрирование легкоотделяемых водорастворимых компонентов сапропеля путем помещения нативного сапропеля в вакуумный выпарной аппарат, внутри которого создают разряжение и разогревают сапропель, в процессе разогрева на него воздействуют ультразвуком, при этом непрерывно или периодически измеряют скорость ультразвука и его ускорение путем дифференцирования скорости ультразвука по времени, при этом указанную процедуру измерений повторяют до тех пор, пока ускорение ультразвука станет равным нулю, после чего процесс отделения легкоотделяемых водорастворимых компонентов из сапропеля и их концентрирование прекращают и осуществляют солюбилизацию сухого остатка в полученном концентрате легкоотделяемых водорастворимых компонентов, при определенных условиях. Вышеописанный способ позволяет снизить время получения концентрата сапропеля и повысить качество продукта. 1 ил., 1 пр.

Способ получения концентрата сапропеля, включающий извлечение и концентрирование легкоотделяемых водорастворимых компонентов сапропеля путем помещения нативного сапропеля в вакуумный выпарной аппарат, внутри которого создают разряжение 50-60 Торр и разогрев сапропеля до 30-40°C и последующую солюбилизацию в полученном концентрате сухого остатка, отличающийся тем, что в процессе разогрева сапропеля на него воздействуют ультразвуком, частота которого лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне низких частот от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см², при этом непрерывно или периодически измеряют скорость ультразвука и его ускорение путем дифференцирования скорости ультразвука по времени, при этом указанную процедуру измерений повторяют до тех пор, пока ускорение ультразвука станет равным нулю, после чего процесс отделения легкоотделяемых водорастворимых компонентов из сапропеля и их концентрирование прекращают и осуществляют солюбилизацию сухого остатка в полученном концентрате легкоотделяемых водорастворимых компонентов.