Гавинский Ю.В., Мисовец А.Н.
| Тип публикации |
Отчет по НИР |
| Авторы |
Гавинский Ю.В., Мисовец А.Н. |
| Название издания |
ЗАО "Эвалар" |
| Год публикации |
1997 |
Отчет по НИР
УТВЕРЖДАЮ
Директор ЗАО "Эвалар"
Л.А.Прокопьева
" " 1997г.
ИССЛЕДОВАНИЕ
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА
В ФАРМАЦИИ
Отчет по поисковой НИР
Исполнители: с.н.с., к.т.н. Гавинский Ю.В.
нач. лаб. Мисовец А.Н.
Бийск-1997
- 2 -
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных физических методов воздействия на ве-
щества с целью интенсификации технологических процессов является
метод, основанный на использовании механических колебаний уль-
тразвукового диапазона.
Наиболее успешно УЗ колебания используются в процессах, свя-
занных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них
возникает специфический процесс - УЗ кавитация, обеспечивающий
максимальные энергетические воздействия на различные вещества.
Воздействие УЗ колебаний на различные технологические про-
цессы позволяет:
не менее чем в 10-1000 раз ускорить процессы, протекающие
между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение,
очистку, обезжиривание, обезгаживание, крашение, измельчение,
пропитку, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, поли-
меризацию, предотвращение накипеобразования, гомогенизацию, эро-
зию, химические и электрохимические реакции и др.);
увеличить выход полезных продуктов (например, экcтрактов) и
придать им дополнительные свойства (например, биологическую ак-
тивность и стерильность);
получить новые вещества (например, тонкодисперсные эмульсии
и суспензии) и реализовать технологические процессы, не реализуе-
мые традиционными методами.
Высокая эффективность УЗ воздействий на различные технологи-
ческие процессы подтверждена многочисленными исследованиями и
опытом более чем тридцатилетнего применения на ряде предприятий
различных отраслей промышленности.
Несомненные достоинства УЗ колебаний должны были бы обеспе-
чить их широчайшее использование при решении сложных проблем сов-
ременных производств, предназначенных для выпуска конкурентоспо-
собной продукции.
Однако, в настоящее время УЗ техника практически не исполь-
зуется из-за высокой стоимости, узкой специализации и низкой эф-
фективности разработанных ранее крупногабаритных промышленных ус-
тановок, практически полного отсутствия малогабаритных высокоэф-
фективных УЗ аппаратов для современных малых и средних произ-
водств, сельского хозяйства, бытового обслуживания, и полного от-
- 3 -
сутствия УЗ аппаратов индивидуального бытового применения.
Развитие УЗ техники и технологии сдерживается также низкой
информированностью потребителей об эффективности УЗ воздействий и
отсутствием методических рекомендаций, учитывающих особенности
применения УЗ технологий в условиях малых производств, сельском и
домашнем хозяйстве.
В настоящее время в лаборатории акустических процессов и ап-
паратов Бийского технологического института Алтайского государс-
твенного университета им. И.И.Ползунова под руководством к.т.н.
В.Н.Хмелева выполнен цикл работ по созданию многофункциональных
малогабаритных УЗ аппаратов, предназначенных для широкого приме-
нения в промышленных и бытовых приложениях /1/. Создан норморяд
различающихся по мощности (25, 40, 160, 400 Вт) недорогостоящих
портативных УЗ аппаратов, с помощью которых можно производить
различные технологические операции без применения дополнительного
специального оборудования.
В связи с теми преимуществами, которые открывает применение
ультразвука, и описанным в литературе опытом его применения в
фармацевтике (см. ниже), авторами настоящего отчета в инициатив-
ном порядке проведены частные эксперименты для подтверждения эф-
фективности применения УЗ при экстрагировании растительного
сырья, возможности и целесообразности более широкого его исполь-
зования в дальнейшем в условиях фармацевтической фирмы "Эвалар".
Эксперименты проведены с использованием аппарата "АЛЕНА"
мощностью 160 Вт, разработанного и изготовленного под руководс-
твом В.Н.Хмелева и любезно предоставленного для проведения поис-
ковых исследований применения ультразвука в фармацевтике.
- 4 -
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. Ускорение экстрагирования лекарственного
сырья растительного и животного происхождения
Одной из наиболее продолжительных стадий переработки расти-
тельного сырья является процесс его экстрагирования. На большинс-
тве заводов экстрагирование осуществляется малоэффективными, тру-
доемкими и длительными методами перколяции (длительность от 6 до
28 ч) и мацерации (длительность несколько суток).
Практика показывает, что одним из наиболее перспективных
способов интенсификации экстрагирования растительного сырья в ус-
ловиях фармацевтических предприятий является применение ультраз-
вука, с помощью которого из растений могут быть выделены физиоло-
гически активные соединения, пищевые красители, отдушки, сахара и
т.д. /2-4/.
Имеется небольшой опыт применения УЗ на з-де "Здоровье тру-
дящимся (г.Харьков), где экстрагированию подвергалась кора рау-
вольфии и плоды амми зубной, и на Дарницком химико-фармацевтичес-
ком з-де (г.Киев) для получения пантокрина и спленина /2/.
В лабораторных условиях с помощью УЗ были получены настой
травы термопсиса, жидкий экстракт спорыньи, отвар змеевика, экс-
тракты красавки, хины, чилибухи, настой шиповника, извлечения из
пилокарпуса, рвотного корня, лупина, сенны, настойки валерианы,
концентраты травы пустырника и горицвета, полифракционный экс-
тракт листьев и плодов боярышника /5/.
Установлено, что ультразвуком частотой 19-44 кГц из растений
с сокращением процесса экстракции на 1-2 порядка можно извлекать
флавоноиды, дубильные вещества, фенолгликозиды, связанные кумари-
ны, антоцианы, фенолкарбоновые кислоты /2/. При этом, как прави-
ло, имеет место не только значительное ускорение процесса извле-
чения из растений полезных веществ, но и увеличение по сравнению
с другими методами экстрагирования выхода основного продукта. Так
например, выход розового и облепихового масла увеличивается на
10-15%, саланидина из ростков картофеля - на 30%, атропина на
18-25%, валериановой кислоты - на 20%, платифиллина - на 15%, фу-
ранахромонов - на 30%, кверцетина - на 47%, эргостерина - на
45-60%, урсоловой кислоты - на 10%. При озвучивании мезги сырой
- 5 -
капусты на одну треть увеличивается выход тартроновой кислоты,
тормозящей превращение в организме углеводов в жиры; на 18% уве-
личивается выход инулина из корней лопуха и клубней топинамбура.
С целью обеспечения максимальной эффективности извлечения
полезных веществ из растительного сырья необходимо учитывать сле-
дующие практически установленные факторы.
1. Процесс экстрагирования, как правило, включает две фазы
/6/: 1) осмотическое набухание (замачивание) с растворением со-
держимого клетки (движение растворителя внутрь клетки); 2) экс-
трагирование (диализ), при котором из клетки через клеточные
мембраны, поры и капилляры происходит транспорт макромолекул
растворенных веществ в объем растворителя.
Процесс замачивания, на который тратится обычно от 4 до 6 ч,
зависит от скорости вытеснения воздуха из клетки, удерживаемого
до тех пор, пока не произойдет его растворение в экстрагенте.
Кроме того, часть воздуха остается внутри клетки.
При применении ультразвука имеет место звукокапиллярный эф-
фект, который не только ускоряет вытеснение пузырьков воздуха, но
и создает условия для их растворения в жидкости. В результате
имеет место резкое сокращения процесса замачивания. Например, в
обычных условиях время замачивания измельченных трав горицвета,
чабреца, пустырника составляет около 2 ч, а корневищ с корнями
валерианы, синюхи, девясила, аира и др. - 6-8 ч. При применении
же ультразвука достаточно 30 мин на замачивание и 10 мин на озву-
чивание, чтобы сырье полностью набухло /2/.
2. На эффективность процесса экстрагирования оказывает влия-
ние морфо-анатомическое строение сырья и его дисперсность.
Для растений, трава которых имеет тонкую рыхлую листовую
пластинку с мягкими оболочками клеток и большим количеством пу-
тепроводящих тканей, межклеточных пространств, размер частиц не
играет существенной роли и может колебаться от 2 до 8 мм. К таким
растениям относятся ландыш, полынь горькая, мята перечная, зверо-
бой, красавка, наперстянка, горицвет, тысячелистник, ромашка, но-
готки и др. Такое сырье быстро набухает, клетки тургоризуются в
течение нескольких десятков минут.
Если же обработке подвергается сильно одревесневшее сырье,
то для интенсификации процесса экстрагирования важно обеспечить
высокую степень дисперсности частиц для минимизации коэффициента
- 6 -
отражения звуковой энергии, усиления процесса растворения и вымы-
вания содержимого из разрушенных клеток. Чем меньше частицы из-
мельченного сухого сырья, тем больше вновь образовавшихся капил-
лярных каналов и ниже адсорбционная прочность сырья. Оптимальный
выход действующих веществ при использовании УЗ для обработки кор-
ней или корневищ чемерицы, женьшеня, стальника, родиолы, замани-
хи, шароплодки, красавки, валерианы, лопуха, крестовника и др.
имел место при размерах частиц 0,25-1,0 мм, для коры дуба, круши-
ны, боярышника, кожуры граната - 0,5-1,5 мм.
Хорошо поддается экстракции измельченное сырье, раздавленное
в "лепесток". Полное истощение такого сырья наступает при величи-
не частиц 0,5 мм и воздействии УЗ в течение 15 мин (частота 19
кГц, интенсивность 2 Вт/см 52 0), при величине частиц 1 мм - через 1
ч озвучивания. При величине частиц 2 мм через 2 ч озвучивания
экстрагируется 97%, при величине частиц 8-10 мм отмечается выход
55% биологически активных веществ, что близко к данным, получен-
ным при экстракции без применения УЗ.
Для одревесневевшего сырья (корней, корневищ, коры, плодов,
семян) особенно важна стадия замачивания. Как правило, из пол-
ностью замоченного сырья экстракция идет быстрее, в то время как
при использовании суховоздушного сырья порой такой эффект не наб-
людается или проявляется незначительно, поскольку звук как бы
"глушится" в буферной зоне, содержащей много газовых включений.
Тем не менее УЗ ускоряет экстракцию действующих веществ и из су-
ховоздушного сырья.
3. С увеличением температуры экстрагента начинается интен-
сивное образование газовых пузырьков на границах раздела и интен-
сивность передачи УЗ энергии падает. Поэтому рекомендуемый диапа-
зон температур, обеспечивающий максимальный выход действующих ве-
ществ, должен находиться в диапазоне 30-60 50 0С. При этом необходимо
учитывать повышение температуры экстрагента за счет поглощения
ультразвука и следить за тем, чтобы она не превышала допустимых
значений.
4. При выборе экстрагента нет особых ограничений на исполь-
зование различных растворителей, если они не взрывоопасны и не
разлагаются. Различные спирты ингибируют окислительные процессы,
возникающие в УЗ поле. В связи с этим при экстрагировании пред-
почтение следует отдавать спиртово-водным смесям. Для демонстра-
- 7 -
ции различий в эффективности УЗ экстрагирования в воде и спирто-
во-водной (70%) смеси ниже приводится таблица результатов выделе-
ния сердечных гликозидов из травы наперстянки /2/.
Таблица 1
---------------------T-----------------------------------------¬
¦Время обработки, мин¦ Содержание сердечных гликозидов, ¦
¦ ¦ мг/100мл ¦
¦ +--------------------T--------------------+
¦ ¦ Вода ¦Спирто-водная смесь ¦
+--------------------+--------------------+--------------------+
¦ 5 ¦ 14,3 ¦ 14,3 ¦
¦ 10 ¦ 13,5 ¦ 18,0 ¦
¦ 20 ¦ 13,1 ¦ 18,3 ¦
¦ 30 ¦ 12,9 ¦ 18,7 ¦
L--------------------+--------------------+---------------------
5. При применении УЗ практикуется добавление к экстракту
глицерина, ПАВ, которые задерживают образование кавитации - ини-
циатора деструктивных изменений. В отдельных случаях в качестве
ингибиторов рекомендуется использовать слабые органические кисло-
ты: винную, лимонную, аскорбиновую, которые кстати лиофилизируют
отдельные соединения, например, алкалоиды.
Добавление к экстрагенту небольших количеств ПАВ (0,1-0,3%)
обеспечивает увеличение выхода полезных веществ.
6. Выход готовой продукции при УЗ экстрагировании в значи-
тельной степени зависит от параметров озвучивания: соотношения
сырья и экстрагента и значения интенсивности УЗ.
Доступ к каждой частице для ультразвука может быть достигнут
или интенсивным перемешиванием, или уменьшением удельной нагруз-
ки, т.е. соотношения сырье/экстрагент. Второй путь в производс-
твенных условиях более осуществим с учетом того, что быстрое пе-
ремешивание плотной массы сырья в большом объеме является техни-
чески трудной задачей. Как показывает практика, рациональная
удельная нагрузка для различных материалов лежит в пределах от
0,07 до 0,25 и уточняется обычно экспериментально в конкретных
случаях экстрагирования того или иного растения.
Что касается выбора интенсивности УЗ, то обычно ориентируют-
- 8 -
ся на таком ее значении, которое не вызывает появления кавитации.
Если этот фактор не оказывает влияния на стабильность экстрактив-
ных веществ, то с увеличением интенсивности УЗ выход действующих
веществ увеличивается. Опытным путем найдено, что для различного
сырья наиболее приемлема интенсивность УЗ в пределах 1,5-2,3
Вт/см 52 0.
С увеличением экспозиции озвучивания выход суммы действующих
веществ пропорционально увеличивается. Однако, исходя из сообра-
жения защиты действующих веществ от разрушения ультразвуком, ра-
циональным является минимальное время озвучивания. Тем не менее
ясно, что выбор временного фактора зависит от степени перемешива-
ния, т.е. подвода частиц к излучающей поверхности, размеров экс-
трактора, в котором осуществляется озвучивание сырья, количества
и местоположения излучателей и т.д.
7. Влияние частоты УЗ на процесс экстракции четко не выявле-
но. При экстрагировании использовались частоты в диапазоне от 19
кГц до 1 МГц. Однако в последнее время отдается предпочтение низ-
кочастотной аппаратуре благодаря ее более высокой экономичности
за счет меньшего поглощения энергии пульсирующими пузырьками в
режиме кавитации и меньшей направленности излучения, что позволя-
ет озвучивать большую площадь, уменьшив тем самым "мертвые зоны".
Практический опыт использования УЗ для извлечения биологи-
чески активных веществ из растений подтверждает его экономическую
выгоду по сравнению с другими способами в отношении сокращения
времени процесса на 1-2 порядка и увеличения выхода основного
продукта. При этом полученные препараты удовлетворяют всем требо-
ваниям Госфармакопеи /2/.
В заключение раздела следует указать, что помимо растений,
экстракции ультразвуком может подвергаться и сырье животного про-
исхождения. Преимуществом такого процесса является то, что его
можно вести при пониженных температурных режимах, что весьма важ-
но для термолабильных веществ. При этом следует учитывать, что
изолированные ферменты весьма неустойчивы к действию УЗ
/7,8/.
Чтобы предотвратить деструкцию биологически активных веществ
по действием УЗ, необходимо в озвучиваемую среду вводить вещест-
ва, ингибирующие окислительные процессы. К ингибиторам относятся
сульфиты, гидрохинон, глицерин, фенольные соединения, аскорбино-
- 9 -
вая кислота, ронгалит, тиосоединения и др. Стабилизируют процессы
деструкции инертные газы, азот, водород и др., которые осущест-
вляют "газовую защиту". Если в озвучиваемой среде присутствует
кислород, то процесс окисления ускоряется в десятки раз.
Экстракция ультразвуком может использоваться для получения
пантокрина, гормонов, витаминов.
2. Диспергирование с помощью ультразвука
и приготовление суспензий
Диспергирующее действие ультразвука может быть использовано
для измельчения мясистых органов и тканей растительного и живот-
ного происхождения, например, листьев алоэ, для очистки плодов,
фруктов, ягод, растительной мезги, для измельчения мелких расти-
тельных клеток (хлореллы, спор, пыльцы), а также для экстракции
некоторых гормональных препаратов из животного сырья, когда тре-
буется тонкая гомогенизация /9/.
Принцип диспергирования растительного сырья с помощью УЗ ос-
нован на том, что под его действием проницаемость клеток увеличи-
вается за счет изменения геометрического размера различных прос-
ветов (устьиц, пор, канальцев и др.), ослабления связи в межкле-
точных соединительных тканях, частичного разрыва клеток в период
кавитации. Все это облегчает и ускоряет процесс извлечения биоло-
гически активных веществ.
Исследования показали, что озвучивание свежих листьев алоэ,
подорожника, каланхоэ, капусты перед прессованием увеличивает вы-
ход сока их сырья в среднем на 10 %. Соки, получаемые с помощью
УЗ, более прозрачны, чем получаемые обычным методом. Оптимальное
время обработки составляет 20-30 мин. Вкус и основные показатели
при УЗ обработке не изменяются.
При получении с помощью УЗ извлечений из свежих малосочных
растений, залитых спиртовыми растворами, отмечаются те же законо-
мерности. Наибольший выход основных действующих веществ наблюда-
ется через 15-20 мин после начала озвучивания. В отдельных случа-
ях при извлечении с помощью УЗ из свежих растений (родиолы розо-
вой, травы донника белого и др.) отмечалось увеличение выхода
суммы извлекаемых веществ на 5-7% по сравнению с классическим ме-
тодом настаивания.
- 10 -
Сокоотдача винограда увеличивается с увеличением времени УЗ
воздействия. Так при 30 минутной обработке выход сока увеличива-
ется с 66 до 71% после первого прессования и с 74 до 79% - после
второго прессования.Время обработки мезги дробленных ягод в тече-
ние 20-30 мин является оптимальным, так как дальнейшее увеличение
времени обработки становится малоэффективным.
Получение материалов сверхтонкой дисперсности (состоящих из
частичек размером в несколько микрометров и меньше) имеет важное
значение, так как от степени измельчения зависят многие характе-
ристики материалов.
Существует множество способов измельчения твердых веществ
(измельчение сухих порошков, измельчение в жидкой среде с помощью
шаровых, струйных и вибрационных мельниц). Однако все они измель-
чают твердые вещества до размеров не менее 100 мкм и только УЗ
диспергирование обеспечивает получение материалов сверхтонкой
дисперсности (1 мкм и менее).
Проведенные исследования /10/ позволили установить, что УЗ
диспергирование (измельчение) происходит за счет кавитации и вза-
имного трения быстродвижущихся и соударяющихся частиц в две фазы.
В первой фазе (протекающей в течении нескольких десятков секунд)
измельчение происходит благодаря наличию в исходных частицах
большого количества микротрещин и поэтому трение частиц о жид-
кость и их взаимные соударения играют определяющую роль. Во вто-
рой фазе измельчение происходит за счет кавитационных ударных
волн, формирующих в частицах новые микротрещины.
Скорость УЗ диспергирования зависит от твердости материала,
от хрупкости и спаянности для материалов и от правильности формы
разрушаемых кристаллов.
Оптимальной для УЗ диспергирования является температура 40 -
60 50 0С. При превышении указанной температуры скорость измельчения
падает.
Для каждого вещества существует оптимальное время УЗ диспер-
гирования, обеспечивающее получение частиц минимального размера.
Длительная обработка может приводить к слипанию частиц и образо-
ванию грубодисперсных суспензий.
Диспергирование используется для приготовления суспензий,
представляющих собой сверхтонкие дисперсии твердых веществ, расп-
ределенные в дисперсной среде - жидкости (вода, спирт, масла и
- 11 -
другие жидкости).
В медицине сверхтонкое диспергирование позволяет получать
лекарственные препараты, обладающие повышенной физиологической
доступностью (усвояемостью) и высокой терапевтической эффектив-
ностью. Кроме того, лекарственная форма со сверхтонко диспергиро-
ванным лекарственным веществом более стабильна при длительном
хранении и точнее дозируется. Ради этого приготавливают суспензии
- жидкие лекарственные формы, в которых тонкие дисперсии твердых
частиц лекарственного препарата размером около 1 мкм равномерно
распределены в жидкостях.
Биологические исследования /11/ показывают, что величина
дисперсности частиц труднорастворимых лекарств определяет не
только скорость и полноту их всасывания в организм, но и время
пребывания (действия) в организме. Введенная в организм суспензия
(например, норсульфазола), приготовленная с помощью УЗ (размер
частиц 3 - 10 мкм), быстрее всасывается в кровь, чем контрольная
(размер частиц 45 - 120 мкм). В первом случае максимальная кон-
центрация норсульфазола в крови отмечалась через 1 - 2 часа, во
втором - через 4 - 4,5 часа.
Однако, многие вещества обладают гидрофобными свойствами. В
такие суспензии необходимо вводить стабилизаторы, например поли-
виниловый спирт (2%) или желатин (1%). В присутствии стабилизато-
ра можно получать устойчивые водные суспензии для внутреннего
потребления, содержащие различные лекарственные вещества: стреп-
тоцид, норсульфазол, синтомицин, а также водно-глицериновые сус-
пензионные линименты, содержащие серу, окись цинка, нитрат висму-
та основной, тальк, антибиотики и др.
Все полученные с помощью ультразвука лекарственные суспензии
являются практически стерильными. Однако, если приготовленная
суспензия предназначена для многократного применения, в нее реко-
мендуется вводить консерванты. Наиболее универсальным консерван-
том является аскорбиновая кислота.
Применение УЗ диспергирования лекарственных препаратов с по-
мощью аппарата "АЛЕНА" является очень эффективным и перспективным
методом приготовления лекарственных суспензий. С помощью аппарата
несложно приготовить устойчивые суспензии гидрофильных (смачивае-
мых жидкостями) веществ, которые равномерно распределяются в
растворителях, долгое время находятся во взвешенном состоянии и
- 12 -
после продолжительного хранения при взбалтывании образуют равно-
мерную взвесь /1/.
При приготовлении лекарственных суспензий с помощью "АЛЕНЫ"
необходимо соблюдать следующие правила.
1. Для ускорения процесса диспергирования твердого вещества
в жидкости необходимо предварительное механическое измельчение
лекарственного препарата (например, растиранием между двуми ме-
таллическими деталями).
2. Для приема лекарственного препарата в виде водной суспен-
зии необходимо диспергировать необходимое лекарственное вещество
(например, таблетированное) в удобном для приема количестве воды
(100 - 200 мл).
3. Время обработки предварительно измельченного препарата в
аппарате составляет 2 - 5 минут. Оптимальная температура суспен-
зии 40 - 60 50 0С.
4. Суспензию для многократного использования необходимо при-
готовлятьв стакане аппарата. После приготовления суспензию пере-
ливают в стеклянную посуду и хранят при низкой температуре.
5. Приготовление лекарственных суспензий для однократного
применения рекомендуется осуществлять в чистой стеклянной посуде
(стакане, чашке и т.п.) и употреблять сразу по готовности.
6. При приготовлении небольших количеств мазей ( например,
стрептоцидовой, тетрациклиновой и др.) в водно-глицериновой смеси
или чистом глицерине рекомендуется использовать неглубокую стек-
лянную посуду (50 - 100 мл). Залив в нее глицерин и поместив в
него предварительно измельченный лекарственный препарат, необхо-
димо погрузить в суспензию рабочий инструмент УЗ колебательной
системы и произвести диспергирование в течении 1 - 3 минут. При
обработке не допускать повышения температуры суспензии выше 80 -
100 50 0С.
Следует отметить еще одно применение суспензий в лечебной
практике. Для сложных радиографических исследований необходимо
очень тонкое измельчение рентгеноконтрастных веществ (сульфита
бария, сурика, углекислого свинца, сульфата цинка и др.). Полу-
ченные с помощью ультразвука суспензии имеют размер частиц до
0,1-0,3 мкм, что позволяет им проникать в любые органы человечес-
кого тела, вплоть до капилляров (сосудистая сеть имеет просвет
сосудов до 7 - 10 мкм).
- 13 -
3. Приготовление эмульсий
Некоторые жидкости трудно или совсем невозможно смешать. К
ним относятся вода и жиры, вода и эфирные масла и др. Смеси таких
веществ называются эмульсиями и потребность в них бывает очень
велика. Барьер несмешиваемости удается преодолеть благодаря кави-
тационным процессам в ультразвуковом поле и получить эмульсии с
размерами частиц менее 1-5 мкм. Эмульсии со столь малым размером
частиц являются устойчивыми и не расслаиваются в течение несколь-
ких часов, суток и даже месяцев.
В фармакологии эмульсии имеют ряд преимуществ перед другими
лекарственными формами одного и того же вещества: они быстро вса-
сываются в организм при любом способе введения, смягчают раздра-
жающее действие лекарственных веществ на слизистые оболочки, в
форме эмульсий ускоряется процесс гидролиза жиров ферментами же-
лудочно-кишечного тракта /8/.
В парфюмерном производстве очень эффективным является ис-
пользование ароматических эмульсий эфирных масел.
Получение лечебных эмульсий, заключающееся в равномерном
распределении лекарственного жидкого препарата в воде, является в
обычных условиях сложной задачей. Однако, лечебные свойства
эмульсий, отмеченные ранее, вынуждают идти на создание специаль-
ных установок для получения эмульсий.
Используемые в настоящее время механические миксеры позволя-
ют получать необходимые эмульсии, однако эти эмульсии являются
неустойчивыми, и не обладают рядом ценных лечебных свойств.
Устойчивость эмульсий, полученных с применением ультразвука,
много выше, чем полученных обычным способом.
Еще одним важным достоинством является сверхтонкое дробление
лекарственного препарата (до 0,1-0,05 мкм), изменяющее его свойс-
тва настолько, что становится возможным неспецифический путь вве-
дения в организм. Например, камфорная эмульсия оказывается при-
годной для внутривенного введения, а кукурузное масло - для па-
рентерального питания.
При приготовлении лекарственных эмульсий с помощью УЗ необ-
ходимо учитывать, что для каждого вещества существует предельная
концентрация получаемой эмульсии. Максимальная концентрация
эмульсий, получаемых с помощью ультразвука без применения стаби-
- 14 -
лизирующих веществ, обычно не превышает 15% (максимальная кон-
центрация эмульсий, получаемых механическим взбиванием, меньше
15%). Применение стабилизаторов (эмульгаторов) позволяет получать
эмульсии с концентрацией более 50%.
Эта зависимость характерна в основном для эмульсий типа во-
да/масло, которые менее устойчивы. Полученные с помощью ультраз-
вука эмульсии масла в воде сохраняют свою стабильность и без
эмульгаторов в течении нескольких месяцев.
При получении эмульсий эфирных масел: розового, укропного,
мятного, пихтового, бархатцев и т.п., эмульгаторы не используют-
ся, так как в составе масляной фазы имеется достаточное количест-
во эмульгирующих природных компонентов - спиртов.
С помощью УЗ аппарата "АЛЕНА" /1/ можно готовить эмульсии
эфирных масел - концентраты, используемые для получения аромати-
ческих вод, принятия лечебных ванн, так как эмульсии легко раз-
бавляются водой.
При получении лечебных масел: касторового, рыбьего жира,
персикового, абрикосового, вазелинового, шиповникового и
т.п., применение стабилизирующего вещества (например, поливинило-
вого спирта в количествах, менее 1%) позволяет получать более
мелкодисперсные и более устойчивые эмульсии, чем без стабилизато-
ров.
При использовании касторового масла за 1 минуту обработки
удается получить устойчивые эмульсии с концентрацией до 10% без
применения стабилизаторов. Эмульсия с концентрацией более 10% по-
лучается грубодисперсной и расслаивается в течении нескольких ча-
сов. Эмульсия касторового масла приготавливается с целью корриги-
рования вкусовых качеств масла для внутреннего применения в педи-
атрической практике. Полученная в результате обработки эмульсия
приятна на вкус, по виду напоминает молоко и устойчива в течении
нескольких часов.
Аналогичные результаты получаются при приготовлении эмульсии
рыбьего жира. Эмульсия полностью утрачивает неприятный вкус и за-
пах жира.
Приготовление эмульсий облепихового и шиповникового масел
для внутреннего и наружного потребления в объемах 200-300 мл осу-
ществляется путем обработки "АЛЕНОЙ" в течении 1-2 мин.
С помощью ультразвука удается получить важные в биологичес-
- 15 -
ком отношении высокодисперсные аэрозоли камфоры и йода в воде.
Максимальная концентрация камфоры за 30 мин обработки составляет
0,6 г на 100 мл воды, что в шесть раз превосходит растворимость
этого вещества в воде при комнатной температуре. За 20 минут об-
работки получается примерно такая же по концентрации эмульсия
(гидрозоль) йода.
С помощью аппарата "АЛЕНА" можно приготавливать также:
- жидкость Шинкаренко (4,5 части рыбьего жира, 4,5 части во-
ды, 1 часть поливинилового спирта) для наружного применения, хо-
рошо распределяющуюся по поверхности мокнущих ожоговых ран;
- водно-вазелиновую эмульсию, стабилизированную поливинило-
вым спиртом (4,0:4,0:2,0), используемую как наружное защитное
средство;
- для внутреннего и наружного потребления можно получать
эмульсии мугроля, альбихтола, сульфидно-стрептоцидовую, стрепто-
цидовую, синтомициновую, нафталанской нефти, лечебных грязей и
др.
При приготовлении эмульсий лечебных масел необходимо учиты-
вать следующее.
1. Устойчивость эмульсий неодинакова и убывает в следующей
последовательности: эфирные масла - рыбий жир - персиковое масло
- касторовое масло - вазелиновое масло.
2. Эмульсии эфирных и лечебных масел наиболее устойчивы при
их получении при 40-45 50 0С.
3. С помощью ультразвука трудно получить эмульсии высокой
концентрации из очень вязких жидкостей: ланолина, глицерина и
т.п.
4. При приготовлении эмульсий рабочий инструмент колебатель-
ной системы рекомендуется располагать по возможности ближе к гра-
нице раздела масло - вода.
5. Во избежании загрязнений стакана аппарата трудноудаляемы-
ми маслами рекомендуется приготавливать эмульсии в стеклянной по-
суде (например, стандартных стеклянных банках, стаканах и т.п.).
4. Ускорение процессов растворения
Растворение - физико-химический процесс, протекающий между
твердой и жидкими фазами и характеризующийся переходами твердого
- 16 -
вещества в раствор.
На практике это один из самых простых и доступных способов
обработки различных компонентов и получения новых веществ. Путем
растворения могут быть получены различные водные, спиртовые, мас-
ляные растворы кристаллических веществ, растворы сухих и густых
экстрактов, сиропов, пигментов и т.п., растворы ароматических,
дезинфицирующих и других веществ. Процесс растворения завершается
исчезновением твердой фазы.
При проведении операции растворения необходимо помнить, что
мерой перехода твердого вещества в жидкость является раствори-
мость. Она зависит от свойств растворителя, природы растворяемых
веществ, температуры процесса и для твердых тел существует пре-
дельное количество твердого вещества, растворимое в определенном
объеме растворителя - концентрация насыщения.
В настоящее время накоплен богатый опыт по ускорению раство-
рения различных веществ с помощью ультразвука /2,8/.
Эксперименты, проведенные с УЗ аппаратом "АЛЕНА", показали,
что его применение позволяет не менее чем в 100 раз ускорить ста-
дию растворения так называемых растворимых веществ, в 10-30 раз -
трудно и медленно растворимых, в 3-5 раз - малорастворимых. При
этом предел растворимости трудно и практически нерастворимых ве-
ществ увеличивается в 5-30 раз. Оптимальной для растворения явля-
ется температура 25-35 50 0С. Оптимальный объем растворителя при ис-
пользовании стакана, входящего в комплект аппарата, 200-250 мл.
Следует помнить, что в процессе работы аппарата происходит погло-
щение УЗ колебаний в обрабатываемой среде и ее температура повы-
шается на 4-5 50 0 за каждую минуту работы. Это необходимо учитывать
при растворении лекарственных препаратов, способных изменять свои
свойства при повышенных температурах (более 60-70 50 0С).
Поскольку наиболее эффективно применение аппарата для раст-
ворения лекарственных и пищевых препаратов, необходимо учитывать
возможность изменения свойств веществ под действием УЗ. Устойчи-
вость веществ под действием УЗ исследовалась многими авторами,
показавшими следующее /2,7,8,12/.
1. Многие антибиотики под влиянием ультразвука увеличивают
свою антибактериальную активность (бензилпенициллин, стрептоми-
цин, тетрациклин, мономицин и др.).
2. Витамины группы В (тиамин, пиридоксин, пантотеновая и ни-
- 17 -
котиновая кислоты, биотин и др.) полностью сохраняются. Витамины
А2, Д2, В12 полностью устойчивы. Аскорбиновая кислота в виде вод-
ных растворов окисляется, но в значительно меньшей степени, чем
при термической обработке продуктов.
3. Молекулы углеводов могут частично разлагаться до более
простых веществ.
4. Белки в ультразвуковом поле, создаваемом аппаратом, депо-
лимеризуются.
Проведенные исследования позволили установить, что получен-
ные с помощью ультразвука растворы лекарственных препаратов отве-
чают всем требованиям отечественной Фармакопеи, а пищевые продук-
ты сохраняют свои свойства.
5. Стерилизация ультразвуком
Еще в 1928 г. было доказано, что обработанные ультразвуком
растворы, эмульсии, суспензии и отвары в течении некоторого вре-
мени после обработки остаются стерильными. В последующие годы,
стерилизующее действие УЗ стало предметом всесторонних исследова-
ний. Были получены многочисленные экспериментальные данные, пока-
завшие следующее.
Гибель клетки штамма при интенсивности 0,8 Вт/см 52 0 составила
40%, при 1,2 Вт/см 52 0 - 54,8%. Гибель клеток подчиняется логарифми-
ческой зависимости от времени, что сильно затрудняет практическое
применение УЗ стерилизации, так как для полного уничтожения, нап-
ример, бактерий теоретически требуется бесконечно долгое время
/13,14/.
Массовый распад микробных клеток при озвучивании отмечается
в момент наступления кавитации. Продолжительность распада клетки
в этот период составляет 12 5. 010 5-2 0 с. При выборе параметров озвучи-
вания предпочтение следует отдавать скорее увеличению интенсив-
ности, чем увеличению времени озвучивания. Тем не менее, варьируя
этими параметрами, можно добиться высокой степени стерилизации
сред, содержащих грамположительные и грамотрицательные, патоген-
ные и непатогенные, аэробные и анаэробные бактерии. Эффект УЗ
стерилизации в период кавитации существенно зависит от расстояния
между кавитационной полостью и микроорганизмами, он уменьшается
обратно пропорционально квадрату расстояния.
- 18 -
Механизм стерилизующего действия УЗ весьма сложен и не раск-
рыт полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором,
возникающим в первую очередь там, где прочность жидкости наимень-
шая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость.
Однако бактерицидное действие УЗ не обязательно должно соп-
ровождаться явлением кавитации - образованием неустойчивых газо-
вых оболочек (каверн). Нарушение клеточной структуры наблюдается
уже во время пульсации стабильных полостей: пузырьков газа, воз-
духа, как правило, всегда находящихся в растворах. Именно внут-
риклеточные разрушения, связанные с большими сдвиговыми напряже-
ниями, возникающими вблизи пузырьков, и приводят к эффекту стери-
лизации, хотя клетка может оставаться неразрушенной.
В дистиллированной воде процесс стерилизации наступает быст-
рее, чем в растворах солей, белков, высокомолекулярных соедине-
ний. Если гонококки в воде для инъекций погибают через 5 мин, то
в физиологическом растворе - через 6 мин, а в сыворотке крови -
через 10 мин, в бульоне с пептоном - через 50 мин. Белки снижают
бактерицидное действие УЗ сильнее, чем липоиды и углеводы. Нали-
чие в растворе газовых включений до определенной концентрации по-
вышает стерилизующий эффект воздействия УЗ. При большой насыщен-
ности газом стерилизующий эффект пропадает.
Существенное значение имеет индивидуальная устойчивость от-
дельных видов микроорганизмов, их форма, размеры. Одноклеточные,
простейшие, дрожжи разрушаются быстрее, чем вирусы, а также мик-
роорганизмы, имеющие линейную величину. При обработке настоев и
отваров ультразвуком в первую очередь погибали плесени, затем
дрожжи, слизеобразующие и в последнюю очередь спороносные бакте-
рии.
Более устойчивы для различных частот и интенсивностей микро-
организмы шаровидной формы: стрептококки, стафилококки, менее -
бактерии палочковидной формы; не выдерживают УЗ нитевидные микро-
организмы. Но и среди микроорганизмов одной и той же формы имеют-
ся различия в устойчивости к УЗ. Так бактериофаги нитевидной фор-
мы более устойчивы, чем имеющие форму шара с отростком.
Разрушаются ультразвуком кишечная, брюшнотифозная, дифтерий-
ная, сенная палочки, бациллы дизентерии, столбняка, сальмонеллы,
кокки, гонококки, трипаносомы, трихомонады, возбудитель паратифа,
тифа и др. Большие интенсивности УЗ оказывают разрушающее дейс-
- 19 -
твие на вирусы табачной мозаики, полиомиелита, энцефалита, сыпно-
тифозные, гриппа. Бактериофаги больших размеров также чувстви-
тельны к действию УЗ. Из патогенных микроорганизмов наибольшую
устойчивость к воздействию УЗ проявляют различные штаммы туберку-
лезных палочек.
Считается общепринятым, что стерилизующее действие УЗ прояв-
ляется при интенсивности 0,5 Вт/см 52 0 и частоте колебаний 20 кГц и
выше /2/, что в несколько раз меньше интенсивности УЗ колебаний
вблизи рабочего инструмента колебательной системы аппарата "АЛЕ-
НА" /1/. Увеличение частоты колебаний ускоряет эффект стерилиза-
ции, так как при этом уменьшается длина волны, а следовательно,
увеличивается ускорение частиц.
Как видно, действие УЗ на микроорганизмы избирательно, что
осложняет в технологическом отношении процесс стерилизации раз-
личных лекарственных форм. В связи с тем, что микрофлора в них
может быть весьма разнообразной, действие УЗ оказывается не всег-
да эффективным. В ряде случаев 100% стерилизации с помощью УЗ до-
биться не удается, а даже столь высокая вероятность стерилизации
как 99,99% совершенно недостаточна. В связи с этим УЗ иногда ис-
пользуют в сочетании с другими известными факторами воздействия
на жизнедеятельность микроорганизмов, в частности, с газами,
растворенными или барботируемыми в раствор лекарственных веществ
(озон, сернистый и углекислый газ, окись углерода, сероводород и
др).
Настои и отвары, приготовленные с помощью УЗ, сохраняются
7-10 дней, В связи с удлинением срока годности можно с помощью УЗ
готовить впрок настои и отвары из следующего сырья /2/: алтейного
корня, корневищ с корнями валерианы, травы термопсиса, пустырни-
ка, горицвета, ландыша, коры дуба. Вязкие слизи, сиропы, густые
экстракты, порошки, таблетки, дрожжи, спансулы плохо стерилизуют-
ся ультразвуком.
Тем не менее в ряде случаев УЗ стерилизацию следует считать
эффективной, поскольку, например в воде, достаточно озвучивания в
течение 5 мин, чтобы была уничтожена почти вся микрофлора /2/.
При этом стерилизацию можно проводить с меньшими экономическими
затратами, экономией антисептиков, сохраняя биологически активные
вещества, ферменты, витамины, так как УЗ стерилизация проводится
при низкой температуре.
- 20 -
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для подтверждения возможности и целесообразности применения
ультразвука в условиях ЗАО "Эвалар" был поставлен лабораторный
опыт по экстракции валерианы общепринятым способом мацерации и
способом, предусматривающим обработку смеси сырье-экстрагент с
помощью УЗ колебаний.
Используемое сырье представляло собой дробленные сухие корни
и корневища валерианы с размерами частиц 7 ` 0 5 - 10 мм стандартной
поставки. Дополнительное измельчение до размеров частиц, указан-
ных в обзорной части (0,25 - 1,0 мм) не производилось.
Образцы настойки валерианы готовились из расчета (1:5) на
40%-ном спирте (20 г корня на 100 мл спирта). Экстракт готовился
из расчета (1:2) на 70%-ном спирте (50 г корня на 100 мл спирта).
Поскольку при таком соотношении смесь (1:2) оказалась слишком
густой (не был учтен коэффициент поглощения экстрагента сухим
сырьем), к каждому образцу было добавлено еще по 100 мл спирта
соответствующей крепости.
Контрольными образцами (N1 и N2) являлись настойка и экс-
тракт, полученные методом мацерации в течение 7 суток. Образцы,
обрабатываемые ультразвуком, предварительно замачивались в тече-
ние 30 мин, а затем подвергались озвучиванию с помощью аппарата
"Алена" в режиме: 5 мин воздействия - 40-50 мин перерыв - повтор-
ное озвучивание. Выбор такого режима с перерывами обусловлен зна-
чительным выделением тепла в процессе УЗ воздействия, что объяс-
няется малой величиной озвучиваемого объема и отсутствием переме-
шивания смеси. Кроме того отсутствие перемешивания приводит к по-
явлению застойных зон в емкости с обрабатываемой смесью и появле-
нию в ней существенных температурных градиентов. После озвучива-
ния немедленно производилось отделение жидкой фракции.
Полученные образцы настоек и экстрактов подвергались контро-
лю на содержание сухого остатка и валериановой кислоты в соот-
ветствии с требованиями Госфармакопеи.
Результаты контроля приведены в таблице 2.
- 21 -
Таблица 2
--------T-------------T------------T--------------T------------T----------------¬
¦ N ¦ Соотнош. ¦ Спирт, ¦ Время ¦ Сухой ¦Валерианов. ¦
¦ обр. ¦ сырье: ¦ % ¦обработки ¦ остаток, ¦ кислота, ¦
¦ ¦ экстраг. ¦ ¦ ¦ % ¦ % ¦
+------+-------------+------------+--------------+-------------+-----------------+
¦Треб. ¦ ¦ ¦ ¦ 3,0 ¦ 0,2 ¦
¦ ГФХ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦ 1 ¦ 1:5 ¦ 40 ¦ 7 сут ¦ 3,4 ¦ 0,3 ¦
¦ 2 ¦ 1:2 ¦ 70 ¦ 7 сут ¦ 7,1 ¦ 0,4 ¦
¦ 3 ¦ 1:5 ¦ 40 ¦ 10 мин ¦ 2,9 ¦ 0,2 ¦
¦ 4 ¦ 1:5 ¦ 40 ¦ 20 мин ¦ 3,4 ¦ 0,3 ¦
¦ 5 ¦ 1:2 ¦ 70 ¦ 10 мин ¦ 6,9 ¦ 0,4 ¦
¦ 6 ¦ 1:2 ¦ 70 ¦ 20 мин ¦ 8,2 ¦ 0,5 ¦
L------+-------------+-----------+---------------+--------------+-----------------
Анализ полученных результатов показывает следующее.
1. Как видно из опыта, для настойки (1:5) и экстракта (1:2)
время УЗ обработки в пределах 10-20 мин достаточно для получения
таких же (или превышающих норму ГФХ) показателей по сухому остат-
ку и содержанию валериановой кислоты, как и при мацерации в тече-
ние 7 суток, т.е. используя УЗ, можно ускорить процесс экстраги-
рования примерно в 500-900 раз.
2. Опыт показывает, что степень измельчения сырья, получае-
мого от поставщика, достаточна для проведения УЗ обработки без
дополнительного уменьшения размеров частиц.
3. Для обеспечения равномерной обработки всего объема смеси
сырье-экстрагент и предотвращения ее локального перегрева уль-
тразвуком требуется механическое ее перемешивание в процессе оз-
вучивания.
4. Наиболее целесообразным с точки зрения технической реали-
зации вариантом применения ультразвука является создание поточной
линии экстрагирования лекарственного сырья, содержащей ряд резер-
вуаров небольшой емкости (3-10 л) для смеси, в которые на время
10-20 мин вводятся лопастная малооборотная мешалка и УЗ излучаю-
щая головка. После окончания озвучивания указанные узлы вводятся
в следующий резервуар, а обработанная смесь подвергается отделе-
нию экстрагента, его фильтрации и т.д.
- 22 -
Достоинствами такой технологической схемы экстрагирования
являются высокая производительность, возможность прекращения и
корректировки цикла обработки в любой момент производственного
процесса, возможность оперативного изготовления препарата неболь-
шими партиями, возможность одновременного экстрагирования сразу
нескольких видов растительного и/или животного сырья.
ВЫВОДЫ
На основании предварительного анализа и экспериментальной
проверки возможностей использования УЗ колебаний на примере экс-
трагирования растительного сырья показано, что ультразвук являет-
ся перспективным технологическим фактором, позволяющим при необ-
ходимости резко интенсифицировать производственные процессы, при-
меняемые в фармацевтике.
Существующие разработки в области ультразвуковой техники
(Бийский технологический институт) обеспечивают возможность и це-
лесообразность их применения в условиях небольших объемов произ-
водства лекарственных препаратов.
При необходимости организации высокопроизводительного поточ-
ного производства лекарственных препаратов (настоек, экстрактов)
возможна разработка соответствующих поточных линий. При этом ос-
новной объем подобных работ, по-видимому, будет определяться не
не столько сложностью разработки УЗ аппаратуры, сколько изготов-
лением соответствующих механических приспособлений, узлов и про-
чего оборудования, учитывающих конкретные особенности производс-
тва лекарственных препаратов.
- 23 -
ЛИТЕРАТУРА
1. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуко-
вые аппараты и их применение в условиях малых производств, сель-
ском и домашнем хозяйстве. Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 1997, 160с.
2. Молчанов Г.И. Ультразвук в фармации. М., Медицина, 1980,
176с.
3. Лысянский В.М. Процесс экстракции сахара из свеклы. М.,
Пищевая промышленность, 1973, 223с.
4. Муравьева Д.А. и др. Исследование новых препаратов почеч-
ного чая. В кн. Конференция по новым лекарственным препаратам,
Томск, 1975, с.128-129.
5. Брук М.М. и др. Получение лекарственных препаратов из
растительного и животного сырья под действием ультразвука. В кн.
Ультразвук в физиологии и медицине. Т.1, Ростов-на-Дону, 1972,
с.115-116.
6. Пономарев В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья. М.,
Медицина, 1976, 204с.
7. Заяс Ю.Ф. Ультразвук и его применение в технологических
процессах мясной промышленности. М., Пищевая промышленность,
1970, 292с.
8. Эльпинер Е.И. Биофизика ультразвука. М., Наука, 1973,
384с.
9. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пи-
щевых продуктов. М., Пищевая промышленность, 1974, 584с.
10. Левковский Ю.Л., Чалов А.В. Влияние турбулентности пото-
ка на возникновение и развитие кавитации. Акустический журнал,
1978, т.24, вып.2, с.221-227.
11. Тепцова А.И., Ажгихин И.С. Терапевтическая эффективность
лекарств. М., Медицина, 1974.
12. Назаров Б.В., Молохова Л.Г., Фигуркин Б.А. Устойчивость
алкалоидов дымянки аптечной к воздействию ультразвуковых колеба-
ний. В кн. Технология лекарств и фитохимических препаратов. Т1,
Пермь, 1973, с.45-46.
13. Вернигора П.Ф. и др. Методы ультразвуковой дезинтеграции
в микробиологических исследованиях. Акустический журнал, 1975,
Т.21, N2, с.316-317.
14. Сарвазян А.П. О механизме биологического действия уль-
- 24 -
тразвука. В кн. Ультразвук в физиологии и медицине. Ч1. Уль-
яновск, 1975, с.27-32.
