Спосіб вилучення мікрофлори з рідини

1 Спосіб вилучення мікрофлори з рідини, який включає введення магнітної речовини з на Винахід належить до технології очистки рідин від бактерій та вірусів і може бути використаний для знезараження води, для консервування соків і напоїв у харчовій промисловості, для зменшення скисання молока та продуктів його переробки, а також для стерилізації миючих розчинів у медицині Винахід може знайти застосування для концентрування мікроорганізмів при експрес-методах їх виявлення і для цілеспрямованого накопичення мікрофлори з наступним використанням у бютехнолопчних процесах ВІДОМІ способи вилучення мікрофлори з рідин Існує, наприклад, спосіб, що базується на введенні у рідину допоміжної магнітної речовини ("О технологических процессах очистки воды с использованием вспомогательного магнитного вещества" Г С Никольский, В М Боровский, В Б Ерошенко и др ФТИНП АН УССР Препринт № 1685 - Харьков, 1985, - 32 с ) Для реалізації способу використовують порошки феромагнітних матеріалів, сорбційну здатність яких збільшують за рахунок надання частинкам поверхневого заряду шляхом хімічної обробки порошку Видаляють частинки з рідини методом осадження, причому з метою підвищення швидкості осадження суспензію поміщають у зовнішнє постійне магнітне поле Недоліками способу є утворення осаду і забруднення фільтрату ХІМІЧНИМИ речовинами, якими попередньо оброблюють феромагнітний порошок Відомий спосіб стерилізації інструменту в процесі його миття, оснований на введенні у рідину феромагнітного порошку і дії на суспензію вш ступним и видаленням, який відрізняється тим, що в рідину додають феропорошок з розміром частинок 0,1-1 мкм в КІЛЬКОСТІ 200-300 мг/л, пе ремішують утворену суспензію ультразвуком протягом 5-10 хвилин з одночасним накладанням змінного магнітного поля звукової частоти та індукції (0,2-ь0,5)Вг, де Вг - залишкова індукція матеріалу порошку, потім рідину з ферочастинками пропускають через електромагнітний фільтр 2 Спосіб по п 1, який відрізняється тим, що суспензію феромагнітних частинок перемішують механічним змішувачем ультразвуком (Гриценко А Г , Кузема А С , Лялько И С , Чуйко А А , Огенко В М , Гриценко К А Способ стерилизации инструмента Авторское свидетельство №1050711, кл A61L 2/02 - Бюл № 3, 1992) Частинки феромагнітного порошку, які знаходяться в завислому стані у рідині та здійснюють коливальні рухи під дією ультразвуку, очищують поверхню виробів від забруднень, що містять мікрофлору Після накладення постійного магнітного поля феромагнітні частинки намагнічуються і видаляються з рідини разом з елементами забруднення Спільними суттєвими ознаками відомого і запропонованого технічних рішень є введення в рідину феромагнітного порошку, обробка утвореної суспензії ультразвуком і наступне вилучення феромагнітних частинок з рідини До причин, які перешкоджають досягненню технічного результату, що може бути отриманий при використанні запропонованого винаходу, відносяться - необхідність використання ультразвукових коливань великої потужності та значна витрата порошку, - відсутність можливості повного вилучення мікрофлори, що міститься в рідині, а не на інструменті, через низьку сорбційну здатність феромагнітних частинок Завдання запропонованого винаходу полягає в підвищенні ефективності вилучення мікрофлори з рідини шляхом збільшення сорбційної здатності феромагнітних частинок, що знаходять ю 00 ^ СО 43485 ся в рідині, а також в розширенні функціональних можливостей відомого способу Це досягається тим, що в рідину додають феропорошок з розміром частинок 0,1-1 мкм в КІЛЬКОСТІ 200-300 мг/л, перемішують утворену суспензію ультразвуком протягом 5-10 хвилин з одночасним накладанням змінного магнітного поля звукової частоти та індукцією величиною (0,2 -ь 0,5)Вг, де Вг - залишкова індукція матеріалу порошку, після чого рідину з ферочастинками пропускають через електромагнітний фільтр Перемішування можно здійснити механічним способом Наведемо обгрунтування запропонованого способу Для цього спочатку розглянемо механізм вилучення мікроорганізмів ферочастинками Умовою ефективної взаємодії ферочастинок з наявною в рідині мікрофлорою є рівномірний розподіл частинок в об'ємі рідини Це досягається їх механічним чи ультразвуковим перемішуванням до завислого стану При дії на утворену суспензію імпульсу магнітного поля частинки намагнічуються й притягуються одна до одної, утворюючи ланцюжки, витягнуті в напрямі ЛІНІЙ магнітної індукції Оскільки частинки електропровідні, на кожній з них наводиться електрорушійна сила, величина якої згідно закону Фарадея визначається співвідношенням E = -S dB dt де S - площа поперечного перерізу частинки, а dB зміна магнітної індукції в часі Під ДІЄЮ електрорушійної сили в частинках виникають струми, які протікають в площині, перпендикулярній до ЛІНІЙ магнітної індукції При цьому електрони, які рухаються в магнітному полі, відхиляються під дією сили Лоренца в певну сторону, в результаті чого на протилежній стороні частинки накопичуються додатні заряди, тобто має місце ефект Хола (Яворский Б М , Детлаф А А Справочник по физике - М Наука, 1974, с 404) Між віссю частинки та її зовнішньою поверхнею виникає різниця потенціалів, яка рівна U=R де R - постійна Хола, І - величина наведеного в частинці струму, d - ЛІНІЙНИЙ розмір частинки в напрямку ЛІНІЙ магнітної індукції Для напівпровідників постійна Хола значно більша, ніж для металів, то й різниця потенціалів, яка виникає на частинці, буде більшою на напівпровідникових частинках, ніж на металічних частинках Необхідно зазначити, що на поверхні феромагнітних частинок з'являється електричний заряд і внаслідок їх тертя з рідиною в процесі орієнтації в напрямку ЛІНІЙ магнітної індукції Цей механізм утворення електричного заряду на поверхні частинок є основним і дає гарні наслідки у випадку, коли частинки неелектропровідні, наприклад виготовлені із фериту Дію ферочастинок на компоненти мікрофлори тепер ми можемо пояснити наступним чипом На протязі проміжку часу ti - Ь (див рис 1) магніт на індукція, яка діє на ланцюжок орієнтованих в магнітному полі феромагнітних частинок, зростає dB ( — > 0) Між ВІССЮ частинки та и поверхнею виникає імпульс напруги відповідної полярності (рис 2), а на поверхні частинок з'являються заряди Бактерії чи віруси, які знаходяться в русі, обумовленому дією механічних або ультразвукових вібрацій, зштовхуються з поверхнею ферочастинок та електризуються В результаті цього компоненти мікрофлори будуть являти собою електричні диполі, в яких заряди протилежних знаків рівні по величині, але зміщені відносно один одного (рис 3) На протязі проміжку часу Ь - h (рис 1) індукція /dB _, магнітного поля зменшується ( — < 0), полярність імпульсу напруги на частинках змінюється на протилежну (рис 2), і компоненти мікрофлори, які зштовхуються з ферочастинками, також електризуються (рис 3) На протязі проміжку часу t3 - U магнітне поле відсутнє (рис 1), тому під дією механічних чи ультразвукових вібрацій ланцюжки з ферочастинок руйнуються, і частинки хаотично перемішуються в рідині Компоненти мікрофлори, які в момент часу t-і -12 -13 були електризовані, в проміжок часу t3 - U взаємодіють з іонами рідини і між собою За рахунок сил електричного притягання, що існують між різнойменними зарядами, електризовані компоненти мікрофлори злипаються один з одним, утворюючи асоціати, які сорбуються ферочастинками Після ДІЇ наступного імпульсу магнітної індукції (момент часу U - ts -16) процес повторюється, і утворюються нові асоціати бактерій та вірусів, які при контакті з ферочастинками утримуються за рахунок сорбційної здатності останніх на їх поверхні При цьому КІЛЬКІСТЬ мікрофлори, сорбованої одиницею поверхні ферочастинки, суттєво збільшується, оскільки бактерії чи віруси розташовуються в декілька шарів Електризація мікроорганізмів пригнічує їх ЖИТТЄДІЯЛЬНІСТЬ, що посилює ефект утримання мікрофлори ферочастинками Як показали дослідження, ефективність процесу вилучення ферочастинками мікроорганізмів і рідини залежить від частоти та інтенсивності імпульсів магнітного поля При малих частотах КІЛЬКІСТЬ електризованих компонентів мікрофлори в одиницю часу, а отже і число асоціатів, буде незначним, що потребує збільшення тривалості процесу очистки При великій частоті імпульсів магнітного поля ланцюжки орієнтованих в ньому ферочастинок не встигають зруйнуватись повністю, ефективність їх перемішування в об'ємі рідини зменшується, в результаті чого зменшується й імовірність контактів частинок з мікроорганізмами, а отже і сорбція мікроорганізмів на частинках Тому для кожної рідини існує своя оптимальна частота імпульсів магнітного поля, величина якої встановлюється експериментальним шляхом Наведемо тепер фізичне обгрунтування діапазону величин магнітної індукції При значеннях магнітної індукції, які перевищують 0,5 Вг, посилюється ефект злипання частинок за рахунок їх більш сильного намагнічування, в результаті чого зменшується питома поверхня частинок та сорбційна здатність феропорошку При значеннях маг 43485 нітної індукції менших 0,2Вг на ефективність процесу вилучення мікрофлори впливає зменшення електричного заряду на частинках, через що знижується електризація компонентів мікрофлори та формування асоціатів В зв'язку з цим при використанні феромагнггних порошків з великим значенням залишкової індукції величину інтенсивності змінного магнггного поля встановлюють у межах (0,2 -ь 0,3)Вг, а при використанні порошків з малими значеннями Вг інтенсивність зовнішнього магнітного поля встановлюють у межах (0,3 -ь 0,5)Вг Експериментальна перевірка запропонованого способу проводилась на молоці та на воді, забрудненій спеціально культурами кишкової палички та стафілококу (0,5 одиниць на 1 мл) Першу серію ДОСЛІДІВ проводили на молоці, яке мало третю чи четверту категорію якості по обсіменінню та згортанню Частинки фериту барію розміром 0,1 1 мкм стерилізували, вносили в ємкість з молоком та перемішували ультразвуком потужністю 0,16 Вт/см і частотою 22 кГц Джерелом ультразвукових коливань служив диспергатор УЗДН-А Одночасно з ультразвуком молоко оброблювали змінним магнітним полем індукції 40 мТл за допомогою апарату "АРАМЭС" Тривалість дії складала 10 хвилин Після обробки ємкість з молоком поміщали на деякий час в постійне магнітне поле величиною 0,05 Тл Феромагнітні частинки з мікрофлорою утримувались цим полем на дні посудини, а молоко зливали в чисту ємкість Проби обробленого та необробленого молока піддавали мікробіологічному аналізу та оцінювали якість молока з використанням методів визначення редуктази з резазурином, проби на бродіння, сичужно-бродильної проби (ГОСТ 9225-84 "Молоко и молочные продукты Методы микробиологического анализа") Відпрацьовані частинки промивали, кип'ятили у воді на протязі 15 хвилин, висушували, стерилізували сухим жаром, після чого вони ставали знову придатними до застосування По експериментальних даних визначили залежність якості молока від КІЛЬКОСТІ внесених частинок фериту барію (рис 4) і залежність якості молока від частоти змінного магнітного поля (рис 5) та його інтенсивності (рис 6) В результаті цього було встановлено, що для покращення якості молока на три категорії по обсіменінню та згортанню необхідно в сирий продукт внести частинки фериту барію в КІЛЬКОСТІ не менше 300 мг/л, привести їх ультразвуком у збуджений стан та обробити змінним магнітним полем частоти 50 Гц й інтенсивності 40 мТл (0,25 Вг) на протязі 10 хвилин В другій серії ДОСЛІДІВ вивчалась можливість застосування запропонованого способу для знезараження води від патогенної мікрофлори, спеціально в неї внесеної Відбір проб та проведення аналізів виконували у ВІДПОВІДНОСТІ З ГОСТОМ 18963-73 "Вода питьевая Методы санитарно-бактериологического анализа" Вода перед аналізом на мікрофлору фільтрувалась через стерильні багатошарові фільтри для вилучення частинок Посіви проводились як з фільтрату, так і з фільтрів Попередньо експериментальним шляхом визначили оптимальну частоту електромагнітного поля Інші параметри фізичних факторів залишились такими ж, як при обробці молока По залежності якості води від КІЛЬКОСТІ внесених в неї феромагнітних частинок визначили мінімальне значення їх концентрації, при якій досягається максимальний ефект видалення мікрофлори Концентрація виявилась рівною 200 мг/л Потім крім контрольної проби досліджували ще п'ять проб води вода, оброблена тільки ультразвуком, вода з внесеними частинками окислів заліза (у-РегОз), оброблена ультразвуком вода з такими ж частинками, але оброблена ультразвуком з накладанням електромагнітного поля вода з внесеними частинками фериту барію (ВаО бРегОз), оброблена тільки ультразвуком, вода з частинками фериту барію, оброблена ультразвуком з накладанням електромагнітного поля В результаті мікробіологічного аналізу вказаних проб встановлено, що дія одного ультразвуку як на контрольну, так і на ДОСЛІДНІ проби води з ферочастинками не зменшує загальну КІЛЬКІСТЬ мікрофлори у фільтраті Дія ультразвуку, ферочастинок і змінного магнітного поля покращує якість води на три категорії (від помірно забрудненої до чистої) При цьому ефективність видалення мікрофлори при використанні частинок фериту барію виявилась у два рази вищою, ніж при використанні частинок окислів заліза Аналіз мікрофлори, взятої з фільтрів, показав, що феропорошки, затримані фільтром, містять КІЛЬКІСТЬ мікрофлори, рівнозначну КІЛЬКОСТІ и в контрольних пробах невідфільтрованої води Аналогічні досліди були проведені із зразками річної води, взятої в зимовий період року Повне знезаражування води запропонованим способом підтверджене актом, який додається до даного опису Таким чином, сорбційна здатність ферочастинок по відношенню до бактерій та вірусів, що знаходяться в рідині, суттєво зростає при обробці феромагнітної суспензії змінним магнітним полем звукової частоти Тому запропонований винахід дозволяє не тільки виконати очистку інструменту від мікрофлори, але й повністю видалити мікрофлору з рідини Приклад. Циліндричну ємкість із немагнітного матеріалу МІСТКІСТЮ 0,5 л наполовину наповнюють водою, із якої потрібно вилучити мікрофлору Додають до води 150 мг порошку фериту барію з розміром частинок 0,1 - 1 мкм Потім розміщують ємкість між полюсами електромагнггу, приєднаного до генератора електромагнітних імпульсів Встановлюють режим роботи цього генератору, при якому між полюсами електромагнггу утворюється магнітне поле індукції 40 млТ частотою 10 Гц Вставляють у ємність з водою випромінювач ультразвуку таким чином, щоб його кінець знаходився посередині об'єму води Встановлюють потужність генератора ультразвуку 0,16 Вт/см2 Вмикають генератор ультразвуку і вслід за ним генератор електромагнітних імпульсів Обробляють воду, що знаходиться в ємкості, протягом 7 хвилин, потім вимикають генератор електромагнітних імпульсів і генератор ультразвуку, а воду з ферочастинками пропускають через електромагнітний фільтр Після цього вода готова для вживання Використання запропонованого способу в народному господарстві забезпечить великий економічний та соціальний ефект, оскільки дозволяє 43485 створити фільтраційні системи з широкими функціональними можливостями, прогресивні технологи переробки й зберігання харчових продуктів і принципово нові стерилізатори для запобігання розповсюдження гепатиту, СНІДу та інших вірусних захворювань t Фіг. 1 t Фіг. 2 t 43485 и t Фіг. З клас молока III |V ІОО 200 500 концентрація частинок, мг/л Фіг. 4 клас молока частота імпульсів магнітного поля, Гц Фіг. 5 t 43485 20 інтенсивність магнітного поля, мТл ФІГ. 6 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3