Способ сорбционно-контактного обезвоживания высокодисперсных биологически активных материалов

Способ сорбционно-контактного обезвоживания высокодисперсных биологически активных материалов

Реферат

Изобретение относится к медицине и фармацевтической промышленности и касается способа получения сухих биологически активных материалов сорбционно-контактным обезвоживанием.

Известен способ контактно-сорбционного обезвоживания термолабильных материалов, предусматривающий сушку и стерилизацию наполнителя-сорбента и поступление его в бункер-накопитель, проверку его стерильности и влагосодержания, последующее смешение компонентов в камере при температуре окружающей среды путем одновременного диспергирования высушиваемого материала с наполнителем-сорбентом (RU, патент 1363918 A1, F26B 5/16, 3/12, 10.06.1996).

Основным недостатком известного аналога является невозможность получения сухих высокодисперсных порошков по причине сильной адгезии лабильных биологически активных материалов на носителе-сорбенте и соответствующей потери дисперсности.

Известна пробиотическая добавка и способ ее получения, предусматривающий смешивание биомассы спорообразующих бактерий Bucillus subtilis, носителя-сорбента - аэросилов гидрофильного марки А и гидрофобного марки AM, вспомогательных веществ - смолы-катиониты ионообменные марок КБ-4П-2 и КУ-2-8 и обезвоживание полученной смеси методом капилярно-сорбционного высушивания до содержания влаги в готовом продукте (8-25)% (RU, заявка 2002129938 A, C12N 1/20, A23K 1/165, A61K 35/66, F26B 5/16, 10.08.2004).

Известен сухой пробиотический препарат и способ его получения, предусматривающий получение жидкой биомассы путем смешения нативной культуры лактобактерий с белково-углеводным комплексом, контактное обезвоживание полученной жидкой биомассы влагоемкой ионообменной смолой КБ-4П-2 с размерами частиц от 1 до 800 мкм, предварительно обработанной смесью лактозы безводной и аэросила гидрофобного (RU, патент 2268926 C2, C12N 1/20, A23C 9/12, F26B 5/16, 10.03.2005).

Известен способ получения сухого пробиотического препарата, в соответствии с которым культуру бифидобактерий или стрептококка, выращенную в условиях глубинного культивирования, смешивают с защитной средой, проводят контактно-сорбционное обезвоживание целевого продукта охлажденным до минус 8-10°C сорбентом, например окисью алюминия с остаточной влажностью менее 1% при массовом соотношении 1:10-1:12, соответственно и осуществляют досушивание в течение 18-20 часов при температуре 0-5°C в замкнутом объеме (RU, патент 2067114 C1, C12N 1/20, A61K 35/74, C12N 1/04, 27.09.1996) (прототип).

Основным недостатком известных аналогов и прототипа в том числе, является большая потеря активности действующих веществ в процессе обезвоживания лабильных биологически активных материалов.

В основу заявляемого изобретения положена задача повышения активности действующих веществ в процессе обезвоживания лабильных биологически активных материалов.

Задача решена тем, что жидкую фазу обезвоживают из микрокапельного состояния, стабилизированного сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц.

В результате проведенных исследований нами впервые показано, что сорбционно-контактное обезвоживание материалов, в которых жидкая фаза находится в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, осуществляемое в реакторе, сопровождается различными процессами: гидромеханическими, тепло- и массообменными, биофизическими. В результате контакта частиц сорбента с обезвоживаемым материалом сорбент начинает поглощать влагу, а материал - терять ее. Увеличение продолжительности контакта приводит к диффузионному влагопереносу в отдельной частице и в объеме сорбента, что сопровождается выделением некоторого количества тепла. С течением времени образуется однородная смесь увлажненного сорбента и сухого порошка, в системе наступает термодинамическое равновесие.

Механизм контактно-сорбционного массообмена определяется динамикой сорбции, которая в свою очередь является функцией ряда параметров: влагоемкости сорбента, длительности контакта с сорбентом, поверхности сорбции и других [Тутова Э.Г., Куц П.С. Сушка продуктов микробиологического производства. - М.: Агропромиздат, 1987. - 303 с.].

Преимущество обезвоживания жидкостей, содержащих биологически активные вещества, из микрокапельного состояния, стабилизированного сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, заключается в том, что такое состояние формирует развернутую поверхность жидкости в порошке, составляющую по нашим данным 0,04-0,09 м² в 1 см³ порошка, что обеспечивает большую площадь контакта с сорбентом и, соответственно, малую продолжительность переноса основной массы свободной влаги к сорбенту (до 2 минут).

Это в свою очередь позволяет быстро проходить отрезок относительной влажности микрокапельного порошка в смеси в диапазоне «критической влажности» 7-8%, соответствующей 22-28% относительной влажности биологически активных веществ (например, микроорганизмов) и обусловливающей их массовую инактивацию [Monk G.W., McCaffrey P.A., Davies M.S. Studies on the mechanism of sorbed water killing of bacteria // J. Bacteriol. - 1957. - V.73. - P.661-672], что приводит к повышению активности действующих веществ в процессе обезвоживания лабильных биологически активных материалов.

Согласно изобретению повышение активности действующих веществ в процессе обезвоживания лабильных биологически активных материалов обеспечивается тем, что жидкую фазу обезвоживают из микрокапельного состояния, стабилизированного сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц.

Заявляемый способ сорбционно-контактного обезвоживания высокодисперсных биологически активных материалов является новым и в литературе не описан.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение активности действующих веществ в процессе обезвоживания лабильных биологически активных материалов. Технический результат достигается при использовании сорбента с температурой минус 10-20°C.

Сущность изобретения поясняется на следующих примерах, показывающих повышение активности действующих веществ в процессе обезвоживания лабильных биологически активных материалов при реализации способа.

Содержание в препаратах жизнеспособных аэробных микроорганизмов: Francisella tularensis, Yersinia pestis, Serratia marcescens, Entherococcus faecium определяли методом Пастера-Коха на твердых питательных средах. Содержание жизнеспособных анаэробных микроорганизмов Bifidobacterium bifidum определяли в жидких питательных средах методом предельных разведений. Биологическую активность препаратов иммуноглобулинов характеризовали противосальмонеллезной активностью (в титрах РПГА) [ФС 42-3347-97]. Концентрацию вируса вакцинного штамма La-Sota болезни Ньюкасла определяли культивированием в аллантоисной жидкости куриных эмбрионов [Сюрин В.Н., Белоусов Р.В., Фомина Н.В. Ветеринарная вирусология. - М.: Колос, 1986]. Стерилизацию сорбентов с одновременным обезвоживанием проводили в сухо-жаровом шкафу SUP-4 при температуре 120°C с выдержкой в установившемся тепловом режиме не менее 2 часов.

В качестве высокодисперсного гидрофобного разобщителя с наноразмерами частиц использовали высокодисперсный гидрофобный диоксид кремния - аэросил [Кинетика измельчения биопрепаратов в аппарате на базе плоского двухстороннего индуктора / Давыдкин И.Ю., Давыдкин В.Ю., Давыдкин Ю.П., Синицын Л.Е., Гаврин А.Г. // Медицинская промышленность и биотехнология. Наука-производство-маркетинг. - 1992. - Вып.5-6. - С.51-58; Разновидности наночастиц и их применение в биологии и медицине. - http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy].

Пример 1. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии микроорганизмов Francisella tularensis штамма №33 НИИЭГ с лактозной защитной средой в соотношении 2:1. Микрокапельный порошок туляремийной вакцины получали, диспергируя суспензию Francisella tularensis штамма №33 НИИЭГ с pH=7,0 и содержанием жизнеспособных микроорганизмов 530×10⁹ КОЕ/мл в присутствии гидрофобного аэросила AM-1-300 при их соотношении 10:3, в электромагнитном диспергаторе в течение 20 с.

Затем микрокапельный порошок туляремийной вакцины с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с концентрацией жизнеспособных микроорганизмов 485×10⁹ KOE/г смешивали с сорбентом КБ-4П-2 с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-15°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:8 в барабанном смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого туляремийного вакцинного препарата и его влагосодержание представлены в таблице.

Пример 2. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии микроорганизмов Yersinia pestis штамма EV НИИЭГ с лактозной защитной средой в соотношении 2:1. Микрокапельный порошок чумной вакцины получали, диспергируя суспензию Yersinia pestis штамма EV НИИЭГ с pH=7,1 и содержанием жизнеспособных микроорганизмов 360×10⁹ KOE/мл в присутствии гидрофобного аэросила AM-1-300 при их соотношении 10:2,5, в электромагнитном диспергаторе в течение 25 с.

Затем микрокапельный порошок чумной вакцины с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с концентрацией жизнеспособных микроорганизмов 320×10⁹ KOE/г смешивали с сорбентом КБ-4П-2 с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-15°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:6 в шнековом смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого чумного вакцинного препарата и его влагосодержание представлены в таблице.

Пример 3. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии микроорганизмов Serratia marcescens шт. ВКМ-851 с лактозной защитной средой в соотношении 2:1. Микрокапельный порошок тест-культуры для проверки фильтров очистки воздуха получали, диспергируя суспензию Serratia marcescens шт. ВКМ-851 с pH=6,9 и содержанием жизнеспособных микроорганизмов 130×10⁹ KOE/мл в присутствии гидрофобного аэросила АМ-1-300 при их соотношении 10:4, в электромагнитном диспергаторе в течение 30 с.

Затем микрокапельный порошок тест-культуры для проверки фильтров очистки воздуха с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с концентрацией жизнеспособных микроорганизмов 126×10⁹ KOE/г смешивали с сорбентом КБ-4П-2 с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-15°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:4 в шнековом смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность тест-культуры для проверки фильтров очистки воздуха и ее влагосодержание представлены в таблице.

Пример 4. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии микроорганизмов Bifidobacterium bifidum шт. 1C с сахарозо-молочной защитной средой в соотношении 2:1. Микрокапельный порошок пробиотического препарата получали, диспергируя суспензию Bifidobacterium bifidum шт. 1С с pH=7,0 и содержанием жизнеспособных микроорганизмов 1,4×10⁹ KOE/мл в присутствии гидрофобного аэросила AM-1-300 при их соотношении 10:3, в дисковом диспергаторе в течение 15 с.

Затем микрокапельный порошок пробиотического препарата с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с концентрацией жизнеспособных микроорганизмов 1,4×10⁹ KOE/г смешивали с сорбентом - дисперсной окисью алюминия с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-15°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:6 в барабанном смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого пробиотического препарата и его влагосодержание представлены в таблице.

Пример 5. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии микроорганизмов Entherococcus faecium с лактозной защитной средой в соотношении 2:1. Микрокапельный порошок пробиотического препарата получали, диспергируя суспензию Entherococcus faecium с pH=7,2 и содержанием жизнеспособных микроорганизмов 1,8×10⁹ KOE/мл в присутствии гидрофобного аэросила AM-1-300 при их соотношении 10:3, в электромагнитном диспергаторе в течение 20 с.

Затем микрокапельный порошок пробиотического препарата с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с концентрацией жизнеспособных микроорганизмов 1,4×10⁹ KOE/г смешивали с сорбентом - дисперсной окисью алюминия с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-15°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:5 в шнековом смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого пробиотического препарата и его влагосодержание представлены в таблице.

Пример 6. Объект обезвоживания готовили смешением раствора иммуноглобулинов IgG, IgA, IgM с глицином (2%) в качестве защитной среды. Микрокапельный порошок иммунобиологического препарата получали, диспергируя раствор иммуноглобулинов IgG, IgA, IgM с pH=7,0 и противо-сальмонеллезной активностью 1:640 в титрах РПГА в присутствии гидрофобного аэросила R 972 при их соотношении 10:2, в дисковом диспергаторе в течение 20 с.

Затем микрокапельный порошок иммунобиологического препарата с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с противосальмонеллезной активностью 1:640 в титрах РПГА смешивали с сорбентом КБ-4П-2 с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 15-20°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:6 в барабанном смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого иммунобиологического препарата и его влагосодержание представлены в таблице.

Пример 7. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии микроорганизмов Bifidobacterium bifidum шт. 1C с лактозной защитной средой в соотношении 2:1 с раствором иммуноглобулинов IgG, IgA, IgM с глицином (2%) в качестве защитной среды. Микрокапельный порошок комплексного иммунобиологического препарата получали, диспергируя суспензию микроорганизмов Bifidobacterium bifidum шт. 1C в смеси с раствором иммуноглобулинов IgG, IgA, IgM с pH=7,0, противосальмонеллезной активностью 1:640 в титрах РПГА, содержанием жизнеспособных микроорганизмов 1,3×10⁹ KOE/мл в присутствии гидрофобного аэросила AM-1-300 при соотношении суспензия: аэросил 10:3, в дисковом диспергаторе в течение 15 с.

Затем микрокапельный порошок комплексного иммунобиологического препарата с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с концентрацией жизнеспособных микроорганизмов 1,3×10⁹ KOE/г и с противосальмонеллезной активностью 1:640 в титрах РПГА смешивали с сорбентом - дисперсной окисью алюминия с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-15°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:6 в шнековом смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого комплексного иммунобиологического препарата, состоящего из сухих частиц (смеси иммуноглобулинов и бактериальных клеток с компонентами защитной среды), стабилизированных сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, и сорбента, составила 1×10⁸ KOE/г и 1:160 в тирах РПГА, а его влагосодержание 10,6% (препарата по прототипу не существует).

Пример 8. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии микроорганизмов Bifidobacterium bifidum шт. 1C с лактозной защитной средой в соотношении 2:1 и с суспензией офлоксацина с концентрацией антибиотика 65 мг/мл. Микрокапельный порошок комбинированного иммунобиологическо-антимикробного препарата получали, диспергируя суспензию микроорганизмов Bifidobacterium bifidum шт. 1C в смеси с антибиотиком офлоксацином с pH=6,0, содержанием жизнеспособных микроорганизмов 2,0×10⁹ KOE/мл и концентрацией антибиотика 65 мг/мл в присутствии гидрофобного аэросила АМ-1-300 при соотношении суспензия: аэросил 10:3, в дисковом диспергаторе в течение 20 с.

Затем микрокапельный порошок комбинированного иммунобиологическо-антимикробного препарата с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с концентрацией жизнеспособных микроорганизмов 2,0×10⁹ KOE/г и концентрацией антибиотика 50 мг/г смешивали с сорбентом - дисперсной окисью алюминия с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-20°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:6 в шнековом смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого комбинированного иммунобиологическо-антимикробного препарата, состоящего из сухих частиц (смеси антибиотика и бактериальных клеток с компонентами защитной среды), стабилизированных сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, и сорбента, составила 2,1×10⁸ KOE/г при концентрации антибиотика 6,8 мг/г, а его влагосодержание 10,2% (препарата по прототипу не существует).

Пример 9. Объект обезвоживания готовили смешением суспензии вируса болезни Ньюкасла вакцинного штамма La-Sota с защитной средой из обезжиренного молока в соотношении 2:1. Микрокапельный порошок вирусной вакцины получали, диспергируя суспензию вакцинного штамма La-Sota вируса болезни Ньюкасла с pH=7,0 и содержанием жизнеспособных вирусов 10,5 lg ЭИД₅₀/мл, в присутствии гидрофобного аэросила AM-1-300 при их соотношении 10:3, в электромагнитном диспергаторе в течение 20 с.

Затем микрокапельный порошок вирусной вакцины с жидкой фазой в микрокапельном состоянии, стабилизированном сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, с содержанием жизнеспособных вирусов 10,4 lg ЭИД₅₀/г смешивали с сорбентом КБ-4П-2 с остаточной влажностью менее 1% и температурой минус 10-15°C в течение 5 мин при соотношении жидкой фазы и сорбента 1:8 в вибрационном смесителе. Смесь перегружали в металлические пеналы и помещали для равномерного распределения влаги по всему объему сорбента при температуре 2-8°C в течение 6-12 часов.

Биологическая активность сухого вирусного вакцинного препарата и его влагосодержание представлены в таблице.

Сухой препарат на основе	Биологическая активность препарата	Влагосодержание препарата, %
до обезвоживания	после обезвоживания
Francisella tularensis	по прототипу	630×109 KOE/мл	8,5×109 KOE/г	8,7
заявляемый	485×109 KOE/г	33×109 KOE/г	8,0
Yersinia pestis	по прототипу	400×109 KOE/мл	11×109 KOE/г	11,4
заявляемый	320×109 KOE/г	17×109 KOE/г	11,2
Serratia marcescens	по прототипу	210×109 KOE/мл	3,8×109 KOE/г	16,2
заявляемый	126×109 KOE/г	8,6×109 KOE/г	15,9
Bifidobacterium bifidum	по прототипу	2×109 KOE/мл	0,7×108 KOE/г	11,1
заявляемый	1,4×109 KOE/г	1,5×108 KOE/г	11,2
Entherococcus faecium	по прототипу	1,8×109 KOE/мл	0,4×108 KOE/г	12,7
заявляемый	1,4×109 KOE/г	0,8×108 KOE/г	12,5
иммуноглобулинов IgG, IgA, IgM	по прототипу	1:640	1:80	11,0
заявляемый	1:640	1:160	10,8
вируса болезни Ньюкасла	по прототипу	10,5 lg ЭИД50/мл	9.5 lg ЭИД50/г	16,0
заявляемый	10,4 lg ЭИД50/г	10,0 lg ЭИД50/г	15,5

Как следует из анализа данных, представленных в таблице, материалы, полученные при реализации заявленного способа сорбционно-контактного обезвоживания, при одинаковом влагосодержании обладают в 1,5-4 раза большей активностью по сравнению с препаратами, приготовленными в соответствии с прототипом, что обеспечивается обезвоживаем жидкой фазы из микрокапельного состояния, стабилизированного сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц.

В представленных выше примерах приведены одинаковые условия проведения процесса сорбционно-контактного обезвоживания микрокапельных порошков различной природы. Нашими исследованиями было показано, что изменение этих условий в определенных интервалах не оказывает существенного влияния на технический результат изобретения, о чем свидетельствуют данные, представленные в таблицах, характеризующие выживаемость микроорганизмов (на примере Serratia marcescens шт. ВКМ-851) при сорбционно-контактном обезвоживании микрокапельных порошков при различной продолжительности смешения порошка с сорбентом, разном соотношении жидкой фазы и сорбента, при изменении температуры выдерживания после смешения и продолжительности выдерживания после смешения.

Продолжительность смешения порошка с сорбентом, мин	Биологическая активность препарата	Выживаемость, %
до обезвоживания	после обезвоживания
1	72×109 KOE/мл	10,1×109 ЛЩУ/г	70,1
5	72×109 KOE/мл	11,1×109 KOE/г	76,4
15	72×109 KOE/мл	10,2×109 KOE/г	70,8
30	72×109 KOE/мл	10,5×109 KOE/г	72,9

Соотношение жидкой фазы и сорбента	Биологическая активность препарата	Выживаемость, %
до обезвоживания	после обезвоживания
1:8	87×109 KOE/мл	5,7×109 KOE/г	59,0
1:4	87×109 KOE/мл	10,8×109 KOE/г	62,0
4:1	87×109 KOE/мл	42,1×109 KOE/г	60,5
8:1	87×109 KOE/мл	47,2×109 KOE/г	61,0

Температура выдерживания после смешения, °C	Биологическая активность препарата	Выживаемость, %
до обезвоживания	после обезвоживания
-10	103х109 КОЕ/мл	8,6×109 KOE/г	50,1
0	103х109 КОЕ/мл	9,4×109 KOE/г	55,0
+15	103х109 КОЕ/мл	9,0×109 KOE/г	52,6
+30	103х109 КОЕ/мл	8,4×109 KOE/г	48,7

Продолжительность выдерживания после смешения, час	Биологическая активность препарата	Выживаемость, %
до обезвоживания	после обезвоживания
1	87×109 KOE/мл	11,1×109 KOE/г	63,8
12	87×109 KOE/мл	10,8×109 KOE/г	62,0
24	87×109 KOE/мл	10,0×109 KOE/г	58,5
48	87×109 KOE/мл	10,6×109 KOE/г	60,9

Способ сорбционно-контактного обезвоживания влагоемкими сорбентами материалов, содержащих биологически активные действующие вещества, в жидкой фазе, отличающийся тем, что предварительно материалы, содержащие биологически активные вещества, в жидкой фазе переводят в микрокапельное состояние, стабилизированное сухим высокодисперсным гидрофобным разобщителем с наноразмерами частиц, причем при обезвоживании используют сорбент с температурой минус 10-20°C.