Проект Изучение процесса капсулирования

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 31 имени

Героя Советского Союза Алексея Максимовича Ломакина»

Изучение  процесса капсулирования

Работу выполнила                                                          ученица 10 Б класса              

   Александрова Наталья

Руководитель                                                                  учитель химии

                                                                                         Билибенко Н.М.    

Курск, 2020

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Глава 1. Процесс капсулирования……………………………………………...5

1.1. Общая характеристика процесса капсулирования………………………..5

1.2. Общее представление о капсулах………………………………………….6

1.3. Полимеры, используемые в процессе капсулирования…………………..7

Глава 2. Объекты капсулирования ……………………………….…….………9

2.1. Область применения капсулированных веществ ..……………………….9

2.2. Капсулирование лекарственного препарата в полимерную оболочку альгината натрия…………………………………………………….…………..10

Глава 3. Экспериментальная часть ..……………………………….……….…11

3.1. Реактивы и оборудование………………………………………………….11

3.2. Получение «икры» процессом капсулирования……………………….....12

Заключение………………………………………………………………………14

Литература……………………………………………………………………….15

Приложения 1. Различные виды микрокапсул……………………...…………16

Приложения 2. Структурные формулы полимеров, применяемых для изготовления лекарственных препаратов…………………………………...…17

Приложения 3. Структурные формулы альгиновой кислоты и алигината натрия…………………………………………………………………………….18

Приложения 4. Реактивы и оборудование, необходимые для проведения эксперимента…………………………………………………………………….19

Приложения 5. Точная навеска…………………………………...…………….20

Приложения 6. Точный объем воды……………………………...…………….21

Приложения 7. Приготовленные растворы альгината натрия и хлористого кальция……………………………………………………………….…………..22

Приложения 8. Процесс капсулирования прозрачного раствора альгината натрия ..…………………………………………………………………..………23

Приложения 9. Полученные капсулы альгината натрия  ….……..……….….24

Введение

         Капсулирование в современном мире представляет огромный интерес в таких направлениях, как фармацевтическая промышленность, медицина, пищевая промышленность.

         Капсулирование биологически активных веществ (БАВ) в настоящее время является одним из интенсивно развивающихся направлений в технологии изготовления лекарственных средств, что является актуальностью данной работы.

         Объектом исследования является процесс капсулирования различных веществ, в зависимости от цели применения полученных капсул.

         Предметом проекта являются капсулы, в которые могут быть различные лекарственные препараты, для придания им таких свойств, как маскировка вкуса тошнотворных и горьких лекарств, а так же для пролонгированного высвобождения лекарств и биологически активных веществ из микрокапсул.

В данной работе я опиралась на труды Солодовника В.Д. и Степанова Е.Ф.

         Особый интерес приобретает капсулирование микроорганизмов и живых клеточных культур, в частности пробиотиков. Капсулирование пробиотиков позволяет увеличить срок жизни микроорганизмов, защищать их от воздействий окружающей среды, кроме того повысить эффективность, защитив их полимерной оболочкой от агрессивного воздействия желудочного сока (кислой среды).

        В данной проектной работе будут приведены примеры частных случаев использования процесса микрокапсулирования. А также подробнее будет рассмотрено капсулирование пробиотика в полимерную оболочку альгината натрия.

Целью проектной работы было изучение механизма капсулирования, объектов, которые могут быть заключены в оболочку капсул, а также актуализировать процесс капсулирования в современной жизни. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

-провести анализ доступной научной литературы по методам капсулирования;

-с помощью доступной научной литературы изучить необходимость заключения некоторых объектов в оболочку;

-изучить возможность получения капсул альгината натрия в условиях школьной лаборатории.

В ходе проектной работы мы работали, придерживаясь следующих этапов:

1.Провели анализ доступной научной литературы по методам капсулирования;

2.Изучили необходимость заключения некоторых объектов в полимерную оболочку;

3. Используя реактивы и оборудование школьной лаборатории изучили возможность получения капсул альгината натрия.

В данной проектной работе использовали следующие методы:

1.     Анализ

2.     Эксперимент

3.     Наблюдение

Глава 1. Процесс капсулирования

1.1.        Общая характеристика процесса капсулирования

         Теоретические основы капсулирования начали закладываться в 40-50-ых годах ХХ века. Капсулирование - это процесс заключения мелких частиц вещества в тонкую оболочку пленкообразующего материала. В результате данного процесса получают продукт в виде отдельных капсул размером от миллиметра до сотен микрон. Капсулируемое вещество, так называемое содержимое микрокапсул, образует ядро микрокапсул, а капсулирующий материал составляет материал оболочек. Оболочки выполняют функцию разобщения частиц одного или нескольких веществ друг от друга и от внешней среды до момента использования.

         Капсулируемое вещество является основным компонентом микрокапсул, которое может находиться в любом агрегатном состоянии – жидком, твердом или газообразном. Содержание капсулируемого вещества в микрокапсулах обычно составляет 50-90%, но может доходить и до 95-98% от массы капсул. В зависимости от условий получения, соотношения количеств материала оболочек и капсулируемого вещества данная величина может колебаться.

1.2. Общее представление о капсулах

         Капсула – дозированная лекарственная форма, состоящая из твердой или мягкой желатиновой оболочки, содержащей инкапсулят - одно или несколько активных действующих веществ, с добавлением или без вспомогательных веществ. Капсулы могут содержать не только лекарственные формы. Все зависит от области применения.

         Капсула представляет собой миниатюрный контейнер, который защищает содержимое от испарения, окисления и разрушения до его высвобождения (см. Приложение 1).

Среди капсул различают:

·         твердые;

·         мягкие;

·         микрокапсулы;

·         желудочно-резистентные капсулы (кишечно-растворимые).

Мягкие - цельные капсулы различной формы (шарообразной, яйцевидной, продолговатой и др.) с жидкими или пастообразными веществами. Твердые - капсулы цилиндрической формы с полусферическими концами, состоящие из двух частей, которые входят одна в другую, не образуя зазоров.

1.3.        Полимеры, используемые в процессе капсулирования

         Как показано в обзоре литературы для получения медицинских пленок используются самые различные полимеры, такие как Na-КМЦ, альгинат натрия, поливиниловый спирт (ПВС), N-поливинилпирролидона (N-ПВП), сукцинат хитозана. Структурные формулы некоторых полимеров (см. Приложение 2).

         Альгинат натрия (NaC₆H₇O₆) – полисахарид природного происхождения по своему химическому строению является солью альгиновой кислоты.

         Альгинат натрия представляет собой волокнистый мелкодисперсный порошок белого цвета, медленно растворим в воде, не растворим в спирте, водно-спиртовых растворах, органических растворителях.

         Альгинат натрия широко применяют в пищевой и фармацевтической промышленности (пищевая добавка Е401). Он обладает свойством стабилизатора, поэтому его применяют в производстве эмульсий, кремов и различных лосьонов в косметологии, а также в производстве некоторых мазей и помад. Применение альгината натрия основано на его способности образовывать гели, желеобразные вещества и применяется в качестве основы медицинских пленок. Лечебные свойства альгиновой кислоты стали известны более 35 лет назад. В поисках безопасного и эффективного соединения, способного связывать и выводить из организма соли тяжелых металлов, были исследованы водоросли. Исследования, проводимые более чем в 10 странах, показали, что наибольшей эффективностью в выведении солей тяжелых металлов обладают альгинаты – соли альгиновой кислоты, единственным источником которых являются бурые водоросли – ламинарии и фукусы. Морские водоросли обладают большим количеством биологически активных веществ: микроэлементов, витаминов, альгиновой кислоты и ее солей (альгинатов). Широкое использование альгинатов связано с такими свойствами, как вязкость, способность к набуханию и гелеобразованию. Особенно следует отметить благоприятные действия альгината натрия на функцию желудочно-кишечного тракта: альгиновая кислота имеет свойство набухать, оказывает нежное обволакивающее действие на стенки желудка, способствуя в то же время значительному ослаблению болевых эффектов. Соединение альгиновой кислоты с натрием приводит к нормализации стула. Структурные формулы альгината натрия и альгиновой кислоты (см. Приложении 3).

         Альгинат натрия используется в изготовлении медицинских порошков, губок, а также микрокапсул. Такая система доставки действующего вещества имеет большие преимущества по сравнению с обычными дозированными формами лекарственных средств. Это обусловлено приданием препарату таких свойств, как маскировка вкуса тошнотворных и горьких лекарств, а также обеспечения пролонгированного высвобождения лекарств и биологически активных веществ из микрокапсул.

         Таким образом, альгинат натрия представляет интерес, как основа для создания различных форм лекарственных препаратов (микрокапсулы, порошки, пленки, губки и т.д.).

Глава 2. Объекты капсулирования

2.1. Область применения капсулированных веществ

         Капсулированию можно подвергать твердые, жидкие и газообразные вещества. Капсулированные жидкости можно перерабатывать как порошки. Капсулировать можно не только биологически активные вещества, но и пищевые красители, которые, например, можно использовать для изготовления пищевых продуктов (молекулярная кухня, украшение кондитерских изделий). Золотистые капсулы, которые можно использовать в качестве посыпки для кондитерских изделий.

Микрокапсулы в настоящее время нашли применение в различных отраслях. Однако в фармацевтической промышленности микрокапсулы не находят такого широкого практического применения, хотя имеется очевидная перспектива их использования. С помощью микрокапсулирования можно решить следующие проблемы: уменьшить реакционную способность лекарственных веществ, увеличить сроки годности быстро портящихся лекарственных веществ, снизить токсичность субстанции, придать субстанции новые физические свойства – снизить летучесть, изменить плотность, замаскировать цвет, вкус, запах. Так же на основе микрокапсул возможно производство лекарственных форм, как таблетки, суспензии, подкожные имплантаты. Микрокапсулирование используется для разделения реагирующих между собой лекарственных веществ, объединенных в одной лекарственной форме. С помощью микрокапсулирования стабилизируют неустойчивые лекарственные препараты (витамины, антибиотики, вакцины, сыворотки, ферменты).

2.2. Капсулирование лекарственного препарата в полимерную оболочку

         Применение пробиотических препаратов в кормлении животных как способ нормализации физиологических процессов в организме, широко вошло в практику животноводства. В основе физиологического механизма действия пробиотических бактерий лежит их конкурентное вытеснение патогенных и условно патогенных микроорганизмов в кишечнике и продуцирование биологически активных веществ, которые положительно влияют на биохимические, физиологические и иммунологические процессы. Известно, что порядка 70% и более пробиотических бактерий при скармливании животным гибнет в кислой среде желудка. Эффективным для сохранения пробиотических бактерий является различные способы микрокапсулирования.

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1. Реактивы и оборудование

         Для проведения эксперимента нам понадобились следующие реактивы и оборудование:

·        Мерный стакан 100мл

·        Стеклянная палочка

·        Шприц 20мл

·        Фильтровальная бумага

·        Пищевая пленка

·        Технохимические весы

·        Полимерная воронка

·        Бюкс

·        Хлористый кальций

·        Альгинат натрия

·        Дистиллированная вода

Все необходимые реактивы и оборудование (см. Приложении 4).

3.2. Получение «икры» процессом капсулирования

         Для начала эксперимента нам необходимо приготовить 1% раствор альгината натрия. Количество альгината натрия для приготовления раствора с заданной концентрацией рассчитали следующим образом:

Дано:                                   Решение:

m () = 99 г                                      

m (альгината Na) = 1 г            = 100 г

ω = 1 %?                                   или 1%      

         Массу навески альгината натрия взвешивали на технохимических весах в бюксе. Процесс приготовления состоял в тщательном смешивании 1г альгината натрия и 99мл дистиллированной воды на протяжении примерно 15 минут.

         Для дальнейшего проведения эксперимента нам необходим 0,2М (молярный) раствор хлористого кальция. Приготовление данного раствора ведём по следующим расчетам:

Дано:                                   Решение:

m () = 100г                                

C_р-ра(CaCl₂) = 0.2М                V(H₂O)=100мл=0,1л

m (альгината CaCl₂)=?           =0.2моль/л*0.1л=0.02моль

M(CaCl₂)=111г/моль              m(CaCl₂)=111г/моль*0,02моль≈2,2г

         Массу навески хлористого кальция взвешивали на технохимических весах в бюксе. Точная навеска альгината натрия и хлористого кальция (см. Приложении 5).

         Процесс приготовления состоял в тщательном смешивании 2,2г хлористого кальция и 100мл дистиллированной воды. Точное количество дистиллированной воды отмеряли с помощью мерной колбы объемом 100мл (см. Приложение 6).

         Раствор альгината натрия был разделен на 4 равные части, 3 из которых были окрашены при помощи пищевых красителей красного, синего и желтого цветов (см. Приложение 7). После окрашивания раствор отстаивался в течение 15 минут для выхода образовавшихся в нем пузырьков воздуха.

         Процесс дальнейшего капсулирования состоял в постепенном введении раствора альгината натрия по каплям с помощью шприца в раствор хлористого кальция (см. Приложение 8).

         Готовые капсулы были отфильтрованы от раствора хлорида кальция при помощи воронки и фильтровальной бумагой. В результате проведенного процесса были получены капсулы из альгината натрия 4 цветов красного, желтого, синего и бесцветные (см. Приложение 9).

Заключение

         В ходе проектной работы был экспериментально изучен механизм капсуляции различных веществ, которые могут быть заключены в капсулу. Для достижения данной цели был проведен анализ доступной научной литературы, изучена необходимость заключения некоторых объектов в оболочку, также была изучена литература, касающаяся объектов капсуляции.

         На основании проведенного анализа литературных данных было доказано, что капсулирование веществ действительно имеет большое значение в современном мире. Капсулы нашли широкое применение в косметологии, в пищевой и фармацевтической промышленности. Особое место занимает фармацевтическая промышленность. Исходя из литературных данных показано, что капсуляция лекарственных веществ способствует маскировке вкуса тошнотворных и горьких препаратов, а также позволяет увеличить срок хранения активных веществ, и что не мало важно, капсулы увеличивают срок высвобождения действующего вещества из его оболочки.

         На базе школьной лаборатории были получены капсулы, основой которых является полимер альгинат натрия. Выбранный нами полимер используется как в пищевой, так и в фармацевтической промышленностях. В качестве наполнителя капсул использовали красители различных цветов, чтобы наглядно показать механизм капсуляции, который основан на реакции взаимодействия альгината натрия и хлористого кальция. В ходе этой реакции образуется малорастворимый альгинат кальция, который и позволяет нам получить оболочку наших капсул.

Литература

1.     Андреева С.В., Левина Т.Ю., Данилова Л.В., -Альгинат натрия в производстве пищевых покрытий для цельномышечных изделий. [Текст] // С.В. Андреева, Т.Ю. Левина, Л.В. Данилова.-Сборник трудов конференции. – 2015 –С. 43-45

2.     Крепак Я., Степанов А.А., Препарат «Энзимспорин» из спорообразующих бактерий положительно влияет на многоплодность, крупноплодность, свиноматок, привесы и сохранность поросят. [Текст] // Я. Крепак, А.А. Степанов, - Инжиниринговый центр «Промбиотех» колхоз имени Горина. – Алтбиотех.– 2017.- №8 (138).

3.     Платэ, Н.А. Физиологически активные полимеры / Н.А. Платэ, А.Е. Васильев. – М.: Химия, 1986. – 296 с.

4.     Постраш Я.В., Хишова О.М. Микрокапсулирование в фармации-С.1- современное состояние и перспективы. [Текст] / Я.В. Постраш, О.М. Хишова. – Вестник фармации.- ВГМУ – 2010. №2 (48). – C. 1-4

5.     Солодовник В.Д., Микрокапсулирование. [Текст] / В.Д. Солодовник. – М.: Химия. – 1980. – С.11-1

6.     Степанова Е.Ф., Ким М.Е., Мурзагулова К.Б., Евсеева С.Б. Микрокапсулы: перспективы использования в современной фармацевтической практике. [Текст] / Е.Ф. Степанова, М.Е. Ким, К.Б. Мурзагулова, С.Б. Евсеева. – Современные проблемы науки и образования. – 2014. - №5 – Режим доступа: http://www.science-education.ru/ Дата обращения: 27.04.2018

7.     Токарев, И.Н. Применение пробиотиков в промышленном свиноводстве / И.Н. Токарев, А.В. Близнецов, С.Р. Ганиева // Учёные записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана. – 2014. – № 3. – С. 275-281

8.     Янкина О.Л., Байтимирова Е.А., Влияние пробиотиков на рост поросят-отъемышей. [Текст] // О.Л. Янкина, Е.А. Байтимирова. – Приморская ГСХА-2017. -№1 (38-39)

Приложение 1

Различные виды микрокапсул

Обычная микрокапсула, микрокапсула с двойной оболочкой, микрокапсула в микрокапсуле с различными свойствами, множество микрокапсул в одной оболочке в жидкой среде.

Приложение 2

Структурные формулы полимеров, применяемых для изготовления лекарственных препаратов

Структурная формула	Общая характеристика
Na-карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ)	Представляет собой светлый или светло-бежевый кристаллический порошок без запаха и вкуса. Используется в качестве гелеобразующего компонента.
Альгинат натрия (NaC6H7O6)	Порошок молочно-белого цвета. Применяется в пищевой промышленности, медицине и косметологии. Биоразлогаем и биосовместим с другими полимерами и лекарственными препаратами.
Сукцинад хитозана	Чешуйки перламутрово-кремового цвета. Используют как пленко- и гелеобразующий компонент в косметологии и медицине. Также обладает антиоксидантными свойствами.

Приложение 3

Структурная формула альгиновой кислоты

Структурная формула альгината натрия

Приложение 4

Реактивы и оборудование,

необходимые для проведения эксперимента

Приложение 5

Точная навеска альгината натрия

Точная навеска хлористого кальция

Приложение 6

Точный объем воды(100мл)

Приложение 7

Приготовленные растворы альгината натрия и хлористого кальция

Приложение 8

Процесс капсулирования прозрачного раствора альгината натрия

Приложение 9

Полученные капсулы альгината натрия