Способ очистки пчелиного воска от антибиотиков, пестицидов и тяжелых металлов
METHOD FOR PURIFYING BEE WAX FROM ANTIBIOTICS, PESTICIDES AND HEAVY METALS

Изобретение относится к способам очистки пчелиного воска от антибиотиков, пестицидов и тяжелых металлов с использованием химических реагентов, сорбентов и воды.
Известен способ очистки воска в отстойниках на поверхности горячей воды (авторское свидетельство СССР №398233, A01K 59/06, 27.09.1973). Согласно описанного способа, расплавленный воск поднимается вверх, а примеси задерживаются фильтрами заправочной камеры и ребристыми пластинами, что позволяет очистить воск от механических примесей. Недостатком данного способа является очистка пчелиного воска только от механических примесей, способ не позволяет очистить воск от солей тяжелых металлов, антибиотиков и пестицидов.
Очистка воска в барабанных воскотопках (патент №2077843, 6 A01K 59/06, 27.04.1997) осуществляется в емкости для воскового сырья выполненная в виде многосекционного разъемного цилиндра, установленного на дне корпуса с возможностью вертикального перемещения, каждая секция которого снабжена сетчатой перегородкой, размещенной параллельно поверхности жидкости и выполненной с разными по величине отверстиями, причем сетчатая перегородка нижней секции расположена сверху над восковым сырьем и выполнена с наибольшими по величине отверстиями, а верхней внизу и имеет минимальную величину отверстий из допустимых значений. В качестве жидкости для перетопки воска используют серную кислоту в соотношении 25% от веса воды и воска. В процессе очистки пчелиный воск процеживаясь через сетки секций, всплывает на поверхность воды, а прополис и другие невосковые частицы, имеющие удельный вес больше, чем удельный вес рабочей жидкости, опускаются на дно корпуса. Использование серной кислоты в данном способе позволяет осветлить пчелиный воск.
Недостатками данного способа являются использование больших объемов серной кислоты, которые могут привести к гидролизу эфиров содержащихся в пчелином прополисе и как следствие изменить физико-химические параметры очищенного воска. Описанный способ не позволяет очистить воск от антибиотиков и пестицидов.
Согласно описанному способу, патент Российской Федерация №2408665 (13) С1, 2011, очистку воска от механических примесей, коллоидных взвесей и патогенных микроорганизмов проводят с помощью теплового излучения. Способ включает варку и фильтрацию. Варка производится при температуре 100°C с одновременным воздействием ультразвуковыми колебаниями, направленными снизу вверх на частотах, вызывающих кавитационный эффект, уничтожающий все патогенные микроорганизмы и создающий режим флотационного обогащения, выносящий все коллоидные взвеси на поверхность в виде пены, которая непрерывно удаляется.
Недостатком этого способа является использование дорогостоящего ультрозвукового оборудования, способ не предусматривает очистку пчелиного воска от солей тяжелых металлов, антибиотиков и пестицидов.
Согласно Европейского патента ЕР 1260573, 2004 г. очистку пчелиного воска от кумафоса проводят расплавлением воска при 80°C с последующей фильтрацией на фильтрах с активированным углем марки СА 1 под давлением 4-6 атмосфер. Время контакта между активированным углем и пчелиным воском составляет от 30 до 90 минут. Данный способ позволяет очистить пчелиный воск от пестицида кумафос (3-хлор-4-метил-7-кумаринил-диэтилфосфоротиоат). В пчелином воске кумафос содержится в результате обработки пчелиных ульев препаратами на основе кумафоса для борьбы с пчелиным паразитом Varroa jacobsoni.
Недостатком данного способа является использование оборудования, работающего под высоким давлением, применение дорогостоящих реагентов (активированного угля марки СА 1 (20 г на 1 л воска), а также большие потери воска при фильтрации. В типовом примере изобретения при фильтрации 1000 кг воска потери на фильтре составляют 100 кг воска. При этом фильтрат, согласно патента, рекомендуется сжигать.
Согласно патента US 2,108,282, 1938 г. очистку пчелиного воска проводят с помощью серной кислоты, перекиси водорода с карбонатом натрия, или щавелевой кислоты с последующим добавлением оксида цинка для придания белого цвета конечному продукту. Перекись водорода при очистке пчелиного воска в данном способе применяется для обесцвечивания и стерилизации от патогенных организмов.
Недостатками данного способа является применение оксида цинка, запрещенного в настоящее время для очистки воска, использование больших объемов серной кислоты и карбоната натрия которые могут привести к кислотному или щелочному гидролизу эфиров содержащихся в пчелином прополисе и как следствие, изменить физико-химические параметры очищенного воска. Описанный способ не позволяет также очистить воск от антибиотиков и пестицидов.
Наиболее близким патентом по очистке пчелиного воска является способ очистки, описанный в патенте ЕР 2824168 В1, 2015 г, согласно которого очистку пчелиного воска проводят в три этапа. С целью очистки пчелиного воска от солей тяжелых металлов на первой стадии воск растапливается с водным раствором щавелевой кислоты, при температуре 74-98°C, после расслоения водного слоя, воск с помощью насосов подается на фильтрацию. На второй стадии очистки пчелиного воска проводят многоступенчатую фильтрацию от механических примесей. Причем на каждой ступени фильтрации размер отверстий фильтра уменьшается. После фильтрации, на третьей стадии с помощью насосов пчелиный воск перекачивается в сосуд под давлением и проходит заключительную очистку, фильтрацию через гранулированный угольный фильтр, количество угольных фильтров должно быть не менее 16 единиц. После очистки пчелиный воск с помощью насосов направляется в литейные формы. Недостатком данного способа является использование дорогостоящего оборудования, работающего под высоким давлением, потери воска при фильтрации, связанные с многократной перетопкой пчелиного воска.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление процесса очистки пчелиного воска от солей тяжелых металлов, пестицидов и антибиотиков.
Цель достигается заявляемым способом очистки пчелиного воска, в котором очистку от солей тяжелых металлов, осветление, стерилизацию, очистку от антибиотиков и пестицидов проводят в один прием, поэтапно. Очистку пчелиного воска проводят при температуре 80°C, очистку от солей тяжелых металлов проводят с помощью винной кислоты, в соотношении винная кислота к пчелиному воску - 1:100, стерилизацию и осветление с помощью перекиси водорода в соотношении пероксид водорода к пчелиному воску 1:5 в присутствии гидрокарбоната натрия в соотношении гидрокарбоната натрия к пчелиному воску - 1:100, очистку от антибиотиков и пестицидов с помощью синтетического цеолита марки NaX в соотношении синтетический цеолит марки NaX к пчелиному воску-10:1.
Отличительным признаком предлагаемого способа, позволяющим решить поставленные задачи, является отказ от использования щавелевой кислоты, активированного угля и фильтров на основе активированного угля, что позволило нам исключить процесс фильтрации под высоким давлением.
Вместо щавелевой кислоты нами предлагается использование винной кислоты (в соотношении винная кислота к пчелиному воску - 1:100). В реакционную массу винная кислота подается в виде 5% водного раствора. Уменьшение количества винной кислоты может негативно сказаться на очистке он солей тяжелых металлов, избыток может привести к кислотному гидролизу эфиров содержащихся в пчелином воске.
Пчелиный воск растапливается при температуре от 80°C в питьевой воде (ГОСТ Ρ 51232-98) в соотношении воска и воды 1:1.
Последующая очистка пчелиного воска перекисью водорода (в соотношении пероксид водорода к пчелиному воску 1:5) в гомогенной среде в присутствии гидрокарбоната натрия (в соотношении гидрокарбоната натрия к пчелиному воску - 1:100) приводит к стерилизации воска, последующая фильтрация к дополнительной очистке от механических примесей. Соотношение гидрокарбоната натрия к пчелиному воску меньше чем 1:100, не приводит к полному омылению свободных кислот в пчелином воске, а увеличение соотношения больше чем 1:100, приводит к гидролизу эфиров в пчелином воске и изменению пластичности пчелиного воска.
Уменьшение соотношения пероксида водорода к пчелиному воску меньше чем 1:5, не приводит к получению пчелиного воска белого цвета. Увеличение соотношения приводит к удорожанию процесса.
Вместо фильтров на основе активированного угля применяют синтетический цеолит марки NaX (ТУ 38.10281-88, размер частиц от 3.6 до 4.5 мм, массовая доля водостойкости не менее 99%, насыпная плотность 0.6 г/см3), в соотношении пчелиный воск к синтетическому цеолиту марки NaX - 10:1. Данное соотношение позволяет оптимально распределить цеолит для адсорбции антибиотиков и пестицидов из пчелиного воска, а размер частиц позволяет проводить очистку пчелиного воска без оборудования, работающего под высоким давлением.
Замена щавелевой кислоты на винную кислоту при очистке от солей тяжелых металлов способствует более полной очистке от солей тяжелых металлов и приятному аромату конечного продукта.
Замена активированного угля и фильтров на основе активированного угля на сорбенты на основе цеолитов приводит к упрощению способа и повышению производительности процесса.
Такой прием позволяет проводить очистку пчелиного воска от антибиотиков. Исключается также длительный процесс замены фильтров, что значительно упрощает способ, увеличивает производительность процесса, сокращает энергозатраты, уменьшает трудоемкость способа и, как следствие, значительно удешевляет весь процесс.
В процессе очистки используются реактивы перексид водорода, гидрокарбонат натрия, винная кислота, соляная кислота марки (ХЧ) химически чистые реактивы.
Совмещение процедур в один прием (очистка от солей тяжелых металлов, осветление, стерилизацию, очистку от антибиотиков и пестицидов) позволяет существенно сократить трудоемкость процесса, т.к. исключается загрузка-выгрузка воскового сырья после каждой процедуры очистки.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1. Пчелиный воск в количестве 50 кг, растопили в питьевой воде (ГОСТ Ρ 51232-98) объемом 50 л (в соотношении воска и воды 1:1) при температуре 75°C в реакторе объемом 400 л, снабженной мешалкой. К реакционной массе добавили 10 л 5% раствора винной кислоты (в соотношении винная кислота к пчелиному воску - 1:100) и перемешивали при 120 об/мин в течении 30 мин при температуре 75°C. Реакционную массу охладили до комнатной температуры, водный слой отделили. Далее к пчелиному воску, прошедшему очистку от солей тяжелых металлов добавляли 50 литров чистой воды, смесь растапливается в реакторе объемом 400 л снабженной мешалкой при температуре 75°C. После растворения пчелиного воска для гомогенизации реакционной массы, при перемешивании добавляется 500 г гидрокарбоната натрия (в соотношении гидрокарбоната натрия к пчелиному воску - 1:100).
После гомогенизации, через 5 мин при перемешивании, порциями по 250-500 мл на протяжении 3 часов добавляется пероксид водорода в объеме 10 л (в соотношении пероксид водорода к пчелиному воску 1:5) до получения однородной массы белого цвета. Реакция экзотермическая, происходит с пенообразованием, активным выделением кислорода и увеличением объема реакционной массы до 350 л, контроль температуры не выше 75°C.
После получения однородной творожистой белой массы, при температуре реакционной массы 75°C добавляется расчетное количество соляной кислоты с избытком 20%, до полной нейтрализации гидрокарбоната натрия. Реакционная масса перемешивается до расслоения на водный слой и слой жидкого воска. Нижний слой содержащий воду сливается. К полостям мешалки реактора закрепляется в специальной сетке синтетический цеолит марки NaX, в количестве 5 кг (в соотношении пчелиный воск к синтетическому цеолиту марки NaX - 10:1) и перемешивается в течении 2-3 часов, при 30 оборотах в минуту. После перемешивания воск сливается и направляется остывание и отливку в формы.
Пример 2.
По условиям примера 1, этапы очистки от солей тяжелых металлов, осветления, стерилизации, очистки от антибиотиков и пестицидов проводятся при температуре 80°C.
Пример 3. По условиям примера 1, этапы очистки от солей тяжелых металлов, осветления, стерилизации, очистки от антибиотиков и пестицидов проводятся при температуре 85°C.
Из проведенных экспериментов (пример 1-3) установлено, что оптимальная температура проведения очистки на всех этапах очистки 80°C. При температуре ниже 80°C (например, при 75°C) идет медленное плавление воска, происходит остывание на поверхности и плохое пенообразование при добавлении перекиси водорода. При температуре выше 80°C (например, при 85°C) происходит перерасход энергозатрат, обильное пенообразование при добавлении перекиси водорода, что может привести к выбросу реакционной массы из реактора.
Анализ воска на содержание солей металлов проводился атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (АЭС ИСП), на приборе атомно-эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9820 (Shimadzu))
3
Для разложения проб использовали микроволновую печь Master-16 (Sineo). Навеску пробы массой 0,25 г помещали в сосуды для разложения, добавляли 10 см концентрированной азотной кислоты, оставляли на 10 мин. После этого сосуды герметично закрывали помещали в микроволновую систему и разлагали по температурной программе.
3
После завершения температурной программы сосуды охлаждали до комнатной температуры. Далее растворы количественно переносили в пластиковые пробирки и доводили объем до 20 см деионизированной водой. Для каждой пробы использовали 3 параллельные навески. Одновременно с пробами готовили холостой раствор.
Условия проведения испытаний методом АЭС ИСП: анализ проб №1 (очищенный воск) и №2 (исходный воск) проводили со стандартной системой ввода проб в прибор. Сначала провели качественный анализ проб, затем для элементов, обнаруженных при качественном анализе, построили градуировочный график и выполнили количественное определение.
Полученный воск имеет приятный запах.
Определение содержания тяжелых металлов As, Cd, Cr, Cu, Pb
Анализ проб №1 (очищенный воск) и №2 (исходный воск) проводили атомно-абсорбционной спектрометрией (ААС), на приборе атомно-абсорбционный спектрофотометр с электротермическим атомизатором АА-7000 (Shimadzu).
3
Для разложения проб использовали микроволновую печь Master-16 (Sineo). Навеску пробы массой ~0,23 г помещали в сосуды для разложения, добавляли 10 см очищенной с помощью СПК-2 (Аналит) концентрированной азотной кислоты, оставляли на 10 мин. После этого сосуды герметично закрывали помещали в микроволновую систему и разлагали по температурной программе.
3
После завершения температурной программы сосуды охлаждали до комнатной температуры. Далее растворы количественно переносили в пластиковые пробирки и доводили объем до 20 см деионизированной водой. Для каждой пробы использовали 3 параллельные навески. Одновременно с пробами готовили холостой раствор.
Измеренные методом ААС концентрации определяемых элементов в пробах, в пересчете на исходную навеску и после вычитания холостой пробы, представлены в таблице.
Определение пестицидов (амитраза) и антибиотиков (хлорамфеникол, сульфа-диметоксин, сульфацетомид, сульфаметоксипиридазин)
Воск натирали на мелкой терке. К навеске воска массой ~ 1 г (точная навеска) добавляли 10 мл гексана. Выдерживани в ультразвуковой ванне при нагревании (~35°C) 1 час. Выдерживали при комнатной температуре 20 минут, центрифугировали (8000 rpm 15 минут), сливали гексан в чистую пробирку. Помещали в морозильную камеру (t ~ -20°C) на два часа. Центрифугировали, гексан отделяли и высушивали досуха. При каждом переливании ополаскивали гексаном воск и присоединяли его к остальному гексану. Перерастворяли сухой остаток в 0,5 мл метанола. Добавляли 0,5 мл 0,02 Μ раствора формиата аммония, отфильтровывали и анализировали с помощью LCMS-8050.
Анализ проводили на жидкостном хроматомасс-спектрометр LCMS-8050 производства Shimadzu в следующей комплектации: насос с системой создания градиента высокого давления, системный контроллер, дегазатор, автодозатор, термостат колонок. Система сбора и обработки данных для жидкостного хроматографа: компьютер с программным обеспечением LabSolutionsLCMS. Колонка Titan С18, 2.1 мм × 100 мм, диаметр частиц 1,9 мкм. Результат определения амитраза, менее 0,050 мкг/кг, хлорамфеникол, сульфадиметоксин, сульфацетомид, сульфаметоксипиридазин не обнаружены.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет упростить процесс очистки пчелиного воска, увеличивает производительность процесса, сокращает энергозатраты, уменьшает трудоемкость способа и, как следствие, значительно удешевляет весь процесс.