способ стерилизации объектов

Формула изобретения

Способ стерилизации объектов в камере с кислородсодержащим газом путем одновременного воздействия низкотемпературной плазмой и высоковольтным импульсным разрядом между электродами, отличающийся тем, что низкотемпературную плазму получают с помощью импульсного объемного разряда емкостного типа, формируемого в пространстве между диэлектрическими барьерами, под действием импульсов напряжения на электродах камеры амплитудой не менее 10⁴ В, со скоростью нарастания напряжения не ниже 10⁸ В/с и частотой повторения импульсов 1 10⁴ Гц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам стерилизации объектов и может быть использовано в медицине для стерилизации медицинского инструмента и материалов в пищевой, химической, биотехнологической промышленности.

Известен способ стерилизации с помощью газовой низкотемпературной плазмы (патент США N 3851436, 53-21 FN, 1975). Плазму создают при пониженном давлении с помощью высокочастотного разряда, а затем плазменную струю выдувают в камеру, куда помещен объект стерилизации. Низкотемпературная плазма способна инактивировать различные микроорганизмы: бактерии (в том числе споровые формы), вирусы, грибы.

Однако в данном способе на объект стерилизации воздействует по существу не сама плазма, а продукты плазмохимических реакций в газе. В данном способе для достижения требуемой степени инактивации необходимо длительное время воздействия.

Известен способ стерилизации поверхностей объектов низкотемпературной плазмой (патент США N 3701 628, A 61 L 1/20, 1972 г.).

Низкотемпературную плазму создают при пониженном давлении непосредственно в камере, куда помещен объект стерилизации. Камеру помещают в индуктор, к которому подводят высокочастотное напряжение с частотой 1 10 МГц. На объект стерилизации воздействуют потоки электронов и ионов, излучение плазмы и продукты плазмохимических реакций.

Однако в высокочастотном разряде энергия частиц и квантов излучения невелика, она недостаточна для эффективной инактивации микроорганизмов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ стерилизации хирургического инструмента по авт.св. СССР N 1127594, A 61 L 9/00, 1984, который выбран за прототип.

По данному способу в герметичную камеру, имеющую внутри два электрода, на заземленный электрод кладут металлический медицинский инструмент и заполняют камеру кислородосодержащей газовой смесью. На другой электрод подают импульсы высокого напряжения амплитудой 50 150 кВ, длительностью 2 20 мкс и со скоростью нарастания напряжения 25 500 кВ/мкс. Под действием импульсов напряжения в камере возникает коронный разряд. Указанный разряд вызывает синтез озона, обладающего высокой окислительной способностью. В камере также формируются электромагнитные поля, под действием которых происходит стерилизация инструментов.

Параметры импульсов выбраны так, чтобы не было пробоя между высоковольтным и заземленным электродами.

Данный способ по сравнению со способом стерилизации низкотемпературной плазмой, образованной высокочастотным разрядом индукционного типа, позволяет стерилизовать объекты не только при пониженном, но и при атмосферном давлении. Это упрощает стерилизацию, так как не требуется проводить дополнительную операцию по откачке воздуха из камеры и созданию в ней пониженного давления. Однако в коронном разряде, формирующемся в резконеоднородном электрическом поле, не обеспечивается однородность процессов генерации заряженных и химически активных частиц по объему камеры, а вблизи заземленных электродов, на которые кладут стерилизуемый инструмент, эти процессы практически не идут.

Кроме того, в способе предусмотрена стерилизация только металлического инструмента, стерилизация объектов из диэлектрических материалов не предусмотрена.

Предлагаемый способ решает задачу повышения эффективности стерилизации объектов (как из металла, так и из диэлектрического материала) за счет интегрального воздействия на них целого комплекса факторов, вызванных импульсным объемным разрядом емкостного типа в кислородосодержащем газе.

Это достигается тем, что стерилизация объектов проводится в камере с кислородосодержащим газом путем одновременного воздействия низкотемпературной плазмой и высоковольтным импульсным разрядом, при этом низкотемпературную плазму получают с помощью импульсного объемного разряда емкостного типа в пространстве между диэлектрическими барьерами под действием импульсов напряжения на электродах камеры амплитудой не менее 10⁴ В, со скоростью нарастания напряжения не ниже 10⁸ В/с и частотой повторения импульсов 1 10⁴ Гц.

Новым в заявляемом способе является то, что низкотемпературную плазму получают с помощью импульсного объемного разряда емкостного типа, формируемого в пространстве между диэлектрическими барьерами, под действием импульсов напряжения на электродах камеры амплитудой не менее 10⁴ В, со скоростью нарастания напряжения не ниже 10⁸ В/с и частотой повторения импульсов 1 10⁴ Гц.

Приложение высоковольтного импульсного напряжения к электродам рабочей камеры, отделенным от внутренней полости камеры диэлектрическими барьерами (слоем диэлектрика), приводит к тому, что в камере, заполненной кислородосодержащим газом, возбуждается однородный объемный разряд емкостного типа: ток разряда замыкается через диэлектрические барьеры током смещения (емкостным током), а в самой камере током переноса носителей зарядов ионов и электронов. Одновременно этот ток протекает и через объект стерилизации. Если указанный объект выполнен из диэлектрика, он протекает в виде тока смещения, а если из металла то в виде тока проводимости.

Под действием электрического разряда в стерилизационной камере, содержащей кислородосодержащий газ, происходят плазмохимические реакции образования химически активных частиц, например радикалов, возбужденных молекул, озона, воздействующих на микроорганизмы. Кроме того, объект стерилизации подвергается бомбардировке ионами с температурой порядка 1 эВ и электронами, ускоренными до значительных энергий (10 1000 эВ) в сильных электрических полях, в непосредственной близости (0,1 мм) от поверхности стерилизуемого объекта. Высокая напряженность электрического поля в указанных приповерхностных областях, являющаяся специфической особенностью именно высоковольтного импульсного объемного разряда емкостного типа, сама по себе оказывает инактивирующее действие на микроорганизмы. Наконец, указанные выше инактивирующие факторы идут на фоне облучения стерилизуемых объектов квантами УФ и мягкого рентгеновского излучения, возникающего при соударениях ускоренных электронов с атомами газа или поверхностью объекта стерилизации. Таким образом, в предлагаемом способе дополнительно возникает эффект радиационной стерилизации. При этом достоинством мягкого рентгеновского излучения, возникающего в плазме высоковольтного объемного разряда емкостного типа, является то, что оно имеет малую проникающую способность и не выходит из камеры, в которой возбуждается разряд, поэтому не требуется радиационной защиты.

Итак, формирование в камере низкотемпературной плазмы с помощью объемного импульсного разряда емкостного типа приводит к интегральному воздействию на объект стерилизации целого комплекса факторов: химически активных веществ, электронной и ионной бомбардировки, УФ и мягкого рентгеновского излучения, сильных электрических полей в непосредственной близости от поверхности стерилизуемого объекта, что обеспечивает разрушение клеточной стенки белковых структур и повреждение нуклеиновых кислот. Множественность поражения гарантирует полную потерю жизнеспособности микроорганизмов. Нижние границы амплитуды и скорости нарастания напряжения на электродах стерилизационной камеры, указанные в формуле предлагаемого изобретения (амплитуда не менее 10⁴ В, скорость подъема напряжения не ниже 10⁸ Вс^-1), выбраны из необходимости получения полного набора указанных выше инактивирующих факторов.

Амплитуда импульсов напряжения выбрана для получения высоких значений напряженности электрического поля вблизи поверхности стерилизуемого объекта и обеспечения высокой плотности частиц (электронов и ионов), бомбардирующих поверхность объектов стерилизации. Как показали исследования, при минимально возможном падении напряжения на столбе плазмы объемного разряда в несколько киловольт, падении напряжения на диэлектрических барьерах (стенках стерилизационной камеры) и в прикатодных слоях газоразрядной плазмы (1 5 кВ) нижняя граница напряжения, которое необходимо подать на электроды стерилизационной камеры, составляет 10⁴ В.

Результаты исследования зависимости необходимой амплитуды импульсов напряжения V от давления P газа (воздуха) в камере и расстояния между электродами d приведены в таблице.

Скорость нарастания напряжения на электродах не менее 10⁸ Вс^-1 выбрана из условия получения в столбе и в приповерхностных слоях газоразрядной плазмы УФ и мягкого рентгеновского излучения достаточной интенсивности. При этом длительность фронта импульса напряжения составляет 10^-9 10^-4 с, а длительность самих импульсов тока объемного разряда емкостного типа 10^-8 10^-3 с. Диапазон частоты повторения импульсов 1 10^-4 Гц выбран, исходя из влияния частоты на длительность процесса стерилизации и на условия ее протекания. Применение частоты менее 1 Гц нецелесообразно, так как при этом увеличивается время стерилизации до 1 ч и более. При увеличении частоты выше 10⁴ Гц может произойти перегрев газа в стерилизационной камере, что для целого ряда стерилизуемых материалов является недопустимым.

В результате применения предлагаемого способа повышаются эффективность и качество стерилизации, не разрушается объект стерилизации и не изменяются его свойства независимо от природы материала. Способ прост и безопасен в эксплуатации.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены эскизы вариантов исполнения устройств для реализации предлагаемого способа.

Устройство (фиг. 1) содержит герметичную камеру 1, куда помещен стерилизуемый объект 2. На внешней поверхности рабочей камеры 1 сверху и снизу помещены электроды 3, подсоединенные к импульсному источнику высокого напряжения. Электроды 3 отделены от внутренней полости рабочей камеры 1 слоем диэлектрика 4.

На фиг. 2 приведен возможный вариант исполнения устройства в случае, когда объект стерилизации выполнен из металла. Одним из электродов 3 служит сам стерилизуемый объект 2. Электроды 3, расположенные на поверхности рабочей камеры 1, соединены друг с другом и заземлены.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В рабочую камеру 1 помещают стерилизуемый объект 2, после чего герметично закрывают камеру 1. На электроды 3 подают высоковольтное импульсное напряжение с амплитудой не менее 10⁴ В, со скоростью нарастания напряжения не ниже 10⁸ В/с, частотой 1 10⁴ Гц. В камере получают при этом низкотемпературную плазму импульсного объемного разряда емкостного типа. Выдерживают объект 2 в камере 1 в течение требуемого времени, осуществляя его стерилизацию, после чего отключают напряжение и вынимают стерильный объект 2.

Пример 1.

В стерилизованную камеру 1 (фиг. 1) объемом 1 дм³ и величиной межэлектродного зазора d 1 см помещали объект стерилизации 2 марлевые тампоны, инфицированные жизнеспособными спорами Bacillus Subtilis (по 10⁴ спор на каждый тампон). Камеру заполняли воздухом при атмосферном давлении. На электроды 3 камеры подавали импульсы напряжения амплитудой 510⁴ В со скоростью нарастания напряжения 10⁹ Вс^-1. Частота следования импульсов составляла 50 Гц. Стерилизацию объекта осуществляли в течение 30 мин. После этого от электродов стерилизационной камеры отключали источник импульсов высокого напряжения, вынимали стерилизуемый объект и определяли концентрацию жизнеспособных пор путем экстракции в ростовую среду. Высев из полученного объема суспензии показал практически полную инактивацию.

Пример 2.

В стерилизационную камеру 1 объемом 1,2 дм³ и величиной межэлектродного зазора d 2 см помещали объект стерилизации 2 медицинский инструмент скальпель, предварительно выдержанный в суспензии бактериофагов с концентрацией 10⁷ см^-3. Камеру 1 герметично закрывали и заполняли воздухом при атмосферном давлении. На электроды 3 подавали импульсы напряжения амплитудой 110⁵ В со скоростью нарастания 10¹³ Вс^-1. Частота следования импульсов составляла 50 Гц; длительность стерилизации 5 мин. После отключения источника импульсов от электродов 3 объект 2 вынимали и проверяли инфекционную активность бактериофагов путем их экстракции в ростовую среду с клетками-хозяевами. Результаты показали полную инактивацию бактериофагов.