способ стерилизации

Формула изобретения

Способ стерилизации жидкости и находящихся в ней объектов химически активными частицами, получаемыми при диафрагменном газовом разряде, генерируемом с использованием электродов, отличающийся тем, что процесс ведут при непрерывной циркуляции раствора, используют ток промышленной частоты при напряжении 500-1000 В, а разряд генерируют на молибденовых электродах или на электродах, выполненных из графита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области антимикробной обработки жидкости и находящихся в ней объектов с использованием газового разряда атмосферного давления, а именно диафрагменного газового разряда.

Уровень техники

Известен способ стерилизации воды импульсным поверхностным разрядом [В. М. Шмелев, Н.В. Евтюхин, Д.О. Че // Ж. "Химическая физика", 1996, том 15, 3, стр. 140-144] . Способ заключается в том, что бактериальная вода через металлический трубопровод попадает во внутреннюю цилиндрическую разрядную камеру реактора, где закручивается с помощью небольшого электродвигателя. Импульсный разряд в виде протяженной излучающей нити распространяется от центрального электрода, которым являлась трубка для ввода воды в камеру, по внутренней поверхности закрученной воды ко второму электроду - металлическому основанию камеры. Высоковольтный источник питания позволяет формировать токовые импульсы длительностью 1 мкс. Время нарастания импульса составляет 10-20 нс, пиковый ток равняется нескольким сотням ампер, а пиковая мощность - 0,1 МВт. Частота следования разрядных импульсов - 100 Гц. Средняя мощность, вводимая в раствор, не превышает 50 Вт. Использование поверхностного разряда позволяет значительно снизить биохимическую активность воды, а также получить стопроцентный стерилизационный эффект при удельных энерговкладах 10^-6 Дж/бакт. (или 5-12 кВтчас/м³) и расходе воды ~4 л/ч за время обработки от 20 до 40 минут в зависимости от прилагаемой мощности и концентрации Escherichia coli.

Однако способ не позволяет обрабатывать токопроводящие среды, поскольку высоковольтные искровые разряды легко возникают только в диэлектрических жидкостях, а в жидкостях с ионной проводимостью происходят лишь в случаях очень малой длины искрового промежутка и всегда сопровождаются обильным газо- и парообразованием. К тому же высоковольтные источники, используемые для стерилизации, создают потенциальную опасность для операторов, обслуживающих такие реакторы. Кроме того, велика длительность обработки (20-40 минут).

Известен способ стерилизации производственных емкостей под действием барьерного разряда [М.К. Болога, Г.А. Литинский. Электроантисептирование в пищевой промышленности. Кишинев: ШТИИНЦА, 1988, стр.123-125]. Он способен устранить недостатки известного способа и позволяет обрабатывать и токопроводящие, и токонепроводящие жидкости, и даже объекты.

Способ заключается в том, что для осуществления дезинфекции в резервуар нагнетают воздух, обогащенный озоном в озонаторе. Циркуляцию озоновоздушной смеси в системе обеспечивает водокольцевая воздуходувка. При этом атмосферный воздух пропускают через висциновый фильтр для очистки от пыли, затем через влагоотделитель нагнетают на охлаждающее оборудование. Последнее укомплектовано теплообменником с конденсатороотводчиком и фреоновой холодильной установкой. Охлажденный и частично осушенный воздух поступает в блок осушки, состоящий из адсорберов и воздухонагревателя, и, пройдя через пылевые фильтры, направляется в генератор озона.

Так как при барьерном разряде, положенном в основу большинства промышленных озонаторов, значительная часть подводимой электроэнергии (до 90%) рассеивается в виде тепла, то в зависимости от мощности генератора озона предусматривается воздушное или водяное охлаждение его электродов. Напряжение на электроразрядный элемент озонатора подают от высоковольтного трансформатора. Для равномерного перемешивания (с целью устранения застойных зон) озонированный воздух подают в резервуар через реактивную вертушку.

Экспресс-анализ концентрации озона на выходе емкости осуществляют фотоэлектрическим озонометром в соответствии с практическими рекомендациями. Заключительной операцией технологического процесса является надежное разложение озона в отработанном воздухе до предельно допустимой концентрации (0,1 мг/м³). С этой целью используют колонку для термического или каталитического разложения озона.

Однако способ отличается многостадийностью, громоздким аппаратурным исполнением, длительностью процесса обеззараживания, а также высокими энергетическими затратами. Кроме того, вследствие генерирования барьерного разряда образуется в основном только озон, а другие активные частицы не образуются, что снижает спектр объектов воздействия.

Разрешить эти недостатки позволяет одностадийный способ стерилизации объектов газовым разрядом непосредственно в растворе.

Так, известен способ очистки и стерилизации медицинских инструментов [Мамаев А.И. А.с. РФ 2126691, А 61 L 2/02, 2/12]. Способ заключается в том, что медицинский инструмент размещают в стерилизационной камере, заполненной жидкой средой. Медицинский инструмент подвергают воздействию электрического тока в жидкой токопроводящей среде путем использования его в качестве одного из электродов. Одновременно на противоэлектроде генерируют микроплазменный разряд при напряжении 600 В, плотности анодного тока 1-500 А/дм³, плотности катодного тока 0,1-100 А/дм³. Противоэлектрод выполнен либо из титана или его сплавов, либо из алюминия или его сплавов, либо из циркония или его сплавов.

Однако этим способом можно очищать только мелкий медицинский инструмент, но он не позволяет обрабатывать неметаллические объекты и объекты крупных размеров. Недостатком является и то, что для осуществления способа применяются высококонцентрированные токопроводящие растворы, что невыгодно по нескольким причинам, в частности вредность и опасность работы с концентрированными растворами, высокая стоимость реагентов.

Наиболее близким к изобретению по техническому существу и достигаемому результату является способ стерилизации жидкости и находящихся в ней объектов химически активными частицами, получаемыми при диафрагменном газовом разряде, генерируемом с использованием электродов [Максимов А.И., Стройкова И. К. Исследования свойств разряда с электролитными электродами. Диафрагменный разряд. Институт химии растворов РАН. Иваново, 2000, 42 с. (Рукопись деп. в ВИНИТИ, г. Москва, 09.02.2000)].

Способ заключается в том, что для создания диафрагменного разряда постоянного тока и напряжения в стеклянную цилиндрическую ячейку с электролитом помещают открытую сверху кварцевую ампулу с набором диафрагм в нижней части боковой стенки. Электроды в виде стержней из нержавеющей стали помещают в раствор как в ячейке, так и в ампуле. Постепенным погружением ампулы на большую глубину увеличивают суммарную площадь диафрагм, участвующих в зажигании разряда. Падение потенциала на ячейке достигает в течение опытов значений до 400 В при токе до 500 мA.

Способ осуществляют следующим образом. В цилиндрическую плазмохимическую ячейку заливают стерилизуемую жидкость и в ее объем помещают объект или несколько объектов. Затем туда же опускают кварцевую ампулу и стальные электроды, причем электрод, находящийся в ампуле, является анодом. Через зараженную жидкость, содержащую микроорганизмы, или через раствор с помещенным в него объектом пропускают электрический ток необходимой величины и зажигают диафрагменный разряд постоянного тока и напряжения. Анодный ток разряда - 400 мA. Раствор обрабатывают разрядом не менее 15-20 минут, после чего электрический источник питания отключают, простерилизованный объект вынимают, а стерильный раствор используют по назначению.

В качестве электролитов используют растворы едкого натра и хлорида калия с концентрацией от 0,5 до 4 г/л. Кварцевые ампулы, погружаемые в раствор, имеют ряд отверстий в боковой стенке с диаметрами 0,42 мм и 1 мм.

Однако недостатками этого способа стерилизации являются:

- длительность процесса (не менее 15-20 минут);

- низкая эффективность процесса из-за отсутствия циркуляции раствора, которое приводит к тому, что часть образующихся химически активных частиц погибает, не успев соприкоснуться с микробом, и из-за сильного растворения электродов, приводящего к тому, что ионы железа в количестве 510^-1 мкг/мл за 1 минуту), переходят в раствор; любому же микроорганизму железо необходимо для питания и роста даже в гораздо меньшем количестве (510^-4 мкг/мл), и его присутствие повышает способность микробной клетки к выживанию. Кроме того, присутствие ионов железа в жидкости снижает антимикробное действие активных частиц, образующихся в нем при инициировании разряда;

- высокие энергетические затраты;

- сложность и громоздкость аппаратурного оснащения.

Таким образом, неизвестен быстрый и эффективный способ стерилизации жидкости и находящихся в ней объектов с использованием газовых разрядов атмосферного давления, а именно диафрагменного газового разряда.

Сущность изобретения

Изобретательская задача состояла в поиске способа стерилизации жидкости и находящихся в ней объектов с использованием диафрагменного газового разряда, который позволил бы сократить длительность обработки, повысить ее эффективность, уменьшить энергозатраты.

Поставленная задача решена способом стерилизации жидкости и находящихся в ней объектов химически активными частицами, получаемыми при диафрагменном газовом разряде, генерируемом с использованием электродов, в котором процесс ведут при непрерывной циркуляции раствора, используют ток промышленной частоты при напряжении 500-1000 В, а разряд генерируют на молибденовых электродах или на электродах, выполненных из графита.

Изобретение позволяет:

- сократить время обработки до 2-10 минут;

- повысить эффективность процесса за счет циркуляции жидкости, которая создает направленные потоки активных частиц, получаемых вследствие разряда, к объекту воздействия (т.е. к микробной клетке), причем скорость движения этих частиц такова, что время достижения контакта с микробной клеткой меньше времени жизни этих частиц. К тому же эффективность повышается из-за малого растворения электродов (в 10-30 раз меньше, чем в случае диафрагменного разряда постоянного тока и напряжения) и использования распространенных материалов для их изготовления. В частности в качестве материала электродов используется молибден, присутствие которого не снижает действия активных частиц, возникающих при разряде, и ионы которого не служат питанием для микробной клетки. Кроме того, в качестве материала для изготовления электродов может быть использован также графит, который практически не растворяется при диафрагменном разряде;

- снизить энергетические затраты за счет использования тока промышленной частоты и переменного напряжения в 500-1000 В;

- значительно упростить аппаратурное оформление, в частности за счет отсутствия балластных сопротивлений в цепи питания, и создавать как большие, так и маленькие компактные установки.

К тому же заявленный способ позволяет обрабатывать токопроводящие среды, использовать в качестве среды слабо концентрированные растворы или даже водопроводную воду, что наиболее доступно и дешево. Кроме этого способ также позволяет стерилизовать объекты как непосредственно в объеме раствора, так и путем ополаскивания их обработанной разрядом жидкостью, поскольку даже у частично обеззараженной жидкости в период ее двухчасового хранения происходит полное самообеззараживание. К тому же способ позволяет стерилизовать объекты различного назначения: медицинские инструменты, поверхности станков и промышленного оборудования, пищевых емкостей, а также объекты различного размера и изготовленные из различного материала (металлические и хрупкие неметаллические объекты).

При использовании заявленного способа стерилизации в растворе может проявляться не только стерилизующий, но и так называемый бактериостатический эффект газоразрядной активации, выраженный во временном ингибировании роста бактерий, торможении жизненных функций микробной клетки (задержка роста, способность к размножению), которые могут частично или полностью восстановиться при изменении внешних условий.

Сведения, подтверждающие возможность воспроизведения изобретения

Для осуществления способа используется электрический блок для генерирования диафрагменного газового разряда переменного тока, позволяющий получить следующие параметры электрических разрядов: I=40-80 мA, U=500-1000 В.

Плотности тока подбираются таким образом, чтобы их величина была достаточной для зажигания разряда и его устойчивого горения в течение необходимого промежутка времени.

В качестве жидкости служит водный раствор хлорида натрия с концентрацией 2 г/л, что значительно меньше концентраций, используемых в медицинских целях. Выбор этого раствора обусловлен его доступностью и распространенностью, а также широким использованием его в способах и устройствах для обеззараживания растворов, материалов и емкостей. В качестве объектов, помещенных в раствор, используют стоматологические инструменты, образцы льняной и х/б ткани, а также пластиковую и стеклянную посуду.

В качестве микробных тест-культур используются штаммы аспорогенных бактерий Escherichia coli M-17 и Staphilococcus aureus.

Для осуществления способа к 49 мл стерильного водного раствора хлорида натрия добавляют 1 мл микробной суспензии определенного разведения для получения 50 мл исследуемой зараженной среды с заданной концентрацией бактериальных клеток. Температура раствора - 15^oС.

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, изображенного на чертеже. Устройство состоит из электрического блока питания (1) и самой плазмохимической ячейки (2), содержащей, в свою очередь, кварцевую или керамическую ампулу (3) со сферической диафрагмой диаметром 0,4 мм (4), электроды, выполненные из молибдена или графита (5).

Обработку проводят следующим образом. В плазмохимическую стеклянную или стальную ячейку заливается токопроводящая жидкость (6), в нее помещается требующий обеззараживания объект (7) (или несколько объектов). На диэлектрической крышке ячейки с помощью резьбового соединения с резиновым уплотнением монтируют мешалку и электроды, на один из которых надевают кварцевую (или керамическую) ампулу с диафрагмой. Между электродами прикладывают внешнее напряжение, и в ячейке протекает ток, замыкающийся через отверстие в ампуле. Устанавливают плотность тока такой величины, чтобы она была достаточной для зажигания диафрагменного газового разряда. После этого раствор и помещенные в него объекты обрабатывают разрядом в течение 2-10 минут, после чего выключают все элементы схемы и вынимают объект. Стерильный раствор используют по назначению.

Для определения эффективности стерилизации объекта его помещают в стерильную дистиллированную воду и делают с него несколько смывов той же водой. Полученную активную среду анализируют на наличие в ней микроорганизмов. Для определения эффективности стерилизации жидкости на анализ берут его пробу. Проверку ведут следующим образом.

Активную среду объемом 0,1 мл высевают из емкостей на поверхность питательной среды с соблюдением правил асептики. Далее посевы инкубируют в термостате при температуре 37^oС. Степень стерилизации оценивают методом прямого счета колоний бактериального раствора на чашках Петри, а сам подсчет колониеобразующих единиц выполняют через 24 часа по характерным культуральным свойствам колоний кишечной палочки и стафилококка. Выживаемость микроорганизмов при различных режимах газоразрядной активации подсчитывают как отношение средних арифметических числа колоний в четырех опытных чашках (N) к числу колоний в четырех чашках с контрольной концентрацией тест-культуры (N₀).

В таблице приведены результаты обработки по заявленному способу жидкости, зараженной в разной степени различными микроорганизмами, и различных объектов при различных электрических параметрах диафрагменного разряда, генерируемого на электродах из разных материалов.

В качестве жидкости использовали раствор хлорида натрия при концентрации 2 г/л. В качестве объектов, подвергаемых стерилизации, использовали стоматологический инструмент и льняную ткань. Электроды использовали из молибдена и графита, причем от материала электрода показатели стерилизации не зависят. Во всех примерах эффективность стерилизации была 100%, а выживаемость микроорганизмов - нулевая.