способ стерилизации объектов

Формула изобретения

1. Способ стерилизации изделий путем обработки их низкотемпературной плазмой, заключающийся в размещении стерилизуемого объекта в межэлектродном промежутке разрядной камеры, заполнении разрядной камеры рабочим газом заданного давления, создании в камере плазмы посредством формирования диффузного электрического разряда, возбуждаемого путем приложения к электродам напряжения, изменяющегося во времени, отличающийся тем, что увеличивают концентрацию заряженных частиц в межэлектродном промежутке подачей на разрядный промежуток последовательности коротких импульсов напряжения микросекундного и менее диапазона, а в качестве рабочего газа используют воздух, при этом размещают стерилизующий объект непосредственно в зоне разряда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для термолабильных материалов средняя мощность разряда 0,3 - 4 Вт, при которой температура тест-объекта не поднимается выше 40°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят обработку габаритных термолабильных изделий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к способам обработки поверхности тел, и может быть применено для стерилизации габаритных термолабильных изделий, в частности, медицинского инструментария.

Известен способ стерилизации, опубликованный в журнале «IEEE Trans. Plasma Sci.», vol. 28, No.l, pp.41-50, 2000, который заключается в размещении стерилизуемого объекта в межэлектродном промежутке разрядной камеры, заполнении разрядной камеры рабочим газом определенного давления, создании в камере плазмы посредством формирования диффузного электрического разряда, возбуждаемого путем приложения к электродам напряжения, изменяющегося во времени.

Обеззараживающее действие газоразрядной плазмы обусловлено наличием в ней заряженных и нейтральных частиц, а также излучений, энергии которых превышают энергии связи в молекулярных соединениях, составляющих основу микробиологических культур, подлежащих инактивации. Размещая стерилизуемый объект непосредственно в зоне разряда, можно добиться обеззараживающего действия всех стерилизующих факторов. И в данной работе продемонстрирована высокая эффективность уничтожения вегетативных, споровых и вирусных форм микроорганизмов. Однако, в аналоге исследовались разряды атмосферного давления в межэлектродных промежутках миллиметрового диапазона, что является следствием разумного ограничения напряжения величинами не более 10...20 кВ, хорошо освоенными с точки зрения безопасной эксплуатации. Таким образом, практическое применение данного способа стерилизации затруднительно из-за невозможности стерилизации габаритных объектов, какими являются медицинские инструменты, размеры которых достигают нескольких десятков миллиметров.

Другим недостатком данного способа стерилизации является технологическая сложность процесса, т.к. для реализации данного способа стерилизации изделий требуется дополнительное газобаллонное оборудование для заполнения разрядной камеры неэлектроотрицательным газом - гелием в целях формирования диффузного электрического разряда.

Наиболее близким по физической сущности к предлагаемому способу стерилизации изделий является способ стерилизации, опубликованный в Рrос. [ЕЕЕ Int. Conf. Plasma Sci., Raleigh, NC.1998, p.183, заключающийся в размещении стерилизуемого объекта в межэлектродном промежутке разрядной камеры, заполнении разрядной камеры рабочим газом определенного давления, создании в камере плазмы посредством формирования диффузного электрического разряда, возбуждаемого путем приложения к электродам напряжения, изменяющегося во времени.

В работе в качестве рабочего газа использовался гелий (или смесь гелия с воздухом) при атмосферном давлении. Как уже было сказано выше, обеззараживающее действие плазмы обусловлено наличием в ней заряженных и нейтральных частиц, а также излучений. Но условия формирования разряда таковы, что максимальная концентрация заряженных частиц находится в зоне облегченных условий формирования разряда - в зоне около электрода-острия (за счет неэлектроотрицательного газа). Таким образом, распределение агентов стерилизации, в том числе заряженных частиц, по межэлектродному промежутку резко неоднородно, то есть увеличение межэлектродного промежутка для обеспечения возможности размещения в нем стерилизуемого объекта приведет к существенному уменьшению стерилизующего влияния всех вышеназванных факторов (в частности, для заряженных частиц резко будет уменьшаться их концентрация по длине промежутка). Следствием данного факта является неэффективное использование стерилизующих факторов плазмы.

При создании заявляемого изобретения решалась задача обеспечения качественной стерилизации габаритных объектов, в частности, медицинского инструментария.

Технический результат состоит в повышении эффективности стерилизующего действия плазмы.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом стерилизации, заключающимся в размещении стерилизуемого объекта в межэлектродном промежутке разрядной камеры, заполнении разрядной камеры рабочим газом определенного давления, создании в камере плазмы посредством формирования диффузного электрического разряда, возбуждаемого путем приложения к электродам напряжения, изменяющегося во времени, в предлагаемом способе стерилизации стимулируют стерилизующее действие плазмы путем увеличения концентрации заряженных частиц в межэлектродном промежутке.

Заряженные частицы создают в области импульсно-периодического разряда путем подачи на разрядный промежуток последовательности коротких импульсов напряжения микросекундного и менее диапазона; кроме того, в качестве рабочего газа используют воздух; кроме того, стерилизуемый объект размещают непосредственно в зоне разряда.

Диффузный разряд сопровождается образованием в межэлектродном промежутке плазмы, обеззараживающее действие которой обусловлено наличием в ней заряженных и нейтральных частиц, а также излучений. Предлагается повысить эффективность стерилизующего действия плазмы (для решения поставленной задачи), стимулируя его путем увеличения концентрации заряженных частиц, как основного стерилизующего фактора, во всем объеме разрядного промежутка.

О возможности использования в качестве основного стерилизующего фактора заряженных частиц свидетельствует наблюдаемая в ряде экспериментов пространственная связь эффективности стерилизации с областью повышенной плотности тока разряда. Как известно, повышенная плотность тока разряда характеризуется более ярким свечением плазмы, и величина плотности тока непосредственно определяется концентрацией заряженных частиц в плазме разряда.

Для детального изучения зависимости эффективности стерилизации от взаимного расположения разряда и тест-образца была проведена серия экспериментов, в которых несколько (от двух до четырех) тест-образцов располагалось непосредственно на плоском электроде камеры без чашек Петри вплотную друг к другу, таким образом, что ось наиболее интенсивной части разрядного свечения совпадала с одним из образцов или с пограничной областью между двумя соседними образцами. Эксперименты показали, что вероятность стерилизации тест-образцов, находящихся в наиболее интенсивной зоне разряда, близка к единице и превышает вероятность стерилизации произвольно расположенного образца и, следовательно, данный факт позволяет повлиять на эффективность стерилизации.

Увеличение области повышенной концентрации заряженных частиц на весь межэлектродный промежуток позволит расширить функциональные возможности способа стерилизации в сторону увеличения габаритов стерилизуемых объектов.

Реализация предлагаемого способа стерилизации (стимулирование заявляемого фактора стерилизации) возможна при создании заряженных частиц в области импульсно-периодического разряда путем подачи на разрядный промежуток последовательности коротких импульсов напряжения микросекундного и менее диапазона с резко неоднородным распределением электрического поля. При этом резко неоднородное распределение поля будет способствовать возможности увеличения межэлектродного зазора, а импульсно-периодический характер разряда обеспечит перенапряженный режим разряда. Как известно, внесение неоднородности электрического поля, т.е. когда напряженность электрического поля вблизи электрода-острия много больше напряженности электрического поля вблизи электрода-плоскости, уменьшает величину пробивного напряжения в межэлектродном зазоре и способствует увеличению межэлектродного промежутка. Импульсно-периодический характер разряда способствует стабильности горения разряда при значительных токах, протекающих в межэлектродном зазоре, что обеспечивает формирование устойчивой объемной области повышенной концентрации заряженных частиц. Это отличает заявляемый режим стерилизации от прототипа, где ток разряда незначителен, а следовательно, концентрация заряженных частиц в разрядном промежутке невелика и работает лишь в малом объеме. Таким образом, предложен способ стерилизации габаритных изделий путем максимального использования, как основного стерилизующего фактора, заряженных частиц. Это возможно упрощенным образом, за счет исключения систем снабжения межэлектродного промежутка неэлектроотрицательным рабочим газом в случае, если в качестве рабочего газа использован воздух.

Наиболее оптимальной областью с точки зрения использования заявленного стерилизующего агента как основного является непосредственно зона разряда. Это установлено экспериментально. Обращаясь к вышеописанному эксперименту, можно подтвердить тот факт, что максимальная концентрация заряженных частиц достигается в зоне разряда. Таким образом, располагая стерилизуемый объект непосредственно в зоне разряда, можно добиться максимального действия образующейся при этом плазмы на стерилизуемый объект.

На фиг.1 схематично изображена экспериментальная установка для стерилизации изделий.

На фиг.2 изображена типичная фотография внешнего вида разряда.

Основными элементами установки (фиг.1) являются разрядная камера 5 с электродной системой внутри нее, вакуумная система 6 (ВС) и источник питания 7 (ИП). Электродная система образована плоским металлическим диском 2, покрытым стеклом 3 с размещенным на нем стерилизуемым объектом 4, и игольчатым электродом 1.

Типичные фотографии внешнего вида разряда с тест-образцами в чашках Петри и без них представлены на фиг.2. Форма свечения близка к конической, за исключением области вблизи плоского электрода, где наблюдается уширенная до диаметра электрода зона слабого свечения. Максимальный диаметр области интенсивного свечения уменьшается с ростом частоты следования импульсов от величины, примерно равной межэлектродному зазору, при ˜300 Гц до 1/3...1/4 этой величины при ˜1,5 кГц.

Способ стерилизации осуществлялся следующим образом:

Стерилизация изделий (тест-образцов) с референс-культурами микроорганизмов низкотемпературной плазмой разряда производилась на экспериментальной установке, основными элементами которой являются разрядная камера (5) - герметичный стеклянный сосуд объемом ˜ 2,5 литра с электродной системой внутри него и источник питания. Электродная система, позволяющая формировать диффузный электрический разряд, образована плоским металлическим диском (2) диаметром 6...10 см, покрытым стеклом (3), и игольчатым электродом (1), расположенным на расстоянии 5...10 см от плоскости. Источник питания (7), формирующий импульсно-периодический разряд, который обеспечивает создание заряженных частиц, резонансный преобразователь с магнитными элементами сжатия импульсов обеспечивал на межэлектродном промежутке последовательность импульсов напряжения чередующейся полярности с частотой следования до 25 кГц. Длительность импульсов по основанию ˜4 мкс. Тест-образцы (4) размещались на плоском электроде в чашках Петри или без нее (фиг.2), и после понижения давления воздуха в разрядной камере до рабочего давления (18-60 Top) посредством вакуумной системы (6) подвергались воздействию низкотемпературной плазмы диффузного электрического разряда, в которой основным стерилизующим фактором являлись заряженные частицы с высокой концентрацией во всем разрядном промежутке.

В процессе обработки фотографически контролировался внешний вид разряда. Результат воздействия на референс-культуры низкотемпературной плазмы определялся посредством стандартного анализа, принятого в медицинской практике.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что воздействие низкотемпературной плазмы высоковольтного импульсно-периодического разряда в воздухе при давлении в десятки торр обеспечивает гибель всех инокулированных на обрабатываемых разрядом тест-образцах представителей референс-культур - Escherichia coli и Staphylococcus epidermidis, что доказывает повышение эффективности стерилизующего действия плазмы при заявленном режиме стимулирования.

При исходном количестве микроорганизмов ˜ 10 ⁸ полная стерильность «влажных» и «сухих» тест-образцов достигается после 15 мин обработки при средней мощности разряда 0,3-0,4 Вт и 3-4 Вт, соответственно. Температура тест-образцов во всех режимах воздействия плазмы разряда не поднимается выше 40°С. Предложенный тип газового разряда может служить основой для разработки эффективного стерилизатора термолабильных материалов.