Способ микробиологического анализа воздуха и устройство для его осуществления

Авторы патента:

C12Q3 - Способы контроля за условиями (устройства для этой цели C12M 1/36; управление или регулирование вообще G05)

C12M1 - Устройства для работы с ферментами или микроорганизмами

государственный комитет ссср с нптс ан

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н автааснамт сандассаастнт (21) 3590440/28-13

:(22) 12.05.83 (46) 23.02.85. Бюл. У 7 (72) Ю.Л.Флеров, .Е.Ф.Андреев и А.А. Челноков (71) Всесоюзный научно-исследован тельский биотехнический институт (53) 615.475(088.8) (56) 1. Мау К.R. Amilti-stage lig.

impinger."Ract. Rev" ., 1966, 30, р. 559.

2. Авторское свидетельство СССР ,9 .639937, кл. С 12 М:1/00, 1977. (54) СПОСОБ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО, ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ микробиологического анализа воздуха, предусматривающий отбор представительной пробы воздуха, инерционное осаждение микробных частиц на подложках с последующим подсчетом выросших колоний, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, снижают концентрацию микробных частиц в анализируе-, 4(51) C 12 q 3/00; C 12 rt 1/00 мой пробе воздуха путем деления пос- ледней на два потока в заданном соотношении и стерилизации большого потока анализируемой пробы, при этом перед осаждением оба потока смешивают, а, результат подсчета корректируют с учетом заданного значения соотношения деления потоков.

2. Устройство для микробиологического анализа воздуха, включающее разъемные "каскады, содержащие сопловую решетку, и подложку с питательной средой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно оснащено неселективной насадкой, состоящей из цилиндрической камеры с входным каналом, внутри которой коаксиально размещены цилиндрические многосопловая решетка и подложка, при этом многосопловая решетка выполнена в виде перевернутого стакана с равномерно размещенными на боковой поверхности последнего соплами одинакового диаметра и единичным соплом в основании стакана.

1 1141

Изобретение относится к микробиологии, а именно к технике измерения высоких концентраций и дисперсных микробных частиц, присутствующих в воздухе. 5

Известны способ и устройство для микробиологического анализа воздуха, основанные на инерционном принципе разделения частиц по размера« и осаждении их в жидкость, посевом определенного объема отработанной жидкости на твердую питательную среду с последующим термостатированием

Известен также способ микробиологического анализа воздуха, прецусмаrривающий отбор представительной про30 бы воздуха, инерционное осаждение микробных частиц на подложках с последующим подсчетом выросших колонии .2> . г

Известно также устройство для осуществления способа, включающее разъемные каскады, содержащие согловую решетку и подложку с питательной средой (2) .

Известные способ и устройство позволяют анализировать высокие концентрации частиц, порядка

10 част/ьР, за счет сокращения объема воздуха, подаваемого на анализ, и обеспечения осаждения его на подложках. Однако известные способ и устройство являются недостаточно точными и неэффективными при анализе сильно загрязненного воздуха, например, при концентрации микробных частиц порядка 10 част/м, так как 50 наблюдаются "перегрузки" ступеней импактора.

Цель изобретения вЂ” повышение точности микробиологического анализа.

Поставленная цель достигается тем, то согласно способу микробиологического анализа воздуха, предусматривйзщему отбор представительной и подсчетом выращенных колоний мик роорганизмов Я .

Основной недсстаток способа в том, что он не позволяет измерять концентрацию и дисперсный,состав микробных частиц, а позволяет определять только содержание клеток в размерных фракциях микробных частиц.. Основной недостаток устройства для осуществления способа вЂ” в травмирующем действии на микроорганизмы при их осаждении в жидкость, что снижает 25 точность анализа. пробы воздуха, инерционное осаждение микробных частиц на подложках с последующим подсчетом выросших колоний, осуществляют снижение концентрации микробных частиц в анализируемой пробе воздуха путем деления последней на два потока в заданном соотношении и стерилизации бопьшого потока

1,, анализируемой пробы, при этом перед осаждением оба потока. смешивают, а результат подсчета корректируют с учетом заданного значения соотношения деления потоков.

Устройство для микробиологического анализа воздуха, включающее разъемные каскады, содержащие сопловую решетку, и подложку с питагельной средой, оснащено неселективной насадкой, состоящей иэ цилиндрической камеры с входным каналом, внутри которой коаксиально размещены цилиндрические многосопловая решетка и подложка, при этом многосопловая решетка выполнена в виде перевернутого стакана с равномерно размещенными на боковой поверхности .последнего соплами одинакового диаметра и единичным соплом в основании стакана.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для микробиологического анализа воздуха„ общий вид; на фиг. 2 вЂ” графическая зависимость эффективности осаждения частиц от размера 3go = (с р) На Фиг. 3 отклонение замеренного пылесодержания от истинного при различных соотношениях между скоростями газового потока в основном газоходе V< заборной трубки /

Устроиство состоит из неселективной насадки 1 разбавления и разме-. щенных под ней цилиндрических ступеней 2, установленных последовательно друг на друга и состоящих из сопловой решетки 3 и подложки 4.

Насадка состоит из цилиндрической камеры 5 с входным каналом 6, в которой коаксиально размещены цилиндрическая многосопловая решетка и подложка. Цилиндрическая многосопловая решетка представляет собой перевернутый стакан 7, на боковой поверхности которого размещены сопла 8 одинакового диаметра, а в основании ,стакана вЂ” единичное сопло 9 с диффуэором 10. Подложка выполнена в виде полого цилиндра 11, размещенного коаксиально внутри стакана 7, 113 4 тивной насадки для равномерной подачи потока на многосопловую решетку, Подложка выполнена в виде полого цилиндра, чтобы два конструктивных элемента (подложка и камера смешения) разместились в одном узлг, Коэффициент К вЂ” заданное значение соотношения деления потоков вЂ” можно увеличить, если установить несколько неселективных насадок последовательно друг на друга.

Пробу воздуха делят на два потока (большой и малый) таким образом, .чтобы отношение суммы этих потоков к меньшему было пропорционально заданному коэффициенту К: )ц =1: с э

Диаметр диффузора 10 единичного сопла 9 и диаметр входного канала камеры 3 выбирают такими, чтобы скорости газа на входе диффузора 10 и во входном канале б были одина45 ковыми, 50

3 1141 внутренняя полость которого связана с цилинДрическими ступенями 2 импактора через канал 12. Наружная поверхность подложки покрыта липким материалом 13.

Сечение единичного сопла 9 и общее сечение всех сопел 8 определяются для каждой насадки из условий обеспечения разделения анализируемого потока воздуха на пропорциональные потоки 10 с заданным коэффициентом пропорциональности К, который, при изменении расхода воздуха через устройство от

1 до 60 л/мин, остается без изменения и связан с другими конструктивными параметрами устройства следующей зависимостью: где 2 вЂ” диаметр единичного сопФ ла, мм;

2 вЂ” диаметр сопел многосоплоС вой решетки, мм;

К вЂ” коэффициент пропорциональности;

Й вЂ” число многосопловой решетки насадки разбавления.

Число и диаметр сопла 8 выбираются из соотношения

30 д (1,73 ° 10 ) = НП где d5p вЂ” медианный размер частиц, осажденных на липкой поверхности материала 13, З5 который всегда меньше минимального размера анализируемых микробных частиц.

Внутренняя полость подложки является камерой смешения анализируемого воздуха, проходящего через единичное сопло 9,с анализируемым воздухом, очищенным от микробных частиц за счет инерционного осаждения их на липком материале 13. Камера 5 выполнена цилиндрической, чтобы избежать образования внутри нее .застойных зон.

Входной канал 6 расположен соосно относительно всех элементов- неселеко„ ав к= (м где К вЂ” коэффициент пропорциональности вЂ” заданное значение соотношения деления потоков, иЯ вЂ” расход воздуха через единичм б ное сопло и сопловую решетку стакана соответственно, л/мин.

Каждая ступень импактора имеет характеристику, представленную на фиг. 2 (график эффективности осаждения частиц. Э на подложке в зависимости от размеров частиц 3 и от изменения относительного расстояния между сопловой решеткой и подложкой Р /0 ): з„Щ„: е(в,, где Э5О вЂ” 507-ная эффективность осаждения частиц на подложке; дало вЂ” размер частиц, отвечающий

50Х-ной эффективности осаждения;

2С вЂ” диаметр сопла.

Из анализа фиг. 2 видно, что если размер основного количества анализируемых микробных частиц будет меньше границы разделения частиц на фракции для данной ступени о5, то эффективность их осаждения будет значительно меньше 50Х. Если размер основного количества анализируемых микробных частиц будет больше значения d50 то эффективность их осаждения будет значительно больше 50Х.

Для правильно сконструированных импакторов крутизна характеристики (тангенс угла наклона) не более 1,4.

Этого достигают выбором отношения

114 1113 (/D в пределах от 1 до 3/8. В данном случае E /33с 1, а минимальный . размер анализируемых частиц не менее

1 мкм. Для рассматриваемого случая граница разделения частиц на улавли- 5 ваемые и неулавливаемые на подложке равна 0,43 мкм. При прохождении через такую ступень частиц, равных

1 мкм, эффективность их осаждния будет около 100%.

Значение коэффициента К выбирают в зависимости от значения анализируемой.концентрации микробных частиц в воздухе. С ростом анализируемой концентрации значение коэффициента К 15 должно быть больше. Если число сопел на той или иной ступени устройства превышает число выросших колоний и;(Й;>o n ), то вероятность попадания нескольких микробных частиц в одно 20 отверстие с последующим образованием одной колонии, видимой невооруженным глазом, будет незначительна .

Например.(Ч„ = 400, n„ 40, Р = 41, n, Р 25

Если число выросших колоний п1 соизмеримо с числом сопел в той или иной ступени Й;, то в одно отверстие в сопловой решетке может попасть несколько микробных частиц (до 6), З0 при этом вероятностное число микробных частиц, из которых выросло п,колоний, можно определить по формуле

l0! ((Р =((вЂ” + вЂ” + - вЂ” .„+ . й; ((;-(й„-г " ((;-n (!.

3=46 ™, Чк

Например. М< = 400, n„ = 399, p = 2397, n; « P, °

Если N, = n,, то обработать экспериментальные данные невозможно.

Соблюдение требования изокинетичности является важным условием для правильного отбора проб. Чтобы проба была представительна, необходимо соблюсти равенство скоростей во входном канале 6 (Чк) и на входе в диаметр диффузора 10 единичного сопла 9 $÷ ) чк

Влияние на точность измерения от«клонения от условий изокинетичности представлено на фиг. 3

Диаметр входного канала 6 выбирается таким, чтобы скорость газа в нем была 5-15 м/с. Входной диаметр 3 диффузора 10 определяется из урав55 нения л/мин; мм; м/с. и диаметр сопел 8 с опреиз уравнения где Q„ авЂ”

Ч„вЂ”

Число деляются

4 где p вЂ” динамическая вязкость где Н„ вЂ” число сопел в многосопловой решетке ступени импактора.

Концентрацию микробных частиц С определяют по уравнению

k (000,с . P, С

С=

Q < чост/м где вЂ” время отбора пробы, мин; л

Q вЂ” расход воздуха через устройство, л/мин;

R вЂ” - общее число ступеней импактора; !

К вЂ” коэффициент пропорциональности, В табл., 1 выборочно приведены значения Р; от n„ для ((, = 400.

Н с воздуха, 2

1 м

Qg вЂ” расход большего потока воздуха, л/мин„ р„ вЂ” плотность частиц, кг/м GfK вЂ” число Стокса, соответствующее 50%-ной эффективности осаждения частиц; число сопел в стакане.

Решая данное уравнение, получаем

dÄ «,ts «о«. «;и, .

Минимальный размер диаметр сопел

2 выбирают 0,2-0,25.мм. Задаваясь значением дно и Юс, определяют число сопел ((„ .

Вероятностное число осажденных на подложке частиц P определяю по

f уравнению или находят из таблиц.

Подсчет выращенных на подложках ° колоний микроорганизмов определяют после термостатирования подложек. По числу выращенных колоний и„ определяют вероятностное число осевших на каждой подложке микробных частиц Pg по формуле

1141113

Иэ табл, 1 видно, что с увеличением чис ла осажденных на подложке частиц увеличивается вероятность того, что из 2-х и более частиц вырастет одна колония. Когда и; / М;, 0,1, то и Р . При t>Ä о 300 можно предположить, что под многими соплами на подложке выросли колонии из двух и более числа микробных частиц. Чем больше число микробных частиц, из которых образовались колонии, тем больше ошибка при подсчете числа частиц, так как значение P зависит от верхнего и нижнего пределов выбранного доверительного интервала. Кроме того, наложение микробных частиц друг на друга часто мешает им прорасти.

Поэтому, чем ниже анализируемая о концентрация (до 10 част/мз ), тем меньше ошибка в измерении. При и;/Н, .

0,1 ошибка при измерении сведена к нулю.

Перед началом отбора пробы воздуха устройство собирают в стерильном2 боксе, относят его к месту проведения анализа, подсоединяют к источнику разрежения и устанавливают выбранный расход воздуха (например

30 л/мин). Анализируемый объем возду30 ха попадает на входной канал 6, в котором его меньшая часть (например, десятая) изокинетически отбирается единичным соплом 9 и попадает на внутреннюю полость стакана 7, а остальная, большая часть проходит

35 через сопла 8. Число и диаметр сопел

8 подобраны таким образом, что за счет инерционных сил на липком материале 13 осаждаются частицы с размерами большими (например, 0,43 мкм). Значение для многосопловой решетки каскада разбавления выбирается заведомо меньше минимального размера анализируемых микробных частиц (который равен или больше размера единичной клетки) для того, чтобы все микробные частицы, пройдя через сопла 8 стакана 7, осели на липком материале 13 с эффективностью 1007, и большая часть потока очистилась бы от микробных частиц и стала бы стерильной.

После отбора пробы подложки 4 извлекают иэ устройства и устанавли1вают в термостат для образования в местах осаждения микробных частиц видимых колоний микроорганизмов.

Проводят сравнительные испы>raнпя предлагаемого и известного способов микробиологического анализа воздуха.

Для реализации известного способа анализа воздуха используют известное устройство, а для реализации предлагаемого способа устройство, технические характеристики которого и приведены .в табл. 2. В динамической камере объемом 1 м распыляют культуру микроорганизмов чудесной палочки с помощью барботажного генератора аэрозолей. Концентрацию клеток чудесной палочки меняют в исходной взвеси из опыта к опыту для получения различной концентрации микробных частиц в динамической камере. Затем к камере подсоединяют два устройства (известное и предлагаемое) и одновременно отбирают пробу воздуха.

Результаты сравнительных испытаний, приведенные в табл. 3, показывают что при концентрации микробУ

7 ных частиц до 10 част/м результаты. совпадают, а при концентрации их выше 10 част/м измерить параг метры с помощью известного устройства не удается.

Таким образом, предлагаемое устройство для микробиологического анализа воздуха позволяет предварительно снизить исходную анализируемую концентрацию микробных частиц (например в 10 раз), что, с одной стороны, расширяет верхний предел измерения, а с другой, повышает точность анализа в 10 раэ за счет уменьшения эффекта наложения отдельных микробных частиц друг на друга с последующим образованием одной колонии.

Предлагаемое устройство может быть использовано для оценки эффективности систем фильтрации воздуха, индивидуальных средств защиты органов дыхания, изучения физического и биологического отмирания микробных частиц в камерах.

1141! 13

Т а б л и и а

2ОО

100

1О

330 360 зоо

399

З8О

Таблица 2

Граница разделения часЧисло сопел в ступени

ДиаРасстояние между

Расход воздуха через устройство л/мин