Устройство для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов

 

Изобретение относится к средствам ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов. Устройство содержит колбу из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, содержащую смесь газов, электроды, образующие внутренний разрядный промежуток, генератор, подключенный к обоим электродам, электроды плотно установлены на внешней поверхности колбы, рабочая среда содержит инертный газ и галоген. Устройство работает при напряжениях до 10 кВ при определенном соотношении параметров. Изобретение обеспечивает ультрафиолетовое облучение на эффективной для инактивирования длине волны (или наборе длин волн), повышение надежности и безопасности процесса стерилизации для оператора.

Изобретение относится к технике обеззараживания и дезинфекции, в частности к средствам ультрафиолетовой (УФ) инактивации микроорганизмов.

Известны устройства обеззараживания, в которых используется УФ-излучение т. н. бактерицидных ртутно-кварцевых ламп низкого давления. В таких лампах около 70% всей излучаемой мощности приходится на ультрафиолетовое излучение в диапазоне от 250 до 370 нм, из них около 60% приходится на долю резонансной линии ртути 253,7 нм, обеспечивающей максимум бактерицидного действия [1]. Наиболее эффективным губительным действием обладает излучение с длинами волн 200-295 нм, поэтому его называют бактерицидным. Длины волн короче 200 нм также обладают бактерицидным действием, но практике применяется редко, поскольку, например, имеют сильное поглощение как в воздухе, так и в водных растворах. КПД ртутно-кварцевых ламп низкого давления относительно бактерицидной мощности составляет 5-10%. Устройства имеют простое питание и обслуживание, что позволило им получить широкое распространение.

Известны способ и устройство, в котором дополнительно к ультрафиолетовому излучению ртутной лампы обеззараживаемый предмет или вещество помещается в окислительную среду, губительную для инфекционных микроорганизмов [2].

Общим недостатком этих устройств является вероятность разгерметизации колбы ртутной лампы. В этом случае пары ртути через фольговые вводы лампы, микротрещины, образующиеся в процессе старения лампы, или же при случайном разрушении колбы лампы могут оседать на обеззараживаемой поверхности, попадать в раствор или в воздушную среду, что недопустимо как в случае медицинских, так и биологических приложений. Чтобы исключить указанный вредный фактор, лампы эксплуатируют в прозрачных для ультрафиолетового излучения кожухах, что усложняет и удорожает конструкцию.

Также отдельную проблему представляет утилизация отработавших ламп, содержащих ртуть [3].

Также известны устройства, основным компонентом которых является импульсная лампа, наполненная инертным газом ксеноном [4], криптоном или смесью легкого и тяжелого инертных газов, например, как в [5]. Последнее было взято нами за прототип. В этом случае в качестве наполнения импульсной лампы использована смесь инертных газов Хе+Аr с содержанием Аr 30-60% и начальном давлении наполнения смеси 1.3-13 кПа. Устройства данного типа имеют широкополосный спектр излучения, значительная доля которого приходится на ультрафиолетовую область спектра (с длинами волн короче 400 нм), что по сравнению с ртутными лампами, имеющими линейчатый спектр, значительно увеличивает вероятность инактивации различных микроорганизмов, обладающих различными спектральными характеристиками и показателями оптической плотности. Поэтому широкополосное ультрафиолетовое излучение в случае сильного бактериального загрязнения воздуха, поверхности или раствора в среднем будет характеризоваться большой глубиной проникновения.

Однако получение широкополосного спектра сопряжено с большими затратами энергии, ненужными для решения задачи селективного воздействия на известный набор микроорганизмов, что реализуется, например, в лабораторных исследованиях. Так, в спектре описанной лампы не более 15% излучаемой энергии принадлежит бактерицидному диапазону спектра. Кроме того, питание импульсных ламп осуществляется от источников высокого напряжения в десятки киловольт (см., например, [6] ) и иногда имеет сложные схемы коммутации. Первое делает их использование небезопасным, а второе увеличивает стоимость.

Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего ультрафиолетовое облучение преимущественно на бактерицидных длинах волн, увеличение бактерицидной эффективности ультрафиолетового излучения (т.е. доли бактерицидной мощности, приходящейся на инактивацию, к потребляемой мощности устройства), улучшение эксплуатационных характеристик стерилизатора, применяемого в медицинских и микробиологических исследованиях, повышение надежности и безопасности процесса стерилизации для оператора.

Указанная задача достигается за счет того, что в устройстве для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов, содержащем колбу из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, наполненную инертным газом, электроды, образующие разрядный промежуток, генератор высоковольтного импульсного напряжения, подключенный к электродам, согласно изобретению электроды плотно установлены на внешней поверхности колбы, содержащей дополнительно галогеноноситель, при котором получают узкополосные спектры излучения, расположенные в разных частях УФ-диапазона от 160 до 350 нм, а мощность в области разряда генератора удовлетворяет соотношению 10^-2<W/(V•p)<1, где W - мощность, введенная в область разряда, Вт; V - объем колбы, см³; p - общее давление газов в колбе (причем, p<2,6 кПа).

Введение в состав наполнения галогеноносителей обеспечивает спектр УФ-излучения, удовлетворяющий задаче инактивации микроорганизмов, причем интенсивность спектральных полос и бактерицидная эффективность этих полос поддаются управлению введением разных количеств галогена по отношению к инертному газу, а также варьированием вкладываемой в объем колбы мощности.

На чертеже схематично представлено заявляемое устройство для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов.

Устройство состоит из колбы 1, выполненной из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны. Пространство в колбе 1 заполнено газовой средой, представляющей собой инертный газ и галогеноноситель (молекулярный хлор, пары йода или брома) или несколько галогеноносителей. Лампа также содержит два электрода 3, плотно прилегающих к внешней поверхности лампы и образующих разрядный промежуток 2. Электроды 3 подключены к источнику питания 4. Трубка заполняется рабочей смесью и отпаивается. Давления газа в колбе не превышает 2,6 кПа. Дальнейшее увеличение давления в колбе нецелесообразно, поскольку затрудняет поджиг разряда в длинных трубках и колбах, имеющих сложную форму, например в спиральных колбах. Слишком низкое давление (сотые доли кПа) ограничивает мощность, вкладываемую в разряд от источника питания, и снижает бактерицидный КПД устройства в разы.

Устройство работает следующим образом. При включении источника питания 4 на электроды подается высокочастотное напряжение импульсной или синусоидальной формы. При этом происходит зарядка диэлектрических барьеров, образованных зонами контакта электродов 3 со стенкой колбы 1 и в промежутке 2 возникает объемный разряд, имеющий форму столба, располагающегося на оси колбы. Его диаметр зависит от наполнения колбы 1. В случае использования колб сложной формы столб разряда повторяет геометрию колбы. Выполнение указанного соотношения между параметрами W, V, p обеспечивает максимальный бактерицидный КПД устройства.

Анализ работ, содержащих данные о воздействии ультрафиолетового излучения на микроорганизмы, показывает, что дозы облучения для обеззараживания на один порядок отличаются (в среднем) незначительно от 1,5 мДж/см² для некоторых штаммов Shigella dysenteria до 11 мДж/см² для фекальных стрептококков и энтерококков. В качестве тестируемой среды была выбрана культура Escherichia coli. Количество выживших микроорганизмов определяли методом высева в плотные среды (метод Коха с посевами на агаризированные среды в чашках Петри). Чашки Петри с колониями подвергались облучению с различными экспозициями от нескольких секунд до нескольких минут и при разных уровнях удельной плотности ультрафиолетового излучения (до 10 мВт/см²).

Пример 1.

Использовали цилиндрическую колбу диаметром 40 мм и длиной разрядного промежутка 200 мм. Колба была заполнена смесью Kr и молекулярного хлора в соотношении 12/1 при общем давлении 667 Па. От источника питания на электроды (площадь каждого электрода 39 см²) подавалось напряжение синусоидальной формы с амплитудой до 4 кВ и частотой 100 кГц. На облучаемой поверхности устройство создавало освещенность 1,5 мВт/см². Спектр излучения представлял собой преимущественно излучение полосы В-->Х перехода молекулы KrCl* с максимумом на λ= 222 нм и шириной на полувысоте 5 нм. Благодаря этому доля бактерицидного излучения устройства превышала 80%. При этом после инактивации дозой 11 мДж/см² выжило 0,5% бактерий от начальной концентрации, что соответствует коэффициенту обеззараживания К=log₁₀[N₀/N]=2,2 (N₀ и N - начальная и конечная концентрации бактерий соответственно). После удвоенной дозы облучения 22 мДж/см² выжило только 0,004% (К=4,4).

Пример 2.

Использовали цилиндрическую колбу диаметром 40 мм и длиной разрядного промежутка 210 мм. Колба была заполнена смесью Хе и паров Вr в соотношении 15/1 при общем давлении 600 Па. От источника питания на электроды (площадь каждого электрода 70 см²) подавалось напряжение синусоидальной формы с амплитудой до 2,5 кВ и частотой 108 кГц. Спектр излучения представлял собой преимущественно излучение полосы В-->Х перехода молекулы ХеВr* с максимумом на λ~ 282 нм и шириной на полувысоте 5 нм. Доля бактерицидного излучения в спектре устройства превышала 80%. На облучаемой поверхности устройство создавало освещенность 4,8 мВт/см². При этом после инактивации дозой 9,4 мДж/см² выжило 0,2% бактерий (К=3), а после удвоенной дозы 19 мДж/см² выжило 0,002% (К=4,6).

В обоих случаях добавление в рабочую камеру галогеноносителя при соблюдении заявленного соотношения давало, во-первых, узкополосные спектры излучения, расположенные в бактерицидном диапазоне спектра, а во-вторых, однородный интенсивный разряд. Дополнительно отметим, что выбором сорта галогеноносителя можно получать излучение, позволяющее селективно воздействовать на микроорганизмы в целях их инактивации и с учетом их спектральных свойств. Данная особенность бинарных систем инертный газ + галоген в разряде связана со строением термов образуемых ими рабочих молекул (в описанных примерах это молекулы KrCl* и ХеВr*). Типичные спектры таких газовых систем имеют не более 10 нм на полувысоте.

Устройство является более безопасным в работе по сравнению с импульсными лампами высокого давления, поскольку рабочие напряжения на электродах колбы снижены и не превышают 10 кВ, а средние токи через лампу не превышают нескольких десятков миллиампер, и заданный уровень мощности набирается за счет большой частоты следования импульсов возбуждения.

Следует подчеркнуть, что область применения изобретения охватывает также и инактивацию микроорганизмов в присутствии сенсибилизатора, например пероксида водорода, используемого в качестве 1% раствора, распыленного по поверхности с микроорганизмами. Комплексное воздействие УФ-излучения и продуктов фотодиссоциации сенсибилизатора создает инактивирующую микроорганизмы среду, которое может на порядок уменьшить концентрацию выживших бактерий при той же дозе облучения. Кроме того, предложенное устройство позволяет точнее настраиваться на тот или иной фотосенсибилизатор, используемый на практике и переходящий в инактивирующую форму только под воздействием УФ-излучения конкретного диапазона длин волн.

Источники информации 1. Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами. - М.: Изд-во Министерства коммунального хозяйства РСФСР. 1954. - 178 с.

2. McDonald K.F., Curry R.D., Clevenger Т.Е., Brazos B.J., Uklesbay K., Eisenstark A. , Baker S., Golden J., Morgan R. The Development of Photosensitized Pulsed and Continuous Ultraviolet Decontamination Techniques for Surface and Solutions //IEEE Transactions on Plasma Science. - 2000. - Vol. 28. - 1, - p. 89-96.

3. Walsey R. //Lighting Futures. - 1998. - Vol. 3. - 2, - p. 1, 4.

4. Устройство для обеззараживания воздуха и поверхностей /Патент RU 2031659, кл. A 61 L 2/10, опубл. 27.03.1995.

5. Бытовой ультрафиолетовый стерилизатор /Патент RU 2026084, кл. A 61 L 2/10, опубл. 09.01.1995.

6. Anderson J.G., Rowan N.J., MacGregor S.J., Fouracre R.A., Farish O. Inactivation of Food-Borne Enteropathogenic Bacteria and Spoilage Fungi Usinf Pulsed-Light //IEEE Transactions on Plasma Science. - 2000. - Vol. 28. - 1, - p. 83-88.

Формула изобретения

Устройство для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов, содержащее колбу из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, наполненную инертным газом, электроды, образующие разрядный промежуток, генератор высоковольтного импульсного напряжения, подключенный к электродам, отличающееся тем, что электроды плотно установлены на внешней поверхности колбы, дополнительно содержащей галогеноноситель, при котором получают узкополосные спектры излучения, расположенные в разных частях УФ-диапазона от 160 до 350 нм, рабочие напряжения на электродах не превышают 10 кВ, а мощность в области разряда генератора удовлетворяет соотношению

10^-2<W/(V·p)<1,

V - объем колбы, см³;

p - общее давление газов в колбе, которое не выше 2,6 кПа.