Спосіб інактивації мікроорганізмів у повітрі та електричний стерилізатор

Реферат: Об’єкт винаходу: спосіб інактивації мікроорганізмів у повітрі та електричний стерилізатор. Галузь застосування: винахід стосується медичної техніки, зокрема способів і пристроїв для інактивації мікроорганізмів у повітрі, та може бути використаний для дезінфекції повітря, а також підвищення рівня негативних аероіонів в медичній, фармацевтичний, харчовій, сільськогосподарській галузях, у приміщеннях з великим скупченням людей, а також у побуті. Суть винаходу: спосіб інактивації мікроорганізмів у повітрі полягає в тому, що повітря пропускають через систему коронуючих електродів та електродів-іонізаторів, які знаходяться в стерилізаційній камері в магнітному полі, подають імпульси високої напруги позитивної і негативної полярності амплітудою 14-100 кВ тривалістю 2-200 мc та щілинністю від 1 до 100 з можливістю незалежно встановлювати величину напруги. Електричний стерилізатор складається з корпусу та під′єднаних до високовольтних імпульсних джерел живлення груп коронуючих електродів, стерилізаційної камери, в якій встановлені групи позитивних і негативних коронуючих електродів, між групами позитивних і негативних коронуючих електродів встановлені групи ізольованих електродів, які виготовлені у вигляді діелектричного корпусу з вмонтованими в нього металевими сітками, та електроди-іонізатори, які встановлені за останньою за напрямком руху повітря групою негативних електродів, на стерилізаційній камері встановлені щонайменше чотири електромагніти, джерела живлення котрих встановлені на UA 114067 C2 (12) UA 114067 C2 стерилізаційній камері та синхронізовані з джерелами живлення електродів, перед турбіною встановлено інжектор додаткової подачі газу, що іонізується. Технічний результат: забезпечення можливості утворення у стерилізаторі імпульсного біполярного коронного розряду шляхом подання імпульсної напруги позитивної і негативної полярності з можливістю незалежно встановлювати величину напруги та тривалості імпульсів, а також забезпечення синхронізації джерел живлення груп електродів, що забезпечить повну інактивацію мікроорганізмів у повітрі. UA 114067 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується медичної техніки, зокрема способів і пристроїв для інактивації мікроорганізмів у повітрі, та може бути використаний для дезінфекції повітря, а також підвищення рівня негативних аероіонів в медичній, фармацевтичний, харчовій, сільськогосподарській галузях, у приміщеннях з великим скупченням людей, а також у побуті. Існує ряд як простих, так і складних за будовою пристроїв для очищення і дезінфекції повітря. Проте кожен з відомих пристроїв не дозволяє досягнути повного очищення повітря від мікроорганізмів. Відомий очищувач повітря фірми ZENET (Інтернет-ресурс: http/www.mobilluck.com.ua/brands/Zenet), який очищує повітря механічним способом та за допомогою електростатики, проте умови для інактивації в ньому відсутні. Аналогічним є очищувач повітря фірми AirComfort (Інтернет-ресурс: www.aircomfort.ru). Застосовані в цьому очищувачі елементи фільтрування типу Nano фільтр та TRUE НЕPA фільтр є уловлювачами мікрочастинок. Внутрішні іонізатори можуть незначно підвищити концентрацію негативних аероніонів у вихідному потоці повітря, поте умови інактивації в ньому відсутні. Відомий також пристрій для стерилізації і тонкої фільтрації газу (Патент РФ № 2026751, кл. В 03 С/14, публ. 1995 p.), який має будову подібну до будови очищувача фірми ZENET та фірми AirComfort. Проте він відрізняється наявністю іонізаційної камери. В патенті не описано конкретних умов роботи іонізаційної камери, йдеться лише про напругу живлення 10кВ. При таких значеннях напруги живлення неможливо створити ефективні умови інактивації при будьякому розташуванні і формі електродів. Відомий також електричний стерилізатор повітря (Патент України № 101136, кл. В03С 3/14; A61L 2/00; A61L 9/22, публ. 2013 p.), який містить корпус, всередині якого розміщена іонізаційна камера, зовнішні електроди-іонізатори, джерело живлення та турбіну. Всередині іонізаційної камери розміщені позитивні та негативні коронуючі електроди під напругою різної полярності величиною 12,5-100 кВ, а для продування повітря через іонізаційну камеру передбачена турбіна. Утворення в цьому стерилізаторі біполярного коронного розряду забезпечує інактивацію мікроорганізмів, а іонізація повітря високою напругою підвищує насиченість повітря негативними аеронами, проте цей стерилізатор має малу швидкодію та велику енерговитратність. Прототипом вибраний спосіб іонізації повітря і біполярний генератор іонів(Патент РФ № 2301377 С2, кл. F24F 3/16, публ. 2007 p.). Спосіб іонізації повітря полягає в тому, що повітря пропускають через встановлену в повітроводі систему коронуючих електродів, на які подають імпульси змінної напруги, амплітуда яких в обидва напівперіоди вища порогу коронування. Систему коронуючих електродів виконують з двох однакових і поруч розташованих груп електродів, високовольтні імпульси селектують по полярності і направляють імпульси різної полярності на різні групи коронуючих електродів, а концентрацію іонів і коефіцієнт уніполярності іонів регулюють шляхом незалежної зміни тривалості імпульсів позитивної і негативної полярності. Біполярний генератор іонів складається з корпусу та декількох груп коронуючих електродів, під'єднаних до високовольтних джерел живлення, повітроводу та турбіни. Джерела живлення − імпульсні. На електроди незалежно один від одного подають імпульси змінної напруги. Зміна тривалості імпульсів також незалежна. Щілинність імпульсів дорівнює двом. Проте цей генератор призначений тільки для іонізації повітря та регулювання концентрації позитивних і негативних іонів. Використати його для інактивації мікроорганізмів у повітрі не дозволяє відсутність у ньому необхідних інактиваційних умов. В основу винаходу поставлено задачу забезпечення можливості утворення у стерилізаторі імпульсного біполярного коронного розряду шляхом подання імпульсної напруги позитивної і негативної полярності з можливістю незалежно встановлювати величину напруги та тривалості імпульсів, а також забезпечення синхронізації джерел живлення електродів, що забезпечить повну інактивацію мікроорганізмів у повітрі. Поставлена задача вирішується тим, що у способі інактивації мікроорганізмів у повітрі, який полягає в тому, що повітря пропускають через систему електродів, на які подають імпульсну напругу, згідно з винаходом на коронуючі електроди та електроди-іонізатори, які знаходяться в стерилізаційній камері в постійному або змінному магнітному полі, подають імпульси високої напруги позитивної і негативної полярності амплітудою 14-100 кВ тривалістю 2-200 мс та щілинністю від 1 до 100, з можливістю незалежно встановлювати величину напруги та тривалості імпульсів на кожному електроді, тривалість імпульсів визначають за формулою: t=S/Va, де t – тривалість імпульсу, мс, 1 UA 114067 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 S – довжина стерилізаційної камери, м, V – швидкість потоку повітря через камеру, м/с, a – коефіцієнт магнітної взаємодії коронуючі електроди під’єднують до синхронізованих джерел живлення, які допускають зсув фаз до 2 , магнітне поле створюють електромагнітами, джерела живлення яких синхронізовані з джерелами живлення електродів, і змінюють полярність напруги живлення обмоток електромагнітів на половині тривалості високовольтного імпульсу. Згідно з винаходом, при необхідності, в стерилізаційну камеру додатково подають газ певного складу, який іонізується та забезпечує підвищену концентрацію іонів на виході. Поставлена задача вирішується ще й тим, що в електричному стерилізаторі, який складається з корпусу та під'єднаних до високовольтних імпульсних джерел живлення декількох груп коронуючих електродів, повітропроводу та турбіни, згідно з винаходом повітропроводом служить стерилізаційна камера, в якій встановлені групи позитивних і негативних коронуючих електродів, між групами позитивних і негативних коронуючих електродів встановлені ізольовані електроди, виготовлені у формі діелектричного корпусу з вмонтованими в нього металевими сітками, та електроди-іонізатори, встановлені за останньою за напрямком руху повітря групою негативних електродів, на стерилізаційній камері встановлено щонайменше чотири електромагніти для створення змінного або постійного магнітного поля, джерела живлення електромагнітів встановлені зовні корпусу стерилізаційної камери та синхронізовано з джерелами живлення електродів, перед турбіною встановлено інжектор додаткової подачі газу певного складу. Згідно з винаходом електромагніти виготовлені у формі котушок з феромагнітним сердечником та встановлені з протилежних сторін стерилізаційної камери одна до одної протилежними полюсами. Подання імпульсів високої напруги позитивної і негативної полярності амплітудою 14-100 кВ тривалістю 2-200 мс і щілинністю від 1 до 100 та можливість незалежно встановлювати величину напруги і тривалість імпульсів на кожній групі електродів дає можливість збільшити ударну іонізацію. Використання електромагнітів та синхронізація джерел живлення додатково збільшують ймовірність актів іонізації. Робота стерилізатора при змінному магнітному полі підвищує ефективність стерилізації в два рази, ніж при роботі в умовах постійного магнітного поля. Встановлення груп ізольованих електродів забезпечує стабільну роботу стерилізатора при передпробійних значеннях напруги, усуваючи виникнення стримерних процесів, що дає можливість підвищити напругу живлення груп коронуючих електродів та підвищити енергію іонізації. Крім того запропонований стерилізатор дає можливість підвищити концентрацію іонізованих частин певного газу у повітрі з метою використання його у лікувальних цілях. На фіг. 1 схематично зображений електричний стерилізатор; на фіг 2. - блок-схема живлення і управління електричного стерилізатора. Електричний стерилізатор містить корпус 1, стерилізаційну камеру 2, корпус 3 якої виконаний у вигляді труби, до торця корпусу 1 прикріплена турбіна 4, яка нагнітає повітря в стерилізаційну камеру 2. Перед турбіною 4 встановлений інжектор 5 із запірною арматурою 6 для додаткової подачі газу певного складу. В корпусі 3 стерилізаційної камери 2 встановлені по порядку: група негативних коронуючих електродів 7 у вигляді гальванічно з'єднаних металевих сіток, за нею розташована група ізольованих електродів 8 у вигляді діелектричного корпусу з вмонтованими металевими сітками, далі − група позитивних коронуючих електродів 9 у вигляді гальванічно з'єднаних металевих сіток, за ними − знову група ізольованих електродів 8 і останньою розташована група негативних коронуючих електродів 7, гальванічно з'єднана з електродами-іонізаторами 10. На корпусі 3 стерилізаційної камери 2 в зоні групи ізольованих електродів 8 встановлено обмотки електромагнітів 11. Блок управління 12, джерело живлення груп негативних коронуючих електродів 13, джерело живлення груп позитивних коронуючих електродів 14, джерело живлення електромагнітів 15, блок регулювання 16 та блок індикації 17, виконані в окремих корпусах. Джерела живлення 13, 14, 15, блок регулювання 16 та блок індикації 17 під'єднані до блока управління 12. Стерилізатор працює таким чином. Турбіна 4 нагнітає повітря в стерилізаційну камеру 2, проходячи через неї, потік повітря потрапляє під дію електричного поля, яке створюється групами коронуючих електродів 7, 9, на котрі з джерел живлення 13, 14 подають імпульси високої напруги позитивної і негативної полярності амплітудою 14-100 кВ тривалістю 2-200 мс та щілинністю від 1 до 100 з можливістю незалежно встановлювати величину напруги та тривалість імпульсів на кожній групі електродів, тривалість імпульсів визначають за формулою: 2 UA 114067 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 t = S/Va, де t – тривалість імпульсу, мс, S – довжина стерилізаційної камери, м, V – швидкість потоку повітря через камеру, м/с, a – коефіцієнт магнітної взаємодії Зі стерилізаційної камери 2 виходить стерильне повітря. Електроди-іонізатори 10 підвищують концентрацію негативних аероіонів у вихідному потоці повітря. Інжектор 5 дає можливість подачі додаткового газу у повітряну суміш. Основним інактиваційним фактором у стерилізаторі є струм коронного газового розряду. При подачі на групи коронуючих електродів 7, 9 напруги у формі П-подібних імпульсів в міжелектродному просторі протікає імпульсний електричний струм. Фронти П-подібних імпульсів електричного струму близькі до 90°. Живлення групи коронуючих електродів 7, 9 імпульсною напругою збільшує ефект ударної іонізації. Струм в зоні переносу зарядів, тобто в міжелектродному просторі, збільшується приблизно в десять разів, порівняно з живленням груп електродів постійною напругою, а отже підвищується інактиваційна дія та швидкість інактивації мікроорганізмів. Джерело живлення груп негативних коронуючих електродів 13 і джерело живлення груп позитивних коронуючих електродів 14 синхронізовані блоком управління 12, побудованим на контролері «ATmega 238P», та мають можливість зсуву фаз до 2. При зсуві фаз, що дорівнює "0", напруга між групами коронуючих електродів 7, 9 максимальна. Тривалість розрядного імпульсу дорівнює тривалості імпульсу напруги. Енергія іонізації при цьому максимальна. При зсуві фаз, відмінному від "0", напруга на одній з груп коронуючих електродів відсутня на час величини цього зсуву. Величина струму в цей момент залежить від напруги на групі коронуючих електродів, струм в цей час буде завжди менший, ніж при зсуві фаз, що дорівнює "0", відповідно енергія іонізації також буде меншою від максимальної. При зсуві фаз, що дорівнює 2, енергія іонізації - мінімальна. Зміна енергії іонізації необхідна для селекції іонів певних газів у вихідному потоці електричного стерилізатора. При регулюванні зсуву фаз змінюється щілинність. Підвищення концентрації іонів певного газу збільшується також його додатковою подачею в стерилізаційну камеру 2 через інжектор 5. Збільшення іонів газу у вихідному потоці повітря стерилізатора використовується у фізіотерапії з лікувальною метою. Для досягнення максимально можливих значень енергії іонізації в стерилізаторі використовується висока напруга, величина котрої доходить до передпробійних значень. При таких значеннях напруги в міжелектродному просторі утворюються стримери, котрі знижують ефективність інактиваційної дії стерилізатора. Для усунення цього явища і підвищення електроміцності міжелектродного проміжку, між групами позитивних і негативних електродів встановлено групи ізольованих електродів 8, основа яких виготовлена з ізоляційного матеріалу, в камеру вмонтовано не менше двох таких ізольованих сіток, паралельних між собою та групами коронуючих електродів 7 і 9. Розміщення електродів-іонізаторів 10 безпосередньо за останньою за напрямком руху повітряного потоку групою негативних коронуючих електродів 7 забезпечує збільшення в 8-10 разів негативних аероіонів у вихідному потоці стерилізатора. Іонізовані неорганічні і органічні мікрочастинки, що знаходяться в очищеному повітрі приміщення, в якому проводиться стерилізація, осідають на підлогу і стіни, оскільки вони є позитивним електродом відносно до останньої групи негативно коронуючих електродів 7 стерилізатора. Це дає можливість додатково підвищити стерильність приміщення, застосувавши вологе прибирання. Створені електромагнітами 11 магнітні поля в стерилізаційній камері 2 стерилізатора змінюють траєкторію іонізованих частин, збільшуючи при цьому ймовірність актів іонізації. При зміні величини магнітного потоку змінюються умови інактивації. Збільшення величини магнітного потоку дає можливість зменшити тривалість електричного імпульсу, який подають на групи коронуючих електродів. При цьому використовують емпіричну залежність тривалості імпульсу від величини магнітного потоку. Для обчислення тривалості імпульсу у формулу розрахунку тривалості імпульсів введений коефіцієнт магнітної взаємодії "а". Його залежність від величини магнітного потоку "В" (в умовних одиницях) показана на графіку (фіг. 3). Це дає додаткове підвищення інактиваційної дії стерилізатора. Робота джерела живлення електромагнітів 15 синхронізована блоком управління 12 з роботою джерел живлення груп негативних та позитивних коронуючих електродів 13, 14. Зміна 3 UA 114067 C2 5 10 полярності напруги живлення електромагнітів 11 відбувається на половині тривалості імпульсу груп негативних коронуючих електродів 7. Це додатково збільшує ймовірність актів іонізації. Установка параметрів (величини напруги живлення, тривалості імпульсів і щілинності) здійснюється за допомогою блока регулювання 16, а індикація параметрів - за допомогою блока індикації 17. Приклад здійснення способу. Ефективність інактивації мікроорганізмів у повітрі даним способом визначалася методом 3 забору повітря апаратом Кротова. У приміщенні об'ємом 150 м протягом 5 год. періодично перебувало 150 осіб. Було взято пробу і встановлено, що на чашці Петрі виявлено 250 колоній, утворених різними мікроорганізмами. Після 10 хв. обробки повітря запропонованим електричним стерилізатором на чашці Петрі виявлено 10 колоній, після 20 хв. обробки повітря 4 колонії, після 30 хв. − 0. Тривалість негативного імпульсу становила 125 мс при щілинності 1,2. Тривалість позитивного імпульсу 100 мс при щілинності 1,5. Амплітуда негативного імпульсу становила 38 кВ, позитивного негативного − 32 кВ. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 1. Спосіб інактивації мікроорганізмів у повітрі, який полягає в тому, що повітря пропускають через систему електродів, на які подають імпульсну напругу, який відрізняється тим, що на коронуючі електроди та електроди-іонізатори, які знаходяться в стерилізаційній камері в постійному або змінному магнітному полі, подають імпульси високої напруги позитивної і негативної полярності амплітудою 14-100 кВ тривалістю 2-200 мc та щілинністю від 1 до 100 з можливістю незалежно встановлювати величину напруги та тривалість імпульсів на кожному електроді, тривалість імпульсів визначають за формулою: t=S/Va, де t - тривалість імпульсу, мс, S - довжина стерилізаційної камери, м, V - швидкість потоку повітря через камеру, м/с, a - коефіцієнт магнітної взаємодії, коронуючі електроди під'єднують до синхронізованих джерел живлення, які допускають зсув фаз до 2 π, магнітне поле створюють електромагнітами, джерела живлення яких синхронізовані з джерелами живлення електродів, і змінюють полярність напруги живлення обмоток електромагнітів на половині тривалості високовольтного імпульсу. 2. Спосіб інактивації мікроорганізмів згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в стерилізаційну камеру додатково подають газ, який іонізується. 3. Електричний стерилізатор, який складається з корпусу та під'єднаних до високовольтних імпульсних блоків живлення груп коронуючих електродів, повітропроводу та турбіни для нагнітання в нього повітря, який відрізняється тим, що повітропровід є стерилізаційною камерою, в якій встановлені виконані у вигляді гальванічно з'єднаних металевих сіток групи позитивних і негативних коронуючих електродів, між якими у вигляді діелектричного корпусу з вмонтованими в нього гальванічно з’єднаними металевими сітками встановлені групи ізольованих електродів, та електроди-іонізатори, які встановлені за останньою за напрямком руху повітря групою негативних електродів, на стерилізаційній камері встановлені щонайменше чотири електромагніти для створення змінного або постійного магнітного поля, джерела живлення електромагнітів встановлені на стерилізаційній камері та синхронізовані з блоками живлення електродів, перед турбіною встановлено інжектор додаткової подачі газу, що іонізується. 4. Електричний стерилізатор згідно з п. 3, який відрізняється тим, що електромагніти виготовлено у формі котушок з феромагнітним сердечником. 5. Електричний стерилізатор згідно з п. 3, який відрізняється тим, що електромагніти встановлені з протилежних сторін стерилізаційної камери протилежними полюсами один до одного. 4 UA 114067 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5