УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕЗИНФЕКЦИИ

Полезная модель относится к области биотехнологии, а именно к устройствам для дезинфекции жилых и производственных помещений, средств транспорта, хранилищ, контейнеров и иных объектов, находящихся в них, воздуха, приборов, устройств, материалов, а также воды и водных растворов от патогенных микроорганизмов, в частности вирусов, и может использоваться в сельском хозяйстве, медицине, здравоохранении, ветеринарии, транспорте, пищевой, текстильной и строительной индустрии, а также смежных отраслях производства.
Повсеместная потребность в дезинфекции, как в производственных условиях, так и в быту требует разработки способов дезинфекции, не только достаточно дешевых, эффективных, простых и доступных, не требующих сложных способов защиты персонала, осуществляющего дезинфекцию, эвакуации людей и животных из дезинфицируемых помещений, а также что очень важно, не наносящих вреда окружающей среде. Особую роль дезинфекция приобретает в случае пандемии, вызванной вирусами, такими, как короновирус COVID-19, вирусы гриппа, вирусы Эбола и т.п.
Выделяют три основных метода дезинфекции: физический, биологический и химический (RU 2499610, 2013).
К физическому методу относят: фильтрование, воздействие высокой температуры, обработку ультрафиолетом, ультразвуком или плазмой.
Биологические способы обеззараживания реализуются с помощью биологических фильтров, биотермических камер и компостирования, однако они имеют ограниченное применение в связи с недостаточной эффективностью, в частности, относительно вирусов.
К химическим средствам дезинфекции (GB 1476730; DE 2820409; RU 2499610, 2013) можно отнести воздействие таких химических соединений, как галогенсодержащие реагенты, брома, фенолы и крезолы, гуанидин, альдегиды, спирты, кислоты, щелочи и др.
Традиционными химическими средствами дезинфекции являются хлорактивные препараты органической (хлорамин, хлорпроизводные циануровой кислоты и гидантоина) и неорганической (гипохлориты) природы.
Ряд хлорактивных веществ дешев, однако к их недостаткам относится резкий неприятный запах, коррозионное действие, для некоторых характерна плохая растворимость в воде, неустойчивость при хранении.
Широко применяется в здравоохранении для дезинфекции, стерилизации и предстерилизационной очистки перекись водорода. Она обладает такими ценными качествами, как отсутствие запаха, быстрое разложение во внешней среде на нетоксичные продукты, отсутствие аллергенного действия.
Однако перекись водорода малостабильна, производит выраженное местно-раздражающее действие и, по сравнению с другими дезинфектантами, имеет низкую бактерицидную активность.
Из группы альдегидов в практике дезинфекции используются формальдегид, глутаровый альдегид и дезинфектанты на их основе. Формальдегид применяют в виде растворов (водных или спиртовых) и в виде газа в комбинации с паром. Несмотря на высокую антимикробную активность, применение формальдегида ограничено в связи с сильным раздражающим действием и наличием канцерогенных свойств. Глутаровый альдегид получил более широкое применение в качестве дезинфицирующего средства, но для его эффективного воздействия необходима щелочная среда, получаемая путем добавления активаторов.
Для борьбы с вирусами предлагаются (RU 2008152442, 2010) композиции, содержащие набор кислот, солей алюминия и циркония, или (RU 2008152402, 2010) смеси порошка глины или оксида кремния и поликарбоновых кислот. Однако эти композиции непригодны для обработки помещений и оборудования из-за коррозионной активности и дороговизны.
Общим недостатком химических методов дезинфекции является ограниченность применения и, как правило, негативное воздействие на окружающую среду.
Одним из перспективных и экологически безопасных методов дезинфекции является использование для этих целей активированного 0,01-1 мас.% водного раствора NaCl, обработанного в электролитической камере, разделенной пористой перегородкой (диафрагмой) на катодную и анодную камеры - так называемом диафрагменном электролизере (Электрохимическая активация. Очистка воды и получение полезных растворов. // Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И. и др. ВНИИИМТ, 2001, 175 с. Б.И. Леонов, В.И. Прилуцкий, В.М. Бахир. Физико-химические аспекты биологического действия электрохимически активированной воды.- М.: ВНИИИМТ, 1999. 244 с.). Полученный в анодной камере активированный водный препарат, получивший наименование анолит, используют в качестве дезинфицирующего раствора, вводя его в контакт с микроорганизмами, расположенными вне диафрагменного электролизера. Однако при обработке растворами анолита путем обмывания, орошения или протирки труднодоступных поверхностей и обширных помещений происходит значительный расход дезинфектанта, что увеличивает себестоимость дезинфекции и может вызвать порчу ценного оборудования. В настоящее время технология дезинфекции с использованием анолита постоянно совершенствуется. Так, предлагается проводить дезинфекцию составом, содержащим анолит с различными добавками, такими как перекись водорода, угольная кислота, карбамид, различные кислоты, их аммонийные соли или смеси данных веществ (WO 9825855, ЕР 0885849, US 3975246, СН 605421, RU 2100286, 1997; RU 2220109, 2003).
Недостатком способов дезинфекции с использованием анолита или композиций на его основе является то, что дезинфекция проводится путем нанесения большого количества жидкости на поверхность и они непригодны для одновременной дезинфекции воздушных объемов больших помещений и находящихся в нем объектов, что требует создания на их основе комплексных систем дезинфекции.
Достаточно широко для дезинфекции вирусов используют физические методы дезинфекции. Одним из перспективных методов борьбы с патогенными микроорганизмами является использование плазменной обработки зараженного объекта путем воздействия на микроорганизмы кислородсодержащих радикалов, гидроксильных радикалов, ионов и/или озона. Известно, в частности, (RU 2711203, 2019) применение плазмоактивированной воды и/или плазмоактивированного газа образованных посредством осуществления реакции потока воздуха с регулируемой влажностью внутри плазменного реактора для быстрого окисления загрязнителей (запахов, бактерий, вирусов и т.д.) в воздухе/газе/жидкостях или на поверхностях, к которым направляют поток воздуха. Для повышения эффективности за счет улучшения окисления плазменная обработка может дополняться введением во входящие в реактор потоки или исходящие из него таких реагентов, как кислород, перекись водорода, азот и т.п.
Требованиям очистки воды от примесей воды отвечают только мембранные технологии - микро-, ультра- и нанофильтрация, системы обратного осмоса, УФ фильтр для воды. По сравнению со старыми методами - электрокоагуляцией, установкой ультрафиолетового обеззараживания питьевой воды, хлорированием - они наиболее прогрессивные и более эффективные. Фильтрация через мембрану производиться под действием перепада давлений. Под влиянием движущей силы, т.е. приложенного давления, вода и молекулы некоторых растворенных веществ проникают через мембрану, тогда как другие молекулы или крупные частицы в различной мере задерживаются мембраной в зависимости от размера частиц.
Одним из используемых методов физической дезинфекции путем фильтрации является обратный осмос (RU 153765, 2015) - процесс, в котором с помощью давления принуждают растворитель проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в обратном для осмоса направлении. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает некоторые растворенные в нем вещества.
Мембраны, используемые для обратного осмоса, очень чувствительны к загрязнению, для чего механический фильтр для защиты мембраны обязателен. В системах очистки воды обычно используются синтетические полупроницаемые мембраны. Мембрана задерживает высокомолекулярные загрязнители, но пропускает низкомолекулярные вещества, например такие газы, как кислород, хлор, углекислый газ и пр. Через фильтр проходит молекула воды (размер 0,3 нм), но не проходит большая часть химических примесей и включений биологического происхождения, в частности микроорганизмов и вирусов (размеры от 20 до 500 нм). Например, фильтр может задержать бактерии холеры или вирусы гепатита.
Недостатком технологии обратного осмоса является чувствительность мембран к внешним загрязнениям и недостаточная очистка от органических примесей, таких как гербициды и инсектициды, а также токсинов из патогенных микроорганизмов.
Под микрофильтрацией понимают (https://studwood.ru/1690314/medi-tsina/mikrofiltra-tsiya_na-nofiltratsiya_ultrafiltratsiya) механическое фильтрование тонкодисперсных и коллоидных примесей размером, как правило, выше 0,1 мкм, которые обычно устанавливаются в качестве подстраховки на последних ступенях очистки в комплексах водоподготовки. Мембраны микропористой фильтрации являются физическим барьером для частиц и микроорганизмов размером до 0,1 микрон. Фильтр с модифицированной поверхностью мембраны позволяет фильтру удерживать естественные коллоиды, размеры которых меньше размера пор мембраны. Недостатком микрофильтрации является недостаточная эффективность для задержки (нейтрализации) вирусов, бактерий и бактериальных токсинов.
Ультрафильтрация - это удаление взвешенных частиц с помощью фильтров со сверхтонкими порами (https://strojdvor.ru/vodosnabzhenie/ultrafiltracia-vody/). Ультрафильтрационные мембраны имеют размер пор от 20 до 1000 А (или 0,002-0,1 мкм) и позволяют задерживать тонко дисперсные и коллоидные примеси, макромолекулы (нижний предел молекулярной массы составляет несколько тысяч), водоросли, одноклеточные микроорганизмы, цисты, бактерии, вирусы, цисты и т.д. Вместе с тем, к ультрафильтрационным модулям предъявляются определенные требования. Они должны иметь гарантированную границу пропускания фильтра (Cut-off), не допускать возможность перетекания питательной воды в фильтрат по короткому пути, не иметь в структуре мертвых зон и т.д. Из недостатков самым существенным является неспособность фильтров задерживать опасные вещества, молекулы которых по размерам не превышают диаметр пор мембраны.
Нанофильтрация применяется для получения особо чистой воды, очищенной от бактерий, вирусов, микроорганизмов, коллоидных частиц органических соединений (в том числе пестицидов), молекул солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов и других вредных примесей. Этот способ очистки отличается от сходных технологий - ультрафильтрации и микрофильтрации - меньшим размером пор и большими давлениями при фильтрации. Отверстия-поры меньше раз в 10-50. Давление, требуемое для хорошей фильтрации выше в 2-3 раза. Эта технология позволяет почти полностью удалить из воды крупные заряженные частицы (многовалентные ионы и соли кальция на 30-99%.
Однако использование отдельных элементов обработки воды недостаточно эффективно, в результате чего в используемых установках, как правило, применяют комплекс, состоящий из различных функциональных блоков.
Так, для борьбы с вирусами предлагается использовать установку (RU 2182127, 2002), включающую в себя блоки фильтрования, озонирования, УФ-облучения и блок введения в воду ионов серебра. Однако данная система непригодна для обработки больших территорий из-за размеров и дороговизны.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является установка для очистки воды "AquaBoss" (http://aquaboss.ru/sistemy-ultrafiltra-tsii.html), состоящая из последовательно размещенных блоков предварительной очистки с помощью сетки от физических примесей, очистки от взвесей с помощью песочного фильтра, блок микрофильтрационной очистки от коллоидов и бактерий и блок ультрафильтрационной очистки от вирусов и органических молекул. Процесс проводится под давлением около 0,03 МПа и обеспечивает 99% очистку воды от вирусов
Недостатком установки является то, что позволяя получить очищенную воду, она не позволяет получить продукт, способный обеспечить дезинфекцию вирусов в помещениях.
Задачей, решаемой авторами, являлось создание устройства, позволяющего получать очищенную от микроорганизмов активированную воду, способную осуществлять дезинфекцию патогенных микроорганизмов.
Технический результат достигался созданием устройства для дезинфекции патогенных микроорганизмов, включающего связанные последовательно трубопроводами фильтрационный блок, содержащий микрофильтрационные мембраны с порами от 0,1 до 10 мкм, блок активации воды холодной плазмой и блок аэрозолирования. Используемый блок аэрозолирования содержит форсунки.
Общая схема устройства приведена на фиг. 1, где обозначены следующие элементы:
1. Насос подачи исходной воды.
2. Блок фильтрации.
3. Блок плазменной обработки.
4. Распределительная система подачи осветленной воды.
5. Высокочастотный генератор импульсов.
6. Разрядная ячейка.
7. Катод.
8. Анод.
9. Устройство для подачи кислорода.
10. Насос подачи активированной воды.
11. Блок аэрозолеобразования.
12. Форсунки.
Устройство состоит из следующих последовательно связанных трубопроводами приборов и блоков: насоса подачи исходной воды 1, блока фильтрации 2, блока плазменной обработки 3, насоса подачи активированной воды 10 и блока аэрозолеобразования 11.
Блок фильтрации 2 содержит не менее одной микрофильтрационной мембраны с размером пор от 0,1 до 10 мкм.
Блок плазменной обработки 3 содержит корпус, в верхней части которого размещена распределительная система подачи осветленной воды 4, которая разбивает поступающий поток воды на капли размером 0,1-5 мм и ввод подачи кислорода от устройства 9. В средней части корпуса размещена разрядная ячейка 6, в которой закреплены с возможностью вибрации катоды 7 в виде вертикальных пластин и проволочные аноды 8, к которым подведено напряжение от высокочастотного генератора импульсов 5, способного генерировать импульсы треугольной формы положительной полярности с амплитудой - до 26 кВ, при частоте следования импульсов - 1400-2000 Гц и длительность импульса - 100 нс-400 нс.
Выход активированной воды из блока 5 связан с насосом подачи активированной воды 10 и через него с форсунками 12 блока аэрозолирования 11.
Блок аэрозолирования 11 содержит либо форсунки 12 с диаметром выходного отверстия 0,15-0,5 мм, что позволяет получить на выходе мелкодисперсный туман с размером частиц 5-1200 мкм.
Устройство работает следующим образом. Исходная вода (поток П-1), предварительно очищенная от взвешенных частиц подается при помощи насоса подачи исходной воды 1 на микрофильтрационную мембрану блока фильтрации 2 (У-1), в которой происходит удаление примесных коллойдов, которые далее отводятся в виде осадка (П-2). Фильтрат (П-3) направляется в блок плазменной обработки 3 (У-2) и через систему распределения 4 подается в разрядную ячейку 6 в виде При этом вибрация, возникающая при работе электродов под нагрузкой, способствует лучшей диспергируемости жидкости, обеспечивая размер капель около 1 мм. Попадая в активную зону разрядной ячейки 6, капли подвергаются воздействию холодной плазмы, которая возникает между катодом 7 и анодом 8 в результате работы высокочастотного генератора импульсов 5 в присутствии озона, образующегося в зоне разряда из кислорода, поступающего в блок из устройства 9 (П-6). При этом холодная плазма производит инактивацию вирусов или бактерий, прошедших через мембрану, а также обеспечивает насыщение воды активными компонентами (синглетным кислородом, ОН-радикалами, и прочими активными частицами и т.д.), вызывая ее активацию. Активированная вода прошедшая разрядную ячейку 6 собирается внизу корпуса, откуда насос подачи 10 направляет активированную воду в систему аэрозолеобразования 11 для образования тумана активированной воды через форсунки 12 или систему ультразвукового испарения с частотой колебаний 40-100 кГц, что позволяет получить на выходе мелкодисперсный туман с размером частиц 20-35 мкм. Полученный аэрозоль направляется на зараженный объект, обеспечивая его дезинфекцию.
Особенностью заявляемого решения является с одной стороны последовательная дезинфекция используемой воды, в ходе которой микроорганизмы, прошедшие через фильтрационный блок «дожигаются» в блоке плазменной обработки, что позволяет использовать воду различного происхождения. При этом использование микрофильтрационной мембраны снижает концентрацию органических веществ, попадающих в плазменный разряд, и повышает его эффективность.
Проведенные эксперименты показали, что при использовании заявленного решения удается получить аэрозоль, который производит деструктивное воздействие на все виды микроорганизмов, включая вирусы, сокращая возможность микробиологического заражения окружающей среды, з. Сущность и преимущества полезной модели иллюстрируются следующими примерами.
Пример 1. Исходная вода содержала внесенные в нее в рамках эксперимента условно-патогенные штамм: Aerobacter agrogenes, Candida, Clostridium difficile, Escherichia coli, Salmanela typhi, Staphylococcus aureus, Mycoplasma pneumoniae, Protei. Фильтрация проводилась через микропористую мембрану (вариант 1: размер пор 5-10 мкм при давлении 1,3 бар, толщина рабочего слоя 100-120 мкм; вариант 2: с размером пор 0,1-0,5 мкм при давлении 2 бар, толщина рабочего слоя 10-50 мкм). На следующем этапе вода подвергалась обработке «холодной» плазмой при частоте генератора импульсов 1кГц и 1,4 кГц, длине импульса 400 наносекунд. Полученные результаты приведены в Табл. 1, 2
6,5
Пример 2. Обработке подвергалась питьевая вода с реассортантным штаммом вируса гриппа RA-52 с концентрацией 10 КОЕ/мл, полученным в лаборатории гриппозных вакцин ФГБУ "НИИ гриппа имени А.А. Смородинцева" МЗ РФ.
Фильтрование осуществлялось с использованием микрофильтрационной мембраны со следующими параметрами: размер пор 0,1 мкм при давлении 2,0 бар, толщина рабочего слоя 10-20 мкм; обработка «холодной» плазмой проводилась при частоте генератора импульсов 1 кГц, длине импульса 400 наносекунд, содержание кислорода 60 об. %).
-1
-9
Определение инфекционной активности вируса проводилась согласно МУ 3.3.2.1758-03 «Методы определения показателей качества иммунобиологических препаратов для профилактики и диагностики гриппа». Производилось десятикратное разведение вирус-содержащей аллантоисной жидкости на физ.растворе (с 10 до 10). Каждое разведение вводили в аллантоисную полость 3 куриных эмбрионов и затем инкубировали в термостате в течение 48 часов при температуре 32°С. После этого эмбрионы охлаждали в течение 12 часов при температуре +4°С (18,0±2,0 ч), и производили вскрытие, и отбирали по 0,05 мл ВАЖ для иммунологических реакций. Инфекционную активность вируса рассчитывали по методу Рида и Менча. РГА проводили в микропланшетах, в общем объеме 0,1 мл (0,05 мл вируса +0,05 мл взвеси 1%-ных куриных эритроцитов). Планшеты инкубировали в течение 30 минут при температуре 20-22°С. Результаты приведены в таблице 3.
Пример 3. Испытания аэрозолей, полученных в примерах 1-2, проводили на зараженных вирусами натурных образцах в виде пластин размером 100×100 мм, изготовленных из различных материалов. Форма, материал и шероховатость обрабатываемых поверхностей приведены в таблице 4.
Исходная вода, подавалась на вход в установку и активировалась, пройдя весь цикл обработки. Аэрозолирование проводят с помощью форсунок при размере частиц аэрозоля 500-1200 мкм.
После чего активированная вода наносилась на поверхности образцов, которые до этого были обработаны водой содержащей штамм вируса гриппа RA-52. После обработки поверхностей активированной водой производились смывы с данных поверхностей, которые в дальнейшем анализировались на наличие живых форм вируса гриппа RA-52.
Методика проведения инфекционной активности вируса проводилась согласно МУ 3.3.2.1758-03 «Методы определения показателей качества иммунобиологических препаратов для профилактики и диагностики гриппа».
Полученные результаты показали, что в результате использования полезной модели удается получить аэрозоль пригодный для дезинфекции вируссодержащих загрязнений. При этом показана возможность использования, для достижения результата, воды, не прошедшей дополнительную стерилизационную обработку.