УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, в частности, к устройствам для отбора проб аэрозолей для последующего микробиологического анализа для выявления бактерий в воздушной среде помещений лечебно-профилактических учреждений.
Устройство может быть использовано при проведении санитарно-эпидемиологического контроля воздуха в различных медицинских учреждениях, в том числе научно-исследовательских, в производственных помещениях пищевой, фармацевтической промышленности, на транспорте, в культурных учреждениях и т.п.
Вопрос определения бактерий и вирусов в воздухе чрезвычайно актуален. В настоящее время признано, что наиболее вероятным путем передачи инфекций является воздушно-капельный путь.
В воздухе помещений, где постоянно перемещаются люди, всегда находятся частицы пыли, бактерии и вирусы. Двигающиеся в помещении люди поднимают в воздух частицы размером в несколько микрон и менее. Эти частицы перемещаются вместе с воздухом и наиболее опасны, поскольку глубже всего проникают в дыхательные пути. Более тяжелые частицы оседают вниз и скапливаются на горизонтальных поверхностях. Известно, например, время, необходимое различным частицам опустится на высоту 1 м от уровня пола. Крупинки пыльцы, 10-100 мкм, 2 сек. - 3 мин. Частички с аллергенами домашних пылевых клещей, 10-40 мкм, 2 сек. - 3 мин. "Кошачьи" аллергены, 1-10 мкм, от нескольких часов до нескольких дней. Споры плесени, 2-8 мкм, от нескольких часов до нескольких дней. Бактерии, 0.5-5 мкм, от нескольких часов до нескольких дней. Вирусы, <0.5 мкм, от нескольких часов до нескольких дней. Табачный дым, 0.01-0.1 мкм, от нескольких часов до нескольких дней.
Частицы размером до 1 мкм обычно составляют 99.9% от общего числа частиц в воздухе помещения, и имеют массу, которая составляет до 30% общей массы всех частиц.
Такие размеры имеют практически все вирусы и бактерии, например: Bacillus anthracis, В. suptilis (and В. suptilis spores), В. parathyphosus, В. suptilis (and В. suptilis spores), Campylobacter jejuni, Clostridium tetani, Corynebaterium diphteriae, Dysentery bacilli, Eberthella typhosa, Escherichia Coli (also known as E. coli), Klebsiella terrifani, Legionella pneumophila, Micrococcus candidus, Micrococcus sphaeroides, Mycobacterium tuberculosis, Neisseria catarrhalis, Phytomonas tumefaciens, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas jiuorescens, Proteus vulgaris, Salmonella enteritidis, Salmonella paratyphi, Saomonella typhimurium, Sarcina lutea, Seratia marcescens, Shigella paradysenteriae, Shigella sonnei, Spirillum rubrum, Staphylococcus albus, Staphylococcus aureus, Streptococcus faecalis, Streprtococcus hemoluticus, Streptococcus lactus, Streptococcus viridans, Sentertidis, Bibrio chlolerae (V. comma), Yersinia enterocolitica.
Таким образом, в воздухе помещений может содержаться большое количество частиц пыли, бактерий и вирусов, которые могут сохраняться длительное время и которые могут быть опасными для человека. Вопрос определения наличия бактерий в воздухе помещения и особенно концентрации бактерий в помещении чрезвычайно важен.
Известно устройство ПУ-1Б, для автоматического отбора проб биологических аэрозолей при проведении санитарного контроля воздуха различных помещений и атмосферного воздуха. (Технический паспорт прибора ПУ-1Б). Пробоотборник содержит коллектор, обеспечивающий накопление биологического материала и электронный блок, создающий поток воздуха через коллектор и обеспечивающий требуемые режимы прокачки воздуха (время, скорость). Коллектор содержит разъемный кольцевой корпус с входным и выходным каналами, внутри которого установлена чашка Петри, заполненная питательной средой. Электронный блок содержит силовой модуль, содержащий управляемый двигатель, на валу которого закреплен вентилятор и электронный модуль управления прибором, включающий цифровую клавиатуру, дисплей, счетчик расхода воздуха и таймер. Прибор может оснащаться ИК дистанционным управлением и таймером отложенного запуска.
Пробоотборник обеспечивает отбор проб аэрозолей на плотную питательную среду импакционным осаждением (объемы от 50 до 1000 л, чашки Петри 90 и 100 мм). Отобранные пробы анализируются в лабораторных условиях с применением стандартных методик.
Недостатком прибора является то, что он использует метод импакционного, т.е. инерционного осаждения, который обладает низкой фильтрующей способностью, большая часть частиц отражается от фильтрующей поверхности сорбента и возвращается в помещение. Для получения достоверных результатов анализа в отобранных пробах необходимо большое количество прокачиваемого воздуха и как следствие большое время прокачки.
Наиболее близким к заявляемому является многокаскадное устройство для автоматического отбора проб микробных аэрозолей при проведении санитарного контроля воздуха различных помещений и атмосферного воздуха [патент РФ 2204120, oп. 10.05.2003]. Устройство обеспечивает адсорбцию проб микробных аэрозолей из воздуха на поверхностный слой плотной питательной среды (сорбент). Улавливание микробных аэрозольных частиц осуществляется инерционным осаждением - импакцией, при котором используется кинетическая энергия микробных частиц, приобретаемая ими при возрастании скорости воздушного потока в соплах (форсунках). Диаметр аэрозольных частиц, улавливаемых с эффективностью 50%, не более 1,4 мкм. В дальнейшем, адсорбированные на питательную среду (сорбент) пробы анализируются в лабораторных условиях с применением стандартных методик для выявления микроорганизмов.
Устройство для отбора проб микробных аэрозолей, обеспечивающее накопление микробного материала для дальнейшего исследования, выполнено из разъемного кольцевого корпуса с входным и выходным каналами. В корпусе установлена емкость - чашка Петри, заполненная плотной питательной средой (сорбентом). Входной канал снабжен входным патрубком, в котором установлена распылительная насадка в виде многосопловой решетки.
Выходной канал, включающий выходной патрубок, установленный в выходном отверстии корпуса, соединен с входным патрубком моторного отсека. Моторный отсек содержит центробежный вентилятор, установленный на оси электродвигателя, который управляется электронным блоком.
В стандартную стеклянную чашку Петри заливают 20-21 мл плотной питательной среды (агар). Устанавливают чашку с питательной средой в держателе корпуса и закрывают верхнюю часть корпуса. При этом поверхность агара размещается в 3 мм от нижней плоскости многосопловой решетки. Электронным способом устанавливают время, необходимое для прокачки 100 или 250 л воздуха. Включают таймер и после выполнения заданного режима пробоотборник выключается. После отбора пробы вынимают чашку Петри с питательной средой, закрывают ее крышкой и помещают в термостат для образования колоний.
Это устройство имеет ряд недостатков.
Во-первых, для получения достоверных результатов наличия бактерий необходимо прокачать большое количество воздуха из помещения, поскольку инерционное осаждение, используемое в данном устройстве, обладает низкой эффективностью улавливания микробов, что обусловлено большим рассеиванием. Доля осажденных частиц от частиц, унесенных потоком воздуха, не превышает 30%. Это приводит к большим затратам времени (2-3 часа на взятие одной пробы).
Во-вторых, пробоотборник с входным вертикальным каналом при работе создает вертикальную всасывающую струю воздуха в зоне расположения устройства, оставляя не захваченным воздух отдаленных участков помещения, в т.ч. из труднодоступных мест.
В основу полезной модели положена задача повышения достоверности результатов анализа путем получения максимальной репрезентативности отбираемых проб микробных аэрозолей, за счет трехступенчатой фильтрации отбираемого воздуха и уменьшения времени на взятие проб.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для отбора проб воздуха в помещении, которое включает разъемный герметичный корпус, в котором выполнены входной и выходной каналы, внутри корпуса установлена емкость с сорбентом и распылительная насадка с соплами, моторный отсек, содержащий двигатель, на валу которого сверху установлена крыльчатка, при этом входной канал, емкость, распылительная насадка, моторный отсек и выходной канал пневматически связаны, для создания непрерывного потока отбираемого воздуха, согласно полезной модели корпус содержит днище, боковину и крышку, входной и выходной каналы выполнены в боковине корпуса, моторный отсек установлен внутри боковины корпуса, а на валу двигателя снизу установлен сепаратор, емкость выполнена разъемной и содержит цилиндрическое основание, наполненное жидким сорбентом и крышку, в центре крышки емкости выполнено отверстие, в которое входит сепаратор, распылительная насадка с соплами установлена в нижней части емкости внутри жидкого сорбента и закреплена на конце входного патрубка, который установлен сбоку в крышке емкости, что обеспечивает подвод и распыление прокачиваемого воздуха внутри жидкого сорбента.
Устройство обеспечивает три ступени фильтрации воздуха. Первая ступень фильтрации осуществляется при прохождении воздуха, распыленного в мелкие пузырьки, через жидкий сорбент. Большая часть частиц пыли и микроорганизмов увлажняются и поглощаются жидким сорбентом.
Частицы пыли и бактерии, не отфильтрованные жидким сорбентом в емкости на первом этапе, проходят через мелкодисперсный жидкостный душ из жидкого сорбента, что составляет вторую ступень фильтрации, где они также смачиваются, захватываются частицами жидкого сорбента и осаждаются в емкость.
Сепаратор является третьей ступенью фильтрации воздуха, который окончательно отделяет бактерии и частицы пыли от воздуха центробежной силой, создаваемой в результате его быстрого осевого вращения (принцип центрифуги). Центробежная сила от вращения настолько велика, что, в конечном счете, практически вся пыль и бактерии будут смочены и осаждены в емкость, т.е. абсорбированы жидким сорбентом. Устройство позволяет отфильтровать и абсорбировать в жидком сорбенте до 99,9% всех включений воздуха.
В качестве жидкого сорбента взят физиологический раствор.
Входной канал снабжен фильтром грубой очистки, который позволяет задержать крупные частица пыли и мусор, которые могли бы засорить сопла распылительной насадки.
Выходной канал снабжен фильтром тонкой очистки, который позволяет отфильтровать влагу из воздуха на выходе.
Выходной канал снабжен датчиком прокачиваемого воздуха. Это обеспечивает возможность получения достоверных результатов при расчете концентрации вредных органических включений в единице объема.
Входной канал, снабженный гибким шлангом, на конце которого могут быть установлены различные типы насадок, позволяет осуществить забор проб в любых труднодоступных местах.
Выходной канал, снабженный гибким шлангом, позволяет сбрасывать (отводить) отфильтрованный воздух за пределы помещения и тем самым, с одной стороны устранить его непосредственное влияние на процесс отбора проб, а с другой стороны устранить влияние паразитных вихревых потоков воздуха, возникающих из-за взаимного влияния входного и выходного каналов.
Детальное изложение конструкции устройства и принципа его работы иллюстрировано чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства;
на фиг.2 изображена панель управления, вид сверху;
на фиг.3 приведены конструкции входных насадок и гибкого удлинительного шланга;
на фиг.4 дана структурная блок схема размещения устройства;
на фиг.5 приведена электрическая блок схема устройства.
Устройство для отбора воздуха содержит сочлененный герметичный корпус 1, состоящий из быстроразъемных частей: нижняя часть - днище 2, средняя часть - боковина 3 и верхняя часть - крышка 4 (фиг.1). В боковине 3 корпуса 1 выполнен входной канал 5 и выходной канал 6. Внутри боковины 3 на держателях 7 установлен моторный отсек 8. В днище 2 корпуса 1 установлена на опорных элементах 9 емкость 10 с жидким сорбентом 11. Емкость 10 предназначена для сбора частичек пыли, бактерий и вирусов. Емкость 10 выполнена разборной и имеет основание 12 и крышку 13. В центральной части крышки 13 выполнено отверстие 14, а в боковой части крышки 13 установлен входной патрубок 15 для подвода воздуха, на конце которого крепится распылитель 16 с множеством форсунок 17.
Входной канал 5 боковины 3 включает отверстие 18, с установленным в нем входным Г-образным патрубком 19 и крепежный элемент 20. Крепежный элемент 20 имеет посадочное гнездо, в которое помещается съемный входной фильтр 21 грубой очистки. Выходной канал 6 включает отверстие 22, с установленным в нем крепежным элементом 23. Крепежный элемент 23 имеет гнездо, в которое помещаются съемный выходной фильтр 24 тонкой очистки и съемный датчик 25 расхода воздуха.
Моторный отсек 8 включает управляемый высокоскоростной двигатель 26, на валу которого сверху установлена крыльчатка 27, для создания регулируемого потока воздуха. На валу двигателя 26 снизу крепится сепаратор 28. В крышке 4 корпуса 1 установлена панель 29 управления. На лицевой грани панели 29 управления расположены жидкокристаллический дисплей 30 и цифровая клавиатура 31 (фиг.2). Прибор может быть выполнен в автономном исполнении, в этом случае в крышке 4 корпуса 1 устанавливается батарейная секция 32
Входной канал 5 может быть дополнен гибким удлинительным шлангом 33, имеющим входной фитинг 34 и выходной фитинг 35 на концах и набором насадок. Набор насадок может включать: цилиндрическую насадку 36, щелевую насадку 37, щелевую насадку - раструб 38, воронкообразную насадку 39, конусообразную насадку - раструб 40, цилиндрическую насадку с щеткой 41, квадратную / щелевую насадку с щеткой 42. (фиг.3)
Выходной канал 6 также может быть дополнен выходным гибким удлинительным шлангом 33.
Пробоотборник может быть укомплектован штативом 43 (фиг.4). Входной фильтр 21 грубой очистки, выходной фильтр 24 тонкой очистки и датчик 25 расхода воздуха могут быть выполнены в модульном исполнении и установлены снаружи корпуса 1.
Панель управления 29 содержит бортовой компьютер 44, включающий соединенные между собой процессор 45, запоминающее устройство 46, аналого-цифровой преобразователь 47 и цифро-аналоговый преобразователь 48 (фиг.5). Цифровые входы аналого-цифрового преобразователя 47 соединены с датчиком давления 49, датчиком температуры 50 и датчиком объема воздуха 25. Выход цифро-аналогового преобразователя 48 соединен с управляющим входом двигателя 26. Пробоотборник может быть выполнен в автономном исполнении, в этом случае он снабжается блоком питания 51, который содержит соединенные последовательно батарейную секцию 32, модуль преобразования напряжения 52 и модуль распределения питания 53, соответствующие выходы которого подключены к бортовому компьютеру 44 и двигателю 26. Прибор может оснащаться ИК дистанционным управлением.
Предварительная подготовка устройства для отбора проб включает заливку необходимого количества физиологического раствора (сорбента) 11 в емкость 10. Затем, с использованием панели 29 управления устанавливают скорость потока воздуха и необходимый объем воздуха, который будет прокачан через устройство. Управляемый двигатель 26 совместно с крыльчаткой 27 позволяет обеспечить заданную скорость прокачки. Пробоотборник может работать без использования удлинительных шлангов 33.
Однако, если требуются режимы отбора пробы в труднодоступных местах или возникает необходимость устранить влияние отфильтрованного воздуха на результаты измерений, то предварительно наращивают входной канал 5 и выходной канал 6, устанавливая необходимые насадки 36-42 и гибкие удлинительные шланги 33 соответствующей длины.
Устройство размещают на полу помещения, а входные насадки устанавливают с использованием штатива 43 на необходимой высоте Н от пола. Обычно выбирается высота Н=1 м. Если необходимо взять пробы воздуха, выдыхаемого больным, то в этом случае используют насадку в виде конического раструба 40, которая с помощью штатива 43 устанавливается в зоне дыхания пациента. Выходной удлинительный шланг 33 выводят за пределы помещения или в систему вытяжной вентиляции помещения.
Оператор на панели 29 с использованием клавиатуры 31 и дисплея 30 устанавливает время работы пробоотборника и скорость вращения двигателя 26. При расчете необходимого времени прокачки воздуха учитывается объем помещения, температура и давление воздуха в помещении. Температура и давление воздуха определяются датчиком 49 внешнего давления и датчиком 50 температуры, результаты измерений отображается на дисплее 30.
Вращающийся электродвигатель 26 и крыльчатка 27 создают воздушный поток внутри корпуса 1, при этом начинается засасываться воздух через входной канал 5. Всасываемый воздух проходит через входной фильтр 21 грубой очистки, выполненный в виде металлической сетки. Фильтр 21 грубой очистки задерживает крупные фракции пыли и мусор, которые могли бы засорить сопла (форсунки) 17. Затем воздух через Г-образный патрубок 19, входной патрубок 15 и распылительную насадку 16 с форсунками 17 поступает в виде пузырьков в жидкий сорбент (физиологический раствор) 11 емкости 10. Жидкий сорбент 11 играет роль жидкостного фильтра, который улавливает мелкие частицы пыли и бактерии за счет смачивания и утяжеления их. Эффективность очистки зависит от интенсивности увлажнения фильтруемого воздуха. Жидкостный фильтр позволяет улавливать до 99% частичек пыли от 0,3 микрона.
Однако, при прохождении воздуха через жидкий сорбент 11, составляющей первую ступень фильтрации, отдельные частицы пыли и бактерии не увлажняются, а значит не остаются в емкости 10 и проходят через жидкостный фильтр вместе с пузырьками воздуха. Эти частицы и бактерии, заключенные в пузырьки воздуха воздушным потоком, создаваемым перепадом давления поднимаются из емкости 10 вверх.
В результате быстрого вращения сепаратора 28 над поверхностью жидкости 11 создается туман из мелкодисперсной фракции жидкого сорбента 11. Таким образом, частицы, не отфильтрованные на первом этапе в емкости 10, проходят через мелкодисперсный душ, что составляет вторую ступень фильтрации. Частицы смачиваются и осаждаются в емкости 10. Затем воздушный поток попадает в сепаратор 28.
Сепаратор 28 является третьей ступенью фильтрации воздуха. Сепаратор 28 отделяет бактерии и частицы пыли от воздуха центробежной силой, создаваемой в результате его быстрого осевого вращения (принцип центрифуги). В предпочтительном варианте скорость вращения составляет приблизительно 10,000-15,000 оборота в минуту. В сепараторе 28 воздушный поток проходит между двумя цилиндрами, соединенными ребрами, причем внешний цилиндр выполнен с щелевидными прорезями (на чертеже не показаны). Ребра сепаратора направляют поток воздуха на внутреннюю поверхность внешнего цилиндра и прогоняют его через щелевидные прорези. Центробежная сила от вращения настолько велика, что, в конечном счете, практически вся пыль и бактерии, которые первоначально избежали осаждения в емкости 10, будут задержаны (смочены и осаждены в емкость 10).
После окончания отбора, которое определяется датчиком 25 объема прокачанного воздуха, прибор автоматически выключается. Оператор отделяет днище 2 от боковины 3 корпуса 1 и вынимает емкость 10. В дальнейшем отобранные пробы (жидкий сорбент 11 и поглощенные в нем органические компоненты) анализируются в лабораторных условиях с применением методик, которые предусматривают инкубирование абсорбированного материала, центрифугирование раствора при скорости 2000 оборотов в 1 мин в течение 20 мин, нейтрализацию осадка 1%-ным раствором лимонной кислоты в соотношении 1:1 и посев на среду "Новая".