Термоконтейнер для доставки биопроб малоразмерными беспилотными летательными аппаратами

Полезная модель относится к техническому решению, применение которого возможно в ходе выявления и оценки биологической обстановки, проводимой подразделениями войск РХБ защиты, медицинской службы ВС РФ, санэпидразведки. Полезная модель является техническим средством, относящимся к области транспортировки биопроб, содержащих патогенные биологические агенты (ПБА), для последующего лабораторного анализа. Может найти применение при гигиенических исследованиях вокруг предприятий фармацевтической, микробиологической, медицинской, пищевой и других отраслей промышленности, в здравоохранении, где требуется достаточно быстро и в строгих температурных условиях доставить небольшую биопробу в лабораторию.
Биопробы, содержащие ПБА (патогенные вирусы, риккетсии, бактерии, микроскопические грибы, их генно-модифицированные формы, токсины, включая смывы с поверхностей, пробы воды, подозрительные на содержание перечисленных агентов), должны транспортироваться в таре, которая обеспечивает индивидуальную и общественную биологическую безопасность [1-3].
Основные требования к устройству (таре) для транспортирования ПБА:
- обеспечение биобезопасности во время транспортировки и хранения;
- использование прочных материалов для изготовления контейнеров для транспортирования: металла - для патогенных биологических агентов I-II групп, металла или пластмассы - для III-IV групп.
Одним из самых значимых достижений в авиации за последние десятилетия является появление и стремительное развитие комплексов с беспилотными летательными аппаратами (БЛА), в том числе малоразмерных. Увеличение доли БЛА по сравнению с пилотируемыми аппаратами в общем объеме воздушных судов происходит во всех странах. Создание данных комплексов является одной из ведущих тенденций, наблюдаемых в мировом авиастроении [4].
Важной задачей, решаемой при выявлении биологической обстановки является отбор проб биоаэрозолей на фильтры и с поверхностей при помощи ватных палочек, помещаемых после отбора во флаконы с жидкостью. Доставка отобранных проб в специализированные лаборатории является неотъемлемой частью выявления биологической обстановки [5].
В настоящее время в современном мире расширяются функциональные возможности таких БЛА, как квадрокоптеры [6], возможности которых повышают оперативность решения задач доставки проб в лаборатории. Однако, в связи с отсутствием соответствующей тары, отвечающей предъявляемым требованиям по биобезопасности и поддерживающей во внутреннем пространстве температурные условия сохранности биоматериала (требуются условия 2-8°С [3, 7, 8]), использование преимуществ доставки при помощи малоразмерных БЛА для решения данной задачи не представляется возможным.
Известны дистанционные БЛА для отбора проб жидкости вертикального взлета и посадки с блоком воспринимающих приборов [9, 10]). Недостатками данных моделей БЛА является отсутствие в блоке приборов полезной нагрузки устройства для транспортировки биопроб. При этом, в патентах не указана конструкция БЛА вертикального взлета и посадки. В настоящее время целесообразно ориентироваться на технические возможности относительно дешевых и широко распространенных квадрокоптерных БЛА [11].
Известно достаточно большое количество контейнеров, кейсов, укладок для забора, хранения и транспортирования биоматериала.
Так, запатентовано устройство для транспортировки биологических объектов с сохранением их свойств «Термоконтейнер» [12]. Он состоит из корпуса с термоизоляцией, крышки с уплотняющей герметизирующей прокладкой, внутренней камеры со съемной кассетой для теплопередающей среды, содержащей от 1 до 9 ячеек для термостатируемого материала, термоэлектрической установки из двух термоэлементов Пельтье, блока электропитания, блока термостатирования и вентилятора, трубопроводов, электронного блока и др. Недостатками данного устройства являются: высокое энергопотребление, то есть требуется его подключение к мощному источнику тока, а также большие массо-габаритные характеристики, что делает невозможным использование данного устройства совместно с большинством БЛА коптерного типа [11].
Известно «Устройство для транспортирования патогенных биологических агентов» [13]. Изделие обеспечивает возможность более быстрого, полного и качественного сбора, упаковки, сохранения и транспортировки с мест происшествий объектов биологического происхождения и иных объектов, которые подвергаются порче в условиях температуры выше 8°С. Недостатком данного устройства является большая масса (более 5 кг), и поэтому данный термоконтейнер также не может транспортироваться с помощью большинства БЛА коптерного типа [11]. Кроме того, в конструкции данного БЛА не предусмотрено крепление для присоединения полезной нагрузки в виде термоконтейнера. Эти недостатки не позволяют использовать квадрокоптеры в качестве носителя данной полезной нагрузки при выполнении задачи транспортирования биопроб.
Известен «Термоконтейнер для доставки товаров (лекарств, биологических образцов) беспилотным летательным аппаратом», выбранный в качестве прототипа [14]. Термоконтейнер содержит двойной корпус из пластика, где между внешней и внутренней стенками содержится теплоизолирующий материал, в виде пенопласта, а внутри корпуса - хладоагент и блок электроники, содержащий микроконтроллер и датчик температуры.
Итак, основными недостатками существующих устройств и прототипа являются невозможность соблюдения биобезопасности и условия хранения биопроб при их транспортировке с помощью БЛА коптерного типа.
Целью создания полезной модели является конструирование такого теромконтейнера, который отвечает предъявляемым требованиям по биобезопасности и условиям хранения при доставке биопроб с помощью БЛА коптерного типа в ходе выявления биологической обстановки.
Технический результат достигается путем поддержания в герметичном внутреннем металлическом корпусе заданной температуры при повышении - путем естественной холодопередачи к нему от отсека аккумулятора холода, при понижении - путем теплопередачи от двух электрических нагревателей, функционирующих под управлением микроконтроллера и датчика температуры.
Корпус термоконтейнера двойной из пластика, между внешней и внутренней стенками теплоизолирующий материал - пенопласт, позволяет сохранять необходимые условия при температуре внешней среды от минус 30°С до плюс 40°С в течение 60 мин. Сверху имеется крепление к малоразмерному БЛА (фиг. 1). Конструкция корпуса (овальные внешние очертания) и массогабаритные характеристики позволяют транспортировать отобранные биопробы с помощью большинства БЛА коптерного типа.
В данном термоконтейнере имеется возможность транспортировать с помощью БЛА коптерного типа биопробы на фильтрах типа АФА-ВП-10 (до 10 шт. ) или в 20 мл флаконах (до 2 шт. ), размещаемых в каретке для образцов (фиг. 2).
Для поддержания необходимых температурных условий (2-8°С) используются:
предварительно остуженный жидкий хладоагент (солевой раствор), заливаемый в отсек аккумулятора холода, одна из стенок которого, для улучшения холодопередачи, выполнена из листового дюралюминия и присоединена к пластиковому корпусу с помощью клеевого соединения с использованием герметика. Для удобства использования корпус отсека аккумулятора холода оборудован небольшой ручкой и двумя отверстиями для заливания-сливания хладоагента (фиг. 3);
два нагревательных элемента электрической схемы, подключенные к управляющему микроконтроллеру Arduino Uno (фиг. 4). Питание платы электрической схемы осуществляется от внешнего источника (батарея типа «Крона») через вход Vcc. Измерение температуры осуществляется при помощи датчика температуры Р1, данные с которого поступают на аналоговый вход А0. На основании полученных с датчика температуры данных происходит включение нагревательных элементов Р2 и Р3 при помощи реле Т2 и Т3. Светодиоды PW1-PW3 используются для индикации работы устройства («Холод», «Норма», «Перегрев»). Резисторы R1-R4 являются токоограничивающими (фиг. 5).
Герметичный внутренний контейнер для размещения проб изготовлен из листового алюминия толщиной 1 мм. Данный материал имеет необходимую прочность и обладает высоким коэффициентом теплопроводности (выше только у медных сплавов), что обеспечивает стабильную терморегуляцию, позволяет осуществлять инактивацию ПБА дезинфектантами или автоклавированием. Внутренний контейнер имеет 2 составные части: корпус и крышку. Для удобства к крышке и внешней торцевой стенке прикреплены гнутые ручки из листового металла. Габариты корпуса внутреннего контейнера позволяют поместить его в средней части термоконтейнера (фиг. 6).
Общий вид термоконтейнера для доставки биопроб малоразмерными беспилотными летательными аппаратами представлен на фиг. 7.
Порядок использования по предназначению.
1. Отсек аккумулятора холода заполняют хладоагентом (солевым раствором), отверстия закупоривают резиновыми пробками, и помещают в морозильную камеру холодильника, после чего размещают его в соответствующей части корпуса термоконтейнера.
2. В каретке размещают образцы (до десяти фильтров типа АФА-ВП-10 и до двух 20 мл флаконов) и сопроводительный листок, в котором указывают необходимые данные о месте и времени отбора пробы, после чего ее устанавливают во внутренний герметичный контейнер.
3. Крышку внутреннего герметичного контейнера плотно закрывают и устанавливают в среднюю часть термоконтейнера и закрывают его дверку.
4. Включают тумблер «Питание», убеждаются в соответствии температуры заданным значениям (горение светодиода «Норма») и подсоединяют термоконтейнер к малоразмерному БЛА.
5. По прибытию на место назначения термоконтейнер отсоединяют от БЛА, извлекают внутренний герметичный контейнер, подвергают его наружному обеззараживанию регламентированными способами, снимают крышку и вынимают образцы.
Литература
1. Санитарно-эпидемиологические правила СП 1.3.1285-03 / Безопасность работы с микроорганизмами I-II групп патогенности (опасности) [Текст] / С изменениями от 12.05.2010 г. / Госкомсанэпиднадзор России.- М; 2010.
2. Санитарно-эпидемиологические правила СП 1.3.2322-08 / Безопасность работы с микроорганизмами III-IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней [Текст] / С дополнениями от 02.06.2009 №42 и №86 от 29.06.2011 г. / Госкомсанэпиднадзор России. - М.; 2011.
3. Санитарные правила СП 1.2.036 -95 / Порядок учета, хранения, передача и транспортирования микроорганизмов I-IV групп патогенности [Текст] / Госкомсанэпиднадзор России. - М; 1996.
4. Беспилотные авиационные системы на выставке UMEX-2020 [Текст] / [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://cont.ws/@bmpd/1608507.
5. Интернет ресурсы: www.ivo.unn.ru/rhbz, www.voenservice.ru/boevaya_podgotovka/radiatsionnaya-himicheskaya-i-biologicheskaya-zaschita/tsel-zadachi-i-meropriyatiya-rhbz/.
6. 16 уникальных способов применения квадрокоптеров [Текст] / [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.moyo.ua/news/16_unikalnyh_sposobov_primeneniya_kvadrokopterov.html.
7. Правила транспортировки биологического материала [Текст] / [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://elk-spb.ru/articles/pravila-transportirovki-biologicheskogo-materiala/.
8. МУ 4.2.2039-05 «Техника сбора и транспортирования биоматериалов в микробиологические лаборатории».
9. Патент РФ на полезную модель RU 81471 U1 «Дистанционный беспилотный летательный аппарат для отбора проб жидкости» / Заявка от 12.01.2008 г. №2008147208/22, опубл. 20.03.2009 г.
10. Патент РФ на полезную модель RU 71628 U1 «Дистанционный беспилотный летательный аппарат для отбора проб жидкости» / Заявка от 23.07.2007 г. №232007128414/22, опубл. 20.03.2008 г.
11. Грузоподъемность квадрокоптера [Текст] / [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://rc-like.ru/gruzopodemnost-kvadrokoptera.
12. Патент РФ на изобретение RU 2002 119744 «Термоконтейнер» / Заявка от 26.07.2002 г. №2002119744/12, опубл. 27.03.2004 г.
13. Патент РФ на полезную модель RU 64906 U1 «Устройство для транспортировки патогенных биологических агентов» / Заявка от 18.01.2007 г. №2007101983/22, опубл. 27.07.2007 г.
14. Патент на изобретение US 2019/0170423 А1 «Термоконтейнер для доставки товаров (лекарств, биологических образцов) беспилотным летательным аппаратом» / Заявка от 4.02.2019 г. №16/257,057, опубл. 06.06.2019 г.