УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ СТЕРИЛЬНОЙ СРЕДЫ
DEVICE TO PRODUCE STERILE MEDIUM

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для очистки, дезинфекции и стерилизации воздуха и других газов с использованием электроочистителей и химических веществ, в частности оксида азота (окиси азота) NO. Общеизвестны устройства для стерилизации помещений в медицинских учреждениях с использованием озона и ультрафиолетовых лучей.
Недостатком таких устройств является вредное воздействие на больных и обслуживающий персонал.
В последнее время для очистки, стерилизации и дезинфекции воздуха стали использовать устройства с силовыми электрическими полями, в частности электроочистители.
Известен электрический очиститель диэлектрических жидкостей и газов, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода рабочего агента [2]. В корпусе собраны коаксиально цилиндрические осадительные электроды и диэлектрические перегородки, имеющие сквозные кольцевые прорези в плоскостях, перпендикулярных общей оси устройства.
Прорези диэлектрической перегородки и осадительного электрода образуют ячейку-накопитель загрязнений.
Недостатком устройства является низкая эффективность очистки рабочего агента (газа) из-за малого накопления частиц загрязнений в ячейках-накопителях, расположенных в центре.
Также известен электрический очиститель диэлектрических жидкостей, который содержит корпус с патрубками подвода и отвода рабочего агента [3]. Внутри корпуса, выполняющего роль электрода, установлены ограничительные пластины. Между ними в плоскости, перпендикулярной оси устройства, соосно друг другу размещены пары, состоящие из диэлектрической перегородки и дискового осадительного электрода, имеющих прорези. Пары установлены с чередованием знака потенциала на дисковых осадительных электродах. Прорези дисковых осадительных электродов и прорези диэлектрических перегородок образуют ячейку-накопитель загрязнений.
Недостатком этого устройства является низкая эффективность очистки рабочего агента, обусловленная формой ячейки-накопителя загрязнений, а выполнение корпуса в виде электрода, т.е. подключение к источнику высокого напряжения, является опасным по технике безопасности. Для использования в медицинских целях необходимо все устройство заключить в защитный кожух.
Наиболее близким, по совокупности существенных признаков, является электрический очиститель диэлектрических жидкостей и газов, который включает корпус с патрубками подвода и отвода рабочего агента [4]. Внутри корпуса установлены верхняя и нижняя ограничительные пластины, перпендикулярные оси устройства. Между ними в плоскости, перпендикулярной оси устройства, соосно друг другу размешены пары. Пары состоят из диэлектрической перегородки с цилиндрическими каналами, для прохода рабочего агента, и дискового осадительного электрода, перфорированного круглыми отверстиями соосно цилиндрическим каналам, причем пары установлены с чередованием знака потенциала дисковых осадительных электродов, а круглые отверстия дисковых осадительных электродов смежных пар и цилиндрические каналы диэлектрической перегородки каждой пары образуют ячейку-накопитель загрязнений.
При этом края круглых отверстий каждого дискового электрода вытянуты с образованием усеченного конуса с наклоном боковой стенки на 8-20 градусов и диаметром основания, равным диаметру цилиндрического канала диэлектрической перегородки, наружные поверхности боковой стенки усеченного корпуса образуют основание ячейки-накопителя загрязнений, а внутренние поверхности - вершину нижележащей ячейки-накопителя загрязнений.
Недостатками устройства является невысокая эффективность очистки рабочего агента и трудность регенерации устройства.
Низкая эффективность очистки обусловлена следующим. В нижней части корпуса в ячейках-накопителях загрязнений, на краях перфорированных отверстий дисковых осадительных электродов, происходит осаждение и накопление частиц загрязнений в виде столба до соединения его с краем перфорированного отверстия вышележащего дискового осадительного электрода. В этот момент происходит образование электрической цепи между разнополюсными электродами и потеря заряда частицами загрязнений, т.е. эти частицы становятся электрически нейтральными. А нейтральные частицы выносятся рабочим агентом из ячейки-накопителя загрязнений в очищаемый поток.
Низкая эффективность регенерации (восстановления работоспособности) электрического очистителя диэлектрических жидкостей и газов является следствием того, что поток промывочной жидкости, захватывая частицы загрязнений в каждой ячейке-накопителе загрязнений, теряет часть из них при столкновении (обтекании) с прямоугольным краем перфорированного отверстия дискового осадительного электрода. Эти частички остаются неудаленными и оседают на внутренних поверхностях ячеек-накопителей загрязнений. Появляется необходимость использовать большое количество промывочной жидкости для максимальной очистки устройства, что приводит к увеличению сроков проведения этого процесса и затрат на него.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности очистки рабочего агента и регенерации электрического очистителя, дезинфекция очищаемой газовой среды.
Технический результат изобретения достигается тем, что в устройство для создания стерильной среды, очищающее и дезинфицирующее поток газовой среды - рабочего агента, включающее электроочиститель, содержащий корпус с входным и выходным соплами, внутри установлены пять ограничительных пластин, причем между первой и второй пластинами в плоскости, перпендикулярной оси устройства, установлены диски из металлической сетки, образующие объем, который заполнен гранулами цеолита, а пары, состоящие из диэлектрической перегородки и дискового осадительного электрода, расположены между второй и третьей пластинами, при этом края круглых отверстий каждого дискового осадительного электрода вытянуты навстречу направлению движения рабочего агента. Кроме того, в нижней части корпуса устройства, между четвертой и пятой ограничительными пластинами, в плоскости, перпендикулярной оси устройства, размещен электродвигатель с вентилятором, а в крышке входного торца корпуса расположен штуцер, который трубопроводом, через обратный и редукционный клапаны и кран, связан с баллоном, в котором находится стерилизующее газообразное химическое вещество - оксид азота NO.
Гранулы цеолита, размещенные между дисками из металлической сетки, обеспечивают первичную очистку рабочего агента (газа) от крупных частиц загрязнений и удаление влаги для предотвращения электрического пробоя между осадительными электродами противоположных знаков потенциала.
Электродвигатель с вентилятором для создания принудительного движения агента регулирует его объем путем изменения электрического тока, протекающего по обмоткам электродвигателя.
На чертеже представлен общий вид, в продольном разрезе, устройства для создания стерильной среды.
4
4
Устройство состоит из корпуса 2 с соплом подвода рабочего агента 1 и крышкой 9 с выходным соплом. Внутри корпуса 2 установлены пять ограничительных пластин 4. Между первой и второй пластинами в плоскости, перпендикулярной оси устройства, размещены диски 3 из металлической сетки, пространство между которыми заполнено гранулами цеолита (алюмосиликат с тетраэдрическими фрагментами SiO и АlO с трехмерным каркасом, пронизанным полостями и каналами) 12. Между второй и третьей пластинами 4 в плоскости, перпендикулярной оси устройства соосно друг другу, размещены пары, состоящие из диэлектрической перегородки 5 с цилиндрическими каналами 10 для прохода рабочего агента, и дискового осадительного электрода 6, перфорированного круглыми отверстиями 11 соосно цилиндрическим каналам 10. Пары установлены с чередованием знака потенциала дисковых осадительных электродов 6. Круглые отверстия 11 дисковых осадительных электродов 6 смежных пар и цилиндрические каналы 10 диэлектрической перегородки 5 каждой пары образуют ячейку-накопитель загрязнений.
Внутренняя поверхность корпуса 2 и поверхность дисковых осадительных электродов 6 покрыты изоляционным материалом, что предотвращает перезарядку осевших частиц загрязнений рабочего агента и гарантирует их осаждение и удержание. Кроме того, пары, состоящие из диэлектрической перегородки 5 с цилиндрическими каналами 10 для прохода рабочего агента и дискового осадительного электрода 6, перфорированного круглыми отверстиями 11 соосно цилиндрическим каналам 10, помещены в дополнительный корпус 7, изготовленный из диэлектрического материала.
Площадь диэлектрической перегородки 5 должна превышать общую площадь сечения каналов 10 в 2-6 раз. Превышение менее чем в 2 раза приведет к увеличению гидравлического сопротивления, а также к выносу частиц загрязнений основным потоком рабочего агента. Превышение площади диэлектрической перегородки 5 над общей площадью сечения цилиндрических каналов 10 более чем в 6 раз ограничено снижением эффективности извлечения частиц загрязнений из потока рабочего агента по всем направлениям и необходимостью увеличения значения напряжения от внешнего источника питания.
Предложенная конфигурация ячейки-накопителя загрязнений, при расположении устройства соплом подвода рабочего агента 1 вверх, позволяет повысить эффективность регенерации устройства за счет того, что поток рабочего агента, захватывая частицы загрязнений, беспрепятственно удаляет их из ячейки-накопителя загрязнений. Для проведения процесса достаточно использовать небольшое количество промывочной жидкости, что уменьшает время проведения операции и затраты на нее. Гранулы цеолита 12, размещенные между дисками 3 металлических сеток, по мере накопления в них загрязнений и влаги заменяются на новые.
В нижней части корпуса 2 (как показано на чертеже), между четвертой и пятой ограничительными пластинами, вдоль оси устройства, располагается электродвигатель 8 с вентилятором, который при своей работе обеспечивает принудительное движение очищаемого рабочего агента (например, воздуха). Для регулирования расхода рабочего агента, проходящего через устройство, изменяют величину электрического тока, протекающего через обмотки электродвигателя 8.
В крышку, со стороны входного торца корпуса устройства, ввернут штуцер 14, который трубопроводами, через обратный клапан 13, редукционный клапан 15 и кран 17, соединен с баллоном 16, в котором находится стерилизующее газообразное химическое вещество под давлением, например оксид азота NO. Кран 17 перекрывает подачу оксида азота во внутреннюю полость устройства. Редукционный клапан 15 обеспечивает нужное давление оксида азота, поступающего в устройство. Обратный клапан 13 предотвращает перетекание газа из внутренней полости устройства в баллон 16, если давление в этой полости больше, чем в баллоне.
Оксид азота (окись азота) NO можно получать разными способами.
В небольших количествах ее получают взаимодействием 30-35% азотной кислоты с медью по реакции [1]:
3
3
2
2
3Сu+8HNO=3Сu(NO)+2NO↑+4НO.
2
Или же разложением азотистой кислоты HNO при концентрировании ее раствора или нагревании [1]:
2
2
2
2HNO=NO+NO+HO.
3
В промышленности (в больших количествах) окись азота NO является промежуточным продуктом при производстве азотной кислоты, основанном на каталитическом окислении аммиака (NH) кислородом воздуха. Если пропускать смесь аммиака с воздухом над катализатором, то при 7500°С и определенном составе смеси происходит почти количественное превращение аммиака в оксид азота [1]:
3
2
2
4NH+5O=4NO+6НO.
Т.к. в этом случае получается окиси азота много, то ее можно подвергнуть сжатию при заправке баллонов, которые затем доставлять в места использования предлагаемого устройства.
Устройство для создания стерильной среды работает следующим образом.
На дисковые осадительные электроды 6 от высоковольтного источника питания подается напряжение. Подается напряжение и на электродвигатель вентилятора. Рабочий агент, содержащий частицы (возможно и микроорганизмы) загрязнений, поступает к устройству через сопло 1 за счет принудительного отсоса газа, создаваемого электородвигателем 8 с вентилятором, производительность которого регулируется в зависимости от концентрации загрязнений в газе. Рабочий агент, попадая на гранулы цеолита 12, размещенные между сетчатыми дисками 3, очищается предварительно от частиц загрязнений сетками и адсорбируется на гранулах, где также осушается. Далее рабочий агент, проходя через круглые отверстия 11 дискового осадительного электрода 6 и цилиндрические каналы 10 диэлектрической перегородки 5, испытывает воздействие силового электрического поля. В ячейках-накопителях загрязнений образуется неоднородное электрическое поле, которое, воздействуя на частицы загрязнений рабочего агента (в том числе и микроорганизмы), независимо от знака заряда частиц и их материала, выводит последние из основного потока и обеспечивает их осаждение на электродах 6. Если же в очищаемом газе, кроме механических примесей в виде мелких частиц, присутствуют микроорганизмы, то они осаждаются на гранулах цеолита 12 за счет абсорбции последних, где будут уничтожаться оксидом азота NO. Те же микроорганизмы, которые не осели на гранулах цеолита, поступают к электродам 6. На первом электроде 6, после второй ограничительной пластины 4, микроорганизмы получают от него, при соприкосновении с ним, отрицательный заряд. Далее они движутся с потоком газа по каналам 11 и 10 в первом электроде 6 и диэлектрической перегородке 5 и подходят ко второму электроду, заряженному положительно. При соприкосновении с этим электродом между микроорганизмом, заряженным отрицательно, и электродом образуется электрическая цепь, т.е. происходит микроразряд, при котором по живому телу микроорганизма протекает электрический ток, в результате чего микроорганизм, как живое существо, погибает и далее является просто примесной частичкой (неживой, не являющейся опасной), которая, как и механическая частичка, осядет, при дальнейшем движении с потоком, на электродах. Таким образом будут уничтожаться микроорганизмы в очищаемом потоке на каждом электроде 6.
Кроме того, если имеется подозрение (или уверенность) на наличие микроорганизмов в очищаемом газе, то в этом случае открывается кран 17, и оксид азота NO поступает из баллона 16 к редукционному клапану 15, который обеспечивает (редуцирует) требуемое давление этого газа на входе его внутрь устройства, и далее через обратный клапан 13 и штуцер 14 и поступает на вход устройства. Давление окиси азота (или другого дезинфицирующего вещества) устанавливается несколько выше, чем давление очищаемого потока на входе в устройство. Обратный клапан 13 не позволяет течь газу со входа в устройство к редукционному клапану, если там давление окажется выше. Кран 17 перекрывает канал подачи оксида азота: если необходима его подача в устройство, когда надо убивать микроорганизмы, то кран открывается, если нет - то закрывается. Поступающий оксид азота, после штуцера 14, смешивается с очищаемым потоком газа, движущимся из сопла 1. При этом он соприкасается с микроорганизмами и убивает их. Далее окись азота NO, вместе с потоком, поступает в полость между сетчатыми дисками 3, где также соприкасается с микроорганизмами, осевшими на гранулах цеолита, и также убивает их. И далее, если микроорганизмы осели на электродах и остаются живыми, то оксид азота, соприкасаясь с ними, также их убивает.
Таким образом, микроорганизмы уничтожаются на электродах и оксидом азота NO. Само же устройство очищает газ (например, воздух) от механических примесей и стерилизует его.
Расход очищаемого газа регулируется вентилятором. Чем больше концентрация загрязнений (в том числе и микроорганизмов) в очищаемом газе, тем меньше должен быть его расход. Это обеспечивается изменением величины электрического тока, протекающего через электродвигатель вентилятора. Очищенный рабочий агент выходит из устройства через выходное сопло крышки 9.
Регенерация устройства после накопления в ячейках-накопителях загрязнений, о чем судят по снижению эффективности очистки, обеспечивается подачей на дисковые осадительные электроды 6 знакопеременного импульсного напряжения, вследствие чего будет изменяться направление силового воздействия на частицы загрязнений рабочего агента. Частицы загрязнений отделяются от электродов и переходят во взвешенное состояние, а далее выносятся потоком рабочего агента из устройства. Цеолит также регенерируется: гранулы первоначально тщательно промываются, а затем просушиваются (для ускорения процесса осуществляется их нагрев).
Анализ изобретательского уровня показал следующее:
известен осадительный электрод для электрофильтров по А.С. СССР №375098, кл. В03С 3/47, опубл. 23.03.73 г., №16, в котором края отверстий перфорации вытянуты навстречу движению пылегазового потока на величину, равную половине диаметра отверстия перфорации;
известен вертикальный электрофильтр по патенту РФ №1820876, кл. В03С 3/36, опубл. 07.06.93 г., бюл. №21, в котором осадительные электроды выполнены в форме, образующей воронкообразную ячейку-накопитель загрязнений (пыли);
известен электрический очиститель диэлектрической жидкости по патенту РФ №2081707, кл. В03С 5/00, опубл. 20.06.97 г., бюл. №17, в котором наряду с пакетом осадительных электродов с прорезями для прохода жидкости, разделенных диэлектрическими перегородками, содержится накопитель загрязнений.
Из общедоступных источников патентной и другой научно-технической информации нам не известны технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие со всеми существенными отличительными признаками заявляемого технического решения. Таким образом, последнее не следует явным образом из проанализированного уровня техники, т.е. имеет изобретательский уровень.
Основные характеристики устройства для создания стерильной среды
Расчетная прокачка, куб. м - 100,0.
Напряжение постоянного тока, подводимое к дисковым осадительным электродам, кВ - 8,0-15,0.
Габаритные размеры устройства:
наружный диаметр, мм - 110;
высота, мм - 300.
Масса сухого устройства, кг - 4,0.
Масса высоковольтного блока питания, кг - 1,5.
В медицине устройство можно использовать в лечебных целях для создания оптимальной микрофлоры в патологическом очаге, инфекционно-воспалительной этиологии на фоне аутоиммунных, хронических общесоматических процессов, а также травматического происхождения.
В качестве предлагаемого рабочего реагента, для создания оптимальных показателей клинической картины воспалительного процесса, применяется оксид азота NO. Это соединение азота является биологически активным не только как бактерицидный компонент, но и обладает регуляторными функциями в процессах тканевого обмена на клеточном и внутриклеточном уровнях. Выявленная определенная положительная роль в пато- и саногенезе воспалительных процессов челюстно-лицевой области обосновывает необходимость включения в комплексную терапию оксида азота для оптимизации компенсаторных механизмов организма и, опосредованно, процессов сепаративной остеорегенерации при остеомиелитах челюстей.
Предлагаемый комплексный подход, с использованием описанного устройства, позволяет повысить эффективность проводимого лечения, сократить сроки стационарного лечения, что имеет важное значение для практического здравоохранения, и дает возможность получать определенный экономический эффект.
3
3
При испытании опытного устройства для создания стерильной среды оно было установлено в центре комнаты объемом 50 м. В устройстве дисковые осадительные электроды 6 и диэлектрические перегородки 5 имели диаметр 90 мм. В диэлектрических перегородках 5 были выполнены 210 отверстий диаметром 8 мм. Наклон боковой стенки усеченного конуса был равен 180. Диаметр основания усеченного конуса, равный диаметру цилиндрического канала 10, равнялся 8 мм. Производился замер загрязненности воздуха прибором контроля загрязненности воздуха (ПКЗВ). Концентрация частиц загрязнения в воздухе составила 23%. Подключали установку к промышленной сети с напряжением 220 В переменного тока и частотой 50 Гц. Производительность вентилятора воздухоочистительной установки устанавливали, исходя из обеспечения прокачки рабочего агента в 100 м в час. Значение напряжения постоянного тока, подводимого к дисковым осадительным электродам 6, поддерживалось в пределах 10 кВ. Производили прокачивание рабочего агента через устройство при помощи элекродвигателя 8 с вентилятором в течение 15 минут. Затем процесс останавливали и производили контроль загрязненности очищаемого объема воздуха. Концентрация частиц загрязнения в воздухе составила менее 2%, что свидетельствует о высокой эффективности очистки воздуха.
Проведенное клиническое исследование продемонстрировало многополярную эффективность проводимого комплексного лечения с использованием оксида азота у больных с хроническими вялотекущими гнойно-воспалительными заболеваниями челюстно-лицевой области. Применение воздушно-плазменных NO-содержащих газовых потоков для лечения большинства больных основной группы, по сравнению с группами, получавшими традиционное лечение, приводило к более быстрой нормализации местных и общих клинических симптомов воспалительного процесса, а также коррекции морфологических показателей форменных элементов периферической крови.
Анализ динамики клинических проявлений (прекращение боли, уменьшение отека, закрытие свищевых ходов, появление «молодой» грануляционной ткани, улучшение общего самочувствия больного и т.п.) показал, что в основной группе купирование местных симптомов происходило в более ранние сроки. Прекращение болевого синдрома отмечено раньше на 1,3 суток, отека - на 2,1 суток, отделения из свищевого хода - на 1,3 суток. Температурная реакция организма нормализовывалась раньше в среднем на 1,6 суток. Отмечены хорошие косметические показатели, включая наличие гладкого нежного рубца в раннем послеоперационном периоде, после проведенной по показаниям секвестрнекрэктомии. В среднем после 7 сеансов отмечено значительное (почти двукратное) изменение структурно-объемной трансформации нейтрофильных гранулоцитов (с нормализацией размерных показателей), с изменением состава циркулирующих популяций (увеличение пула функционально активных клеток до 78%, против 42% до начала проводимого лечения), повышению их метаболической активности (усилению кислородзависимого метаболизма).
Установлено, что под влиянием NO наблюдается прогрессивное увеличение популяции активных нейтрофилов: 64,1, 70 и 78% от общего количества на 1,3 и 7 суток соответственно (в норме - 71%). Также прогрессивно, но в меньшей степени увеличивается процент интактных НГ в те же сроки (14,8, 15,2 и 16% соответственно), снижается количество дегенеративных клеток (21,1, 14,8 и 12% соответственно). При проведении традиционной терапии на 7 сутки содержание функционально зрелых активных нейтрофилов составило всего 59%, дегенеративных - 14%. Значительно возросло число неактивных клеток - до 27% (против 20% в норме). В отношении средних размерных показателей было выявлено, что к 7 суткам NO-терапии наблюдается устойчивая тенденция к нормализации размерных параметров клеток: диаметр, периметр, высота, площадь и объем нейтрофилов составляют 109, 111, 99, 117 и 102% от нормативных значений соответственно. Данный факт убедительно свидетельствует о положительном эффекте экзогенного оксида азота на морфофункциональное состояние нейтрофилов. Незначительное превышение показателей по отношению к норме отражает стимулирующее действие NO.
Таким образом, можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость»
Источники информации
1. Глинка Н.Л. Общая химия / Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1975. - с.405, 408, 411.
2. Патент РФ на изобретение, №2108869, кл. В03С 5/00, опубл. 20.04.98, бюл. №11.
3. Патент РФ на изобретение, №2145524, кл. В03С 5/00, опубл. 20.02.2000, бюл. №5.
4. Патент РФ на изобретение, №2262387, кл. В03С 5/00, опубл. 20.10.05, бюл. №29.