СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DECONTAMINATING FLUID MEDIA AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области облучательных методов санитарии.
Спектр лучевого поражения клеток микроорганизмов занимает всю область длин волн короче 310 нм /1/. Вплоть до настоящего времени в лучевой санитарии используются два спектральных участка этой области: длинноволновой УФ-диапазон 230 ÷ 310 нм /1, 2/ и коротковолновой диапазон - ионизирующее излучение (рентген, γ-лучи) /3/. Санитарный эффект при облучении микроорганизмов УФ в диапазоне 170 ÷ 220 нм изучен недостаточно и практически не используется. В ранних исследованиях /4/ сообщается о высокой степени инактивации белков при облучении УФ в диапазоне 170 ÷ 220 нм.
Для обеззараживания (деконтаминации) среды от микроорганизмов широко используется облучение в области спектра 250 ÷ 270 нм, которое поглощается ДНК с пиком поглощения при 260 нм. Результатом поглощения квантов излучения является фотодимеризация, то есть образование сшивок между двумя смежными пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, принадлежащими одной или разным нитям спирали ДНК (главным образом, димеров тимин-тимин) /2, 6, 7/. Образующиеся ковалентные связи создают непреодолимое препятствие для репликации ДНК. Это приводит к замедлению роста или гибели микроорганизмов. Таким образом, обеззараживание среды от микроорганизмов при облучении 250 ÷ 270 нм происходит благодаря эффекту фотодимеризации.
В 1948 г. был открыт эффект фотореактивации /5/, заключающийся в том, что эффективность обеззараживания клеточных организмов и вирусов ультрафиолетовым облучением может уменьшиться, если после УФ-облучения подействовать на них излучением определенных участков спектра. В частности, фотореактивация (мономеризация димеров излучением) возможна в трех спектральных участках, расположенных в ближней УФ и видимой областях спектра: 313, 435 и 380 ÷ 450 нм /1/. Способностью к фотореактивации обладают многие виды и разновидности микроорганизмов. Значительный эффект фотореактивации наблюдался для фекальных стрептококков /8/ и Coli-форм /9/, MS-фагов /10, 11/ и F-специфических фагов /8/, поливируса I /12/, Heterotrophs /13/, аэробных и анаэробных грибов /14/, некоторых видов Salmonella /15, 16/. При этом для различных бактерий спектр фотореактивирующего излучения различный.
2
Эффективность обеззараживания (деконтаминации) среды от микроорганизмов методом УФ-облучения оценивается плотностью энергии облучения (дозой УФ-облучения, мДж/см), необходимой для деконтаминации 90% популяции. Вообще, эффективность обеззараживания зависит от соотношения доз убивающего и реактивирующего облучения. Эффективность фотореактивации оценивается по разности доз, необходимых для деконтаминации 90% популяции микроорганизмов при наличии фотореактивирующего света и без него.
2
Широко применяемое во всем мире для УФ-обеззараживания облучение ртутным дуговым излучателем низкого давления с длиной волны 254 нм имеет ограничения эффективности по составу микрофлоры и условиям применения. Для обеспечения современных требований к микробиологической чистоте /17/ величина дозы УФ-облучения микроорганизмов, даже без учета фотореактивации, должна достигать 120 мДж/см - труднодостижимого в санитарной практике значения. В особенности это справедливо в отношении дезинфекции помещений.
Между тем, лучевое поражение различных систем (белки, ДНК, фосфолипиды) микроорганизмов происходит под действием облучения во всем диапазоне длин волн меньше 310 нм /1/. Отсутствие до недавнего времени набора эффективных облучателей в различных спектральных участках этого диапазона, доступных для широкого применения, не позволяло использовать весь спектральный диапазон лучевой санитарии.
Возможность разработки новых методов лучевой санитарии появилась с развитием источников эксимерного излучения на основе барьерного разряда, излучение которых перекрывает спектральную область 170 ÷ 360 нм /18, 19/. Допустимо полагать, что существенно повысить степень деконтаминации патогенных микроорганизмов можно путем сочетанного действия на различные ключевые метаболические процессы клеток, например одновременным облучением микроорганизмов излучением различных областей спектра. В этом случае эффект фотореактивации может быть скомпенсирован множественным лучевым повреждением клеток. В частности:
*
- эксимер XeBr с длиной волны 282 нм, соответствующей максимуму спектра триптофанового механизма разрушения четвертичной структуры белков;
2
*
- эксимер Cl  с длиной волны 258 нм, соответствующей максимуму поглощения нуклеиновыми кислотами, приводящего к блокированию считывания кода ДНК;
*
- эксимер KrCl с диной волны 222 нм, соответствующей деструкции фосфолипидов оболочки клетки;
- KrBr с диной волны 207 нм, оказывающее комбинированное летальное действие.
Ожидаемый результат состоит в получении, в целом, значимо большей эффективности обеззараживания при использовании эксиламп за счет больших сечений фотопоражения и подавления эффекта фотореактивации методом комбинированного воздействия.
Деконтаминацию воды и воздуха помещений от патогенных микроорганизмов осуществляют пропусканием обеззараживаемой среды через замкнутые объемы вблизи облучателей. При этом обычные аппараты с УФ-излучателями для обеззараживания воздуха помещений оказывались не эффективными для обработки поверхностей помещений. Применение в аппаратах для обеззараживания воздуха эксимерных излучателей позволяет производить и обеззараживание поверхностей в помещении.
Существуют два типа эксимерных излучателей: эксимерные лазеры и эксимерные лампы (эксилампы). В предлагаемом изобретении в качестве эксимерных излучателей используются эксилампы с различными максимумами спектра излучения в диапазоне 170 ÷ 360 нм.
Излучение в области ближнего ВУФ поглощается атмосферным кислородом и парами воды, причем величина поглощения зависит от длины волны источника излучения /20/. Результатом такого поглощения является фотохимическое образование озона и перекиси водорода /21/. Оба соединения являются сильными окислителями и проявляют выраженный бактерицидный эффект за счет синергизма действия /22/. Выбор условий фотохимических процессов при дезинфекции помещений эксилампами позволяет проводить санитарную обработку воздуха и поверхностей в помещениях безопасным для людей способом.
Известны способы применения эксимерных облучателей для обеззараживания воды /23, 24, 25/. В этих заявках авторы используют эксимерное излучение одного типа, главным образом, для наработки в воде вторичных дезинфектантов, пероксида водорода /23/ или озона /25/. При этом речь не идет об одновременном действии нескольких спектральных участков с эффектом синергизма.
Наиболее близким к заявляемым способу и устройству является изобретение / JP 19970136236 19970527, C02F 1/28; C02F 1/32; C02F 1/58; C02F 1/78, опубл. 1998-12-08/. Его отличает указание конкретного узкого участка спектра излучения эксилампы, что является характерным для этого типа излучателей. Указание в заявках с эксилампами /JP 19970199897, 19970725, C02F 1/32; C02F 3/00, опубл. 1999-02-09, 25/ всего диапазона эксимерного излучения 150 ÷ 310 нм неправомерно, если этому не сопутствует анализ различий биологического действия и различного пропускания обрабатываемыми средами различных узких спектральных интервалов, излучаемых конкретными эксилампами. В указанном прототипе выбранная эксилампа используется для очистки воды от вредных примесей, образующихся при основном процессе дезинфекции - озонировании.
В основу изобретения положена задача создания способа и основанных на нем устройств для эффективного обеззараживания текучих сред, не использующих содержащих ртуть излучателей, свободных от эффектов фотореактивации, с увеличенным ресурсом работы.
i
j
k
i
j
k
Решение технической задачи обеспечивается тем, что в способе обеззараживания текучих сред методом поражения микроорганизмов излучением эксиламп обеззараживание жидкой или газообразной среды от микроорганизмов осуществляют излучением двух или трех эксиламп с диапазонами излучения Δλ, Δλ и/или Δλ, при последовательном прохождении обрабатываемой среды вблизи них, с временным интервалом прохождения от одной лампы до следующей в диапазоне от 0.1 до 5 с, при этом выбор применяемых типов эксиламп, имеющих диапазоны излучения Δλ, Δλ, Δλ, производят среди четырнадцати типов существующих эксиламп в диапазоне 170 - 360 нм, с основными максимумами длин волн излучения, пронумерованными в порядке возрастания длины волны с учетом максимальной эффективности поражения различных биологических механизмов функционирования клеток.
Решение технической задачи также обеспечивается тем, что в устройстве для обеззараживания текучих сред, включающем корпус, побудители потока среды, фильтры для удаления твердой фазы, по крайней мере, две эксилампы с максимумами излучения на длинах волн от 170 до 360 нм установлены в необходимой последовательности, определяемой свойствами объекта обработки, эксилампы выполнены в форме цилиндра, при этом ось цилиндра и направление потока среды взаимно перпендикулярны, либо эксилампа выполнена в форме тора, при этом ось тора и направление потока среды взаимно параллельны.
При этом колбы эксиламп изготовлены из материала, имеющего коэффициент пропускания при 160 нм не менее 40% на 1 мм толщины материала.
Получение технического результата обусловлено применением нового типа излучателей - эксимерных ламп - источников излучения узких спектральных участков с длинами волн в максимуме этих участков, расположенными в интервале 170 - 360 нм. Излучатели не содержат ртути, имеют повышенный в сравнении с ртутными УФ-излучателями ресурс работы, безынерционны.
Метод решения поставленной задачи состоит в одновременном воздействии на текучую среду двумя или более эксилампами, максимумы спектров излучения которых различны.
i
j
k
i
j
k
Предлагаемый способ состоит в обеззараживании жидкой или газообразной среды от микроорганизмов излучением двух или трех эксиламп с диапазонами излучения Δλ, Δλ и/или Δλ, при последовательном прохождении обрабатываемой среды вблизи них, с временным интервалом прохождения от одной лампы до следующей в диапазоне от 0.1 до 5 с. Выбор применяемых типов эксиламп, имеющих диапазоны излучения Δλ, Δλ, Δλ, может производиться среди четырнадцати типов существующих эксиламп в диапазоне 170 - 360 нм, с основными максимумами длин волн излучения, пронумерованными в порядке возрастания длины волны. При этом выбор двух или трех эксиламп и их расположения подчинен решению задачи достижения максимальной эффективности поражения различных биологических механизмов функционирования клеток.
В предлагаемом устройстве для обеззараживания текучих сред, включающем корпус, побудители потока среды, фильтры для удаления твердой фазы, по крайней мере две эксилампы, с максимумами излучения на длинах волн от 170 до 360 нм, патроны для установки эксиламп в необходимой последовательности, определяемой свойствами объекта обработки, эксилампы выполнены в форме цилиндра, при этом ось цилиндра и направление потока среды взаимно перпендикулярны, либо эксилампа выполнена в форме тора, при этом ось тора и направление потока среды взаимно параллельны. Колбы эксиламп изготовлены из материала, имеющего коэффициент пропускания при 160 нм не менее 40% на 1 мм толщины материала.
На фиг.1 показаны схемы устройств для обеззараживания воздуха (а, б) и устройства для обеззараживания воды (в).
На фиг.1а, в представлены эксилампы цилиндрической формы, на фиг.1б - эксилампы в форме тора. Устройство состоит из корпуса 1, групп эксиламп 2, закрепленных на стенках корпуса в патронах 3, вентиляторов 4, задающих поток газообразной среды, или насосов, задающих поток жидкой среды. Внутренние стенки корпуса имеют отражающее свет покрытие 5, с коэффициентом отражения не менее 50% для длин волн 170 - 190 нм и не менее 80% для длин волн больше 200 нм.
При обеззараживании жидких сред предварительно применяются механические фильтры. В прототипе эксилампа, излучающая в спектральном диапазоне 190 ÷ 200 нм, используется для устранения вредных последствий при дезинфекции воды химическим способом. В защищаемом устройстве группы эксиламп с различными максимумами излучения осуществляют основной процесс обеззараживания.
Крайние точки временного диапазона, указанного в заявке, 0.1 и 5 с, выбраны из имеющегося у компании опыта проектирования и эксплуатации подобных устройств.
3
2
Время 0.1 с. Аппарат-рециркулятор для обеззараживания воздуха и поверхностей помещений, самый производительный из разработанных в компании. Содержит 9 (девять) ламп с длинами волн излучения 254 и 185 нм. Измеренная производительность аппарата - 2700 м/ч. Сечение аппарата - 0.6 м. Расстояние между осями облучателями по потоку воздуха - 0.2 м. Расчетное время прохождения от одной лампы до другой составляет 0,16 с. Величина 0.1 с выбрана как разумная экстраполяция.
Время 5 с. Существует проблема обеззараживания воды до уровня стерилизации.
2
3
Одним из основных вопросов достижения такого результата необходимость высокой равномерности дозы облучения, получаемой всеми элементарными объемами обрабатываемой воды. Адекватным решением является обеззараживание в тонких ламинарных слоях. При этом в пограничном слое происходит перемешивание за счет явления турбулентности ламинарного пограничного слоя. Задав дозу 40 мДж/см, коаксиальные эксилампы длиной 10 см и диаметром 7 см (удлиненный тор) и расход дезинфицируемой воды 0.1 м/ч, получим, что при движении воды в слое толщиной 0.3 см между внешней поверхностью эксилампы и стенки корпуса аппарата, при переходе в не занятый лампой объем такого же диаметра, за время 5 с вода пройдет расстояние 3.5 см, которое определит положение следующей по ходу воды лампы. Таким способом определен второй временной предел, соответствующий малым расходам текучих сред.
Испытание предлагаемого способа и реализующего его устройства проведено в рамках выполнения программы по обезвреживанию инвазивных организмов в балластных водах судов. В качестве модели устройства использовалась лабораторная установка с двумя эксимерными лампами тороидальной формы, расположенными последовательно, одна за другой, в корпусе из нержавеющей стали.
2
Зеленая водоросль Dunaliella saline в виде суспензии живых клеток в искусственно приготовленной морской воде облучалась излучением эксиламп с максимумом излучения 253 нм (соответствует блокировке считывания генетической информации) и максимумом 222 нм (соответствует разрушению клеточных мембран). Доза облучения была одинакова и составляла 150 мДж/см. Облучение проводилось последовательное разницей по времени, равной 1 с. В поле зрения микроскопа определялись числа нежизнеспособных (неподвижных, с измененной морфологией) и жизнеспособных (подвижных) клеток. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты воздействий на суспензии Dunaliella saline эксимерными излучателями
Длина волны максимума излучения эксилампы
% жизнеспособных клеток
% нежизнеспособных клеток
253 нм (Xel)
20
80
222 нм (KrCl)
29
71
253 + 222 нм
0
100
Согласно имеющемуся у компании-заявителя опыту реализации санитарного облучательного оборудования у различных его потребителей существуют различные требования к обеззараживанию своих объектов. Так, в местах скопления людей (больницы, социальные учреждения и др.) характерно наличие постоянно обновляемой микрофлоры. В этом случае перспективно использование двух спектральных диапазонов, максимумы поглощения белков и ДНК. Для преимущественной борьбы со споровыми (mycobacterium tuberculosis в вытяжных системах специализированных медучреждений) или вирусами (в период эпидемий) лучше применять облучение в спектральных областях поглощения ДНК и фосфолипидов клеточных оболочек. Микрофлору воды (сточной, производственной, питьевой, балластной воды судов) с учетом непредсказуемости вариаций ее состава и требований паразитологической чистоты предпочтительно обрабатывать облучением в трех полосах поглощения клеточных структур (белки, ДНК, клеточные оболочки).
Таким образом, предлагаемые способ и устройство являются эффективными для обеспечения гарантированного обеззараживания воды из разных источников.
Литература
1. С.В.Конев, И.А.Волотовский "Введение в молекулярную фотобиологию", Наука и техника, Минск, 1971.
2. Н.Г.Потапченко, О.С.Савлук "Химия и технология воды", 13, с.12, 1117-29, 1991.
3. М.И.Амирасова, Н.А.Дуженкова, А.В.Савич, М.И.Шальнов "Первичные радиобиологические процессы", Атомиздат, М., 1964.
4. R.Setlow, B.Dayle. The action of monochromic UV light on proteins, Biochim. Biophys. Acta, 24, 27-35, 1957.
5. A.Kelner. Effect of visible light on the recovery of Streptomyces griseus condida from ultraviolet irradiation injury, Nat. Acad. Sci, USA, 35, 73-79, 1949.
6. Ермилова Е.В. Молекулярные аспекты адаптации прокариот. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2007. - 299 с.
7. Пиневич А.В. Микробиология. Биология прокариотов: Учебник. В 3 т. Том 3. - СПб.: Изд-во С.-Петербур. Ун-та, 2009. - 457 с.
8. Oppenheimer, J.A. et al. 1993, "Chlorine and UV Disinfection of Tertiary Effluent: A Comparative Study of Bacterial and Viral Inactivation and Effluent By-Products" In Water Environment Federation 66th Annual Conference & Exposition (October 3-7, Anaheim, CA), 557-568.
9. Wolfe, R.L. 1990, "Ultraviolet Disinfection of Potable Water" Environ. Sci. Technol. 24 (6), 768-773.
10. Lehrer, A.J., Cabelli, V.J. 1993, "Comparison of Ultraviolet and Chlorine Inactivation of F Male-Specific Bacteriophage and Fecal Indicator Bacteria in Sewage Effluents" in Planning, Design & Operations of Effluent Disinfection Systems, Proceedings of the Water Environment Federation Specialty Conference (May 23-25, Whippany, NJ), 37-48.
11. Chang, J.C.H. et al. "UV Inactivation of Pathogenic and Indicator Microorganisms" Applied and Environmental Microbiology, 49 (6), 1361-1365, 1985.
12. Harris, G.D. et al. "UV Inactivation of Selected Bacteria and Viruses with Photoreactivation of the Bacteria" Wat. Res. 21 (6), 687-692, 1987.
13. Battigelli, D.A.; Sobsey, M.D.; Lobe, D.C. "The Inactivation of Hepatitis A Virus and Other Model Viruses by UV Irradiation" Wat. Sci. Tech. 27 (3-4), 339-342, 1993.
14. Calza, R.E., and A.L. Schroeder. Post-replication repair in Neurospora crassa, Mol. Gen. Genet, 185, 111-118, 1982.
15. K.Tosa, T.Hirata "Photoreactivation of Salmonella following UV disinfection",
College of Environmental Health, Azabu University, Japan, HRWM - 39.
16. Jérôme Baron. Repair of Wastewater Microorganisms after Ultraviolet Disinfection under Seminatural Conditions, Water Environment Research, Vol.69, No. 5 pp.992-998, 1997.
17. Hargy Т. Ultraviolet light found to be effective against Cryptosporidium. // Water Technology, Sept., 1999.
18. H.Strom, U.Kogelshats "Modification of surfaces with new eximer UV sources", Thin Solid Film, 218, 231-46, 1992.
19. Panchenko A.N., Tarasenko V.F. / Barrier-discharge-excited coaxial exilamps with the enhanced pulse energy. // Quantum Electronics. 2008. Vol.38. No. 1. P.88-91.
20. K.Watanabe, E.C.J.Inn, M.Zelikoff, Absorption coefficients of oxygen in the vacuum ultraviolet, J. Chem. Phys., 21{6}, 1026-30, 1953.
21. Х.Окабэ. <Фотохимия малых молекул>, М., Мир, 1981.
22. S.Yasutake, M.Kato, S.Kono "Ozone Science and Enginiring", 10, 309-20, 1988.
23. Haraga Hisato, Kurokawa Tetsuya, Fukuda Yukihiro, Imasaka Takao «Method and Apparatus for purifying water», JP 19970199897 19970725, C02F 1/32; C02F 3/00, опубл. 1999-02-09.
24. Samelma Shoichi, Shimazaki Hiroshi «Water Purification Method using Excimer Ultraviolet Ray Lamp», JP 19970136236 19970527, C02F 1/28; C02F 1/32; C02F 1/58; C02F 1/78, опубл. 1998-12-08.
25. Домнинский О.А., Козлов К.В., Самойлович В.Г., Флоровский К.Л. «Бактерицидный аппарат для обработки воды», Заявка: 94009124/26, 17.03.1994, C02F 1/32, опубл. 27.01.1996.