ЭКСПОЗИЦИОННАЯ АЭРОЗОЛЬНАЯ КАМЕРНАЯ УСТАНОВКА
EXPOSITION AEROSOL CHAMBER UNIT

Изобретение относится к техническим средствам оценки качества воздушной среды обитания человека как в производственных условиях, так и в условиях атмосферы населенных пунктов при воздействии различных вредных факторов на воздушную среду.
Одной из основных целей токсикологических исследований является установление зависимостей "концентрация - эффект" по результатам ингаляционного введения различных концентраций токсиканта через органы дыхания лабораторных животных в острых и хронических экспериментах.
Технические средства, необходимые для проведения ингаляционных экспериментов (ингаляционные камеры, подсадочные устройства, генераторы аэрозоля, приборы контроля концентрации), выбирают исходя из целей эксперимента, физико-химических свойств токсиканта, вида используемых лабораторных животных, длительности и периодичности экспериментов.
Существуют два типа ингаляционных камер, отличающиеся условиями контакта животных с аэрозолем исследуемого препарата.
В ингаляционных камерах типа "все тело" животные размещаются внутри рабочего объема камеры, в воздухе которого содержится определенная концентрация исследуемого препарата. Препарат может поступать в организм животного как через органы дыхания, так и через кожные покровы или при слизывании его с шерсти, а также при поедании кормов. Животные размещаются в лотках с возможностью свободного передвижения внутри и потребления корма и питья.
В ингаляционных камерах "только нос" животные контактируют с рабочим объемом камеры таким образом, чтобы препарат поступал в организм животного только через органы дыхания. Для того чтобы исключить попадание токсиканта в организм животных другими путями, кроме как через органы дыхания, их помещают в специальные пеналы. При подключении пеналов к ингаляционной камере с воздухом рабочего объема камеры, содержащим заданную концентрацию токсиканта, контактирует только нос животного. При этом должна быть обеспечена возможность равномерного распределения концентрации испытываемого токсиканта по всему рабочему объему ингаляционной камеры и зонам дыхания животных, входящих в одну группу, стабильность ее в течение времени отдельного эксперимента и воспроизводимость в многосуточных экспериментах. Важным фактором является экспонирование животных в условиях, обеспечивающих нормальные показатели функции дыхания и теплообмена, а также отвод экскрементов. На практике первый тип ингаляционных камер используют при оценке влияния целевого токсиканта на воздушную среду населенных пунктов, а второй тип - для токсикологической оценки воздуха рабочей зоны на промышленном предприятии. Патентуемое устройство относится ко второй группе ингаляционных камер.
В токсикологической литературе, как в России, так и за рубежом, описаны многочисленные конструкции ингаляционных камер для экспонирования мелких лабораторных животных при поступлении аэрозоля токсиканта типа "только нос".
Наиболее известным устройством такого типа в России является ингаляционная камера, содержащая затравочный блок с пеналами для подопытных животных и установку для подготовки изучаемого сырья с системой подачи аэрозоля в затравочный блок. Выход затравочного блока соединен трубопроводом с его входом, при этом на входе установлен узел подпитки аэрозолем, состоящий из бункера, механизма подачи и инжектора для ввода аэрозолей в систему рециркуляции (SU 265307, 01.01.1970).
2
В соответствии с требованиями нормативных документов, регламентирующих методологию проведения острых и хронических ингаляционных экспериментов с лабораторными животными, должно быть применено не менее трех концентраций токсиканта [МУ 2163-80. Методические указания к постановке исследований для обоснования санитарных стандартов вредных веществ в воздухе рабочей зоны]. Разница между концентрациями токсиканта обычно составляет от 5 до 10 раз. При наличии необходимого количества ингаляционных камер эксперимент проходит одновременно в трех камерах с различными заданными концентрациями токсиканта. Статистическая группа должна быть не менее 12 животных для каждой концентрации токсиканта. Контролем для всех групп лабораторных животных служит дополнительная четвертая группа, которая экспонируется в условиях подачи чистого воздуха (испытание порошкообразных препаратов) или аэрозоля растворителя, например физиологического раствора, (испытание жидких препаратов). Такого рода эксперименты являются технически и методически сложными и трудоемкими. Площадь помещения для его размещения должна быть не менее 30-40 м. При этом каждая камера оснащается своим генератором аэрозоля. Для обеспечения нормального функционирования комплекс оснащается системами подачи сжатого воздуха, приточно-вытяжной вентиляции, вакуума, отвода стоков со сложной системой трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры. Методология проведения исследований с использованием комплекса ингаляционных камер представлена в статье (К.Г. Соловьев, Н.Р. Дядищев, В.И. Сигаев, А.Д. Толчинский, С.Н. Успенская, В.Б. Мельников, А.Н. Варфоломеев. «Экспериментальная отработка методов аэрозольного воздействия на лабораторных животных жидких и сухих пылеобразующих форм биологических и химических препаратов». Токсикологический вестник, 2005, №1, стр. 41-46).
При наличии у исследователей только одной камеры, что вполне вероятно из-за высокой их стоимости, эксперименты с различными концентрациями токсиканта проводят последовательно, с постановкой контролей на каждом этапе, что существенно усложняет методологию исследований и требует значительно большего времени, особенно при проведении хронических экспериментов, для получения конечных результатов.
Зарубежные исследователи используют ингаляционные камеры фирмы TSE-Systems, Germany [Complete Toxicology Systems, www.tse-svstems.com]. фирмы Intox Products, USA [Exposure Equipment, www.intoxproducts.com]. фирмы CH Technologies Inc., USA [Complete Instructions, www.toxics.com] и др.
Подобные камеры раскрыты в патентных источниках.
Так из международной заявки WO 2009/106349, опубл. 03.09.2009, известен экспозиционный аппарат, содержащий внутренний коллектор и наружный коллектор. Внутренний коллектор имеет вход для газообразного материала. Внешний коллектор окружает внутренний коллектор и имеет выход для газообразного материала. Устройство также содержит по крайней мере одно место экспозиции, отверстие во внутреннем коллекторе и отверстие во внешнем коллекторе и трубку экспозиции, подходящую для корпуса животного, расположенную на одном или более из участков воздействия. Трубка экспозиции проходит через отверстие в наружной коллекторе и отверстие во внутреннем коллекторе, проходит по меньшей мере частично во внутреннем коллекторе и поддерживается внешнем коллектором и внутренним коллектором. Трубка экспозиции содержит впускное отверстие экспозиции в части трубки экспозиции во внутреннем коллекторе и выпускное отверстие экспозиции в части трубы экспозиции на наружном коллекторе. Газообразный материал протекает во внутренний коллектор через впускное отверстие, проходит в каждую пробирку экспозиции через впускное отверстие экспозиции, выходит из каждой пробирки экспозиции через выпускное отверстие экспозиции и вытекает из внешнего коллектора через выпускное отверстие.
Из патента US 4721060, опубл. 26.01.1988, известна система экспозиции для подачи газообразного материала в виде аэрозоля, газа или пара, прямо на нос экспериментальных животных, включающая концентрические вертикальные внутренние и внешние коллекторы. Внешний коллектор соединяется с горловинами большого количества колб, в которых животные ограничены носами, прилегающими к горловинам колб. Легкосъемные маленькие трубы соединены с внутренним коллектором и распространяются на горловины колб. Верхний конец наружного коллектора и нижней части внутреннего коллектора закрыты. Газообразный материал подают в верхний конец внутреннего коллектора, который протекает через трубочки в точках смежных носам у отдельных животных, а затем вытягивается через дно наружного коллектора. Внешние концы колб закрыты заглушками, через которые проходят металлические трубки, в которых размещены хвосты животных (обычно грызунов) и которые служат для отвода тепла тела. Устройство установлено с возможностью вращения на подшипниках поворотного стола.
Во всех известных аналогах отмечены основные признаки, которые присущи всем без исключения камерным установкам данного типа. Это наличие динамического аэрозольного канала, через который прокачивается аэрозольный поток заданной концентрации целевого токсиканта, и подсадочных пеналов с лабораторными животными, передние части которых с открытым носом животного размещены в стенке динамического канала в набегающем аэрозольном потоке.
Общий анализ всех приведенных камерных устройств показывает, что не существует специальной ингаляционной установки, позволяющей проводить полноценный длительный токсикологический эксперимент с тремя одновременно создаваемыми концентрациями аэрозоля целевого токсиканта. Для этой цели на практике применяют комплекс из трех одинаковых существующих установок, в каждой из которых формируется аэрозольный поток определенной концентрации от собственного генератора аэрозолей, при этом установки обычно подключаются к общей системе энергоснабжения (вентиляции, сжатого воздуха, вакуума и т.д.), что приводит к неоправданно завышенным параметрам потребления. К тому же такой комплекс установок имеет значительные габаритные размеры и соответственно зону технического обслуживания.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании экспозиционной аэрозольной камерной установки (ЭАКУ) (устройства для проведения ингаляционного токсикологического эксперимента с аэрозолем исследуемых веществ), одновременно формирующей в затравочных динамических каналах независимые аэрозольные потоки различной концентрации от источника исходного аэрозольного потока целевого исследуемого токсиканта - единого генератора аэрозольного потока.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение значительного улучшения технико-экономических показателей и уменьшение общих габаритов конструкции и рабочей зоны обслуживания установки за счет применения трехлучевой конструкции ЭАКУ, объединенной общим каркасом и единым генератором аэрозольного потока.
Указанный технический результат достигается в ЭАКУ, содержащей формирователь аэрозольных потоков, соединенный пневмомагистралью с единым генератором аэрозольного потока, и в верхней части которого расположены три выходных патрубка канальных аэрозольных потоков, каждый из которых соединен со смесителем канальным аэродисперсных потоков, связанным с парой динамических подканалов, каждый из которых содержит подсадочные пеналы для лабораторных животных, при этом внутри формирователя аэрозольных потоков соосно размещен рассекатель воздушных потоков, через центр которого проходит вертикально ось воздушного вентилятора с лопастями, расположенными в горизонтальной плоскости в нижней части рассекателя потоков.
Формирователь аэрозольных потоков имеет цилиндрическую форму с закрытым днищем и коническим верхом, в который соосно встроен входной штуцер.
Три выходных патрубка канальных аэрозольных потоков приварены в окнах верхней части формирователя аэрозольных потоков и размещены в общей горизонтальной плоскости под углом 120° относительно друг друга.
Рассекатель воздушного потока имеет открытую цилиндрическую форму, в верхнюю часть которой соосно входит нижний конец входного штуцера, а нижняя часть посредством стоек-ножек прикреплена к днищу формирователя аэрозольных потоков.
Выходные патрубки формирователя соединены с заборными патрубками смесителей канальных аэродисперсных потоков, устанавливаемых в центре торцов пустотелых цилиндрических корпусов смесителей, в которые на некотором расстоянии от торца перпендикулярно продольной оси смесителя введены заборные штуцеры разбавляющего воздуха.
Хвостовики заборных патрубков и штуцеров выполнены с возможностью прохождения на определенное расстояние через стенки корпусов во внутреннюю область смесительных камер, имеющих также цилиндрическую форму, переходящую на некотором расстоянии в сужающуюся коническую усеченную форму, в вершине которых по оси расположены выходные штуцеры смесителей канальных аэродисперсных потоков.
Выходной штуцер смесителя канального аэродисперсных потоков посредством воздушного тройника и пневмомагистральных трубок подсоединен к входным штуцерам параллельно подключенной пары конструктивно идентичных динамических подканалов, в целом образующих три канала ингаляционной затравки лабораторных животных.
Каждый динамический подканал выполнен из нержавеющей стали в виде трубы квадратного сечения, по обоим концам которой приварены конструктивно идентичные концевики в виде усеченной сужающейся пирамиды, на вершинах которых установлены соответственно входной и выходной штуцеры аэродисперсного потока, при этом на двух противоположных гранях квадратной трубы на равных расстояниях по центру граней выполнены отверстия для ввода во внутрь канала носовых частей подсадочных пеналов для лабораторных животных, а вокруг отверстий соосно снаружи к корпусу трубы приварены попарно цилиндрической формы байонетный патрон-держатель и фланец защитного чехла подсадочного пенала, причем первый имеет прорезь для ввода и защелки штифтов байонетного соединения, расположенных на корпусе головного обтекателя подсадочного пенала; а второй - на внешней поверхности три кольцеобразные прорези, в двух из которых размещены резиновые уплотнительные кольца, а третья служит для фиксации крепежного винта для обеспечения герметичности соединения подсадочного пенала и корпуса динамического подканала, для крепления которого на одной из используемых граней в месте соединения квадратной трубы с обоими концевиками по оси трубы приварены два цилиндрических штифта с резьбовым соединением, а для обеспечения отбора проб аэрозоля из объема динамического подканала в верхней части квадратной трубы над местом расположения первого подсадочного пенала по центру грани вварен штуцер пробоотборника, хвостовик которого доходит до оси динамического подканала и загнут под 90° навстречу набегающему потоку воздуха.
Каждый динамический канал состоит из двух конструктивно идентичных подканалов, входные штуцеры которых объединены попарно через воздушный тройник и посредством пневмомагистралей подключены к выходному штуцеру соответствующего смесителя канального аэродисперсных потоков, у которого заборный штуцер разбавляющего воздуха посредством пневмомагистрали подключен к соответствующему ротаметру с регулирующим клапаном и далее через гребенчатую сборку сжатого воздуха и магистральный фильтр - к генератору (компрессору) сжатого воздуха.
Выходные штуцеры динамических подканалов попарно также объединены посредством воздушного тройника и подключены посредством канальных пневмомагистралей к соответствующим канальным фильтрам грубой очистки, затем к ротаметрам с регулирующими клапанами, гребенчатой сборке и через магистральный фильтр тонкой очистки к проходному вакуум-насосу.
Гребенчатая сборка сжатого воздуха имеет дополнительный четвертый штуцер, который соединен через соответствующий ротаметр-регулятор с входным штуцером генератора аэрозольного потока, выходной штуцер которого посредством пневмомагистрального шланга соединен с входным штуцером формирователя аэрозольных потоков.
Пространственная конструкция ЭАКУ представляет собой трехлучевую звезду, каждый луч которой является динамическим каналом ингаляционной затравки, состоящим из двух идентичных подканалов, которые при помощи верхних и нижних штифтов с резьбовым соединением и гаек крепятся к паре несущих кронштейнов, имеющих продольные сквозные пазы для регулирования расстояния между подканалами, причем сами кронштейны свободно надеты на оси крепежных штанг и зафиксированы при помощи пар гаек, при этом все три крепежные штанги приварены по центру к круговой обечайке, состоящей из цилиндрической части, выполненной из полосы нержавеющей стали и приваренной к круговому днищу из такого же материала, причем сверху на днище устанавливают и крепят на стойках-ножках формирователь аэрозольных потоков, а саму конструкцию установки ЭАКУ днищем обечайки устанавливают на технологический стол, при этом для придания устойчивости конструкции крепежные штанги вверху и внизу стянуты при помощи кольцевых стяжек и зафиксированы крепежными гайками.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид сверху ЭАКУ, на фиг. 2 - общий фронтальный вид ЭАКУ, на фиг. 3 - структура формирователя и смесителя аэродисперсных потоков в каналах ЭАКУ, на фиг. 4 - структура построения динамического подканала в ЭАКУ и подключения подсадочных пеналов, на фиг. 5 - схема пневмомагистральных соединений в ЭАКУ.
Осуществление изобретения
ЭАКУ содержит формирователь 1 аэрозольных потоков, смесители 2 канальных аэродисперсных потоков, три пары динамических подканалов 3, образующих три независимых затравочных канала, снабженных необходимым количеством подсадочных пеналов 4 для лабораторных животных, узел 5 крепления каналов, щит управления, генератор (компрессор) 7 сжатого воздуха, генератор 8 аэрозольного потока и проходной вакуум-насос 9, при этом каждый из указанных узлов установки включает, в свою очередь, следующие позиции основных деталей.
Формирователь 1 аэрозольных потоков содержит корпус 10, днище 11, конус 12, входной штуцер 13, рассекатель 14 воздушных потоков, стойки-ножки 15, ось 16 воздушного вентилятора с лопастями (крыльчаткой), воздушный вентилятор 17, выходные патрубки 18.
Каждый смеситель 2 канальных аэродисперсных потоков содержит заборный патрубок 19, заборный штуцер 20 разбавляющего воздуха, корпус 21, выходной штуцер 22.
Каждый динамический подканал 3 содержит корпус 23, верхний (входной) концевик 24, нижний (выходной) концевик 25, входной штуцер 26 аэродисперсного потока, выходной штуцер 27, патрон-держатель 28 байонетный, фланец 29 защитного чехла, кольца 30 уплотнительные, винт 31 фиксирующий, штифты 32 цилиндрические, крепежные, штуцер 33 пробоотборный.
Каждый подсадочный пенал 4 содержит обтекатель 34 головной, корпус 35, защитный чехол 36, штифты 37 байонетные.
Каждый динамический подканал 3 закреплен посредством гаек 44 крепежных канальных на кронштейнах 38 несущих, установленных при помощи гаек 42 фиксирующих на штангах 39 крепежных, связанных обечайкой 40 и посредством гаек 43 крепежных стяжками 41 кольцевыми.
Каждая пара динамических подканалов 3 посредством своих входных штуцеров 26 и пневмомагистралей параллельно объединена посредством воздушного тройника 45 и подключена к выходному штуцеру 22 соответствующего смесителя 2 канального аэродисперсных потоков.
Каждый заборный штуцер 20 разбавляющего воздуха посредством пневмомагистрали подключен к соответствующему ротаметру 46 с регулирующим клапаном 47 и далее через гребенчатую сборку 48 сжатого воздуха и магистральный фильтр 49 - к генератору (компрессору) 7 сжатого воздуха.
Выходные штуцеры 27 динамических подканалов 3 также попарно объединены посредством воздушного тройника 50 и подключены посредством канальных пневмомагистралей к соответствующим канальным фильтрам 51 грубой очистки, затем к ротаметрам 52 с регулирующими клапанами 53, гребенчатой сборке 54 и через магистральный фильтр 55 тонкой очистки к проходному вакуум-насосу 9.
Гребенчатая сборка 48 сжатого воздуха имеет дополнительный четвертый штуцер, соединенный через соответствующий ротаметр 56 и клапан-регулятор 6 с входным штуцером 57 генератора 8 аэрозольного потока, выходной штуцер 58 которого посредством пневмомагистрального шланга соединен с входным штуцером 13 формирователя 1 аэрозольных потоков.
Устройство работает следующим образом.
дi
дi
3
В соответствии с планом токсикологического эксперимента в ЭАКУ рассчитываются значения концентраций Q, мг/м, затравочного токсиканта в аэродисперсных потоках V, л/мин, которые необходимо создать и поддерживать длительное время в каналах максимальной, средней и минимальной концентраций аэрозоля, с учетом того, что
V<sub>дi</sub> =V<sub>ai</sub>+V<sub>pi</sub>,
(1)
ai
pi
дi
дi
pi
ai
V - часть аэрозольного потока, создаваемого в формирователе 1, и поступающая в смеситель 2 через патрубки 18 и 19 i-го канала ЭАКУ; V - поток разбавляющего воздуха, поступающий в смеситель 2 от генератора (компрессора) 7 сжатого воздуха через гребенчатую сборку 48, соответствующие ротаметр 46, регулирующий клапан 47 и штуцер 20 i-го канала ЭАКУ. При этом значение аэродисперсного потока V, проходящего через пару динамических подканалов 3, тройники 50 и фильтр 51, контролируется при помощи ротаметра 52 и регулирующего клапана 53, относящихся к i-му каналу ЭАКУ, после чего поток удаляется из ЭАКУ через гребенчатую сборку 54, магистральный фильтр 55 с помощью проходного вакуум-насоса 9. Таким образом, регулируя значения потоков V и V согласно выражению (1), можно изменять значение аэрозольного потока V в довольно широких пределах, ограничиваемых требованием выполнения следующего условия:
V<sub>a1</sub>+V<sub>a2</sub>+V<sub>a3</sub>≤V<sub>a ген</sub>,
(2)
a ген
a
ген
т.е. сумма аэрозольных потоков, выводимых из формирователя 1 через выходные патрубки 18, не может превышать значение аэрозольного потока V, поступающего из генератора 8 через выходной штуцер 58 и входной штуцер 13 формирователя 1. При этом значение V, определяемое паспортными характеристиками генератора 8, устанавливается при помощи ротаметра 56 и клапана-регулятора 6 от генератора (компрессора) 7 сжатого воздуха через штуцер 57. Таким образом, устанавливая на щите управления (на фиг. не показан) при помощи соответствующих ротаметров-регуляторов значения воздушных потоков во всех каналах ЭАКУ, обеспечивают в них заданные значения концентраций исследуемого токсиканта в соответствии с выбранными начальными условиями. Следует отметить, что использование в ЭАКУ регулируемых значений воздушных потоков, значения которых не превышают обычно величин в единицы - десятки литров в минуту, позволяет применять небольшие портативные источники сжатого воздуха и вакуум-насосы, что значительно снижает энергопотребление установки по сравнению с известными системами токсикологической оценки воздушной среды.
ai
Для обеспечения равномерности и стабильности концентрации аэрозоля в потоках V конструкция формирователя 1 представляет собой цилиндрический корпус/стакан 10, по оси которого на днище 11 установлен на стойках-ножках 15 цилиндрический рассекатель 14, внутри которого по оси в нижней части размещена ось 16 с лопастями вентилятора 17. При подаче через входной штуцер 13 аэрозольного потока внутрь формирователя 1 и включенном вентиляторе 17 происходит интенсивное перемешивание поступающей воздушной массы и отбрасывание ее к внутренней поверхности формирователя в сторону заборных патрубков 19 каналов ЭАКУ.
Поступающие в динамические подканалы 3 через входные штуцеры 26 аэродисперсные потоки с заданной концентрацией исследуемого токсиканта проходят вдоль трубчатого корпуса 23, внутри которого на двух противоположных гранях в подсадочных окнах-отверстиях размещены головные обтекатели 34 подсадочных пеналов 4 с расположенными внутри лабораторными животными. Крепление пенала 4 осуществляется путем байонетной фиксации штифтов 37, расположенных под углом 180° по отношению друг к другу на поверхности головного обтекателя 34, в пазах корпуса патрона-держателя 28, расположенного соосно подсадочному отверстию в грани корпуса 23. Для обеспечения герметичности подсадочных пеналов 4 и предотвращения возможных выбросов токсиканта из установки в окружающую среду каждый пенал 4 снабжен защитным чехлом 36, одеваемым на патрубок 29, размещенный на корпусе подканала соосно с пеналом 4, при этом герметичность обеспечивается резиновыми кольцами 30 уплотнительными, уложенными в кольцевые пазы патрубка 29, а фиксация чехла 36 - винтом 31. Вытяжка аэродисперсного потока из динамического подканала 3 происходит через нижний концевик 25 и выходной штуцер 27 под воздействием проходного вакуум-насоса 9.
Для контроля текущих значений концентрации аэрозоля внутри динамических подканалов 3 последние снабжены штуцерами/трубками 33 пробоотборными, посредством которых можно отбирать пробы воздуха вдоль центральной оси динамических подканалов 3.
В целом, функционирование данной установки заключается в выполнении ряда этапов:
1. Предварительный этап - определение и задание в каналах установки аэрозольных потоков необходимых значений концентраций целевого токсиканта.
2. Рабочий этап. В случае длительного эксперимента по хронической (многомесячной) затравке лабораторных животных производится ежедневная подсадка лабораторных животных в пеналы и установка пеналов в каналы ЭАКУ в соответствии с принятым порядком размещения, затем осуществляется включение установки и экспонирование животных в аэрозоле, обычно в течение 4-х часов ежедневно, после чего установка выключается, животные удаляются из пеналов и передаются на содержание в виварий, после чего проводится санитарная обработка установки, пеналов и прилегающей рабочей зоны помещения.
3. Завершающий этап - по окончании хронического эксперимента животные передаются на анализ, а установка подвергается тщательной санобработке с заменой канальных воздушных фильтров.
Применение трехлучевой конструкции ЭАКУ, объединенной общим каркасом и генератором аэрозольного потока исследуемого токсиканта, позволяет резко снизить общие габариты конструкции и рабочей зоны обслуживания установки по сравнению с известными аналогами систем токсикологической оценки загрязнений воздушной среды.