Способ обеззараживания текучих сред и устройство для его осуществления

Способ обеззараживания текучих сред и устройство для его осуществления

Реферат

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.

Эффективность обеззараживания (деконтаминации) среды от микроорганизмов методом УФ-облучения оценивается плотностью энергии облучения (дозой УФ-облучения, мДж/см²), 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.

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/см² - 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;

- эксимер Cl₂ ^* 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.

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_i, Δλ_j и/или Δλ_k, 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_i, Δλ_j, Δλ_k, 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.

Предлагаемый способ состоит в обеззараживании жидкой или газообразной среды от микроорганизмов излучением двух или трех эксиламп с диапазонами излучения Δλ_i, Δλ_j и/или Δλ_k, 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_i, Δλ_j, Δλ_k, 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.

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 м³/ч. Сечение аппарата - 0.6 м². 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.

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/см², коаксиальные эксилампы длиной 10 см и диаметром 7 см (удлиненный тор) и расход дезинфицируемой воды 0.1 м³/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.

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/см². 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.

1. Способ обеззараживания текучих сред методом поражения микроорганизмов излучением эксиламп, отличающийся тем, что обеззараживание жидкой или газообразной среды от микроорганизмов осуществляют излучением двух или трех эксиламп с диапазонами излучения Δλ_i, Δλ_j и/или Δλ_k, при последовательном прохождении обрабатываемой среды вблизи них, с временным интервалом прохождения от одной лампы до следующей в диапазоне от 0,1 с до 5 с, при этом выбор применяемых типов эксиламп, имеющих диапазоны излучения Δλ_i, Δλ_j, Δλ_k, производят среди четырнадцати типов существующих эксиламп в диапазоне 170 нм - 360 нм, с основными максимумами длин волн излучения, пронумерованными в порядке возрастания длины волны с учетом максимальной эффективности поражения различных биологических механизмов функционирования клеток.

2. Устройство для обеззараживания текучих сред, включающее корпус, побудители потока среды, фильтры для удаления твердой фазы, отличающееся тем, что, по крайней мере, две эксилампы, с максимумами излучения на длинах волн от 170 нм 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 эксилампы выполнены в форме тора, при этом ось тора и направление потока среды взаимно параллельны.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что колбы эксиламп изготовлены из материала, имеющего коэффициент пропускания при 160 нм не менее 40% на 1 мм толщины материала.