Устройство для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов

Изобретение относится к средствам ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов. Технический результат: обеспечение ультрафиолетового облучения на эффективных для инактивации длинах волн. Устройство содержит две коаксиально установленные, цилиндрические трубки из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, пространство между которыми заполнено инертным газом ксеноном и бромом, два металлических электрода, один из которых перфорирован, а второй - сплошной и расположен во внутренней трубке, генератор накачки, подключенный к обоим электродам. Устройство работает при определенном соотношении параметров Кr, Вr₂ (доли криптона и брома в рабочей смеси) и р (общее давление смеси).

Полезная модель относится к технике обеззараживания и дезинфекции, в частности, к средствам ультрафиолетовой (УФ) инактивации микроорганизмов.

Известны устройства обеззараживания, в которых используется УФ-излучение в т.н. бактерицидных ртутно-кварцевых лампах низкого давления. В таких лампах около 70% всей излучаемой мощности приходится на ультрафиолетовое излучение в диапазоне от 250 до 370 нм, из которого около 60% приходится на долю резонансной линии ртути 253.7 нм, обеспечивающей максимум бактерицидного действия [1]. КПД ртутно-кварцевых ламп низкого давления относительно бактерицидной мощности составляет 5-10%. Устройства имеют простое питание и обслуживание, что позволило им получить широкое распространение.

Общим недостатком этих устройств является вероятность разгерметизации колбы ртутной лампы. В этом случае пары ртути через фольговые вводы лампы, микротрещины, образующиеся в процессе старения лампы, или же при случайном разрушении колбы лампы могут оседать на обеззараживаемой поверхности, попадать в раствор или в воздушную среду, что недопустимо как в случае медицинских, так и биологических приложений. Чтобы исключить указанный вредный фактор, лампы эксплуатируют в прозрачных для ультрафиолетового излучения кожухах, что усложняет и удорожает конструкцию.

Также отдельную проблему представляет утилизация отработавших ламп, содержащих ртуть [2].

Известны устройства, основным компонентом которых является импульсная лампа, наполненная инертным газом ксеноном [3], криптоном или смесью легкого и тяжелого инертных газов, например, как в [4]. В этом устройстве в качестве наполнения импульсной лампы использована смесь инертных газов Хе+Аr с содержанием Аr 30-60% и начальном давлении наполнения смеси 1.3-13 кПа. Устройства данного типа имеют широкополосный спектр излучения, значительная доля которого приходится на ультрафиолетовую область спектра (с длинами волн короче 400 нм), что по сравнению с ртутными лампами, имеющими линейчатый спектр, значительно увеличивает вероятность инактивации различных микроорганизмов, обладающих различными спектральными характеристиками и показателями оптической плотности. Поэтому широкополосное ультрафиолетовое излучение в случае сильного бактериального загрязнения воздуха, поверхности или раствора в среднем будет характеризоваться большой глубиной проникновения.

Однако получение широкополосного спектра здесь сопряжено с большими затратами энергии, ненужными, для решения задачи селективного воздействия микроорганизмы, восприимчивость которых к действию ультрафиолетового излучения известна. Кроме того, питание импульсных ламп осуществляется от источников высокого напряжения в десятки киловольт (см. напр. [5]) и иногда имеет сложные схемы коммутации. Первое делает их использование небезопасным, а второе увеличивает стоимость.

Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является эксиплексный источник ультрафиолетового излучения на

молекуле ХеВr, возбуждаемый барьерным разрядом. Устройство содержит две коаксиально установленные, цилиндрические трубки из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, пространство между которыми заполнено инертным газом ксеноном и галогеноносителем бромом, два металлических электрода, один из которых перфорирован, а второй - сплошной и расположен во внутренней трубке, генератор накачки, подключенный к обоим электродам [6]. В работе [7] устройство было использовано в бактерицидных целях.

Известно, что действие излучения бактерицидного диапазона связано, прежде всего, с процессами димеризации оснований ДНК, а спектр поглощения ДНК (рис.1) имеет два отчетливых максимума вблизи длины волны 200 нм и в полосе 260-265 нм [8]. Между тем, максимумы излучения ртутной лампы низкого давления [1] и узкополосной ХеВr-лампы [6, 7] соответствуют 253.7 и 283 нм. Коротковолновый хвост ХеВr-эксилампы [6] имел протяженность от 260 до 282 нм, что покрывает только половину первого максимума поглощения ДНК. Т.е., облучение производится на длинах волн, неоптимальных с точки зрения получения наибольшего инактивирующего эффекта.

Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего ультрафиолетовое облучение в эффективных для инактивации длинах волн и увеличение бактерицидной эффективности ультрафиолетового излучения (т.е. доли бактерицидной мощности, приходящейся на инактивацию, к потребляемой мощности устройства).

Указанная задача достигается за счет того, что в устройстве для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов, содержащем две коаксиально установленные, цилиндрические трубки из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, пространство между которыми заполнено инертным газом и галогеноносителем Вr ₂, два металлических электрода, один из которых перфорирован, а второй - сплошной и расположен во внутренней трубке, генератор накачки, подключенный к обоим электродам, согласно предлагаемому техническому решению, рабочая среда содержит в качестве инертного газа Кг в соотношении с бромом 10<Кr/Вr₂ <100, при общем давлении смеси 2<р<30 кПа.

Введение в состав наполнения нового галогеноносителя в указанных соотношениях обеспечивает спектр ультрафиолетового излучения, удовлетворяющий задаче инактивации микроорганизмов, причем интенсивность спектральных полос и бактерицидная эффективность этих полос поддаются управлению введением разных количеств брома по отношению к криптону.

На фиг.2 схематично представлено заявляемое устройство для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов.

Устройство состоит из колбы 1, выполненной из двух цилиндрических трубок, прозрачных на рабочей длине волны. Пространство в колбе 1 заполнено газовой средой, представляющей собой инертный газ и бром. Лампа также содержит два электрода: перфорированный 2 и сплошной 3, образующих разрядный промежуток 4. Электроды 2 и 3 подключены к источнику питания 5. Трубка заполняется рабочей смесью и отпаивается. Давления газа в колбе не превышает 30 кПа (при дальнейшем увеличении давления в колбе обедняется бактерицидный спектр излучения) и не ниже 2 кПа (при дальнейшем снижении давления средняя мощность бактерицидного излучения падает в несколько раз).

Устройство работает следующим образом. При включении источника питания 5,

на электроды подается высокочастотное напряжение импульсной или синусоидальной формы. При этом происходит зарядка диэлектрических барьеров, образованных зонами контакта электродов 2, 3 со стенкой колбы 1 и в промежутке 4 возникает барьерный разряд, имеющий форму многочисленных филаментов. Форма и число филаментов зависят от наполнения колбы 1. Выполнение указанного соотношения между параметрами [Кr], [Вr₂], р обеспечивает максимальный бактерицидный КПД устройства. Спектр излучения устройства в обозначенных условиях содержит три участка: полосы КrВr и Br₂ молекул (фиг.3). При Кr/Вr₂ ˜ 10 соотношение энергий, излучаемых в полосах КгВг* и Вгз* молекул примерно 10:80 и бактерицидный эффект лампы главным образом реализуется за счет излучения коротковолнового крыла полосы молекулы Br₂, однако полная мощность лампы падает. Поэтому наращивать вклад полосы Br₂ далее не следует. При Кr/Вr₂ ˜ 100 соотношение энергий, излучаемых в полосах КrВr и Вr₂ молекул примерно 80:10 и бактерицидный эффект реализуется за счет излучения коротковолнового излучения В-Х полосы молекулы КrВr. Далее наращивать вклад полос КrВr не следует, поскольку это исключает почти действие полосы Вr₂, что несколько снижает бактерицидное действие излучения. Таким образом, в указанных нами условиях соотношение между полосами излучения КrВr и Вr₂ молекул является оптимальным с бактерицидной точки зрения и находится в согласии с фиг.1.

В качестве тестируемой среды была выбраны бактериальные культуры Escherichia coli, Staphylococcus a ureus. Количество выживших микроорганизмов определяли методом высева в плотные среды (метод Коха с посевами на агаризированные среды в чашках Петри). Чашки Петри с колониями подвергались облучению с различными экспозициями от нескольких секунд до нескольких минут и при разных уровнях удельной плотности ультрафиолетового излучения (до 5 мВт/см²).

Пример 1.

Использовали две колбы с диаметрами внешней и внутренней трубок 40 и 25 мм и разрядным промежутком 6 мм. Колба ХеВr-лампы была заполнена смесью ксенона и молекулярного брома в соотношении 250/1 при общем давлении 16 кПа мм рт.ст, а вторая колба КrВr-лампы ксеноном и молекулярным бромом в соотношении 30/1 при общем давлении 25.2 кПа. От источника питания в обоих случаях на электроды подавалось напряжение синусоидальной формы с амплитудой до 6 кВ и частотой 100 кГц. На облучаемой поверхности устройства создавали освещенность от 3 до 5 мВт/см² в зависимости от расстояния от поверхности колбы до поверхности чашки Петри.

Спектр излучения ХеВr-лампы представлял собой излучение полосы ВХ перехода молекулы ХеВr с максимумом на =283 нм, с коротковолновым крылом полосы длиной 22 нм. В этой полосе излучалось 90% всей энергии лампы. Спектр излучения КrВr-лампы был подобен представленному на фиг.3. В полосах молекулы КrВr излучалось 30%, а в полосе Вr₂ 62% энергии лампы.

Облучение культуры Escherichia coli обоими лампами при различных экспозициях показало, что КrВr-эксилампа использует в 1.4-1.6 раза меньшую энергию для инактивации бактерий, чем ХеВr-эксилампа. Например, после ультрафиолетовой инактивации КrВr-лампой дозой 12 мДж/см² выжило только 0,16% бактерий. Такая же степень инактивации была получена при действии ХеВr-лампы только при дозе 18 мДж/см ².

Пример 2.

Использовали те же колбы, что и в примере 1. Облучение культуры Staphylococcus

aureus обоими лампами при различных экспозициях показало, что КrВr-эксилампа использует примерно в 2.5 раза меньшую энергию для инактивации бактерий, чем ХеВr-эксилампа. Так, после ультрафиолетовой инактивации КrВr-лампой дозой 26 мДж/см² выжило только 0,11% бактерий. Такая же степень инактивации была получена при действии ХеВr-лампы только при дозе 66 мДж/см ².

Таким образом, выбором соотношения газов в описанном устройстве можно получать узкополосные спектры излучения, позволяющие наиболее эффективно воздействовать на микроорганизмы в целях их инактивации и с учетом их спектральных свойств.

Устройство является более безопасным в работе по сравнению с импульсными лампами высокого давления, поскольку рабочие напряжения на электродах колбы снижены и не превышают 10 кВ. Средние токи через лампу не превышают нескольких десятков миллиампер, а заданный уровень мощности набирается за счет большой частоты следования импульсов возбуждения.

Следует подчеркнуть, что область применения изобретения охватывает также и инактивацию микроорганизмов в присутствии сенсибилизатора, например, пероксида водорода, используемого в качестве 1% раствора, распыленного по поверхности с микроорганизмами. Кроме того, коротковолновое излучение В-Х полосы молекулы КrВr может создавать пероксид водорода непосредственно из воды, содержащейся в облучаемых подложках. Комплексное воздействие УФ-излучения и продуктов фотодиссоциации воды создают инактивирующую микроорганизмы среду, которое может на порядок уменьшить концентрацию выживших бактерий при той же дозе облучения. Кроме того, предложенное устройство позволяет точнее настраиваться на тот или иной фотосенсибилизатор, используемый на практике и переходящий в инактивирующую форму только под воздействием УФ-излучения конкретного диапазона длин волн.

Литература

1. Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами. - М.: Изд-во Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1954. - 178 с.

2. Walsey R. // Lighting Futures. - 1998. - Vol.3. - №2. - pp.1, 4.

3. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА И ПОВЕРХНОСТЕЙ / Патент RU 2031659, кл. A 61 L 2/10 опубл. 1995.03.27.

4. БЫТОВОЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ СТЕРИЛИЗАТОР / Патент RU 2026084, кл. A 61 L 2/10, опубл. 1995.01.09.

5. Anderson J.G., Rowan N.J., MacGregor S.J., Fouracre R.A., Farish O. Inactivation of Food-Borne Enteropathogenic Bacteria and Spoilage Fungi Usinf Pulsed-Light // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2000. - Vol.28. - №1. - pp.83-88.

6. Falkenstein Z., Coogan J.J. The development of silent discharge-driven XeBr excimer UV light source // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1997. - Vol.30. - pp.2704-2710.

7. Coogan J.J. Processing opaque fluids using water-coupled excimer light sources // Proc. of the 10^th Int. Symp. on the Science and Tech. of Light Sources, Toulouse, France (July 18-22), 2004. - P.521-522.

8. Sonntag C. von // In book "Process technologies for water treatment", Plenum Press, New York, 1987.

9. Sosnin E.A., Lavrent^' eva L.V., Yusupov M.R., Masterova Y.V., Tarasenko V.F. Inactivation of Escherichia coli using capacitive discharge excilamps // Proc. of 2^nd International Workshop on Biological Effects of Electromagnetic Fields, Rhodes, Greece (October 7-11), 2002. - P.953-957.

Устройство для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов, содержащее две коаксиально установленные, цилиндрические трубки из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, пространство между которыми заполнено инертным газом и галогеноносителем Br ₂, два металлических электрода, один из которых перфорирован, а второй - сплошной и расположен во внутренней трубке, генератор накачки, подключенный к обоим электродам, отличающееся тем, что рабочая среда содержит в качестве инертного газа криптон в соотношении с бромом 10<Kr/Br₂<100, при общем давлении смеси 2<р<30 кПа.