RU2001629C1

RU2001629C1 - Method for disinfecting and sterilizing open surfaces of objects, liquids and air

Info

Publication number: RU2001629C1
Authority: RU
Inventors: Александр Семенович Камруков; Сергей Геннадьевич Шашковский; Евгений Дмитриевич Короп; Игорь Иванович Теленков; Михаил Степанович Яловик; Сергей Иванович Кареев; Павел Александрович Овчинников; Евгений Васильевич Кузнецов; Владимир Николаевич Федоров; Александр Андреевич Закомырдин
Original assignee: Малое научно-производственное предпри тие "Мелитта"
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1993-10-30

Abstract

Использование: медицина, пищева и другие отрасли промышленности, в частности дизенфекци и стерилизаци с помощью ультрафиолетового излучени Сущность изобретени способ заключаетс в том. что обработку осуществл ют УФ-излу- чением со сплошным спектром. При этом используют источники УФ-излучени импульсного действи с длительностью импульсов не более 5x1 (Г4 с. Плотность мощности УФ-излучени необходимо выдерживать в зоне обработки не менее 100кВт/м2 Зтабл.Usage: medicine, food and other industries, in particular disinfection and sterilization with ultraviolet radiation. The invention consists in the method. that the treatment is carried out by continuous spectrum UV radiation. In this case, pulsed UV radiation sources are used with a pulse duration of not more than 5x1 (G4 s. The UV radiation power density must be maintained in the treatment zone of at least 100 kW / m2 Ztabl.

Description

ыs

о о нo o n

0404

ыs

чоcho

оabout

Изобретение относитс к способам обеззараживани от микроорганизмов открытых поверхностей объектов, жидкости и воздуха, в частности к способам дезинфекции и стерилизации с помощью ультрафио- летового (УФ) излучени .The invention relates to methods for disinfecting microorganisms from exposed surfaces of objects, liquid and air, in particular to methods for disinfection and sterilization using ultraviolet (UV) radiation.

Известны способы УФ-стерилизации, использующие облучение объектов непрерывным УФ-излучением с линейчатым спектром 1, 2. Дл реализации этих способов используют ртутные кварцевые лампы низкого (бактерицидные лампы) и среднего (дуговые лампы) давлени .UV sterilization methods are known using irradiation of objects with continuous UV radiation with a line spectrum of 1, 2. For the implementation of these methods, mercury quartz lamps of low (bactericidal lamps) and medium (arc lamps) pressure are used.

Недостатками этих способов вл ютс The disadvantages of these methods are

низка плотность бактерицидного пото- ка излучени (0,1-100 Вт/м2) на обеззараживаемом объекте и принципиальные трудности (принципиальна невозможность ) ее существенного повышени с помощью непрерывных ртутно-кварцевых ламп;low density of the bactericidal radiation flux (0.1-100 W / m2) at the disinfected object and fundamental difficulties (principally impossibility) of its significant increase with the help of continuous mercury-quartz lamps;

линейчатый характер эмиссионного спектра используемых ламп, в то врем как спектральна область, усредненна по всем видам микроорганизмов, непрерывно пере- крывает диапазон длин волн от 200 до 300 нм, а каждый вид микроорганизмов в общем случае характеризуетс собственной чувствительностью к различным длинам волн.the linear nature of the emission spectrum of the lamps used, while the spectral region averaged over all types of microorganisms, continuously covers the wavelength range from 200 to 300 nm, and each type of microorganism is generally characterized by its own sensitivity to different wavelengths.

Указанные недостатки привод т к тому, что дл достижени пороговой энергетической дозы, при которой происход т гибель микроорганизмов и соответственно стерилизаци , необходимы значительные экспозиции (от нескольких минут до нескольких часов).These shortcomings lead to the fact that in order to achieve the threshold energy dose at which the death of microorganisms and, accordingly, sterilization, significant exposures are required (from several minutes to several hours).

При длительном низкоинтенсивном облучении объектов, зараженных микроорганизмами , имеют место следующиеWith prolonged low-intensity irradiation of objects infected with microorganisms, the following

процессы:processes:

адаптаци микроорганизмов к УФ-излу- чению низкой интенсивности и снижение в результате этого их чувствительности к действию УФ-излучени ;the adaptation of microorganisms to low-intensity UV radiation and, as a result, their sensitivity to UV radiation;

обсеменение обеззараживаемых объек- тов микроорганизмами из окружающей среды .seeding of disinfected objects with microorganisms from the environment.

Повышение обсемененности объекта за счет собственного размножени микроорганизмов .Increasing the contamination of the object due to its own reproduction of microorganisms.

Эти процессы неизбежно привод т к возрастанию пороговой энергетической дозы бактерицидного излучени , необходимой дл снижени обсемененности микроорганизмов до требуемого уровн . включа полную стерилизацию. Действительно , дл обеспечени обеззараживани необходимо, чтобы скорость уничтожени микроорганизмов (пропорциональна интенсивности бактерицидного излучени )These processes inevitably lead to an increase in the threshold energy dose of bactericidal radiation necessary to reduce the contamination of microorganisms to the required level. including complete sterilization. Indeed, in order to ensure disinfection, it is necessary that the rate of destruction of microorganisms (proportional to the intensity of bactericidal radiation)

5 5

5 0 fifty

5 5

0 5 0 5

00

5 5

00

55 55

многократно превышала суммарную скорость указанных выше процессов, в противном случае пороговые энергетические дозы существенно возрастают.many times exceeded the total speed of the above processes, otherwise the threshold energy doses significantly increase.

В результате роста (при низких интен- сивност х и линейчатом спектре бактерицидного излучени ) пороговой энергетической дозы подавлени микроорганизмов помимо увеличени энергозатрат на обеззараживание возрастает также роль вредных побочных эффектов, сопровождающих УФ-облучение.As a result of the growth (at low intensities and the linear spectrum of bactericidal radiation) of the threshold energy dose for suppressing microorganisms, in addition to increasing energy costs for disinfection, the role of harmful side effects accompanying UV radiation also increases.

К числу таких эффектов относ тс наработка в воздухе под действием УФ-излучени высоких концентраций токсичных газов-озона и окислов азота, протекание в поверхностном слое облучаемых объектов нежелательных фотохимических (отбеливание , старение, окисление и др.) и фотобиологических (эритема, шелушение, распад белковых структур и др.) реакций и т.п.These effects include the accumulation of high concentrations of toxic ozone gases and nitrogen oxides in the air under the influence of UV radiation, the occurrence of undesirable photochemical (bleaching, aging, oxidation, etc.) and photobiological (erythema, peeling, decay) in the surface layer of irradiated objects. protein structures, etc.) reactions, etc.

Кроме того, увеличиваетс обща длительность технологического цикла обеззараживани и снижаетс суммарное число циклов стерилизации за врем наработки ресурса УФ-лампы.In addition, the overall duration of the disinfection cycle is increased and the total number of sterilization cycles during the life of the UV lamp is reduced.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описыва- емому изобретению вл етс способ дезинфекции и стерилизации открытых поверхностей объектов, жидкости и воздуха, включающий обработку импульсным ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 300 нм 3. Способ предполагает облучение короткими импульсами высокой интенсивности с помощью лампы-вспышки, содержащей в качестве излучающего компонента инертный газ или смесь инертного газа с парами металла (ртуть, цинк, кадмий и др.), причем плотность электрической энергии вспышки, отнесенна к эффективной поверхности лампы, устанавливаетс более 0,03 Дж/см2мкс (3 104 кВт/м2),The closest in technical essence and the achieved result to the described invention is a method of disinfection and sterilization of open surfaces of objects, liquid and air, including treatment with pulsed ultraviolet radiation with a wavelength of not more than 300 nm 3. The method involves irradiation with short pulses of high intensity using flash lamps containing as an emitting component an inert gas or a mixture of an inert gas with metal vapors (mercury, zinc, cadmium, etc.), and the density is second flash energy, assigned to the effective surface of the lamp is set more than 0.03 J / sm2mks (3104 kW / m2)

Недостатком известного способа также вл етс наличие отмеченных выше вредных побочных эффектов воздействи , обусловленных большой величиной пороговой энергетической дозы бактерицидного излучени . Это св зано с тем, что реализаци этого способа с помощью ламп, работающих в указанном энергетическом режиме и содержащих инертный газ или смесь инертного газа с парами металла, предполагает использование линейчатого спектра УФ-излучени в бактерицидно-активной спектральной полосе.A disadvantage of the known method is the presence of the above harmful side effects due to the large threshold energy dose of bactericidal radiation. This is due to the fact that the implementation of this method using lamps operating in the specified energy mode and containing an inert gas or a mixture of inert gas with metal vapors involves the use of a linear spectrum of UV radiation in a bactericidal active spectral band.

Целью изобретени вл етс снижение вредных побочных эффектов за счет уменьшени пори ивой энергетической дозы подавлени микроорганизмов.The aim of the invention is to reduce harmful side effects by reducing the porous energy dose of suppressing microorganisms.

Это достигаетс тем, что в способе дезинфекции и стерилизации открытых поверхностей объектов, жидкости и воздуха, включающем обработку импульсным ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 300 нм, обработку осуществл ют ультрафиолетовым излучением сплошного спектра с длительностью импульса не более 5 с и плотностью мощности в зоне обработки не менее 1000 кВт/м2.This is achieved by the fact that in the method of disinfecting and sterilizing the exposed surfaces of objects, liquid and air, including treatment with pulsed ultraviolet radiation with a wavelength of not more than 300 nm, the treatment is carried out with ultraviolet radiation of a continuous spectrum with a pulse duration of not more than 5 s and a power density in the zone processing not less than 1000 kW / m2.

Поиск, проведенный по источникам патентной и научно-технической информации, не вы вил решений, содержащих признаки, идентичные полной совокупности существенных признаков, изложенных в формуле изобретени . Следовательно, за вленное решение удовлетвор ет критерию охраноспособности новизна (п. 6.03 ЭЗ-2-74),A search conducted by sources of patent and scientific and technical information did not find solutions containing features identical to the full set of essential features set forth in the claims. Therefore, the proposed decision meets the eligibility criterion of novelty (paragraph 6.03 EZ-2-74),

Анализ решений, известных в науке и технике, не вы вил решений, содержащих признаки, тождественные отличительным признакам за вленного объекта. Кроме того , данные отличительные признаки, касающиес использовани источника УФ-излучени именно со сплошным спектром при определенных величинах длительности импульсов и плотности мощности в зоне обработки, позвол ют реализовать в за вленном объекте новое свойство, заключающеес в уменьшении величины пороговой энергетической дозы. Следовательно, за вленное решение соответствует также и критерию охраноспособности существенные отличи (п. 6.03 ЭЗ-2-74).The analysis of solutions known in science and technology did not reveal solutions containing features identical to the distinguishing features of the claimed object. In addition, these distinguishing features regarding the use of a UV spectrum source with a continuous spectrum at certain values of pulse duration and power density in the processing zone allow the new property to be realized in the claimed object, namely, to reduce the threshold energy dose. Therefore, the proposed decision also complies with the eligibility criterion for significant differences (Clause 6.03 EZ-2-74).

Реализаци предложенного способа осуществл етс с использованием импульсных источников УФ-излучени со сплошным эмиссионным спектром, в качестве которых могут примен тьс мощные импульсные дуговые разр ды в вакууме и газах с омическим нагревом плазмы, импульсные плазмодинамические разр ды с ударно- волновым механизмом нагрева и др.The implementation of the proposed method is carried out using pulsed UV radiation sources with a continuous emission spectrum, which can be used as powerful pulsed arc discharges in vacuum and gases with ohmic plasma heating, pulsed plasma-dynamic discharges with a shock-wave heating mechanism, etc.

Обеззараживаемые объекты располагаютс на таких рассто ни х от источника излучени , при которых обеспечиваетс указанный выше уровень плотности мощности УФ-излучени . Бактерицидный эффект достигаетс за один или несколько импульсов облучени в зависимости от суммарной энергетической дозы дл различных микроорганизмов .Disinfected objects are located at such distances from the radiation source that the above-mentioned level of power density of UV radiation is provided. The bactericidal effect is achieved in one or more irradiation pulses depending on the total energy dose for various microorganisms.

Повышение эффективности бактерицидного действи УФ-излучени сплошного спектра по сравнению с линейчатым обусловлено действием следующих факторов:The increase in the efficiency of the bactericidal effect of continuous-spectrum UV radiation compared to the line spectrum is due to the action of the following factors:

при воздействии на биомолекулу фотонов с широким энергетическим спектромwhen exposed to a biomolecule of photons with a wide energy spectrum

значительно увеличиваетс веро тность одновременного осуществлени большого числа резонансных взаимодействий излучени с вход щими в ее (биомолекулу) состав 5 атомами, молекулами и радикальными комплексами , в результате чего происходит одновременный разрыв многих химических св зей, и обща веро тность поражени микроорганизма увеличиваетс (по сравне0 нию с облучением воздействием линейчатого (т.е. моноэнергетического) излучени ). Кроме того, при таком характере взаимодействи излучени увеличиваетс также веро тность реализации синергетическихthe probability of simultaneous implementation of a large number of resonant radiation interactions with its 5 atoms, molecules, and radical complexes in its composition (biomolecule) is significantly increased, as a result of which many chemical bonds are simultaneously broken, and the overall probability of damage to the microorganism increases (as compared with exposure to ruler (i.e. monoenergetic) radiation). In addition, with this nature of the interaction of radiation, the likelihood of synergistic

5 эффектов, св занных с кумул тивным действием множественных (даже незначительных ) последствий взаимодействи широкополосного излучени с биообъектом:5 effects associated with the cumulative effect of multiple (even minor) effects of the interaction of broadband radiation with a biological object:

0при широкополосном облучении ослабл ютс возможности адаптации живой материи на многоканальное деструктивное воздействие;0with broadband exposure, the ability to adapt living matter to a multi-channel destructive effect is weakened;

разные виды микроорганизмов имеютdifferent types of microorganisms have

5 различные спектральные характеристики бактерицидной эффективности, поэтому широкополосное УФ-излучение в случае сильного разнообразного заражени объекта в среднем будет характеризоватьс мень0 шими пороговыми энергетическими дозами.5 different spectral characteristics of bactericidal efficacy, therefore, broadband UV radiation in the case of a strongly diverse infection of the object will on average have lower threshold energy doses.

Вли ние характера эмиссионного спектра (сплошной или линейчатый) показано на примере 1.The effect of the nature of the emission spectrum (solid or linear) is shown in Example 1.

5П р и м е р 1. Микроорганизмы: золотистый стафилококк (St. aureus. штамм 206), посев на питательную среду (обычный и кров ной агар) в чашках Петри диаметром 100 мм.5 PRI me R 1. Microorganisms: Staphylococcus aureus (St. aureus. Strain 206), inoculation on a nutrient medium (ordinary and blood agar) in Petri dishes with a diameter of 100 mm.

0 Источники излучени ;0 radiation sources;

бактерицидна лампа мощностью 40 Вт в составе осветительной установки BLF-12. Излучение - линейчатое ( нм), непрерывное .40 W bactericidal lamp as part of the BLF-12 lighting system. The radiation is linear (nm), continuous.

5Плазмодинамическа лампа ПДЛ-20.5Plasmodynamic lamp PDL-20.

Излучение - сплошной спектр, импульсное , длительность импульса мкс, запасаема энерги кДж.Radiation is a continuous spectrum, pulsed, pulse duration μs, stored energy kJ.

Измерение плотности мощности в зонеZone Power Density Measurement

0 обработки: стандартным калориметром ТПИ-2М (импульсное излучение). Приемником ППИ-5 (непрерывным).0 processing: standard calorimeter TPI-2M (pulsed radiation). PPI-5 receiver (continuous).

Побочные эффекты воздействи изучались на животных (крысах).Side effects were studied in animals (rats).

5 Параметры воздействи и полученные результаты приведены в табл. 1.5 The exposure parameters and the results are shown in table. 1.

Анализ полученных результатов показывает , что при равной средней мощностиAn analysis of the results shows that with equal average power

УФ-излучени и суммарной энергетической дозе на обьекте излучение сплошного спектра обеспечивает существенно более высокую эффективность обеззараживани , чем УФ-излучени линейчатого спектра, при этом пороговые дозы излучени сплошного спектра не вызывает в отличие от линейчатого таких вредных побочных эффектов как эритема.The UV radiation and the total energy dose at the facility continuous spectrum radiation provides a significantly higher disinfection efficiency than the UV radiation of the line spectrum, while the threshold dose of continuous spectrum radiation does not cause harmful side effects such as erythema, unlike the line.

Вли ние плотности мощности УФ-излучени (интенсивности облучени ) на объекте в зоне обработки приведено в примере 2.The effect of the power density of UV radiation (radiation intensity) at an object in the treatment zone is shown in Example 2.

П р и м е р 2. Микроорганизмы: кишечна палочка (Е. coll), сальмонелла (S. dublln).PRI me R 2. Microorganisms: E. coli (E. coll), Salmonella (S. dublln).

Тестообьект - стекло.Dough object - glass.

Плотность контаминации - 10 бактерий/см2 .The density of contamination is 10 bacteria / cm2.

Источник излучени :Radiation Source:

ксенонова импульсна лампа (сплошной спектр излучени ), энерги разр да 3,5 кДж, длительность импульса 250 мкс, частота импульсов 0,067 Гц.xenon flash lamp (continuous emission spectrum), discharge energy 3.5 kJ, pulse duration 250 µs, pulse frequency 0.067 Hz.

Облучение объектов проводилось в герметичной камере через кварцевое стекло. После цикла засветки отбирались пробы воздуха на газоанализатор (хроматограф) дл определени концентрации озона в камере .The objects were irradiated in a sealed chamber through quartz glass. After the exposure cycle, air samples were taken to a gas analyzer (chromatograph) to determine the ozone concentration in the chamber.

Интенсивность облучени варьировалась изменением рассто ни от лампы до тестообъекта.The irradiation intensity was varied by changing the distance from the lamp to the test object.

Параметры облучени и результаты представлены в табл. 2.The exposure parameters and results are presented in table. 2.

Анализ полученных результатов показывает , что при плотности мощности УФ- излучени на объекте менее 100 кВт/м пороговые энергетические дозы и вредные побочные эффекты (наработка токсичных газов ) резко возрастают.An analysis of the results shows that when the power density of UV radiation at the facility is less than 100 kW / m, the threshold energy doses and harmful side effects (production of toxic gases) increase sharply.

Естественно, что верхн граница плотности мощности в зоне обработки однозначно определ етс из условий сохранени облучаемых объектов и используемого оборудовани .Naturally, the upper limit of the power density in the processing zone is uniquely determined from the conditions of conservation of the irradiated objects and the equipment used.

Вли ние длительности импульса УФ-излучени сплошного спектра показано на примере 3.The effect of the continuous wavelength UV pulse duration is shown in Example 3.

ПримерЗ. Микроорганизмы: споры антрокоида (Вас. antracoidls, штамм 96).Example 3. Microorganisms: anthrocoid spores (Vas. Antracoidls, strain 96).

Тест-объект: окрашенна дерев нна поверхностьTest object: painted wood surface

Плотность контаминации 2-10 спор/смContamination density 2-10 spores / cm

Источник излучени :Radiation Source:

импульсна ксенонова лампа (сплошной спектр излучени ), энерги разр да 3,5 кДж, частота повторени импульсов 0,067 Гц. Варьирование длительностью излучени в пределах 250-1000 мкс осуществл лось введением в разр дный контур дополнительной индуктивности.Xenon flash lamp (continuous emission spectrum), discharge energy 3.5 kJ, pulse repetition rate 0.067 Hz. Varying radiation durations in the range of 250-1000 μs was carried out by introducing additional inductance into the discharge circuit.

Плотность мощности облучени на объекте 100 кВт/м2.The power density at the facility is 100 kW / m2.

Побочные эффекты определ лись визуально по изменению колера окрашенной поверхности .Side effects were determined visually by a change in the color of the painted surface.

Параметры облучени и результаты представлены в табл. 3.The exposure parameters and results are presented in table. 3.

Анализ полученных результатов показывает , что при увеличении длительности импульса УФ-иэлучени более 5 10 с наблюдаетс резкое увеличение пороговойAn analysis of the results shows that with an increase in the duration of the UV radiation pulse for more than 5 10 s, a sharp increase in the threshold

энергетической дозы и по вл ютс вно выраженные побочные эффекты (изменени колера окрашенной поверхности).energy dose and obvious side effects appear (changes in color of the painted surface).

Поэтому, как следует из данных, полученных в результате экспериментов, дл Therefore, as follows from the data obtained as a result of experiments, for

снижени величины пороговой энергетической дозы необходимо одновременное наличие всех вышеприведенных факторов: спектр излучени сплошной, длительность импульса не более 5 10 с и плотностьTo reduce the threshold energy dose, the simultaneous presence of all the above factors is necessary: the emission spectrum is continuous, the pulse duration is not more than 5 10 s and the density

мощности в зоне обработки не менее 100 кВт/м2.power in the processing zone is not less than 100 kW / m2.

Таким образом, описываемый способ стерилизации и дезинфекции более эффективен , поскольку при его реализации существенно снижаютс вредные побочные эффекты, что обусловлено уменьшением величины пороговой энергетической дозы подавлени микроорганизмов. Уменьшаютс также количества вредных токсичных веществ , возникающих в процессе облучени , воздействующих как на окружающую среду, так и на обрабатываемые объекты .Thus, the described method of sterilization and disinfection is more effective, since its implementation significantly reduces harmful side effects, due to a decrease in the threshold energy dose for suppressing microorganisms. The amount of harmful toxic substances arising from the irradiation process, which affects both the environment and the objects being treated, is also reduced.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в практической ме- дицине. биологии и других отрасл х народного хоз йства.The present invention can find wide application in practical medicine. biology and other branches of the national economy.

(56) 1. Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиоле- товое излучение. М., 1952.(56) 1. Meyer A., Zeitz E. Ultraviolet radiation. M., 1952.

2.Временные указани по применению бактерицидных ламп. М.: АН СССР, 1956.2. Temporary instructions for the use of bactericidal lamps. M .: AN USSR, 1956.

3.Патент США № 4464336, кл. А 61 L2/10, 1984.3.US Patent No. 4464336, CL A 61 L2 / 10, 1984.

Т а б л и ц а 1 Вли ние характера эмиссионного спектраTable 1 Effect of the nature of the emission spectrum

ПоказателиIndicators

Плотность мощности УФ-из- лучени .в области А 200- 300 нм на объекте, кВт/м Суммарна энергетическа Power density of UV radiation. In the region A 200–300 nm at the facility, kW / m Total energy

доза, обеспечивающа 100%- ную степень обеззараживапdose providing a 100% degree of disinfection

ни , Дж/мno, j / m

Концентраци озона в экспериментальной камере, отно- сит.ед.The concentration of ozone in the experimental chamber, relative

Таблица 2table 2

Характеристики показателейCharacteristics of indicators

100100

600600

10001000

800800

600600

500500

1717

16sixteen

1212

11eleven

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и FORMULA AND SECTION

СПОСОБ ДЕЗИНФЕКЦИИ И СТЕРИЛИЗАЦИИ ОТКРЫТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ, ЖИДКОСТИ И ВОЗДУХА, включающий обработку импульсным ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 300 нм, отличающийс тем, что, сMETHOD FOR DISINFECTION AND STERILIZATION OF OPEN SURFACES OF OBJECTS, LIQUID, AND AIR, including treatment with pulsed ultraviolet radiation with a wavelength of not more than 300 nm, characterized in that, with

20016292001629

12 Таблица 312 table 3

целью снижени вредных побочных эффектов за счет уменьшени величины пороговой энергетической дозы подавлени микроорганизмов, обработку осуществл ют излучением сплошного спектра с длительностью импульса не более 5 и плотностью мощности в зоне обработки не менее 100 кВт/м2.In order to reduce harmful side effects by reducing the threshold energy dose for suppressing microorganisms, the treatment is carried out by continuous spectrum radiation with a pulse duration of not more than 5 and a power density in the treatment zone of at least 100 kW / m2.