Способ стерилизации изделий и материалов посредством плазмы и устройство для его осуществления (варианты)

 

Использование: стерилизация изделий и материалов в медицине, микробиологии, косметологии, животноводстве. Сущность изобретения: способ стерилизации изделий и материалов посредством плазмы включает загрузку предметов в рабочую камеры и индуцирование в ней газоразрядной плазмы. Плазму индуцируют последовательностью импульсов электромагнитного поля с вкладываемой в импульсе удельной мощностью не менее 0,1 Вт/см³ и средней удельной мощностью не более 0,5 Вт/см³. Устройство для стерилизации изделий и материалов посредством плазмы содержит рабочую камеру в виде крышки и основания с каналами откачки и напуска в нее газа. Рабочая камера содержит по крайней мере три электрода, соединенных с источником электрических колебаний. Рабочая камера может иметь катушку индуктивности. К электродам порознь подключены концы катушки и выводы источника электрических колебаний. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике стерилизации изделий и материалов и может быть использовано в медицине, микробиологии, косметологии, животноводстве и других областях народного хозяйства.

В патенте РФ N 2043120, кл. А 61 L 2/14, 1995 г. описан способ стерилизации изделий и материалов, в соответствии с которым стерилизуемый предмет помещается в сосуд, охваченный электродами, из него откачивается воздух и посредством высокочастотного электромагнитного поля между электродами возбуждают газоразрядную плазму, обрабатывающую находящийся в сосуде предмет. При этом вкладываемая в плазму удельная мощность должна лежать в интервале 0,05-0,5 Вт/см³.

Микробиологические испытания показывают, что надежный стерилизующий эффект проявляется при вкладываемой в плазму разреженного воздуха удельной мощности 0,5 Вт/см³. И только при обработке тест-образцов из тонкой металлической фольги наблюдалась стерилизация при удельной мощности около 0,1 Вт/см³.

Подтверждением сказанному являются и результаты экспериментов, приведенные в примере обсуждаемой заявки, в котором содержится легко выявляемая ошибка, относящаяся к плотности вкладываемой мощности. В действительности она была не менее 1 Вт/см³. Объем стандартной стеклянной пробирки при ее внутреннем диаметре 1,5 см и длине 15 см составляет около 25 см³. Следовательно, при потребляемой от генератора мощности 30 Вт удельная объемная мощность в пробирке превышает 1 Вт/см³.

При воздействии на обрабатываемые предметы плазмой с удельной мощностью 0,5 Вт/см³ и более наблюдается их значительный разогрев. В течение нескольких минут, требуемых для стерилизации, температура изделий может подниматься до 100^oC и более в зависимости от их конфигурации, массы и материала. Такой разогрев для многих изделий является недопустимым и существенно ограничивает области применения рассматриваемого способа стерилизации.

Уменьшить разогрев предметов можно путем снижения вкладываемой в плазму мощности, но при этом резко падает эффективность стерилизации, которую не удается повысить даже за счет существенного увеличения длительности выдержки предметов в плазменной среде.

Объяснение этому следует искать в механизмах воздействия плазмы на микроорганизм. Их может быть несколько.

Газоразрядная плазма представляет собой многокомпонентную смесь, состоящую из свободных электронов, ионов, возбужденных атомов, молекул и радикалов. Перечисленные частицы при воздействии на микроорганизмы могут привести к отрыву одного или нескольких атомов от молекул или разрыву химических связей молекулярных цепей, составляющих микроорганизмы. Такие процессы называют поверхностными физико-химическими реакциями.

Помимо них в микроорганизмах под воздействием плазмы происходят и фотохимические реакции. Протекание последних связано с поглощением микроорганизмами квантов ультрафиолетового излучения, возникающего в плазме при девозбуждении некоторых ее компонентов (возбужденных атомов, молекул и ионов). Поглощение фотонов может приводить к ионизации, в том числе и ступенчатой, атомов, входящих в структуры микроорганизмов, или распаду их молекулярных цепей.

Физико-химические и фотохимические процессы могут проходить параллельно, повышая эффективность разрушения микроорганизмов.

Описанные процессы имеют квантово-механическую природу, и для их протекания требуется воздействие на микроорганизмы частиц с энергией несколько электрон-вольт. Таким образом, для достижения высокой вероятности гибели микроорганизмов, подвергающихся воздействию газоразрядной плазмы, необходимо вкладывать в нее мощность, превышающую некоторую пороговую величину.

Целью предлагаемого способа стерилизации является понижение температуры обрабатываемых плазмой изделий без ухудшения эффективности стерилизации.

Цель достигается тем, что подлежащие стерилизации изделия и материалы загружают в камеру, индуцируют в ней с помощью электромагнитного поля газоразрядную плазму при пониженном или нормальном атмосферном давлении газа и выдерживают предметы в плазменной среде. Отличием предлагаемого способа от прототипа является генерация плазмы последовательностью импульсов электромагнитного поля с удельной импульсной мощностью более 0,1 Вт/см³ и средней удельной мощностью, не превышающей 0,5 Вт/см³.

Другие отличия заключаются в том, что плазму в камере индуцируют неоднородной по объему, и зоны неоднородности циклически перемещают по ее внутреннему пространству. В процессе выдержки предметов в плазменной среде обеспечивают изменение участков их поверхностей, контактирующих с другими предметами.

Мощность возбуждающих плазму импульсов P_имп выбирается выше порогового уровня 0,1 Вт/см³, который определен экспериментально. Причем разрушающее воздействие возбужденных атомов на микроорганизмы наблюдается и после прекращения индуцирующих плазму импульсов электромагнитного поля, так как время жизни возбужденных частиц (например, атомов кислорода) может достигать несколько десятков секунд (патент Франции N 8914584, кл. А 61 L 2/14, опубл. 1991 г. ). Следовательно, период Т повторения импульсов можно выбирать в широком временном интервале, доходящем до нескольких секунд. Длительностьτ импульсов должна быть достаточной для развития процесса генерации плазмы (обычно не менее нескольких микросекунд). Верхний предел длительности импульсов ограничивается допустимой средней вкладываемой мощностью P_ср.доп=0,5 Вт/см³ и выбирается из соотношения t_max≅ T(P_ср.доп/P_имп). Максимальная величина мощности в импульсе ограничивается возможными процессами разрушения или изменения свойств обрабатываемых изделий и зависит от их массы, материала и других факторов. Ориентировочное значение допустимой импульсной мощности, при котором еще не происходит изменение свойств инструментов, выполненных из нержавеющей стали, составляет 10 Вт/см³. Для других изделий значение импульсной мощности целесообразно подобрать экспериментально.

Возбуждение неоднородной плазмы и циклическое перемещение зон неоднородностей по внутреннему объему рабочей камеры приводит к созданию в ней диффузионных потоков активных частиц, увеличению частоты соударения последних с микроорганизмами и повышению эффективности стерилизации.

Такой режим может быть обеспечен, например, использованием нескольких пространственно разнесенных возбудителей, которые циклически подключаются к источнику электрических колебаний. Причем последний может работать в интервале от низких до сверхвысоких частот. Возможно пространственное управление параметрами плазмы и с помощью неоднородного внешнего магнитного поля, напряженность которого циклически меняется в пространстве камеры.

Чтобы обеспечить надежную стерилизацию всех поверхностей предметов, предусмотрено их перемещение, устраняющее участки поверхностей, постоянно закрытые от воздействия плазмы.

Известно устройство для стерилизации инструментов и приспособлений посредством плазмы (а. с. ЧССР N 231847, кл. А 61 L 2/14, опубл. 1984 г.), которое содержит рабочую камеры с подвижными плоскими электродами, соединенными с источником напряжения 220 В, 50 Гц. Стерилизация происходит под действием плазмы, образованной в разреженной смеси газов гелия и аргона. Недостатком этого устройства является невысокая эффективность и надежность стерилизации, так как в камере отсутствуют плазменные потоки и не обеспечивается обработка всех поверхностей вложенных изделий. Например, участки, контактирующие с подстилающей поверхностью или другими предметами, могут остаться зараженными микроорганизмами. Для повышения эффективности стерилизации в обсуждаемом устройстве необходимо создавать газовый разряд большой мощности, приводящий к сильному разогреву обрабатываемых изделий.

Целью изобретения является уменьшение температуры обрабатываемых изделий и повышение надежности стерилизации.

Достигается этом тем, что устройство для стерилизации изделий и материалов выполнено на основе разъемной (крышка и основание) рабочей камеры, имеющей каналы напуска и откачки газа в ее внутренний объем, и электроды, соединенные с источником электрических колебаний. Но в отличие от прототипа камера оснащена по крайней мере тремя электродами, которые порознь подключены к выводам управляемого источника электрических колебаний.

Использование трех и более электродов в совокупности с управляемым источником позволяет индуцировать в камере плазменные сгустки, циклически перемещающиеся по ее объему и повышающие эффективность обработки, как это было описано ранее.

Другое отличие заключается в том, что крышка (или ее внутренняя поверхность) выполнена из электропроводящего материала и является одним из электродов. Благодаря этому обеспечивается эффективное возбуждение плазмы практически во всех участках камеры и одновременно упрощается ее конструкция.

Кроме того, для отрыва предметов, изготовленных из магнитного материала, от подстилающей поверхности и взаимного их перемещения, повышающих надежность стерилизации, в верхней части камеры установлены электромагниты. Их обмотки соединены с блоком управления и создают магнитное поле, пронизывающее внутренний объем камеры.

На фиг. 1 представлено схематически предлагаемое устройство. Оно содержит рабочую камеру, выполненную в виде откидывающейся крышки 1 и основания 2. В камере на решетчатой подставке 3 размещены обрабатываемые предметы 4. Камера имеет каналы напуска 5 и откачки 6 газа и оснащена электродами 7, соединенными с выходами управляемого источника электрических колебаний 8. Электроды могут быть расположены как внутри камеры, так и на ее внешней поверхности. В первом случае возможна генерация плазмы токами НЧ или ВЧ, во втором возможно реализовать разряд на ВЧ или высоковольтными импульсами на НЧ. В последнем случае газ в камере может быть при нормальном атмосферном давлении.

На крышке 1 установлены электромагниты 9, соединенные с блоком управления 10, который связан с управляемым источником электрических колебаний 8 и блоком питания 11.

При использовании крышки в качестве электрода она соединяется с одним из выходов управляемого источника.

Работа устройства происходит следующим образом. После загрузки предметов 4 в рабочую камеру и закрытия крышки 1 производится откачка воздуха через канал 6 до создания требуемого разрежения. При необходимости в камеру через канал 5 осуществляется подача рабочего газа.

По достижении необходимого давления включается управляемый источник электрических колебаний 8, и в камере индуцируется неоднородная по объему пульсирующая плазма. За счет циклической подачи разрядных импульсов на различные электроды плазменные сгустки перемещаются по объему камеры, создавая диффузионные потоки активных частиц, повышающие эффективность процесса стерилизации.

Во время плазменной обработки предметов через обмотки электромагнитов 9 циклически пропускаются импульсы тока от блока управления 10, в результате чего происходит отрыв предметов, изготовленных из магнитного материала, от поверхности подставки 3 и их перемещение по объему камеры. Этот процесс обеспечивает обработку всей поверхности предметов и повышает надежность стерилизации.

С окончанием требуемого времени обработки предметов в плазменной среде прекращается работа источника электрических колебаний и электромагнитов, и через канал 5 в камеру напускается воздух или другой газ для выравнивания внутреннего и внешнего давлений. После этого может быть открыта крышка для использования простерилизованных предметов.

В патенте ФРГ N 3000709, кл.А 61 L 2/14, опубл. 1981 г. предложено устройство для стерилизации предметов газоразрядной плазмой, создаваемой в рабочей камере с помощью индуктора, представляющего собой катушку индуктивности, концы которой соединены с источником ВЧ колебаний. Существенным недостатком такого технического решения является сложность устройства согласования источника ВЧ колебаний с индуктором. При этом в согласующем устройстве неизбежно теряется часть мощности.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков.

Цель достигается тем, что в устройстве для стерилизации изделий и материалов имеется рабочая камера, выполненная в виде крышки и основания с каналами откачки и напуска газа, катушка индуктивности и источник электрических колебаний. Но в отличие от прототипа камера оснащена электродами, которые образуют в ней газоразрядные промежутки, и к электродам порознь подключены концы катушки индуктивности и выводы источника электрических колебаний.

Достоинство такого технического решения заключается в том, что электроды с катушкой индуктивности выполняют одновременно функции согласующего устройства и устройства возбуждения плазмы. При этом уменьшаются потери и упрощается цепь согласования источника электрических колебаний с рабочей камерой. Последнее обусловлено тем, что величина выходного напряжения источника в данном устройстве существенно ниже, чем в прототипе. Необходимая для поджига разряда высокая разность потенциалов между электродами достигается за счет резонанса напряжений в последовательном колебательном контуре, образованном катушкой индуктивности и конденсаторами, получающимися за счет наличия электрической емкости между соответствующими электродами.

На фиг. 2 схематически показана рабочая камера с устройством возбуждения и согласования (а) и эквивалентная схема последнего в отсутствие плазмы (б).

Рабочая камера выполнена в виде крышки 1 и основания 2, в котором размещаются обрабатываемые предметы. Камера имеет каналы напуска 3 и откачки 4 газа, и оснащена электродами 5-8, которые могут располагаться как на внешней поверхности основания, так и внутри камеры. Основание камеры охвачено витками катушки индуктивности 9, концы которой соединены с электродами 5 и 6, а электроды 7 и 8 соединены с выводами источника электрических колебаний 10. Конденсаторы C1 и C2 на фиг.2б образованы соответственно электродами 5,7 и 6,8. Штриховыми линиями 11 показаны силовые линии напряженности электрического поля внутри камеры. Настройка цепи возбуждения и согласования в резонанс с частотой источника колебаний 10 осуществляется подбором числа витков катушки 9 и изменением площади электродов 5-8.

Работа устройства для стерилизации изделий происходит следующим образом. После загрузки предметов в рабочую камеру закрывается крышка 1 и производится откачка воздуха через канал 4 до создания требуемого разрежения. При необходимости в камеру через канал 3 может подаваться рабочий газ.

По достижении требуемого разрежения включается источник электрических колебаний 10, и в камере индуцируется газоразрядная плазма. Для уменьшения температуры обрабатываемых предметов источник колебаний работает в импульсном режиме, как это было описано выше.

С окончанием необходимой выдержки предметов в плазменной среде выключается источник колебаний 10, и через канал 3 в камеру напускается воздух или другой газ для выравнивания внутреннего и внешнего давлений. После этого может быть открыта крышка 1 для использования простерилизованных предметов.

В некоторых частных случаях оказывается проще и удобнее конструкция, в которой крышка рабочей камеры выполнена из токопроводящего материала и является одним из электродов, соединенных с выводом источника электрических колебаний, и/или, когда к одному из электродов подключены одновременно конец катушки индуктивности и вывод источника.

На фиг. 3 схематически показаны примеры выполнения рабочих камер и их подключение к источнику колебаний в частных случаях. Использованы цифровые обозначения, соответствующие фиг. 2.

В конструкциях, изображенных на фиг.3а,б, г металлическая крышка 1 является одним из электродов и соединена с корпусом устройства и одним из выводов источника колебаний 10, а электроды 5 и 6 охватывают основание камеры 2 по ее периметру. На фиг.3г катушка индуктивности 9 выполнена в виде плоской расходящейся спирали (спираль Архимеда), расположенной на дне основания 2, концы которой соединены с электродами 5 и 8. На фиг. 3в, электроды 7 и 5 размещены на противоположных сторонах основания камеры 2.

Порядок работы приведенных на фиг. 3 устройств аналогичен описанному выше.

На фиг. 4 показана обобщенная блок-схема плазменного стерилизатора. Она состоит из следующих узлов: 1 разъемная рабочая камера с элементами возбуждения в ней газоразрядной плазмы. Внутреннее пространство камеры в зависимости от вида обрабатываемых предметов может быть разбито на секции или представлять собой каналы, где размещаются предметы (в том числе и в упаковках); 2 управляемый источник электрических колебаний, связанный с элементами возбуждения плазмы; 3 фильтр микробиологической очистки газа, напускаемого в рабочую камеру; 4 электроуправляемый клапан в канале напуска газа; 5 электроуправляемый клапан в канале откачки газа; 6 насос, создающий разрежение газа в рабочей камере; 7 датчик положения крышки рабочей камеры; 8 датчик давления газа в рабочей камере; 9 датчик мощности газового разряда; 10 устройство перемещения предметов; 11 блок управления и контроля; 12 элементы индикации; 13 блок питания.

Введение в схему стерилизатора электроуправляемых клапанов 4,5 и датчиков 7-9, контролирующих параметры режима обработки предметов, позволяет автоматизировать работу устройства и в совокупности с фильтром микробиологической очистки 3 напускаемого газа и устройством перемещения предметов 10 повысить надежность стерилизации.

В качестве устройства перемещения предметов могут использоваться электромагниты, пьезоэлектрические или электромеханические вибраторы и др.

При использовании в качестве рабочего газа в камере остаточного воздуха каналы напуска и откачки газа могут быть совмещены в один, где между рабочей камерой и откачивающим насосом устанавливается трехходовой электроуправляемый переключатель.

Работа стерилизатора аналогична работе описанных выше устройств и дополнительных пояснений не требует.

Формула изобретения

1. Способ стерилизации изделий и материалов посредством плазмы, включающий их загрузку в рабочую камеру, индуцирование в ней электромагнитным полем газоразрядной плазмы при пониженном или нормальном атмосферном давлении газа и выдержку предметов в плазменной среде, отличающийся тем, что плазму индуцируют последовательностью импульсов электромагнитного поля с вкладываемой в импульсе удельной мощностью не менее 0,1 Вт/см³ и средней удельной мощностью не более 0,5 Вт/см³.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что индуцируют неоднородную плазму и зоны неоднородности циклически перемещают по внутреннему объему рабочей камеры.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в процессе выдержки предметов в плазменной среде обеспечивают изменение участков из поверхностей, контактирующих с внутренними поверхностями рабочей камеры и другими предметами.

4. Устройство для стерилизации изделий и материалов посредством плазмы, содержащее рабочую камеру, выполненную в виде крышки и основания, с каналами откачки и напуска газа в ее внутренний объем и электродами, соединенными с источником электрических колебаний, отличающееся тем, что рабочая камера оснащена по крайней мере тремя электродами, которые подключены к выходам управляемого источника электрических колебаний.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что крышка выполнена из токопроводящего материала и является одним из электродов.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что в верхней части камеры установлены электромагниты, обмотки которых соединены с блоком управления и создают магнитное поле, пронизывающее внутренний объем камеры.

7. Устройство для стерилизации изделий и материалов посредством плазмы, содержащее рабочую камеру, выполненную в виде крышки и основания, с каналами откачки и напуска газа в ее внутренний объем, катушку индуктивности и источник электрических колебаний, отличающееся тем, что рабочая камера оснащена электродами, образующими в ней разрядные промежутки, и к электродам порознь поключены концы катушки индуктивности и выводы источника электрических колебаний.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что к одному из электродов подключены одновременно конец катушки индуктивности и вывод источника электрических колебаний.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что крышка выполнена из токопроводящего материала и является одним из электродов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3