Трехкаскадный импактор для отбора проб микробных аэрозолей

 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам для отбора проб аэрозолей с целью последующих микробиологических исследований. Устройство включает один или несколько импакционных каскадов в виде разъемных кольцевых коллекторов с кольцевой проточкой. В качестве входного патрубка импактора служит ограниченная внутренней стенкой коллектора верхняя часть осевого отверстия, перекрытая многосопловой решеткой, под которой по центру кольцевого коллектора размещается чашка Петри с плотной питательной средой. Нижнее входное отверстие с профилированными кромками служит также входным отверстием - коллектором источника разрежения - центробежного вентилятора. Выбранные для каскадов импактора величины d₅₀, характеризующие полноту осаждения аэрозолей размером частиц, импактируемых с эффективностью 50%, составляют для каскадов: I – d₅₀=4,0, II – d₅₀= 2,1, III – d₅₀ = 1,05 мкм и обеспечивают возможность контроля концентрации и дисперсности, а также выделения на каскадах фракций микробных аэрозолей, обладающих характерными особенностями воздействия на организм человека, относительно грубодисперсной, респираторной, высокодисперсной. Устройство позволяет оперативно контролировать концентрацию и фракционно-дисперсный состав микробных аэрозолей в различных условиях.1 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к устройствам для отбора проб аэрозолей для последующего микробиологического анализа. Наличие нескольких пробоотборных каскадов позволяет контролировать как концентрацию, так и дисперсный состав микробных аэрозолей.

Устройство может быть использовано при проведении санитарно-эпидемиологических исследований для контроля микробных загрязнений воздушной среды в различных медицинских учреждениях, в том числе научно-исследовательских, в производственных помещениях пищевой, фармацевтической промышленности, на транспорте, в культурных учреждениях и т. п.

В рассматриваемых пробоотборных устройствах улавливание аэрозольных частиц осуществляется инерционным осаждением - импакцией, при этом используется кинетическая энергия частиц, приобретаемая ими при возрастании скорости воздушного потока в соплах.

Известно устройство, состоящее из 6 пробоотборных каскадов, в которых в качестве пробоотборного элемента для микробных аэрозолей используется плотная питательная среда, заполняющая чашку Петри. При отборе пробы воздух просасывается через последовательно установленные каскады, скорость воздушных потоков в соплах решеток, размещенных в каскадах по ходу воздушного потока возрастает за счет изменений диаметра или числа сопел и на поверхность осаждения импактируются все более мелкие частицы (см. J.Bact, V. 76, №5, р. 303-313).

Конструкция 7-каскадного устройства для отбора проб микробных аэрозолей описана в Справочнике по пыле и золоулавливанию, - М.: Энергоиздат. 1985, с. 17; в этом импакторе также, как и 6-каскадном, воздух при отборе проб просасывается внешним источником разрежения.

Многокаскадные импакторы позволяют определять концентрацию и фракционно-дисперсный состав, выделять в отобранных пробах различные фракции микробных аэрозолей. Однако эти импакторы находят лишь ограниченное применение в лабораторных условиях. Необходимость использования дополнительных устройств - источников разрежения, соединительных воздухопроводов, значительные масса и габариты, трудоемкость анализа большого количества отобранных проб крайне ограничивают использование импакторов с большим количеством каскадов. При проведении санитарно-эпидемиологического контроля, в подавляющем большинстве случаев, используются малогабаритные однокаскадные импакторы, со встроенным источником разрежения - центробежным вентилятором отбирающие пробы общей фракции аэрозолей. Термином “микробные аэрозоли” обозначаются аэрозоли, содержащие различные микроорганизмы: микробы, бактерии, вирусы, грибы и т.п.

Вместе с этим необходимость контроля дисперсности микробных аэрозолей очевидна. Воздействие этих аэрозолей на организм человека очень сильно зависит от размера частиц. Результаты исследований в области аэрогенных инфекций отмечают, что с уменьшением размера частиц опасность ряда инфекционных заболеваний многократно возрастает. При этом рассматриваются характерные особенности воздействия на организм следующих фракций: относительно грубодисперсной с частицами крупнее 5 мкм, респираторной с частицами менее 5 мкм, определяющей в ряде случаев действительную инфекционность микробных загрязнений, в состав которой входит и высокодисперсная фракция, представляющая наибольшую опасность, с частицами менее 2,5 мкм (см. Аэрогенная инфекция, Москва, “Медицина”, 1975, с. 7-15, 24-36, 88-106).

Необходимость устранения указанных недостатков многокаскадных импакторов - ограниченная возможность использования при проведении санитарно-эпидимилогических исследований и однокаскадных - неполнота, недостаточная достоверность контроля - определила цели предлагаемой разработки.

Техническим результатом данного изобретения является создание устройства, обеспечивающего определение концентрации и дисперности осаждения на импакционных каскадах фракций, обладающих характерными особенностями воздействия на организм человека, а также простота эксплуатации, возможность оперативного отбора проб микробных аэрозолей в различных условиях.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для отбора проб микробных аэрозолей, включающем импактор, состоящий из одного или нескольких импакционных каскадов в виде разъемных кольцевых коллекторов с кольцевой проточкой, в качестве входного патрубка импактора служит ограниченная внутренней стенкой коллектора верхняя часть осевого отверстия, перекрытая многосопловой решеткой, под которой по центру кольцевого коллектора размещается чашка Петри с плотной питательной средой, нижнее входное отверстие с профилированными кромками служит также входным отверстием - коллектором источника разрежения - центробежного вентилятора, согласно изобретению выбранные для каскадов импактора величины d₅₀, характеризующие полноту осаждения аэрозолей размером частиц, импактируемых с эффективностью 50%, составляют для каскадов I - d₅₀=4,0, II - d₅₀=2,1, III - d₅₀=1,05 мкм и обеспечивают возможность контроля концентраций и дисперсности, а также выделения на каскадах фракций микробных аэрозолей, обладающих характерными особенностями воздействия на организм человека: относительно грубодисперсной, респираторной, высоко дисперсной. Технический результат достигается и за счет того, что в зависимости от целей исследований устройство может эксплуатироваться с одним или двумя каскадами, сохраняя при этом основные характеристики каскадов - величины d₅₀, обеспечивая, тем самым, возможность отбора фракций, обладающих специфическими особенностями воздействия, что импакционные каскады объединены с корпусом устройства в общем блоке, что достигается выполнением последнего по ходу воздушного потока кольцевого коллектора из двух деталей: верхней с кольцевой проточкой и нижней, связанной резьбовым соединением с верхней деталью и соответственно с остальными кольцевыми коллекторами и крепящейся винтами к корпусу, что объединение входного отверстия импактора с входным коллектором вентилятора исключает необходимость соединительного воздухопровода, исключая тем самым дополнительные потери разрежения.

Эффективность осаждения частиц на импакционных каскадах характеризуется величиной d₅₀ - размером частиц импактируемых с эффективностью 50%. Величина d₅₀ связывается с диаметром и числом отверстий в установленной на каскаде решетке, величиной объемного расхода аппроксимированной формулой [1] (см. Fenig mechaics of the laminar flow aerosol impacter, J.Aerosol sci 5:1, 1974):

где d₅₀ - диаметр аэрозольных частиц, улавливаемых с эффективностью 50%, мкм,

d_c - диаметр сопловых отверстий, см,

n - число сопловых отверстий в решетке,

Q - величина объемного расхода, л·мин^-1.

В формуле используются внесистемные единицы измерений физических величин.

Анализ литературных материалов в области импакции аэрозольных частиц показал, что основной параметр импакционных каскадов - величина d₅₀ - может быть выбран с использованием зависимостей, характеризующих инерционное осаждение частиц различного размера (см. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы, Ленинград, “Химия”, 1969, с. 180-184, 192-195, 245-249). Кривые, определяющие эффективность импакции аэрозольных частиц различного размера на каскадах с выбранными величинами d₅₀ приведены на фиг.1: I каскад (лобовой по ходу воздушного потока), мкм, задерживаются относительно грубодисперсные частицы; II каскад, мкм, выделяется респираторная фракция, III каскад, мкм осаждается высокодисперсная фракция. Оценка, проведенная с использованием кривых эффективности импакции (фиг.1), позволяет установить, что на каждом каскаде выделяется не менее 80% указанных фракций - фракций обладающих характерными особенностями воздействия на организм человека.

Таким образом, на трех каскадах импактора достигается полнота выделения основных фракций микробных аэрозолей; это же количество каскадов обеспечивает возможность контроля как концентрации, так и дисперсности аэрозолей.

Данные, необходимые для определения диаметров сопловых отверстий в решетке - величина сопротивления при различных величинах объемной производительности - получены в экспериментах с решеткой: число сопловых отверстий n=367, диаметр сопел d_c=0,9 мм. В экспериментах определены также аэродинамические характеристики центробежного вентилятора, предусмотренного для использования в полезной модели - величины разрежения при данной производительности, кривая P-Q, фиг.2.

Диаметры сопловых отверстий - d_c в решетках с числом сопел n=367 рассчитывались с использованием преобразованной формулы [1]:

Для оценки величины сопротивления решеток при различных диаметрах сопел - d_c и различных величинах объемного расхода - Q использовалась простая зависимость, связывающая определенные в эксперименте характеристики многосопловой решетки (n=367, d_c=0,9 мм; при Q=230 л·мин^-1; р=32 мм вод.ст.) с соответствующими характеристиками решеток предлагаемого устройства [3]:

где Р₁, Q₁, d_с1 - экспериментальные характеристики,

Р₂, Q₂, d_c2 - расчетные характеристики.

В расчетах максимально допустимые величины объемного расхода - Q и соответствующие величины, развиваемого разрежения (давления) - р принимались в соответствии с аэродинамическими характеристиками вентилятора (фиг.2).

Результаты расчетов, определяющих основные характеристики разработанного устройства, приводятся далее.

Три импакционных каскада, л·мин^-1, общая величина разрежения, p=47,6 мм вод.ст.

I каскад - d₅₀=4 мкм, d_c=1,2 мм, р=1,3 мм вод.ст.; осаждается 85...90% частиц крупнее 5 мкм, которые, в основном, задерживаются в носовой полости. На каскаде осаждается не более 20% частиц размером менее 3,5 мкм.

II каскад, d₅₀=2,1 мкм, d_c=0,8 мм, р=4,7 мм вод.ст; осаждаются частицы диаметром от 2,5 до 5 мкм, достигающие бронхов и бронхиол, задерживается больше 80% частиц размером 2,5 мкм, более крупные задерживаются практически полностью.

III каскад, мкм, d_c=0,5 мм, р=41,6 мм вод.ст., задерживается до 85% частиц размером от отдельных клеток до 1,2 мкм - высокодисперсная фракция.

В зависимости от целей исследований предлагаемое изобретение может эксплуатироваться с одним или двумя каскадами (таблица).

При изменении сопротивления изменяется и величина объемного расхода. Так, при работе только со II каскадом объемный расход составляет около 200 л·мин^-1, мм вод.ст., мкм.

Приведенные данные показывают, что величина сопротивления I, II каскадов относительно невелика и сопротивление, в основном, создается решеткой III каскада, который определяет величину объемного расхода и соответственно величину d₅₀; при использовании только III каскада практически полностью задерживается общая фракция аэрозолей, совместная установка I и III каскадов позволяет полностью выделить респираторную фракцию. При работе с одним II каскадом объемный расход возрастает до 200 л.мин - (Р=39 мм вод.ст., ₅₀ - 14 мкм).

В дальнейшем конструкция многокаскадного импактора поясняется описанием, прилагаемыми чертежами.

Фиг.1, 2 - кривые эффективности импакции.

Фиг.3. Общий вид устройства для отбора проб микробных аэрозолей.

Фиг.4. Принципиальная схема устройства для отбора проб микробных аэрозолей.

В состав предлагаемой конструкции входят три импакционных каскада 1, каждый из которых включает кольцевой коллектор 2 с кольцевой проточкой 3 в сторону осевого отверстия 4, многосопловую решетку 5, размещенную под ней чашку Петри 6 с плотной питательной средой 7, на которую и импактируются аэрозольные частицы. На кольцевых коллекторах установлены упругие опоры 8, центрирующие чашку Петри по осевому отверстию. Разъем кольцевых коллекторов выполнен в виде резьбовых соединений 9, допускающих возможность при ограничении целей исследований устанавливать ограниченное число импакционных каскадов (таблица). Входным патрубком импактора служит ограниченная внутренней стенкой коллектора 10 верхняя часть осевого отверстия 11, перекрытого многосопловой решеткой.

Последний (по ходу воздушного потока) кольцевой коллектор выполнен из двух основных деталей: верхней 12 с кольцевой проточкой и нижней 13, служащей также крышкой центробежного вентилятора 14, на которой размещены упругие опоры, фиксирующие чашку Петри. Нижняя деталь коллектора, связанная резьбовым соединением с верхней деталью (соответственно и с остальными кольцевыми коллекторами), крепится винтами 15 к корпусу 16 устройства, объединяя корпус в общем блоке с импакционными каскадами.

Для сохранения параллельности верхней и нижней крышек вентилятора винты снабжены стопорящими устройствами, препятствующими самоотвинчиванию.

В крышке вентилятора выполнен входной коллектор 17 с кромками, образованными по дуге круга, непосредственно соединяющий выходное отверстие 18 с входным коллектором вентилятора.

Соединительный воздухопровод при этом исключается, исключаются и дополнительные потери разрежения, которые, в некоторых случаях, могут привести к искажению результатов контроля концентрации и дисперсности аэрозолей.

Корпус устройства служит для размещения микродвигателя 19 вентилятора, органов управления 20 и электронной схемы 21 с оптопарой, контролирующей число оборотов вентилятора и, тем самым, величину объемного расхода в различных рабочих режимах.

При включении вентилятора воздух из окружающей среды за счет создаваемого разрежения просасывается через последовательно установленные импакционные каскады. Диаметр сопловых отверстий в решетках каскадов по ходу воздушного потока уменьшается при неизменном их числе, скорость воздушных потоков в соплах возрастает, на поверхность плотной питательной среды импактируются все более мелкие частицы микробных аэрозолей и отработанный воздух выбрасывается вентилятором в окружающую среду.

Испытание двух опытных образцов разработанных пробоотборных устройств показали, что определенные в экспериментах величины объемного расхода и развиваемого разрежения отклоняются от расчетных величин не более чем на ±4%.

Показано также, что конструкция разъемных соединений каскадов обеспечивает простоту установки различных каскадов, мощность, потребляемая электродвигателем вентилятора не превышает 8 Вт, что создает возможность использовать не только сетевое питание, но и автономный источник - малогабаритную аккумуляторную батарею.

Таким образом, результаты проведенных экспериментов определили соответствие предложенных технических решений предъявленным функциональным требованиям.

Формула изобретения

1. Устройство для отбора проб микробных аэрозолей, включающее импактор, состоящий из одного или нескольких импакционных каскадов в виде разъемных кольцевых коллекторов с кольцевой проточкой, в качестве входного патрубка импактора служит ограниченная внутренней стенкой коллектора верхняя часть осевого отверстия, перекрытая многосопловой решеткой, под которой по центру кольцевого коллектора размещается чашка Петри с плотной питательной средой, нижнее входное отверстие с профилированными кромками служит также входным отверстием - коллектором - источника разрежения - центробежного вентилятора, отличающееся тем, что выбранные для каскадов импактора величины d₅₀ - характеризующие полноту осаждения аэрозолей размером частиц, импактируемых с эффективностью 50%, составляют для каскадов: I - d₅₀=4,0, II - d₅₀=2,1, III - d₅₀=1,05 мкм и обеспечивают возможность контроля концентрации и дисперсности, а также выделения на каскадах фракций микробных аэрозолей, обладающих характерными особенностями воздействия на организм человека - относительно грубодисперсной, респираторной, высокодисперсной.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, в зависимости от целей исследований, оно может эксплуатироваться с одним или двумя каскадами, сохраняя при этом основные характеристики каскадов - величины d₅₀, обеспечивая тем самым возможность отбора фракций, обладающих специфическими особенностями воздействия.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что импакционные каскады объединены с корпусом устройства в общем блоке, что достигается выполнением последнего по ходу воздушного потока кольцевого коллектора из двух деталей: верхней с кольцевой проточкой и нижней, связанной резьбовым соединением с верхней деталью и соответственно с остальными кольцевыми коллекторами и крепящейся винтами к корпусу.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что объединение входного отверстия импактора с входным коллектором вентилятора исключает необходимость соединительного воздухопровода, исключая тем самым дополнительные потери разрежения.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4