BG61377B1

BG61377B1 - Surface sterilization by laser irradiation treatment

Info

Publication number: BG61377B1
Application number: BG99133A
Authority: BG
Inventors: Michael F Foley; Robert M Clement; Neville R Ledger
Original assignee: MINISTER OF AGRICULTURE, FISHERIES AND FOOD INHER BRITANNIC MAJESTY'S GOVERNMENT OF THE UNITEDKINGDOM OF GREAT BRITAIN AND NORTHERN IRELAND, (THE); MINI AGRICULTURE & FISHERIES
Current assignee: MINISTER OF AGRICULTURE FISHERIES AND FOOD INHER BRITANNIC MAJESTY'S GOVERNMENT OF UNITEDKINGDOM OF GREAT BRITAIN AND NORTHERN IRELAND (THE); MINI AGRICULTURE and FISHERIES
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1994-10-24
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2014-10-24
Also published as: GB2280371B; CZ262294A3; JPH07506744A; RU94045934A; EP0637918A1; AU669013B2; SK128294A3; GB9303841D0; KR950701193A; AU5155293A; GB9209103D0; ZA932956B; GB2280371A; FI945035A; CN1079626A; GB9420400D0; BG99133A; HUT71647A; CA2118516A1; HU9403018D0

Description

Изобретението се отнася до метод за повърхностно стерилизиране чрез обработка с лазерно облъчване на субстрати с цел да се намали съдържанието на популации от замърсяващи организми, в частност до метод за обработване на хранителни продукти, посевни материали и препарати за ветеринарни и медицински цели.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Понастоящем се извършва екстензивно обработване на материали от растителен произход, например плодове, зеленчуци, семена, за предотвратяване на опасността от нежелано замърсяване чрез фунгициди и пестициди. Подобни методи за обработване често са неподходящи от гледна точка на изискванията за опазването на околната среда, тъй като са потенциално опасни за консуматорите на хранителните и медицинските продукти, а понякога са неефективни в борбата за унищожаването на конкретни паразитни култури, например гъбички. Аналогично значителен брой продукти от животински произход трябва да се обработват преди продажбата им, за да се намали броят на микроорганизмите до приемливо ниво за предвижданата употреба от крайния потребител. Например яйца и птичи продукти често се потапят в бактериологични разтвори, за да се елиминират различни бактерии, например на салмонела и листерия.

Освен за целите на изброените методи за химическа обработка при продукти за консумация от крайните потребите или за ветеринарно или медицинско приложение като стандартни се прилагат също и методи за физическо стерилизиране. Например стерилизация чрез микровълново облъчване се използва при обработка на стелажи за гъбарници, докато при стерилизирането на медицинския инструментариум като основен метод се предпочита третиране в автоклави чрез пара под високо налягане. Всичките тези методи за обработване са потенциално опасни и/или изискват значително време, за да се постигне оптимален ефект. Освен това в случаите, когато се третират хранителни продукти, е въз можно да настъпят промени в химическата структура и в резултат да се влошат желани качества като вкус, строеж, ефикасност при употреба или устойчивост, например при семена.

В US патент 3817703 се описва използването на мощни лазери за стерилизиране на течности, през които се пропуска лазерен лъч, като се изисква енергийна плътност на облъчването от минимум 100 kW/cm², за предпочитане от 100 MW/cm² до 10 GW/cm². Подобни методи са приложими за материали, пропускащи светлина, като например вина, но са съвършено неподходящи за материали, които абсорбират светлинните лъчи, особено при материали, които по същество са непрозрачни за лазерни лъчи, или при материали, които частично абсорбират лазерните лъчи.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Предмет на изобретението е метод, който може да се прилага за всички изброени субстрати и за други подобни, при които замърсяващите организми се лишават от жизнеспособност за кратко време, като се избягват недостатъците на описаните методи и не се засягат желаните качества на крайния продукт или не се образуват отпадъчни вещества, които да причиняват физиологични увреждания и/или да замърсяват околната среда. Освен това при някои приложения, като например задържане на развитието на някои паразити, например на гьбични организми, методът е по-ефективен от използваните досега методи за обработване.

Методът съгласно изобретението се различава от известните методи с прилагане на лазери по това, че се използва термичният ефект на лазерното облъчване, за да се повиши температурата на замърсяващите организми над критичното ниво за период от време, който е достатъчен, за да лиши от жизнеспособност замърсяващите организми. Тези температурни диапазони са различни при различните организми, но приблизително се поддържа температура 45°С за повечето видове бактерии и гъбички. Чрез използването на нагорещен носител, като например пара, или чрез радиация, например микровълнова, също може да се повиши температурата на субстрата до нива, които могат да се окажат неподходящи от гледна точка на съображенията за употреба на крайния продукт. При метода съгласно изобретението субстратът, с изключение евентуално само на неговата повърхност, остава неповлиян от метода за обработване, докато организмите по повърхността се нагряват до температура, 5 гарантираща споменатото лишаване от жизнеспособност.

В най-широк аспект изобретението предлага метод за обработване на субстрат, практически непрозрачен за лазерно облъчване или 10 неспособен да пропусне лазерно облъчване, без при това да се абсорбират значителни дози от него. Този метод е създаден, за да се намалява съдържанието на замърсяващи организми, свързани към повърхността на субстрата. Той 15 включва облъчване с лазерно лъчение практически на цялата повърхност на субстрата, като типът и количеството на лазерното лъчение се подбират по такъв начин, че да лишат от жизнеспособност намиращите се организми 20 върху субстрата, като същевременно, с изключение на повърхността на субстрата, цялата останала част от него остава практически незасегната.

При предпочитания метод за реализация 25 на първия аспект на метода съгласно изобретението субстратът и лазерното излъчване се преместват един спрямо друг по такъв начин, че да се осигури достатъчна част от повърхността на субстрата да се подложи на въздей- 30 ствието на лазерното облъчване. За предпочитане е това относително преместване на субстрата да включва и завъртане на субстрата спрямо местоположението и насочването на източника на лазерното излъчване, например 35 елементи от хранителни продукти, за предпочитане чрез преобръщане и разбъркване, такива последователни преобръщания на елементите могат да се осъществяват чрез използването на стандартни ролкови транспор- 40 тьори, като например конвейерни ленти. Други допустими методи за относително преместване ще бъдат разгледани в примерите, които поясняват други варианти на апаратурата за реализиране на метода съгласно изобретението. 45

Лазерното излъчване може да се осигурява от всеки източник, който е в състояние да гарантира желаната степен на нагряване на организмите до лишаване от жизнеспособност без трайно променяне на желаните 50 качества на субстрата. Като стандартни източници се използват лазери, излъчващи в инфрачервения обхват, например лазери с въглероден двуокис или неодим-YAG лазери с итриевоалуминиев гранат (тип Nd.YAG), но може да се използват също и лазери от друг тип, които са способни да нагряват повърхността на организмите, в това число и лазери, излъчващи в ултравиолетовия обхват. Изисква се енергийна плътност в диапазона под 100 kW/cm², за предпочитане под 1 kW/cm², за предпочитане ι под 120 W/cm². В приложените примери се посочва, че за унищожаване на бактерии, без да се нарушава целостта на субстрата, например способността за следващо развитие на яйца или картофи, като най-подходящ се оказва диапазон на енергийна плътност от порядъка на 10 до 120 W/cm², за предпочитане около 30 W/cm².

В стандартните случаи подобни източници на лазерно излъчване могат да достигнат изходна мощност от 10 до 250 W, обаче е възможно специалистите в тази област на техниката да използват и други източници, особено при субстрати с по-устойчив състав.

В приложените примери и описания на апаратурата се използват стандартни източни- ί ци на лазерно излъчване, като неодимови лазери с поглъщатели от итриево-алуминиев гранат. Лазерите от този тип, както и лазерите с въглеводороден двуокис излъчват светлина при различни дължини на вълните: първите 1,06 μ , а вторите - 10,6 μ. Поради различните нива на абсорбиране на излъчването от обектите трябва съответно да се подбира типът на лазерния източник. Например предпочитаният тип източник на лазерно излъчване за обработване на картофи и други грудкови зеленчуци е неодимовия лазер с поглъщатели от итриево-алуминиев гранат, докато за яйцата се предпочитат лазе- , рите с въглеводороден двуокис. Установено е, | че е по-удобно да се работи с лазери в режим ^; на постоянно излъчване, но може да се прилагат и лазери, работещи в импулсен режим, при наличие на подходящи източници на лазерно излъчване. Като примери за лазери, работещи 1 в режим на постоянно излъчване, могат да се посочат лазерите с въглеводороден двуокис, производство на Synrad Inc., California, USA, модел D48/5 (60 W), както и неодимовите лазери с поглъщатели от итриево-алуминиев гранат, производство на Spectron Laser Sysytems, Rugby, UK, модел SL901 (90 W). Посочените модели могат да работят при различни нива на изходящата мощност до посочените максимални стойности.

..Vu- .·-! ί>61377

Конфигурацията на лазерното излъчване може да се изменя, но в стандартните случаи се осигурява във вид на лъч или сноп от лъчи, доставяни от един или няколко източника. Тези лъчи обикновено се насочват към маршрута, 5 по който се подава субстратът, но субстратът може да бъде монтиран по такъв начин, че излъчването да се осигурява от един или няколко източника по цялата, по същество, повърхност на субстрата, без да се налага той 10 да се премества в пространството.

Лазерните лъчи могат да се разпръскват чрез различни методи, а именно чрез сканиращо огледало, например скенер от модел M3, производство на General Scannig (USA), или чрез 15 цилиндрова оптика. Сканиращото огледало се използва за отразяване на лъча, който при лазерните инсталации, цитирани в примерите, е паралелен с диаметър приблизително 5 до 6 mm. Тази операция може да се регулира с компютър 20 с цел осигуряване на предварително зададените ъгъл и скорост на сканиране. При методите, използващи цилиндрова оптика, се поставя оптичен елемент по протежението на траекторията на лазерния лъч преди да бъде осветен 25 обектът, като по този начин се отклонява лъчът и се създава разпръснато излъчване, падащо под ъгъл, който се регулира чрез настройване на геометрията на оптичния елемент.

Разстоянието за отдалечаване на източ- 30 ника на лазерното излъчване от субстрата, предвиден за обработване, може да се променя. Това разстояние е съставено от два компонента:

(i) разстоянието от източника на лазерното излъчване до механизма за разпръскване на 35 лъчите, и (ii) разстоянието от механизма за разпръскване на лъчите до обекта. При (i) лъчът е паралелен и може да се прехвърля дистанционно към механизма за разпръскване на лъчите. Това разстояние може да се изменя 40 в диапазона от сантиметри до десетки метри, но в примерите за реализация на предмета на изобретението е прието разстояние 50 cm. При (ii) разстоянието от механизма за разпръскване на лъчите до обекта и ъгълът на разпръскване 45 определят площта, която ще бъде обхваната от разпръсквания лъч. Желателно е компонентите на субстрата да бъдат изцяло изложени на лазерното облъчване. Като подходяща комбинация от ъгъл на разпръскване и разстояние 50 от механизма за разпръскване на лъчите до обекта може да се посочи комбинацията от 20° и 50 cm, но са възможни и много други комбинации.

Компонентите от субстрата и всички носещи части към него, върху които могат да попадат лъчите от източниците на лазерно излъчване, трябва да са конструирани от такива материали, с които да се избягва повишаване на температурата. Поради тази причина се препоръчва използването на метални елементи, свързани към подходящи топлоотвеждащи системи, за да се избегне косвеното нагряване на транспортните и монтажните структури. В противен случай трябва да се вземат всички възможни мерки, за да се избегне нагряването при попадането на лъчите върху повърхностите на споменатите структури освен по повърхността на субстрата или на съответните организми.

Трябва да се подчертае, че при подбор на подходящ метод за регулиране температурата на всички повърхности, които осъществяват контакт със субстрата, ще позволи да се лишат от жизнеспособност организмите, в частност микроорганизмите, по относително по-голяма повърхност, като същевременно ес позволи на субстрата да остане при температура, която е от такъв порядък, че по същество не се оказва влияние на желаните му качества. Специалистите от тази област, свързани със задачите за регулирането на температурата, могат да посочат подходящи механизми за охлаждане.

Всеки субстрат може да има повърхност, обработена чрез метода съгласно изобретението, обаче най-големи предимства се постигат при субстрати, чиито повърхности могат да се подлагат на въздействия съответно и чрез други методи. С оглед на това особено удобни за обработка се явяват пластмасовите субстрати и субстрати от други материали, чувствителни към топлинни и химически въздействия, които са предназначени за крайна употреба в стерилни среди. Не е възможно и при найподходящия субстрат може да се променят качествата му, като вкус, строеж, жизнеспособност или други желани показатели, вследствие на обработване чрез познатите методи. Например може да се обработват преди засяване или след прибиране на реколтата семена и луковици, зеленчуци, кореноплодни, плодове, фураж, декоративни растения, бобови култури, чай, тютюн, кафе и млечни продукти.

Такива субстрати, както и тревните култури, могат да пропускат лазерното излъчване, но при известна степен на абсорбиране, и затова могат да бъдат обработвани без вредни въздействия. 5

Организмите, които трябва да бъдат лишени от жизнеспособност или унищожени и същевременно са най-податливи на обработване, са бактерии, гъбички, плесени, водорасли и вируси. Като примери за субстрати, чувстви- 10 телни към салмонела, които могат успешно да се подлагат на обработване, могат да се посочат яйцата, като типични примери за субстрати, които развиват гьбични и паразитни заболявания, могат да се посочат картофите. 15

Предметът на изобретението включва още и апаратура, предвидена за лазерно обработване на субстрати с метода съгласно изобретението, съдържаща:

а) източник на лазерно излъчване; 20

б) средства за поддържане положението на субстрата, например части или елементи, като се заставя лазерното излъчване да обхваща субстрата със средства за манипулация с източника на лазерно излъчване, като тези 25 елементи са така подбрани по тип и количество, че да се лишат от жизнеспособност замърсяващите организми, докато желаните свойства на субстрата останат непроменени.

Предпочитаните варианти на апарат- 30 урата съдържат средства за ефективно относително преместване на субстрата или източника на лазерно излъчване, за да се облъчва значителна част от повърхността на всеки отделен елемент, за предпочитане, като се предвижда 35 завъртане на субстрата по една или повече оси, докато преминава през зоната на лазерното излъчване.

За предпочитане е субстратите да се пренасят в пространството на отделни порции, 40 например дози от растителен материал, да се преместват по траекторията за обработване, в типичния случай върху конвейерни ленти, например ролкови транспортьори, това подпомага относителното преместване на дозите 45 спрямо източника на лазерното излъчване и позволява да се транспортират до следващите зони за последващи етапи на технологични обработки. Могат да се предвидят и други начини аза придвижване, като например разно- 50 образните начини за пренасяне на флуиди през съоръжения, чиито стени пропускат лазерно излъчване, разруши, дефинирани чрез последователно разположени отклоняващи средства, като чрез тях субстратът се задължава да се преориентира в пространството към траекторията на лазерното излъчване, за да се осигури подлагането на достатъчна част от повърхността на субстрата на въздействието на лазерното излъчване, при подходящо ниво на последното, с цел да се постигне желаният ефект. Могат да се обработват индивидуални дози, партиди или порции без относително преместване, ако се монтират един или повече източника на лазерно излъчване, които да са в състояние да покрият по същество цялата външна повърхност на субстрата. За предпочитане е да се насочват групи от източници на лазерно излъчване към съответните приемателни участъци по протежението на лентови съоръжения като типичен пример за разпръскване на лазерните лъчи, както бе споменато по-горе, или като типичен пример за излъчване от един източник чрез разпръсквателни съоръжения.

Апаратурата за реализация на метода съгласно изобретението трябва да се изработва с такава конфигурация, че да бъде подходяща за параметрите на субстрата, който ще бъде подлаган на обработка. В случай, че субстратът има само една външна повърхност, която ще се обработва, като не се допуска облъчването с лазерни лъчи на вътрешността на субстрата, може да се окаже, че голям брой продукти могат да се обработват със същата апаратура при лазери от същия тип (лазери с въглеводороден двуокис и неодимови лазери с поглъщатели от итриево-алуминиев гранат), но при условие, че се промени продължителността на подлагане на въздействието от страна на източника на лазерно облъчване и нивото на изходящата мощност на този източник до стойности, подходящи за лишаване на замърсяващите организми от жизнеспособност и същевременно предпазване на субстрата от увреждания. Например фабрично се използползват апарати с източници, чиято максимална изходяща мощност е с диапазона от 60 до 250 W. Необходимата енергийна плътност ще се изменя, като това е посочено в приложените примери. Специалистите от тази област на техниката са запознати с различните механизми за охлаждане на повърхностите на апаратите, които контактуват с повърхностите на субстрата, но трябва да са съобразени в условията за крайната употреба на конкретната апаратура.

Трябва да се отбележи, че подобна апаратура, при която субстратът се пренася 5 чрез лентови транспортьори, е известна например от патентните описания ЕР 0231027 и GB 2195438, но са предназначени да се използват само за откриване на замърсяващи организми и не са подходящи за настоящата 10 цел. По-конкретно лазерите не са конфигурирани да индуцират термичен ефект и не се предвижда завъртане на субстрата.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ ¹⁵

Методът съгласно изобретението, както и апаратурата към него, се описват чрез илюстрации, посочени само като примерни, и се поясняват приложените примери и фигури. В 20 рамките на посочените варианти специалистите от тази област могат да предложат други варианти.

Фигура 1 представлява общ вид на апаратурата, предвидена за реализация на метода 25 съгласно изобретението, която е подходяща за обработване на сравнително големи дози от субстрат, като например картофи или яйца;

Фигура 2 - аксонометричен поглед на вътрешността на уредбата за лазерна обработка, зо която е илюстрирана в общ вид на фиг. 1, като се вижда разположението на източника на лазерно излъчване, надлъжно ориентиранията ролков конвейер и дозите от субстрата. На фиг. 2А е показан напречен разрез откъм края на 35 ролките, с поставени върху тях дози от субстрата;

Фигура 3 - вариант на вътрешността на апаратурата от фиг. 2, при който ролките се преместват по посока на движението на суб- 40 страта. На фиг. ЗА е показан напречен разрез през края на ролките, с поставени върху тях дози от субстрата;

Фигура 4 - в общ вид вариант на апаратурата от фиг. 1, който е конфигуриран 45 специално за обработване на картофи. На фиг. 4А е показан аксонометричен поглед на вътрешността на уредбата за лазерна обработка към този вариант на апаратурата;

Фигура 5 - напречен разрез на апара- 50 турата, предвидена за реализация на метода съгласно изобретението, която е подходяща за обработване на субстрати в насипно състояние, например гранулирани материали и зърнести продукти.

ПРИМЕРИ ЗА ОСЪЩЕСТВЯВАНЕ НА ПРЕДМЕТА НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Пример 1. Дезинфекциране на черупки на яйца с различни нива на лазерното излъчване

Яйцата на кокошките се замърсяват изкуствени с бактерии от Salmonella enteritidis и спори Aspergillus fumigatus, след което се подлагат на лазерно облъчване при различни енергийни нива от два независими източника на лазерно излъчване. Ефектът на дезинфекциране вследствие лазерното облъчване се сравнява за двата източника чрез определяне на остатъчното ниво на замърсяване след обработването.

Заразяват се зони по 4 cm² откъм тъпия край на 700 броя яйца с разтвор от Salmonella enteritidis и спори от Aspergillus fumigatus. След това в буферен разтвор на пептон във вода се приготвя бульон от Salmonella enteritidis, a култура от Aspergillus fumigatus се отглежда върху плаки с хранителна среда - агар от малц, до възникването на обилна колония от спори. Приготвя се суспензия от спорите чрез промиване на плаките с максимално възстановим разтворител (MRD). Проби с обем 10μ1 от тази суспензия се полагат последователно по зоните с площ 4 cm² по-тъпия край на всяко яйце чрез инокулация и шаблон с размери 2x2 cm, като яйцата се оставят на съхранение през нощта при стайна температура.

Шест партиди от по 100 заразени яйца се подлагат на дезинфекционна обработка чрез сканиране с лазерен лъч на замърсените зони, като всяко яйце се нагласява ръчно преди сканирането. Прилага се облъчване с три нива на енергийната плътност за всеки от двата вида лазери (лазери с въглеводороден двуокис и неодимови лазери с поглъщатели от итриевоалуминиев гранат). Енергийните нива, при които се обработват замърсените повърхности на яйцата, се регулират чрез промяна както на регулаторите на изходящата мощност на лазерите, така и чрез настройване скоростта на сканиране. Определя се броят на оцелелите бактерии Salmonella enteritidis и спори от Aspergillus fumigatus за обработените яйца, както и за 100 броя необработените или кон6 тролни яйца.

Отстраняват се бактериите и спорите от повърхността на яйцата чрез поставяне на всяко яйце в стерилна пластмасова кесия с 10 ml от максимално възстановимия разтворител (MRD), след което замърсените повърхности на яйцата внимателно се избърсват през кесията за 2 min. Приготвят се последователни разтвори чрез промивки и подходящо разреждане върху arap XLD (Oxoid СМ469) за преброяване на оцелелите бактерии Salmonella enteritidis, както и с arap OAES за определяне на спорите от Aspergillus fumigatus. Плаките с XLD се инкубират при 37°С за 4 дни и се преброяват видимите колонии, като едновременно с това се изчислява броят на видимите организми за едно яйце. Средните стойности също се изчистват и резултатите се анализират с компютърната статистическа програма Minitab. Тези резултати са дадени в таблици 1 и 2.

Не са открити бактерии Salmonella enteritidis в 57 от 100 третирани яйца след етапа на обработка СЗ. Доказано е, че лазерният източник с въглеводороден двуокис е по5 ефективен от неодимов лазери с поглъщатели от итриево-алуминиев гранат при еднакви енергийни нива. При максимално възможното енергийно ниво лазерният източник с въглеводороден двуокис намалява с 99,72% средния брой на яйцата, заразени със Salmonella, и с 86,9% средния брой на яйцата, заразени с поустойчивите спори от Aspergillus fumigatus. Анализът на отклоненията на данните показа, че тези различия в средните стойности за всеки етап на обработване са значими при ниво 5% и не се дължат на отклонения в рамките на една партида. По този начин се демонстрира, че лазерното облъчване може да се използва за ефективно намаляване както на бактерии, така и спори по субстрати, конкретно по черупките на яйцата.

Таблица 1

Етап на обработка	Енергийна плътност W/cm²	Параметри W/скорост на сканиране mm/s	Средни стойности (за 1 яйце)
S.ent.	A.fum.
Y1	0,4	1,85/193,5	16000	3400
Y2	2,7	12,5/193,5	26000	430
Y3	27,0	23,0/60	11000	2200
С1	0,2	1,6/193,5	29000	5400
С2	1,65	10,5/162,5	8600	6700
СЗ	30,0	11,0/34	81	640
Контролна партида			29000	540

Таблица 2

Етап на обработка	Намаляване в % на оцелелите организми (закръглено към най-близкото цяло число)
S.enteritidis	A.fumigatus
Y1	44,82	30,61
Y2	62,06	55,10
С1	0,00	0,00
С2	70,34	0,00
СЗ	99,72	86,9

Пример 2. Влияние на лазерното излъчване върху нивото на дезинфекциране на вътрешността на яйцата

Изследвано е приложението на лазерното излъчване за дезинфекциране повърхността на 5 черупките на яйца, като се обръща внимание по-специално на ефекта на дезинфекциране върху вътрешността на яйцата чрез проследяване на ранното развитие на яйчните зародиши. За това изследване се използва въртяща 10 се платформа и лазер с въглеводороден двуокис, с диаметър на лъча 5 mm, като лазерният лъч се насочва към тъпия край на яйцата.

Яйцата се събират от 450 кокошки носач ки. Две партиди, всяка от които по 150 яйца, се подлагат на процедура за дезинфекциране с лазерно облъчване чрез сканиране повърхностите на техните черупки. Лазерен лъч с диа-метър 5 mm се подава последователно по такъв начин, че след всяко завъртане на яйцето ла-зерният лъч се насочва по-надолу, за да се облъчват последователните зони от повърхността на черупката.

На таблица 3 са показани нивата на изходящата мощност на лазерния източник, при които състоянието на повърхностите на яйчните черупки съответства на нивата С2 и СЗ според експериментите, описани по-горе.

Таблица 3
Скорост на завъртане на яйцата (об./min)	Изходяща мощност на лазерния източник (W)
С2 78 СЗ 16	10,6 30

Обработените яйца и 150 броя необработени яйца от контролната партида се съхраняват за една нощ в инкубатори. Подбират се по равен брой неорбаботени яйца от контролната партида и яйца от двете обработени пар тиди, след което се разполагат по случаен ред във всяка от петте лавици на инкубатора. След инкубация в продължение на пет дни всички яйца се изваждат и се проверява състоянието на зародишите в тях. Резултатите от това изследване са дадени в таблица 4

Таблица 4

Етап на обработка	Инкубатор, No	Брой на яйцата	Безплодни	Мъртви зародиши	Живи зародиши
С2	1	90	12	4	73
	2	60	11	3	46
Общо		150	23	7	119
СЗ	1	90	18	4	68
	2	60	5	8	47
Общо		150	23	12	115
Контрола	1	90	15	3	72
	2	60	11	2	47
Общо		150	26	5	119

При етапите на обработки С2 и СЗ, показани в таблица 4, се забелязва, че няма значителен обратен ефект върху броя на оцелелите зародиши от яйцата.

Пример 3. Апаратура за стерилизиране на черупки на яйца

Както е показано на фиг. 1, ролкови транспортьори 1 се подреждат успоредно един спрямо друг в посоката на пренасяне на субстрата. Към повърхността на тези транспортьори са монтирани спираловидни захващащи елементи 2 по такъв начин, че при завъртане елементите 2 изместват яйцата 3 в горните улеи 4, оформени между две съседни ролки, за да се преместват яйцата напред. Тези улеи 4 се използват като траектории за преместване на яйцата по дължината на транспортьора от входната станция 5 през уредбата за лазерно обработване 6 до станцията за сортиране и опаковане 7. Ролките или поне захващащите елементи 2 са изработени от еластичен материал, например каучук, и могат да причинят завъртането на яйцата около напречната ос по посока на движението, докато се преместват от транспортьора към станцията за опаковане. В случая се използват яйца като елементи от субстрата, но може да се обработват и други материали. Яйцата се поставят в улеите, а ролките се завъртат по техните надлъжни оси и яйцата са принудени чрез завъртане около оста си да се преместват по дължината на транспортьора до станцията за сортиране и опаковане. Скоростта на преместване напред и скоростта на завъртане на яйцата се регулират по такъв начин, че да се осигурява равномерно разпределение на енергийната плътност на лазерния източник по повърхността на черупките на яйцата в границите на стойностите, посочени в таблица 3.

На фиг. 2 е показана част от вътрешността на уредбата за лазерно обработване. Предвидени са два разпръсквателя на лазерното излъчване 8, като е за предпочитане лазерите да бъдат с въглероден двуокис, монтирани по такъв начин, че да насочват лазерното излъчване към съответните улеи 4 между ролките на транспортьора. Лазерното излъчване се конфигурира така, че разпръсквателите 9 и 10 да са паралелни на ролките 4 и лазерните лъчи да попадат върху яйцата при завъртането им и преместване напред към станцията за опаковане, без да се концентрира лазерното излъчване само върху една ограничена част от ролките. Лазерното излъчване, преминало през улеите, се неутрализира чрез поглъщателен резервоар, разположен под транспортьора, който по същество представлява обем от материал, специално подбран за пълно абсорбиране на лазерното излъчване, поставен от противоположната страна на ролките с цел да улавя преминалото лазерно излъчване.

На фиг. 3 е показан един вариант на ролковия транспортьор, при който определен брой ролки 11 са подредени напречно спрямо посоката на движение на транспортьора и на субстрата, пренасян от него, например яйца, които са поставени в улеите между горните повърхности на всеки две съседни ролки. Когато ролките се завъртят се завъртат и яйцата, като по този начин се подлага на въздействията на лазерното облъчване от разпръсквателите 9 и 10 и тази част от повърхността на черупката, която досега не е била подлагана на това въздействие, самите ролки се преместват напред по надлъжната ос на уредбата за лазерно обработване, докато пренасят яйцата в улеите си. В този случай самите ролки не трябва да остават вътре в уредбата за лазерно обработване, тъй като е възможно по техните улеи да са останали яйца от последното преминалата партида, с цел да се избегне риска от пренагряване. И при двата варианта ъгълът на ориентиране на разпръсквателите е приблизително 20° при приблизително разстояние 50 cm от яйцата.

Пример 4. Регулиране съдържанието на патогенни организми по картофите чрез лазерното излъчване

Картофите за посев са източници на зараза с няколко важни заболявания, като черния мъх (Rhizoctonia solani), почерняването (Colletotrochun coccodes), сребристия мъх (helminthosporum solani), праховия кел (Spongospora subterranea), петна по кората (Polyscytalum pustulans), гангрена (Rhoma foveata), сухото почервяване (Fusarium caeruleum) и прорастването (Erwinia carotovora ssp atroseptica). Откриването на признаците за наченки на тези заболявания при грудките от посадъчния материал за следващата реколта е много важна предпоставка за потискането или унищожаването на остатъчните патогенни организми в посадъчния материал. На пазара се предлагат голям брой фунгициди за обработване на посадъчния материал, за да се избягват заболяванията сред картофите, но повечето от препаратите за растителна защита нямат ективност в широк спектър и често трябва да се прилагат комбинирано по няколко препарата. Освен това устойчивостта на фунгицидите все 5 повече се превръща в проблем, застрашаващ опазването на околната среда, поради което новите препарати във Великобритания трябва да бъдат регистрирани и одобрени, преди да могат да се използват легално. Все повече 10 нараства натискът да се намаляват дозите и разнообразието на агрохимическите средства, прилагани при картофите, и да се използват алтернативни методи за борба със заболяванията. 15

За реализиране на метода за обработване чрез лазерно излъчване се подбират картофи с признаци по тяхната повърхност, свидетелстващи за естествено развитие на заболявания. Жизнеспособността на организмите се определя 20 чрез разнообразни методи, подходящи за всяко отделно заболяване. След всяко подлагане на въздействията от лазерното излъчване картофите се изследват за промяна в признаците на заболяването и за наличие на нови признаци 25 на повърхностни увреждания.

Изследванията се провеждат по такъв начин, че скоростта на преместване на лазерното излъчване спрямо повърхностите на картофите да може да се променя в широки 30 граници с цел определянето на тези нива на енергийна плътност на лазерното излъчване, при които е възможно да възникнат нежелани увреждания по повърхностите на картофите или да се окаже, че лазерното излъчване е толкова 35 слабо, че вече е неефективно. При три нива на енергийна плътност на лазерното излъчване (измервано във ватове) и по-малък определен диапазон на скоростта на преместване се определят зависимостите за взаимодействията между тези параметри, като оптимално ниво на енергийната плътност на лазерното излъчване се определя стойността от 30 W.

При първоначалните изследвания се използват Colletotrichun coccodes като индикиращ патогенен организъм, като относителната скорост на преместване на картофите спрямо лазерния лъч е 612 mm/s при мощност 30 W. При тези условия се спира развитието на гъбични заболявания при приблизително 50% от пострадалите от заболяването картофи след проверка върху пластини с хранителна среда (агар). При относителна скорост на преместване 214 mm/s се оказа, че се отстранява заразеността 100% от картофите, докато при скорости над 612 mm/s (например 1010 mm/s и повече) резултатите са по-слаби.

При изследванията се използват различни нива на енергийната плътност, но не се констатират различия относно жизнеспособността на Rhizoctonia solani, използван в качеството на индикиращ патогенен организъм. При този организъм се постигат по-добри резултати при по-продължително време на облъчване. Регистрирани са също добри резултати при облъчване на картофи, заразени с Penicillium след инкубационния период. За облъчване по време на вертикално преместване се използва въртяща се маса с различна скорост на въртене, разположена на разстояние 50 cm от сканиращото огледало. В таблица 5 се приема, че скоростта на сканиране е равна на скоростта на преместване. Размерите на петната са от 5 до 6 mm диаметър.

Таблица 5

Изходяща	Продъл-	Възста-	Относително
мощност на	жителност	новяване	възстано-
лазерния	от 0 до 5	%	вяване
източник	(виж кода)	R.solani	Penicillium
30	0	100	49
30	1	79	46
30	2	32	13
30	3	11	0
30	4	5	5
30	5	0	0
45	0	95	44
45	1	19	17

45	2		46		6
45	3		3		7
45	4		3		3
45	5		0		0
60	0		93		47
60	1		46		17
60	2		33		20
60	3		26		18
60	4		8		14
60	5		5		8
Скоростта на преместване е със следните		Резултатите от въздействието на лазер-
кодове: 0 означава нулева скорост, 5-минимал-	ното при I	облъчване	върху различните организми
на, 1 - максимална, 1 - скорост над 186,7 mm/s,	5зходяща мощност на лазерния източник
2 - скорост =	186,7 mm/s, 3 - скорост 160,0 mm/s,	30 W са показани в таблица 6.
4 - скорост 133,3 mm/s, 5 - скорост 106,7 mm/s.
						Таблица 6
Скорост	Относително възстановяване
на преместване
	C.Coccodes	H.solani	P.pustulans	P.foveata	F.caerulem
0	95	100	22		80	56
1	76	90	6		62	0
2	51	38	0		20	0
3	9	6	0		0	0
4	6	0	0		0	0

При тези изследвания се доказва също и ефективността спрямо заразяване с Erwinia carotovora ssp atroseptica. При така подбраните опитни условия се доказва, че обработваната повърхност на картофите става некротична, но не се налага да се извършва второ завъртане, което е признак за запазване на желаните качества за съхранение на картофите и за консумация в следващ период. Ако обаче не се използват лазери с въглеводороден двуокис, а лазери тип неодим-YAG с итриево-алуминиев гранат, опитните резултати свидетелстват, че тези параметри могат да се регулират по такъв начин, че да се избегне този ефект и същевременно да се запази степента на въздействие върху патогенните организми, може да се потиска латентното развитие на почервеняването на картофите и да се потиска прорастването на издънки и филизи, без да се влошава способността за развитие на картофите за посев.

Пример 5. Апаратура за лазерна обработка, подходяща за продукти с приблизително сферична форма, например картофи

На фиг. 4 е показана апаратура за обработване на обекти с приблизително сферична форма, като например картофени грудки. Ролковият транспортьор 12 преминава през вътрешността на уредбата за обработване чрез лазерно излъчване 13 между входния бункер, екрана за сортиране, масата за подбор и подаване на картофите 14,15 и 16 и захранвана 17. На фиг. 18 е показана вътрешността на уредбата за обработване с лазерно излъчване, в която е монтиран източник на лазерно излъчване тип неодим-YAG с итриево-алуминиев гранат, с изходяща мощност 30 W, разположен приблизително на 50 cm от картофите, които се придвижват от транспортьора и се облъчват със специално монтираните разпръскватели - сканиращи огледала или оптично-насочващи механизми 9 и 10, при ъгъл на разпръскване на лъчите около 20. Облъчват е както ролките, така и картофите 18, които са разположени върху тях. Ролките 19 са подредени напречно спрямо посоката на движение на транспортьора и се въртят, докато преминават през уредбата за обработване чрез лазерно излъчване. Това въртене принуждава и картофите да се завъртат и да излагат последователно цялата си повърхност на въздействието на лазерното излъчване. Ролките 19 са изработени от метал, като по този начин се осигурява бързо топлоотдаване от картофите, поставени в улеите, образувани между горните повърхности на всеки две съседни ролки. Задвижването на ролките е пасивно, като се причинява от механичното взаимодействие с опорните оси, докато транспортьорът се премества по своя маршрут, обаче може да се предвиди и като активно, ако се монтират индивидуални задвижващи устройства към всяка ролка.

Пример 6. Апаратура за лазерна обработка, подходяща за насипни и зърнести материали

На фиг. 5 е показана апаратура, подходяща за обработване чрез лазерно облъчване на насипни материали, като например ненатрошено зърно, за намаляване на степента на жизнеспособност на замърсяващи организми. Съгласно фиг. 5 зърното 24 се подава към вертикално монтиран цилиндричен корпус 25 чрез лентов транспортьор 26, при което прахът и плявата се издигат нагоре, за да се отделят с механизма за очистване от прах 26, а зърното пада надолу под въздействието на гравитацията в зоната, в която се осъществява обработването чрез лазерно облъчване. Отклоняващите механични средства 27, изработени от материал, подходящ за бързо топлопредаване, позволяват на зърното последователно да пада от една към друго отклоняващо средство, докато разпръскващите средства за лазерните лъчи 9 и 10 от описания тип облъчват зърното от различни топки във вътрешността на цилиндричния корпус. От източника на излъчване, разположен на 50 cm от маршрута за спускане на зърното, лазерните разпръскватели пропускат лъчите през прорезите в корпуса 28. Както и при всички други варианти на подобни устройство, и тук разстоянието между източника на лазерното излъчване и обекта може да е от няколко сантиметри до няколко десетки метра, но най-често се използва разстояние от порядъка на 50 cm. Всички други параметри са запазени както описаните по-горе.

В този случай е възможно да се манипулира сд местоположението на разпръсквания лазерен лъч спрямо работната зона, предвидена за облъчване, за да се обхване колкото е възможно повече зърно. За постигане на ефективно облъчване при достатъчно времетраене и обхващане на практически всички повърхности на зърното, трябва да се използват няколко разпръсквателя, покрай които зърното трябва да преминава, преди да излезе от корпуса с транспортьора 29.

Claims

1. Метод за повърхностна обработка на субстрат, практически непрозрачен спрямо лазерно лъчение или неспособен да пропуска лазерно лъчение, без при това да абсорбира значително количество от него, с цел да се намали нивото на замърсяващите организми, свързани с повърхността на субстрата, характеризиращ се с това, че лазерното лъчение пада практически върху цялата повърхност на субстрата, като типът и количеството на лазерното лъчение се подбират така, че организмите, намиращи се върху повърхността на субстрата, се лишават от жизнеспособност, като същевременно целият субстрат, с изключение на неговата повърхност, остава практически незасегнат.

2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че субстратът е материал, годен за консумация и/или за посев, а замърсяващите организми са микроорганизми.

3. Метод съгласно претенция 1 или 2, характеризиращ се с това, че субстратът и източникът на лазерното лъчение могат да се преместват един спрямо друг така, че да се осигури възможност практически цялата повърхност на субстрата да бъде изложена на въздействието на лазерното лъчение.

4. Метод съгласно претенция 3, характеризиращ се с това, че преместването на субстрата включва завъртане на субстрата по отношение на лазерното лъчение.

5. Метод съгласно която и да е от претенции 1 до 4, характеризиращ се с това, че лазерното лъчение се осигурява от източник на инфрачервено лазерно излъчване.

6. Метод съгласно претенция 5, характеризиращ се с това, че източникът на лазерно излъчване може да генерира лазерно излъчване при изходяща мощност от 10 до 250 W.

7. Метод съгласно която и да е от претенции 1 до 6, характеризиращ се с това, че източникът на лазерно излъчване работи в 5 режим на непрекъснато вълново излъчване.

8. Метод съгласно която и да е от пре- тенции 1 до 7, характеризиращ се с това, че енергийната плътност на лазерното излъчване върху субстрата е от 10 до 120 W/cm². 10

9. Метод съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че енергийната плътност на лазерното излъчване върху субстрата е от 20 до 50 W/cm².

10. Метод съгласно която и да е от пре- 15 тенции 1 до 9, характеризиращ се с това, че лазерното лъчение се насочва под формата на разпръснат сноп, подобно на лъч или лъчи, идващи от един или няколко източника.

11. Метод съгласно претенция 9 или 10, 20 характеризиращ се с това, че снопът лъчи е паралелен и преди да бъде разпръснат има приблизителен диаметър от 5 до 6 mm.

12. Метод съгласно която и да е от претенции 9 до 11, характеризиращ се с това, че 25 разстоянието, от което лазерният сноп лъчи се разпръсква към обработвания субстрат, е около 50 cm.

13. Апаратура за обработване на субстрат (3, 18, 24), практически непрозрачен 30 спрямо лазерно лъчение или неспособен да пропуска лазерно лъчение, без при това да абсорбира значително количество от него, с цел да се намали нивото на замърсяващите организми, свързани с повърхността на суб- 35 страта, характеризираща се с това, че се състои от източник на лазерно лъчение (6, 13) и средства (1, 2, 11, 12, 19, 26) за обработване на субстрата (3, 18, 24), като лазерните лъчи (8, 9, 10) са принудени да падат практически 40 върху цялата повърхност на субстрата (3,18, 24), обработван със средства за обработване (1,2, 11, 12, 19, 26), и са подбрани от такъв тип и количество, че замърсяващите организми се лишават от жизнеспособност, като в същото 45 време целият субстрат, с изключение на неговата повърхност, остава практически незасегнат.

14. Апаратура съгласно претенция 13, характеризираща се с това, че включва линия 50 за обработване на субстрата със зони за последователно обработване.

15. Апаратура съгласно претенция 14, характеризираща се с това, че субстратът (3,

18, 24) се прекарва по линията за обработване върху ролков лентов транспортьор (1, 19, 26), чрез който се осъществява относителното преместване на субстрата спрямо източника на лазерното лъчение (8, 9, 10).

16. Апаратура съгласно претенция 15, характеризираща се с това, че линията за обра- j ботване е конструирана с поредица от отклоняващи средства (27), които преориентират * движението на субстрата (3, 18, 24) по пътя на лазерното лъчение (8, 9, 10) v

17. Апаратура съгласно която и да е от претенции 13 до 16, характеризираща се с това, че лазерното лъчение (8, 9, 10) се осъществява с топлинен източник на лазерно излъчване с изходяща мощност от 10 до 250 W.ι

18. Апаратура съгласно която и да е отj претенции 13 до 17, характеризираща се с това,!

че лазерното лъчение (8, 9, 10) се осъществяваI с източник на инфрачервено лазерно излъчване.|

19. Апаратура съгласно претенция 18,| характеризираща се с това, че лазерното лъчение се осъществява с лазери с въглероден двуо-j кис или неодим-YAG с итриево-алуминиев гранат (лазери тип Nd:YAG).

20. Апаратура съгласно претенция 18 илиι

19, характеризираща се с това, че е конструирана по такъв начин, че върху субстрата (13,

18, 24) се осигурява лъчение с енергийна плът-‘ ност от Ю^о 120 W/cm².

21. Апаратура съгласно претенция 20, характеризираща се с това, че е конструирана така, че върху субстрата (3, 18, 24) се осигурява лъчение с енергийна плътност от 20 доj

50 W/cm².

22. Апаратура съгласно която и да е от’ претенции 13 до 21, характеризираща се с това, че субстратът (3, 18, 24) се заставя да се завърта около една от своите оси, докато преминава през станцията (6, 13, 25), в която се осъществява облъчването му с лазерно лъчение.

23. Субстрат, практически непрозрачен за лазерни лъчи, характеризиращ се с това, че организмите, свързани с повърхността му, се лишават от жизнеспособност след обработване съгласно която и да е от претенциите 1 до 12.

24. Субстрат, практически непропускащ лазерни лъчи, без при това да абсорбира значителна част от тях, характеризиращ се с това, че организмите, свързани с повърхността му, се лишават от жизнеспособност след обработване съгласно която и да е от претенциите 1 до 12.

25. Субстрат съгласно претенция 23 или 24, характеризиращ се с това, че представлява продукт за консумация, посевен материал или препарат, предназначен за ветеринарни или медицински цели.