CN108348623A - 用于流体灭菌的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

披露了一种流体灭菌的系统和方法，该系统结合加热段，该加热段用于将加压流体加热到高于温度、压力和持续时间(例如，停留时间)的规定阈值以实现所希望灭菌水平，该系统包括热交换器，该热交换器用于(a)在流体进入该热区段之前对其进行预加热，并且(b)冷却该加热设备的流出物，其中通过以受控顺序操作该加热段前部和后部的阀来使流体行进穿过该设备，以便在维持规定的压力和温度曲线的同时促进穿过该系统的流动。该系统在规定的压力和温度范围内操作以便在不需要在系统的任何部分，包括加热段内维持固定温度或固定压力的情况下实现所希望灭菌水平。

Description

用于流体灭菌的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月28日提交的美国申请号62/211,576的权益，该申请通过援引并入。
技术领域
本发明总体上涉及流体净化和灭菌，并且更具体地涉及通过将流体加热到高于温度、压力和持续时间(例如，停留时间)的阈值的净化和灭菌。
背景技术
流体灭菌在广泛应用中起重要作用，包括个人、工业、制造和医疗应用。一般来讲，灭菌被识别为将使对象不具有任何活性可传染媒介物(诸如真菌、细菌、病毒、孢子形式、微生物、朊病毒等)的过程。有待灭菌的对象可以是以下若干类型中的任何类型，包括表面、某一体积的流体或在人类或动物活动中使用或有待在其中使用的其他材料。灭菌的效果一般经由无菌保证水平(SAL)表示。
此外，含水流体灭菌问题对于发达国家和发展中国家同样是越来越重要的问题之一。由与被细菌污染的水接触导致的并发症在发展中国家是疾病的主要原因中的一些原因。另外，它是发展中国家的孩子死亡的主要原因之一。
目前的水灭菌操作中体现的当前挑战存在许多改善空间。现在的大多数清洁水系统使用诸如逆渗透、薄膜(过滤器)技术或UV光技术等的灭菌过程。这些系统要求定期维护、大量能量以及主要部件的例行更换，诸如薄膜、过滤器或UV灯泡。这样，操作和维护它们是昂贵的，尤其是对于高容量应用。另一个解决方案涉及将水加热到高温作为灭菌的方式，这典型地要求大型散热设备来容纳并冷却加热后的水。
两种方法均需要该设备结构大且一般不可移动。另外的挑战涉及使用流体的非连续流动的解决方案、由需要更多维护的过程制造的副产品和仅处理水的限制。
另外地，由于侵入式医疗程序变得更普遍且日常，因此外部仪器与人体的相对不受保护内部的更多接触极大地增加了对适当的仪器灭菌的需求。当前解决方案典型地涉及通过以下方式的灭菌：浸没在消毒溶液(例如，乙醇或漂白剂)中、用于清洁的超声波法(经由高频声波产生空化作用)或暴露至呈高压蒸汽形式的高温。这些解决方案具有其限制性挑战：消毒溶液方法产生具有有限再利用的有害废物；超声波法费时且需要能量和维护；并且高压蒸汽解决方案可能潜在地损坏敏感且易碎的设备和具有高压密封件的专用设备等。大多数当前的解决方案包含多个活动件，每个活动件的增加造成了增加的维护问题和可能污染的风险。
另外，诸如“朊病毒”等的污染物非常难以杀死并且抵抗几乎所有当前的灭菌方法。朊病毒是以结构上不同的方式折叠的蛋白质，它可以是可传染到其他蛋白质的，从而造成这些其他蛋白质分子采用此类不同折叠。人类和其他哺乳动物体内的此类错误折叠蛋白质复制可能是有害的，尤其是对于脑组织和神经组织。这种形式的复制导致类似于病毒感染的疾病。
作为传染剂的蛋白质不同于所有其他已知的传染剂(如病毒、细菌、真菌或寄生物)——所有这些必须包含核酸(DNA、RNA或这两者)。在许多情况下，哺乳动物中的朊病毒可能具有有害结果，诸如对脑组织和神经组织的损伤，除了将受感染组织从患者完全去除之外，该损伤当前不可治疗。用于此类治疗的设备和仪器此后必须被认为是受污染的。
用于使医疗设备去污染的当前程序在可靠地消除朊病毒或将朊病毒灭活至医学上可接受水平方面是无效的。这样，当前方案共同需要抛弃和销毁暴露至朊病毒的医疗设备，这是较昂贵的主张。
因此，应当理解仍然需要可以产生用于多种用途的无菌流体的设备和方法，诸如用于将受污染的仪器和设备灭菌至在当前方法的情况下所不可能的程度。
发明内容
简要地并且一般来说，本发明提供一种流体灭菌的系统和方法，该系统结合加热段，该加热段用于将加压流体加热到高于温度、压力和持续时间(例如，停留时间)的规定阈值以实现所希望灭菌水平，该系统包括热交换器，该热交换器用于(a)在流体进入该热区段之前对其进行预加热，并且(b)冷却该加热设备的流出物，其中通过以受控顺序操作该加热段前部和后部的阀来使流体行进穿过该设备，以便在维持规定的压力和温度曲线的同时促进穿过该系统的流动。该系统在规定的压力和温度范围内操作以便在不需要在系统的任何部分，包括加热段内维持固定温度或固定压力的情况下实现所希望灭菌水平。
更确切地，在示例性实施例中，该系统结合联接到控制器(诸如计算机)上的多个阀，包括布置在该热交换器的入口点和出口点处和该加热设备的入口点和出口点处的阀。这些阀以受控顺序操作以实现该系统的有效操作，以便包括将流体维持在该加热组件中，持续用于实现灭菌的所希望持续时间。此后，以有序方式打开入口和出口端口以在形成从该热交换器到该加热设备中的一注接收流体的同时使该流体能够离开加热组件。该系统可以利用实现用于控制系统操作，包括这些阀的受控顺序的专利软件的控制器。
在示例性实施例的详细方面中，该系统可以在不具有泵的情况下操作，同时至少部分地由于这些阀经由该控制器的受控顺序操作而实现所希望压力水平。入口水压优选地处于最小水平。
在示例性实施例的另一个详细方面中，该设备可以进一步使流体重复循环以使系统通路灭菌，并且/或者可以包括用于对设备进行灭菌的高压灭菌器腔室。
在示例性实施例的另一个详细方面中，该设备可以进一步包括并行延伸穿过该热交换器和该加热段的管道。
出于将本发明和现有技术中实现的优点汇总的目的，在此描述了本发明的某些优点。当然，应当理解的是，根据本发明的任何具体实施例不一定都可以实现全部这些优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到本发明可以被实施或执行成其方式使得实现或优化如在此所教授的一个优点或一组优点，而不一定实现如在此可能教授或建议的其他优点。
所有这些实施例旨在落入在此披露的本发明的范围内。参照附图，本发明的这些实施例和其他实施例从优选实施例的以下详细说明中对本领域技术人员将变得明显，本发明不局限于任何所披露的特定优选实施例。
附图说明
现在将参照以下附图仅以举例方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是根据本发明的流体灭菌组件的第一实施例的简化框图。
图2是根据本发明的流体灭菌组件的第二实施例的简化框图，该第二实施例将电浸入式加热器作为加热设备加以结合。
图3是根据本发明的流体灭菌组件的第三实施例的简化框图，该第三实施例包括并行延伸穿过热交换器和加热段的管道。
图4是根据本发明的流体灭菌组件的第四实施例的简化框图，该第四实施例结合使用流体的高压灭菌器腔室。
图5是根据本发明的流体灭菌组件的第五实施例的透视图，该透视图示出阀的安排。
图6是根据本发明的流体灭菌组件的第六实施例的简化框图，该第六实施例将冷却段和感应热交换器作为加热元件加以结合。
图7是根据本发明的流体灭菌组件的第七实施例的简化框图，该第七实施例结合冷却段以及阀和传感器的可能替代安排。
图8是根据本发明的流体灭菌组件的第八实施例的简化框图，该第八实施例结合预加热段以及冷却段。
图9是根据本发明的流体灭菌组件的第九实施例的简化框图，该第九实施例将表面式热交换器作为加热元件加以结合。
图10是根据本发明的流体灭菌组件的第十实施例的简化框图，该第十实施例将浸入式热交换器作为加热设备加以结合。
图11是根据本发明的流体灭菌组件的第十一实施例的简化框图，该第十一实施例结合基于丙烷的加热器和热电发生器。
图12是根据本发明的流体灭菌组件的第十二实施例的简化框图，该第十二实施例结合具有电浸入式加热器的高压灭菌器腔室。
图13是根据本发明的流体灭菌组件的第十三实施例的透视图，该第十三实施例结合用于读取传感器并致动阀的控制器。
图14是图13所描绘的流体灭菌组件的前视图。
图15是图13所描绘的流体灭菌组件的顶视图。
图16是图13所描绘的流体灭菌组件的后视图。
图17是图13所描绘的流体灭菌组件的底视图。
图18是图13所描绘的流体灭菌组件的不同透视图。
图19是在图11所描绘的实施例中利用的基于丙烷的加热器的一个构型的顶视图。
图20是图2所描绘的实施例使用分路浸入式加热器系统的变体。
图21是根据本发明的系统操作的简化框图，例如，参考图9的组件。
图22是根据本发明的流体灭菌组件的另一个实施例的透视图，该实施例结合煤气加热器。
图23是根据本发明的用于系统操作的机器状态的简化框图。
图24是根据本发明的可以在流体灭菌组件的加热器组件中使用的基于丙烷的加热器的侧视图。
图25是根据本发明的可以在流体灭菌组件的加热器组件中使用的另一种基于丙烷的加热器的侧视图。
图26是图22的流体灭菌组件的状态监测屏幕的示例性截屏。
图27是图22的流体灭菌组件的系统状态操作的简化流程图。
具体实施方式
如本文所使用的术语“流体”被定义为包括能够流动穿过系统的任何气体或液体，包括水或水溶液，诸如果汁或牛奶；以及具有溶解或悬浮固体的液体或气体，诸如烟道气或原油或废水，例如黑水或灰水。
现在参考附图，并且具体地参考图1和2，示出了可用于对水进行灭菌的流体灭菌组件。流体源10连接到该组件的入口上。系统使用高温来将流体灭菌到所希望水平。然后，这种经灭菌流体具有多种用途，其中一个是生产去污染的饮用水，无论生物污染的水平或来源。灭菌是通过使流体穿过加热元件以使流体过热到使任何活性可传染媒介物灭菌的程度来实现的。该系统在规定的压力和温度范围内操作以便在不需要在系统的任何部分，包括加热段内维持固定温度或固定压力的情况下实现所希望灭菌水平。此外，流体的入口压力实现穿过系统的流动。
组件的操作可以包括起始阶段、连续流动阶段和操作阶段。在起始阶段中，将流体初始地引入系统中，进行灭菌，驻留较短时间，并且启动该系统用于连续流动操作。在操作阶段中，引导经灭菌流体以供例如见图23用于组件的不同操作状态。
图1和图2的组件包含用于流体的入口，该入口包括阀组件11。流体继续沿着流动路径到热交换器12的第一(冷却)路径部分，在该第一路径部分中对流体进行预加热，之后流体沿着流动路径行进到加热段14，在该加热段中将流体加热到规定温度和压力，持续规定持续时间(例如，停留时间)，以便将流体灭菌到高于所希望水平。此后，流体然后沿着流动路径往回行进穿过热交换器12的第二(热)路径部分以便在离开系统前使流体冷却。在起始阶段过程中，流体作为不合格排放物19通过阀组件18离开系统。在操作阶段过程中，流体作为无菌流体排放物20通过阀组件17离开系统。流体从系统的排放可以使得将更多流体汲取到系统中，以促成受污染流体向系统中的流动和经灭菌流体的排放。此外，流体的入口压力实现穿过系统的流动。
示例性实施例以若干布置利用不同类型的若干阀以便维持过程变量，诸如流速或压力的所希望操作范围。本文的实施例中的阀的具体数量、用途和布置仅出于说明性目的描述，而不应当理解为将本发明限制于阀的这些具体数量、用途或布置。不同类型的阀，包括示例性实施例中描述的止回阀、比例流量阀、螺线管阀和泄流阀可以在具有类似功能的情况下在系统中以不同布置添加或去除。例如，伺服阀可以替代示例性实施例中描述的自锁阀或额外使用，并且可以沿着系统的流动路径布置在任何地方，或者可以一起从系统消除。如另一个实例，步进电机比例流量阀可以替代或除了导向操作的比例流量阀使用、与压力换能器或流量计一起或不与其一起使用。此外，系统中的阀可以由手、由弹簧、由螺线管或由任何其他阀致动装置致动。类似地，热电偶、压力换能器和过程传感器或除了阀之外的其他控制相关设备的数量和布置可以在不背离本发明的范围的情况下从本文的描述进行更改。此外，加热部件可以是绝缘的以便抑制辐射热损失。可以使用不同形式的绝缘体，诸如例如可以使用可以提供附加益处的陶瓷层。例如，浸入式加热器可以配备有陶瓷涂层，该陶瓷涂层可以在长期使用时进一步抑制加热器上的结垢(积聚物)。
布置在系统内部或从外部连接到系统上的一个或多个控制器180与系统中的阀、换能器、热电偶或传感器接口连接。示例性实施例中的控制器180是包括微处理器的数字计算机，该微处理器执行计算机可读指令以协调系统的操作；然而，可以使用能够进行过程控制的任何装置，包括但不限于机械或气动控制器或模拟电子系统。控制器的使用可以使操作员能够观察并管理灭菌过程(例如，从用户界面或显示器读取传感器数据以及相应地打开或关闭阀)，或者可以使系统能够在规定的操作准则下自动地操作。控制器可以在有限的程度上使用，或者可以在系统将仅需要被通电以根据说明书生产经灭菌流体的程度上使用。系统的实施例可以在不具有控制器的情况下使用，然而，这样使得操作员可以手动地致动阀并读取传感器信息，即，仪表或目视读数或图形。
更具体地并且继续参考图2，流体通过手动阀(HV1)31从入口30进入系统。在示例性实施例中，流体具有介于50磅/平方英寸与500磅/平方英寸之间的压力，并且行进穿过止回阀(CV1)35、压力换能器(P1)36、热电偶(TC1)37和流量计(FM1)38。另外地或可替代地，泵34可以用于通过入口32从储存器或其他未加压流体源汲取流体。止回阀用于确保系统中的单向流动，并且压力换能器和热电偶以及其他传感器用于监测系统中的流体的动态性能。流量计用于确定穿过系统的流体的速率，该速率可以使用比例流量阀更改。根据可应用灭菌温度，入口流体压力限定该灭菌温度下的流速和驻留时间。以下的表1列出示例性实施例中针对给定入口压力的灭菌温度。
表1
当流体进入系统时，其可以穿过过滤器(F1)130(图6)以用于固体污染物去除，之后继续进入热交换器12。热交换器12通过实现其间的热传递来(a)在流体进入加热段14之前对其进行预加热并且(b)对加热段14的流出物进行冷却。在示例性实施例中，流体以环境温度(典型地介于15℃与20℃之间)进入系统，如由沿着流动路径布置在入口30与热交换器12之间的TC1 37所测量的。然后，流体流过热交换器12，在该热交换器中流体被预加热到介于约70℃与95℃之间，并且更优选地介于88℃与92℃之间或为约90℃的温度。在环境入口温度低于15℃-20℃的情况下，可以结合预加热段。
系统提供从入口10到出口17、18以连续和/或分批方式可操作的流动路径。流动路径包括被配置成用于将流体维持在规定的压力和温度下的部件和管道。在示例性实施例中，在系统中从入口到出口，包括加热段使用食品级不锈钢管道。遍及系统的材料中使用的金属的选择将基于最适合具体应用的要求，但典型地将是耐热合金。这允许在不形成可能产生金属腐蚀的金属失配的情况下的方便安装，该腐蚀可能是由于系统内的化学或电化学反应。
在另一个实施例中，变速泵可以用于实现系统中的所希望压力。例如，变速泵可以接近系统30的入口使用以实现所希望的入口压力。另外，变速泵可以接近系统的出口放置并与入口压力相关联操作以实现所希望的出口压力，但不形成内部压力扰动。
在另一个实施例中，在图5中最佳看出，加热元件112用于在流体离开热交换器12后将其预加热到甚至更高的温度。在穿过预加热段111中的这个第一加热元件112(例如，带加热器)后，然后流体流动到加热段14中并穿过其中的加热设备113以便达到其用于灭菌的所希望温度。如图8所示，在这个实施例中，加热器带用作预加热元件112，尽管可以使用其他加热设备，类似于如下文中所讨论的主加热段14。这个预加热段111将流体加热到介于约90℃与120℃之间的温度，如由沿着流动路径布置在热交换器12与加热段14之间的第二热电偶(TC2)42所测量的。然而，可预想其他实施例，其中流体直接从热交换器12传送到加热段14，或者甚至直接从入口30传送到加热段14，从而排除预加热段111。
泄流阀(RV1)41沿着流动路径布置在热交换器12与加热段14之间以便在流动路径中的压力超过设定的开启压力(例如，500磅/平方英寸)时将流体从流动路径释放。泄流阀的致动使流体转向离开流动路径，这样使得流动路径中的压力将停止上升或下降，以便保护系统不由于超压而损坏或故障。如果致动的话，泄流阀可以使过量流体通过辅助流动路径转向回到系统，或者可以使过量流体转向离开系统。
加热元件被配置成用于使流体快速且准确地达到所希望的温度。在图2所示的示例性实施例中，加热段14利用例如1000瓦特的浸入式流体加热器47、49和51作为主加热元件。本文所述的其他实施例可以使用感应式热交换器132(图6)、表面式热交换器145(图8)或丙烷加热器160(图11、图19、图24和图25)。然而，可以在不背离本发明的范围的情况下单独地或组合地使用其他加热设备，诸如带加热器、加热棒、直接火焰(例如，使用天然气、丙烷、柴薪或其他燃料)、浸入式加热器、石墨烯(例如，作为导体或用于管理直接热量或这两者)、微波、太阳能加热器(例如，用于使热能聚集的透镜或反射镜)、或来自组合供热供电发生器的热量。
另外，根据本发明的系统可以整合到其他机械结构中，从而利用其中可获得的热源来为加热段提供热源。例如，加热段可以利用机动车辆或发生器的经加热部件(例如，引擎体或尾管)作为表面加热器，只要能够实现所希望的热量。在示例性实施例中，加热段可以包括流动路径，该流动路径结合到与电机部件(诸如发生器或车辆)的经加热部件(例如，引擎体或尾管)整合的歧管中，其中控制器可以管理穿过加热段的流速以将流体维持在规定温度和压力下，持续规定的持续时间(例如，停留时间)以对流体进行灭菌。值得注意的是在这个实施例中，在整个操作过程中，加热段内的温度和压力可以被监测并且灭菌可以由流体压力和流量控制，同时整合取决于机动部件的操作的供热的温度。
继续参考图5，在从热交换器12离开后，通过第二止回阀(CV2)43将预加热流体释放到加热段14中。将流体加热到介于约135℃至240℃之间，由布置在加热段14中的热电偶(TC3、TC4等)48、50、52测量。流体在240℃的停留时间是约1秒或更少，尽管停留时间可以如所需要的更改以使流体在不同的过程变量下进行灭菌。
在示例性实施例中，不允许流体从液态改变。通过高压抑制，允许流体达到高温，同时仍然使其维持液态。然而，流体不需要维持在液态，尤其是在未被设计成具有高压流动路径的实施例中。系统被配置成用于在相应压力水平下对流体进行加热以实现有效灭菌。更具体地，系统可以达到用于使细菌、病毒和朊病毒等其他传染媒介物和有机污染物灭菌的所希望水平。此外，在规定的温度以上，系统可以分解有机分子。
预想另一个实施例，其中除了或替代加热段14，蒸馏部件沿着流动路径布置。这种蒸馏部件的一个实例可以是真空室，该真空室在流体进入腔室之前将被抽空，其中流体在进入腔室中的低压区时汽化。该汽化流体在系统中继续之前将在冷凝器处作为馏出物收集。另外地，该蒸馏部件可以在加热段14中时加热到足够高的温度，以便用作蒸馏部件和灭菌部件两者。
图2的实施例中所描绘的浸入式水加热器47、49和51被设计成紧密接近限定穿过加热段(加热器47、49和51)的流动路径的管道内壁充分地填充流动路径的体积，以便提供用于使流体维持与加热器47、49和51的表面的所希望接触的适当表面积，以便在保证抵抗加热器过热的同时确保流体充分加热。例如，在示例性实施例中，浸入式加热器的表面上的流动可以将电流与加热器相匹配，或者如果将控制设置为水的离开温度，那么加热器将过热，但流量较低并且未从加热器去除足够热量。控制这个问题的一种方法是在浸入式加热器上提供热电偶以便确保当水流下降或降低时，浸入式加热器不过热。
更具体地，浸入式加热器可以具有狭长的圆柱形状，其中加热器与限定穿过加热段的流动路径的圆柱形管道轴向对齐定向。以此方式，系统优化该或这些加热器与流体之间的能量传递。加热段14中的流动路径可以如具体实施例可能要求的结合增加加热元件12的效率的不同装置。例如，诸如折流板和紊流器等的湍流发生器可以布置在加热段14流动路径中以断裂流体的另外层流的边界层，或者增加流体的与加热元件12直接接触的表面积。如另一个实例，沿着加热段14流动路径的长度延伸的内部紊流器自身可以作为浸入式加热器或作为感应式热交换器进行加热。此外，任何具体实施例中的加热段14的尺寸可以更改以适合所希望的输出量。例如，用于更紧凑或便携式系统实施例的加热段14的长度可以减少，或者用于更大且更高容量系统实施例的加热段14中的流动路径的直径可以增加。可以按比例放大或缩小任何尺寸以得到所希望的操作变量。
现在无菌的经加热流体离开加热段14并行进回到热交换器12。在示例性实施例中，热交换器12是多管道的，从而允许间隔化的流体流动从入口30进入并且经加热流体从加热段14进入。从入口30进入热交换器12的未加热流体的接近帮助使从加热段14进入的经加热流体冷却的过程，而间隔化防止任何可能的再污染。在其他实施例中，可以在不背离本发明的情况下使用其他热传递装置和热交换器设计。例如，替代或除了管式热交换器，可以单独地或组合地使用基于板的热交换器或相变式热交换器。
在这个示例性实施例中，无菌流体的温度在穿过热交换器12后降低到约70℃。图6和图7所见的另一个实施例结合冷却段135，该冷却段包括流体冷却设备138以在无菌流体离开系统之前进一步降低其温度。流体穿过另一个泄流阀(RV2)54(图2)和步进电机比例流量阀(SMPFV1)57，之后流体被引导穿过用于不合格排放物19的自锁阀(LV2)58或用于无菌流体排放物20的自锁阀(LV1)60以离开系统。可替代地或另外地，一个三通阀118(图6)可以用于将流体引导至不合格排放物19或经灭菌流体排放物20流动路径。可以引导不合格排放物19离开系统，或者可以将其引导回到系统中用于再灭菌。
尽管示例性实施例已经被描述为利用泵34来确保入口30处的适当压力，但可以在不具有泵的情况下使用该系统，如图9和图10所见，其中流体经由若干压力系统中的任何引入，即，从储存塔或高水箱重力供给。当流体达到规定的灭菌温度(例如，250℃)时，如由TC348和TC4 50读取的，将用于不合格排放物19的螺线管阀(SV1)150打开，并且在第一比例流量阀(PFV1)110处打开入口30。通过对PFV1 110和第二比例流量阀(PFV2)116的调整控制压力。这从入口30到排放物19之间形成稳定流体流动。一旦在加热段中建立稳定流体流动持续规定的时间段(例如，停留时间)，以便在不具有显著温度损失的情况下(例如，至少维持在240℃)确保完全灭菌(例如，5秒)，如由TC3和TC4所监测的，就关闭用于不合格排放物19的SV1 150并打开用于无菌流体排放物20的第二螺线管阀(SV2)151。然后，产生无菌流体，该无菌流体在入口30处摄入、穿过HV1 31、CV1 35和PFV1 110，从而通过SV2 151离开。尽管在文本实施例关于连续操作或稳定流体流动进行详细描述，但根据本发明的其他实施例可以按脉冲或分批模式操作。例如，控制器180可以被编程以针对给定体积(例如100加仑)或给定持续时间(例如1小时)产生经灭菌流体，并且然后切断系统。如另一个实例，手动操作员可以打开必要的阀以允许某一体积的流体进入加热段14，然后关闭必要的阀持续所希望的停留时间以使加热段14中的该体积的流体灭菌，并且最后打开必要阀以将该体积的流体引导至无菌流体排放物20。
现在参考图21，讨论根据本发明的系统(例如，图9的系统)的示例性操作顺序。首先，在示例性实施例中，操作员如下文详细讨论的验证系统是操作性的并且所有阀均关闭。接下来，验证附接了水源以向系统递送水。步骤3，现在可以打开终端阀(例如，HV1、HV2、HV3)。步骤4，现在打开控制阀(例如，PFV1、PFV2、SV1)以允许穿过组件的完全流动将所有空气从流动路径清洗出。步骤5，关闭控制阀(例如，PFV1、PFV2、SV1)。现在流体将被约束在系统的流动路径内，其中没有截留的空气。控制器180将例如经由P1读取系统内的压力以确保可获得初始最小压力(例如，至少50磅/平方英寸)。
如果所测量的初始最小压力是令人满意的，那么在步骤6处，控制器激活水加热段，在示例性实施例中，主加热段被设置为规定灭菌温度。步骤7，当加热段是规定的灭菌温度时，(例如，如TC3、TC4所测量的)，打开控制阀(例如，PFV1、PFV2、SV1)以启动穿过系统的流动。接下来，在步骤8处，一旦通过系统建立稳定流体流动持续足够的时间段，例如至少5秒，同时维持足够的灭菌温度，并且可以关闭用于不合格排放物的阀(SV1)并可以打开用于经灭菌流体的阀(SV2)。
在操作过程中，控制器180监测系统以确保维持操作安全并确保在规定公差内维持规定灭菌温度和压力。在整个系统的整个操作过程中持续地监测这些测量值，例如主加热段内的温度优选地介于240℃与275℃之间(在TC3和TC4处测量)。以及，流出物温度(在TC5处测量)。如在P1和P2处测量的系统内的压力必须小于500磅/平方英寸。在示例性实施例中，利用检查浏览器来防止在每个区段中形成背压。过滤器(F1)用于滤出固体污染物以防进入系统。控制器在TC1处监测入口水温，该水温优选地介于15℃与20℃之间。
图26描绘了来自控制器180的截屏400，该截屏描绘了用于系统的状态监测器。控制器监测传感器并控制阀、加热元件和系统的其他特征。在使用过程中，控制器确保系统在规定的压力和温度范围内操作以便在不需要在系统的任何部分，包括加热段内维持固定温度或固定压力的情况下实现所希望灭菌水平。这进一步确保系统的安全操作。在示例性实施例中，截屏400中描绘的测量值410是从传感器(图22的TC1、TC2、TC3、TC4、P1、P2、P3)接收的。控制器进一步使得操作员能够指定灭菌设置点和水流设置点(420)。控制器持续地更新其测量值和控制，例如，如图27所示。
图13至图18描绘了利用控制器180的实施例的若干视图。图13从前右上角的透视图示出了系统。图14从前部示出了系统，而图15从顶部示出了系统。类似地，图16从后部示出了系统，而图17从底部示出了系统。最后，图18从后右下角示出了系统。在这个实施例中，系统结合联接到控制器180上的多个阀，包括布置在热交换器12的入口点和出口点处和加热段14的入口点和出口点处的阀。这些阀以受控顺序操作以实现该系统的有效操作，以便包括将流体维持在加热段14中，持续所希望持续时间以实现灭菌。此后，入口和出口端口以有序方式打开以在形成从热交换器12到加热段14中的一注接收流体的同时使流体能够离开加热段14。以此方式，系统可以在不具有泵的情况下操作，同时至少部分地由于经由控制器180的控制这些阀顺序操作而实现所希望压力水平。
现在参考图3，示出了类似于上述实施例的可用于对水进行灭菌的分路流体灭菌组件，该流体灭菌组件进一步包括并行延伸穿过热交换器12和加热段14的多条流动路径81、82、83、84、86、87、88和89。多个阀沿着这些流动路径中的每一者布置，这样使得每条流动路径可以按独立方式操作。然而，这些流动路径中的每一者的操作可以被排序，这样使得可以由组件实现连续同时操作，由此放大总体系统的流动通过量。此外，并行流动路径的可控操作使用户能够定制系统的输出以实时满足用户需求水平。其他实施例可以如所必需的利用分路或未分路流动路径以实现不同输出。例如，图20描绘了使用浸入式加热器47、49、51和200对图2的实施例的变化，这些浸入式加热器沿着加热段14中的分路流动路径布置。
现在参考图4，该组件可以进一步包括用于对设备或辅助材料(例如，医疗材料、外科材料，诸如钻头、离心机等)进行灭菌的高压灭菌器腔室100。更具体地，高压灭菌器腔室100被配置成用于将设备暴露至维持高于温度和压力阈值的加压流体，持续规定持续时间(例如，停留时间)，以便实现所希望的灭菌水平，同时将流体维持在液态。高压灭菌器腔室100提供用于接收设备的外壳，该外壳可以充满从加热段14接收的用于灭菌的加压流体。高压灭菌器腔室100联接到组件的加热段14上以从其接收加压流体流出物。附加加热设备170、171和172(图12)可以包括在高压灭菌器单元100中以确保流体的一致温度或帮助经灭菌设备的干燥。
在使用中，将设备放置在高压灭菌器腔室100中。然后，对腔室100进行加压，使其充满来自加热段14的加压流体。优选地，流体高于最小温度(例如，141℃)且高于最小压力以便维持液态。暴露设备持续规定的持续时间(例如，停留时间)以确保灭菌。此后，流体从高压灭菌器腔室100排出，并且可以将来自热交换器12的经冷却无菌流体引导至腔室100中以使设备冷却。然后，腔室100排出流体，并且可以移除经灭菌设备。
来自高压灭菌器腔室100的流出物可以通过系统重复循环。在示例性实施例中，将流出物引导回到热交换器12，这样使得其可以重复循环到热交换器12和加热段14。可替代地，可以引导流出物穿过不合格排放物19，或者由于用于将高压灭菌器腔室中的设备灭菌的流体是无菌的，将其引导穿过无菌流体排放物20。现在参考图5，示出了根据本发明的灭菌组件的透视图。系统可以联接到流体源和电源上并且此后可以快速地启动操作。值得注意地，这个组件是紧凑且轻型的，这样使得其可以容易地运输到几乎任何位置。以此方式，经灭菌流体可以广泛地可得。图5所描绘的实施例测量为高度小于1英尺、长度小于6英尺并且宽度是约一英尺，尽管甚至更小的组件是可能的。可替代地，甚至更大的组件是可能的，利用该组件提供增加的灭菌能力。
灭菌组件实施例可以利用不同电源。一个构型可以包括锂离子电池或其他形式的能量储存装置，利用该能量储存装置来操作灭菌组件或至少操作其中的任何电子设备。可以结合太阳能电池板以给所述电池充电或操作控制器180或其他电子设备。图11所见的另一个构型将热电发生器(TEG1、TEG2、TEG3和TEG4)162、163、164和165结合在加热段14中以回收由其中的丙烷加热元件160和161生成的过剩热量中的一些并将其转换为电力以操作组件的电子设备。该组件可以包括多个电池。在使用中，一子集的多个电池可以在充电，而其他电池可以给组件供电，然后一旦电池充满就交替。控制器可以被配置成用于以此方式管理电池。
图18描绘了图11所表示的煤气加热器组件161的更详细图，这样使得流体进入螺旋回路流动路径196(图19)，该流动路径安置在用于流动到螺旋管190中的丙烷或其他燃料195的匹配流动路径上方，后一条路径具有规则间隔的穿孔194，燃料被引导出这些穿孔并点火以便对上部流动路径196中的流体进行加热。还针对结合气体加热源的组件的另一个实例参见图22。图23和图24描绘了结合螺旋回路流动路径的煤气加热器组件，该流动路径以截头圆锥体构型来配置，该流动路径安置在用于丙烷或其他燃料的匹配流动路径上方，后一条路径具有规则间隔的穿孔，燃料被引导出这些穿孔并点火以便对上部流动路径中的流体进行加热。
预想另一个实施例，其中结合系统控制器180的灭菌系统包括用于发射或接收关于系统的信息的装置。例如，系统中的控制器180可以连接到网络上以便将传感器数据发射给远程操作员并从其接收命令。如另一个实例，系统中的控制器180可以被装备以广播电磁信号(例如，无线电波)以发射操作状态、输出速率或维护需求(例如，准备就绪、系统健康状态)以便远程地监测该系统。
应当从上文理解，本发明提供一种流体灭菌的系统和方法，该系统结合加热设备，该加热设备用于将加压流体加热到高于温度、压力和持续时间(例如，停留时间)的规定阈值以实现所希望灭菌水平，该系统包括热交换器，该热交换器用于(a)在流体进入该加热设备之前对其进行预加热，并且(b)冷却该加热设备的流出物，并且其中通过以受控顺序操作该加热段前部和后部的阀来使流体行进穿过该设备，以便在维持规定的压力和温度曲线的同时促进穿过该系统的流动。该系统在规定的压力和温度范围内操作以便在不需要在系统的任何部分，包括加热段内维持固定温度或固定压力的情况下实现所希望灭菌水平。此外，根据本发明的实施例可以如所希望的针对住宅、商业或工业用途定制。
已经根据当前优选实施例对本发明进行描述，这样使得可以传达对本发明的理解。然而，存在可应用于本发明的未具体描述的其他实施例。因此，本发明不应当视为限制于所示出的形式，这些形式应当被认为是说明性而非限制性的。

Claims (21)

1.一种用于流体灭菌的系统，该系统包括：
入口，该入口用于操作性连接到流体源上以沿着用于由该系统灭菌的流动路径提供流体；
加热段，该加热段沿着该流动路径与该入口流体连通，该加热段将其中的加压流体加热到高于温度、压力和停留时间的规定阈值以实现所希望的灭菌水平；
热交换器，该热交换器具有第一路径，该第一路径沿着该流动路径在该入口与该加热段之间流体连通地布置以在流体进入该加热段之前对其进行预加热，并且该热交换器具有第二路径，该第二路径沿着该流动路径定位在该加热段与系统出口之间以在该加热段的流出物离开该出口之前使其冷却，其中该热交换器的该第一路径和该第二路径被配置成用于在其间传送热能；以及
多个阀，该多个阀沿着该流动路径布置，包括布置在该热交换器的入口点和出口点处和该加热段的入口点和出口点处的阀；
多个传感器，该多个传感器沿着该流动路径布置，包括(a)压力传感器，该压力传感器布置在该入口与该热交换器的该第一路径之间，(b)温度传感器，该温度传感器布置在该加热段中以测量其中的流体温度，(c)压力传感器，该压力传感器布置在该热交换器的该第二路径与该出口之间；以及(d)温度传感器，该温度传感器布置在该热交换器的该第二路径与该出口之间；
数字控制器，该数字控制器与该多个传感器操作性连通以从其接收测量值并操作性控制该多个阀以按受控顺序操作这些阀，以便在将其控制为压力和温度的规定范围内的规定压力和温度曲线的同时促进穿过该系统的流动，以便在不需要维持该系统的任何部分，包括该加热段内的固定温度或固定压力的情况下实现所希望的灭菌水平。
2.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括与穿过该加热段的该流动路径轴向对齐定向的浸入式加热器。
3.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括与机动发生器或机动车辆的经加热部件整合的歧管。
4.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，其中，该多个阀包括：
(a)第一阀，该第一阀位于该入口与该热交换器的该第一路径之间，
(b)第二阀，该第二阀位于该热交换器的该第一路径的下游并位于该加热段的上游，
(c)第三阀，该第三阀位于该加热段的下游并位于该热交换器的该第二路径的上游；以及
(d)第四阀，该第四阀位于热交换器的该第二路径的下游并位于该出口的上游。
5.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，该系统进一步包括冷却设备，该冷却设备沿着该流动路径布置在该热交换器与该出口之间。
6.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，该系统进一步包括带加热器，该带加热器沿着该流动路径联接在该热交换器的该第一路径的下游并联接在该加热段的上游。
7.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括沿着该流动路径布置的蒸馏部件，流体在进入该蒸馏部件中的低压区时在其中汽化，该汽化流体在沿着该流动路径继续下流之前作为馏出物在冷凝器处收集。
8.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括湍流发生器，该湍流发生器用于接近其中的加热器在其中形成流体的湍流。
9.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括热源，该热源选自下组，该组由以下各项组成：带加热器、加热棒、直接火焰、浸入式加热器、石墨烯、微波和太阳能加热器。
10.如权利要求1所述的用于流体灭菌的系统，该系统进一步包括高压灭菌器，该高压灭菌器联接到该加热段上以从其接收加压流体流出物，该高压灭菌器腔室具有用于接收该设备的外壳，该外壳能够充满从该加热段接收的用于灭菌的该加压流体。
11.一种用于流体灭菌的系统，该系统包括：
入口，该入口用于操作性连接到流体源上以沿着用于由该系统灭菌的流动路径提供流体；
加热段，该加热段沿着该流动路径与该入口流体连通，该加热段将其中的加压流体加热到高于温度、压力和停留时间的规定阈值以实现所希望的灭菌水平；
热交换器，该热交换器具有第一路径，该第一路径沿着该流动路径在该入口与该加热段之间流体连通地布置以在流体进入该加热段之前对其进行预加热，并且该热交换器具有第二路径，该第二路径沿着该流动路径定位在该加热段与系统出口之间以在该加热段的流出物离开该出口之前使其冷却，其中该热交换器的该第一路径和该第二路径被配置成用于在其间传送热能；以及
多个阀，该多个阀沿着该流动路径布置，其中，该多个阀包括
(a)第一阀，该第一阀位于该入口与该热交换器的该第一路径之间，
(b)第二阀，该第二阀位于该热交换器的该第一路径的下游并位于该加热段的上游，
(c)第三阀，该第三阀位于该加热段的下游并位于该热交换器的该第二路径的上游；以及
(d)第四阀，该第四阀位于热交换器的该第二路径的下游并位于该出口的上游；
多个传感器，该多个传感器沿着该流动路径布置，包括(a)压力传感器，该压力传感器布置在该入口与该热交换器的该第一路径之间，(b)温度传感器，该温度传感器布置在该加热段中以测量其中的流体温度，(c)压力传感器，该压力传感器布置在该热交换器的该第二路径与该出口之间；以及(d)温度传感器，该温度传感器布置在该热交换器的该第二路径与该出口之间；
数字控制器，该数字控制器与该多个传感器操作性连通以从其接收测量值并操作性控制该多个阀以按受控顺序操作这些阀，以便在将其控制为压力和温度的规定范围内的规定压力和温度曲线的同时促进穿过该系统的流动，以便在不需要维持该加热段内的固定温度或固定压力的情况下实现所希望的灭菌水平。
12.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括湍流发生器，该湍流发生器用于接近其中的加热器在其中形成流体的湍流。
13.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，该系统进一步包括高压灭菌器，该高压灭菌器联接到该加热段上以从其接收加压流体流出物，该高压灭菌器腔室具有用于接收该设备的外壳，该外壳能够充满从该加热段接收的用于灭菌的该加压流体。
14.如权利要求13所述的用于流体灭菌的系统，其中，该高压灭菌器沿着该流动路径布置在该加热段的下游并布置在该热交换器的该第二路径的上游。
15.如权利要求13所述的用于流体灭菌的系统，其中，该高压灭菌器在其中包括加热组件。
16.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括蒸馏部件，该蒸馏部件沿着该流动路径布置，流体在进入该蒸馏部件中的低压区时在其中汽化，该汽化流体在沿着该流动路径继续下流之前作为馏出物在冷凝器处收集。
17.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，其中，该流动路径由耐热合金形成。
18.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段包括热源，该热源选自由感应式热交换器和表面式热交换器组成的组。
19.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，其中，该流动路径包括穿过该加热段的并行路径。
20.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段整合在组合供热供电系统内，其中，用于该流体的灭菌的供热由在该发电机系统内产生的热量供应。
21.如权利要求11所述的用于流体灭菌的系统，其中，该加热段与太阳能发电系统整合，其中，用于该灭菌的该供热由在该太阳能系统内产生的热量提供。
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