CN108704146A - 一种太阳能灭菌装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能灭菌领域，具体涉及一种太阳能蒸汽灭菌装置及其灭菌方法。本发明公开了一种太阳能灭菌方法及装置，由聚光镜和界面加热太阳能蒸汽灭菌锅组成，所述聚光镜(2)设置在镜架(1)上；所述界面加热太阳能蒸汽灭菌锅由壳体(3)、界面蒸发器(4)、光学窗口(5)、密封装置(7)组成；所述壳体(3)包括水体腔室(13)、蒸汽腔室(12)、光学窗口平台(6)。本发明大幅缩短了太阳能蒸汽灭菌循环的时间，提高了其处理能力；同时，还大幅提高了光热能量转化效率，能够快速地、有效地杀死病原体。
Description
技术领域
本发明专利涉及太阳能灭菌领域，具体涉及一种太阳能蒸汽灭菌装置及其灭菌方法。
背景技术
蒸汽灭菌是最可靠、同时也是应用范围最广的一种灭菌方法，但是要依靠电力(或传统能源：如石油、天然气、煤炭)来为其提供能源。然而，在全世界范围内，大约有15亿人生活在缺电、少电(或缺乏有效的现代能源供应)的地区。在这些地区，由于缺乏有效的、可以买得起的灭菌设备，这里的人们普遍面临着严重的传染病威胁。但是，在这些地区，太阳能资源通常十分丰富。这使得太阳能蒸汽灭菌有望成为解决以上问题的理想方案之一。
传统的太阳能灭菌装置需要将灭菌锅内的水体都加热到需要的灭菌温度，因此光热转化效率低、蒸汽温度响应性能差(响应速度慢)，不能满足偏远地区固定医疗场所(或有便携需求)的灭菌需求。为了提高其性能，近些年来各国研究者们提出了一些较为有效的措施。如在水体中加入纳米颗粒来增强水体对太阳光的吸收，引入具有高吸收且保温性能良好的太阳能真空吸热管来提升太阳光的能量利用效率。这些方法的确在一定程度上提高了太阳能蒸汽灭菌锅的蒸汽温度响应速度和光热转换效率，但是其光热转化效率依旧很低、蒸汽温度响应速率依然很慢，依旧不能满足实用过程的需求。
发明内容
本发明为了解决现有技术所存在的光热转化效率低，蒸汽温度响应速率慢的问题，设计了一种新的太阳能灭菌装置及其灭菌方法，相比现有技术，蒸汽生成和升温的速度更快。
本发明的主体结构由聚光镜和界面加热太阳能蒸汽灭菌锅组成；
所述聚光镜设置在镜架上；
所述界面加热太阳能蒸汽灭菌锅由壳体、界面蒸发器、光学窗口、密封装置组成；
所述壳体包括水体腔室、蒸汽腔室、光学窗口平台；水体腔室位于界面加热太阳能蒸汽灭菌锅底部的其中一侧，光学窗口平台位于水体腔室的正上方，光学窗口设置在光学窗口平台上；灭菌锅底部的剩余部分是蒸汽腔室；密封装置设置于蒸汽腔室的上方；
所述界面蒸发器放置在水体腔室内；所述界面蒸发器由供水体、隔热体以及吸收体三部分构成；所述吸收体下方设置隔热体以及供水体，供水体穿插布置在隔热体上。
其中，所述灭菌锅还包括压力表，温度检测装置和温度显示装置。
其中，所述聚光镜与地面的夹角与太阳光入射角互为余角，并且聚光镜聚焦后的太阳光光斑照射在界面蒸发器的表面。
其中，所述光学平台与地面呈45-60°。
其中，所述的密封装置为法兰。
其中，所述的界面加热太阳能蒸汽灭菌锅在壳体的内侧和外侧均设置有保温层，所述保温层的材料是硅酸铝防火隔热棉板或玻璃纤维板或二氧化硅气凝胶毡。
其中，所述隔热体的材料为聚苯乙烯泡沫，所述供水体的材料是棉布或植物纤维膜，所述吸收体使用了生物质碳基材料作为吸光材料，如氧化石墨烯、石墨、炭黑颗粒以及碳纳米管。
其中，所述隔热体边缘两侧的供水体的长度为5-15厘米。
本发明还包括一种使用本太阳能灭菌装置的杀菌方法，打开密封装置，将待灭菌的物品放入界面加热太阳能灭菌锅内的蒸汽腔室，向水体腔室内注入适当的水量，密闭界面加热太阳能灭菌锅；调节聚光镜和界面加热太阳能灭菌锅和太阳之间的位置关系，使得聚光镜汇聚的太阳光线聚焦的光斑照射在水体腔室内的界面蒸发器上；观察温度显示装置，待蒸汽温度达到121摄氏度以上15分钟后，将聚光镜移开到阴暗处，等待温度显示器示数显示蒸汽温度降低到100℃或压力表示数为一个大气压的时候，即可打开灭菌锅的密封装置，取出灭菌后的物品。
有益效果
本发明所设计的界面加热灭菌锅不需要除太阳能以外的外部能源，在使用时，吸收体在吸收入射的太阳光后，迅速将吸收体表层的水分子持续不断的加热到灭菌温度，产生高温蒸汽并充盈满整个灭菌锅的蒸汽腔室，使得腔体内的压力也迅速升高，而无需将锅内所有的水体都加热到灭菌温度。因此，该灭菌锅可以迅速的产生高温蒸汽，极大的提高了蒸汽温度相应速度；也极大的提高了太阳能光热转化效率。由于纯蒸汽的穿透性很强，蛋白质、原生质胶体等生物大分子在湿热条件下容易变性凝固，酶系统容易被破坏；蒸汽在病原体表面凝结成水，能够迅速放出潜热，更增强了杀菌效力。经验证可以有效的杀死包括细菌营养体、芽孢等病原体。该发明相较现有技术，具有结构简单、操作简便、响应速度快(单位时间内处理能力强)、能量利用率高、灭菌性能好以及环保节能等优点，非常适合在缺乏电力供应、缺少现代能源供给的区域以及野外救援、野外求生等场合的使用。
附图说明
图1为本发明装置的系统装置示意图
图2为本发明装置的界面蒸发器的横截面图
图3为本发明装置的界面蒸发器去除了吸收体后的俯视图
图4为本发明的太阳光被聚光镜聚焦到界面蒸发器上的示意图
图5为本发明调节聚光镜与地面角度与高度方法示意图
图6为本发明的界面加热蒸汽灭菌锅的蒸汽和水体温度随时间变化曲线
图7为本发明的界面加热蒸汽灭菌锅升温到灭菌温度(121℃)和产生单位体积高温蒸汽所消耗的能量与其它蒸汽灭菌方法的对比图
图8为本发明的杀菌效果实例图
其中，1为镜架，2为聚光镜，3为外壳，4为界面蒸发器，5为光学窗口，6为光学窗口平台，7为密封装置，8为压力表，9为温度检测装置，10为温度显示装置，11为保温层，12为蒸汽腔室，13为水体腔室，14为供水体，15为隔热体，16为吸收体。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明可以看成由聚光镜组件和界面加热太阳能蒸汽灭菌锅组成。
所述聚光镜组件由镜架1和聚光镜2组成，如图5所示聚光镜2可以以镜架1上的两个旋转支点之间的连线为轴进行旋转，以便聚光镜2可以被调节角度并正对着垂直于太阳光线的入射方向，从而使得聚光镜2可以以最佳角度汇聚太阳能。所述聚光镜2优选为菲涅尔镜。
所述界面加热太阳能蒸汽灭菌锅，以下简称为灭菌锅，由壳体3、界面蒸发器4、光学窗口5、密封装置7组成。所述壳体3为不锈钢壳体，并组成灭菌锅的基体结构，包括水体腔室13、蒸汽腔室12、光学窗口平台6和在工作过程中起到密封作用的密封装置7。所述密封装置7优选为法兰。所述灭菌锅还包括压力表8、温度检测装置9、温度显示装置10，用以观察灭菌锅内的实时温度与压力，以确保灭菌的效果以及灭菌锅整体的安全性。如图1所示，水体腔室13位于灭菌锅底部的其中一侧，所述水体腔室13内装载有用于产生蒸汽的水体，所述光学窗口平台6位于水体腔室13的正上方，所述光学窗口5设置在光学窗口平台6上，其中优选所述光学平台6与地面呈45-60°，进一步优选所述角度为45°，如图4所示，如此设置是为了当太阳入射角度产生变化时，被聚光镜2汇聚的太阳能能始终集中在水体腔室13中的界面蒸发器4上；灭菌锅底部的剩余部分则是蒸汽腔室12，在蒸汽腔室12内可以放置待杀菌的物品。为了便于物品的取出与放置，密封装置7被设置在蒸汽腔室12的上方。保温层11铺设在灭菌锅的壳体3的内部和外部上，以提高对太阳光的能量利用效率。该保温层材料可以是硅酸铝防火隔热棉板、玻璃纤维板、二氧化硅气凝胶毡等。本发明选择二氧化硅气凝胶毡(热导率是这些材料中最低的)作为保温层材料。
如图2所示，界面蒸发器4由供水体14、隔热体15以及吸收体16三部分构成。所述隔热体15用于阻隔高温状态吸收体16向其下方的低温水体传热，所述隔热体15本实施例中为聚苯乙烯泡沫，所述供水体14通过毛细作用从水体腔室13的水体吸水，并向吸收体16持续不断供水，所述供水体14的材质可以是棉布、植物纤维膜等，本发明考虑到其耐久性，优选棉布作为供水体。所述吸收体16可以选择生物质碳以及类似的碳基材料(如氧化石墨烯、石墨、炭黑颗粒以及碳纳米管)作为吸光材料，用于吸收入射太阳光照。如图2，图3所示，所述界面蒸发器4由供水体14、隔热体15以及吸收体16三部分构成；所述吸收体16下方设置供水体14，供水体14之间设置有隔热体15，所述隔热体15的长度比将其包裹于其中的供水体14的长度要短，所述隔热体15边缘两侧的供水体14的长度为5-15CM，其中优选为8CM。如图2所示，吸收体16设置在供水体14的表面，供水体14的一部分向下延伸超出隔热体15延伸到水体里，从而确保供水体14可以及时有效的向吸收体16表面供应水，隔热体15穿插于供水体14内，避免了吸收体16直接与水的接触，极大的减少了热量的散失，同时也保证了供水体可以及时有效的向吸收体表面供水。界面蒸发器4设置在灭菌锅的水体腔室13内，聚光镜的光斑约占吸收体16表面积的5分之一左右，保证当向水体腔室13内注入适量水后，界面蒸发器4会依靠浮力漂浮在水面上，并会随着水面的位置自然升降，避免了蒸发后水位下降导致供水不足的情况。通过以上组件的组合，保证了界面蒸发器4的高光学吸收效率、合适的水供应系统和低的热学损失，实现了快速，高效的热蒸汽发生。
在界面加热太阳能蒸汽灭菌锅的蒸汽腔室12的侧壁上设置压力表8、温度监测装置9、温度显示装置10。温度检测装置9及其显示装置10用于检测灭菌锅内的蒸汽温度。压力表8用于检测灭菌锅内的蒸汽压力，防止水蒸气产生过多导致灭菌锅内压力过大容易发生危险，提高了本发明装置的安全性。
实施例2
当我们使用本发明装置进行杀菌操作时，打开密封装置7法兰，通过水管或其他任何可以供水的方式向界面加热太阳能灭菌锅的水体腔室13内加入适量水，并在水体腔室13内放入已经事先如实施例1所述安装完成的界面蒸发器4。在蒸汽腔室12内放入待杀菌的物品，放置完毕后使用密封装置7，优选为法兰，将界面加热太阳能灭菌锅密封。在晴朗的天气条件下，优选聚光镜2为菲涅尔镜，将菲涅尔镜放置到正对着阳光入射的方向，且调节镜子的表面垂直于太阳光入射方向，从而在使用过程中先找到菲涅尔镜的正焦点，然后延太阳光入射方向，将吸收体设置于高度略高于正焦点的位置，使得光斑照射在界面蒸发器4的吸收体16生物质碳以及类似的碳基材料表面(如氧化石墨烯、石墨、炭黑颗粒以及碳纳米管。选择棉布作为供水体14的材料，通过毛细力向吸收体16的生物质碳以及类似的碳基材料(如氧化石墨烯、石墨、炭黑颗粒以及碳纳米管)表面持续不断的供应水分。吸收体16表面的水分子受热蒸发，迅速扩散充满整个蒸汽腔室12。此时注意观察压力表8以及温度检测装置显示仪表10，防止设备出现异常导致危险。工作过程中，作为隔热体15的聚苯乙烯泡沫有效地防止吸收了太阳能后变为高温状态的吸收体16将热量通过热传导方式散失到水体腔室13中的冷水里的情况(即水体温度基本不会上升)。高温吸收体16含有的水分不断蒸发并加热水蒸气向蒸汽腔室12溢散。之后，高温水蒸气会在需要灭菌物品的表面冷凝，迅速放出大量热量，将病原体杀死。常用的杀菌蒸汽温度为121℃，对于121℃的蒸汽温度，杀菌时间需要保持15分钟以上。使用完成后，将菲涅尔镜移开到阴暗处，等待温度显示装置10示数显示蒸汽温度降低到100℃或以下后(或压力表8示数为一个大气压)，即可打开灭菌锅的法兰，取出被灭菌的物品。需要连续进行多次灭菌操作时，重复上述步骤即可。
实施例3
操作方法与实施例2一致，不断升高蒸汽温度，得到蒸汽升温时间与升温温度之间的关系，其关系如图6所示，本发明的蒸汽温度可以在最初的4.7分钟内快速提升，迅速升到121℃，即蒸汽灭菌所需要的温度，而现有的其他蒸汽灭菌方法则需要40-165分钟，本发明与现有技术相比蒸汽响应速度至少提高了一个数量级，而在蒸汽升温的整个过程中，水体腔室内的水的温度并没有升高，说明本发明的热量损失极低。如图7所示，本发明的界面加热蒸汽灭菌锅升温到灭菌温度(121℃)和产生单位体积高温蒸汽所消耗的能量与其它蒸汽灭菌方法进行对比，本发明的响应时间为4.7分钟，单位体积蒸汽能量消耗为0.012KJ/mL，而对比技术(1)商业化灭菌锅Nanoparticle Solution、对比技术(2)Helios、对比技术(3)Heat Exchanger、对比技术(4)Capteur Soleil的单位体积蒸汽能量消耗为0.1035-3.36KJ/mL，远高于本发明的0.012KJ/mL，本发明产生单位体积蒸汽能量消耗相比对比技术(1)-(4)至少降低了一个量级，这就说明了，使用发明的方法，能量利用效率会提升至少一个量级。这主要是由于界面加热的方法，有效的阻止了吸收体内的热量向水体腔室里的水散失热量。本实施例中所述的对比技术(1)-(4)的灭菌方法的性能参数是分别从以下的文献资料中获得的。
(1)Neumann,O.et al.Compact solar autoclave based on steam generationusing broadband light-harvesting nanoparticles.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 110,11677-11681(2013).
(2)Dhankher,A.et al.A solar sterilization and distillation unit forwater in resource-poor settings(Department of Biomedical Engineering,CarnegieMellon-University,-2014)；
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(4)Tyroller,M.,Brücke,S.,Werdenbergstr,G.Solar steam sterilizer forrural hospitals-(2006)；
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实施例4
将装有含有嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢的菌液的离心管放入界面加热太阳能灭菌锅内，离心管以封口透气膜封口，向水体腔室13内注入适当的水量，密闭界面加热太阳能灭菌锅。优选聚光镜2为菲涅尔镜，调节菲涅尔镜和界面加热太阳能灭菌锅和太阳之间的位置关系，使得菲涅尔镜汇聚的太阳光线聚焦的光斑照射在界面蒸发器4上。观察压力表8和温度检测装置显示仪表10，得到升温至典型蒸汽杀菌温度121摄氏度所需时间以及所处的压力状态。在121摄氏度下保持15分钟后，将菲涅尔镜移开到阴暗处，等待温度显示器10示数显示蒸汽温度降低到100摄氏度(或压力表8示数为一个大气压)即可打开灭菌锅的法兰7，取出待杀菌物品，通过涂布平板和再培养的方法来验证灭菌效果。如图8所示，使用本发明的灭菌方法可以实现对嗜热脂肪芽孢杆菌的芽孢大于99.9999999％的灭菌效率，这要高于世界卫生组织对于医疗器械灭菌效果的标准(99.9999％)。由于嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢是公认的检测蒸汽灭菌灭菌效果的生物指示菌种，所以该结果可以证明：本发明的灭菌方法可以即对于其他病原体同样实现满足世界卫生组织对于医疗器械灭菌的要求。
Claims (10)
1.一种太阳能灭菌装置，其特征在于：由聚光镜和界面加热太阳能蒸汽灭菌锅组成；所述聚光镜(2)设置在镜架(1)上；
所述界面加热太阳能蒸汽灭菌锅由壳体(3)、界面蒸发器(4)、光学窗口(5)、密封装置(7)组成；
所述壳体(3)包括水体腔室(13)、蒸汽腔室(12)、光学窗口平台(6)；水体腔室(13)位于灭菌锅底部的其中一侧，光学窗口平台(6)位于水体腔室(13)的正上方，光学窗口(5)设置在光学窗口平台(6)上；灭菌锅底部的剩余部分是蒸汽腔室(12)；密封装置(7)设置于蒸汽腔室(12)的上方；
所述界面蒸发器(4)放置在水体腔室(13)内；所述界面蒸发器(4)由供水体(14)、隔热体(15)以及吸收体(16)三部分构成；所述吸收体(16)下方设置隔热体(15)以及供水体(14)，供水体(14)穿插布置在隔热体(15)上，并在隔热体(15)边缘处下垂到下方水体中。
2.根据权利要求1所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述灭菌锅还包括压力表(8)，温度检测装置(9)和温度显示装置(10)。
3.根据权利要求1所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述聚光镜(2)与地面的夹角与太阳光入射角互为余角，并且聚光镜(2)聚焦后的太阳光光斑照射在界面蒸发器(4)的表面。
4.根据权利要求1，2，3所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述聚光镜(2)为菲涅尔镜。
5.根据权利要求1所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述光学平台(6)与地面呈45-60°。
6.根据权利要求1所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述的密封装置(7)为法兰。
7.根据权利要求1所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述的界面加热太阳能蒸汽灭菌锅在壳体(3)的内侧和外侧均设置有保温层(11)，所述保温层(11)的材料是硅酸铝防火隔热棉板或玻璃纤维板或二氧化硅气凝胶毡。
8.根据权利要求1所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述隔热体(15)的材料为聚苯乙烯泡沫，所述供水体(14)的材料是棉布或植物纤维膜，所述吸收体(16)的材料是生物质碳基材料，所述生物质碳基材料是氧化石墨烯或石墨或炭黑颗粒或碳纳米管。
9.根据权利要求1所述的太阳能灭菌装置，其特征在于：所述隔热体(15)边缘两侧的供水体(14)的长度为5-15厘米。
10.一种使用本太阳能灭菌装置的杀菌方法，其特征在于：打开密封装置(7)，向水体腔室(13)内注入适当的水量，将待灭菌的物品放入界面加热太阳能灭菌锅内的蒸汽腔室(12)，密闭界面加热太阳能灭菌锅；调节聚光镜(2)和界面加热太阳能灭菌锅和太阳之间的位置关系，使得聚光镜(2)汇聚的太阳光线聚焦的光斑照射在水体腔室(13)内的界面蒸发器(4)上；观察温度显示装置(10)，待蒸汽温度达到121摄氏度以上15分钟，将聚光镜(2)移开到阴暗处，冷却后取出灭菌后的物品。
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