RU2225225C2

RU2225225C2 - Device for inactivating microorganisms with ultraviolet radiation

Info

Publication number: RU2225225C2
Application number: RU2001122943/13A
Authority: RU
Inventors: Э.А. Соснин; Л.В. Лаврентьева; Я.В. Мастерова; В.Ф. Тарасенко
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2004-03-10

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has dielectric flask transparent at operation wavelength containing gas mixture, electrodes enclosing inner discharge space, oscillator connected to both electrodes. The electrodes are closely arranged over external flask surface. Working medium includes inert gas and halogen. Operation voltage is not to be greater than 10 kV under certain parameter relation. EFFECT: provided ultraviolet radiation production at wavelength optimum for inactivation; high reliability and safety.

Description

Изобретение относится к технике обеззараживания и дезинфекции, в частности к средствам ультрафиолетовой (УФ) инактивации микроорганизмов. The invention relates to techniques for disinfection and disinfection, in particular to means of ultraviolet (UV) inactivation of microorganisms.

Известны устройства обеззараживания, в которых используется УФ-излучение т. н. бактерицидных ртутно-кварцевых ламп низкого давления. В таких лампах около 70% всей излучаемой мощности приходится на ультрафиолетовое излучение в диапазоне от 250 до 370 нм, из них около 60% приходится на долю резонансной линии ртути 253,7 нм, обеспечивающей максимум бактерицидного действия [1]. Наиболее эффективным губительным действием обладает излучение с длинами волн 200-295 нм, поэтому его называют бактерицидным. Длины волн короче 200 нм также обладают бактерицидным действием, но практике применяется редко, поскольку, например, имеют сильное поглощение как в воздухе, так и в водных растворах. КПД ртутно-кварцевых ламп низкого давления относительно бактерицидной мощности составляет 5-10%. Устройства имеют простое питание и обслуживание, что позволило им получить широкое распространение. Disinfection devices are known in which the so-called UV radiation is used. bactericidal mercury-quartz lamps of low pressure. In such lamps, about 70% of the total radiated power falls on ultraviolet radiation in the range from 250 to 370 nm, of which about 60% falls on the resonance line of mercury 253.7 nm, which provides maximum bactericidal action [1]. The radiation with wavelengths of 200-295 nm has the most effective destructive effect, therefore it is called bactericidal. Wavelengths shorter than 200 nm also have a bactericidal effect, but are rarely used in practice, because, for example, they have strong absorption both in air and in aqueous solutions. The efficiency of low-pressure mercury-quartz lamps relative to bactericidal power is 5-10%. The devices have simple power and maintenance, which allowed them to be widely used.

Известны способ и устройство, в котором дополнительно к ультрафиолетовому излучению ртутной лампы обеззараживаемый предмет или вещество помещается в окислительную среду, губительную для инфекционных микроорганизмов [2]. A known method and device in which, in addition to ultraviolet radiation from a mercury lamp, a disinfected object or substance is placed in an oxidizing environment that is harmful to infectious microorganisms [2].

Общим недостатком этих устройств является вероятность разгерметизации колбы ртутной лампы. В этом случае пары ртути через фольговые вводы лампы, микротрещины, образующиеся в процессе старения лампы, или же при случайном разрушении колбы лампы могут оседать на обеззараживаемой поверхности, попадать в раствор или в воздушную среду, что недопустимо как в случае медицинских, так и биологических приложений. Чтобы исключить указанный вредный фактор, лампы эксплуатируют в прозрачных для ультрафиолетового излучения кожухах, что усложняет и удорожает конструкцию. A common disadvantage of these devices is the likelihood of depressurization of the bulb of a mercury lamp. In this case, mercury vapors through the foil inlets of the lamp, microcracks formed during the aging of the lamp, or in the event of accidental destruction of the lamp bulb can settle on a disinfected surface, enter the solution or into the air, which is unacceptable both in the case of medical and biological applications . To exclude the specified harmful factor, the lamps are operated in cases transparent to ultraviolet radiation, which complicates and increases the cost of construction.

Также отдельную проблему представляет утилизация отработавших ламп, содержащих ртуть [3]. Also, a separate problem is the disposal of spent lamps containing mercury [3].

Также известны устройства, основным компонентом которых является импульсная лампа, наполненная инертным газом ксеноном [4], криптоном или смесью легкого и тяжелого инертных газов, например, как в [5]. Последнее было взято нами за прототип. В этом случае в качестве наполнения импульсной лампы использована смесь инертных газов Хе+Аr с содержанием Аr 30-60% и начальном давлении наполнения смеси 1.3-13 кПа. Устройства данного типа имеют широкополосный спектр излучения, значительная доля которого приходится на ультрафиолетовую область спектра (с длинами волн короче 400 нм), что по сравнению с ртутными лампами, имеющими линейчатый спектр, значительно увеличивает вероятность инактивации различных микроорганизмов, обладающих различными спектральными характеристиками и показателями оптической плотности. Поэтому широкополосное ультрафиолетовое излучение в случае сильного бактериального загрязнения воздуха, поверхности или раствора в среднем будет характеризоваться большой глубиной проникновения. Devices are also known whose main component is a flash lamp filled with an inert gas xenon [4], krypton, or a mixture of light and heavy inert gases, for example, as in [5]. The latter was taken by us as a prototype. In this case, a mixture of inert gases Xe + Ar with an Ar content of 30-60% and an initial filling pressure of the mixture of 1.3-13 kPa was used as the filling of the flash lamp. Devices of this type have a broadband emission spectrum, a significant portion of which is in the ultraviolet region of the spectrum (with wavelengths shorter than 400 nm), which, compared with mercury lamps with a linear spectrum, significantly increases the probability of inactivation of various microorganisms with different spectral characteristics and optical parameters density. Therefore, broadband ultraviolet radiation in the case of strong bacterial contamination of the air, surface or solution on average will have a large penetration depth.

Однако получение широкополосного спектра сопряжено с большими затратами энергии, ненужными для решения задачи селективного воздействия на известный набор микроорганизмов, что реализуется, например, в лабораторных исследованиях. Так, в спектре описанной лампы не более 15% излучаемой энергии принадлежит бактерицидному диапазону спектра. Кроме того, питание импульсных ламп осуществляется от источников высокого напряжения в десятки киловольт (см., например, [6] ) и иногда имеет сложные схемы коммутации. Первое делает их использование небезопасным, а второе увеличивает стоимость. However, obtaining a broadband spectrum is associated with high energy costs, unnecessary to solve the problem of selective exposure to a known set of microorganisms, which is realized, for example, in laboratory studies. So, in the spectrum of the described lamp no more than 15% of the radiated energy belongs to the bactericidal range of the spectrum. In addition, the power of flash lamps is provided from high voltage sources of tens of kilovolts (see, for example, [6]) and sometimes has complex switching schemes. The first makes their use unsafe, and the second increases the cost.

Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего ультрафиолетовое облучение преимущественно на бактерицидных длинах волн, увеличение бактерицидной эффективности ультрафиолетового излучения (т.е. доли бактерицидной мощности, приходящейся на инактивацию, к потребляемой мощности устройства), улучшение эксплуатационных характеристик стерилизатора, применяемого в медицинских и микробиологических исследованиях, повышение надежности и безопасности процесса стерилизации для оператора. The objective of the invention is to provide a device that provides ultraviolet radiation mainly at bactericidal wavelengths, increases the bactericidal efficacy of ultraviolet radiation (i.e., the fraction of bactericidal power attributable to inactivation, to the power consumption of the device), improves the operational characteristics of the sterilizer used in medical and microbiological studies , increasing the reliability and safety of the sterilization process for the operator.

Указанная задача достигается за счет того, что в устройстве для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов, содержащем колбу из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны, наполненную инертным газом, электроды, образующие разрядный промежуток, генератор высоковольтного импульсного напряжения, подключенный к электродам, согласно изобретению электроды плотно установлены на внешней поверхности колбы, содержащей дополнительно галогеноноситель, при котором получают узкополосные спектры излучения, расположенные в разных частях УФ-диапазона от 160 до 350 нм, а мощность в области разряда генератора удовлетворяет соотношению 10^-2<W/(V•p)<1, где W - мощность, введенная в область разряда, Вт; V - объем колбы, см³; p - общее давление газов в колбе (причем, p<2,6 кПа).This task is achieved due to the fact that in the device for ultraviolet inactivation of microorganisms, containing a flask made of a dielectric transparent at the working wavelength, filled with inert gas, electrodes forming a discharge gap, a high-voltage pulse voltage generator connected to the electrodes, according to the invention, the electrodes are tightly mounted on the outer surface of the flask, which additionally contains a halogen carrier, in which narrow-band emission spectra located in different parts of F-range from 160 to 350 nm, and the power in the region of the discharge of the generator satisfies the relation 10 ^-2 <W / (V • p) <1, where W is the power introduced into the region of the discharge, W; V is the volume of the flask, cm ³ ; p is the total gas pressure in the flask (moreover, p <2.6 kPa).

Введение в состав наполнения галогеноносителей обеспечивает спектр УФ-излучения, удовлетворяющий задаче инактивации микроорганизмов, причем интенсивность спектральных полос и бактерицидная эффективность этих полос поддаются управлению введением разных количеств галогена по отношению к инертному газу, а также варьированием вкладываемой в объем колбы мощности. The introduction of halogen carriers into the filling composition provides a UV radiation spectrum that satisfies the task of inactivating microorganisms, and the intensity of the spectral bands and the bactericidal efficiency of these bands can be controlled by the introduction of different amounts of halogen with respect to an inert gas, as well as by varying the power invested in the volume of the flask.

На чертеже схематично представлено заявляемое устройство для ультрафиолетовой инактивации микроорганизмов. The drawing schematically shows the inventive device for ultraviolet inactivation of microorganisms.

Устройство состоит из колбы 1, выполненной из диэлектрика, прозрачного на рабочей длине волны. Пространство в колбе 1 заполнено газовой средой, представляющей собой инертный газ и галогеноноситель (молекулярный хлор, пары йода или брома) или несколько галогеноносителей. Лампа также содержит два электрода 3, плотно прилегающих к внешней поверхности лампы и образующих разрядный промежуток 2. Электроды 3 подключены к источнику питания 4. Трубка заполняется рабочей смесью и отпаивается. Давления газа в колбе не превышает 2,6 кПа. Дальнейшее увеличение давления в колбе нецелесообразно, поскольку затрудняет поджиг разряда в длинных трубках и колбах, имеющих сложную форму, например в спиральных колбах. Слишком низкое давление (сотые доли кПа) ограничивает мощность, вкладываемую в разряд от источника питания, и снижает бактерицидный КПД устройства в разы. The device consists of a bulb 1 made of a dielectric transparent at a working wavelength. The space in flask 1 is filled with a gaseous medium, which is an inert gas and a halogen carrier (molecular chlorine, iodine or bromine vapor) or several halogen carriers. The lamp also contains two electrodes 3, tightly adjacent to the outer surface of the lamp and forming a discharge gap 2. The electrodes 3 are connected to a power source 4. The tube is filled with a working mixture and soldered. The gas pressure in the flask does not exceed 2.6 kPa. A further increase in pressure in the flask is impractical because it makes it difficult to ignite the discharge in long tubes and flasks having a complex shape, for example, in spiral flasks. Too low pressure (hundredths of kPa) limits the power invested in the discharge from the power source, and reduces the bactericidal efficiency of the device by several times.

Устройство работает следующим образом. При включении источника питания 4 на электроды подается высокочастотное напряжение импульсной или синусоидальной формы. При этом происходит зарядка диэлектрических барьеров, образованных зонами контакта электродов 3 со стенкой колбы 1 и в промежутке 2 возникает объемный разряд, имеющий форму столба, располагающегося на оси колбы. Его диаметр зависит от наполнения колбы 1. В случае использования колб сложной формы столб разряда повторяет геометрию колбы. Выполнение указанного соотношения между параметрами W, V, p обеспечивает максимальный бактерицидный КПД устройства. The device operates as follows. When you turn on the power source 4, high-frequency voltage of a pulse or sinusoidal shape is applied to the electrodes. In this case, the dielectric barriers formed by the zones of contact of the electrodes 3 with the wall of the flask 1 are charged and in the gap 2 there arises a volume discharge having the shape of a column located on the axis of the flask. Its diameter depends on the filling of the flask 1. In the case of using flasks of complex shape, the discharge column repeats the geometry of the flask. The implementation of the specified ratio between the parameters W, V, p provides the maximum bactericidal efficiency of the device.

Анализ работ, содержащих данные о воздействии ультрафиолетового излучения на микроорганизмы, показывает, что дозы облучения для обеззараживания на один порядок отличаются (в среднем) незначительно от 1,5 мДж/см² для некоторых штаммов Shigella dysenteria до 11 мДж/см² для фекальных стрептококков и энтерококков. В качестве тестируемой среды была выбрана культура Escherichia coli. Количество выживших микроорганизмов определяли методом высева в плотные среды (метод Коха с посевами на агаризированные среды в чашках Петри). Чашки Петри с колониями подвергались облучению с различными экспозициями от нескольких секунд до нескольких минут и при разных уровнях удельной плотности ультрафиолетового излучения (до 10 мВт/см²).An analysis of the works containing data on the effect of ultraviolet radiation on microorganisms shows that the radiation doses for disinfection by one order of magnitude differ (on average) slightly from 1.5 mJ / cm ² for some Shigella dysenteria strains to 11 mJ / cm ² for fecal streptococci and enterococci. As a test medium, a culture of Escherichia coli was selected. The number of surviving microorganisms was determined by seeding in solid media (Koch method with crops on agarized media in Petri dishes). Petri dishes with colonies were irradiated with different exposures from several seconds to several minutes and at different levels of specific density of ultraviolet radiation (up to 10 mW / cm ² ).

Пример 1. Example 1

Использовали цилиндрическую колбу диаметром 40 мм и длиной разрядного промежутка 200 мм. Колба была заполнена смесью Kr и молекулярного хлора в соотношении 12/1 при общем давлении 667 Па. От источника питания на электроды (площадь каждого электрода 39 см²) подавалось напряжение синусоидальной формы с амплитудой до 4 кВ и частотой 100 кГц. На облучаемой поверхности устройство создавало освещенность 1,5 мВт/см². Спектр излучения представлял собой преимущественно излучение полосы В-->Х перехода молекулы KrCl* с максимумом на λ= 222 нм и шириной на полувысоте 5 нм. Благодаря этому доля бактерицидного излучения устройства превышала 80%. При этом после инактивации дозой 11 мДж/см² выжило 0,5% бактерий от начальной концентрации, что соответствует коэффициенту обеззараживания К=log₁₀[N₀/N]=2,2 (N₀ и N - начальная и конечная концентрации бактерий соответственно). После удвоенной дозы облучения 22 мДж/см² выжило только 0,004% (К=4,4).A cylindrical flask with a diameter of 40 mm and a discharge gap length of 200 mm was used. The flask was filled with a mixture of Kr and molecular chlorine in a ratio of 12/1 at a total pressure of 667 Pa. A sinusoidal voltage with an amplitude of up to 4 kV and a frequency of 100 kHz was applied to the electrodes from the power source (the area of each electrode was 39 cm ² ). On the irradiated surface, the device created an illumination of 1.5 mW / cm ² . The emission spectrum was predominantly the emission of the B -> X band of the KrCl * transition with a maximum at λ = 222 nm and a width at half maximum 5 nm. Due to this, the proportion of bactericidal radiation of the device exceeded 80%. Moreover, after inactivation with a dose of 11 mJ / cm ² 0.5% of bacteria survived from the initial concentration, which corresponds to the disinfection coefficient K = log ₁₀ [N ₀ / N] = 2.2 (N ₀ and N are the initial and final concentration of bacteria, respectively ) After a doubled dose of 22 mJ / cm ² only 0.004% survived (K = 4.4).

Пример 2. Example 2

Использовали цилиндрическую колбу диаметром 40 мм и длиной разрядного промежутка 210 мм. Колба была заполнена смесью Хе и паров Вr в соотношении 15/1 при общем давлении 600 Па. От источника питания на электроды (площадь каждого электрода 70 см²) подавалось напряжение синусоидальной формы с амплитудой до 2,5 кВ и частотой 108 кГц. Спектр излучения представлял собой преимущественно излучение полосы В-->Х перехода молекулы ХеВr* с максимумом на λ~ 282 нм и шириной на полувысоте 5 нм. Доля бактерицидного излучения в спектре устройства превышала 80%. На облучаемой поверхности устройство создавало освещенность 4,8 мВт/см². При этом после инактивации дозой 9,4 мДж/см² выжило 0,2% бактерий (К=3), а после удвоенной дозы 19 мДж/см² выжило 0,002% (К=4,6).A cylindrical flask with a diameter of 40 mm and a discharge gap of 210 mm was used. The flask was filled with a mixture of Xe and Br vapor in a ratio of 15/1 at a total pressure of 600 Pa. A voltage of sinusoidal shape with an amplitude of up to 2.5 kV and a frequency of 108 kHz was applied to the electrodes from the power source (the area of each electrode was 70 cm ² ). The emission spectrum was predominantly the emission of the B -> X band of the transition of the XeBr * molecule with a maximum at λ ~ 282 nm and a width at half maximum of 5 nm. The share of bactericidal radiation in the spectrum of the device exceeded 80%. On the irradiated surface, the device created an illumination of 4.8 mW / cm ² . Moreover, after inactivation with a dose of 9.4 mJ / cm ² 0.2% of bacteria survived (K = 3), and after a double dose of 19 mJ / cm ² 0.002% survived (K = 4.6).

В обоих случаях добавление в рабочую камеру галогеноносителя при соблюдении заявленного соотношения давало, во-первых, узкополосные спектры излучения, расположенные в бактерицидном диапазоне спектра, а во-вторых, однородный интенсивный разряд. Дополнительно отметим, что выбором сорта галогеноносителя можно получать излучение, позволяющее селективно воздействовать на микроорганизмы в целях их инактивации и с учетом их спектральных свойств. Данная особенность бинарных систем инертный газ + галоген в разряде связана со строением термов образуемых ими рабочих молекул (в описанных примерах это молекулы KrCl* и ХеВr*). Типичные спектры таких газовых систем имеют не более 10 нм на полувысоте. In both cases, the addition of a halogen carrier to the working chamber in compliance with the stated ratio yielded, firstly, narrow-band radiation spectra located in the bactericidal range of the spectrum, and secondly, a uniform intense discharge. In addition, we note that by choosing the type of halogen carrier, radiation can be obtained that selectively affects microorganisms in order to inactivate them and taking into account their spectral properties. This feature of the inert gas + halogen binary systems in the discharge is associated with the structure of the terms of the working molecules formed by them (in the described examples, these are KrCl * and XeBr * molecules). Typical spectra of such gas systems have no more than 10 nm at half maximum.

Устройство является более безопасным в работе по сравнению с импульсными лампами высокого давления, поскольку рабочие напряжения на электродах колбы снижены и не превышают 10 кВ, а средние токи через лампу не превышают нескольких десятков миллиампер, и заданный уровень мощности набирается за счет большой частоты следования импульсов возбуждения. The device is safer in operation compared to high-pressure flash lamps, since the operating voltages at the bulb electrodes are reduced and do not exceed 10 kV, and the average currents through the lamp do not exceed several tens of milliamps, and the set power level is gained due to the high frequency of excitation pulses .

Следует подчеркнуть, что область применения изобретения охватывает также и инактивацию микроорганизмов в присутствии сенсибилизатора, например пероксида водорода, используемого в качестве 1% раствора, распыленного по поверхности с микроорганизмами. Комплексное воздействие УФ-излучения и продуктов фотодиссоциации сенсибилизатора создает инактивирующую микроорганизмы среду, которое может на порядок уменьшить концентрацию выживших бактерий при той же дозе облучения. Кроме того, предложенное устройство позволяет точнее настраиваться на тот или иной фотосенсибилизатор, используемый на практике и переходящий в инактивирующую форму только под воздействием УФ-излучения конкретного диапазона длин волн. It should be emphasized that the scope of the invention also covers the inactivation of microorganisms in the presence of a sensitizer, for example hydrogen peroxide, used as a 1% solution sprayed on the surface with microorganisms. The combined effect of UV radiation and sensitizer photodissociation products creates an inactivating microorganism environment that can reduce the concentration of surviving bacteria by an order of magnitude at the same radiation dose. In addition, the proposed device allows you to more accurately tune to a particular photosensitizer, used in practice and turning into an inactivating form only under the influence of UV radiation in a specific wavelength range.

Источники информации
1. Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами. - М.: Изд-во Министерства коммунального хозяйства РСФСР. 1954. - 178 с.Sources of information
1. Sokolov V.F. Disinfection of water by bactericidal rays. - M.: Publishing House of the Ministry of Public Utilities of the RSFSR. 1954. - 178 p.

2. McDonald K.F., Curry R.D., Clevenger Т.Е., Brazos B.J., Uklesbay K., Eisenstark A. , Baker S., Golden J., Morgan R. The Development of Photosensitized Pulsed and Continuous Ultraviolet Decontamination Techniques for Surface and Solutions //IEEE Transactions on Plasma Science. - 2000. - Vol. 28. - 1, - p. 89-96. 2. McDonald KF, Curry RD, Clevenger T.E., Brazos BJ, Uklesbay K., Eisenstark A., Baker S., Golden J., Morgan R. The Development of Photosensitized Pulsed and Continuous Ultraviolet Decontamination Techniques for Surface and Solutions // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2000. - Vol. 28. - 1, - p. 89-96.

3. Walsey R. //Lighting Futures. - 1998. - Vol. 3. - 2, - p. 1, 4. 3. Walsey R. // Lighting Futures. - 1998. - Vol. 3. - 2, - p. 14.

4. Устройство для обеззараживания воздуха и поверхностей /Патент RU 2031659, кл. A 61 L 2/10, опубл. 27.03.1995. 4. Device for disinfecting air and surfaces / Patent RU 2031659, class. A 61 L 2/10, publ. 03/27/1995.

5. Бытовой ультрафиолетовый стерилизатор /Патент RU 2026084, кл. A 61 L 2/10, опубл. 09.01.1995. 5. Household ultraviolet sterilizer / Patent RU 2026084, cl. A 61 L 2/10, publ. 01/09/1995.

6. Anderson J.G., Rowan N.J., MacGregor S.J., Fouracre R.A., Farish O. Inactivation of Food-Borne Enteropathogenic Bacteria and Spoilage Fungi Usinf Pulsed-Light //IEEE Transactions on Plasma Science. - 2000. - Vol. 28. - 1, - p. 83-88. 6. Anderson J.G., Rowan N.J., MacGregor S.J., Fouracre R.A., Farish O. Inactivation of Food-Borne Enteropathogenic Bacteria and Spoilage Fungi Usinf Pulsed-Light // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2000. - Vol. 28. - 1, - p. 83-88.

Claims

Device for ultraviolet inactivation of microorganisms, containing a flask made of a dielectric transparent at the working wavelength, filled with an inert gas, electrodes forming a discharge gap, a high-voltage pulse voltage generator connected to the electrodes, characterized in that the electrodes are tightly mounted on the outer surface of the flask, additionally containing halogen carrier, in which narrow-band emission spectra are obtained, located in different parts of the UV range from 160 to 350 nm, operating voltages at electrodes do not exceed 10 kV, and the power in the region of the generator discharge satisfies the relation

10 ^-2 <W / (V · p) <1,

where W is the power introduced into the discharge region, W;

V is the volume of the flask, cm ³ ;

p is the total gas pressure in the flask, which is not higher than 2.6 kPa.