SI25811A - Postopek za deaktivacijo virusa v vodi - Google Patents

Abstract

Izum se nanaša na metode za uničenje virusov v tekočinah z visoko površinsko napetostjo, še posebno v vodi. Mehurčki se prisilno tvorijo v okuženi vodi in se temperatura plina v notranjosti mehurčkov dvigne za toliko, da se zagotovi hitro izhlapevanje vode, kar povzroči visoko koncentracijo vodne pare v omenjenih mehurčkih. Visoka temperatura in/ali mikroobloki razelektritve povzročijo znatno disociacijo vodnih molekul znotraj mehurčkov v OH radikale. Virusi se prilepijo na površino omenjenih mehurčkov, kjer pridejo v stik z OH radikali in se posledično oksidirajo v nenevarne molekule.

Description

Postopek inaktivacije virusa v vodi

Področje tehnike

Pričujoči izum se nanaša na postopke inaktivacije virusov v neškodljive produkte s pomočjo uporabe primernega fluksa OH radikalov za obdelavo površine tekočin okuženih z virusi. Natančneje se pričujoči izum nanaša na metodo inaktivacije rastlinskih virusov kot je na primer krompirjev virus Y, v onesnaženi vodi, ki se uporablja za zalivanje polj, kjer se gojijo rastline občutljive na omenjene viruse.

Ozadje izuma

V modernem poljedelstvu se za učinkovito zalivanje pridelkov z vodo ali raztopinami s hranili uporabljajo namakalni sistemi. Med gojenjem rastlin se pridelki lahko okužijo z različnimi patogenimi mikrobi (virusi, bakterije, glive in podobno). Ob uporabi namakalnih sistemov, se omenjene bakterije in virusi sprostijo v vodo/raztopino za zalivanje in se lahko prenesejo na pridelke, ki rastejo znotraj območja istega namakalnega sistema. Posledično se lahko vse rastline okužijo z bakterijami in virusi prisotnimi v namakalnem sistemu, kar je za pridelek pogubno. Splošno znana metoda za uničevanje virusov v vodi je vretje. Tak postopek ni uporaben zaradi velike porabe energije. Da bi bil postopek sterilizacije energetsko učinkovitejši, se lahko uporabijo t.i. hladne sterilizacijske tehnike.

Stanje tehnike razkriva več različnih tehnik dezinfekcije ali/in sterilizacije odpadne vode, pitne vode ali vode za uporabo v poljedelstvu in namakalnih/zalivalnih sistemih. JP2013208538(A) opisuje napravo, ki proizvaja hidroksilne radikale v vodi, pri čemer lahko naprava proizvede velike količine hidroksilnih radikalov (OH) z dolgo življenjsko dobo. Naprava uporablja UV svetlobo skupaj s fotokatalitičnim materialom, ki je v stiku z vodo. Voda teče skozi omenjeno napravo in enoto za generiranje majhnih mehurčkov v vodi, pri čemer reakcija vode z UV svetlobo in fotokataliza ustvarjata hidroksilne radikale.

Drugi pristop k sterilizaciji vode pri sobni temperaturi je uporaba ozona. Takšne tehnike so opisane v dokumentih CN205773816(U), CN103800925(A) in CN102600744(A).

Več patentov opisuje uporabo UV svetlobe za dezinfekcijo ali sterilizacijo vode. Ultravijolični žarki lahko uničijo številne tipe bakterij in deaktivirajo viruse. Primeri so opisani v dokumentih CN106175347(A), CN206102425(U), CN206102536(U), JP2005296847(A), JPH10295784(A) in KR20100120440(A).

Številni patenti opisujejo uporabo hladne plinske plazme za obdelavo vode z namenom dezinfekcije ali sterilizacije. Dokument CN200981830(Y) opisuje plazemsko napravo s koronsko razelektritvijo, ki uporablja zrak in dovod odpadne vode ter ju hkrati obdeluje. Koronska razelektritev aktivira molekule materiala, ki so vir radikalov, v generatorju plazme za ustvarjanje aktivnih delcev, ki lahko reagirajo z molekulami onesnaževalca ter jih posledično razgradijo. Ta patent uporablja obdelovanje s površinsko plazmo (plazma ni v kontaktu s tekočino), medtem ko metoda po izumu uporablja plazmo, ki se jo ustvarja v sami tekočini.

Patentna prijava JP2004000187(A) razkriva obdelavo vode s plinsko plazmo pri atmosferskem tlaku. V plinski plazmi pride do pojava ionizacije, ki tvori pozitivne in negativne ione. Ob nastanku ionov se tvorijo tudi vodikov peroksid ali OH radikali. Le-ti reagirajo z organskimi onesnaževalci. So kemijsko zelo reaktivni, zato je možna sterilizacija in odstranjevanje lebdečih mikrobov v zraku.

Patentna prijava US 2006/0060464 A1 opisuje metodo in napravo za generiranje plazme v tekočini. V raztopini sta prisotni dve elektrodi, kjer se po celotni katodi in anodi zagotovi razlika v potencialu, tako da pride do razelektritve v območju mehurčka, znotraj mehurčka pa se tvori plazma ioniziranih molekul plina. Uporabljena je ločena cev za mehurčke, inaktivacija virusov pa ni omenjena.

Inaktivacija večjih količin vode uporabljene za zalivanje v poljedelstvu zahteva metodo, ki je učinkovita in primerna za skaliranje na ogromne količine. Trivialna rešitev, kot je segrevanje in vzdrževanje temperature vode na 85 °C ali višje za vsaj 3 minute, kolikor je potrebnih za inaktivacijo virusov, ter hlajenje vode na temperaturo primerno za zalivanje, ni primerna zaradi previsoke porabe energije.

Opis rešitve tehničnega problema

V prvem aspektu se pričujoči izum nanaša na metodo inaktivacije virusa v vodi, pri čemer metoda vključuje sledeče korake: (a) tvorjenje plinskih mehurčkov v omenjeni vodi; in (b) segrevanje plina v omenjenih mehurčkih.

V splošnem se pričujoči izum nanaša na metodo obdelovanja onesnažene vode z namenom zagotavljanja inaktivacije virusov, še posebno rastlinskih virusov. Metoda je uporabna za inaktivacijo tudi kateregakoli drugega tipa virusov kot so humani ali živalski virusi. Metoda vključuje nastanek makroskopskih mehurčkov v onesnaženi vodi, gretje plina v omenjenih mehurčkih najmanj do točke vrelišča vode, prednostno pa na temperaturo višjo od 500 °C. S tem se ustvari bistvena temperaturna razlika med plinom in vodo. Vzdrževanje temperaturne razlike v določenem času obdelave vode privede do vsaj delne disociacije molekul vode v notranjosti omenjenih mehurčkov in interakcije med ogretim in delno disociiranim plinom znotraj mehurčkov in virusi na površini med plinom v mehurčkih in vodo.

To pomeni, da voda iz površine omenjenih mehurčkov hlapi in znotraj mehurčkov tvori vlažen plin. V prednostnih izvedbah metoda dodatno vključuje električno razelektritev znotraj mehurčka, kar povzroči nastanek še večje količine OH radikalov iz vodne pare v notranjosti omenjenih mehurčkov, s čemer se dopušča interakcija dodatnih OH radikalov z virusi na površini omenjenih mehurčkov.

Izum je uporaben na primer tam, kjer voda vsebuje ali obstaja sum, da vsebuje enega ali več virusov evkariontskih celic, na primer enega ali več virusov izbranih v skupini, v kateri so krompirjev virus Y, virus mozaika pepina, virus zelene lisavosti in mozaika kumar, virus mozaika paradižnika, norovirusi in rotavirusi. V nekaterih izvedbenih primerih, voda vsebuje ali obstaja sum, da vsebuje krompirjev virus Y.

V prednostnih izvedbenih primerih je temperatura plina v omenjenih mehurčkih mnogo višja od točke vrelišča vode pri okoliškem tlaku. Na primer, v koraku (b) se plin segreje na temperaturo od 100 °C do 2000 °C, prednostno od 500 °C do 1000 °C. V nadaljnjih prednostnih izvedbah je temperatura plina v omenjenih mehurčkih približno 700 °C. Plin v mehurčkih se lahko segreje na temperature višje od 100 °C, prednostno višje od 500 °C, še bolj prednostno višje od 700 °C.

Med plinom v notranjosti mehurčka in vodo izven mehurčka je tako lahko znatna temperaturna razlika. Na primer, plin je lahko segret na način, da je temperatura za 400 °C ali več višja od temperature vode, prednostno 500 °C ali več, 600 °C ali več, ali 650 °C ali več višja od temperature vode.

Skladno s tem je lahko temperatura plina po segrevanju (to je temperatura, na katero se plin segreje) 500 °C ali več, 600 °C ali več, ali 650 °C ali več. V prednostnih izvedbah je med 600 in 800 °C, na primer 650 do 750 °C ali približno 700 °C.

Temperatura plina po segrevanju (to je temperatura, na katero se plin segreje) je lahko 2000 °C ali več, prednostno 1500 °C ali manj, še bolj prednostno 1000 °C ali manj, najbolj prednostno 800 °C ali manj.

Med razvojem izuma je bilo ugotovljeno, da je temperatura plina v notranjosti mehurčkov pomemben faktor za učinkovito inaktivacijo virusov. Če je temperatura prenizka, je izhlapevane vode minimalno, s čemer sta zanemarljivi tudi disociacija vodne pare in posledično interakcija z virusi. V kolikor je temperatura previsoka, se poraba energije prekomerno poveča, voda pa bi se poleg tega brez dodatnih pozitivnih učinkov dodatno segrevala.

Tako visoke temperature plina v notranjosti mehurčkov pripomorejo k hitremu izparevanju vodnih molekul na površini omenjenih mehurčkov, tako da plin prevzame znatno koncentracijo vodnih molekul v času, ki je mnogo krajši od časa, ki ga mehurčki potrebujejo, da zapustijo onesnaženo vodo. Nadalje, tako visoke temperature znotraj mehurčkov dovoljujejo delno disociacijo molekul vode v OH radikale.

V prednostnih izvedbah izuma se segreje le plin znotraj mehurčkov, medtem ko je segrevanje tekoče vode zanemarljivo. Te izvedbe zagotavljajo energetsko učinkovitost metode po izumu. Izvedba primerna za takšno selektivno segrevanje plina, pri čemer se tekočina vzdržuje na prvotni (sobni) temperaturi, je vstavitev cevi, na primer dielektrične cevi z vsaj eno odprtino, v tekočino. Cev ima lahko v svoji notranjosti elektrodo, ki je povezana s primernim napetostnim generatorjem in ima določen električni potencial, prednostno z nizkofrekvenčnim RF generatorjem pri napetostih nad 1000 V. Cev lahko vključuje le eno elektrodo.

Odprtina v cevi se nanaša na odprtino, ki je med uporabo pod vodno gladino (torej je odprtina pod vodo). Odprtina je narejena na delu cevi, da se plin, ki teče skozi njo, izloči v vodo pod vodno gladino. Ta odprtina se razlikuje od katerekoli izstopne odprtine za plin ali odprtine elektrode. Izstopna odprtina za plin v cevi je lahko ena, lahko sta dve ali pa tudi več kot dve.

Takšna cev se prednostno uporabi tudi kot dovod za dovajanje plina v vodo.

Omenjena elektroda lahko omogoča električno razelektritev, na primer unipolarno razelektritev ali atmosfersko razelektritev z mikroobloki, zato da se segreje plin v mehurčkih. Takšna razelektritev lahko tudi pomaga pri tvorjenju OH radikalov znotraj mehurčkov.

Plin, ki se ga vpušča skozi cev, in se ob koncu svoje poti nahaja znotraj mehurčkov, vsebuje po pričujočem izumu na primer žlahtni plin. Žlahtni plin je lahko helij (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr) in ksenon (Xe). Argon (Ar) je še posebno zaželen. Plin lahko vsebuje najmanj 50 % žlahtnega plina, na primer vsaj 90 % žlahtnega plina ali še bolj prednostno vsaj 98 % ali 100 % žlahtnega plina. Preostanek je lahko na primer zrak ali kisik. Plin lahko vsebuje tudi vodno paro.

Na primer, mešanica argona in kisika ali zraka se lahko dovaja v vodo skozi cev, pri čemer se tvorijo mehurčki, ki vsebujejo plin, ki je mešanica argona, kisika ali zraka, ter vodne pare.

V prednostnih izvedbah so mehurčki makroskopskih dimenzij. Na primer, mehurčki imajo lahko povprečen premer od 0,5 do 8 mm, na primer 0,75 do 2 mm. Premer 1 mm ali več je prednosten.

Kjer se s pomočjo cevi z vsaj eno odprtino vpušča plin in se tvorijo mehurčki, je odprtina ali več odprtin primerno velikih, da se doseže želene velikosti mehurčkov. Na primer, odprtina (ali vsaka odprtina, v kolikor jih je več) je lahko približno okrogla, s premerom od približno 0,5 do 8 mm, na primer od 0,75 do 2 mm. Premer 1 mm ali več je prednosten.

Cev ima lahko večje število takšnih odprtin, da se poveča ali pospeši nastanek mehurčkov.

Uporaba elektrode, ki je povezana za napetostnim generatorjem, za generiranje razelektritve je prednostna, saj omogoča nastanek tokovnih mikrooblokov znotraj mehurčkov z dolžino, ki je približno enaka premeru mehurčkov, na primer približno 1 mm. Večina moči, ki jo zagotavlja nizkofrekvenčni generator napetosti, se tako razprši v plinski fazi znotraj mehurčkov in ne v sami tekočini. Takšna izvedba zagotavlja zanemarljivo gretje tekočine (v prednostni izvedbi odpadne vode), a učinkovito gretje plina znotraj mehurčkov, s čemer se zagotovi energetska učinkovitost metode po izumu.

Prednostno je elektroda nameščena znotraj cevi, ki se uporabi za dovajanje plina in ustvarjanje mehurčkov. To bistveno poenostavi konstrukcijo in omogoča za izvajanje metode uporabo ene »sonde«, ki se potopi v vodo. Tudi v primeru, da se uporabi več »sond« potopljenih v vodo s ciljem povišanja hitrosti inaktivacije virusov, se lahko vsaka izmed teh konstrukcijsko poenostavi.

V prednostni izvedbi se tekočina med obdelovanjem z metodo po izumu meša. Mešanje (ali podoben postopek mešanja tekočine ali zagotavljanja turbulentnega toka znotraj tekočine) omogoča mešanje vode okužene z virusom in s tem poveča mobilnost virusa, kar izboljša prisotnost virusov na površini mehurčka.

V prednostni izvedbi metoda vključuje nekatere ali vse izmed sledečih korakov:

i. zagotavljanje rezervoarja za vodo, naprave za vpust plina znotraj rezervoarja za vodo, dielektrično cev, elektrode in generatorja razelektritve;

ii. sestavljanje omenjenega rezervoarja za vodo, naprave za dovajanja plina znotraj rezervoarja za vodo, dielektrične cevi z vsaj eno odprtino, elektrode in generatorja razelektritve na tak način, da se mehurčki tvorijo na površini omenjene dielektrične cevi potopljene znotraj vode, ko le-ta potuje skozi rezervoar za vodo;

iii. vzpostavljanje unipolarne električne razelektritve z omenjenim generatorjem med površino omenjene elektrode in okoliškim plinom, tako da na površini omenjene elektrode nastanejo tokovni mikroobloki z dolžino približno enako premeru mehurčka;

iv. gretje plina znotraj mehurčkov z omenjenimi mikroobloki na temperaturo približno 700 °C;

v. omogočanje omenjene razelektritve znotraj mehurčkov dokler določen mehurček ne izgine iz površine omenjene elektrode;

vi. mehansko mešanje vode, ki teče skozi rezervoar.

V prednostnih izvedbah je zagotovljena množica dielektričnih cevi in elektrod, ki so potopljene v vodi v omenjenem rezervoarju za vodo. Takšne izvedbe omogočajo učinkovito inaktivacijo virusov pri višjih hitrostih pretoka vode. V teh primerih je lahko več vpustov plina, na primer en za vsako cev ali en vir plina, ki lahko dovaja plin v vse cevi. Podobno je lahko več generatorjev povezanih na elektrode, na primer en za vsako elektrodo ali en generator, ki je povezan na vse elektrode.

Dodaten aspekt izuma se nadalje nanaša na uporabo omenjenega izuma, pri čemer se omenjena inaktivacija virusov doseže z metodami kot so bile opisane zgoraj.

Druga uporaba izuma se nanaša na čiščenje vode uporabljene za zalivanje/namakanje s tukaj opisanimi metodami.

Nadaljnji aspekt izuma se nanaša na uporabo omenjene metode za obdelovanje odpadne vode in vodnih virov, ki se uporabljajo za potrošnjo ljudi.

Pričujoči izum tudi opisuje naprave za izvajanje metod kot so bile opisane. Na primer, pričujoči izum lahko zagotavlja namakalni sistem, ki vsebuje napravo za obdelovanje vode, pri čemer omenjena naprava vključuje: (a) rezervoar za vodo; (b) generator plazme, ki vključuje dielektrično cev, ki je vstavljena v rezervoar za vodo, pri čemer ima cev vsaj eno odprtino, in elektrodo, ki se nahaja znotraj dielektrične cevi; in (c) vir plina za dovajanje plina v omenjeno dielektrično cev.

Kot je bilo razloženo zgoraj, je vsaj ena odprtina v cevi postavljena tako, da je pod vodno gladino, ko rezervoar vsebuje vodo. Mehurčki v vodi, ki se nahaja v rezervoarju, lahko nastajajo z vpustom plina skozi cev, ki potem uhaja v obliki mehurčkov skozi odprtino.

Aspekti izuma se lahko nanašajo na samo napravo za obdelovanje vode.

Generator plazme je v svojem bistvu sredstvo za ustvarjanje toplote, kar pomeni, da je z generatorjem možno gretje plina v mehurčkih na temperature, ki se bile omenjene zgoraj. Vir plina in cev skupaj predstavljata sredstvo za generiranje mehurčkov.

V najbolj širokem izvedbenem primeru naprava za izvajanje predstavljene metode vključuje rezervoar za vodo, sredstvo za generiranje mehurčkov za tvorjenje mehurčkov v vodi znotraj rezervoarja za vodo in sredstvo za ustvarjanje toplote za gretje plina znotraj omenjenih mehurčkov na temperaturo, ki je vsaj enaka temperaturi vrelišča vode. Kot je bilo razloženo zgoraj so prednostna sredstva za gretje vsa primerna sredstva, ki omogočajo dvig temperature plina brez znatnega povišanja temperature vode. Sredstva za gretje so lahko primerna za zagotavljanje temperature plina kot je opisano zgoraj, in/ali temperaturne razlike med plinom v mehurčkih in vodo kot je bilo razloženo zgoraj.

Značilnosti opisane zgoraj veljajo tudi za naprave. Na primer, naprava lahko vključuje (d) visoko impedančni električni tokokrog, ki se napaja z visokonapetostnim generatorjem, povezanim z elektrodo. Lahko vključuje množico generatorjev plazme (b); vir plina (c) je lahko prilagojen na način, da dovaja plin do vsake izmed dielektričnih cevi generatorja plazme ali naprava vključuje množico virov plina (c), od katerih je vsak prilagojen za dovajanje plina do ene ali več dielektričnih cevi.

Naprava lahko vključuje tudi eno ali več sredstev za mešanje vode ali za tvorbo turbulentnega toka v vodi. Sredstvo je lahko mešalo, homogenizator ali katerakoli druga znana mešalna naprava.

Rezervoar za vodo lahko nadalje vključuje dovod vode in odvod vode, pri čemer sta dovod in odvod zasnovana tako, da lahko voda teče skozi rezervoar s pred-določeno hitrostjo. To omogoča uporabo pričujoče naprave kot del sistema s kontinuirnim tokom in ne le za obdelovanje vode v šaržnem načinu.

Dovod, odvod in pretok vode se lahko prilagajajo, da se omogoča primeren čas obdelave vode. Seveda, tudi v primeru izvajanja metode v šaržnem načinu, se lahko čas obdelave vode v rezervoarju za vodo prilagaja.

Na primer, čas obdelave je lahko od 1 sekunde pa do 5 ur. Posamezna obdelava lahko vključuje večkratne ponovitve metode po izumu. Na primer, obdelava lahko vključuje dve ali več ponovitev časa obdelave od 1 do 90 minut ali eno ponovitev, kjer obdelava traja od 60 do 200 minut. Krajši čas obdelave, na primer enkratna obdelava za 1 do 30 minut, lahko prav tako zadovoljivo inaktivira viruse v vodi, glede na preostale lastnosti, kot so koncentracija virusa v vodi, prisotnost in identiteta drugih komponent v vodi, še posebno druge organske snovi, in podobno.

Namakalni sistem lahko nadalje vključuje druge znane komponente, kot so na primer mreža razvodnih cevi ali kanalov ali drugi razdelilni sistemi vode, ki so vezani na odvod naprave, sredstvo za zbiranje vode, vodilne cevi ali kanali pritrjeni na dovod naprave, ali eno ali več vodnih črpalk.

Izum vključuje kombinacijo aspektov in prednostne opisane značilnosti, razen kjer je takšna kombinacija jasno nedovoljena ali izrecno neželena.

Kratek opis slik

Izvedbeni primeri in eksperimenti, ki prikazujejo principe izuma bodo v nadaljevanju podrobneje opisani s pomočjo slik, ki prikazujejo:

Slika 1 prikazuje shemo pričujoče metode in naprave. Slika 1A: rezervoar 1 za vodo se napolni z okuženo vodo 2, ki tvori površino 3. Elektroda 4 je znotraj zaprte dielektrične cevi 5 z vsaj eno odprtino 6, ki je potopljena v okuženo vodo 2 pod površino 3. Slika 1B: Plinski mehurčki 7 se tvorijo na stiku med okuženo vodo 2 in odprtinami v dielektrični cevi 6. Prednostni plin je argon. Slika 1C: razelektritev znotraj mehurčkov 7 segreje plin v notranjosti mehurčkov 7, tako da temperatura plina znotraj mehurčkov naraste na več kot 100 °C in nastane vodna para znotraj mehurčkov 7. Slika 1D: vodne molekule delno disociirajo zaradi visokih temperatur kot tudi pogojev po razelektritvi znotraj mehurčka 7, pri čemer nastanejo OH radikali.

Slika 2 prikazuje shemo uničenja virusa. Slika 2A: virus 8 se poljubno naključno premika v onesnaženi vodi. Puščice 9 nakazujejo smeri gibanja. Nekateri virusi se dotaknejo površine 10 plinskih mehurčkov 7 in tam ostanejo zaradi razlik v površinski energiji med vodo in virusom. Slika 2B: kmalu po nastanku plinskih mehurčkov 7, postane površina 10 mehurčkov prekrita z virusi in se z njimi po daljšem času zasiči. Slika 2C: virus 8 na površini 10 mehurčka reagira z OH radikalom, ki je nastal zaradi visoke temperature in pogojev razelektritve znotraj mehurčka 7, kar povzroči razpad virusa 11.

Slika 3 prikazuje temperature plina v notranjosti mehurčka 12 in okoliške okužene vode 13.

Slika 4 prikazuje TEM slike vzorca okuženega z virusom. Slika 4A: pred obdelavo. Slika 4B: po obdelavi.

Slika 5 prikazuje slike rastlin Nicotiana tabacum cv. »VVhite Burley« 5 tednov po mehanski inokulaciji z vzorci okužene vode. Slika 5A: inokulacija z neobdelano raztopino, ki vsebuje virus. Slika 5B: inokulacija z obdelano raztopino, ki vsebuje virus. Slika 6 prikazuje rezultate PCR s predhodno reverzno transkripcijo N la gena na agaroznem gelu.

Slika 7 prikazuje prednostni izvedbeni primer naprave primerne za hitro obdelavo velikih količin onesnažene vode.

Natančnejši opis rešitve tehničnega problema

Aspekti in izvedbeni primeri pričujočega izuma bodo sedaj opisani s pomočjo priloženih slik. Nadaljnji aspekti in izvedbeni primeri bodo očitni strokovnjaku na področju. Vsi dokumenti omenjeni v tem besedilu so vključeni v celoti z referenco na te dokumente. Pričujoči izum se nanaša na metode inaktivacije virusov, še posebno rastlinskih virusov, in na napravo za izvajanje omenjenih metod.

Pri besedilu veljajo sledeče definicije:

'Onesnažena voda” pomeni vodo, ki vsebuje različne količine organskih in anorganskih materialov.

Okužena voda” pomeni vodo, onesnaženo ali neonesnaženo, ki vsebuje rastlinske viruse v poljubni koncentraciji, tipično vodo, ki se uporablja za zalivanje/namakanje. “Mehurček” pomeni volumen znotraj vode, ki vsebuje plin, in je lahko kroglaste oblike. “OH radikal” pomeni vodno molekulo, ki ji manjka en vodikov atom.

“Virus” pomeni katerikoli virus. To je makromolekula, ki vsebuje fragmente DNK ali RNK z različnimi zaporedji in proteini. Virus je inaktiviran (tj. inaktivacija virusa se je zgodila), ko se zaporedje razbije ali zaradi oksidacije DNK/RNK fragmentov ali proteinov z OH radikali preneha biti infektiven.

Virusi v vodi, ki je ali ni onesnažena, se gibljejo naključno. Virusi niso dovolj veliki, da bi lahko tvorili sedimente, tako da so približno enakomerno razporejeni po vodi. Po dotiku s površino vode se virus ohrani na površini zaradi površinske energije med vodo in organskim materialom. Po oblikovanju mehurčka se posledično organski material, kot je virus, akumulira na stiku med vodo (zunaj mehurčka) in plinom (znotraj mehurčka) dokler znaten del površine mehurčka ni prekrit z organskim materialom.

Z disociacijo vodne molekule se tvorijo OH radikali. V prednostni izvedbi pričujočega izuma pride do disociacije bodisi zaradi visoke temperature plina znotraj mehurčka ali zaradi pogojev po razelektritvi znotraj mehurčka, ali zaradi obeh. Po razelektritvi vodne molekule disociirajo zaradi vpliva elektronov ali dušenja vzbujenega stanja atomov ali molekul v plinu ob predpostavki, da je potencialna energija vzbujenega stanja višja od disociacijske energije vodne molekule.

Primeren vir elektronov ali vzbujenih atomov ali molekul je električna razelektritev. Ko je elektroda povezana z mehurčkom in prednapeta z ustreznim virom napetosti, se razelektritev lahko zgodi ali ne, odvisno od določenih pogojev.

Dovolj visoka napetost bo vedno povzročila razelektritev. Razelektritev se lahko zgodi v obliki tokovnih mikrooblokov, ki izhajajo iz elektrode, ali v obliki električnega obloka. Mikroobloki se pojavijo pri visokih impedancah električnega tokokroga, medtem ko se obloki pojavijo pri nižjih impedancah. Dolžina mikrooblokov, ki izhajajo iz elektrode, je odvisna od značilnosti razelektritve. V prednostnih izvedbah je dolžina enaka premeru mehurčka, lahko pa je tudi krajša. Mikroobloki so bogati z elektroni. Le-ti povzročajo ekscitacijo, disociacijo in/ali ionizacijo atomov in molekul plina.

Ioni se ob koncu mikroobloka hitro nevtralizirajo, radikali se rekombinirajo v osnovne plinske molekule in pride do dušenja vzbujenih atomov/molekul. Vse naštete reakcije so eksotermne in povzročajo segrevanje plina znotraj mehurčka na povišano temperaturo, ki iz površine mehurčka pospešuje izhlapevanje vode v plin znotraj mehurčka. Plin znotraj mehurčka posledično vsebuje znatno količino vodne pare.

Zaradi razlike v gostotah, je toplotna kapaciteta plinov mnogo nižja od tekočin. Na primer gostota plina argona (od tu naprej Ar) pri standardnih pogojih (temperatura 20 C in atmosferski tlak 1 bar) je približno 2 kg/m³, medtem ko je gostota vode približno 1000 kg/m³.

Specifična toplota argona je skoraj za velikostni red manjša od vode, tako da je toplotna kapaciteta argona skoraj deset tisočkrat manjša od toplotne kapacitete vode. Prav zato mikroobloki učinkovito segrevajo Ar ali katerikoli drug plin znotraj mehurčka z relativno nizko močjo, pri čemer je temperatura okoliške vode sobna. Torej, temperatura vode se ne bo bistveno zvišala, na primer ne več kot za 5 °C, ali ne več kot za 2 °C, ali celo ne več kot za 0,5 °C.

Z energijo, ki se porabi za ustvarjanje mikroobloka se zagotavlja bistveno razliko med temperaturo plina znotraj mehurčka in temperaturo okoliške vode. V kolikor ima mehurček volumen 10 mm³, bi morala biti energija razelektritve približno 10 mJ da segreje plin do 1000 °C. Če je moč razelektritve 1 W, bo plin pridobil visoko temperaturo v približno 10 ms. Slika 3 prikazuje eksperimentalno potrditev teh teoretičnih ocen.

Visoka temperatura plina znotraj mehurčkov pospešuje izhlapevanje vodnih molekul iz površine mehurčka. Plin znotraj mehurčka je torej bogat z vodno paro. Mikroobloki, ki nastanejo ob razelektritvi, reagirajo z vodno paro. Ker je disociacijska energija vodne molekule nizka, pri približno 5,1 eV, pogosto prihaja do disociacije. Nastali OH in H radikali difundirajo znotraj plina in se združujejo z različnimi molekulami, kljub temu pa znaten delež OH radikalov doseže površino mehurčkov.

Površina mehurčka je, kot je bilo razloženo zgoraj, prekrita z organskimi molekulami, vključno z virusi. OH radikali, ki se tvorijo iz plina znotraj mehurčka, reagirajo z organskimi molekulami na površini mehurčka in povzročajo oksidacijo. Oksidacija virusa povzroči njegovo inaktivacijo. Končni produkti interakcije med virusom in OH radikali so preproste molekule, ki niso škodljive. OH radikali so prisotni tudi v tekoči vodi, kjer hitro reagirajo s preostalimi molekulami. Njihova življenjska doba je tako kratka, da je ob uporabi metode po izumu koncentracija OH radikalov v vodi neznatna. Po nastanku mehurčka je znaten del ali celo celotna površina mehurčka prekrita z virusi, ki se po oksidaciji inaktivirajo in sprostijo prostor za preostale žive viruse, ki se lahko nato prilepijo na površino, kjer ponovno pride do njihove oksidacije, tako da se koncentracija virusov v vodi znižuje z višanjem časa obdelovanja vode. Shema metode po izumu je predstavljena na sliki 2. Virusi so enakomerno razporejeni v vodi. Ko nastane mehurček, se virusi pričnejo nabirati na površini mehurčka (Slika 2A). Virus se dotakne površine plinskega mehurčka in tam ostane zaradi razlik v površinski energiji med vodo in virusom, kot je shematsko prikazano na sliki 2B. Kmalu po nastanku plinskih mehurčkov se mehurček obogati z virusi in bi ob podaljšanem času inkubacije postal nasičen z virusi. Virusi, ki so prisotni na površini mehurčka reagirajo z OH radikali, ki nastanejo zaradi visoke temperature in pogojev ob razelektritvi znotraj mehurčka, tako da virusi razpadejo kot je shematsko prikazano na sliki 2C.

Slika 1 prikazuje shemo naprave, ki je primerna za izvajanje metode po izumu. Rezervoar za vodo se napolni z okuženo vodo. Elektroda znotraj zaprte dielektrične cevi z vsaj eno odprtino se potopi v okuženo vodo pod gladino okužene vode (Slika 1A). Plinski mehurčki se tvorijo na površini elektrode kot je prikazano na sliki 1B. Prednostni plin je argon. Razelektritev v notranjosti mehurčka segreje plin v mehurčku, tako da se temperatura plina znotraj mehurčka zviša na bistveno več kot 100 °C, kar povzroči nastanek vodne pare znotraj mehurčka (Slika 1C). Vodne molekule delno disociirajo zaradi visoke temperature in pogojev ob razelektritvi znotraj mehurčka, kar povzroči nastanek OH radikalov (Slika 1D).

Visoka temperatura plina znotraj mehurčkov ne povzroči znatnega gretja okoliške vode zaradi slabega prenosa energije med vročim plinom in hladno vodo. Prenos toplote se zgodi preko toplotne prevodnosti, konvekcije in sevanja. Toplotna prevodnost plina je nizka v vseh primerih, tako da ta mehanizem ne povzroči bistvenega prenosa energije med plinom in okoliško vodo. Konvekcija je omejena zaradi relativno majhnega volumna mehurčka, ki je običajno 10 mm³. Sevanje je omejeno zaradi temperature plina znotraj mehurčka, ki je prednostno okoli 700 °C.

Slika 4 prikazuje TEM slike vzorcev z virusi okužene vode pred (Slika 4A) in po (Slika 4B) obdelavi z metodo po izumu. Slika 4A, rastlinski virus je viden v svoji intaktni obliki, to je kot zavit filament. Ko se okužena voda obdela z metodo po izumu, se virusi razgradijo na fragmente, tako da se virusni delci ne vidijo s TEM mikroskopom (Slika 4B). Razpad virusnih delcev na fragmente je posledica oksidacije virusnega materiala po kemijski interakciji z OH radikali. Oksidacija se zgodi spontano po interakciji, vendar pa se učinkovitost oksidacije poviša zaradi visoke temperature plina znotraj mehurčkov. Visoka temperatura plina znotraj mehurčkov povzroči ekscitacijo OH radikalov v vibracijsko vzbujena stanja, povišana vibracijska temperatura dodatno poviša učinkovitost oksidacije.

Slika 5 prikazuje dve sliki testnih rastlin Nicotiana tabacum cv. »White Burley«, ki so bile mehansko inokulirane z vzorci okužene vode. Spodnja dva razvita lista vseh testnih rastlin sta bila oprašena s silicijevim karbidom, inokulirana z vzorcem vode in po nekaj minutah sprana pod tekočo vodo. Testne rastline so rasle v karanteni v rastlinjaku. Slike so bile posnete 5 tednov po inokulaciji. Slika 5A je fotografija rastline, ki je bila inokulirana z vzorcem neobdelane okužene vode. Pri teh rastlinah so se razvili sistemski simptomi, to so klorotične pike na okuženih listih, pri čemer je bila okužba z virusom potrjena s kvantitativno verižno reakcijo s polimerazo s predhodno reverzno transkripcijo (RT-qPCR). Slika 5B je fotografija rastlin, ki so bile mehansko inokulirane z vzorcem okužene vode, ki je bil predhodno obdelan z metodo po izumu. Rastline niso razvile zgoraj opisanih simptomov, odsotnost virusov pa je bila potrjena s RTqPCR.

Običajen PCR je bil uporabljen za ugotavljanje, če je prišlo do razgradnje virusne RNK. Za ta namen so bili štirje geni virusa PVY (krompirjev virus Y) testirani s PCR: P1 in P3 (geni proteinov, ki so pomembni pri razmnoževanju virusa), N la (gen za serinupodobno cistein proteazo) in CP (gen proteinske ovojnice). V kolikor vsaj en izmed štirih genov ni bil zaznan s PCR, se smatra, da se je virusna RNK razgradila. Slika 6 prikazuje rezultat elektroforeze N la gena na agaroznem gelu obarvanem z etidijevim bromidom. Velikostna lestvica je na skrajni levi strani. V zaporedju od leve proti desni so nato negativna kontrola PCR reakcije (označena z 1), pozitivna kontrola PCR reakcije (označena z 2), vzorec okužene vode obdelan z metodo po izumu za 45 minut (označen s 3) in neobdelan vzorec okužene vode (označen s 4). Bele črtice predstavljajo pozitivne rezultate, torej se RNK ni razgradila, medtem ko odsotnost črtice predstavlja negativne rezultate, torej seje RNK razgradila.

Poleg tega je bil uporabljen kapljični digitalni PCR za absolutno kvantifikacijo virusne koncentracije v vodnih vzorcih.

Slika 7 prikazuje prednostno izvedbo naprave primerne za hitro obdelavo velikih količin onesnažene vode. Številne elektrode so pritrjene na rezervoar za vodo na način, da omogočajo številne mehurčke z značilnostmi glede na metode po izumu.

Značilnosti razkrite v opisu ali patentnih zahtevkih ali slikah, izražene v specifičnih oblikah ali pogojih za izvajanje opisane funkcije ali metoda ali postopek za zagotavljanje opisanih rezultatov se, v kolikor je to primerno, lahko posamezno ali v katerikoli kombinaciji omenjenih značilnosti uporabijo za realizacijo izuma v različnih oblikah le-tega.

Izum je bil opisan v povezavi z zgoraj opisanimi možnimi izvedbenimi primeri, vendar pa so možne številne spremembe in variacije, ki so očitne strokovnjaku na področju na podlagi razkritega besedila. V skladu s tem, so predstavljeni primeri izuma le ilustrativni in ne omejujejo izuma. Različne spremembe opisanih izvedbenih primerov se lahko storijo brez oddaljevanja od bistva izuma in širine le-tega.

V izogib kakršnemukoli dvomu, so vsakršne teoretične razlage v besedilu namenjene razumevanju besedila. Izumitelji ne želijo kakršnekoli omejitve s katerokoli izmed uporabljenih teoretičnih razlag.

Katerikoli podnaslov znotraj besedila je le za organizacijo besedila in ne sme biti razumljen kot omejitev opisanega izuma.

Skozi celotno besedilo, vključno s patentnimi zahtevki, razen če kontekst zahteva drugače, beseda vsebovati in vključevati kot tudi variacije vključujoč, vsebujoč, pomenijo vključitev števila ali koraka ali skupine števil ali korakov, ne pa izključitve kateregakoli drugega števila, koraka ali skupine števil ali korakov.

Edninske oblike uporabljene v opisu izuma in v zahtevkih vključujejo tudi dvojino in množino, razen, če je iz konteksta očitno drugače razvidno.

Rangi so lahko izraženi kot od približno ene vrednosti in/ali do približno druge vrednosti. Ko je uporabljen takšen rang, drugi izvedbeni primer vključuje rang od ene določene vrednosti in/ali do druge določene vrednosti. Podobno, ko so vrednosti izražene kot približki z besedo približno, se smatra, da je točna vrednost predstavljena v drugem izvedbenem primeru. Beseda približno v zvezi s številčno vrednostjo je opcijska in predstavlja na primer +/- 10%.

Claims (13)

1. Patentni zahtevki

   1. Metoda inaktivacije virusa v vodi, pri čemer metoda vključuje sledeče korake:

   a) tvorjenje mehurčkov v vodi; in

   b) gretje plina znotraj omenjenih mehurčkov na temperaturo, ki je vsaj enaka temperaturi vrelišča vode, s čemer se ustvari temperaturna razlika med plinom in vodo;

   c) vzdrževanje temperaturne razlike, s čemer se povzroči vsaj delna disociacija vodnih molekul znotraj omenjenih mehurčkov in interakcija med ogretim kot tudi delno disociiranim plinom znotraj omenjenih mehurčkov z virusi na stiku med plinom v mehurčkih in vodo.
2. 2. Metoda po zahtevku 1, kjer je virus izbran v skupini, v kateri so krompirjev virus Y, virus mozaika pepina, virus zelene lisavosti in mozaika kumar, virus mozaika paradižnika, norovirusi in rotavirusi.
3. 3. Metoda po zahtevku 1 ali zahtevku 2, kjer plin vsebuje žlahtni plin, prednostno argon.
4. 4. Metoda po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, kjer je v koraku b) plin segret na temperaturo od 100 °C do 2000 °C, prednostno od 500 °C do 1000 °C.
5. 5. Metoda po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, kjer se v koraku b) plin segreje z električno razelektritvijo iz elektrode.
6. 6. Metoda po zahtevku 5, kjer je razelektritev z mikroobloki.
7. 7. Metoda po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, kjer se v koraku a) plinski mehurčki tvorijo z dovajanjem plina v vodo skozi dielektrično cev, ki ima vsaj eno odprtino.
8. 8. Metoda po zahtevku 7 odvisnem od zahtevka 5 ali po zahtevku 6, pri čemer se elektroda namesti znotraj dielektrične cevi.
9. 9. Namakalni sistem, ki vključuje napravo za obdelovanje vode, za izvajanje metode po kateremkoli izmed zahtevkov od 1 do 8, pri čemer naprava za obdelovanje vode vključuje:

   a) rezervoar za vodo;

   b) generator plazme, ki vključuje dielektrično cev za vstavitev v rezervoar za vodo, pri čemer ima cev vsaj eno odprtino, in elektrodo, ki je nameščena znotraj dielektrične cevi; in

   c) vir plina za dovajanje plina v dielektrično cev.
10. 10. Namakalni sistem po zahtevku 9, ki nadalje vključuje d) električni tokokrog z visoko impedanco povezan na elektrodo, pri čemer se električni tokokrog z visoko impedanco napaja z visokonapetostnim generatorjem.
11. 11. Namakalni sistem po zahtevku 9 ali zahtevku 10, ki vključuje množico generatorjev plazme b); vir plina c) prilagojen za dovajanje plina do vsake izmed dielektričnih cevi generatorjev plazme, ali napravo, ki vsebuje množico virov plina c), vsak izmed katerih je prilagojen za dovajanje plina do ene ali več dielektričnih cevi.
12. 12. Namakalni sistem po kateremkoli izmed zahtevkov od 9 do 11, ki nadalje vključuje eno ali več sredstev za mešanje vode ali za ustvarjanje turbulentnega toka v vodi.
13. 13. Namakalni sistem po kateremkoli izmed zahtevkov od 9 do 12, pri čemer rezervoar za vodo nadalje vključuje dovod vode in odvod vode, pri čemer sta dovod in odvod zasnovana tako, da lahko voda teče skozi rezervoar s pred nastavljeno hitrostjo.