способ антисептирования материалов

Формула изобретения

Способ антисептирования материалов, включающий размещение обрабатываемого объекта в рабочей камере, установление необходимого рабочего давления и обработку объекта плазмой электрического разряда, отличающийся тем, что обработку осуществляют низкотемпературной неравновесной плазмой низкочастотного емкостного электрического разряда при напряженности электрического поля от 5·10 ⁴ до 3·10⁶ В/м, частоте от 0,05 до 100 кГц, давлении газа от 0,4 до 125 кПа, и поддержании напряженности магнитного поля напряженностью от 500 до 1000 Э.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может быть использовано в АПК, пищевой промышленности, асептических холодильниках, медицине, фармакологии и косметологии, торговле при предпродажной обработке продуктов.

Известны способы антисептирования, обеззараживания и стерилизации объектов, продуктов и материалов, включающие их обработку посредством плазмы электрического разряда (патенты RU № 2086262, кл. A61L 002/14, A23L 003/005 и № 2102084, кл. A61L 002/14 и патент США № 4207286, кл. 422/23).

Недостатками известных способов являются сложность осуществления, например, из-за необходимости глубокого вакуумирования емкости с объектом обработки, низкий уровень управляемости процессом обработки, нестабильность плазмы и бактерицидного эффекта при обработке объектов для снижения обсемененности микрофлорой, высокие энергозатраты.

Известен способ стерилизации изделий и материалов (патент RU 2043120, кл. A61L 2/14), включающий размещение их в герметизируемом сосуде, его вакуумирование до давления 1,0 10^-3 мм рт.ст., создание в сосуде плазмы путем возбуждения газового разряда переменным электромагнитным полем при частоте 1-100 МГц и вкладываемой удельной мощности 0,05 0,5 Вт/см и выдержку предметов в плазменной среде. Данный способ является прототипом.

Недостатками известного способа-прототипа являются:

1) сложность осуществления, т.к. получение плазмы осуществляется в высокочастотном электромагнитном поле высокого напряжения, в результате которого возможны существенные емкостные утечки электрического тока;

2) низкая надежность за счет необходимости поддержания глубокого вакуума для осуществления способа. Некачественное вакуумирование приводит к вторичному инфицированию обрабатываемых объектов;

3) отсутствие регулирования процесса контакта плазмы с поверхностью обрабатываемых материалов (плазма «размывается», мигрирует, частично отторгается и неравномерно контактирует с поверхностью обрабатываемого объекта).

Существенным недостатком известного способа является невозможность его реализации в отношении к жидким и полужидким средам, например, в заявленном диапазоне давлений от 10^-1 до 10^-3 мм рт.ст. Преданной степени вакуумирования стабильность жидких сред нарушается вплоть до «вскипания» и образования туманной взвеси. Например, согласно диаграмме состояния воды при комнатной температуре достаточно снизить давление в сосуде с водой до 6×10² Па, что соответствует 4,5 мм рт.ст. для того, чтобы жидкость перешла в парообразное состояние. В результате нарушается форма и стабильность разряда, что существенно снижает эффект антисептирования и стерилизации изделий и материалов. Все указанные недостатки, в конечном итоге, приводят к низкой эффективности способа в целом.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности антисептирования материалов, изделий и объектов, упрощение технологии осуществления способа путем использования низкотемпературной неравновесной плазмы низкочастотного электрического разряда в условиях давлений, близких к нормальному атмосферному.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного способа-прототипа обработку материалов, изделий и объектов производят низкотемпературной неравновесной плазмой низкочастотного электрического разряда при напряженности электрического поля от 5,0×10 ⁴ до 3,0×10⁶ В/м, частоте от 0,05 до 100 кГц и давлении в зоне обработки от 0,4 до 125 кПа при наложении магнитного поля напряженностью от 500 до 1000 Э.

Указанные параметры и режимы обработки установлены экспериментально, реализованы и испытаны на различных материалах и объектах.

На практике предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Обрабатываемые материалы, продукты или другие объекты размещают в рабочей камере. В зависимости от физико-химических свойств обрабатываемых объектов и их начальной обсемененности устанавливают необходимые параметры; давления (в диапазоне 0,4-125 кПа), напряженности электрического поля (5,0×10⁴ до 3,0×10⁶ В/м) и частоты (от 0,05 до 100 кГц).

Нижнюю границу устанавливаемого давления получают путем незначительного вакуумирования, а область верхней границы давления устанавливают путем формирования незначительного избыточного давления газовой среды в зоне обработки. Далее обработку осуществляют низкотемпературной неравновесной плазмой низкочастотного емкостного электрического разряда при напряженности электрического поля от 5,0×10⁴ до 3×10⁶ В/м, частоте от 0,05 до 100 кГц и давлении в зоне обработки от 0,4 до 125 кПа. При этом обработку осуществляют в магнитном поле напряженностью от 500 до 1000 Э.

Значительным преимуществом нового способа является возможность его реализации в диапазоне давлений, близких к атмосферному, что делает его работоспособным и эффективным в полевых, полигонных и производственных условиях для антисептирования жидких сред и крупных объектов, например, космических блоков и аппаратов перед их выводом в космическое пространство.

Принципиальным отличием нового способа от прототипа является использование низкотемпературной неравновесной плазмы низкочастотного емкостного электрического разряда, в то время как по способу-прототипу применяется высокочастотный электрический разряд. Эта принципиальная разница приводит к увеличению энергоэффективности нового способа по отношению к прототипу более чем на 40% за счет снижения емкостных утечек и затрат на вакуумирование и в возможности надежно регулировать основные параметры обработки материалов, включая термолабильные, повышая тем самым эффективность процесса их антисептирования.

Принципиальным отличием нового способа от способа-прототипа является также наличие в обрабатываемом объеме магнитного поля напряженностью от 500 до 1000 Э, которое позволяет стабилизировать плазму, препятствуя ее выходу за пределы зоны обработки, что существенно улучшает эффективность обработки и снижает энегозатраты.

Сочетание совокупностей электрических полей (напряженностью от 5×10⁴ до 3×10⁶ В/м), давлений газа (от 0,4 до 125 кПа), частот приложенного напряжения (от 0,05 до 100 кГц) и магнитного поля (от 500 до 1000 Э) позволяет не только получать низкочастотную неравновесную плазму, но и управлять ее состоянием, стабильностью и плотным «прилипанием» к поверхности обрабатываемого объекта любой сложной конфигурации.

Использование описанных в данной заявке физических параметров приводит к формированию низкотемпературной неравновесной плазмы, обладающей синергетическим эффектом при действии совокупности ее компонентов на микробиологические объекты.

В результате исследований и экспериментов установлено, что уменьшение рабочего давления в зоне обрабатываемого материала ниже 0,4 кПа, например, до 0,38 кПа при напряженности электрического поля 4,9×10 ⁴ В/м, частоте 0,04 кГц и напряженности магнитного поля 495 Э приводит к падению эффективности способа обработки и наблюдается частичная остаточная обсемененность испытуемых образцов.

Причинами падения эффективности способа в указанных параметрах обработки являются ограничения по создаваемому давлению для жидких и полужидких сред, что было отмечено ранее. Кроме того, снижение значений напряженности электрического поля, его частоты и напряженности магнитного поля приводит к нестабильности вырабатываемой низкотемпературной неравновесной плазмы с деградацией ее на гранях образцов и в местах резких изломов поверхности, что способствует появлению «мертвых зон» обработки.

В то же время, повышение давления в зоне обработки материалов и объектов, например, до 126 кПа, увеличение напряженности электрического поля до 3,1×10 ⁶ В/м, частоты до 101 кГц и напряженности магнитного поля до 1002 Э не дает заметного эффекта и приводит к излишним энергозатратам. При этом повышение концентрации разряда может привести к пробою тонкопленочных структур обрабатываемых объектов и материалов. Возможна частичная деструкция поверхности некоторых обрабатываемых материалов. В целом, подобные режимы выпадают за положительное поле эффективности нового способа и не могут быть рекомендованы для использования.

Сравнительные исследования и эксперименты по известному способу-прототипу и по новому способу проводили на образцах, инфицированных суспензией микроорганизмов вида B.subtilis, B.mesentericus, E.coli. Время обработки материалов в зависимости от их вида, степени обсемененности и эффективного (оптимального режима обработки) составляло от 1 до 10 минут. Обработку по новому способу вели как в границах заявленных оптимальных режимов, так и за их пределами. Все результаты обработки материалов по способу-прототипу и по новому способу сведены в таблицу 1 и представлены ниже.

Примеры осуществления нового способа антисептирования материалов.

Пример 1. Осуществляли стерилизацию образцов из нержавеющей стали. Для этого испытуемый образец инфицировали суспензией микроорганизмов B.subtilis, B.mesentericus, E.coli с концентрацией 1×10⁶ кл/мл методом распыления. Затем образец помещали в изолированную камеру и устанавливали давление в пределах от 0,4 до 125 кПа. После чего проводили обработку в границах заявленных режимов. После обработки образец помещали в питательный раствор (СА и МПА) и выдерживали в термостате при температуре 37 С°, а затем анализировали пророст колоний на питательной среде.

Установлено, что оптимальными параметрами обработки для нержавеющей стали являются: напряженность электрического поля 3×10⁶ В/м, при частоте 0,05 кГц, давлении в емкости 125 кПа и напряженности магнитного поля 500 Э. В этом случае пророст колоний отсутствовал, в то время как при обработке по способу-прототипу пророст наблюдался.

Пример 2. Осуществляли стерилизацию образцов полиэтиленовой пленки по технологии, аналогичной Примеру 1. В результате исследований и экспериментов установлен оптимальный режим обработки с параметрами: напряженность электрического поля 5×10³ В/м, частота 40 кГц, давление в объеме обработки 0,4 кПа и напряженность магнитного поля 700 Э. В результате стерилизации пророста колоний на питательной среде не обнаружено.

Пример 3. Осуществляли стерилизацию образцов порошка белково-витаминного концентрата по схеме, аналогичной Примеру 1. Экспериментально установлено, что оптимальным режимом обработки в этом случае является: напряженность электрического поля 5×10⁴ В/м, частота 100 кГц, давление 0,5 кПа и напряженность магнитного поля 1000 Э. В этом случае пророста колоний не обнаружено? в то время как после обработки по способу-прототипу рост колоний присутствовал.

Помимо указанных материалов обработке подвергались крупы-гречка и перловка, также жидкости впоследствии диспергированные в виде аэрозоля. Режимы 5×10⁴ В/м, 10 кГц и 100 кПа для круп и 6×10⁵ В/м, 10 кГц. 100 кПа для аэрозолей обеспечили их практическую стерилизацию.

Таким образом, установлено, что заявленный способ антисептирования материалов и объектов успешно реализуется в рамках нижеследующей формулы изобретения.

Источники информации

1. Патенты RU № 2086262 и № 2102084, кл. A61L 002/14, A23L 003/005.

2. Патент США № 4207286, кл. 422/23.

3. Патент RU № 2043120, кл. A61L 2/14 (прототип).