однокаскадный импактор с вращающейся чашкой петри для отбора проб микробных аэрозолей

Формула изобретения

1. Устройство для отбора проб микробных аэрозолей, включающее импакционный каскад, состоящий из разъемного кольцевого коллектора, входным патрубком импактора служит ограниченная внутренней стенкой коллектора верхняя часть осевого отверстия, нижнее выходное отверстие с профилированными кромками выполняет также функции входного коллектора источника разрежения - центробежного вентилятора, отличающееся тем, что на входе в импактор установлен секторный конфузор; под конфузором вплотную к нему закреплен диск с щелевыми соплами, к которым непосредственно примыкают сопла секторного конфузора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что под диском с щелевыми соплами устанавливается заполненная плотной питательной средой вращающаяся чашка Петри, вращение которой осуществляется с использованием электромеханического привода, размещенного внутри импакционного каскада.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к устройствам для отбора проб аэрозолей для последующего микробиологического анализа.

Устройство может быть использовано при проведении санитарно-эпидемиологического контроля воздуха в различных медицинских учреждениях, в том числе научно-исследовательских, в производственных помещениях пищевой, фармацевтической промышленности, на транспорте, в культурных учреждениях и т.п.

Целью контроля является определение счетной концентрации находящихся в воздухе микроорганизмов - колониеобразующих единиц (КОЕ, м^-3 ). Существующие методы включают два этапа контроля: отбор проб на питательную среду в условиях, способствующих сохранению жизнеспособности микроорганизмов и их физического состояния (единичных клеток или агрегатов), и последующее проведение микробиологического анализа с использованием стандартных методик.

Санитарно-эпидемиологический контроль микробных загрязнений в подавляющем большинстве случаев производится с использованием многосопловых однокаскадных импакторов.

Импактор включает кольцевой коллектор, многосопловую решетку и размещенную под ней неподвижно зафиксированную стеклянную чашку Петри, заполненную плотной питательной средой, на поверхности которой импактируются аэрозольные микробы (здесь и далее по тексту термином микробы обозначаются различные микроорганизмы: микробы, бактерии, вирусы, грибы и т.п.); при этом используется кинетическая энергия, приобретаемая частицами при возрастании скорости воздушного потока в соплах. Воздух просасывается вентилятором, размещенным в корпусе прибора.

В Российской Федерации к числу наиболее распространенных могут быть отнесены отечественные однокаскадные импакторы ПУ-1Б (см. ж. Гигиена и санитария №4, 1997 г., с.60-61, “Флора 100” (ТУ 6409833).

Значительно реже используется зарубежные приборы SAS-Super -90, MAC -100 (см. рекламные проспекты).

Все эти конструкции выполнены на современном техническом уровне, эффективность отбора аэрозольных частиц достаточно высока: для различных моделей величина d₅₀ составляет от 1,4 до 2 мкм, d₅₀ - диаметр аэрозольных частиц, улавливаемых с эффективностью 50%. Приборы малогабаритны, масса не превышает 2 кг, потребляемая энергия 8-10 Вт, что позволяет в случае необходимости использовать автономный источник питания. Вместе с этими достоинствами рассмотренным многосопловым импакторам присущ общий серьезный недостаток - частицы, импактируемые на плотную питательную среду, подвергаются непрерывному в течение всего времени отбора пробы воздействию воздушных сопловых потоков, снижающих жизнеспособность отобранных микроорганизмов, изменяющих свойства питательной среды.

В отличие от рассмотренных многосопловых импакторов в “ Приборе для бактериологического анализа воздуха. Модель 818” (прибор Кротова) (см. Аэрозоли в ветеринарии, М.: Колос, 1972, с. 72,73) осаждение аэрозольных частиц производится на вращающуюся чашку Петри.

Цилиндрический корпус, служащий для размещения узлов прибора, плотно закрывается крышкой, в которой выполнено заборное сопло. Воздух просасывается через щелевое сопло осевым вентилятором и аэрозольные частицы импактируются на питательную среду. Воздушный поток при помощи малогабаритной турбинки вращает также чашку Петри и при отборе проб щелевые воздушные потоки воздействуют на отобранные микроорганизмы и питательную среду в десятки раз реже, только в зоне, находящейся непосредственно под соплом.

Скорость вращения чашки Петри должна быть минимальной: уже при 2 об· с^-1 величена радиального ускорения ²r составляет 6,9 м· с^-2, т.е. близка к величине ускорения свободного падения 9,8 м· с^-2 , плотная среда деформируется, на ее поверхности могут появляться трещины. С увеличением числа оборотов деформация возрастает. Питательная среда может выплескиваться из чашки. Скорость вращения чашки постоянно нуждается в регулировке. В приборе Кротова для этой цели используются примитивные тормозные устройства. При этом имеет место как остановки, так и возрастание числа оборотов, что может приводить к существенным ошибкам при отборе проб.

Ширина заборного сопла - клиновидного - изменяется по радиусу, изменяется скорость импактирования частиц и соответственно величины d₅₀ (которые в паспорте прибора не указываются). Количество просасываемого воздуха контролируется ротаметром. Объемный расход в приборе Кротова до 40 л· мин^-1. Потребляемая мощность 150 Вт, масса 8 кг, прибор громоздок, шумность велика.

Указанные недостатки привели к тому, что прибор Кротова, разработанный несколько десятков лет тому назад, устаревший морально и физически, в настоящее время находит крайне ограниченное применение.

Вместе с этим сама принципиальная схема импактора с вращающейся чашкой Петри, обеспечивающая при отборе проб защиту отобранных микроорганизмов от повторного - многократного - воздействия щелевых воздушных потоков, защиту питательной среды, имеет бесспорные достоинства.

Германская промышленность в последние годы выпустила портативные пробоотборники ротационного типа RCS Plus и Standard RCS, с объемной производительностью до 1000 л· мин^-1, с высокой эффективностью, стерилизуемые в автоклаве (см. Чистые помещения, М.: Асинком, 1998 г., с. 190,191) Можно предположить, что в этих конструкциях воздействие воздушных потоков на отобранные микроорганизмы ограничено. Однако использование в этих приборах взамен чашек Петри импортных ленточных кассет промышленного изготовления существенно ограничивает перспективы применения этих устройств в отечественной практике.

Принципиальным недостатком многосопловых импакторов с неподвижной чашкой Петри, как уже отмечалось ранее, является незащищенность от воздействия сопловых воздушных потоков отобранных микроорганизмов, что может приводить к снижению их жизнеспособности.

Прибор Кротова, принципиальная схема которого позволяет практически обеспечить защиту отобранных микроорганизмов от многократно повторного воздействия щелевых воздушных потоков, защиту питательной среды, обладает целым рядом серьезных конструктивных недостатков, крайне ограничивающих возможность его использования.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание импактора, защищающего отобранные микроорганизмы и питательную среду от воздействия щелевых воздушных потоков, что достигается введением в состав конструкции вращающейся чашки Петри и диска с щелевыми соплами. Вместе с этим в предложенном устройстве устранены недостатки, отмеченные при рассмотрении прибора Кротова, обеспечена простота эксплуатации, условия оперативного отбора проб аэрозолей в различных условиях.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для отбора проб микробных аэрозолей, включающем импакционный каскад, состоящий из разъемного кольцевого коллектора, входным патрубком импактора служит ограниченная внутренней стенкой коллектора верхняя часть осевого отверстия, нижнее выходное отверстие с профилированными кромками выполняет также функции входного коллектора источника разрежения - центробежного вентилятора, согласно изобретению на входе в импактор установлен секторный конфузор, под конфузором вплотную к нему закреплен диск с щелевыми соплами, к которым непосредственно примыкают сопла секторного конфузора. Технический результат достигается и за счет того, что под диском с щелевыми соплами устанавливается заполненная плотной питательной средой вращающаяся чашка Петри, вращение которой осуществляется шаговым микродвигателем, размещенным внутри импакционного каскада.

Эффективность отбора проб аэрозолей должна быть не меньше эффективности рассмотренных однокаскадных многосопловых импакторов, величина d₅₀ которых составляет 1,4-2 мкм.

При проектировании разрабатываемого устройства выбор размеров щелевых сопел, величины объемного расхода, определяющих требуемую величину d₅₀ производился с использованием формулы (1), полученной в результате решения уравнения движения частиц в поле течения воздуха в импакторе. Сила сопротивления воздуха движению частиц учитывалась в соответствии с формулой Стокса (см. Механика аэрозолей, Москва, “Наука”, 1955, с.173-178): , где dc - ширина щелевого сопла, м; L - суммарная длина щелевых сопел, м; - коэффициент кинематической вязкости воздуха 1,81· 10 ^-5 кг· м^-1· с^-1 ; - плотность частицы 1· 10³ кг^-3; Q - величина объемного расхода м³· с ^-1. Размерности физических величин - в системе СИ.

Приняв величины d_c=5· 10^-4м, L=0,14 м, Q=1,67· 10^-3м³· с^-1:

В дальнейшем изобретение поясняется прилагаемыми чертежами и описанием его работы.

На фиг.1 изображен общий вид устройства, на фиг.2 - секторный конфузор, на фиг.3 - диск с щелевыми соплами.

Основной узел импактора - импакционный каскад (фиг.1), в котором реализуется отбор микробных аэрозолей, включает кольцевой коллектор 1 с кольцевой проточкой 2 в сторону осевого отверстия.

Верхняя часть осевого отверстия 3, ограниченная внутренней стенкой коллектора 4, служит входным патрубком импактора. Нижнее выходное отверстие с профилированными кромками 5 выполняет также функции входного коллектора источника разрежения - центробежного вентилятора. С целью повышения коэффициента аспирации аэрозольных частиц на входе установлен конфузор 6 (фиг.2), крепящийся к внутренней стенке коллектора; в конфузор вмонтирован диск с щелевыми соплами 7.

Конфузор направляет воздушные потоки непосредственно к щелевым соплам. Входные участки конфузора скруглены, угол между стенками, образующеми сопла конфузора, с учетом материалов, приведенных в справочнике по гидравлическим сопротивлениям (М., "Машиностроение", 1985, с. 170-172, 209-211), принят равным 30° , ширина сопла на выходе S=1,5 мм.

В диске с щелевыми соплами (фиг.3, отдельные элементы диска представлены в увеличенном маштабе) диаметром 80 мм выполнено 4 сопла, угол между которыми составляет 90° . Суммарная длина сопел L=140 мм. Толщина диска 4 мм, угол раскрытия, ширина сопла на выходе такие же, как у сопел конфузора (30° ; 1,5 мм). Глубина прямого участка сопла ("рабочего участка") с шириной d_c=0,5 мм составляет 2 мм, торцевые участки сопел округлены.

Чашка Петри 8, заполненная плотной питательной средой 9, на которую импактируется аэрозольные частицы, размещается под диском с щелевыми соплами на вращающемся диске 10 и фиксируется гибкими пружинами 11 с использованием упругих прокладок 12. Прокладки позволяют регулировать расстояние между щелевыми соплами и поверхностью питательной среды, которое должны составлять 1,5-2 мм. Вращающийся диск устанавливается на оси шагового микроэлектродвигателя 13 (FL-15, число оборотов 0,2333 об· с^-1 (14 об· мин^-1),12 В, потребляемая мощность 4 Вт). Двигатель крепится к нижней части кольцевого коллектора 14 при помощи стоек 15.

Материалы, используемые при изготовлнии деталей импакционного каскада, должны быть устойчивыми к воздействию дезинфекционной обработки. Двигатель заключен в плотный корпус 16, выход вала также уплотнен 17.

Импакционный каскад крепится к корпусу 18. В качестве одного из вариантов может быть использован корпус и основной состав узлов импактора ПУ-1Б: микродвигатель 19 центробежного вентилятора 20, электронная схема 21 с оптопарой, контролирующей число оборотов вентилятора и тем самым величину объемного расхода; в состав электронной схемы включен также блок управления шаговым двигателем. На наружной поверхности корпуса размещаются органы управления 22.

Аэродинамическая характеристика вентилятора, использованного в импакторе ПУ-1Б, позволяет считать, что при работе в разработанном щелевом импакторе его производительность ориентировочно составит 85-110 л· мин^-1, т.е. окажется близкой к величине, принятой в приведенных расчетах значения d₅₀.

При включении центробежного вентилятора включается также двигатель, вращающий диск с установленной на нем чашкой Петри. Воздух, засасываемый вентилятором из окружающей среды, через конфузор попадает в щелевые сопла, разгоняется в них и аэрозольные частицы импактируются на поверхность питательной среды в чашке Петри, которая размещается под диском с щелевыми соплами.

Отработанный воздух, содержащий наиболее мелкие аэрозольные частицы, не задержанные импактором, выбрасывается в атмосферу.

Масса, габаритные размеры, энергопотребление, наконец, величина d₅₀ практически полностью совпадают с соответствующими характеристиками многосоплового импактора ПУ-1Б.

При вращении чашки Петри зона контактов щелевых потоков со средой непрерывно смещается, благодаря чему импакция производится на всей поверхности среды, а отобранные микроорганизмы и сама среда оказываются защищенными до нового контакта с щелевыми потоками. Действительное время воздействия воздушных потоков оказывается многократно меньшим продолжительности отбора пробы.

Площадь плотной питательной среды в чашке Петри составляет 5000 мм² (D_ч=80 мм), а суммарная площадь контактов струй со средой с учетом отмеченного ранее растекания потока на поверхности осаждения D_р=2d_с-600 мм² (многосопловая решетка импакторов ПУ-1Б содержит 367 сопел диаметром 0,8 мм²), т.е. действительно работает только незначительная часть среды - около 15%. Соответственно в зонах, находящихся под соплами, резко возрастает нагрузка на среду.

В разработанной конструкции с вращающейся чашкой Петри устранен основной недостаток многосопловых импакторов с неподвижной чашкой - непрерывное, в течение всего времени отбора пробы травмирующее воздействие сопловых воздушных потоков на среду и отбираемые микроорганизмы. Окисление, обезвоживание, изменение рН изменяют состав питательной среды, нарушается осморегуляция биологических организмов (см. Аэрогенные инфекции, М. “ Медицина ”, 1975, с. 144,145,158,163). Вращение чашки позволяет существенно уменьшить интенсивность рассмотренных инактивирующих процессов, обеспечивая надежную защиту среды и микроорганизмов и, очевидно, существенно повысит выживаемость отобранных проб.

Отмеченные качества щелевого импактора позволяют говорить о перспективности его применения при отборе проб микробных загрязнений в различных условиях.

При серийном производстве разработанной конструкции с применением технологического оборудования щелевые сопла могут выполняться непосредственно в секторном конфузоре. При этом диск с щелевыми соплами исключается из состава изделия. Производство импакторов упрощается также возможностью использования ряда узлов, отработанных в однокаскадных многосопловых импакторах ПУ-1Б, “Флора 100”.