CN102065907B - 基于微气溶胶的去污方法 - Google Patents

Abstract

用于采用微气溶胶对被污染的封闭设施进行消毒的方法，所述微气溶胶含有自由基，由电化学活化的溶液制备。在本发明的一个实施方案中，所述气溶胶用空气：EAS之比为（1-10）：1（质量）的EAS-空气混合物来制备，液滴≤10微米。该方法优选通过用涡旋注射喷嘴雾化该混合物并随后分离粗分散的颗粒来进行。

Description

基于微气溶胶的去污方法

关于对在联邦赞助的研发下进行的发明的权利的声明

本发明是在合同号为DE-AC0576RLO1830、由美国能源部提供资金的政府支持下进行的。政府对本发明拥有一定的权利。

优先权

本发明要求2008年6月26日以GIPP协议提交的、申请号为N2008125415、标题为Method for Aerosol-Based Disinfection for Enclosed Facilities and the Device for Doing the Same的俄罗斯专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及在各种领域，包括但不限于农业、医药、保健、运输、食品加工、制造、建筑和其它应用，中的封闭环境的去污和消毒的方法。

背景技术

致病性生物剂会对人类、动物及其存在的环境造成显著破坏。需要用于对封闭环境比如医院中的多种生物剂进行高效地、环保地瞬时去污的方法。虽然已经考虑并提出了各种方法，但是，用于对于几何形状复杂的封闭设施进行合理且成本有效的清洁的有效环保技术确实还没有出现。本发明正是满足了这些需要同时克服了现有技术不足的方法。

本发明的其它优点和新颖特征将在下面给出，而且将从本文的描述和例证中变得明显。相应地，本发明的下列描述应该视为本发明的示例而绝非限制。

发明内容

本发明是用由电化学活化的溶液（EAS）制备的微气溶胶（MA）对受污染的封闭环境（典型地，容积大于5升）进行消毒的方法。电化学活化的溶液（EAS）典型地包含通过矿物盐的稀释水溶液的阳极化或阴极化（单极性）处理制备的组合物。这种处理产生具有不寻常物理化学性质的亚稳态。尽管在本文描述的一些实施方案中所述电化学活化的溶液是NaCl溶液，但是应该明确理解的是本发明并不特别受限于此，而是可以采用适合使用并容易由本领域技术人员确定的各种其它电化学活化的溶液中的任何来进行各种替换性配置。相信雾化的EAS颗粒分散在空气中并形成自由基，所述自由基在接触到各种细胞、孢子和其它目标材料时会对其造成破坏。这些液滴干燥后形成这些具有高穿透能力的超活性的自由基（例如，氧为中心的自由基）。这些超活性的自由基随后引发自由基攻击，这种攻击在生物剂内以链反应方式持续，导致细胞/病毒/孢子死亡。本发明的方法提供了各种优点，这是由于EAS以及尤其是由EAS制备的微气溶胶本身并不象许多液体比如漂白剂那样在化学上攻击性很强，因此不会对灵敏设备和内部材料造成损害，同时仍然保持作为抗生物剂的效力。

在本发明的一个实施方案中，EAS和空气以EAS（1-10）：1（质量）的比例混合，液滴≤10微米。该混合物随后优选用涡旋注射喷嘴雾化，所述喷嘴随后将所述粗分散的颗粒分离。在本发明的一个实施方案中，在具有隔膜的电解装置的阳极室中进行过电解的氯化钠水溶液充当EAS用于雾化。在其它实施方案中，该氯化钠水溶液数次在电解装置的阳极室中进行电解，以形成具有随后更高活性离子浓度的EAS。尽管描述了这些实施方案，但是可以采用形成具有大致中性pH的EAS的溶液分散体的任何装置、材料或组合。这种方法通常能够和湿度或温度无关地进行，而且不受设施大小的限制。尽管描述了这些特定构造和参数，但是应该明确理解的是，本发明不限于此，而是可以以各种替换性形式体现以包括任何各种另外的特征。

在本发明的一个实施方案中，通过放置在含有工作溶液的圆柱形容器中的气溶胶发生器来执行本方法，其中注射喷嘴设置在液体表面上方从而将产生的气溶胶流通过弦导向容器壁。在这种实施方案中，气溶胶发生器可以具有各种特征，包括空气进料组装件、水平截止板形式的偏转器、和1-6个注射喷嘴，这些喷嘴可以进行各种构造以能够沿着大致水平方向转动。在一些构造中，注射喷嘴经过构造以使气溶胶炬中心轴至容器壁的突起形成至少一个至容器壁上边缘的气溶胶回转。另外，注射喷嘴可以包括喷嘴室，所述喷嘴室用于将待雾化的液体和空气流混合，并沿切向导向喷嘴室壁。优选地，空气进料管的横截面面积和喷嘴孔隙的横截面面积经选择以在喷嘴室内提供不小于0.1MPa的空气压力过量。

上述概述的目的是使不熟悉专利或法律术语或措词的通常公众，尤其是科学家、工程师和本领域工作人员能够通过大致浏览来快速地确定本申请技术公开的本质和实质。所述概述不是试图限定本申请的发明（这由权利要求来度量），也不是试图以任何方式来限制本发明的范围。

附图说明

参考附图将更好地理解本发明，其中：

图1是用于制备气溶胶的、连接到气溶胶发生器的设备的示意图。

图2是气溶胶发生器的示意图。

图3是注射喷嘴的示意图。

图4的表给出了在本发明的一个应用中微气溶胶化的溶液对微生物细胞和孢子的去污效果。

图5的表给出了MAEAS和其它气溶胶对各种生物剂的效果之间的差异。

图6示出了微气溶胶的去污效果和颗粒尺寸之间的关系。

图7示出了本发明的效果和采用另一分散技术（Omron雾化器）的方法的比较。

图8示出了EAS的去污效果和气溶胶生成参数之间的关系图。

图9示出了VAG发生器生产率和颗粒尺寸分布与喷嘴取向之间的函数关系。

图10示出了在脉冲气溶胶生成之后在气密性室内液滴（>1微米）的减少。

图11的表给出了在本发明的方法中生成的微气溶胶液滴的穿透能力。

图12示出了>1微米的和<1微米的MAEAS颗粒对吸附在表面上的蜡质芽孢杆菌孢子（B.cereas spore）孢子的效果。

图13的表示出了>1微米的和<1微米的MAEAS颗粒对空气传播的蜡质芽孢杆菌孢子的效果。

图14示出了MEAS对吸附在不同材料上的各种生物剂的去污效果。

图15示出了MAEAS对空气传播的和吸附在玻璃表面上的病毒H1N1和H5N5的去污效果。

图16示出了MAEAS在Fe⁺²存在下的去污效果。

具体实施方式

下列描述包括对本发明各种优选模式的描述。从本发明的该描述中显然可见本发明不限于这些示例的实施方案，而是本发明也包括各种改变及其实施方案。所以，本发明描述应该被视为示例性的而非限制性的。尽管本发明容易进行各种修改和替换性构造，但是应该理解的是并不试图将本发明限制为公开的具体形式，相反，本发明旨在覆盖落在权利要求所限定的本发明精神和范围之内的所有修改、替换性构造和等价方式。

附图例证了在随后给出和描述的各种测试和应用中用于执行本发明方法的装置的示例。在这些图中，下面的附图标记是指在图1-3中给出的装置的各种特征。在下列试验中采用的装置由和从储器（6）传输液体的液体进料管线（4）连接的微气溶胶发生器（2）构成。在一些实施方案中，也可以包括流量计（8），优选在储器6和气溶胶发生器（2）之间。也包括连接到机动化的压缩器（12）的经压缩的空气进料管线（10）。在一些情况中，该管线（10）也可以包括压力控制器（14），具有或者不具有压力计（16）和/或过滤器（18）。另外，该装置可以包括用于去污的测试室（20），其经连接以接收从微气溶胶发生器（2）泵送的微气溶胶。

图2示出了微气溶胶发生器（2），示出了涡旋注射喷嘴（22），其设置在圆柱形容器（24）内使得产生的微气溶胶炬由弦导向容器壁（24）。要求至少一个喷嘴（22），在各种替换性实施方案中，可以提供各种数量、类型和构造的这些喷嘴的多个注射喷嘴。在该应用中，优选具有1-6个喷嘴（22），具体取决于加工面积。如果特定构造如此需要，那么可以用塞子代替一个或数个喷嘴（22）的一部分。

喷嘴（22）固定到支撑构造（28）的分支导管（26），所述支撑构造（28）使得能够在容器（24）内转动。喷嘴（22）可操作地通过喷嘴管（30）连接到液体进料管（4），所述喷嘴管（30）优选由聚氯乙烯（PVC）管形成。这些管（30）用环（17）、垫圈（18）和螺母（19）固定。结构（28）为喷嘴（22）提供位置从容器（24）顶部到底部改变的能力。截止板（32）用螺母（34）固定到支撑构造（28）上，并允许通过沿着所述支撑构造移动来调整高度。如果必需，也可以在所述容器上包括扩散器，其通过管可拆卸式地和通风系统或测试室（20）连接。

图3示出了注射喷嘴（22）的详细视图，其由圆柱形喷嘴室（23）构成，所述喷嘴室具有用于空气进料的切向管道（25）以及轴向出口孔隙（38）。在所述室内设置有和孔隙（38）共轴的液体进料分支导管（26）。我们的测试表明在如下情况下实现最高程度的分散：出口孔隙的横截面面积和切向管道横截面的总面积之比是1：3，轴向出口孔隙的长度是其直径的0.3-1.0，转向所述孔隙的分支导管端部是在距离所述孔隙的出口边缘的0.5-2.0个孔隙长度处。在使用中，所需数量的喷嘴（22）设置在管道构造（28）的分支导管（26）上，并合适的间隔开以允许充分地覆盖所述覆盖面积。

为了施加所述气溶胶，将工作溶液从储器（6）供至气溶胶发生器（2），在该处它和由空气压缩机（12）提供的空气混合。在一些应用中，进料管中的压力由压力控制器（14）设置并可以用压力计（16）调节。压缩的空气通过过滤器（18）供给气溶胶发生器（2），其中切向供给的空气在喷嘴室（23）内形成扭曲的流然后通过出口孔隙（38）排出。在这些条件中，气体速度在分支导管（26）附近达到最大值。尽管沿着单元轴气体被稀释到0.03mPa，但是形成了背向气流。当空气从压缩器供给到喷嘴室（23）时，被脱湿到水含量为15-20％。

然后，液体溶液以0.15-0.6m/s的线速度通过进料导管（30）和分支导管（26）供给室（23）。所述溶液流被所述背向气流带到具有最大速度的区域并通过离心力破碎。气溶胶液滴由此第一次脱水。生成的气溶胶利用空气流抽吸通过出口孔隙（38）并进入到容器（24）中。在这些条件中，气压下降，这导致空气膨胀和相对湿度降低。因此，雾化的液体被进一步脱水，液滴尺寸减少。由弦定位的喷嘴在所述容器（24）内提供两相流扭曲。这样，粗分散的液滴沉降到容器壁和板上并移向底部，而细分散的液滴通过切向空气流带离容器。

容器轴周围的空气被稀释，从而从外部吸引干空气流，这导致气溶胶进一步脱水以及尺寸为大约1微米的液滴的浓度增加。因此，尺寸1微米的颗粒的浓度增加。形成的微气溶胶进入封闭的设施或测试室。由于进入的微气溶胶被以相同速度移动的空气“垫子”环绕，所以避免了和室内空气的迎面碰撞并且不被灭活。结果，电活化的微气溶胶（MAEAS）保存了液体溶液的活性。生成的微气溶胶在含有大部分的尺寸为1微米及更小的液滴时具有更高的穿透能力。下面的试验证实通过VAG发生器（利用空气）制备的电化学活化的溶液的微气溶胶和用超声发生器（没有空气）制备的相比，有效性是10倍大。

在一个实施方案中，提供了涡旋雾化器（VAG），其配有4个气动喷嘴并可以以三个不同的方案运行。雾化器以方案A（具有封闭的盖子）运行导致液滴被两次分离。雾化器以方案B（盖子移开，气溶胶喷射沿着水平方向）运行导致液滴的单次分离。雾化器以方案C（盖子移开，气溶胶喷射沿着垂直方向）运行并不导致粗液滴的分离。这些运行方案不同之处在于微气溶胶的颗粒尺寸分布和雾化器的生产率。由于喷嘴取向的变化以及盖子中出口开孔尺寸的变化，涡旋雾化器也可以用于中间方案中。

VAG的生产率和气溶胶液滴的尺寸与VAG运行方案之间的函数关系（三次单独测量值的平均值）

其中：d_g是颗粒的计数的（平均几何直径）中值直径；d_c95是颗粒的最大直径（颗粒总数的95％）；d_mmd是颗粒的质量中值直径；d_m95是颗粒的最大直径（全部颗粒的95％，以质量计）。

当在全部方案中运行时，涡旋雾化器产生细分散的微气溶胶（dmmd≤6微米）。

在本发明的一个实施方案中，研究了该装置的液滴对施加在试样片上的不同微生物细胞和孢子的去污效果。将细胞悬浮液沉积在面积为225cm²的每个涂覆有乳胶的试样片上。污染的试样片在室温干燥1小时，放置在109.3ft³的室中。然后，通过微气溶胶发生器VAG雾化100ml的EAS或生理溶液（对照），以提供空气：液体比例为6：1的dmmd＝3.2微米的气溶胶液滴。得到的数据示于图4中。如图4所示，MAEAS证实对被测的宽范围的生物剂具有良好的去污活性，所述生物剂包括植物细胞和孢子。也证实在一些应用中，不同的生物剂要求不同体积的雾化的EAS和与MAEAS的不同接触时间以获得高水平的去污。

在本发明的另一实施方案中，对具有相同含量活性氯（0.1质量％）的电活化的溶液（EAS）和次氯酸钙的1％水溶液测试了对抗Gram阴性大肠杆菌（E.coli） M17植物细胞、Gram阳性金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）植物细胞和Gram阳性苏云金芽胞杆菌（Bac.thuringiensis）菌株98-孢子的效力。

玻璃、棉、金属、乳胶涂料、砖和瓦表面在污染之前经过清洁和消毒。试样片尺寸为225cm²。通过气动式雾化器将所述细胞和孢子悬浮液沉积在试样片上，产生粗分散的气溶胶（液滴尺寸为100-150微米）以得到10⁶-10⁸细胞/孢子/cm²。将具有生物剂的试样片于室温和RH 50-60％干燥1小时，然后置于109.3ft³的气溶胶室内。然后，以5ml/min（d_mmd＝3.2微米，空气：液体比为6：1）的速率将去污剂或生理溶液在所述室内雾化预定时间。

一旦试验完成，将试样片从所述室中取出并用无菌生理溶液洗涤。收集从每个试样片上洗下的悬浮液，进行系列稀释，并平板接种在Hottinger琼脂上，列举出过夜生长出的集落。另外，在试验过程中控制下列参数：通过将具有营养琼脂的敞开的Petri培养皿暴露15分钟，然后在37±1℃孵育样品24小时来控制测试室中的空气无菌状态；通过将0.1ml样品接种在营养琼脂上，用抹刀将所述溶液均匀铺开，并在37±1℃孵育24小时来控制生理溶液和蒸馏水两者的无菌状态。所有的试验和对照进行一式三份。试验的结果显示在图4-6中。如同表5中的结果所证实，随着MAEAS液滴的尺寸减少，该方法的效果增加。

由于形成更小液滴的装置在所描述的方法中具有更大的效力。这些装置优选用于执行本发明的方法。但是，在一系列试验中，在同一环境中测试生成mmd～3μm颗粒的两种不同类型的装置以执行本发明的方法。在这些试验中，清楚显示出图1-3中给出的VAG装置在完成已经在本申请中给出的杀菌任务方面最有效。图7示出了由VAG发生器形成的MAEAS的去污效果远远超过Omron发生器（另一技术）形成的去污效果。在短期气溶胶暴露结果中发现存在着最大的差异。这表明通过VAG发生器形成的气溶胶液滴的性能的阳性相关影响（例如，在液滴干燥时的超活性的自由基）。

基于得到的数据，当空气/液体EAS比（重量）为8：1且输入空气压过量-0.2MPa时出现MAEAS的最高去污活性。另外，各种其它因素，比如喷嘴的取向、材料处于容器中的时间长度、以及其它因素对去污方法的效力有影响。在附图8-10中示出了优选的实施例。

图8示出了去污效果测试的结果，基于气溶胶发生器的各种特性的改变。图9示出了喷嘴在容器内的位置和取向对从该装置排出的颗粒的生产和尺寸的影响。图10示出了在液体雾化之后在MA保留在室内的时间期间，MA液滴（mmd>1微米）的浓度（质量）变化。该表反映了如下测试：其中，荧光素钠标记的电活化的溶液（EAS）在测试室内雾化（d_mmd＝3.6微米）。一旦雾化终止，用微旋风装置从室中定期取出空气样品，分析气溶胶颗粒（>1微米）的浓度。在EAS雾化后即刻所述颗粒的浓度记为100个相对单位。在EAS雾化后的4小时内，MA液滴（>1微米）的浓度从100相对单位下降到1相对单位。

图11-12示出了在气密性室内在脉冲式气溶胶生成之后MAEAS去污效果的数据。如同所述数据所示，MAEAS液滴能够穿透封闭的Petri培养皿，并使沉积在试样片上的孢子失活。在EAS雾化后4小时，MAEAS液滴保持去污活性。当MAEAS颗粒（>1微米）的浓度下降到1相对单位时，“室气氛”仍然有高的去污效果。因此，和类似装置制备的能够保持效果不超过30-40分钟的气溶胶不同，MAEAS在雾化后至少在4小时内保持其去污活性。如图12和13中的数据所示，这一结果当应用到孢子上时得到了进一步支持。

如所述数据所示，在≥1微米及更大的气溶胶液滴沉积或干燥后，“室气氛”仍然保持其高的杀细菌活性。如所述数据所示，MAEAS在雾化后至少4小时保持高的杀菌活性，即使当几乎所有气溶胶液滴>1微米已经沉积或干燥时。可以考虑的是这一效果源自MAEAS液滴在空气流中的脱水以及在室气氛中细分散的液滴的浓度的增加，这些细分散的液滴由于形成超活性自由基而具有高的杀生物活性。

本发明的方法在各种类型的表面和材料上得以验证，并在每一表面和材料上显示出有效的杀生物性能。表14和15验证了MAEAS对于沉积在各种材料上的微生物细胞、孢子和病毒的高的去污效果。MAEAS保持杀生物效果至少4小时，并可用于不同材料（包括纤维布、空调过滤器等）的去污。在这些状况和情况的每一中，验证了有效的杀生物性能。参见图14-15。

可以通过用不同离子对EAS进行改性来增加MAEAS的去污效果。图16验证了FeSO₄添加到氯化钠中用于制备MAEAS的积极效果。图16显示出可以通过在电活化的溶液中加入Fe²⁺（已知的自由基形成性材料）而得到增加的效果。这进一步增强了本发明采用自由基作为去污机制的主张。

尽管描述和示出了本发明的各种优选实施方案，但是应该明确知道本发明不限于此，而是可以以各种方式体现以在所附权利要求的范围内实践。从前面的描述中，显而易见地是可以在不偏离所附权利要求限定的本发明精神和范围内进行各种变化。

Claims (9)

1.用于对封闭区域进行消毒的方法，所述封闭区域的体积大于5升，所述方法包括：

提供通过矿物盐的稀释水溶液的单极性处理制备的电化学活化的溶液，

在空气中形成所述电化学活化的溶液的混合物，

其特征在于，它进一步包括以下步骤：

用置于限定室的容器中的至少一个涡旋注射喷嘴雾化所述空气混合物，

随后将粗分散的液滴从所述空气混合物分离以形成含有自由基的微气溶胶，所述微气溶胶具有的空气：电化学活化的溶液之质量比是1-10：1，并具有≤10微米的液滴，和

将所述微气溶胶注射到所述封闭区域中。

2.权利要求1的方法，其中所述电化学活化的溶液包含氯化钠。

3.权利要求2的方法，其中该电化学活化的溶液中的氯化钠的浓度小于5.0g/l。

4.用于执行根据权利要求1－3任一项的用于对封闭区域进行消毒的方法的系统，包括：

电化学活化的溶液的储器，

由该储器进料的微气溶胶发生器，该发生器包含大致圆柱形的容器，所述大致圆柱形容器具有环绕壁从而限定出室，所述室经构造以在其中接收预选量的工作溶液，特征在于所述发生器具有至少一个位于所述室中在所述工作溶液上方的涡旋注射喷嘴，从而将生成的气溶胶流通过弦导向该环绕壁，所述涡旋注射喷嘴经构造以沿着大致水平方向转动，由圆柱形喷嘴室构成，所述喷嘴室具有用于空气进料的切向管道以及出口孔隙；以及包括和出口孔隙共轴的液体进料分支导管，

待消毒的封闭区域，所述封闭区域具有至少5升体积，

配置是以致于使用时，所述至少一个喷嘴雾化来自该储器的电化学活化的溶液的空气混合物，以及在该圆柱形的容器中的雾化液滴空气的切向扭曲空气流从相对地细的液滴中分离相对地粗的分散液滴，由此形成含有自由基的微气溶胶，所述微气溶胶具有的空气：电化学活化的溶液之质量比是1-10：1，并具有≤10微米的液滴。

5.权利要求4的系统，其中所述微气溶胶被注射到所述封闭区域中。

6.权利要求4或5的系统，进一步包括位于所述容器中在所述工作溶液上方的大致水平设置的偏转板。

7.权利要求4或5的系统，其中所述系统包括1-6个注射喷嘴。

8.权利要求4或5的系统，其中所述注射喷嘴包括用于混合待雾化的液体的喷嘴室，其具有相对于所述喷嘴室壁切向导向的空气进料管道。

9.权利要求7的系统，其中所述注射喷嘴包括用于混合待雾化的液体的喷嘴室，其具有相对于所述喷嘴室壁切向导向的空气进料管道。