Биотехнические основы и математическое моделирование создания качественного аэроионного состава газовой среды обитаемых герметичных объектов

Название метода		Физическая (или химическая) сущность метода	Результаты воздействия	Недостатки
	Ультрафиолетовое излучение	Электромагнитное излучение ультрафиолетового диапазона с длиной волны 205-315нм. Действие на различные структуры микроорганизма.	Действие на разные виды микробиологических групп. Наиболее чувствительны вирусы и бактерии в вегетативной форме.	Зависимость от длины волны, интенсивности облучения, времени воздействия, состояния воздушной среды помещения и т.д. Возможность загрязнения окружающей среды помещения парами ртути, выход УФИ, озона.
	Озонирование	Мощный окислитель. Проникает внутрь микробной клетки.	Действие на разные виды микробиологических групп. Наиболее чувствительны капсулированные вирусы, наиболее устойчивы микробы, покрытые оболочкой.	Зависимость от концентрации, экспозиции, температуры, влажности, вида микроорганизма, pH и исходной обсемененности воздуха. Токсическое действие на организм человека
	Ионизация	Заряжение (или перезаряжение) пыли и микрофлоры и осаждение их на специальных электродах установки и поверхностях в помещении.	В процессе ионизации воздуха не происходит инактивации микроорганизмов и вирусов.	Зависимость от влажности, запыленности воздуха, физических параметров воздуха. Неравномерное распределение аэроионов в замкнутом воздушном объеме. Выход УФИ, озона, генерирование окислов азота. Воздействие на электроприборы и бытовую технику.
	Ультразвук	Действие основано на УЗ-кавитации. Механическое разрушение микроорганизмов.	Действует как на бактерии, так и на грибы.	Зависимость от интенсивности звуковых колебаний.
	Поверхностная модификация материалов	Оказывает бактерицидное воздействие на условно-патогенную микрофлору.	Эффективная и пролонгированная защита от развития бактерий и грибов.
	Соли естественного происхождения	Ионизация воздуха под действием микросолей КС1	Оказывает действие в большей степени на грибы, чем на бактерии.	Малоизученность метода и средств.

Для этого были рассмотрены основные характеристики минерала, используемого в качестве соляного компаунда в приборе «Галоингалятор», а именно сильвинитовая горная порода, входящая в состав калийно-магниевых солей Верхнекамского месторождения. Калийная соль (сильвин) содержит: NaCl - 51,677,2%, KCl - 19,742,0%, MgCl, CaS04, и в виде примесей, большинство жизненнонеобходимых элементов (Fe, Br, Mn, Sr, В, Ti, а также др. элементы табл. Менделеева).

Для улучшения функциональных возможностей прибора рассмотрена возможность применения в качестве соляного наполнителя природной соли Древнего Пермского моря «Ахиллес», представляющую собой уникальную смесь природных минералов высокой чистоты - галита (NаСl) и карналлита (MgCl2·KCl·6H2O) Верхнекамского месторождения.

Механизм аэроионизации воздуха под действием микросолей КСl происходит следующим образом:

Природный калий представлен тремя изотопами: двумя стабильными (39К19 и 42К19) и радиоактивным 40К19, составляющим 0,0118% от всего калия.

Изотоп 40К19 неустойчив. При первом типе распада, который происходит с 88% атомов данного изотопа, 40К19 превращается в 40Са20 (кальций), испуская при этом -частицу. Эта частица ни что иное, как электрон с энергией 0,54 МэВ.

40К19 40Са20 +е

Эманированные -частицы (электроны) присоединяются к внешним оболочкам атомов и молекул воздуха и образуют отрицательно заряженные аэроионы на всем пути свободного пробега. Длина пробега электрона в воздухе до 1,7 м.

Второй тип распада претерпевают 12% атомов изотопа 40К19. Они трансформируются в нестабильный 40Аr18 (аргон), ядро которого переходя в стабильное состояние образует -квант с энергией 1,45 МэВ.

40К19 + е 40 Аr18 +h.

-частица обладает довольно значительной проникающей способностью, однако она гораздо ниже, чем энергия -излучения на следе облака ядерного взрыва, поэтому такое излучение радиофизики условно классифицируют как «мягкое» - излучение. Период полураспада 40К19 составляет 1,32x109 лет.

Таким образом, аэрозоль, продуцируемый прибором «Галоингалятор» обогащен отрицательно заряженными ионами.

Распределение аэроионов в незагрязненном атмосферном воздухе при работе прибора «Галоингалятор» для различных видов материала, используемого в качестве соляного наполнителя, представлено на рисунках 2 и 3. Исследование проводили с использованием измерителя концентрации аэроионов «Сапфир 3К» (Россия).

Рисунок 2 Распределение аэроионов при загрузке прибора природным минералом «сильвинит»

Рисунок 3 Распределение аэроионов при загрузке прибора морской солью «Ахиллес» (второй режим)

Механизм инактивации микроорганизмов в воздушной среде, продуцируемой прибором «Галоингалятор», происходит за счет воздействия на них ионизации, происходящей при естественной радиации изотопа калия (40К19). На основании анализа физических и химических характеристик различных материалов фильтра насытителя выбрана в качестве соляного компаунда обладающая наиболее выраженным ионизирующим эффектом морская соль «Ахиллес».

При создании математической модели продуцирования микросолей КСl для обеззараживания воздушной среды был введен ряд допущений:

- расчет производится для гермозамкнутого помещения;

- за один цикл работы через прибор проходит весь воздух, содержащийся в гермообъеме;

- объем помещения 20м3;

- в качестве тест-культуры выбраны грибы вида Penicillium expansum, остальными видами грибов, находящихся в гермопомещении пренебрегаем;

- объем соляного компаунда органичен габаритными размерами лотка для активного материала;

- масса соляного компаунда, в процессе продуцирования микросолей, постоянна.

Гибель микроорганизмов в воздушной среде гермообъекта происходит за счет их взаимодействия с солями КСl в воздухе и приборе, а также за счет адсорбции в слое пористого материала фильтра-наполнителя.

Изменение количества микроорганизмов в объеме dVa за время dt:

, (1)

где С- концентрация микроорганизмов, КОЕ/м3;

- пористость материала;

Va- объем соляного компаунда в аппарате, м3;

t- время обеззараживания, мин.

Микроорганизмы, находящиеся в потоке воздуха могут закрепляться (адсорбироваться) на поверхности пор. Тогда, разность входящего и выходящего количества микроорганизмов в объеме dVa за время dt за счет явления адсорбции:

, (2)

где v- средняя скорость потока воздуха, м/мин.

Скорость переноса микроорганизмов в слое пористого материала оказывается меньше, чем средняя скорость потока воздуха и называется скоростью фильтрации.

Количество уничтоженных микроорганизмов в объеме прибора dVa за время dt за счет взаимодействия с солью КСl:

, (3)

где а- удельная скорость гибели микроорганизмов в аппарате за счет взаимодействия с солью КСl, КОЕ/м3мин.

Общее количество уничтоженных микроорганизмов в приборе:

, (4)

Начальные и граничные условия:

, (5)

Решение дифференциального уравнения в частных производных (4) с учетом начальных и граничных условий (5), имеет вид:

; (6)

где l- высота слоя соляного компаунда в приборе, м.

Скорость гибели микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КСl находим из условий стационарного режима (т.е. ) и с учетом того, что и :

, (7)

где Q –расход воздуха через аппарат, м3/мин;

F - площадь соляного компаунда в приборе, м2.

Количество уничтоженных микроорганизмов в воздушной среде гермообъема за счет взаимодействия с солью КСl:

, (8)

где го- удельная скорость гибели микроорганизмов в воздушной среде гермообъекта за счет взаимодействия с солью КС1, КОЕ/м3мин;

Vго- объем гермообъекта, м3.

Формула для анализа зависимости скорости уничтожения микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КСl от высоты слоя соляного компаунда формула (7) представлена в виде:

, (9)

Начальными данными для созданной математической модели являются экспериментальные величины, полученные в ходе исследования по обеззараживания воздушной среды гермообъекта.

В результате моделирования для конкретных начальных и граничных условий были получены зависимости:

-скорости гибели микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КСl от высоты слоя соляного компаунда (рисунок 4);

-скорости гибели микроорганизмов в приборе от высоты слоя соляного компаунда для различных режимов подачи воздушного потока (рисунок 5);

-скорости уничтожения микроорганизмов в воздушной среде за счет взаимодействия с солью КСl от времени (рисунок 6).

Рисунок 4 Скорость гибели микроорганизмов в приборе в зависимости от высоты слоя соляного компаунда.

Рисунок 5 Скорость гибели микроорганизмов в приборе в зависимости от высоты слоя соляного компаунда для различных режимов подачи воздушного потока.

Рисунок 6 Скорость гибели микроорганизмов в воздушной среде за счет взаимодействия к солью КС1 в зависимости от времени.

Используя описанную модель, была рассчитана зависимость количества уничтожаемых микроорганизмов во времени. Результаты расчета и сопоставленных экспериментальных данных представлены на рисунке 7. Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием корреляционного анализа Пирсона.

Рисунок 7 Динамика концентрации микроорганизмов в гермообъеме. Сравнение экспериментальных и расчетных значений.

Выражение, используемое для математического моделирования, является упрощенным, так как учитывает не все факторы, которые возникают при воздействии микросолей естественного происхождения на находящиеся в воздухе микроорганизмы. Тем не менее, на рисунке 7 видно, что расчеты, проведенные по этой формуле, достаточно четко согласуются с экспериментальными данными. Для выбранных и обоснованных начальных и граничных условий точность составляет не менее 90%.

Разработанная теоретическая модель дает возможность прогнозировать динамику концентрации микроорганизмов в воздушной среде гермообъема.

В третьей главе приведены результаты лабораторных и экспериментальных исследований по воздействию воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор».

В результате проведенных лабораторных исследований были определены основные характеристики воздушной среды, продуцируемой прибором с наполнителем фильтра солью «сильвинит».

Массовая концентрация аэрозоля находится в пределах 1,93,9мг/м3 и зависит от режима подачи воздушного потока.

Определение фракционно-дисперсного состава показало, что основная часть аэрозоля (до 97%) имела размеры 1 мкм и менее. Более крупные частицы составляли незначительное количество.

Содержание катионов и анионов в воздухе, который выходит из аппарата, не превышает 10-4%. При пропускании воздуха через аппарат некоторое количество фосфатов и нитратов находятся в виде аэрозолей, в то время как хлориды и сульфаты в виде летучих соединений, твердыми частицами могут быть соли кальция и магния.

В результате определения спектрального распределения аэроионов незагрязненного атмосферного воздуха установлено, что концентрация отрицательно заряженных аэроионов зависит от режима подачи воздушного потока и составляет 6003500 ионов в см3. При загрузке прибора морской солью «Ахиллес» концентрация отрицательно заряженных аэроионов составляла 30003400 ионов в см3 при втором режиме подачи воздушного потока.

Был проведен ряд исследований для оценки эффективности обеззараживания воздушной среды гермообъекта.

Для оценки эффективности антимикробного действия прибора «Галоингалятор» выбраны тест - культуры бактерий и грибов, выделенные из среды обитания МКС, для которых была характерна высокая обсемененность и частота обнаружения: Bacillus cereus, Aspergillus versicolor [Новикова Н.Д., Дешевая Е.А., Поликарпов Н.А., 2006г.]. Исследования проводили при исходном нормальном содержании бактерий и грибов, и превышающем нормативный показатель для МКС в двух сериях опытов при загрузке прибора двумя способами: кристаллами природного минерала «сильвинит» и морской солью «Ахиллес».

В результате установлена высокая эффективность обеззараживания воздуха при использовании галоингалятора как от вегетативных представителей бактериальной флоры, так и от спор бактерий и микромицетов. Эффективность очистки воздуха за 6 часов работы прибора составляла:

при загрузке природным минералом «сильвинит» (рисунок 8):

- в лабораторном помещении для бактерий - 98,75%, для грибов - 100%,

в гермокамере соответственно 99,67% и 97,85%;

при загрузке морской солью «Ахиллес» (рисунок 9):

-в лабораторном помещении для бактерий - 98,5%, для грибов – 95,7%,

в гермокамере соответственно 99,9% и 98,8%.

Рисунок 8 Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе при загрузке прибора природным минералом «сильвинит».

Результаты исследования по очистке воздушной среды гермообъекта с целью уменьшения грибковых и бактериальных образований, проводимого в реальном модельном эксперименте с участием 4-х испытателей на базе НЭК ГНЦ РФ-ИМБП РАН показали, что воздушная среда, продуцируемая прибором «Галоингалятор», позволяет снижать уровни микробной обсемененности воздушной среды и поддерживать их в пределах величин, регламентированных для Международной космической станции в период полета (SSP 50260 MORD). Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе экспериментального модуля представлена на рисунке 10.

Рисунок 9 Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе при загрузке прибора морской солью «Ахиллес».

Рисунок 10 Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе экспериментального модуля.

Далее в третьей главе диссертации представлены результаты медицинских клинических испытаний влияния воздушной среды, создаваемой прибором «Галоингалятор», на организм человека.

Проведен наземный медицинский эксперимент по апробации прибора «Галоингалятор», с целью анализа теоретически обоснованного предположения об активации иммунной системы человека и предварительного обоснования выбора физиологических состояний пациента, подлежащих коррекции. Исследование проходили в медицинском центре на базе санатория-профилактория Московского авиационного института (ГТУ). Методика лечения состояла из 10 сеансов галотерапии продолжительностью по 20 мин. Для обследования были отобраны 70 испытателей со следующей патологий: вегето-сосудистая дистония, гастрит, анемия, гепатита А (в анамнезе). В результате исследования у испытуемых с пониженным содержанием гемоглобина в крови прослеживается тенденция к нормализации указанного биохимического параметра крови (рисунок 11). Наиболее достоверные результаты выявлены у испытуемых с алиментарной анемией после 10 процедур галотерапии. У испытуемых, имеющих отклонения в биохимических параметрах, относящихся к функции печени, достоверно выявлена нормализация гамма-глутамилтранспептидазы (ГГТ) (рисунок 12).

Рисунок 11 Динамика содержания гемоглобина в зависимости от количества галопроцедур

Рисунок 12 Динамика гамма-глутамилтранспептидазы у пациентов с болезнью Боткина

Оценивалась эффективности применения прибора «Галоингалятор» при лечении и профилактике респираторных заболеваний и при функциональном снижении гемоглобина крови. Исследование проводили совместно с Главным Военным Клиническим Госпиталем ВВ МВД России. Для проведения исследования были отобраны 2 основные группы пациентов: первая группа - пациенты с хроническим бронхитом в стадии ремиссии (ХБ), вторая группа – пациенты с функциональным снижением гемоглобина крови (АН). У каждой была группа контроля с тем же диагнозом, что и у обследуемых групп, но не проходившая курс галотерапии. Основные группы были разделены на две подгруппы, для каждой из которой использовался свой физический вид наполнителя фильтра. Для подгруппы 1 использовался дробленый природный минерал «сильвинит». Для подгруппы 2 использовалась морская соль «Ахиллес». Методика лечения для основных двух групп состояла из 10 сеансов галотерапии продолжительностью по 15 мин. Эффективность применения галоингалятора оценивали по изменению показателей лабораторно-инструментальных исследований. Результаты исследования показали, что применение прибора «Галоингалятор» проводит к снижению количества бактерий и элиминированию со слизистых оболочек носоглотки условно – патогенных штаммов Staphylococcus aureus (рисунок 13), снижает активность воспалительного процесса, улучшает показатели функции внешнего дыхания (таблица 2), что оказывает стимулирующее воздействие на резистентность организма. Нормализация содержания гемоглобина в крови (рисунок 14) и улучшение микроциркуляции кровотока (таблица 3) имеют большое значение для космонавтов, находящихся в экстремальных условиях космического полета.

Рисунок 13 Динамика содержания общей микробной обсемененности слизистых оболочек носоглотки.

Рисунок 14 Динамика содержания гемоглобина в основных группах.