Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных методов и средств холодной стерилизации и дезинфекции, выбор направлений разработки и совершенствования медико-технических систем для синтеза электрохимически активированных антимикробных растворов 10
Глава 2. Аналитические и экспериментальные исследования направлений разработки и совершенствования медико-технических систем для получения электрохимически активированных растворов 27
2.1. Медико-технические системы для получения растворов гипохлорита натрия 27
2.2. Анализ факторов воздействия анодных продуктов электрохимичеекго синтеза на микробные клетки во внутренней среде организма 32
2.3. Медико-технические системы для синтеза антимикробных растворов с диафрагменными электрохимическими реакторами 35
2.4. Сравнительный анализ характеристик медико-технических систем с диафрагменными электрохимическими реакторами и производимых ими растворов 3 8
Глава 3. Разработка и испытания макетных образцов медико-технических систем для получения электрохимически активированных антимикробных растворов 57
3.1. Исследование параметров синтеза анолита АНК в единичных элементах ПЭМ и реакторах РПЭ 57
3.2. Исследования модельных и макетных образцов медико-технических систем для получения электрохимически активированных антимикробных растворов 64
Глава 4. Параметры и варианты эксплуатации новых медико-технических систем для получения электрохимически активированных антимикробных растворов со средним и высоким удельным содержанием оксидантов
4.1. Установка СТЭЛ-10-01 «КОМПАКТ» 78
4.1.1. Общие сведения 78
4.1.2. Получение анолита А и католита К 80
4.1.3. Получение анолита АНК 81
4. 1 .4. Определение параметров электрохимически активированных растворов 82
4.1.5. Промывка установки 82
4 1 .6. Направления развития установки СТЭЛ-10-01 «КОМПАКТ» 82
4.2. Установка СТЭЛ-АНК-20-01 85
4.2.1. Общие сведения 85
4.2.2. Режимы работы 86
4.2.3. Правила эксплуатации установки 87
4.2.4. Варианты подключения установки 87
4.3. Установка СТЭЛ-АНК-30 «ЭКО-С» 92
4.4. Сравнительные исследования свойств электрохимически активированного анолита, произведенного в различных установках 95
4.5. Рекомендации по приготовлению рабочих растворов анолита АНК с высоким удельным содержанием оксидантов 99
Глава 5. Технологии регулирования физико-химических и функциональных свойств электрохимически активированных антимикробных растворов со средним и высоким удельным содержанием оксидантов 102
Заключение 112
Выводы 117
Список литературы 120
Приложения 128
- Обзор современных методов и средств холодной стерилизации и дезинфекции, выбор направлений разработки и совершенствования медико-технических систем для синтеза электрохимически активированных антимикробных растворов
- Анализ факторов воздействия анодных продуктов электрохимичеекго синтеза на микробные клетки во внутренней среде организма
- Исследования модельных и макетных образцов медико-технических систем для получения электрохимически активированных антимикробных растворов
- Технологии регулирования физико-химических и функциональных свойств электрохимически активированных антимикробных растворов со средним и высоким удельным содержанием оксидантов
Введение к работе
Современная дезинфектология предъявляет следующие требования к водным растворам для дезинфекции и стерилизации:
антимикробное средство должно обладать широким спектром антимикробного действия - эффективно уничтожать бактерии, микобактерии, вирусы, грибы и споры вне зависимости от продолжительности и частоты применения, что предполагает наличие свойств, препятствующих микроорганизмам выработать резистентность;
антимикробное средство должно быть безопасным для человека и животных как во время его приготовления и применения, так и после окончания использования по назначению, в период деградационных и деструктивных изменений под влиянием факторов внешней среды или в результате процессов биодеградации в организме человека, иными словами, антимикробное средство и продукты его естественной или искусственной деградации не должны содержать веществ-ксенобиотиков;
антимикробное средство должно обладать универсальностью действия, иметь не только противомикробные свойства, но также обладать моющей способностью с минимальной повреждающей и коррозионной активностью по отношению к различным материалам, а также быть максимально простым в применении и при этом относительно недорогим.
Как следует из научных публикаций последних лет, этим тербованиям не соответствует большинство типов антимикробных растворов, действующие вещества которых представлены стабильными химическими соединениями, несмотря на то, что такие растворы широко применяются в практике.
Стабильные химические антимикробные препараты одинаково вредны для всех форм жизни, но к ним, в отличие от человека, микроорганизмы приспосабливаются очень быстро вследствие более эффективных реакций адаптации и быстрой смены поколений. Известно, что количество штаммов
5 микроорганизмов, устойчивых к целым классам химических соединений,
возрастает со временем. Периодические плановые замены одних
антимикробных препаратов на другие в общем комплексе дезинфекционных
мероприятий лечебно-профилактических учреждений не решают проблему
внутрибольничных инфекций, а введение в практику новых дезинфицирующих
препаратов создает условия для появления более устойчивых к ним видов
микроорганизмов.
Альтернативой, стабильным химическим препаратам являются электрохимически активированные растворы, действующие вещества которых находятся в метастабильном состоянии.
Электрохимически активированный анолит АНК (анолит нейтральный с участием продуктов катодных реакций) - это высокоэффективный дезинфицирующий и моющий раствор. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с нейтральным значением рН (6,0 - 7,5), общим содержанием всех растворенных веществ от 1,0 до 5,0 граммов в 1 литре и общим содержанием действующих веществ до 500 мг/л. Раствор имеет при этом нерезкий запах хлора и относится к 4 классу малоопасных веществ. Анолит АНК обладает широким спектром действия, эффективно уничтожает бактерии, микобактерии, вирусы, грибы и споры; не накапливается в пористых материалах, не загрязняет окружающую среду продуктами распада. Являясь универсальным антимикробным средством, не позволяет микроорганизмам вырабатывать резистентность и поэтому может использоваться по одному и тому же назначению для обработки одного и того же объекта неограниченно долгое время. Сохраняет свойства моющего, дезинфицирующего и стерилизующего раствора в течение 5 дней после получения при хранении в закрытой пластиковой или стеклянной таре в местах, защищенных от прямого солнечного света при комнатной температуре.
Проведение дезинфекционных мероприятий анолитом АНК осуществляют методом протирания (различные поверхности в помещениях и т.д.), методом погружения (уборочный инвентарь, изделия одноразового
применения), аэрозольным способом (поверхности комнат, салонов и др. помещений, оборудования, воздушная среда) и путем добавления в жидкие моющие агенты для обеззараживаемых жидких сред. Дезинфекционная обработка воздушных сред больших по объему помещений аэрозольным способом проводится многократно.
Анолит АНК может применяться без средств индивидуальной защиты в присутствии людей, так как обладает минимальным классом токсичности; благодаря метастабильному составу действующих веществ после окончания дезинфекционной обработки деградирует до неопасных веществ и не требует дальнейшей утилизации; не накапливается во внешней среде.
Основные отличия анолита АНК от традиционных антимикробных растворов состоят в следующем:
Концентрация действующих веществ в анолите АНК, как минимум, в 5
раз меньше, чем в рабочих растворах большинства других известных
дезинфицирующих, стерилизующих и; моющих средств, что при его общей
малой минерализации полностью исключает адсорбционно-осмотическое
увлажнение пористых материалов (например, стен) за счет поглощения влаги
из воздуха после окончания обработки и испарения воды, а также исключает
увлажнение стен в процессе аэрозольной обработки.
В отличие от традиционных моюще-дезинфицирующих средств,
действующие вещества анолита АНК не выделяются в воздух помещений после
окончания обработки за счет сублимации.
В отличие от дезинфицирующих и стерилизующих растворов на основе глутарового альдегида, формальдегида, хлорамина, дихлоризоциануратов, надуксусной кислоты, четвертичных аммониевых соединений (ЧАС), соединений тяжелых металлов, анолит АНК не содержит чуждые организму человека и теплокровных животных вещества-ксенобиотики.
Антимикробные вещества анолита АНК (биокаталитически активная низкоконцентрированная смесь хлоркислородных и гидропероксидных оксидантов) обычно синтезируются в организме человека и теплокровных
7 животных специализированными электрохимически активными ферментами
клеток и участвуют в процессах нейтрализации вредных и чужеродных веществ
в организме (фагоцитоз).
Метастабильная смесь оксидантов в анолите АНК является наиболее эффективным из известных средств уничтожения микроорганизмов, поскольку обладает множеством спонтанно реализующихся возможностей необратимого нарушения жизненно важных функций биополимеров микроорганизмов на уровне реакций передачи электронов. Обеспечивается полное отсутствие адаптации (привыкания) микроорганизмов к анолиту АНК.
Нейтральный анолит АНК получают в установках СТЭЛ производительностью от 40 до 1000 л/ч.
Установки СТЭЛ предназначены для электрохимического синтеза из разбавленного раствора хлорида натрия экологически чистого раствора -анолита нейтрального АНК для целей дезинфекции, мойки, предстерилизационной очистки и СТЕРИЛИЗАЦИИ.
Благодаря особой технологии, синтеза и конструктивным особенностям
используемых в установках СТЭЛ электрохимических реакторов из проточных
электрохимических модульных элементов ПЭМ-3 анолит АНК обладает
намного большей антимикробной активностью, чем более концентрированные
рабочие растворы известных дезинфицирующих веществ - хлорамина,
гипохлорита натрия, четвертичных аммониевых соединений,
дихлоризоциануратов, альдегидов, солей тяжелых металлов, и также обладает моющими свойствами, отсутствующими у названных растворов. Себестоимость анолита АНК, для получения которого используют раствор пищевой повареной соли концентрацией 3 - 5 г/л при удельном расходе электроэнергии 2-3 Вт-ч/л, составляет порядка 7 - 10 копеек за 1 литр с учетом амортизации установки СТЭЛ. Это позволяет использовать анолит АНК в больших объемах на месте применения.
Установки СТЭЛ подключают к напорной линии подачи воды или непосредственно к водопроводному крану, приготавливают концентрированный
8 раствор соли (100 - 150 грамм в 1 литре), который в процессе работы установки
дозированно с помощью встроенного водоструйного насоса подмешивается к воде и, проходя через электрохимический реактор установки СТЭЛ, превращается в активированный нейтральный анолит АНК.
Технические средства для получения анолита АНК (электрохимические реакторы, установки СТЭЛ), а также технологические процессы его синтеза запатентованы учеными и специалистами ОАО «НПО «ЭКРАН» в 50 странах и зарубежных аналогов не имеют. Все установки для получения анолита АНК, производимые многими российскими (ФГУП Ижевский завод «Купол», ОАО НПО «Химавтоматика», г. Москва, ЗАО НПО «ЭХА ТЕХНОЛОГИИ», г. С-Пб. и др.) и зарубежными (Monsanto, Battelle, Hydrofem, Radical Waters) компаниями, являются продуктом сотрудничества ученых и специалистов ОАО «НПО «ЭКРАН», крупнейшего производителя установок СТЭЛ, с указанными компаниями. За последние 10 лет всеми предприятиями было произведено более 25 000 установок СТЭЛ различной производительности. Применение установок СТЭЛ и анолита АНК сертифицировано в следующих областях:
дезинфекция, предстерилизационная очистка, стерилизация (методические указания МУ-11-3/206-09 от 17.06.2002г., утвержденные Руководителем Департамента Госсанэпиднадзора МЗ РФ; регистрационное удостоверение МЗ РФ дезинфекционного средства «Нейтральный анолит АНК» №0542-59/30-2002);
дезинфекция воды в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения (гигиеническое заключение ГСЭН МЗ РФ №77.99.15.945X1.000088.01.03 от 27.01.2003);
дезинфекция мясного оборудования, санитарная обработка оборудования, инвентаря и тары при производстве молочных продуктов детского питания на молочных кухнях и малых производствах (методические указания МУ-140-113 ГСЭН МЗ РФ, письмо ГСЭН МЗ РФ №Д01-13/185-115 от 18.04.1997);
мойка и дезинфекция в ветеринарии и животноводстве (наставление по
применению католита и анолита, получаемых в установках СТЭЛ, утвержденное Департаментом ветеринарии Минсельхозпрода 09.03.1999 г.).
Несмотря на значительные преимущества анолита АНК в сравнении с растворами химически стабильных дезинфицирующих средств, он не свободен от недостатков, основным из которых является его высокая коррозионная активность. Также к числу недостатков следует отнести необходимость ополаскивания ряда изделий медицинского назначения после обработки анолитом, поскольку на их гладких глянцевых поверхностях могут оставаться следы соли при высыхании влаги. Практика применения установок СТЭЛ показала необходимость получения анолита АНК из химически чистых исходных компонентов, что не предусмотрено в существующих конструкциях установок СТЭЛ. Также в процессе практической работы была выявлена необходимость усиления моющей и антимикробной активности анолита АНК при обработке изделий с высокой степенью загрязнения белковыми и жировыми отложениями.
Настоящая работа направлена на поиск оптимальных технических и технологических вариантов решения актуальных задач совершенствования установок СТЭЛ и функциональных свойств анолита, а также устранение перечисленных недостатков.
Обзор современных методов и средств холодной стерилизации и дезинфекции, выбор направлений разработки и совершенствования медико-технических систем для синтеза электрохимически активированных антимикробных растворов
Количество химических препаратов для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации непрерывно расширяется. В России разрешено применение более 400 препаратов для борьбы с микробиологическими загрязнениями. Это затрудняет выбор соответствующих препаратов в каждом отдельном случае, поскольку их предложение нередко диктуется интересами коммерческого сбыта, без учета реальной эффективности и безопасности дезинфектанта. В то же время по данным научных и практических публикаций [1-15] прослеживается, что итоги борьбы человека с миром микробов складываются не в пользу человека. Возрастает количество штаммов микроорганизмов, устойчивых к целым классам химических соединений. Появляются новые формы инфекционных болезней (СПИД, «болезнь легионеров», прионные инфекции и т.д.). Периодические плановые замены антимикробных средств на другие в комплексе дезинфекционных мероприятий лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ) часто подменяются административными решениями в пользу препаратов, которые не решают проблему внутри больничных инфекций (ВБИ) и в лучшем случае лишь сдерживает их натиск. В результате шаткий баланс «микробного пейзажа» в учреждениях ЛПУ часто нарушается случайными факторами.
В программном докладе [1], посвященном методологическим проблемам современной дезинфектологии, утверждается, что идеальные (а следовательно, и перспективные) химические средства для обеззараживания медицинских изделий наряду с высокой микробоцидной активностью и некоторыми другими свойствами должны обладать длительными сроками хранения, но в то же время быть готовыми к употреблению без предварительной активации или смешивания с другими компонентами, также должны отличаться простотой утилизации отработанного раствора. Длительное хранение химического средства осуществимо при высокой химической стабильности действующих веществ, однако, утилизация стабильного вещества после использования нуждается в эквивалентных затратах других веществ или энергии. Таким образом, сочетание требований стабильности с простотой утилизации невозможно принципиально. Что касается требования по исключению предварительной активации перед употреблением «идеального» химического средства, то следует учесть, что все многообразие торговых марок антимикробных химических средств построено на использовании всего нескольких классов химических соединений [3-5, 7-15], известных много десятков лет. Появление нового класса соединений, соответствующих указанному требованию, маловероятно. Общая тенденция в развитии химических дезинфектантов в последние годы состоит не в создании новых дезинфектантов, а в поиске способов активации уже известных дезинфицирующих средств, в том числе, химическими добавками. Например, если до недавнего времени для целей стерилизации и дезинфекции высшего уровня в США традиционно применялся пероксид водорода в виде 6% раствора [2], то с целью уменьшения его корродирующей способности при одновременном повышении антимикробной активности, в настоящее время созданы технологии стерилизации плазмой пара этого соединения [16]. Таким образом, активация химических дезинфектантов направлена на разработку режимов, при- которых минимальная концентрация активных действующих веществ обеспечивает высокий бактерицидный эффект, а коррозионная или деструктивная активность по отношению к материалам изделия, а также токсическое воздействие на человека становятся минимальными. Время воздействия, концентрация, температура и условия применения действующих веществ при этом являются важнейшими характеристиками процесса дезинфекционной обработки изделия медицинского назначения и являются основными параметрами любой практической методики.
Как следует из программного доклада [3], в России также одним из главных направлений повышения эффективности дезинфицирующих средств считается добавление в рецептуру активаторов, синергистов, использование дополнительных физических воздействий, т.е., создание условий, при которых действующие вещества в момент применения дезинфицирующего средства находились бы в метастабильном состоянии, например, в стадии пролонгированной химической реакции с активаторами.
В настоящее время под эффективностью дезинфицирующего средства понимают, в основном, спектр его антимикробной активности. Также к определению эффективности относят время экспозиции, необходимое для проявления обеззараживающего эффекта. Однако, с более широких позиций, сформулированных группой исследователей, в числе которых автор [17], дезинфицирующее химическое средство может считаться эффективным только в том случае, если, обладая определенным спектром антимикробной активности, оно не вызывает привыкания к нему микроорганизмов при длительном применении. Иными словами, эффективное дезинфицирующее средство можно и нужно применять годами и десятилетиями, будучи; уверенными в том, что по отношению к нему микроорганизмы не смогут выработать резистентность по принципиальным причинам.
Неорганические соединения хлора используются в качестве средств борьбы с микробами более 200 лет. Столько же времени продолжается изучение влияния хлорноватистой кислоты и гипохлоритов на человека и природу.
Анализ факторов воздействия анодных продуктов электрохимичеекго синтеза на микробные клетки во внутренней среде организма
Высокая антимикробная активность анолита АНК сочетается с минимальной токсичностью относительно организма теплокровных. Избирательность действия анолита АНК на микрофлору зависит от особенности механизма действия входящих в его состав продуктов электрохимического синтеза (хлорноватистой кислоты, гипохлорит-иона и других соединений активного кислорода) на микроорганизмы и на клетки макроорганизма.
В ряде литературных источников имеются данные о том, что определенная роль в бактерицидном действии нейтрофилов принадлежит хлорноватистой кислоте (НС10), вырабатываемой в процессах фагоцитоза и пиноцитоза [29-33]. При этом возникает явление так называемого «респираторного взрыва», при котором до 28% от общего количества кислорода, потребляемого нейтро-филами, расходуется на образование НС10. Образование хлорноватистой кислоты в нейтрофилах происходит из пероксида водорода и хлорид-ионов [29, 30].
Поскольку хлорноватистая кислота диссоциирует в водной среде с образованием гипохлорит-аниона и иона водорода (НС 10 -» CIO" + Н4), и это происходит во внутренней среде организма при значениях рН, близких к нейтральным, концентрации НС10 и гипохлорит-анионов СЮ" оказываются приблизительно равными. Образование пероксида водорода и хлорноватистой кислоты в короткий период времени (доли секунды) в малом объеме водной среды (доли микролитра) - т.е. в объеме активной зоны фагоцитоза — неизбежно должно сопровождаться реакциями спонтанного распада и взаимодействия продуктов превращений этих соединений с образованием активных частиц, аналогичных тем, которые образуются при радиолизе или электролизе воды, что сопровождается образованием соединений, обладающих очень высокой антимикробной активностью. Образование указанных соединений осуществляет-ся по реакциям: Н02 - анион гидропероксида (Н2О2 + ОН" - Н02 + Н20); 02 - пероксид-анион (ОН" + Н02 - Ог + Н20); 02 - супероксид-анион (02 + Н202 - 02" + ОН" + ОН" ); Н02" - радикал пероксида водорода (НО + Н202 - Н20 + Н02 ); Н02 - супероксид водорода (02 + Н20 - Н02 + ОН"). Одновременно возможным является процесс образования чрезвычайно реакционно-способного синглетного кислорода !02: (СЮ" + Н202 - 02 + Н20 + СГ ). Экспериментально установлено [29, 33] участие в реакциях фагоцитоза молекулярного ион-радикала кислорода 02 , одним из путей образования которого может быть описанный выше.
В водной среде в присутствии НСЮ и С10 возможно образование активных свободных радикалов СЮ", СГ, НО": (НСЮ + СЮ" -» СЮ + СГ + НО") с вероятным образованием промежуточного активированного комплекса, распад которого сопровождается образованием О (НСЮ + С\0 [НСЮ Ф Cat (МЛО) О СЮ" ] - 2СГ + 20" + Н+). Активные гипохлорит-радикалы СЮ могут принимать участие в реакциях образования атомарного кислорода (О ) и радикала гидроксила (НО ): СЮ" + СЮ" + ОН" - СГ + 20 + ОН". Дальнейшее развитие цепи происходит в процессе формирования атомарного хлора: ОН + СГ - СГ + ОН".
Таким образом, в результате электрохимических процессов, протекающих при фагоцитозе, образуется смесь метастабильных оксидантов с сильными антимикробными свойствами. Метастабильные частицы с различными значениями окислительного потенциала обладают широким спектром действия на все крупные систематические группы микроорганизмов (бактерии, микобакте-рии, вирусы, грибы, споры). При этом клетки макроорганизма сохраняют устойчивость к биоцидному действию метастабильных окислителей за счет наличия у них особой биохимической системы противоокислительной защиты, предотвращающей токсическое воздействие оксидантов на жизненно важные клеточные структуры. Антиоксидантные свойства соматических клеток связаны с наличием мощной трехслойной липопротеидной оболочки, которая содержит обладающие электрондонорными свойствами диеновые конъюгаты (-С=С-) и сульфгидрильные группы (SH). Микроорганизмы не имеют такой системы ан-тиоксидантной защиты.
Следующим фактором, обусловливающим безопасность анолита АНК для человека и животных, является его метастабильность действующих веществ, что исключает их накопление в организме и токсическое последействие.
Таким образом, сумма факторов, определяющих избирательность био-цидного действия анолита АНК на. микробные клетки при несущественном уровне риска токсического действия на организм человека и животных, определяется следующими моментами: повышенной реакционной способностью активно действующих веществ анолита АНК; метастабильными свойствами антимикробных соединений анолита АНК; высокой реакционной активностью действующих начал анолита АНК и множественным характером химических реакций при действии АНК на микроорганизмы; наличием системы антиоксидантной защиты у клеток макроорганизмов при отсутствии таковой у микробных.
В последнее десятилетие установки для синтеза гипохлорита натрия уступают место медико-техническим системам с диафрагменными электрохимическими реакторами, в которых производятся преимущественно электрохимиче- ски активированные растворы, обладающие намного более сильными антимикробными свойствами в сравнении с растворами гипохлорита.
Наиболее простая схема использования диафрагменного электрохимического реактора заключается в обработке одного и того же исходного раствора хлорида натрия в анодной и катодной камерах определенным количеством электричества. Такая обработка может проводиться как в реакторах периодического действия, так и в проточных реакторах. К системам с диафрагменным реактором периодического действия относится установка Sinderella ND-202 (см. Приложение 1, рис Л ,2), производимая компанией Nichiden (Япония), а также Cleantop-WMS (см. Приложение Г, рис.3 - 5) фирмы Kaigen (Япония) [6, 18, 50]. Первая из названных.установок имеет очень малые объемы электродных камер (около 150 мл) и используется в основном в косметических кабинетах и домашних условиях с целью получения анолита для дезинфекции маникюрных инструментовав качестве антисептического средства при порезах, царапинах, для приготовления антисептических кубиков льда, используемых при косметическом уходе за кожей лица и шеи, а также католита, используемого в жидком и замороженном виде как антиоксидантное средство для ухода за кожей. Установка Cleantop-WMS имеет намного больший объем электрохимического реактора -10 литров, разделенный на две неравные части полимерной диафрагмой. В анодной камере объемом 7 литров из исходного раствора хлорида натрия концентрацией около 1 г/л производится кислый анолит с рН около 2 и содержанием оксидантов в пределах 10-15 мг/л. Анолит с такими параметрами обладает очень малой коррозионной активностью и поэтому разрешен для дезинфекции эндоскопов [6].
Исследования модельных и макетных образцов медико-технических систем для получения электрохимически активированных антимикробных растворов
Исследованиями на единичных элементах ПЭМ-3 установлено, что при получении анолита АНК по схеме с прямоточным движением растворов в электродных камерах, концентрация оксидантов в анолите в среднем на 15 % меньше, чем при противотоке растворов в электродных камерах. Кроме того, установлено, что регулирование рН анолита АНК сбросом части католита эффективнее производить при движении растворов в противотоке, поскольку в этом случае необходимый объем сбрасываемого в дренаж католита уменьшается в среднем на 20% в сравнении со схемой движения растворов в электродных камерах элемента ПЭМ-3 прямотоком, т.е. в одном направлении.
Исследована схема получения анолита АНК с двумя гидравлически последовательно включенными элементами ПЭМ-3 в режиме противотока (рис.10). В таблице 9 показаны результаты исследования схемы из двух гидравлически последовательно включенных элементов ПЭМ-3, работающих в режиме получения анолита АНК при напряжении источника питания 30 вольт.
Исследование производилось при электрически параллельном и электрически последовательном соединении элементов ПЭМ-3. При электрически последовательном соединении двух реакторов эффективная сила тока, протекающего через систему, удваивается. Подобная схема соединения целесообразна при обработке исходного раствора с повышенным уровнем минерализации. При параллельном соединении ток, протекающий через установку приблизительно поровну делится между двумя элементами ПЭМ-3, поэтому такая схема предпочтительна при обработке разбавленных исходных растворов или пресной воды.
Из данных таблицы 9 отчетливо видно, что при минерализации раствора, поступающего в установку, в диапазоне 0,5 — 2 г/л значения Соке ПРИ па_ раллельном электрическом подключении элементов ПЭМ во всех опытах выше, чем при последовательном подключении. Эта тенденция достоверна -критерий значимости различий по критерию знаков (Za) соответствует Р 0,01. При минерализации раствора выше 3 г/л характер выявленной тенденции меняется. При последовательном электрическом подключении элементов ПЭМ в растворах с концентрацией хлорида натрия 3 — 5 г/л значения Соке становятся систематически выше, чем при параллельном подключении - критерий значимости тенденции по критерию знаков (Za) соответствует Р 0,01. Разность величин С0кс при последовательном и параллельном подключении элементов ПЭМ, выраженная в %%, подчиняется следующей закономерности, приведенной во вспомогательной таблице.
Из данных таблицы 10 видно, что параллельное подключение элементов ПЭМ в установке СТЭЛ наиболее выгодно при минерализации раствора хлорида натрия 1 г/л и меньше. При рабочей концентрации раствора 2 г/л выигрыш в производительности оксидантов составляет 26%. При минерализации раствора 3 - 4 г/л различия синтеза оксидантов при обоих способах подключения несущественны. При минерализации раствора 5 г/л последовательное подключение увеличивает выход оксидантов в среднем на 29%.
ПЭМ позволяет создать эффективный реактор для производства анолита АНК из исходного раствора хлорида натрия концентрацией менее 2,5 г/л и содержанием оксидантов до 500 - 700 мг/л. Если учесть, что анолит АНК, вырабатываемый установками СТЭЛ-1 ОН-120-01 и СТЭЛ-60-03-АНК в настоящее время характеризуется соотношением общей минерализации к концентрации оксидантов в пределах 10-15, а соответствующий показатель для установок ЭХА-30 и УМЭМ намного превышает эти величины, то отношение общей минерализации к содержанию оксидантов в анолите АНК, полученном в реакторе с двумя последовательно включенными элементами ПЭМ-3, находится в пределах от 5 до 7, что является важным фактором уменьшения коррозионной активности анолита. Анолит с указанными значениями отношения общей минерализации (которая в общем случае соответствует концентрации хлорида натрия в исходном растворе) к концентрации оксидантов, назван анолитом со средним удельным содержанием оксидантов, в отличие от анолита с величиной соотношения указанных параметров от 10 и выше, который обозначен как анолит с низким удельным содержанием оксидантов. Анолит с высоким удельным содержанием оксидантов (величина отношения концентрации растворенных веществ к концентрации оксидантов равна или менее 3) получен с использованием схемы, разработанной автором и приведенной на рис. 11. Особенность данной гидравлической схемы состоит в том, что исходный раствор хлорида натрия концентрацией от 0,5 до 2,5 г/л подается в нижнюю часть анодной камеры элемента ПЭМ-3 и протекает через нее со скоростью от 2 до 3 литров в час, находясь под избыточным давлением от 0,5 до 1,0 кгс/см . Избыточное давление создается за счет дросселирования потока вентилем ВН на выходе анодной камеры.
Преимуществами схемы, изображенной на рис. 13 является высокая степень конверсии соли, содержащейся в исходном растворе, малый расход католита, высокая экономичность при работе на весьма разбавленных исходных растворах. Это обусловлено тем, что в процессе работы в катодной камере образуется концентрированный раствор гидроксида натрия, обладающий очень высокой электропроводностью и снижающий за счет этого электрическое сопротивление реактора, что, соответственно, обеспечивает экономию электроэнергаи при синтезе анолита АНК. Повышенное давление в анодной камере также создает наилучшие условия для выделения и растворения продуктов анодного окисления раствора хлорида натрия при пониженном (за счет повышенного давления) газонаполнении электролита. Другим преимуществом схемы, изображенной на рис. 13 является повышенная долговечность службы анодного покрытия за счет предотвращения возможности разряда на аноде ионов гидроксила. Средний срок службы покрытия в такой системе превышает 50 000 часов.
Технологии регулирования физико-химических и функциональных свойств электрохимически активированных антимикробных растворов со средним и высоким удельным содержанием оксидантов
В настоящее время достаточно хорошо изучены антимикробные растворы, которые производятся установками СТЭЛ: анолиты типа А (с рН менее 5,0), АН (с рН от 5,0 до 6,5) и АНК (с рН от 6,5 до 7,5 и растворенным водородом). Накоплен обширный опыт их получения, применения, хранения, транспортирования, разработаны стандартные методы и системы контроля качества.
В главе 4 обоснована тенденция снижения минерализации растворов, производимых подобными установками, что позволяет уменьшить их коррозионную активность, усилить антимикробное действие и обеспечить полную экологическую безопасность. Однако, существенными недостатками этих растворов, в частности, анолита АНК, являются его коррозионная активность, имеющая место даже при малой минерализации, а также пониженная антимикробная эффективность при обработке объектов, загрязненных белковыми отложениями.
Решая проблему усиления антимикробных свойств анолита АНК в присутствии белковой нагрузки, к.т.н. С.А.Паничева в 2003 году предложила вводить в анолит АНК добавки, обеспечивающие увеличение проникающей способности активированнных растворов и усиливающие их антимикробное действие. Экспериментально ею было показано, что ввод в анолит АНК низкомолекулярных спиртов - этилового или изопропилового - существенно повышает антимикробное действие анолита, что выражается в снижении концентрации микробных тел в тестируемой суспензии и на поверхностях от 1000 до 10 000 раз большем, чем при использовании анолита без спиртовых добавок. Исследования проводились на анолитах АНК, концентрация оксидантов в которых варьировалась от 500 до 1000 мг/л при общей минерализации от 3,0 до 9,0 г/л и количестве добавляемого спирта от. ОД до 5% (об.). Также СА.Паничевой был исследован предложенный ею способ повышения антимикробной активности анолита путем ввода ПАВ в концентрации 0,5 - 1,0 % (масс). Было установлено, что добавки ПАВ менее эффективны в сравнении со спиртами, хотя также позволяют увеличить бактерицидное действие анолита. Это выражается в снижении концентрации микробных тел в суспензии и на поверхностях от 1000 до 10 000 раз большем, чем при использовании анолита без добавок ПАВ.
С учетом имеющихся данных автором были выполнены экспериментальные исследования коррозионной активности анолита АНК с указанной выше минерализацией, концентрацией оксидантов и количеством введенных добавок. Было установлено, что скорость коррозии замедляется в анолите с добавками спирта на 30 - 60 % в сравнении со скоростью коррозии в анолите без добавки спирта. Аналогичные исследования анолита с добавкой ПАВ показали, что уменьшение скорости коррозии в анолите в том же диапазоне концентрации ПАВ (0,5 - 1%), оксидантов и общей минерализации анолита АНК в среднем на 10 - 20 % меньше в сравнении с анолитом без добавок ПАВ. При этом было отмечено, что скорость коррозии в общем случае тем меньше, чем меньше общая минерализация анолита при равной концентрации оксидантов. Эти предварительные результаты послужили основанием для более тщательного исследования, задачами которого являлись оценка возможности значительного уменьшения коррозионного действия анолита, повышение его моющей способности и сохранение высокой антимикробной активности.
Из всех видов низкомолекулярных спиртов наиболее широко в практике здравоохранения применяются этиловый и изопропиловый спирты. В определенных концентрациях они обладают бактерицидной активностью (но не спороцидной) и применяются для разрушения вегетативных форм микроогранизмов в концентрациях свыше 70 %.
Этиловый спирт (этанол) C2HsOH, - бесцветная жидкость, температура кипения 78 С, полностью растворим в воде. Этиловый спирт содержится в спиртных напитках и приготавливается для этой цели сбраживанием крахмала, сахара или зерна. Большие количества этилового спирта получают из этилена (продукта нефтяной промышленности). Этиловый спирт служит исходным материалом для приготовления многих продуктов химической промышленности: уксусной кислоты, сложных эфиров и многих других ннзкомолекулярных соединений.
Прямые измерения концентрации уксусной и надуксусной кислоты в анолите затруднительны ввиду мешающего действия других сильных окислителей, однако, косвенным признаком справедливости вышеприведенных утверждений является слабый запах уксусной кислоты, который появляется приблизительно через 1-2 минуты после смешивания спирта с анолитом и затем переходит в характерный слабый запах надуксусной кислоты (также через 1 -2 минуты) после появления запаха уксусной кислоты.
Известно [104], что надуксусная кислота - сильный окислитель, обладающий высокой коррозионной активностью. Надуксусная кислота относится к классу пероксидных соединений из-за наличия пероксидной О-О группы и является более сильным окислителем, чем пероксид водорода. Обладает биоцидной активностью при концентрации менее 1%, сравнимой с активностью пероксида водорода с концентрацией 3%. Будучи слабой кислотой, надуксусная кислота проявляет более сильную окислительную активность при низких значениях рН, однако при повышенных концентрациях может быть использована в качестве биоцидного агента (перацетата натрия) при значениях рН 7. Основными продуктами распада надуксусной кислоты являются уксусная кислота, вода и кислород. В отличие от ряда других окислителей, относящихся к неорганическим окислителям, надуксусная кислота, представляя собой органическое соединение, является эффективным окислителем даже в присутствии органических загрязнений, проявляя бактерицидную, спороцидную, вирулицидную и фунгицидную активность, то есть является эффективным биоцидным агентом широкого спектра действия. Надуксусная кислота известна как биоцидный агент с 1902 года. Широко применялась в качестве дезинфицирующего средства и антисептика в системе здравоохранения бывших ГДР и Чехословакии. Однако ее применение всегда было ограничено по причине взрывоопасности.
