автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Обеззараживание и тонкая фильтрация воздуха в обитаемых герметичных и замкнутых помещениях

на правах рукописи

*

ТАТАРИНОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ И ТОНКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ВОЗДУХА В ОБИТАЕМЫХ ГЕРМЕТИЧНЫХ И ЗАМКНУТЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Специальность 05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (авиационная и ракетно-космическая техника)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в ГНЦ РФ — Институте медико-биологических проблем РАН

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Любовь Борисовна Строганова, доктор медицинских наук Борис Владимирович Моруков.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Владимир Владимирович Цетлин, доктор технических наук, профессор Наталья Сергеевна Кудрявцева.

Ведущая организация: — Российский Государственный научно-исследовательский центр подготовки космонавтов им. Гагарина (141160 Московская обл., Звездный городок).

Загщгга состоится «22» декабря 2005 года в 10 часов на шседании Диссертационного сове-ш Д 002 111 02 ШЦ РФ — Института чедико-биотогических проблем РАН по адресу 123007, Москва, Хорошевское ш , д 76а

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь совета доктор биологических на

3 95^^0 7-

/Ц ¥$ ¿¡Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования:

Создание и поддержание в рабочих и жилых отсеках космических аппаратов благоприятных атмосферных условий, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность и работоспособность космонавтов, находящихся в экстремальных условиях космического полета представляет собой важнейшую задачу систем жизнеобеспечения экипажей. Основной характеристикой и непременным условием эксплуатации обитаемых космических объектов является их экологическая безопасность, включающая, поддержание оптимальных параметров воздуха и контроль за химическими и биологическими (микробиологическими) факторами, присущими этой специфической среде обитания. Совершенствование экологической безопасности человека в длительных космических полетах невозможно без разработки новых методов, средств и технологий обеспечения микробиологической чистоты на этапах подготовки и осуществления космических полетов.

На основании опыта многолетней эксплуатации российских орбитальных станций были определены наиболее значимые микробиологические риски (медицинские, технические, технологические), способные оказывать влияние на безопасность полета и надежность функционирования космической техники.

Процессы микробной контаминации среды, оснащения и оборудования обитаемых отсеков протекают с высокой интенсивностью в условиях непрерывной работы сменяющихся на борту экипажей, при осуществлении грузопотока (доставки с Земли различного оборудования, расходуемых материалов и т.п.). Среди микроорганизмов, формирующих микроэкосферу пилотируемых орбитальных станций, значительный удельный вес занимают обитатели природных резервуаров и, прежде всего, плесневые грибы и некоторые виды бактерий. Именно эти микроорганизмы обладают наиболее выраженной способностью резидентно заселять среду обитания, размножаться на конструкционных материалах различных классов, вызывая их биоповреждения. И, наконец, большинство представителей грибной флоры могут вызывать различные токсико-аллергические заболевания у людей. Таким образом, очевидно, какие проблемы может представлять неконтролируемый занос микроорганизмов в среду обитания при осуществлении грузопотоков с Земли транспортными кораблями, при строительстве и эксплуатации космического объекта на околоземной орбите.

В настоящее время разработан и утвержден ряд нормативных документов, регламентирующих порядок обеспечения микробиологической безопасности модулей, транспортных кораблей и грузов Международной космической стянт^иц ГМКТ) Упмпт-кт систем

обеспечения газового состава (обеспечения кислоро; газа и

мммм«иашш -т

микропримесей) позволяет формировать и поддерживать необходимые условия среды обитания на орбитальной станции. Тем не менее, результаты микробиологического мониторинга среды обитания, а также анализы качества дезинфекционной обработки внутренних объемов составных элементов МКС и доставляемых грузов свидетельствуют о необходимости совершенствования методов и средств обеспечения биологической чистоты на этапах проведения предстартовых работ и улучшения качества воздуха на космическом аппарате. Современные методы обеззараживания воздушной среды не всегда позволяют решить проблему очистки воздуха от микробиологических загрязнений. Кроме того, одним из требований, предъявляемых к оборудованию, предназначенному для обеззараживания и очистки воздуха в присутствии людей, является экологическая безопасность, отсутствие вредного воздействия на человека и оборудование. Однако, существующие физические методы и средства обеззараживания воздуха имеют те или иные ограничения и противопоказания по использованию в присутствии людей.

Технология «Поток» [Патент N° 2026751, Володина Е.В., Наголкин А.В , 1995] позволяет решать задачи обеспечения микробиологической безопасности. Принцип действия технологии основан на воздействии постоянными электрическими полями заданной ориентации и напряженности на микроорганизмы, находящиеся в обрабатываемом воздушном потоке, что приводит к их инактивации. В результате обработки воздуха происходит полная инактивация всех видов микроорганизмов, а также обеспечивается высокий уровень фильтрации обеззараженного воздуха. Применение данной технологии обеспечивает обеззараживание и тонкую фильтрацию воздуха в присутствии людей, так как в процессе работы не меняются параметры микроклимата, напряженность электростатического и интенсивность электрического полей, уровень ионизации воздуха.

Для совершенствования функциональных возможностей технологии «Поток», тем не менёе, необходимо более глубокое понимание физики явлений фильтрации аэрозольных частиц и процессов инактивации микроорганизмов. Математическое моделирование процессов тонкой фильтрации и иинактивации микроорганизмов под воздействием электрических полей является актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для повышения уровня безопасности и надежности космических полетов.

Цель исследования:

На основании экспериментальной оценки эффективности применения технологии «Поток» обосновать подходы к созданию математической модели механизмов инактивации микроорганизмов в воздушной среде под действием электрических полей

Задачи исследования:

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

Сравнительный анализ эффективности современных физических методов и средств обеззараживания воздуха;

Математическое моделирование и анализ механизмов осаждения механических частиц в пористых структурах;

Определение механизмов дезинтеграции структуры биологических клеток и разработка подходов к созданию математической модели механизмов инактивации микроорганизмов;

Экспериментальное обоснование особенностей создания локальных «чистых» рабочих зон и замкнутых «чистых» помещений;

Экспериментальное подтверждение эффективности применения технологии «Поток» для герметичных замкнутых объектов, медицинских помещений с повышенными требованиями к чистоте воздуха, «чистых» производств; Материалы исследований:

1. Результаты санитарно-михробиологических исследований воздушной среды Международной космической станции, полученные сотрудниками ГНЦ ИМБП РАН (Новикова H Д, Поддубко C.B.) в рамках эксперимента «Микроэкосфера»;

2. Результаты санитарно-бактериологических исследований на микробную обсе-мененность воздушной среды, полученные в ГВКГ им. ак. H.H. Бурденко (Тихонов Ю.Г.) в ходе плановых проверок, и контроль запыленности в 4 асептических боксах и 7 палатах реанимации ГВКГ им. ак. H.H. Бурденко;

3. Стендовые эксперименты по исследованию процессов фильтрации аэрозолей в установке «Поток 150-М-01».

Методы исследований:

При решении поставленных задач использовались статистические исследования с вычислением 95% верхнего доверительного предела для учета случайного характера распределения частиц в воздухе, методы математического моделирования. Обработка результатов и комплексный анализ полученных данных проводились с использованием методов корреляционного и дисперсионного анализа с применением ЭВМ. Научная новизна:

В настоящем исследовании впервые изучались минимальные воздействия электрических полей, приводящие к эффективным результатам по обеззараживанию воздушной среды от микроорганизмов, а также разработаны и обоснованы новые подходы к созданию математической модели механизмов инактивации микроорганизмов.

Практическая значимость:

В результате проведенных исследований разработаны предупредительные мероприятия по усовершенствованию методов и средств обеспечения биологической чистоты на этапах проведения предстартовых работ для снижения риска микробной контаминации среды обитания Международной космической станции.

Разработаны и утверждены Федеральным управлением медико-биологических и экстремальных проблем при Министерстве здравоохранения Российской Федерации: «Методические указания по использованию установки обеззараживания воздуха «Поток 150 МК» в производственных помещениях в целях обеспечения биологической чистоты модулей, транспортных кораблей и грузов на этапах проведения предстартовых работ».

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Минимальные воздействия электрических полей приводят к эффективным результатам по обеззараживанию воздушной среды от микроорганизмов;

2. Механизм высокоэффективной фильтрации заключается в специфическом применении пенополиуретата в качестве межэлектродного наполнителя в оса-дительных устройствах, при условии создания электрического поля в межэлектродных промежутках и эффективной зарядки аэрозольных частиц;

3. Экспериментальная оценка эффективности применения технологии «Поток» для создания «чистых» помещений и «чистых» рабочих зон;

4. Подходы к созданию математической модели механизмов инактивации микроорганизмов в воздушной среде под действием электрических полей.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 6-ой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2003г.), на Конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов, посвященной Дню космонавтики (Москва, 2003, 2004 гг.), на Международной конференции «Системный анализ и управление аэрокосмическими комплексами» (Евпатория, 2003 г.), на секции ESA's European Student Outreach Activities 54th International Astronautical Congress (Бремен, 2003).

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, выводов, библиографии и приложения. Главы диссертации содержат постановку цели и задач исследования, описание теоретических и экспериментальных исследований. Библиография содержит 107 на-

именований (88 отечественных, 19 зарубежных). Материалы изложены на 140 страницах машинописного текста, иллюстрированы 23 рисунками и 4 таблицами.

Краткое содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, приводится обоснование актуальности решения поставленной научной задачи.

В первой главе рассматриваются подходы к описанию физики аэрозольных систем и основные современные методы и средства обеззараживания воздушной среды. На основе литературного обзора истории исследования аэрозолей рассмотрены подходы к классификации аэрозолей в зависимости от способа генерации, формы, размера и концентрации аэрозольных частиц. Определены основные принципы формирования аэрозолей в атмосфере Земли. Рассмотрены особенности воздушной среды жилых помещений.

Особенность современной жизни в мегаполисе заключается в том, что большинство современных горожан проводят в закрытых помещениях 10-23 ч. в сутки. В жилых помещениях под воздействием и с участием человека формируется своеобразный микроклимат и специфическая биота, которые, в свою очередь, оказывают влияние на его здоровье В связи с этим необходим постоянный контроль за абиотическими и биотическими факторами в непосредственном окружении человека. Кроме того, рассмотрены особенности формирования биоаэрозоля в герметичном помещении. Основным фактором передачи условно-патогенных микробов во время пребывания людей в герметичном помещении является воздушная среда. Проанализированы основные факторы, влияющие на микроэкосферу кабин космических объектов. Отмечено, что в условиях космического полета формирование бактериального аэрозоля имеет специфические особенности, способные оказать влияние на механизм передачи условно-патогенных микробов среди экипажа.

Отдельным вопросом рассмотрены основные современные средства и методы обеззараживания воздушной среды в присутствии людей такие как: ультрафиолетовое излучение, озонирование, ионизация, фильтрация. Отмечено, что существующие методы имеют ограничения и противопоказания по использованию в присутствии людей

Здесь же представлена основная характеристика объекта исследования — технология «Поток». Принцип действия технологии основан на инактивации микроорганизмов, находящихся в обрабатываемом воздушном потоке, при воздействии на них постоянными электрическими полями заданной ориентации и напряженности.

В конце первой главы сформулированы цель и задачи работы. На основании проведенного сравнения характеристик различных способов и средств обеззараживания воздуха в присутствии людей представляется актуальным и перспективным изучение технологии «Поток» Исследования помогут улучшить понимание физики явлений фильтрации аэро-

зольных частиц и инактивации микроорганизмов, происходящих в результате воздействия технологии, а также, функциональные возможности установки "Поток 150-М-01".

Во второй главе приведено теоретическое обоснование механизмов тонкой фильтрации и инактивации микроорганизмов под воздействием электрических полей.

Описание процессов фильтрации аэрозолей имеет важное практическое значение. В общем случае этот процесс можно описать как осаждение аэрозольных частиц на системе цилиндров с определенными геометрическими параметрами.

Главное различие между фильтрацией и простым случаем осаждения частиц на индивидуальном цилиндре заключается во влиянии большого числа препятствий на поле течения воздуха. Для поддержания требуемой скорости течения воздуха через слой волокон необходим определенный перепад давления в слое. На процесс фильтрации аэрозолей могут оказывать значительное влияние электрические эффекты, обусловленные наличием заряда на волокнах или частицах, или на тех и других одновременно.

Для определения механизмов и закономерностей процессов фильтрации воздуха в пористых средах рассматриваются основные особенности построения математических моделей фильтрации и основные механизмы удержания частиц в фильтрах под действием механических и электрических сил.

Представлены основные принципы построения математических моделей в фильтрах Основным параметром, выражающим связь между скоростью движения воздуха, производительностью фильтра и степенью очистки, является так называемый суммарный коэффициент осаждения частиц, учитывающий влияние различных механизмов фильтрации. Этот коэффициент рассматривается с позиции следующих механизмов:

1. Прямого захвата частиц или зацепления;

2. Инерционного осаждения;

. 3. - Диффузионного осаждения;

4. Осаждения гравитационными силами;

5. Осаждения электростатическими силами.

Зацепление характерно для относительно легких частиц, которые полностью захватываются воздушным потоком. Коэффициент захвата волокна определяется следующим образом:

1

К =

где

2(2 - 1п Яе)

г.

г/

Г/ — радиус волокна; гр — радиус частицы; Яе —число Рейнольдса;

Инерционное осаждение реализуется для крупных частиц, у которых движение в меньшей степени обусловлено конвективным сносом среды. Коэффициент захвата инерционного механизма равен:

К= 1-я

9М-г} V, -г2рУ0

Это качественное рассмотрение справедливо, если инерционный параметр

К= / «1.

Рргрго

где /у — радиус волокна;

гр — радиус частицы;

// — динамическая вязкость воздуха;

рр — плотность частицы;

Уо — скорость частицы;

а — поправочный коэффициент.

Диффузионное осаждение доминирует при фильтрации сред, содержащих очень мелкие частицы. Такие частицы, перемещение которых определяется преимущественно броуновским движением, чрезвычайно подвижны. В отличие от зацепления и инерции, для броуновских частиц существует мощный механизм удержания на осадительной поверхности — силы Ван-дер-Ваальса.

Диффузионный коэффициент захвата определяется по формуле:

Коэффициент диффузии:

7' л12тЮ' к„Т

__"л

6 лц-г.

где ту- — радиус волокна;

Гр — радиус частицы;

Ц — динамическая вязкость воздуха;

Уд — скорость частицы;

кь — постоянная Больцмана.

Осаждение частиц под действием силы тяжести проявляется обычно для более крупных частиц, которые улавливаются фильтрами практически полностью. Для оценки эффективности изолированного волокна, связанной с гравитационным осаждением частиц, используется следующее выражение:

Е

* 18 МП'

где ¡л — динамическая вязкость воздуха;

Ко —скорость частицы;

рр — плотность частицы;

с1р — диаметр частицы;

g — ускорение свободного падения.

Наличие электростатического заряда оказывает влияние на движение и улавливание частиц в электрическом поле. В системе, включающей приближающиеся к препятствию частицы, возможно действие пяти видов электростатических сил. В каждом случае определяется параметр улавливания, представляющий собой отношение электростатической силы к силе сопротивления Стокса-Каннингема.

В большинстве случаев практическое значение имеет только один из пяти рассматриваемых механизмов. Установлено, что эффективность улавливания определяется как:

Ее = \,5^Ке ,

где Ке — электростатический параметр.

Общая эффективность фильтра представляет собой сумму различных эффектов фильтрации. Эффект захвата и инерциальный эффект повышаются при увеличении размера частиц, в то время как эффект диффузии понижается Таким образом, эффективность очистки имеет минимальное значение при определенных условиях. Для каждого фильтра существуют частицы, фильтруемые с наименьшей эффективностью, размер которых соответствует минимуму кривой эффективности.

Рассмотрены особенности фильтрации газа в пористых средах Одним из существенных признаков высокопористых материалов является их специфичная структура Структуру пористых материалов определяют такие параметры, как средний размер ячейки и плотность.

Течение газа в пористых средах носит очень сложный характер. Поток непрерывно меняет направление, огибая беспорядочно расположенные перегородки. Соответственно имеет сложный характер и движение аэрозольных частиц. Процесс фильтрации состоит в прохождении газа через пористую среду, которая удерживает содержащиеся в нем аэрозольные частицы. Качество и эффективность фильтрации зависит от пористости, структуры, формы и размера пор. Качество пористого материала характеризует фильтрационный показатель, или коэффициент фильтрации:

y-Jll АР'

N

где к = 1 — Е =--коэффициент проскока частиц или отношение концентрации час-

No

тиц после фильтра N и до No', АР — перепад давления на фильтре; Е — эффективность фильтрации.

Для вычисления сопротивления высокопористых ячеистых фильтров нами была

применена двучленная запись закона Дарси [Анциферов, 2002]:

д р

= <xn-V + pp-V\

п

где а — вязкостный коэффициент гидравлического сопротивления; /? — инерционный коэффициент гидравлического сопротивления; Ц — динамическая вязкость; р — плотность фильтруемой среды; V — скорость потока.

Эмпирическая модель проскока аэрозоля через пористые полиурстановые фильтры может быть представлена следующим образом [Aitken R.J., Wake D., 1993]:

l„k = - A(5,48Si2'382 + 3,89/V°'88)-104,

где к — проскок частиц через фильтр (фракционный), А — толщина фильтра; с1в — эквивалентный «диаметр волокна»; л

pdL g

St = ——--число Стокса;

= — гРавитачионный параметр;

с1ае — аэродинамический параметр частицы;

V — скорость потока через фильтры.

Эквивалентный «диаметр волокна» определяется через указанную изготовителем пористость материала П с помощью эмпирического соотношения:

4 = 0,009633 ГГ1216.

Проскок частиц уменьшается с уменьшением размера пор и увеличением толщины фильтров.

Отдельным разделом рассмотрены физические и биологические принципы создания математических моделей механизмов инактивации микроорганизмов. Процессы, использование которых на практике способствует достижению и поддержанию асептических условий, можно условно разделить две группы. К первой группе относятся процессы, основанные на уничтожении посторонней микрофлоры. Это все процессы, основанные на использовании самых различных летальных факторов, в том числе тепла, давления, ионизирующей радиации, химических веществ, воздействия электрических полей и др. Ко второй группе относятся процессы предполагающие удаление микроорганизмов из материального потока, например, фильтрующая стерилизация.

В настоящее время не разработано единой общепризнанной теории достижения и поддержания асептических условий. Такое положение объясняется исключительной сложностью поведения биологических систем.

Воздействие повышенной температуры приводит к гибели микроорганизмов при определенных условиях, зависящих как от вида контаминантов, так и от их состояния, наличия защитных веществ. Одним из основных в математических моделях термической инактивации является соотношение:

тс 2

где тс — время, необходимое для инактивации всех микроорганизмов в популяции при температуре 1С\

т — тоже, при температуре

2 — зависимость отмирания микроорганизма от температуры.

Во многих расчетах пользуются моделями, в которых исходным является следующее классическое уравнение первого порядка [СЫск, 1908]

13 <1т

где к — удельная скорость гибели микроорганизмов;

N— количество жизнеспособных микроорганизмов в момент времени т.

Решение этого уравнения

N = ехр(- кг),

где N0 — количество жизнеспособных спор в популяции до стерилизации, в начальный момент времени.

Большое число моделей процессов инактивации базируется на знании удельной скорости гибели спор и энергии их активации. При этом учитывается тот факт, что изменение скорости гибели спор в зависимости от температуры описывается классическим уравнение Аррениуса:

к = Аехр[ -

Ч ИТ,

где А — стерический фактор (коэффициент);

Е — энергия активации;

К — универсальная газовая постоянная;

Т— абсолютная температура.

В этом виде уравнение Аррениуса можно использовать непосредственно для того, чтобы рассчитать энергию активации реакции гибели клеток.

Следует подчеркнуть, что уравнение Аррениуса является эмпирическим. Более точная зависимость скорости реакции гибели от термодинамических параметров определяется уравнением Эйрннга:

, К?

К

' Л£*Л

КГ,

АЕ' — АН' -7АУ\ где кь — константа Больцмана, Ад — константа Планка, АЕ* —изменение свободной энергии активации; ДБ — изменение энтропии активации реакции; АН — затраты энергии активации.

Сопоставляя эти два уравнения, получаем

кьТ Гм'У АН')

-^—ехр ---

Лл й А КТ

Применение различных подходов для описания механизма гибели клеток под воздействием теплового поля позволяет получать экспоненциальную зависимость между количеством жизнеспособных клеток и продолжительностью их нагревания.

Известно, что многие химические вещества тормозят или полностью подавляют рост микроорганизмов Влияние изменения концентрации стерилизующего вещества на скорость гибели микроорганизмов можно выразить соответствующим коэффициентом. Чем больше его величина, тем быстрее гибнут микроорганизмы при повышении концентрации антимикробного вещества.

При равной степени выживания для двух отличающихся режимов

г — время, необходимое для выживания заданной культуры.

При построении математических моделей инактивации микроорганизмов ионизирующим излучением учитывается тот факт, что при поглощении и переносе энергии излучения образуется большое число химически измененных молекул. При этом существенное значение для радиационного поражения клетки имеет лишь самая незначительная часть молекул. Распределение ионизаций в клетке или облучаемом веществе имеет статистический характер.

Если для гибели клетки необходимо, чтобы в объеме Уи (при среднем числе пш ионизаций в единице объема) возникло не менее к„ ионизаций, то микроорганизмы с числом ионизаций меньше ки останутся жизнеспособными. Общее число выживших микроорганизмов равно:

Количество выживших одноударных микроорганизмов, у которых в объеме У„ не произошло ионизаций, равно

Н = И0ехр{-киОйУи)

где Ио —доза облучения;

N0 — количество жизнеспособных микроорганизмов до воздействия радиации.

В основе построения математической модели инактивации микроорганизмов под действием электрического поля лежит явление электрического пробоя мембран [Чизмад-жев, 1990). Клеточные мембраны обладают определенным сопротивлением Л, к электрическому току /, который при небольшой разности потенциалов II между двумя сторонами мембраны является постоянной величиной.

При определенной критической разности потенциалов на мембране, называемой потенциалом пробоя (Ц*), происходит резкое возрастание тока При постоянном мембранном потенциале, если он превышает критическое значение, ток самопроизвольно нарастает во времени до полного разрушения мембраны.

Рост мембранного потенциала в результате воздействия внешним электрическим полем может достигать величины, превышающей пороговую для электрического пробоя. При этом появляются структурные дефекты типа сквозных липидных пор. Механическая прочность клеточной мембраны определяется лшщдными порами. Если пора имеет размер меньше критического, то она залечивается. В противном случае неограниченный рост поры приводит к разрушению мембраны.

Модель липидной поры представлена на рис. 1 [Антонов, 1998]. Будем считать, что боковая поверхность поры имеет форму кругового цилиндра. Боковая поверхность цилиндра изогнута и имеет радиус кривизны И/2. Радиус поры равен г.

На границы поры действуют две противоположные силы, одна из которых — краевое линейное натяжение периметра поры — способствует росту поры, а вторая сила — поверхностное натяжение бислоя — вызывает сжатие поры. В результате суммарная энергия поры Е(г) равна:

А

2г

Рис 1 Строение гидрофильной липидной поры, к — толщина липидного бислоя; Л/2 —радиус кривизны стенки; г — радиус поры.

Е(г) = 2л-гу-л-г2сг,

где первый член определятся энергией кромки поры с линейным напряжением у, а второй — энергией поверхностного напряжения а.

дЕ

В точке равновесия-=0 и уравнение превращается в тождество:

дг

0 = 2яу-2л-ст-г*,

*

отсюда можно определить критический радиус поры г :

• У

г = —.

а

Высота энергетического барьера будет равна:

а

С учетом неустойчивости равновесия можно утверждать, что появление пор с г > г

будет сопровождаться разрывом мембраны в результате неограниченного роста поры. На*

против, при г < г пора будет затекать и стабильность мембраны сохраниться. Таков количественный критерий стабильности клеточной мембраны.

В физике под электрическим пробоем понимается резкое увеличение силы электрического тока в первоначально слабопроводящей среде. В живой клетке такой средой служит бимолекулярный слой липида. В этом случае уравнение энергетики поры необходимо ввести дополнительный член, отражающий вклад электрического поля [Антонов, 1998]:

Е = 2л • гу - Ж ■ г

/ Сер1

<7 + ——

\

Ев — диэлектрическая проницаемость воды; £м — диэлектрическая проницаемость мембраны; (р — мембранный потенциал;

Со — емкость единицы мембраны не содержащей дефектов; г — радиус поры

С увеличением радиуса энергия поры должна расти, поскольку увеличивается периметр поры, и одновременно энергия должна уменьшаться пропорционально росту поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. Высота энергетического барьера с учетом поля равна:

Отсюда видно, что с ростом мембранного потенциала и поверхностного натяжения высота барьера снижается.

Критический радиус поры может быть рассчитан по формуле

где у — линейное напряжение; а — энергия поверхностного напряжения.

Стабильность клеточных мембран определяется вероятностью появления пор критического радиуса.

Математическая модель инактивации микроорганизмов, находящих в жидкой среде, электрическими полями может быть представлена следующим образом:

где Е* иг* — значение критической напряженности электрического поля и времени воздействия, после которых начинаются процессы инактивации; к—поправочный коэффициент.

Уравнение устанавливает связь между числом выживших микроорганизмов, напряженностью электрического поля и временем воздействия.

Кроме того, вторая глава включает сравнение результатов экспериментов по инактивации микроорганизмов установкой «Поток 150-М-01» и расчетных значений, полученных при математическом моделировании.

Математическое моделирование процессов инактивации микроорганизмов в установке «Поток 150-М-01» проведено с помощью классического уравнения первого порядка [Матвеев 1981, Weavers 2001].

к

N = Nq ехр(- кт)

где к — удельная скорость гибели микроорганизмов; N— количество жизнеспособных микроорганизмов в момент времени т. N0 — количество жизнеспособных спор в популяции до стерилизации, при т = 0

Для математического моделирования зададим разные значения удельной скорости гибели микроорганизмов для различных условий

Выражение, используемое для математического моделирования, является упрощенным и, конечно, учитывает отнюдь не все факторы, которые возникают при воздействии на находящиеся в воздухе микроорганизмы электрическим полем. Тем не менее, из рисунка 2 видно, что расчеты, проведенные по этой формуле, достаточно четко согласуются с экспериментальными данными. КОЕ/м3

1000000 т '

100000 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001

0 1 2 3 4 5 6 время, ч

. Расчетные значения

—■— Эксперимент при работе установки —* - Эксперимент без установки

Рис 2 Динамика концентрации микроорганизмов в помещении. Сравнение расчетных и экспериментальных значений.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований технологии «Поток» по обеззараживанию и тонкой фильтрации воздуха.

Здесь представлены данные технического сопровождения работ по исследованию микробной обсемененности воздушной среды на пилотируемых космических летательных аппаратах.

Для оценки эффективности работы УОВ «Поток 150МК» на борту космических аппаратов использовались данные, полученные сотрудниками ГНЦ Института медико-биологйческих проблем РАН (д.б.н. Новикова Н.Д., Поддубко C.B.) в ходе эксплуатации Международной космической станции.

Результаты, полученные при исследовании микробной обсемененности воздушной среды на пилотируемых космических летательных аппаратах, свидетельствуют, что работа установки обеззараживания воздуха обеспечивает надежную очистку воздушной среды от микроорганизмов. Средние уровни микробной обсемененности воздушной среды Меж-

дународной космической станции в различные периоды работы представлены на рис 3. В настоящее время система обеспечения газовой среды (СОГС) УОВ работает на Международной космической станции в штатном режиме по 6 часов в сутки, что дает возможность поддерживать оптимальное санитарно-микробиологическое состояние воздушной среды МКС.

КОЕ/м3

200

До работы Во время работы Установка Во время работы установки установки не работала установки

(Э0 2) (Э0 3-Э0 4) (Э0 5-Э06) (Э0 6-Э07)

Рис. 3 Средние уровни микробной обсемененности воздушной среды в различные периоды эксплуатации Международной космической станции

В результате наземных исследований в замкнутых помещениях разработаны рекомендации по использованию установки «Поток 150-М-01» в производственных помещениях на этапах проведения предстартовых работ для обеспечения биологической чистота модулей, транспортных кораблей и грузов. Рекомендации отражены в «Методических указаниях по использованию установки обеззараживания воздуха «Поток 150-М-01» в производственных помещениях в целях обеспечения биологической чистоты модулей, транспортных кораблей и грузов на этапах проведения предстартовых работ», утвержденных Федеральным управлением медико-биологических и экстремальных проблем при Минздраве РФ.

Рекомендуемые варианты использования установки УОВ "Поток 150-МК" с учетом требований к качеству воздушной среды различных помещений представлены в таблице 1.

Эффективность применения технологии «Поток» для медицинских помещений с повышенными требованиями к чистоте воздуха проверялась в отделении реанимации и интенсивной терапии и отделении высокодозной химиотерапии, анестезиологии и реанимации Главного военного клинического госпиталя им. академика H.H. Бурденко. Исследования проводились в 7 палатах реанимации и интенсивной терапии и 4 асептических боксах. Все экспериментальные помещения оснащены установками «Поток 150-М-01» в

специальной комплектации с воздухораспределителем. Установки встроены в систему приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования и предназначены для обеззараживания и тонкой фильтрации воздуха, подаваемого в помещение.

Таблица I. Использование установки "Поток 150-МК" в помещениях (в соответствии с требованиями существующих нормативных документов [ГОСТ Р 50804-95], [ISS MORD 50260])

Вариант использования установки Время достижения нормативного уровня чистоты Количество установок

Создание "чистой" рабочей зоны * вокруг рабочего стола 30 минут 1 £

В помещении объемом до 50 м3 2 часа 1

В помещении объемом 50-100 м3 3 часа 2

В помещении объемом 100-200 м3 4 часа 2 часа 1 2

Примечание:

* — «чистая» зона — ограниченное пространство внутри помещения, в котором число микроорганизмов в воздушной среде поддерживается в заданных пределах.

В медицинских помещениях были выполнены следующие виды исследований:

- Контроль запыленности в оснащенном помещении при отсутствии персонала и пациентов;

- Контроль запыленности в эксплуатируемом помещении в присутствии персонала и пациентов (в палатах реанимации интенсивной терапии);

- Контроль микробной обсемененности (проводился сотрудниками ГВКГ им. ак. H.H. Бурденко (Тихонов Ю.Г.) в ходе плановых исследований).

Контроль запыленности проводился при помощи ручного счетчика аэрозолей Lightouse Handled 3016. Чувствительность прибора составляет 0,3 мкм при скорости про-боотбора 2,8 л/мин Количество точек отбора проб составляло от 3 до 6 в зависимости от площади помещения. В каждой точке отбиралось 5 проб аэрозольной фазы.

По результатам замеров аи определялось среднее арифметическое значение а, счетной концентрации (частиц/м3) в i-й точке пробоотбора (i=l,2...n)

a,j = iLav

По совокупности а, по и — точкам пробоотбора вычислялось среднее арифметическое значение А счетной концентрации в 1 м3 воздуха всего помещения:

— 1 " И 1-1

и определялось среднее квадратическое отклонение З^Л) результата измерений счетной концентрации по формуле:

8(1)=

¡-1_

и(и -1)

Результат измерения счетной концентрации N аэрозольных частиц в воздухе помещения с учетом верхней доверительной границы при односторонней доверительной вероятности 0,95 рассчитывается по формуле:

Cя = A+t^s{A).

Результаты исследований воздушной среды в медицинских помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха показали, что в помещения оборудованные установками «Поток 150-М-01» в специальной комплектации с воздухораспределителем в оснащенном состоянии соответствуют классу чистоты Р (7), а в эксплуатируемом состоянии — Р(8) по ГОСТ Р 50766-95 «Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации».

КОЕ/м

600 1-

500 400 300 200 100 0

бокс№1 бокс №2 бокс№3 бокс №4

Средний уровень обсеменеяиосгн в боксе номер помешения

- Допустимый уровень для особо чистых помещений (А) во время работы (по

СанПиН 2.1.3.1375-03)

Рис 4 Средние уровни общей микробной обсемененности в асептических боксах за исследуемый период.

КОЕ/м3

800 1- —----

700 '—------- ~ ---'

600 ^-—----—--

500 -------------

400 -----------1

300 ------- —--1

200 -----г—-------

__I

100 - —— ——----- -'

о J———'——-'——-'——-'———'———i

26.05.04 24.06.04 31.08.04 28.09.04 26.10.04 20.12.04

число, д.м.г.

1-' Средний уровень обсемененности в помещениях

- Допустимый уровень для чистых помещений (Б) во время работы (по СанПиН

2.1.3.1375-03)

Рис 5 Динамика среднего уровня общей микробной обсемененности в палатах реанимации интенсивной терапии.

По микробиологическим показателям исследуемые помещения соответствуют требованиям СанПиН 2.1 3.1375-03 «Гигиенические требования к размещению, устройству, оборудованию и эксплуатации больниц, родильных домов и других лечебных стационаров». Средние уровни общей микробной обсемененности в асептических боксах за исследуемый период представлены на рис. 4 Динамика среднего уровня общей микробной обсемененности в палатах реанимации и интенсивной терапии представлена на рис. 5.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение установок «Поток 150-М-01» в системах вентиляции и кондиционирования позволяет подавать в помещение кондиционированный воздух требуемой чистоты.

При проведении стендовых экспериментов в качестве рабочего метода был метод разделения изучаемого объекта на составные элементы, процессы и материалы, рассмотрения их основных взаимосвязей, роли в достижении конечного эффективного результата. Аэрозольный стенд состоял из следующих основных составных частей: воздушный тракт, приборная и измерительная часть, аэрозольное оборудование, испытательные фильтрующие модули и вспомогательное оборудование.

Статистические исследования, обработка результатов и комплексный анализ полученных данных проводились с использованием методов корреляционного и дисперсионного анализа с применением ЭВМ.

Стендовые эксперименты по фильтрации аэрозоля через функциональный элемент установки «Поток 150-М-01» в полной комплектации подтвердили ее высокую эффективность. Установлено, что по эффективности фильтрации установка соответствует фильтру

высокой эффективности не ниже класса НИ по ГОСТ Р 51251-99 «Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка». Среднее количество счетных аэрозольных частиц на входе в установку и на выходе из установки представлено на рис. 6. Эффективность фильтрации аэрозольных частиц установкой «Поток 150-М-01» представлена на рис. 7. част/м3

1000000000 100000000 10000000 1000000 100000 10000 1000 100 10 1

1

---'-_ —,

-1-

1

а, мкм

2 3

—На входе в установку На выходе из установки режим I На выходе из установки режим П

Рис б Среднее количество счетных аэрозольных частиц на входе в установку и на

выходе из установки $

■ в

9

иВ

ч я ■ел

а ©

я а

о

■в" *

100 98 96 94 92 90

Г' - - -1

4

\

|

0 1 2 На выходе из установки режим I

а, мкм

3 4 5 6

-тъ- На выходе из установки режим П

Рис 7 Эффективность фильтрации аэрозольных частиц

Проведенные исследования позволили выявить и сформулировать механизм наиболее эффективной фильтрации, который скрыт в основе и обеспечивает работу технологии «Поток».

Механизм высокоэффективной фильтрации изучаемой технологии заключается в специфическом применении пенополиуретана в качестве межэлектродного наполнителя в

осадительных устройствах, при условии создания электрического поля в межэлектродных промежутках и эффективной предварительной зарядки аэрозольных частиц. Заключение н выводы

В результате анализа особенностей формирования микрофлоры воздушной среды жилых помещений и герметичных замкнутых объектов отмечено, что с участием человека в помещениях формируется своеобразный микроклимат и специфическая биота, оказывающие влияние на его здоровье. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования эффективности технологии обеззараживания и тонкой фильтрации воздуха, основанной на воздействии электрических полей, применительно к обеспечению необходимого уровня биологической чистоты обитаемых отсеков космических объектов и созданию «чистых» помещений и «чистых» рабочих зон позволили сделать следующие выводы:

1. Сравнительный анализ современных физических методов и средств обеззараживания воздуха показал, что существующие методы имеют те или иные ограничения и противопоказания по использованию в присутствии людей;

2. Теоретически и экспериментально показано, что механизм высокоэффективной фильтрации технологии «Поток» заключается в применении специфических высокопористых конструкционных материалов — пенополиуретана (плотность от 3 до 3,31 г/мм3-10"5, средний диаметр ячейки от 1,21 до 1,45 мм) и пенометалла (плотность 38,9 г/мм310'5, средний диаметр ячейки 2,28 мм) для электропредфильтра и осадителя (напряжение на электродах 5,6 кВ, 7,6 кВ);

3. На основании изучения принципов построения физических и биологических математических моделей механизмов инактивации микроорганизмов, разработана математическая модель инактивации микроорганизмов в воздухе при воздействии электрического поля на основе, так называемого, механизма электропорации клеточных мембран;

4 Проведенные исследования показали, что применение установок обеззараживания воздуха «Поток 150-М-01» позволяет создавать биологически «чистые» помещения и «чистые» рабочие зоны (класс чистоты Р(7) в оснащенном состоянии, класс чистоты Р(8) в эксплуатируемом состоянии). Использование данных установок в системах вентиляции и кондиционирования дает возможность подавать в помещение кондиционированный воздух требуемой чистоты с однонаправленным воздушным потоком (скорость потока не более 0,15 м/с);

5 Техническое сопровождение работ по эксплуатации установки обеззараживания воздуха «Поток 150МК» на борту Международной космической станции дает основания полагать, что «Поток 150МК» обеспечивает бесперебойную и эффективную работу по

обеззараживанию воздушной среды от микроорганизмов в пилотируемых космических аппаратах. Во время работы установки на борту МКС среднее содержание бактерий не более 44 КОЕ/м3, среднее содержание плесневых грибов не более 3 КОЕ/м3, что подтверждено результатами исследований;

6. Для обеспечения микробиологической чистоты на этапах проведения предстартовых работ экспериментально обоснованы режимы и регламенты работы установки обеззараживания воздуха «Поток 150-М-01» для снижения риска микробной контаминации среды обитания МКС с учетом требований к качеству воздушной среды различных помещений и рабочих зон.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Капустина Е.А. (Татаринова Е.А.), Володина Е.В. Установка обеззараживания и тонкой фильтрации воздуха «Поток 150МК» // Авиакосмическая биология и медицина.— М„ 2004,— Т. 38., №2.— С. 57-58;

2 Капустина Е.А. (Татаринова Е.А.) Микробиологический аспект безопасности космических полетов// Материалы 8-ой международной конференции «Системный анализ и управление аэрокосмическими комплексами».— Евпатория, 2003 г — С. 155-156;

3 Капустина Е.А. (Татаринова Е.А.) Обеззараживание воздушной среды в медицинских помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха// Материалы конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов, посвященной Дню космонавтики.— Москва, 2005г.— С. 16-17;

4. Капустина Е.А. (Татаринова Е.А.) Обеззараживание воздушной среды на борту космических летательных аппаратов// Материалы конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов, посвященной Дню космонавтики.— Москва, 2004г.—С. 16-17;

5. Капустина Е.А. (Татаринова Е.А.) Проектирование системы подачи чистого воздуха в слоновник// Материалы Конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов, посвященная Дню космонавтики.— Москва, 2003г.— С. 8-9;

6. Капустина Е А. (Татаринова Е А.) Технология «Поток»— стерилизация и тонкая фильтрация воздуха// Материалы 6-ая Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей «Человек и его здоровье».— Санкт-Петербург, 2003 г.—С. 72-73;

7 Кокорин О.Я., Волков A.A., Наголкин A.B., Капустина Е.А. (Татаринова Е А) Применение установок обеззараживания воздуха «Поток 150-М-01» в системах

вентиляции и кондиционирования лечебно-профилактических учреждений // Холодильная техника,— М., 2004 — №2,— С. 30-32; 8 Методические указания по использованию установки обеззараживания воздуха «Поток - 150 МК» в производственных помещениях в целях обеспечения биологической чистоты модулей, транспортных кораблей и грузов на этапах проведения предстартовых работ» Новикова Н.Д., Поддубко С.В., Наголкин А.В., Капустина ЕА. (ТатариноваЕ.А.) — ФУ Медбиоэкстрем.— М.: 2003; 9. Kapustina Е. (Tatarinova Е.), Nagolkin A. Application of the "Potok" technology on manned space vehicles// 54th International Astronautical Congress.— 2003, Bremen, Germany—P. 168;

Сдано в печать 18 ноября 2005г. Объем печати 1 пл. Заказ № 1159. Тираж 100 Отпечатано: ООО «Спринт-Принт» г. Москва, ул. Краснобогатырская, 92 тел.: 963-41-11,964-31-39

« 23 G 68

РНБ Русский фонд

2006-4 24735

Перечень сокращений.

Введение.

1. Характеристика воздушной среды герметичных и замкнутых помещений с точки зрения микробиологической загрязненности и основные современные средства обеззараживания воздуха.

1.1. Физика аэрозолей.

1.1.1. Основные характеристики аэрозолей.

1.1.2. Форма, размер и концентрация аэрозолей.

1.1.3. Особенности воздушной среды жилых помещений.

1.1.4. Формирование бактериального аэрозоля в герметичном помещении.

1.2. Физические способы и средства обеззараживания воздуха.

1.2.1. Ультрафиолетовое облучение.

1.2.2. Озонирование.

1.2.3. Ионизация.

1.2.4. Фильтрация.

1.2.5. Технология «Поток».

1.3. Постановка задачи.

2. Теоретическое обоснование механизмов тонкой фильтрации и инактивации микроорганизмов под действием электрических полей

2.1. Механизмы фильтрации аэрозолей в пористых средах.

2.1.1. Механизмы удержания частиц в фильтрах.

2.1.1.1. Зацепление.

2.1.1.2. Инерция.

2.1.1.3. Диффузия.

2.1.1.4. Гравитационное осаждение.

2.1.1.5. Электростатическое осаждение.

2.1.1.6. Совместное действие различных механизмов.

2.1.2. Сопротивление фильтра.

2.1.3. Общая характеристика высокопористых материалов.

2.1.3.1. Особенности фильтрации в пористых средах.

2.2. Физические и биологические принципы создания математической модели механизмов инактивации микроорганизмов.

2.2.1. Термическая инактивация.

2.2.2. Химическая инактивация.

2.2.3. Обеззараживание ионизирующим излучением.

2.2.4. Инактивация микроорганизмов при воздействии электрического поля

2.2.4.1. Модель критической поры.

2.2.4.2. Электрический пробой мембран.

2.2.5. Сравнение расчетных и экспериментальных значений.

3. Экспериментальные исследования технологии «Поток» по обеззараживанию и тонкой фильтрации воздуха.

3.1. Техническое сопровождение работ по исследованию микробной обсемененности воздушной среды на пилотируемых космических летательных аппаратах.

3.2. Наземные исследования по разработке рекомендаций для снижения риска микробной контаминации воздушной среды пилотируемых космических объектов.

3.3. Исследования воздушной среды в медицинских помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха.

3.4. Стендовые эксперименты по аэрозольному исследованию технологии «Поток».

Актуальность проблемы:

Важнейшей задачей систем жизнеобеспечения космического аппарата является создание и поддержание в рабочих и жилых отсеках благоприятных атмосферных условий, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность и работоспособность космонавтов, находящихся в экстремальных условиях космического полета. Важнейшей характеристикой и непременным условием эксплуатации обитаемых космических объектов является их экологическая безопасность, включающая, в первую очередь, обеспечение оптимальных параметров воздуха и контроль за химическими и биологическими (микробиологическими) факторами, присущими этой специфической среде обитания. Совершенствование экологической безопасности человека при осуществлении длительных космических полетов не возможно без разработки методов, средств и технологий обеспечения микробиологической чистоты на этапах подготовки и осуществления космических полетов.

На основании опыта многолетней эксплуатации российских орбитальных станций определены наиболее значимые микробиологические риски (медицинские, технические, технологические), способные оказывать влияние на безопасность полета и надежность функционирования космической техники [40].

Процессы микробной контаминации среды, оснащения и оборудования обитаемых отсеков протекают с высокой интенсивностью в условиях непрерывной работы сменяющихся на борту экипажей, при осуществлении грузопотока (доставки с Земли различного оборудования, расходуемых материалов и т.п.). Среди микроорганизмов, формирующих микроэкосферу пилотируемых орбитальных станций, значительный удельный все занимают обитатели природных резервуаров и, прежде всего, плесневые грибы и некоторые виды бактерий [69]. Именно эти микроорганизмы обладают наиболее выраженной способностью резидентно заселять среду обитания, размножаться на конструкционных материалах различных классов, вызывая их биоповреждения [15]. И, наконец, большинство представителей грибной флоры могут вызывать различные токсико-аллергические заболевания у людей. Таким образом, очевидно, какие проблемы может представлять неконтролируемый занос микроорганизмов в среду обитания при осуществлении грузопотоков с Земли транспортными кораблями, при строительстве и эксплуатации космического объекта на околоземной орбите.

В настоящее время разработан и утвержден ряд нормативных документов, регламентирующих порядок обеспечения микробиологической безопасности модулей, транспортных кораблей и грузов МКС [24]. Комплекс систем обеспечения газового состава (обеспечения кислородом, удаления углекислого газа и микропримесей) позволяет формировать и поддерживать необходимые условия среды обитания на орбитальной станции [60]. Тем не менее, результаты микробиологического мониторинга среды обитания, а также анализы качества дезинфекционной обработки внутренних объемов составных элементов МКС и доставляемых грузов свидетельствуют о необходимости совершенствования методов и средств обеспечения биологической чистоты на этапах проведения предстартовых работ и улучшения качества воздуха на космическом аппарате. Современные методы обеззараживания воздушной среды не всегда позволяют решить проблему очистки воздуха от микробиологических загрязнений. Кроме того, одним из основных требований, предъявляемым к оборудованию, предназначенному для обеззараживания и очистки воздуха в присутствии людей, является экологическая безопасность, отсутствие вредного воздействия на человека и оборудование, а существующие физические методы и средства обеззараживания воздуха имеют те или иные ограничения и противопоказания по использованию в присутствии людей.

Технология «Поток» Г71] позволяет решать задачи обеспечения микробиологической безопасности. Принцип действия технологии основан на воздействии постоянными электрическими полями заданной ориентации и напряженности на микроорганизмы, находящиеся в обрабатываемом воздушном потоке, что приводит к их инактивации. В результате обработки воздуха происходит полная инактивация всех видов микроорганизмов, а также обеспечивается высокий уровень фильтрации обеззараженного воздуха. Данная технология позволяет проводить обеззараживание и тонкую фильтрацию воздуха в присутствии людей, так как в процессе работы не меняются параметры микроклимата, напряженность электростатического и интенсивность электрического полей, уровень ионизации воздуха.

Для совершенствования функциональных возможностей технологии «Поток» необходимо более глубокое понимание физики явлений фильтрации аэрозольных частиц и процессов инактивации микроорганизмов, осуществляющихся в результате воздействия технологии. Математическое моделирование процессов происходящих с микроорганизмами под воздействием электрических полей является актуальной задачей. Это позволит решать проблемы, связанные с микробиологическими рисками в пилотируемых космических полетах, на новом современном научно-техническом уровне, что, безусловно, позволит повысить уровень безопасности космических полетов.

Цель исследования:

На основании экспериментальной оценки эффективности применения технологии «Поток» обосновать подходы к созданию математической модели механизмов инактивации микроорганизмов в воздушной среде под действием электрических полей.

Задачи исследования:

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

Сравнительный анализ эффективности современных физических методов и средств обеззараживания воздуха;

Математическое моделирование и анализ механизмов осаждения механических частиц в пористых структурах;

Определение механизмов дезинтеграции структуры биологических клеток и разработка подходов к созданию математической модели механизмов инактивации микроорганизмов;

Экспериментальное обоснование особенностей создания локальных «чистых» рабочих зон и замкнутых «чистых» помещений; Экспериментальное подтверждение эффективности применения технологии «Поток» для герметичных замкнутых объектов, медицинских помещений с повышенными требованиями к чистоте воздуха, «чистых» производств;

Материалы исследований:

1. Результаты санитарно-микробиологических исследований воздушной среды Международной космической станции, полученных сотрудниками ГНЦ ИМБП РАН (Новикова Н.Д., Подцубко C.B.) в рамках эксперимента «Микроэкосфера»;

2. Результаты санитарно-бактериологических исследований на микробную обсемененность воздушной среды, полученных в ГВКГ им. ак. H.H. Бурденко (Тихонов Ю.Г.) в ходе плановых проверок, и контроль запыленности в 4 асептических боксах и 7 палатах реанимации ГВКГ им. ак. H.H. Бурденко

3. Стендовые эксперименты по исследованию процессов фильтрации аэрозолей в установке «Поток 150-М-01».

Методы исследований:

При решении поставленных задач использовались статистические исследования с вычислением 95% верхнего доверительного предела для учета случайного характера распределения частиц в воздухе, методы математического моделирования. Обработка результатов и комплексный анализ полученных данных проводились с использованием методов корреляционного и дисперсионного анализа с применением ЭВМ.

Научная новизна:

В настоящем исследовании впервые изучались минимальные воздействия электрических полей, приводящие к эффективным результатам по обеззараживанию воздушной среды от микроорганизмов, а также разработаны и обоснованы новые подходы к созданию математической модели механизмов инактивации микроорганизмов.

Практическая значимость:

В результате проведенных исследований разработаны предупредительные мероприятия по усовершенствованию методов и средств обеспечения биологической чистоты на этапах проведения предстартовых работ для снижения риска микробной контаминации среды обитания МКС.

Разработаны и утверждены Федеральным управлением медико-биологических и экстремальных проблем при Министерстве здравоохранения Российской Федерации: «Методические указания по использованию установки обеззараживания воздуха «Поток - 150 МК» в производственных помещениях в целях обеспечения биологической чистоты модулей, транспортных кораблей и грузов на этапах проведения предстартовых работ» (Приложение).

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 6-ой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2003г.), на Конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов, посвященной Дню космонавтики (Москва, 2003, 2004 гг.), на Международной конференции «Системный анализ и управление аэрокосмическими комплексами» (Евпатория, 2003 г.), на секции ESA's European Student Outreach Activities 54th International Astronautical Congress (Бремен, 2003), на заседании секции «Обитаемость замкнутых объектов и системы жизнеобеспечения» Ученого совета ГНЦ РФ — Института медико-биологических проблем РАН (Москва, 2005).

4. Заключение и выводы

В результате анализа особенностей формирования микрофлоры воздушной среды жилых помещений и герметичных замкнутых объектов отмечено, что с участием человека в помещениях формируется своеобразный микроклимат и специфическая биота, оказывающие влияние на его здоровье. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования эффективности технологии обеззараживания и тонкой фильтрации воздуха, основанной на воздействии электрических полей, применительно к обеспечению необходимого уровня биологической чистоты обитаемых отсеков космических объектов и созданию «чистых» помещений и «чистых» рабочих зон позволили сделать следующие выводы:

1. Сравнительный анализ современных физических методов и средств обеззараживания воздуха показал, что существующие методы имеют те или иные ограничения и противопоказания по использованию в присутствии людей.

2. Теоретически и экспериментально показано, что механизм высокоэффективной фильтрации технологии «Поток» заключается в применении специфических высокопористых конструкционных материалов — пено

•5 с полиуретана (плотность от 3 до 3,31 г/мм -10*, средний диаметр ячейки от 1,21 до 1,45 мм) и пенометалла (плотность 38,9 г/мм -10' , средний диаметр ячейки 2,28 мм) для электропредфильтра и осадителя (напряжение на электродах 5,6 кВ, 7,6 кВ);

3. На основании изучения принципов построения физических и биологических математических моделей механизмов инактивации микроорганизмов, разработана математическая модель инактивации микроорганизмов в воздухе при воздействии электрического поля на основе, так называемого, механизма электропорации клеточных мембран.

Проведенные исследования показали, что применение установок обеззараживания воздуха «Поток 150-М-01» позволяет создавать биологически «чистые» помещения и «чистые» рабочие зоны (класс чистоты Р(7) в оснащенном состоянии, класс чистоты Р(8) в эксплуатируемом состоянии). Использование данных установок в системах вентиляции и кондиционирования дает возможность подавать в помещение кондиционированный воздух требуемой чистоты с однонаправленным воздушным потоком (скорость потока не более 0,15 м/с);

Техническое сопровождение работ по эксплуатации установки обеззараживания воздуха «Поток 150МК» на борту Международной космической станции дает основания полагать, что «Поток 150МК» обеспечивает бесперебойную и эффективную работу по обеззараживанию воздушной среды от микроорганизмов в пилотируемых космических аппаратах. Во время работы установки на борту МКС среднее содержание бактерий л не более 44 КОЕ/м , среднее содержание плесневых грибов не более 3 КОЕ/м3, что подтверждено результатами исследований. Для обеспечения микробиологической чистоты на этапах проведения предстартовых работ экспериментально обоснованы режимы и регламенты работы установки обеззараживания воздуха «Поток 150-М-01» для снижения риска микробной контаминации среды обитания МКС с учетом требований к качеству воздушной среды различных помещений и рабочих зон.

5. Практическое использование

Результаты диссертации рекомендуется использовать в следующих отраслях науки и техники:

1. Разработка систем вентиляции и кондиционирования воздуха, оборудованной системой обеззараживания и тонкой фильтрации воздуха при строительстве новых и реконструкции существующих медицинских учреждений, относящихся к Минздраву социального развития;

2. В учебном процессе по специальности 19.06 в МАИ (ГУ) и МГТУ им. Н.Э. Баумана, Министерство образования РФ;

3. Обеззараживание и тонкая фильтрация воздушной среды в подводных лодках и подземных сооружениях специального назначения Министерство обороны РФ.

1. Алейников С.О., Наголкин A.B., Малышева А.Г., Фурман И.Е. и др. Эколо-го-гигиеничеекая экспертиза эффективности оптимизации воздушной среды помещений с помощью рециркуляционной установки «Поток -150М»// Пульмонология.— М. 1995.— №1.— С. 64-69;

2. Антонов В.Ф. Биофизика мембран// Соросовский образовательный журнал.—М., 1996.—№6.—С. 4-12;

3. Антонов В.Ф. Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран// Соросовский образовательный журнал.— М., 1998.— №10.— С. 10-17;

4. Анциферов В.Н., Беклемышев A.M., Гилев В.Г., Порозова С.Е., Швейкин С.Е. Проблемы порошкового материаловедения. Часть II. Высокопористые проницаемые материалы.— Екатеринбург., 2002;

5. Апсатаров Э.А., Жамалов С.А., Алимжанов А.К. Озонотерапия хирургической инфекции// Актуальные вопросы хирургической инфекции. Материалы научно-практической конференции.— Семипалатинск, 1991.— С. 16-17.

6. Балашов Е.В., Викторов А.Н., Володина Е.В., Горшков В.П. и др. Результаты комплексных исследований установки для обеззараживания газовой среды орбитальных станций// Авиакосмическая и экологическая медицина. — М., 1996.— Т.30, №6. — С. 37-42;

7. Барабанова М.Е., Башмаков В.П. Воздушные фильтры для систем кондиционирования и вентиляции чистых помещений// Технология чистоты.— М, 1994.—№1.—С. 9-10;

8. Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Уваров В.И. Капиллярно-пористые СВС-материалы для фильтрации жидкостей и газов// Наука-производству.— М., 2001.—№10 (48).—С. 28-32;

9. Васин В.Б., Викторов А.Н., Поликарпов Н.А., Столбова К.А и др. Модельное изучение эффективности озонирования для микробной деконтаминации сред в космических станциях// Авиакосмическая и экологическая медицина. — 1998 —Т.32,№2.—С.68-71;

10. Вассерман A.JL, Тихомиров В.А., Юзбашев В.Г. О руководстве по проектированию и эксплуатации ультрафиолетовых и бактерицидных установок// Светотехника.—М., 2002 —№4 — С. 35-37;

11. Вергани С. Системы воздухоподготовки в инфекционных отделениях больниц// АВОК.—М., 2004.—№4.— С. 60-67;

12. Викторов А.Н., Новикова Н.Д. Особенности формирования микрофлоры на конструкционных материалах, используемых в обитаемых герметично-замкнутых помещениях// космическая биология и авиакосмическая медицина.—М., 1985.—Т. 19., №2.—С. 66-68;

13. Викторов А.Н., Новикова Н.Д., Дешевая Е.А. Микрофлора кабин пилотируемых космических объектов и проблема биоповреждений используемых в них конструкционных материалов// Авиакосмическая и экологическая медицина.—М., 1992.—№3.—С. 41-48;

14. Викторов А.Н., Новикова Н.Д., Дешевая Е.А., Поликарпов Н.А. и др. Результаты микробиологических исследований// Орбитальная станция «Мир». Космическая биология и медицина.— М., 2001.— Т.1.— С. 121-151;

15. Владимиров Ю.А. Биологические мембраны и незапрограммированная смерть клетки// Соросовский образовательный журнал.— М., 2000.— №9.— С. 2-9;

16. Внутрибольничные инфекции/ под. ред. Венцеля.— М., 1990;

17. Володина Е.В., Наголкин A.B. Технология «Поток» для стерилизации и тонкой фильтрации воздуха// Технология чистоты.— М.: 2002.—№ 2.— С. 28-30;

18. ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. — М., 1988;

19. ГОСТ Р 50766-95 Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации—М., 1995;

20. ГОСТ Р 50804-95. Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования.— М., 1995;

21. ГОСТ Р 51251-99 Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка—М., 1999;

22. ГОСТ Р 52249-2004 Правила производства и контроля качества лекарственных средств.— М., 2004;

23. Гришин В.И. О некоторых вопросах инженерного оборудования палат и отделений интенсивной терапии// Главный врач.— М., 1998.—№ 4;

24. Губернский Ю.Д., Дмитриев М.Т. Атмосферный озон и ионы основные компоненты свежести воздуха// Природа.— М., 1976.— №9.— С. 27-31;

25. Губернский Ю.Д., Дмитриев М.Т. Озонно-ионный режим жилых и общественных зданий и его роль в обеспечении воздушного комфорта// Водоснабжение и санитарная техника.— М., 1979.— №1.— С. 17-18;

26. Губернский Ю.Д., Калинина Н.В. Гигиеническая характеристика химических факторов риска в условиях жилой среды// Гигиена и санитария. — М.,2001.—№4.—С. 21-24;

27. Губернский Ю.Д., Калинина Н.В., Мельникова А.И. Эколого-гигиенические аспекты организации мониторинга жилой среды // Гигиена и санитария.— М., 1997.—№3.—С. 46-49;

28. Гульман М.И., Винник Ю.С., Перьянова О.В., Якимов C.B. и др. Механизмы действия и перспективы применения медицинского озона в клинической практике// Первая краевая.— Красноярск, 2001.— №9;

29. Густавссон Я. Высокотехнологичные фильтры для чистых помещений// Технология чистоты.— М. 1998.— №1.—С. 5-11;

30. Густов A.B., Котов С.А., Конторщикова К.Н., Потехина Ю.П. Озонаторы и методы озонотерапии/ Озонотерапия в неврологии.— Н.Новгород, 1999.;

31. Дмитриев М.Т. Запах свежего воздуха// Природа.— М.: 1972.— №3.— 1323;

32. Дробеня В.В., Ткачев C.B. Бактериоулавливающая и бактериостатическая эффективность фильтров для оценки воздуха// Гигиена и санитария.— М., 1988.—№11.—С. 90-92;

33. Желтикова Т.М. Мониторинг экогенных факторов жилых помещений, влияющих на здоровье людей// Труды семинара «Экология жилых помещений г. Москвы».— М., 2002.;

34. Желтикова Т.М. Экология жилых помещений и факторы риска развития аллергии// Труды семинара «Экология жилых помещений г. Москвы».— М.,2002.;

35. Залогуев С.Н., Викторов А.Н., Пожарский Г.О. Характеристика бактериального аэрозоля герметичных помещений при пребывании в них людей// Космическая биология и авиакосмическая медицина.— М., 1978.— Т. 12., №5.— С. 72-75;

36. Защита атмосферы от промышленных загрязнений/ под ред. Калверта С., Инглунда Г.М.—М., 1988.—ч. 1.;

37. Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях: Руководство 3.1.683-98. — М., 1998;

38. Использование установки обеззараживания воздуха УОВ «Поток-М-01» и контроль микробной обсемененности воздуха при ее работе: Методические указания.— М., 2002;

39. Калечиц В.И. Контроль аэрозольных микрозагрязнений в чистых помещениях// Чистые помещения/ под ред. Федотова А.Е.—М., 1998.— С. 136-177;

40. Кадомцев Г.М. Фильтры тонкой очистки воздуха// Технология чистоты.— М, 1994.—№1.—С. 5-8;

41. Казакова И.А., Мотина Г.Л., Пермякова Т.В., Корниенко П.А. Спеченные металлические элементы для стерильной фильтрации воздуха // Химико-фармацевтический журнал.— М. 1981.— т.ХУ, №1.— С. 106-109;

42. Капустина Е.А. Володина Е.В. Установка обеззараживания и тонкой фильтрации воздуха «Поток 150МК»// Авиакосмическая и экологическая медицина.— М.: 2004.—№2, т. 48.— С. 57-58;

43. Капустина Е.А., Наголкин A.B., Новикова Н.Д., Поддубко C.B. Обеззараживание воздушной среды на борту космических летательных аппаратов// Авиакосмическая и экологическая медицина.— М.: 2004.— № 5., Т. 38.— С. 46-52;

44. Кокорин О.Я., Волков A.A., Наголкин A.B., Капустина Е.А. Применение установок обеззараживания воздуха "Поток 150-М-01" в системах вентиляции и кондиционирования лечебно-профилактических учреждений// Холодильная техника — М.: 2004.— №2.— С. 30-32;

45. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха.— М., 2003,

46. Котельников С.Н., Миляев В.А., Саханова В.В., Янгуразова JT.P. Проблема тропосферного озона в Москве и Московской области. Влияние озона на растения и здоровье человека.— М., 2004 (Препр. ИОФ РАН; №7);

47. Кошелева И. Применение озонокислородной смеси в дерматологии и лечебной косметике// Косметика и медицина.— М., 2000.— №4.— С. 69-75;

48. Кузин В.В., Зуев В.К., Володин Ю.С., Маздыков А.Ф. и др. Профилактика и лечение гнойных осложнений при первичном эндопротезировании тазобедренного и коленного суставов// Ортопедия, травматология и протезирование.—М.: 1999.— №2.— С. 16-18;

49. Лексаков С.А. Влияние плесени на экологию жилых помещений // Труды семинара «Экология жилых помещений г. Москвы».— М., 2002.;

50. Малышева А.Г. Летучие органические соединения в воздушной среде помещений жилых и общественных зданий// Гигиена и санитария.—М., 1999.—№1.—С. 43-46;

51. Матвеев В.Е. Основы асептики в технологии чистых микробиологических препаратов.— М.: 1981;

52. Медицинская микробиология / под ред. В.И. Покровского — М., 1998;

53. Малоземов В.В., Рожнов В.Ф., Правецкий В.Н. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов. М., 1986;

54. Методические указания по применению бактерицидных ламп для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях// Светотехника.—М., 1995.— №6.— С. 2-19;

55. Миллер Ж.Д. Защита приточного воздуха от заражения химическими и биологическими агентами// АВОК.— М., 2003.— №3.— С. 36-44;

56. Можаев Е.А., Голубев И.Р. Синдром множественной химической чувствительности (обзор)// Гигиена и санитария.— М., 2000.— №6.— С. 48-50;

57. Наголкин A.B., Балашов Е.В. Обеззараживание воздуха на МКС// Аэрокосмический курьер.— М.: 2000.— №4.— С. 54-55;

58. Нефедов Ю.Г. Залогуев С.Н., Викторов А.Н. Микробиологические аспекты эксплуатации систем жизнеобеспечения длительно действующих космических объектов// Космическая биология и авиакосмическая медицина.— М., 1975.— Т. 9., №4.— С. 19-23;

59. Новиков H.H. Аэроионизаторы — люстра Чижевского (краткая характеристика)// Медицинское оборудование и инструментарий.— М., 2001.,— №5(47).—С. 6-7;

60. Новикова Н.Д. Концепция обеспечения микробиологической безопасности пилотируемой марсианской экспедиции// Авиакосмическая и экологическая медицина.— М., 2003.— Т. 37., №5.,— С. 56-59;

61. Новикова Н.Д. Основные закономерности формирования микрофлоры среды обитания орбитального комплекса «Мир»// Авиакосмическая и экологическая медицина — М., 2001.— Т.35., №4 — С. 32-40;

62. Панферова Н.Е. Перспективы применения ультрафиолетовой радиации в длительных космических полетах// Космическая биология и авиакосмическая медицина.— М., 1986.— Т.20, №1.— С. 4-11;

63. Патент № 2026751 РФ Устройство для стерилизации и тонкой фильтрации газа/ Е.В. Володина, A.B. Наголкин.— №5048011; заявл. 13.05.92; опуб. 20.01.95; приоритет 13.05.92;

64. Петрова-Никитина А.Д., Мокеева B.JL, Желтикова Т.М., Чекунова JI.H. и др. Микобиота домашней пыли г. Москвы // Микология и фитопатология.— М., 2000.— Т.34., №3.— С. 25-32;

65. Пожарский Г.О. Влияние условий обитания на формирование бактериального аэрозоля в герметичном помещении// Космическая биология и авиакосмическая медицина. — М., 1984.— Т. 18., №3.— С. 77-80;

66. Поляков В. Физика аэроионизации// Радио.— М., 2002.—№3.— С. 36-38;

67. СанПиН 2.2.4.1294-03 Гигиенические требования к аэроионному составу производственных и общественных помещений.— М., 2003;

68. Свенсон К., Уэбстер П. Клетка.— М.: 1980;

69. Спурный К., Йех Ч., Седлачек Б., Шторх О. Аэрозоли.— М., 1964;

70. ТУ 9451-001-17481392-96 Установка обеззараживания воздуха; введ. 01.01.96, per. номер 97/17-253;

71. Чизмаджев Ю.А., Пастушенко В.Ф. Электрическая стабильности биологических и модельных мембран// Биологические мембраны.— М., 1989.—Т.9., №10.— С. 1013-1045;

72. Чистые помещения/ под ред. Федотова А.Е. — М., 2003;

73. Чистые помещения: Пер. с японск./ под. Ред. Хаякавы.— М., 1990;

74. Шандала М.Г., Юзбашев В.Г., Вассерман A.JI. Об использовании ультрафиолетового излучения для обеззараживания воздуха с целью профилактики внутрибольничных инфекций.// MaT.IV съезда Все рос.общ.эпид., микроб. и паразит.— М., 1997, — С.64-65;

75. Шутов А.А. Аэродисперсные системы// Чистые помещения/ под ред. Федотова А.Е.— М., 2003,— С. 320-342;

76. Щербо А.П. Больничная гигиена. — СПб., 2000;

77. Яблочкин В.Д. Разработка мер по предупреждению загрязнения атмосферы герметически замкнутых помещений// Космическая биология и авиакосмическая медицина.— М., 1975.— Т.9., №4.— С. 27-30;

78. Blatchley E.R., Peel M.M. Disinfection by ultraviolet irradiaion// Disinfection, sterilisation and preservation/ Ed. Block S.S., ed. 5th. — Philadelphia, 2001.— p. 823-852;

79. Cardendale MT., Grifflts J. "Is there a role for medical ozone in the treatment of HIV and associated infections?"// Ozone in Medicine.—Proceedings of the 11 -th Ozone World Congress.— San Francisco, 1993,—1: 32 37;

80. Cox Ch.S., Wathes Ch.M. Bioaerosols. Handbook.— New York., 1995;

81. Davies C.N. Air filtration. — Academic Press., — London, New York., 1973;

82. Gabbay J., Bergerson O., Levi N., Brenner S., Eli I. Effect of ionisation on microbial air pollution in the dental clinic// Environmental research.— 1990.— №52.—p. 99-106;

83. International Space Station Medical Operations Requirements Documents (ISS MORD 50260), May 2000 (разделы 5.4.2 );

84. Knorr D., Heinz V. Development of nonthermal methods for microbial control// Disinfection, sterilisation and preservation/ Ed. Block S.S., ed. 5 . — Philadelphia, 2001.—p. 853-880;

85. Ко G., First M.W., Surge H.A. Influence of relative humidity on particle size and UV sensitivity of Serratia marcescens and Mycobacterium bovis BCG aerosols// Tubercle and Lung Disease.— Boston, 2000.— 60(4/5).— P. 217-228;

86. Leahy T.J., Gabler R. Sterile filtration of gases by membrane filters// Biotechnology and bioengineering.—New-York, 1984.—vol. XXXVI, №8.—p. 836-843;

87. Levy R.V. Sterile filtration of liquids and gases// Disinfection, sterilisation and preservation/ Ed. Block S.S., ed. 5th. — Philadelphia, 2001.—p. 795-822;

88. Marcher J. Bioaerosols: Assessment and control.— Cincinnati, 1999.

89. Novikova N.D. Review of the knowledge of microbial contamination of the Russian manned spacecraft// Microbial ecology.— New-York.: 2004.— V. 47, 127-132.

90. Schoenbach K.H., Peterkin F.E., Alden R.W., Beebe S.J. The effect of pulsed electric fields on biological cells: Experiments and applications// IEEE Transactions on plasma science.— USA., 1997.— Vol. 25., № 2 — P. 284-292;

91. Wake D., Brown R.C. Filtration of monodisperse dusts by porous foam filters// J. Aerosol Science.— 1991.— 22 (6).— P. 693-706;

92. Spilimbergo S., Dehghani F., Bertucco A., Foster N.R. Inactivation of Bacteria and spores by pulse electric field and high pressure C02 at low temperature// Biotechnology and bioengineering.— 2003.— vol. 82., №1— p. 118-125;

93. Viebahn-Haensler R. "The use of ozone in medicine" 3-rd revised English edition—1999;

94. Volodina E.V., Nagolkin A.V., Demin E.P Air sterilization system «Potok 150-M-01» for pressurized volumes// Simulation of exteded isolation: advansed and problems.—M.: 2001.—P. 515-517;

95. Weavers L.K., Wickramanayake G.B. Disinfection and sterilisation using ozone// Disinfection, sterilisation and preservation/ Ed. Block S.S., ed. 5th. — Philadelphia, 2001.— p. 205-214;