Плазменная стерилизация

Плазменная стерилизация атмосферной плазмой

Атмосферная плазма может использоваться для сокращения концентрации патогенов, уничтожения бактерий, вирусов, грибков, прионов, токсинов, различных органических загрязнений, что является необходимым в процессах очистки, дезинфекции, стерилизации, нанесения биоактивных покрытий. Обработка атмосферной плазмой является максимально эффективным и экологически чистым процессом, благодаря применению не сложного безвакуумного оборудования и не использованию токсичных веществ. Возможность воздействия низкотемпературной атмосферной плазмой на заданную глубину позволяет производить стерилизацию чувствительных поверхностей, включая живые ткани и открытые раны.

При контакте плазмы атмосферного давления с обрабатываемой поверхностью происходит большое количество различных физических и химических процессов. Все они связаны, в основном, с воздействием направленного потока компонентов плазмы, образуемых при её возбуждении и истечении, контактируя с вводимыми дополнительными парами функциональных реагентов и атмосферным воздухом. Компонентами плазмы являются ионизированные частицы и высокоактивные короткоживущие химические соединения, производимые плазмой в больших количествах.

Заряженные ионизированные частицы повышенной энергии (электроны и ионы) при бомбардировке, например, тяжелыми ионами плазмообразующего газа аргона (Ar+) обеспечивают физическое распыление атомов и легких фрагментов молекул из поверхностного слоя, разрушение химических водородных связей органических молекул, формирующих клеточные мембраны. Электроны, имея повышенную проникающую способность, активны и на некоторой глубине от поверхностного слоя. Они, соударяясь с молекулами адсорбированной влаги (биологической жидкости) способствуют образованию химически активных атомов кислорода и кислородосодержащих молекул, которые эффективно уничтожают микроорганизмы, защищённые обычно слоем воды или биологической жидкости. Ионы также проникая в воду, инициируют химические реакции.

Образуемые в атмосферной плазме свободные радикалы гидроксильных групп (OH), атомы кислорода и кислородосодержащих молекул, а также их ионов активно реагируют с органическими молекулами, в том числе с любыми органическими соединениями живых организмов, разрушая бактериальные капсулы и стенки клеток.

Химически активные соединения, создаваемые в атмосферной плазме, такие как пероксид водорода (H2O2), проникая внутрь клеток и клеточных ядер, повреждает молекулы ДНК и уничтожает клетки бактерий.

К свободным радикалам, образуемым в атмосферной плазме, относится и группа антибактериальных молекул активных форм азота - оксиды азота (NO и NO2), пероксинитрит – ONOO- и азотистая кислота - HNO2. Известно, что молекулы NO, генерируемые одним типом клеток, могут проникать через мембрану и регулировать функции других клеток. В 1998 году за открытие роли NO как сигнальной молекулы, регулирующей процессы в сердечно-сосудистой системе, американские ученые Роберт Фарчгот (Robert F. Furchgott), Луис Игнарро (Louis J. Ignarro) и Ферид Мюрад (Ferid Murad) были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины. Радикал NO, генерируемый в атмосферной плазме дугового разряда, может оказывать существенное влияние на биоактивность эндогенных молекул NO, выполняющих регуляторные функции внутри организма.

Долгоживущие стабильные химически активные молекулы озона (O3), синтезируемые из атмосферного воздуха при контакте с продуктами ионизации, являются сильными оксидирующими агентами, эффективно повреждающими стенки бактерий. Концентрация озона свыше 0,5 мг/м3 в пределах зоны обработки оказывают мощное антимикробное и противовоспалительное действие.

К дополнительным механизмам эффективности стерилизации при воздействии атмосферной плазмы относится обеспечение повышенного уровня кислотности поверхностного слоя биологической жидкости, который увеличивается при растворении в ней ионов и активных форм кислорода. Кислоты разъедают стенки бактерий, вызывая их гибель.

Ультрафиолетовое излучение обладает хорошо известными дезинфицирующими свойствами. Оно повреждает молекулы ДНК и препятствует размножению бактерий. Особенно эффективно в этом плане излучение атмосферной плазмы электродугового разряда с длинами волн ˂ 230 нм.

Кроме воздействия на обрабатываемую поверхность компонентов плазмы, атмосферные плазменные струи обладают газодинамическими и термическими свойствами. Плазменная струя дугового разряда, образуемая на выходе из устройства для генерирования плазмы, отличается от обычного газового пламени большими температурами, скоростями потока и более широкими возможностями регулирования её химического состава. Стабилизация дугового разряда обеспечивается аксиальной подачей аргона. Форма аргоновой плазменной струи обычно имеет вид ярко светящегося конуса, окруженного менее ярким ореолом. Сечение факела на выходе, соизмеримо с диаметром выходного отверстия устройства для генерирования плазмы, а его длина определяется расходом используемых газов. Энергетические характеристики плазменной струи, возбужденной электрической дугой, зависят от конструкции генерирующего устройства, мощности дуги, рода и расхода применяемых газов и вводимых дополнительных паров химических реагентов. Все эти параметры определяют тепловую и механическую нагрузку на обрабатываемую поверхность. Основными характеристиками плазменной струи являются её состав, температура, скорость истечения, давление на выходе. Температура и скорость плазменной струи в продольном и поперечном сечениях различна. Интегральными характеристиками плазменных струй могут служить удельная энтальпия плазмы (количество тепла, содержащегося в единице массы плазменного потока) и среднемассовая скорость плазменной струи.

Важно отметить, что атмосферная плазма дугового разряда является пространственно неоднородной. Температура плазмы уменьшается по мере отдаления от зоны её возбуждения от 10000-15000°С до 40-50°С. В поперечном сечении плазменной струи на выходе из генерирующего устройства температура может также изменяться от 2000°С до 40-50°С. Поэтому тепловое воздействие от атмосферной плазмы может быть как минимальным, так и значительным в зависимости от параметров плазмы и зоны плазменной струи, куда вводится преграда (твердое тело, живая ткань и т.д.).

Скорость плазменного потока для ламинарных и турбулентных струй различна. В ламинарном потоке происходит плавный спад осевой температуры и осевой скорости, менее интенсивное смешивание с атмосферным воздухом и более длительное прохождения плазмохимических реакций. В среднем для плазменной стерилизации атмосферной плазмой дугового разряда скорость потока составляет не более 20-30 м/с.

По сравнению со стандартными методами стерилизации, использующими сжатый сухой воздух при температуре 170°С, сжатый водяной пар при температуре 120°С, токсичные вещества или плазму низкого давления, применение холодной атмосферной плазмы имеет следующие преимущества: