Патент на изобретение №2398877

(54) СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к пищевой промышленности. Способ основан на облучении подлежащего обработке объекта электромагнитным излучением. Используют излучение КВЧ диапазона частотой 20-95 ГГц с плотностью потока мощности не более 10 мкВт/см². Время облучения объекта составляет не менее 20 минут. Предложенный способ может быть использован для эффективного подавления жизнедеятельности различных микроорганизмов, обладающих патогенными свойствами в отношении организма человека. 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

Способ относится к обработке электромагнитным излучением микроорганизмов, оказывающих негативное влияние на жизнедеятельность человека.

В настоящем изобретении понятие объект распространяется на все составляющие, входящие в понятие «среда обитания человека»: воздух, вода, продукты питания, различные предметы, детали инженерных сооружений и т.п.

К числу микроорганизмов, оказывающих негативное влияние на человека, относятся микроорганизмы, заражающие воздух, воду и продукты питания, технофильные бактерии и обладающие высокой жизнеспособностью микроскопические технофильные виды грибов, которые в процессе своей жизнедеятельности вызывают деструкцию материалов и конструкций.

Технофильные бактерии и грибы являются также источниками токсинов, наличие которых в воздухе приводит к ухудшению экологической обстановки в помещениях и к риску серьезного заболевания микотоксикозом людей, находящихся в этих помещениях. Активизация деятельности технофильных микроорганизмов способствует увеличению инфекционной нагрузки в атмосфере в результате освоения ими новых территорий, а также возникновению особенно агрессивных популяций с высокой степенью эврибиотности. К числу технофильных микроорганизмов относятся, в частности, бактерии Es-cherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Bacillus megaterium, грибы рода Penicillium, Aspergillus, Alternaria, Trichoderma, Chaetomium, Fusarium.

Вследствие эврибиотности и генетической лабильности микроорганизмов (в особенности микромицетов), а также их высокой устойчивости и приспособляемости к агрессивным химическим средствам, в настоящее время уделяется большое внимание способам подавления жизнедеятельности микроорганизмов с применением электромагнитного излучения.

Проведение мероприятий по подавлению микроорганизмов с применением электромагнитного излучения при соблюдении установленных санитарных норм не приводит к ухудшению экологической ситуации при эксплуатации обработанных помещений, в то время как подавляющее большинство применяемых для этих целей химических средств в дозах, позволяющих эффективно подавить микроорганизмы, являются экзотоксикантами в отношении организма человека. Кроме того, обработка промышленных материалов электромагнитным излучением в отличие от обработки химическими способами применима в условиях производств, сопряженных с повышенными требованиями химической чистоты (биотехнология, фармакология, тонкий органический синтез и т.п.).

Известно предложение использовать для стерилизации небольших по габаритам объектов из диэлектрических или частично диэлектрических материалов электромагнитное излучение КВЧ диапазона с частотой 30-300 ГГц мощностью от 100 Вт до 5 КВт (RU 2161505 С1, 2001.01.10). Для осуществления этого способа подлежащие стерилизации объекты помещают внутри резонатора и источником СВЧ излучения возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы: источник СВЧ излучения – резонатор – стерилизуемые материалы. Затем увеличивают напряженность электромагнитного поля внутри резонатора до величины, обеспечивающей уничтожение микроорганизмов, и поддерживают напряженность поля СВЧ на этом уровне в течение времени, достаточного для стерилизации размещенных материалов. Для обеспечения необходимой электрической прочности резонатора (т.е. для исключения возможности газового пробоя), резонатор заполняют газом с высоким порогом пробоя (например, фреоном или элегазом) и/или при повышенном давлении по сравнению с атмосферным.

Недостатком этого способа является его неприменимость для обработки объектов с большими габаритами, например для обработки деталей строительных конструкций, из-за отсутствия устройства, необходимого для реализации этого способа.

Этот способ неприменим и для обработки воздуха в помещениях.

К тому же использование излучения КВЧ диапазона с частотой 30-300 ГГц мощностью от 100 Вт до 5 КВт в бытовых условиях для обработки различных объектов бытового назначения не допускается существующими санитарными нормами.

В настоящее время для обработки малогабаритных объектов, например, медицинского инструмента (например, RU 2334526 С1, 2008.09.27), и для санации помещений (например, RU 2112031 С1, 1998.05.27) широко используется электромагнитное излучение ультрафиолетового диапазона.

Однако как показывает практика, ультрафиолетовое облучение не снимает остроты проблемы. Отмечено, что споры некоторых видов грибов, например споры Aspergillus, отличаются высокой резистентностью по отношению к ультрафиолетовому облучению. Выявлено также, что многие виды грибов отличаются большей адаптивностью к жесткому излучению, нежели бактерии. Известно также, что в стерильных боксах удается сдерживать рост бактериальной микрофлоры, однако постоянно возникает проблема пророста грибов на питательных средах. Предполагается, что электромагнитное излучение оптического диапазона индуцирует появление все новых мутантных штаммов с непредсказуемыми свойствами. Мутантные штаммы могут проявлять патогенность и агрессивность в отношении синтетических материалов, а также устойчивость к химическим и физическим факторам.

Кроме того, из-за негативного влияния электромагнитного излучения оптического диапазона на организм человека, выражающегося в ультрафиолетовых эритемах и ожогах сетчатки, использование этого диапазона ограничивается временем, в течение которого не должна быть превышена определяемая санитарными нормами предельно допустимая концентрация озона. Следствием этих негативных факторов является достаточно малое время облучения (~20 минут), что недостаточно для эффективного подавления микроорганизмов, особенно микроскопических грибов.

Техническим результатом, полученным при использовании заявляемого способа, является эффективное подавление жизнедеятельности различных микроорганизмов, обладающих патогенными свойствами в отношении микроорганизмов, обладающих патогенными свойствами в отношении организма человека и заражающих среду обитания человека в бытовых условиях, и микроорганизмов, вызывающих деструкцию материалов и конструкций.

Технический результат достигается тем, что способ подавления микроорганизмов, основанный на облучении подлежащего обработке объекта электромагнитным излучением, заключается в том, что используют излучение КВЧ (крайне высокочастотного) диапазона с плотностью потока мощности не более 10 мкВт/см², а время облучения объекта составляет не менее 20 минут.

Целесообразно использовать излучение с частотами 20-95 ГГц.

Целесообразно также использовать электромагнитное излучение, модулированное импульсами с частотой повторения 0,1-20 Гц.

Для эффективного подавления микроорганизмов, в том числе спор грибов, на которые излучение ультрафиолетового диапазона не воздействует, в течение минимального времени облучения, равного 20 минутам, целесообразно одновременно с облучением объекта КВЧ излучением облучать его излучением ультрафиолетового (УФ) диапазона.

При этом допустимо использовать излучение ультрафиолетового диапазона ~10⁶-10⁷ ГГц, генерируемого стандартными, выпускаемыми промышленностью облучателями.

Способ можно использовать для обработки объектов с большими и малыми габаритами, объектов бытового назначения, воздуха, воды и продуктов питания.

Изобретение основано на экспериментальных данных. Эксперименты проводились в нескольких направлениях.

Во-первых, изучалось влияние облучения КВЧ излучения и совокупности КВЧ излучения и УФ излучения на споры и мицелий ряда грибов-деструкторов промышленных и строительных материалов, а также на споры и вегетативные клетки ряда бактерий-деструкторов промышленных и строительных материалов.

Во-вторых, изучалось влияние облучения КВЧ излучения и совокупности КВЧ излучения и УФ излучения на микроорганизмы, находящиеся в воздухе.

В-третьих, изучалось влияние облучения КВЧ излучения и совокупности КВЧ излучения и УФ излучения на микроорганизмы, развивающиеся на продуктах питания.

При проведении экспериментов использовалось шумовое КВЧ излучение с частотами 20-95 ГГц и излучение с фиксированными частотами от 35 ГГц до 153 ГГц, излучение модулировалось импульсами с частотой повторения 0,1-20 Гц. Мощность излучения составляла 5-10 мкВт, поставленные эксперименты обеспечивали плотность потока мощности излучения, воздействующего на микроорганизмы не выше 10 мкВт/см², а ее минимальное значение соответствовало величине порядка 10^-4 мкВт/см². Плотность потока мощности определялась мощностью генератора, диаграммой направленности и геометрией экспериментов. В качестве источника УФ излучения использовался стандартный, выпускаемый промышленностью облучатель ОУФК-01 «Солнышко», формирующий излучение ~ 10⁶-10⁷ ГГц. Время облучения составляло от 20 минут до 12,5 часов. Эксперименты проводились при температуре окружающего воздуха 20±5°С, относительной влажности 80±5% и атмосферном давлении 84-106 кПа.

Эффективность заявляемого способа оценивалась по подавлению грамотрицательных бактерий Escherichia coli, грамположительных бактерий Staphylococcus aureus, грамположительных и спорообразующих бактерий Bacillus subtilis и Bacillus megaterium, активных деструкторов промышленных и строительных материалов грибов видов Aspergillus niger, Chaetomium globosum, Fusarium moniliforme и бактерии Bacillus subtilis и Bacillus megaterium, а также светлоокрашенных (Penicillium chrysogenum) и темноокрашенных (Alternaria alternata) микромицетов. Темноокрашенные микромицеты имеют повышенное содержание пигмента меланина, который, как предполагается, выполняет протекторную функцию при воздействии на них различных физических факторов, в том числе электромагнитным излучением.

Ингибирующий эффект (Т) излучения в процентах оценивался по сравнению количеств колониеобразующих единиц (КОЕ) в контроле и опыте на вторые (для грибов) и первые (для бактерий) сутки после воздействия на них электромагнитного излучения.

Величина AT рассчитывается по формуле

, где

t₀ – количество КОЕ в контроле; t₁ – количество КОЕ в опыте.

Проведенные эксперименты показали, что подавление КВЧ излучением жизнедеятельности спор грибов и бактерий наступает при облучении их в течение 20 минут и увеличивается с увеличением времени облучения. Оптимальным при практической реализации способа является время облучения, выбранное в интервале от 1 часа до 5 часов. За это время ингибирование роста микроорганизмов по отношению к контролю составляет 10-60%. При увеличении времени облучения до 10-12,5 часов эксперименты показали гибель всего объема микроорганизмов.

Ингибирующий эффект (T в процентах) при облучении спор грибов и бактерий КВЧ излучением мощностью 5 мкВт и плотностью потока мощности 10^-4-10^-3 мкВт/см² в течение 20 минут отражен в Таблице 1.

Таблица 1.
	Микроорганизмы	Частотный диапазон КВЧ излучения, ГГц
20-95	36	42	59	72	80	95
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.	Alternaria alternata (Fries) Keissler	16	8	2	0	0	0	0
2.	Penicillium chrysogenum Thorn	13	10	8	6	0	0	0
3.	Aspergillus niger van Tieghem	13	9	5	2	0	0	0
4.	Chaetomium globosum	14	11	7	3	0	0	0
5.	Fusarium monili-forme	15	8	4	4	0	0	0
6.	Bacillus subtilis	12	12	11	6	2	0	0
7.	Bacillus megaterium	10	7	6	2	1	0	0
8.	Escherichia coli	3	1	0	0	0	0	0
9.	Staphylococcus aureus	9	8	10	7	0	0	0

В Таблице 2 отражен ингибирующий эффект (T в процентах) при облучении спор грибов и бактерий КВЧ излучением мощностью 10 мкВт и плотностью потока мощности – 1,5 мкВт/см² в течение 2 часов.

Таблица 2.
	Микроорганизмы	Частотный диапазон КВЧ излучения, ГГц
20-95	36	42	59	72	80	95
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.	Alternaria alternata (Fries) Keissler	62	25	7	4	0	0	0
2.	Penicillium chrysogenum Thorn	50	45	26	19	2	0	0
3.	Aspergillus niger van Tieghem	52	34	12	5	1	0	0
4.	Chaetomium globosurn	53	42	24	17	4	0	0
5.	Fusarium monili-forme	55	38	18	13	5	0	0
6.	Bacillus subtilis	49	43	38	21	7	0	0
7.	Bacillus megaterium	42	30	26	12	9	0	0
8.	Escherichia coli	5	3	2	2	0	0	0
9.	Staphylococcus aureus	44	40	38	34	2	0	0

Ингибирующий эффект (Т в процентах) при одновременном облучении спор грибов и бактерий КВЧ излучением мощностью 8 мкВт (плотностью потока мощности ~10^-2 мкВт/см²) и УФ излучением в течение 20 минут отражен в Таблице 3.

Таблица 3.
	Микроорганизмы	Частотный диапазон КВЧ излучения, ГГц
20-95	36	42	59	72	80	95
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.	Alternaria alternata (Fries) Keissler	99	57	44	37	31	24	15
2.	Penicillium chrysogenum Thorn	84	78	59	53	32	12	9
3.	Aspergillus niger van Tieghem	82	64	48	39	36	20	17
4.	Chaetomium globosum	91	75	61	54	42	11	6
5.	Fusarium monili-forme	89	70	53	46	34	9	8
6.	Bacillus subtilis	85	77	71	52	43	10	7
7.	Bacillus megaterium	78	64	59	48	44	18	16
8.	Escherichia coli	41	34	31	27	13	11	7
9.	Staphylococcus aureus	76	74	70	67	38	16	12

Приведенные экспериментальные данные подтверждают ингибирующее воздействие КВЧ-излучения на развитие и рост микроорганизмов. Причем наиболее эффективным в инактивации спор грибов является шумовое излучение в диапазоне частот 20-78 ГГц и излучение на фиксированной частоте 31-36 ГГц. Отмечено, что излучение с частотой выше 95 ГГц практически не оказывает ингибирующего воздействия, а некоторое подавление жизнедеятельности микроорганизмов при совокупном воздействии КВЧ и УФ излучением можно объяснить действием только УФ излучения.

Проведенные эксперименты показали подавление жизнедеятельности вегетативных клеток спорообразующих бактерий Bacillus subtilis и Bacillus megaterium и торможение роста вегетативного мицелия микромицетов, развившихся из облученных спор.

Совместное воздействие КВЧ и УФ излучением для достижения того же эффекта, что и при воздействии только КВЧ излучением, позволяет сократить время облучения в ~8-10 раз.

Заявляемый способ может быть использован для создания стерилизующих устройств для промышленных и бытовых нужд, в том числе для обработки деталей строительных конструкций, воздуха в производственных и жилых помещениях, для обработки пищевых продуктов, для стерилизации различных деталей и поверхностей и т.д. Его можно применять для обработки деталей и санации воздуха в производстве интегральных микросхем, микрочипов, плат печатного монтажа. Способ является малозатратным и экологически безопасным.

Формула изобретения

1. Способ подавления микроорганизмов, основанный на облучении подлежащего обработке объекта электромагнитным излучением, отличающийся тем, что используют излучение КВЧ диапазона частотой 20-95 ГГц с плотностью потока мощности не более 10 мкВт/см², а время облучения объекта составляет не менее 20 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют электромагнитное излучение, модулированное импульсами с частотой повторения 0,1-20 Гц.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с облучением объекта КВЧ излучением его облучают излучением ультрафиолетового диапазона.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют излучение ультрафиолетового диапазона ~ 10⁶-10⁷ ГГц.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что его используют для обработки объектов с большими и малыми габаритами, объектов бытового назначения, воздуха, воды и продуктов питания.