Персональный пробоотборник биоаэрозолей на основе конического циклона с рециркулирующей жидкостной пленкой

 

А.Н. Варфоломеев¹, А.Д. Толчинский¹, В.И. Сигаев¹, Е.В. Звягина¹, Ю.-С. Ченг², Т. Брейзел²

 

¹ Федеральное государственное учреждение науки «Научно-исследовательский центр токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов» Федерального медико-биологического агентства (ФГУН НИЦ ТБП ФМБА) Россия, Московская область, г. Серпухов

² LRRI, Albuquerque, New Mexico, USA

 

Введение

Анализ видов современных персональных пробоотборников показывает, что в основном используются различные модификации фильтров, реже применяются импакторы, и т.п., использующие «сухие» способы улавливания аэрозоля. Многочисленные исследования биоаэрозолей с использованием различных пробоотборников показали, что жидкостные сорбционные приборы обладают рядом преимуществ перед другими, т.к. обеспечивая высокую эффективность улавливания аэрозольных частиц респирабельной фракции, позволяют создавать благоприятные условия для сохранения специфических биологических свойств микроорганизмов при отборе проб. Улавливание аэрозольных частиц в этих устройствах происходит на поверхности жидкостной пленки, образующейся либо за счет раскручивания жидкости на внутренней поверхности циклона входным тангенциальным потоком воздуха [2], либо за счёт вращения с высокой скоростью чаши с сорбирующей жидкостью [1]. Обычное аспирационное потребление воздуха для персональных пробоотборников составляет 4 – 10 литров в минуту.

Ранее, нами был предложен пробоотборник биоаэрозолей для детекции микроорганизмов в воздухе типа цилиндрического циклона с рециркулирующей жидкостной пленкой, обладающего рядом преимуществ перед конструкциями других жидкостных пробоотборников [3]. Одним из основных недостатков данного пробоотборника является недостаточно высокая эффективность улавливания аэрозольных частиц менее 2 мкм, т.к. их осаждение осуществляется только за счет действия центробежных сил.

 

Методы

Целью наших исследований являлась разработка персонального пробоотборника биоаэрозолей для контроля бактериальной обсемененности воздуха рабочей зоны, обладающего высокой эффективностью улавливания высокодисперсного аэрозоля и максимальной сохраняемостью биологических свойств контролируемых микроорганизмов.

В пробоотборнике, Рис.1,  вход воздушного потока в цилиндрическую вихревую камеру 4 осуществляется с помощью тангенциального входного сопла 2, а циклон 5 выполнен в виде открытого  сужающегося конуса с горизонтальной продольной осью. Во внутреннем канале входного сопла 2 размещен эжектор 3.    Выполнение циклона в форме усечённого конуса позволяет при движении вихревого воздушного потока вдоль оси циклона повысить тангенциальную составляющую его скорости за счет сужения текущего диаметра циклона. Кроме того, такая конструкция позволяет увеличить число оборотов воздушного вихря и жидкостной пленки внутри прибора  и, следовательно, улучшить процесс улавливания аэрозольных частиц.

 

 

Рис. 1.  Персональный аэрозольный пробоотборник (а - структура прибора, б - внешний вид).

 

Наличие эжектора 3 приводит к тому, что часть сорбирующей жидкости поступает из картриджа 7 и диспергируется в виде мелкокапельного аэрозоля. Взаимодействие входного потока воздуха с аэрозольными частицами и мелкокапельного аэрозоля сорбирующей жидкости  приводит к укрупнению аэрозольных частиц, что повышает эффективность их улавливания при прохождении вихревой камеры 4 и циклона 5.  При этом горизонтальное расположение циклона способствует тому, что высокая эффективность улавливания и низкое аэродинамическое сопротивление обеспечивается при более низких расходах воздуха через прибор. В процессе работы прибора переливающаяся через верхний край циклона жидкость собирается чашеобразным сборником 6, поступает в картридж 7 и, затем, снова в эжектор 3. По окончании заданного времени работы прибора картридж 7 с пробой легко снимается и заменяется новым, содержащим  чистую сорбирующую жидкость. Разработанный персональный пробоотборник имеет объемную скорость отбора проб воздуха 9 л/мин, небольшое  аэродинамическое сопротивление и вес.

Испытания эффективности улавливания аэрозольных частиц различного размера  разработанным персональным пробоотборником проводились в динамической аэрозольной камере с использованием латексных микросфер диаметром 0,5-3,0 мкм (Duke Scientific Inc.). Для оценки сохраняемости биологических свойств микроорганизмов при отборе проб с помощью прибора использовались аэрозоли вегетативных клеток E. coli и спор B. thuringiensis в концентрациях 10⁶ клеток/м³. В качестве референс-пробоотборника применялся импинжер AGI-4 (Ace Glass Inc.). Определение концентраций микроорганизмов в исходных суспензиях и пробах аэрозоля осуществлялся путем высева аликвот на чашки Петри с плотной питательной средой и подсчета выросших колоний.

 

Результаты и обсуждение

Основные технические характеристики разработанного персонального пробоотборника приведены в табл. 1

Таблица 1. Основные технические  характеристики пробоотборника

 

Экспериментальные данные по определению эффективности улавливания пробоотборником частиц аэрозоля различного размера представлены на рис. 2.

 

 

Рисунок 2. Эффективность улавливания латексных микросфер PSL двумя образцами персонального пробоотборника.

 

Показано, что 50%-ая эффективность улавливания (cut point) аэрозоля наблюдалась для частиц размером 0.7 - 0,8 мкм. При этом, независимые испытания образцов пробоотборника, проведенные в НИЦ ТБП (Серпухов, Россия) и LRRI (Альбукерке, США) показали близкие результаты.

Выживаемость как вегетативных клеток E. сoli, так  и спор B. thuringiensis в пробоотборнике сопоставима и несколько выше, чем в референс-пробоотборнике импинжере AGI-4, Табл. 2.

 

Таблица 2. Выживаемость вегетативных клеток E. сoli и спор B. thuringiensis в аэрозоле

 

 

 

 

 

Выводы

Разработан оригинальный персональный пробоотборник биоаэрозолей, обладающий высокой эффективностью улавливания аэрозольных частиц и сохраняемостью вегетативных и споровых форм микроорганизмов при отборе проб. На устройство персонального пробоотборника подана заявка на патент России с приоритетом от сентября 2005 года.

 

Ключевые слова: биоаэрозоли, персональный пробоотборник, эффективность улавливания, выживаемость микроорганизмов.

 

Литература

1. Оленин О.Д. и др. (1977). Прибор для контроля аэрозольной вакцинации. Авторское свидетельство № 578600. Опубл. в Бюллетене «Авторские свидетельства, патенты, открытия, товарные знаки»  № 40.
2. Gorner, P., Fabries, J-F. et al. (2005). Bioaerosol sampling by a personal rotation cup sampler CIP 10-M. J. of Envir. Monitor. 8: p. 43-48.
3. Sigaev, G. I., Tolchinsky, A. D., Sigaev, V. I., Soloviev, K. G., Varfolomeev, A. N., and Chen, B. T. (200). Development of a cyclone-based aerosol sampler with recirculating liquid film: theory and experiment. Aerosol. Sci. Tech. 40: pp. 293-308

 

Работа была проведена при выполнении партнерского проекта МНТЦ №1487р при финансовой поддержке фонда DTRA, США.