В последнее время возник большой интерес к использованию ультрафиолетового излучения в качестве потенциального способа стерилизации защитного оборудования для повторного использования, например, такого как дорогостоящие маски типа «N95».
В этой статье я бы хотел описать сборку коробки для обеззараживания предметов ультрафиолетовым излучением и немного проанализировать методы ультрафиолетовой стерилизации.
Описание предмета статьи
Nuke Box – это коробка, созданная для стерилизации поверхностей предметов, помещенных в эту коробку. Прежде всего я имею ввиду медицинские маски, которых, похоже, не хватает везде. И хотя восстановленные маски не идеальны, но когда приходится выбирать между этим и отсутствием защиты вообще, то лучше иметь хоть что-то, чем ничего.
Stanford Medicine только что выпустила исследование методов стерилизации сухим горячим воздухом, паром и УФ-стерилизацией и как они влияют на производительность масок N95 простерилизованных такими методами.
Теория УФ-стерилизации
Обеззараживание ультрафиолетовым излучением — это способ повредить ДНК-патогенных микроорганизмов так, чтобы они потеряли способность к размножению и, следовательно, сделать их стерильными.
Вирусы особенно чувствительны к этому, потому что у них нет клеточных стенок или клеточной мембраны. Используя фотоны высокой энергии в диапазоне короткого ультрафиолета, можно повредить ДНК патогенных микроорганизмов.
Ультрафиолетовое излучение принято разделять на три диапазона длин волн.
Длинноволновое ультрафиолетовое излучение (UV-A) с длинной волны 315–400 нм многим знакомо по черным лампам на дискотеках, излучение которых делает сияющими в полумраке танцпола белые футболки, шнурки, браслеты, глаза и даже улыбки танцующих. Эти же лампы можно встретить в детекторах банкнот.
Средний ультрафиолет (UV-B c длиной волны 280–315 нм) — это то, что дает вам солнечный ожог и, в перспективе, рак кожи.
И наконец коротковолновый ультрафиолет (UV-C c длиной волны 100–280 нм) является бактерицидным и полностью поглощается озоновым слоем в нашей атмосфере, что также означает, что это излучение не встречается в окружающей нас природе. Мы можем получить этот ультрафиолет искусственным способом используя специальные лампы, содержащие ртуть, и современные светодиоды UV-C.
Держите эту информацию в голове, когда работаете с ультрафиолетовым излучением. Важно использовать средства защиты и прикрывать свое тело, глаза и любые открытые раны от ультрафиолетового излучения, поскольку оно может повредить ДНК в клетках человека (т.е. стать причиной рака).
Способность повреждать болезнетворные микроорганизмы не зависит от интенсивности УФ-лампы, а зависит от полученной ими дозы. Это накопительный эффект, очень похожий на радиацию, поэтому если вы достаточно долго облучаете поверхность, то можно сделать ее стерильной. Это также означает, что вы можете управлять скоростью стерилизации оборудования, поскольку увеличение интенсивности излучения увеличит мощность дозы, полученную патогенными микроорганизмами.
Доза измеряется в мкВт*с/см2 (микроватт секунда на квадратный сантиметр) или иногда используется мкДж /см2 (микроджоуль на квадратный сантиметр). Хотя необычные единицы измерения пугают, но формула для расчета дозы довольно проста:
Доза = (Интенсивность излучения в этой конкретной точке) х (время воздействия излучения)
Например, в моём случае я использую бактерицидную лампу мощностью 10 Вт с номинальной мощностью 2,7 Вт спектре УФ-излучения с длинной волны 254 нм. Это излучение в точке на расстоянии 7 см от лампы теоретически дает интенсивность в 1364 мкВт/см2. Вычисления будут чуть позже.
Источник
Обеззараживание ультрафиолетовым излучением достаточно простое в использовании. Вы берете коротковолновую ультрафиолетовую лампу и светите ею на поверхность, которую хотите обеззаразить.
На практике расчет интенсивности излучения в конкретной точке зависит от формы используемого источника излучения. Если мы сделаем некоторые очевидные допущения, расчет интенсивности может быть довольно простым. Допустим, что:
- Излучаемая источником света мощность равномерна по всей его поверхности.
- Расстояние ( r ) до точки, в которой рассчитывается интенсивность, очень мало по сравнению с длиной (L) источника излучения (при этом r << L).
Используя такие допущения, мы можем вычислить теоретическую интенсивность распределенную на цилиндрической поверхности на расстоянии r от ультрафиолетовой лампы.
Интенсивность = Общая мощность ультрафиолетового источника излучения) / (Площадь поверхности цилиндра)
Т.е.
Интенсивность = P / (2 * PI * r * L), где
P — излучаемая лампой мощность, L – длина лампы, r – расстояние до точки, где мы хотим измерить интенсивность.
Я попытался сделать красивый компьютерный чертеж, чтобы проиллюстрировать это, но разочаровался и вместо этого нарисовал его вручную как-то так:
Таким образом при условии идеальных условий, при использовании лампы длинною в 45 см, и которая излучает в ультрафиолете мощность 2,7 Вт, интенсивность составит 1364 мкВт/см2 в точке на расстоянии 7 см от лампы. Это фактические значения для данной конструкции. Далее мы можем использовать полученное значение интенсивности и рассчитать время, теоретически необходимое для стерилизации поверхности от конкретного вируса.
Возможно, вы заметили, что я упомянул, что, хотя я использую лампу мощностью 10 Вт, но ее мощность в коротком ультрафиолете составляет всего 2,7 Вт. Это одна из ключевых характеристик ламп, поскольку остальная мощность излучается в других спектральных диапазонах электромагнитного излучения — красивый синий свет, который мы можем видеть, и в виде тепла.
Конечно, наши допущения очень идеальны, и мы имеем дело с реальной системой. На концах лампы будут наблюдаться побочные эффекты, мощность излучения может быть распределена неравномерно, лампам потребуется время на прогрев и т. д. Следовательно, мы можем взять нашу идеальную модель стерилизатора и спроектировать её с таким запасом, чтобы наверняка чувствовать себя безопасно. Вот почему для нейтрализации SARS-CoV-2 требуется 3,67 секунды теоретически в идеальных условиях, а в практических медицинских исследованиях называются цифры от 300 секунд (5 минут) до 1800 секунд (30 минут). Любые ошибки будут трагичными, поэтому все исследователи очень осторожны в оценках необходимого времени стерилизации.
Прежде чем мы приступим к сборке Nuke Box, сделаем два заявления о:
• Сотрудничестве: было бы здорово поработать с лабораторией, которая может помочь экспериментально определить результат работы этой конструкции, особенно для Covid-19. Если вы можете помочь нам проверить полученные показатели стерилизации, особенно для коронавируса Covid-19, сообщите нам об этом. Мы хотели бы сотрудничать, чтобы подтвердить работоспособность этой конструкции, а также внести в неё улучшения.
• Ответственности: этот дизайн подпадает под действие закона доброго самаритянина (https://definitions.uslegal.com/g/good-samaritans/). Мы не можем взять на себя ответственность, если что-то пойдет не так с этой конструкцией. Это странные времена, и мы стараемся как можно быстрее освоить новые знания.
Сборка Nuke Box
Ниже будет пошагово описано как я построю стерилизационную коробку, в которой маски будут расположены на расстоянии не более 7 см от верхнего и нижнего источников ультрафиолетового излучения.
Прежде всего — это БЕЗОПАСНОСТЬ! Пожалуйста, закройте плотной одеждой открытые участки кожи вашего тела, любые имеющиеся повреждения вашей кожи и наденьте защитные очки от ультрафиолета. Также старайтесь не проводить слишком много времени в непосредственной близости от источников излучения, пока они включены.
В данной инструкции я буду использовать заводские ультрафиолетовые светильники (электронные пуско-регулирующие аппараты для розжига бактерицидных ламп могут отличаться большим током от светильников для стандартных ламп). Светильники могут быть легко приобретены и поставляются с необходимыми компонентами (балласт, стартер, размер лампы T8) и проводами. Я также буду использовать ультрафиолетовые бактерицидные лампы. В произведенных в Японии лампах это будет серия GL (в данном случае Toshiba GL-10), которая обозначает бактерицидную лампу и производится Panasonic, NEC и Toshiba. Они поставляются в номинальной мощности от 10 Вт до 40 Вт и в разных размерах. В США это будет серия TUV (Tubular UltraViolet) от Philips Lighting.
Это специальные ртутные люминесцентные лампы низкого давления. Подогреваемый катод за счёт термоэлектронной эмиссии электронов ионизирует атомы ртути, заставляя их испускать свет с различными частотами, одна из которых имеет длину 254 нм. Это очень близко к пику поглощения ДНК на длине волны 260 нм и энергии фотонов, которые сталкиваются с ДНК, повреждая ее и лишают болезнетворные микроорганизмы возможности размножаться.
Лампы также выделяют некоторое количество видимого света и тепла. Вот что придает им прохладное, кибер-панковское свечение…
Сборка стерилизационной коробки на самом деле будет довольно простой. Я возьму два сплошных пластиковых ящика и положу их друг на друга. Также я закреплю внутри проволочный корд и буду использовать канцелярские зажимы для бумаг из пружинной стали для фиксации масок на шнуре.
Я начинаю работу со сверления отверстий в одном из двух пластиковых ящиков с интервалом, который соответствует ширине маски N95, и которая составляет около 15 см.
Далее следует установить люминесцентные светильники внутри пластиковых ящиков. Я решил просверлить отверстие и отрезать кабель, чтобы я мог установить светильники внутри и оставить их выключатель снаружи. Я делал это в основном для собственного удобства и потому, что умею работать с электричеством и пайкой. По правде говоря, вам не нужно выполнять эту часть инструкции, и вы можете просто оставить кабели нетронутыми и вытащить их наружу через стык ящиков, чтобы вам не пришлось делать какие-либо обрезки или пайки проводов.
Я просверлил несколько отверстий в пластиковых ящиках и зафиксировал на месте флуоресцентные лампы гайками и болтами.
Затем протяните корд через просверленные отверстия, чтобы сделать своеобразные бельевые веревки для крепления внутри коробки стерилизуемых масок. Я сделал двойную бельевую веревку, потому что важно, чтобы маска была ориентирована так, чтобы лампы светили на неё сверху и снизу.
Второй светильник я прикрепил ко дну второго пластикового ящика. Здесь нет необходимости монтировать корд.
Теперь мы можем соединить два ящика, добавьте кухонный таймер и мы получили Nuke Box.
Я надеюсь, что это полезная инструкция. Я лично заинтересован в стерилизации масок для повторного использования. Мать и сестра моей жены — медсестры, работающие в больницах и клиниках в Мельбурне и Лондоне. В клинике моей свекрови нет достаточного количества масок, и, вероятно, то же самое происходит в Великобритании. Я надеюсь, что, если им в конечном итоге придется использовать повторно свои маски, то есть способ сделать это безопасным для них и их пациентов.
Улучшения
Вот некоторые из улучшений, которые я бы сделал:
Большей мощности лампы: это всего лишь прототип. Если бы мы хотели массово стерилизовать маски, мы бы использовали лампы мощностью 40 Вт. Стерилизатор сможет размещать больше масок и стерилизовать их быстрее.
Больше мощности излучения: мы также можем разместить несколько источников излучения сверху и снизу. Установив два источника излучения и один ряд масок, можно удвоить интенсивность облучения каждой маски. Это сократит время стерилизации вдвое.
Большая коробка: Я бы также попытался разместить как можно больше масок, не затеняя друг друга. Вот примерная схема с двумя рядами масок. Если что-то подобное будет применяться для массовой стерилизации, вам необходимо оптимизировать время и количество масок, которые можно стерилизовать в каждом цикле. Вот грубый пример того, как я тестировал вставку двух рядов масок в прототип Nuke Box. Вы можете поместить 6 масок в этот прототип.
Если вы сделали стерилизатор с полноразмерной люминесцентной лампой мощностью 40 Вт с несколькими лампами сверху и снизу, то вы могли обработать намного больше масок при каждом запуске цикла стерилизации.
Комментарий к статье от себя: я два года назад приобрел на Aliexpress такую УФ лампу
Она аналогична применяемым в этой конструкции, но в комплекте есть удобный таймер на 5,15,30, 60 минут с отложенным запуском. И светильник имеет возможность последовательно нарастить цепочку из нескольких таких ламп.
Также рекомендую недавнюю статью на Хабре Коронавирус 2019-nCoV. FAQ по защите органов дыхания и дезинфекции.
Примечательно, что для всех четырех протестированных классов вирусов для 99% инактивации потребовалась в 2 раза большая доза ультрафиолета, чем нужна была для достижения 90% инактивации. Кроме того установили, что воздушно-капельные вирусы с одноцепочечной нуклеиновой кислотой (РНК и ДНК) были более восприимчивы к инактивации ультрафиолетом, чем с двухцепочечными РНК и ДНК. Для всех протестированных вирусов при одинаковой степени инактивации доза ультрафиолета при относительной влажности 85% была выше, чем при относительной влажности 55%. Возможно это связано с тем, что сорбция воды на поверхности вируса обеспечивает защиту от вызываемого ультрафиолетом повреждения ДНК или РНК. Таким образом, данная статья — исчерпывающее руководство по подбору мощности домашнего ультрафиолета.
Автор: Javian
