Система генерации химически активного газа и способ обработки продукта с использованием химически активного газа - RU2724046C2
Код документа: RU2724046C2
Чертежи
Описание
Уровень техники
[01] Биологическая деконтаминация и стерилизация имеют широкий спектр приложений, включая стерилизацию медицинского оборудования и устройств, производство и консервирование пищевых продуктов и подготовку потребительских товаров. В настоящее время для стерилизации используются химические реагенты, нагрев, высокоэнергетические электронные пучки и системы рентгеновского или гамма-облучения. Каждая из этих систем имеет свои достоинства и недостатки, связанные с затратами, эффективностью, невозможностью перемещения, потреблением электроэнергии, токсичными отходами, опасностью для персонала и временем, необходимым для стерилизации или деконтаминации.
[02] Для деконтаминации и стерилизации используют различные виды плазмы. Плазма, т.е. четвертое состояние вещества, отличное от газа, жидкости и твердого тела, может быть получена с помощью электрического разряда, например, электрического разряда в газе. Хотя все виды плазмы содержат электроны, ионы и нейтральные частицы, они будут иметь различные свойства в зависимости от состава газа, используемого для получения плазмы, а также от электрической и структурной конфигурации устройства, используемого для получения плазмы.
[03] Один из типов плазмы представляет собой высоковольтную холодную плазму (HVCP), которая может быть получена с использованием систем с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD). HVCP может быть получена с использованием неравновесного пробоя газа, при использовании напряжения предпочтительно от 30 кВ до 500 кВ, как правило, при частоте 50 или 60 Гц, с помощью системы DBD. HVCP не исследована так же хорошо, как другие типы плазмы, такие как термическая плазма или высокочастотная (ВЧ) плазма. Как следствие, в настоящее время нет теории, которая объясняет свойства этих видов плазмы или различных возбужденных и химически активных частиц, образующихся в такой плазме. В течение последнего десятилетия осуществляют экспериментальные исследования HVCP для изучения этой плазмы.
[04] Исследуют прямое воздействие HVCP на материалы. Особую важность имеют исследования, в которых воздействуют HVCP на биологические продукты и контаминанты, где биологические продукты герметизируются внутри упаковок и HVCP образуется внутри упаковки. При таких исследованиях упакованные пищевые продукты, такие как овощи и фрукты, и другие материалы стерилизуются за короткий период времени. Продукт внутри упаковок вступает в прямой контакт с плазмой. Поскольку упаковки герметичны, химически активный газ, образующийся в плазме, остается в контакте с продуктом неопределенное время, не разбавляется и не диспергируется, а упакованный продукт защищен от повторной контаминации, это сильно продлевает время хранения продуктов в упаковке, например, фруктов и овощей. См., например, публикации патентов США №№ 2013/0189156 и 2014/0044595, Keener et al.
Сущность изобретения
[05] В первом аспекте настоящее изобретение представляет собой способ обработки продукта с помощью химически активного газа, включающий получение химически активного газа посредством формирования высоковольтной холодной плазмы (HVCP) из рабочего газа; транспортировку химически активного газа, по меньшей мере, на 5 см от HVCP; с последующим приведением в контакт продукта с химически активным газом. HVCP не вступает в контакт с продуктом.
[06] Во втором аспекте настоящее изобретение представляет собой способ уменьшения количества микотоксинов на зерне, включающий получение химически активного газа посредством формирования высоковольтной холодной плазмы (HVCP) из рабочего газа; транспортировку химически активного газа, по меньшей мере, на 3 метра от HVCP; с последующим приведением в контакт зерна с химически активным газом.
[07] В третьем аспекте настоящее изобретение представляет собой способ медицинской стерилизации поверхности, включающий получение химически активного газа посредством формирования высоковольтной холодной плазмы (HVCP) из рабочего газа; и приведение в контакт поверхности с химически активным газом. HVCP не вступает в контакт с поверхностью, и поверхность представляет собой поверхность в замкнутом пространстве, или оборудование в замкнутом пространстве, где замкнутое пространство имеет объем, по меньшей мере, 8 кубических метров.
[08] В четвертом аспекте настоящее изобретение представляет собой способ обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа, включающий создание контейнера, содержащего сохраненный химически активный газ, полученный посредством формирования высоковольтной холодной плазмы (HVCP) из рабочего газа; и приведение в контакт продукта или поверхности с химически активным газом. Химически активный газ содержит, по меньшей мере, один вид химически активных или возбужденных частиц иной чем озон.
[09] В пятом аспекте настоящее изобретение представляет собой систему обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа, содержащую (1) систему диэлектрического барьерного разряда (DBD) и (2) камеру для обработки, соединенную по текучей среде с системой DBD. Камера для обработки имеет объем, по меньшей мере, 1 кубический метр.
[10] Определения
[11] Весь ток, описанный в настоящем документе, представляет собой переменный ток, описываемый как среднеквадратичное значение (RMS) напряжения в вольтах (В) и киловольтах (кВ). Проценты (%) состава газа представляют собой объемные проценты.
[12] Холодная плазма относится к плазме, которая имеет температуру самое большее на 40°C выше температуры газа, используемого для получения плазмы (то есть, рабочего газа), более предпочтительно, температуру самое большее на 20°C выше температуры газа, используемого для получения плазмы.
[13] Высоковольтная холодная плазма (HVCP) означает холодную плазму, полученную с использованием системы диэлектрического барьерного разряда (DBD), с использованием напряжений самое большее 500 кВ, с частотой самое большее 1000 Гц, полученную из газа, имеющего давление от 10 до 50000 Торр, например, 760 Торр (атмосферное давление). HVCP - это не термическая плазма, не микроволновая плазма и не высокочастотная (ВЧ) плазма. Плазму HVCP получают в условиях неравновесного пробоя.
[14] Химически активный газ означает газ, полученный посредством HVCP, содержащий возбужденные и химически активные частицы, но не те частицы, которые диссипируют через 0,2 секунды или меньше. Состав химически активного газа будет изменяться со временем, поскольку возбужденные частицы диссипируют, и имеют место химические реакции в химически активном газе. Химически активный газ представляет собой газ, который может перемещаться на некоторое расстояние от системы DBD, которая производит HVCP. Считается, что химически активные частицы или возбужденные частицы присутствуют в химически активном газе, если их можно детектировать с использованием спектроскопии.
[15] Система с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD) или система DBD, означает систему, имеющую, по меньшей мере, два электрода, разделенных диэлектрическим барьером, и она может иметь больше электродов, где диэлектрический барьер присутствует между каждой парой электродов, предотвращая попадание на электроды заряда, генерируемого в газе посредством разряда. Самое короткое расстояние между соседними электродами в системе DBD предпочтительно составляет самое большее 30 см (или 12 дюймов), а предпочтительно, оно составляет, по меньшей мере, 0,5 см (или 0,25 дюйма). Предпочтительно, системы DBD конфигурируются для работы при условиях, соответствующих получению HVCP. Примеры систем DBD иллюстрируются на Фиг.1A, 1B, 1C, 1D, 1E и 1F; предпочтительно, электроды расположены на некотором расстоянии друг от друга с зазором или пленумным пространством непосредственно между электродами, как иллюстрируется на Фиг.1A, 1B, 1C и 1F.
[16] Рабочий газ и смесь рабочих газов относится к газу, который используется для формирования плазмы.
[17] «Упаковка» означает контейнер, имеющий объем самое большее 6 галлонов (или 22,7 литра).
[18] «Герметизованный» или «по существу герметизованный» означает, что газы внутри упаковки или контейнера остаются внутри и не вытекают или не диффундируют из упаковки или контейнера в течение, по меньшей мере, 24 часов, если его оставить в покое.
[19] Стерилизация или стерилизованный означает медицинскую стерилизацию или стерилизованный для медицинского применения, что означает воздействие (или воздействие в прошлом) обработки, достаточной для уменьшения количества жизнеспособных спор Bacillus atrophaeus на продукте, или на поверхности, или в них до не более чем 1×10-6 от количества спор, присутствовавших до обработки, если такие споры присутствовали.
[20] Стерилизация для консервирования или стерилизованный для консервирования, означает воздействие (или воздействие в прошлом) обработки, достаточной для уменьшения количества жизнеспособных спор Clostridium botulinum на продукте или на поверхности, или в них до не более чем 1×10-12 от количества спор, присутствовавших до обработки, если такие споры присутствовали.
[21] «Пастеризованный относительно E. Coli» означает воздействие (или воздействие в прошлом) обработки достаточной для уменьшения количества жизнеспособных Escherichia coli O157:H7 на продукте или на поверхности, или в них до не более чем 1×10-5 от количества бактерий, присутствовавших до обработки, если такие бактерии присутствовали.
[22] «Пастеризованный относительно Listeria» означает воздействие (или воздействие в прошлом) обработки достаточной для уменьшения количества жизнеспособных Listeria monocytogenes на продукте или на поверхности, или в них до не более чем 1×10-5 от количества бактерий, присутствовавших до обработки, если такие бактерии присутствовали.
[23] «Пастеризованный относительно Salmonella» означает воздействие (или воздействие в прошлом) обработки достаточной для уменьшения количества жизнеспособных Salmonella enterica subsp. enterica serovar enteritidis на продукте или на поверхности, или в них до не более чем 1×10-5 от количества бактерий, присутствовавших до обработки, если такие бактерии присутствовали.
[24] Фраза ʺсодержит слишком много микотоксина для использования в качестве пищевого продукта для людей согласно стандартам СШАʺ означает, что упоминаемый продукт содержит более 20 миллиардных долей (ppb) афлатоксинов, более 1000 ppb дезоксиниваленола и/или более 200 ppb фумонизинов, в то время как фраза ʺявляется пригодным для использования в качестве пищевого продукта для людей согласно стандартам СШАʺ означает, что упоминаемый продукт содержит самое большее 20 ppb афлатоксинов, самое большее 1000 ppb дезоксиниваленола и самое большее 200 ppb фумонизинов.
[25] Фраза ʺсодержит слишком много микотоксина для использования в качестве пищевого продукта для людей согласно стандартам ЕСʺ означает, что упоминаемый продукт содержит более 2 ppb афлатоксина B1, более 4 ppb афлатоксинов, в целом, более 750 ppb дезоксиниваленола, более 1000 ppb фумонизинов и/или более 75 ppb зеараленона, в то время как фраза ʺявляется пригодным для использования в качестве пищевого продукта для людей согласно стандартам ЕСʺ означает, что упоминаемый продукт содержит самое большее 2 ppb афлатоксина B1, самое большее 4 ppb афлатоксинов, в целом, самое большее 750 ppb дезоксиниваленола, самое большее 1000 ppb фумонизинов и самое большее 75 ppb зеараленона.
[26] Фраза ʺсодержит слишком много микотоксина для использования в качестве корма для животных согласно стандартам СШАʺ означает, что упоминаемый продукт содержит более 20 ppb афлатоксинов, более 5000 ppb дезоксиниваленола, более 5000 ppb фумонизинов и/или более 1000 ppb зеараленона, в то время как фраза ʺявляется пригодным для использования в качестве корма для животных согласно стандартам СШАʺ означает, что упоминаемый продукт содержит самое большее 20 ppb афлатоксинов, самое большее 5000 ppb дезоксиниваленола, самое большее 5000 ppb фумонизинов и самое большее 1000 ppb зеараленона.
[27] Фраза ʺсодержит слишком много микотоксина для использования в качестве корма для животных согласно стандартам ЕСʺ означает, что упоминаемый продукт содержит более 10 ppb афлатоксины, более 1750 ppb дезоксиниваленола, более 4000 ppb фумонизинов и/или более 100 ppb зеараленона, в то время как фраза ʺявляется пригодным для использования в качестве корма для животных согласно стандартам ЕСʺ означает, что упоминаемый продукт содержит самое большее 10 ppb афлатоксинов, самое большее 1750 ppb дезоксиниваленола, самое большее 4000 ppb фумонизинов и самое большее 100 ppb зеараленона.
Краткое описание чертежей
[28] Следующие далее фигуры приводятся, чтобы помочь в иллюстрации продуктов, устройств и способов заявки, но возможны и другие варианты и конфигурации. Фигуры не изображены в масштабе, при этом размер некоторых деталей увеличивается или уменьшается для ясности.
[29] Фиг.1A, 1B, 1C, 1D, 1E и 1F представляют собой схематические иллюстрации различных систем DBD.
[30] Фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию системы для обработки с помощью химически активного газа для непрерывной обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа.
[31] Фиг.3 представляет собой схематическую иллюстрацию системы для обработки с помощью химически активного газа для загрузочной обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа.
[32] Фиг.4 представляет собой схематическую иллюстрацию системы для обработки с помощью химически активного газа для обработки оборудования и/или поверхности с замкнутым пространством.
Подробное описание
[33] Настоящее изобретение использует химически активный газ, полученный с помощью HVCP. Химически активный газ может стерилизовать или пастеризовать поверхности, даже при транспортировке на значительное расстояние от системы DBD, где образуется плазма, например, на 3-30 метров (или 10-100 футов). Кроме того, химически активный газ может разрушать некоторые органические и биологические материалы, такие как микотоксины. Это является совершенно неожиданным, поскольку в отличие от HVCP, образующейся в упаковке, нет прямого экспонирования продукта для HVCP, время контакта химически активного газа с продуктом является ограниченным, например, 1 секундой, 1 минутой, 30 минутами или одним часом. Кроме того, поскольку химически активный газ транспортируется от системы DBD, где образуется HVCP, он как разбавляется как посредством диффузии в окружающий газ, так и посредством смешивания с окружающим газом и/или рабочим газом. Поскольку химически активный газ транспортируется от системы DBD, гораздо большие объемы продукта могут экспонироваться для химически активного газа, в загрузочных способах или непрерывных способах. В дополнение к этому, может также осуществляться крупномасштабная дезинфекция, такая как дезинфекция хирургического блока.
[34] Фиг.1A, 1B, 1C, 1D, 1E и 1F представляют собой схематические иллюстрации различных систем DBD, которые можно использовать для получения HVCP, которая производит химически активный газ. Система DBD включает источник высокого напряжения, 10, имеющий заземление, которая генерирует переменный ток, первый электрод, 20, второй электрод, 30 и промежуточный диэлектрик, 40. Между первым и вторым электродом также могут присутствовать один или несколько дополнительных промежуточных диэлектриков, 60. В некоторых конфигурациях диэлектрик может окружать первый и/или второй электрод. В некоторых конфигурациях, аккумуляция заряда на электродах, в сочетании с формой импульса напряжения, может использоваться для оценки потребления энергии системы DBD, и может измеряться посредством определения напряжения, проявляющегося на обычном конденсаторе или на другом сенсоре, 70. Предпочтительно присутствует пленумное пространство, 50, которое определяет пространство между электродами, где образуется HVCP и химически активный газ, как показано на Фиг.1A, 1B, 1C и 1F. Однако HVCP и химически активный газ могут также образовываться вблизи диэлектриков, даже когда явное пленумное пространство в системе DBD не присутствует, например, как иллюстрируется на Фиг.1D и 1E. В некоторых конфигурациях, множество электродов, например, 3-10 электродов, 4-8 электродов или 5-7 электродов, с одним или несколькими промежуточными диэлектриками между каждой парой соседних электродов и, необязательно, с формированием множества пленумных пространств, могут использоваться, как иллюстрируется на Фиг.1F (где рамка, 80, может использоваться для удерживания каждой сборки электрод-диэлектрик (например, 40, 20 и 40) для определения каждого пленумного пространства (50)); такая система делает возможным получение большего количества HVCP и следовательно, получение химически активного газа, поддерживая при этом соответствующее расстояние между электродами и сохраняя систему компактной. Конфигурация системы DBD дает в результате ограничение тока любого нитевидного разряда, который формируется между электродами, таким образом, чтобы предотвратить формирование высокоамперной дуги. При предпочтительном расположении, первый электрод полностью заключен в диэлектрик, а второй электрод заземлен.
[35] Электроды могут формироваться из любого проводящего материала, такого как металл. Диэлектрики могут формироваться из любого изолирующего материала (диэлектрического материала), такого как керамика, стекло, органические материалы или пластики, включая множество слоев различных композиций. Толщина диэлектриков или различных слоев диэлектрика должна выбираться для ограничения тока любого нитевидного разряда, который может формироваться между электродами. Выбор материалов для диэлектрических слоев может оказывать воздействие на композицию химически активного газа.
[36] Расстояние между соседними электродами, когда электроды параллельны, или кратчайшее расстояние между соседними электроды, когда электроды не параллельны, предпочтительно составляет самое большее 30 см (или 12 дюймов), а предпочтительно составляет, по меньшей мере, 0,5 см (или 0,25 дюйма), например, 1-10 см или 2,5-6 см (или 1-2 дюйма), включая 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 см. Источник высокого напряжения производит напряжение самое большее 500 кВ, более предпочтительно, от 30 кВ до 150 кВ, включая 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 100, 110, 120, 130 и 140 кВ; имеющее частоту самое большее 1000 Гц, более предпочтительно, от 10 до 100 Гц, например, от 50 до 60 Гц. Также можно использовать изменяющуюся по времени (то есть, импульсную) энергию постоянного тока. В то время как частота выбирается главным образом для удобства (например, энергия переменного тока 50 или 60 Гц доступна от муниципальной электрической сети), напряжение выбирается для обеспечения получения HVCP.
[37] Различный выбор рабочих газов и смесей рабочих газов будет влиять на частицы, присутствующие в химически активном газе, полученном с помощью HVCP. Примеры газов, которые можно использовать для получения HVCP, включают кислород (O2); азот (N2); пары воды (H2O); инертные и благородные газы, такие как гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), и гексафторид серы (SF6); водород (H2); диоксид углерода (CO2) и монооксид углерода (CO); галогены и псевдогалогены, такие как фтор (F2), хлор (Cl2), бром (Br2) и цианоген ((CN)2); кислотные газы, такие как сернистый водород (H2S), фтористый водород (HF), хлористый водород (HCl) и карбонилсульфид (COS); аммиак (NH3); гидразин (H4N2); трифторид азота (NF3); диоксид хлора (ClO2); углеводороды, такие как метан (CH4), этан (C2H6) и ацетилен (H2C2); спирты, такие как метанол (CH3OH) и этанол (C2H5OH); и их смеси. Предпочтительные газы включают воздух и MA65 (смесь 65% O2, 30% CO2 и 5% N2). Повышение количества паров воды в газе можно использовать для уменьшения количества озона, присутствующего в химически активном газе. Увеличение количества благородного газа, такого как гелий, можно использовать для уменьшения напряжения, необходимого для получения HVCP. Давление газа, используемого для получения HVCP, удобно выбирать как давление окружающей среды или атмосферное давление, но можно использовать и другие давления, например, 10-50000 Торр, более предпочтительно, 100-1000 Торр, например, 760 Торр (атмосферное давление).
[38] Химически активный газ содержит разнообразные химически активные и возбужденные частицы, и химически активный газ всегда содержит, по меньшей мере, один (а как правило, несколько) вид химически активных и/или возбужденных частиц, которые не присутствуют в рабочем газе. Когда рабочий газ содержит кислород (например, O2, CO2 и/или H2O), может образовываться озон; однако свойства и реакции химически активного газа не объясняются присутствием только одного озона и химически активный газ всегда содержит другие химически активные и возбужденные частицы в дополнение к какому-либо озону (который может присутствовать или не присутствовать в химически активном газе). В дополнение к озону, другие химически активные и возбужденные частицы, которые могут присутствовать в химически активном газе, включают: синглетный кислород (1O2) и другие возбужденные молекулярные частицы (как колебательно возбужденные молекулы, так и электронно возбужденные атомы и/или молекулы, такие как O2, H2, N2, CO, CO2, H2O, He, Ne, Ar, Kr и Xe), гидроксильный радикал (HO•), оксиды азота (такие как N2O, NO, NO2, NO3, N2O3,N2O4 и N2O5), перекись водорода (H2O2), гидропероксил (HO2), частицы HNOx (такие как HNO4, HNO3 и HNO), атомные радикалы (такие как O, F, Cl, N и H) и молекулярные радикалы (такие как углеводородные радикалы, которые также могут содержать один или несколько атомов из кислорода, азота, фтора и хлора). Предпочтительно, химически активный газ содержит, по меньшей мере, один дополнительный вид химически активных и/или возбужденных частиц в дополнение к озону и NO2 (или N2O4) (который может присутствовать или может не присутствовать). В отличие от HVCP, химически активный газ не является плазмой и не содержит свободных электронов. Предпочтительно, химически активный газ содержит, по меньшей мере, 2 вида различных химически активных и/или возбужденных частиц, перечисленных выше, более предпочтительно, по меньшей мере, 3 вида различных химически активных и/или возбужденных частиц, перечисленных выше, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 4 вида различных химически активных и/или возбужденных частиц, перечисленных выше, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 5 видов различных химически активных и/или возбужденных частиц, перечисленных выше, включая 2-10 или 3-8 или 4-6 видов различных химически активных и/или возбужденных частиц, перечисленных выше.
[39] Можно также улавливать и хранить химически активный газ в контейнере для последующего использования. Предпочтительно, сохраненный химически активный газ используется для обработки продукта или поверхности в пределах 24 часов после получения, более предпочтительно, в пределах 12 часов, наиболее предпочтительно, в пределах 6, еще более предпочтительно, в пределах 3 часов.
[40] Химически активный газ может также улавливаться и храниться посредством охлаждения до исключительно низких температуры, например, используя жидкий азот в качестве хладагента или используя жидкий гелий в качестве хладагента. Когда он улавливается и хранится при таких низких температурах, химически активный газ может храниться в течение продолжительных периодов времени, например, от 1 дня до 6 недель, а возможно, и дольше. Можно использовать контейнеры, такие как стеклянные или металлические контейнеры, используемые для хранения других сжиженных или отвержденных газов.
[41] Система для обработки с помощью химически активного газа содержит либо систему DBD, либо сохраненный химически активный газ и камеру для обработки. Система для обработки с помощью химически активного газа также содержит устройство, механизм или конфигурацию для перемещения химически активного газа от системы DBD (которая производит HVCP, которая, в свою очередь, производит химически активный газ) или из контейнера, содержащего сохраненный химически активный газ, и в камеру для обработки или через нее; она может находиться в сообщении текучих сред между системой DBD и камерой обработки. Предпочтительно, камера для обработки негерметична; такая негерметичная камера содержала бы камеру для обработки с выходом для газа. Предпочтительно, камера для обработки имеет объем, по меньшей мере, 28 литров (или 1 кубический фут), более предпочтительно, объем, по меньшей мере, 1 кубический метр, а еще более предпочтительно, по меньшей мере, 8 кубических метров. Примеры камеры обработки включают комнаты, хранилища, зерносушилки, бункеры, танки и транспортные контейнеры.
[42] Система с химически активным газом может использоваться для осуществления способа обработки продукта и/или поверхности посредством подачи химически активного газа (либо из сохраненного химически активного газа, либо посредством генерирования HVCP с использованием системы DBD) и распределение химически активного газа в камере для обработки или через нее. Примеры устройства, механизма или конфигурации для перемещения химически активного газа включают конвекцию, газовые магистрали или газовые линии, вентилятор, и подачу текучего рабочего газа или рабочего газа под давлением в систему DBD. Предпочтительно, продукт или поверхность, обрабатываемая с помощью химически активного газа, не нагревается (то есть, ее температура не повышается) посредством способа обработки больше, чем на 40°C, более предпочтительно, повышается не больше, чем на 20°C, еще более предпочтительно, не больше, чем на 10°C, а наиболее предпочтительно, не больше, чем на 5°C, так что не происходит нагрева продукта или поверхности. Обработка с помощью химически активного газа представляет собой нетермический способ обработки. Предпочтительно, продукты или поверхности не экспонируются для излучения (например, УФ света), производимого HVCP в ходе способа. Необязательно, можно использовать воздух, рабочий газ или другой газ (такой как благородный газ или азот) для удаления продувкой химически активного газа из камеры для обработки, или же камера для обработки может откачиваться. Способ может необязательно повторяться 1, 2, 3 или более раз для обеспечения многократной обработки продуктов или поверхностей. Необязательно, продукт может герметизироваться в контейнере и/или охлаждаться после обработки с помощью химически активного газа. Предпочтительно, продукт, который должен обрабатываться, не заключается в герметичный или, по существу, герметичный контейнер, такой контейнер имеет объем самое большее 10 галлонов (38 литров), или самое большее 6 галлонов (23 литра), в ходе обработки. Предпочтительно, HVCP не образуется внутри герметичного контейнера, такого как контейнер, имеющий объем самое большее 10 галлонов (38 литров), или самое большее 6 галлонов (23 литра).
[43] Химически активный газ, полученный посредством HVCP, транспортируется от места получения HVCP (для предотвращения непосредственного экспонирования продукта или поверхности для HVCP) посредством диффузии или транспортировки газа. Предпочтительно, расстояние между плазмой и продуктом или поверхностью, которая должна обрабатываться, представляет собой, по меньшей мере, расстояние 5 см, например, по меньшей мере, 10 см, по меньшей мере, 50 см, и по меньшей мере, 1 метр (или 3,28 фута), более предпочтительно, по меньшей мере, 3 метра, например, 3-300 метров, включая 5, 10, 20, 30, 40 и 50 метров. В большинстве конфигураций, химически активный газ получает возможность для протекания то время, когда он находится в контакте с продуктом или поверхностью, которая должна обрабатываться, хотя можно также производить химически активный газ и транспортировать его на место для обработки продукта или поверхности, и ограничивать газ в положении обработки в течение некоторого периода времени. Примеры скоростей потока для транспортировки химически активного газа в положение для контакта с продуктом или поверхностью включают 10-3000 метр/минута, 30-2500 метров в минуту и 1000-2000 метр/минута, например, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 750 и 1500 метр/минута. Химически активный газ получает возможность для вступления в контакт с продуктом или поверхностью в течение, по меньшей мере, 1 секунды, например, по меньшей мере, 2 секунд, по меньшей мере, 10 секунд, по меньшей мере, 30 секунд, по меньшей мере, 1 минуты, по меньшей мере, 10 минут, по меньшей мере, 30 минут, по меньшей мере, 35 минут, по меньшей мере, 1 часа, по меньшей мере, 6 часов, или по меньшей мере, 12 часов. Примеры времени контакта включают от 1 секунды до 12 часов, от 10 секунд до 1 часа, от 1 минуты до 35 минут, включая 5 секунд, 15 секунд, 2 минуты, 5 минут, 20 минут, 35 минут, 40 минут, 2 часа, 3 часа, 4 часа и 5 часов.
[44] Фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию системы для обработки с помощью химически активного газа, 200, для непрерывной обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа. Система включает систему DBD, 206, для генерирования HVCP с получением химически активного газа, 210. Химически активный газ протекает вдоль газовой магистрали, 208, в камеру для обработки, 216, а затем вытекает из выхода для газа, 222. Продукт, 214, который должен обрабатываться или который имеет поверхность, которая должна обрабатываться, может храниться в лотке, 212, и он вводится в камеру для обработки, и на конвейер, 218, который перемещает продукт через камеру для обработки и в приемный бункер, 220, для удерживания продукта после того, как он вступает в контакт с химически активным газом. Также иллюстрируется источник газа, 202, такой как газовый танк, который обеспечивает рабочий газ, из которого формируется HVCP, и газовая линия, 204, которая питает систему DBD рабочим газом. Химически активный газ может разбавляться дополнительным рабочим газом, когда он протекает через систему. Транспорт химически активного газа из системы DBD в камеру для обработки осуществляется посредством разности давлений между системой DBD (при более высоком давлении из-за введения рабочего газа) и камерой обработки (при более низком давлении из-за выхода газа). Необязательно, выход для газа может соединяться обратно с системой DBD с помощью второй газовой линии, делая возможным рециклирование рабочего газа и любого оставшегося химически активного газа. Необязательно, система DBD может располагаться внутри камеры для обработки, устраняя необходимость в газовой магистрали. В одном из вариантов, рабочий газ может представлять собой воздух, и транспорт химически активного газа может вызываться вентилятором, расположенным в газовой магистрали (вдуванием химически активного газа в камеру для обработки) или в задней части системы DBD (продувка воздуха через систему DBD). Необязательно, конвейер может транспортировать продукт на сите для обеспечения того, что химически активный газ вступает в контакт на всей поверхности продукта. Кроме того, продукт может перемещаться через камеру для обработки на множестве конвейеров, где продукт сдвигается, когда он движется, с первого конвейера на второй конвейер, обеспечивая то, что химически активный газ вступает в контакт со всеми поверхностями продукта. В другом варианте, система DBD может устраняться, при использовании сохраненного химически активного газа в качестве источника газа и транспортировки химически активного газа непосредственно в камеру для обработки. Можно использовать множество различных конвейеров, таких как конвейер, с проницаемой лентой, шнек, туннельную сушилку, зерносушилку или цилиндрическую сушилку.
[45] Фиг.3 представляет собой схематическую иллюстрацию системы для обработки с помощью химически активного газа, 300, для загрузочной обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа. Система включает систему DBD, 306, для генерирования HVCP с получением химически активного газа. Химически активный газ протекает вдоль газовых магистралей, 308 и 312 в камеру для обработки, 302, а затем из нее через газовую магистраль, 316, через необязательную ловушку для извлечения продукта, 318, вдоль газовой магистрали, 320, и из нее, через выход для газа, 324. Некоторую его часть или весь химически активный газ и рабочий газ можно рециклировать обратно в систему DBD через необязательную газовую магистраль, 304. Химически активный газ и рабочий газ нагнетаются через систему с помощью вентиляторов, 310 и 322. Продукт, 314, который должен обрабатываться или который имеет поверхность, которая должна обрабатываться, присутствует в камере для обработки; как иллюстрируется, химически активный газ вводится в нее через нижнюю часть камеры для обработки для создания псевдоожиженного слоя из химически активного газа и продукта для обеспечения обработки всех поверхностей продукта. Ловушка для извлечения продукта может использоваться для улавливания любого продукта, который покидает камеру для обработки и поступает в газовую магистраль, и для возвращения его обратно в камеру для обработки. Камера для обработки может представлять собой хранилище в иллюстрируемой системе; другие камеры для обработки содержат псевдоожиженный слой, механический кипящий слой и бункер. Химически активный газ может разбавляться с помощью добавления рабочего газа, когда он протекает через систему. Как иллюстрируется, рабочий газ может представлять собой воздух, но газовая магистраль, 304, может необязательно соединяться с источником газа для подачи рабочего газа в систему DBD. В другом варианте, система DBD может устраняться и заменяться сохраненным химически активным газом.
[46] Любой продукт или поверхность может обрабатываться с помощью химически активного газа, для стерилизации (для медицинской стерилизации или стерилизации для консервирования) или пастеризации (пастеризации относительно Salmonella, пастеризации относительно Listeria или пастеризации относительно E. coli) продукта или его поверхности, и/или удаления загрязнений, таких как токсины. Примеры продуктов включают свежие пищевые продукты (такие как фрукты, овощи, зерно, бобы, семена, мясо, молочные продукты, яйца и пряности или приправы), морепродукты (рыбу и моллюски, и их части), полуфабрикаты, замороженные пищевые продукты, переработанные пищевые продукты перед упаковкой (вода, безалкогольные напитки, детское питание, меланж, фруктовый сок, муку, масло, питательные продукты, витамины, лечебное питание и пекарные пищевые продукты), упакованные продукты (для обработки упаковок снаружи), корма для животных, банки, бутылки, пластиковые контейнеры, пищевые контейнеры, кухонную посуду и утварь; пилюли, капсулы, стандартные дозированные формы и порошки; медицинские устройства и медицинское оборудование, как до использования, так и после использования; лабораторную стеклянную и пластиковую посуду; керамические продукты; металлические продукты и продукты из кожи и дерева.
[47] Если не достигается существенного уменьшения количества жизнеспособных микроорганизмов (или спор микроорганизмов) посредством обработки с помощью химически активного газа, может осуществляться многократная обработка, пока не будет достигнуто желаемое уменьшение, например, достаточное для достижения медицинской стерилизации или стерилизации для консервирования. Например, может осуществляться 1-10 заходов обработки или 2-9 заходов обработки, включая 3, 4, 5, 6, 7 или 8 заходов обработки. Подобным же образом, время обработки также может увеличиваться. Предпочтительно, обработка с помощью химически активного газа повторяется до тех пор, пока не будет достигнута медицинская стерилизация или стерилизация для консервирования, или пастеризация относительно Salmonella, пастеризация относительно Listeria или пастеризация относительно E. coli.
[48] Относительно стерилизации или пастеризации, если достаточное уменьшение токсина (такого как микотоксин или афлатоксин) посредством обработки с помощью химически активного газа не достигается, может осуществляться многократная обработка до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое уменьшение. Например, обработка может повторяться пока не будет достигнуто уменьшение, по меньшей мере, на 50%, уменьшение, по меньшей мере, на 90%, уменьшение, по меньшей мере, до 1×10-1, уменьшение, по меньшей мере, до 1×10-2 или даже, по меньшей мере, уменьшение до 1×10-3.
[49] Поверхности продуктов, помещения и контейнер могут обрабатываться с помощью химически активного газа, для дезодорирования, удаления вредителей и насекомых, удаления или уничтожения плесени, для стерилизации, пастеризации, отбеливания и для разрушения токсинов, таких как биологические токсины и пестициды. Химически активный газ может также использоваться для обработки сточных вод, выходящих газов (таких как автомобильные выхлопы), для химической модификации масел и для денатурации ферментов.
[50] Фрукты (такие как фруктовые дольки и сушеные фрукты), и семена (например, части семян; зерно, такие как пшеница, рис и кукуруза; бобовые растения, такое как горох, фасоль, чечевица, соевые бобы и арахис; и орехи, такие как орех кешью, орех макадамия, фундук, каштаны, желуди, миндаль, орех пекан, фисташки, грецкие орехи и бразильские орехи), в частности, загрязненные микотоксинами, такими как афлатоксины, являются предпочтительными продуктами, поскольку химически активный газ может разрушать такие токсины, делая такие продукты, которые ранее были непригодными для потребления людьми или животными, пригодными для таких целей. Примеры токсинов, которые могут устраняться или уменьшаться в количестве посредством контакта с химически активным газом, включают: афлатоксины (такие как афлатоксин B1, B2, G1 и G2), дезоксиниваленолы (такие как 15-ацетилдезоксиниваленол и 3-ацетилдезоксиниваленол), охратоксин A, токсин T2, токсин HT-2, зеараленон и фумонизины (такие как фумонизин B1, B2 и B3). Таблица ниже показывает количество различных микотоксинов, при превышении которого продукт является непригодным для использования в качестве пищевых продуктов для людей или корма для животных, как в США, так и в Европе (ЕС). Обработка с помощью химически активного газа, включая многократную обработку с помощью химически активного газа, может использоваться для удаления достаточного количества микотоксинов с целью преобразования продукта, который непригоден для использования в качестве пищевых продуктов для людей или корма для животных, в продукт, который пригоден для использования в качестве пищевых продуктов для людей или корм для животных.
[51] Фиг.4 представляет собой схематическую иллюстрацию системы для обработки с помощью химически активного газа для обработки оборудования и/или поверхностей с замкнутым пространством, таких как комната, транспортный контейнер, трейлер или авторефрижератор. В камере для обработки, 400, которая здесь представляет замкнутое пространство, находится система DBD, 406, для генерирования HVCP для получения химически активного газа, 408. Вентилятор, 410, используют для распределения химически активного газа в замкнутом пространстве. Также иллюстрируются продукт или поверхности, которые должны обрабатываться, которые включают стенки или внутренние поверхности замкнутого пространства, необязательное оборудование, 414, такое как медицинское оборудование (например, хирургические инструменты, маски, оборудование для вспомогательной вентиляции легких и мониторы жизненно важных функций), и/или необязательные поверхности, 412, такие как операционный стол, которые должны обрабатываться с помощью химически активного газа. Необязательно, можно использовать опоры, 402, для установки системы DBD в верхней части или на сторонах замкнутого пространства, или система DBD может размещаться на полу замкнутого пространства. Необязательно, подача рабочего газа может осуществляться с помощью газовой линии, 404, соединенной с источником газа (не иллюстрируется). Альтернативно, замкнутое пространство может заполняться рабочим газом. В другой конфигурации, система DBD может заменяться сохраненным химически активным газом.
[52] Примеры
[53] Следующие далее примеры представляют собой системы для исследования, чтобы показать воздействия и свойства химически активного газа, где для получения химически активного газа используют HVCP. В типичной системе, масштаб может увеличиваться для достижения обработки коммерчески значимых количеств продукта. Вся HVCP получается с использованием энергии при 60 Гц.
[54] Пример 1: Обработка цельной кукурузы для уменьшения микробной нагрузки, моделирующая кратковременное экспонирование для химически активного газа
[55] 100 г цельной кукурузы помещают в полипропиленовый (PP) контейнер ArtBin® (модель 9100AB) - размеры 37,0 см × 35,5 см × 5,2 см (L × W × H). ArtBin® помещают внутрь второго мешка, состоящего из пленки с высокими барьерными свойствами Cryovac® B2630 - размер 40,0 см × 47,0 см (L × W). Каждый мешок продувают в течение 3 минут (37 л/мин) MA65 (65% O2, 30% CO2, 5% N2), в качестве наполняющего газа, а затем герметизируют. Затем мешок помещают в систему DBD, между двумя наборами из 4 электродов (каждый электрод: алюминий, диаметр 15,24 см, всего 8 электродов - 4 сверху, 4 снизу) для получения HVCP внутри мешка, но не в контакте с цельной кукурузой в ArtBin®. Время обработки составляют 5 минут и 15 минут для образцов цельной кукурузы с потреблением мощности 280-290 ватт. Высота (зазор) между электродами составляет 5,2 см. HVCP формируется при 95 кВ при токе 1,0-1,5 мА. Диэлектрические барьеры используют для регулировки характеристик поля плазмы внутри мешков: (1) кухонные доски (торговая марка IKEA®, 37 см × 29 см × 2 см); (2) плексигласовый барьер, расположенный поверх набора электродов; и (3) крышки с ручками для транспортировки (торговая марка Bella™) от 114-л и/или 151-л сумок с ручками (две сверху и одна снизу каждого мешка) для дополнительного увеличения площади поверхности емкости барьера. Эти диэлектрические барьеры делают возможной оптимальную генерацию химически активного газа из HVCP.
[56] Озон и оксиды азота измеряют посредством Drager® Short-Term Detector tubes (Draeger Safety AG & Co. KGaA, Luebeck, Germany). Непосредственно после завершения обработки, мешки открывают и образцы продувают свежим газом для удаления любого оставшегося химически активного газа, за исключением одного образца, который обрабатывают в течение 5 минут, и химически активному газу позволяют остаться в герметичном мешке в течение 24 часов перед открыванием.
[57] Общее количество колониеобразующих единиц аэробных бактерий (КОЕ/г) определяют с помощью стандартной методологи распределения на пластинке, используя триптический соевый агар для аэробных бактерий (TSA, торговая марка Difco, Becton, Dickinson and Company (BD), Sparks, MD). Стандартные пластинки TSA для выделения аэробных бактерий инкубируют при 37°C в течение 24 часов. Через 24 часа после обработки химически активным газом и хранения при комнатной температуре (22°C), микробные популяции выделяют из соответствующего пищевого продукта (продуктов), используя стерильную промывку (0,1% пептона) посредством перемешивания в течение 1 минуты в стерильных мешках Stomacher для фильтрования с целью удаления микроорганизмов с поверхности продукта. Промывка посредством перемешивания (встряхивания вручную и перемешивания вихревым способом) делает возможным выделение только с поверхности, без потенциала дополнительного бактерицидного влияния, которое может быть обусловлено внутренним веществом в результате переваривания. Извлечение из разбавителей осуществляют посредством осуществления последовательных разбавлений и нумерации пластин. Микробные колонии нумеруются после инкубирования пластин при 37°C в течение 24 часов. Все микробиологические методы осуществляют согласно U.S. Food and Drug Administration, Bacteriological Analytical Manual (BAM: Bacteriological Analytical Manual, 8th Edition, Final Revision: January 25, 2001). Образцы цельной кукурузы собирают с одного и того же образца цельной кукурузы посредством разделения образца и анализа образцов до и после обработки с получением дифференциального уменьшения микробной нагрузки на кукурузу.
[58] Таблица ниже приводит результаты этого эксперимента. ʺTemp.ʺ в таблице относится к температуре электродов. Дополнительное уменьшение с использованием последовательных заходов обработки можно использовать для достижения настолько большого уменьшения, насколько это желательно.
[59] Таблица 1: Параметры процесса получения HVCP: 95-кВ многоэлектродная установка, тип газа MA65, количество 100 г образца очищенных зерен цельной кукурузы
[60] Пример 2: Обработка цельной пшеницы для уменьшения микробной нагрузки с моделированием краткого экспонирования для химически активного газа
[61] 100 г цельной пшеницы используют вместо цельной кукурузы, и повторяют эксперименты и измерения, осуществляемые в Примере 1. Таблица ниже приводит результаты этого эксперимента. ʺTemp.ʺ в таблице относится к температуре электродов. Дополнительное уменьшение с использованием последовательных заходов обработки, можно использовать для достижения настолько большого уменьшения, насколько это желательно.
[62] Таблица 2: Параметры процесса получения HVCP: 95-кВ многоэлектродная установка, тип газа MA65, количество 100 г образца очищенных зерен цельной пшеницы
[63] Пример 3: Обработка известного эталонного образца, содержащего микотоксины, для того, чтобы показать уменьшение
[64] 50 грамм продукта кукурузы с естественными загрязнениями мультитоксинами, поставляемого Trilogy Analytical Laboratory, Washington, MO (Trilogy® Reference Material, Product #: TR-MT500, Batch#: MTC-9999E), с известными концентрациями микотоксинов помещают в полипропиленовый (PP) контейнер ArtBin® (модель 9100AB) - размер 37,0 см × 35,5 см × 5,2 см (L × W × H). ArtBin® помещают внутрь второго мешка, состоящего из пленки с высокими барьерными свойствами Cryovac® B2630 - размер 40,0 см × 47,0 см (L × W). Каждый мешок продувают в течение 3 минут (37 л/мин) либо воздухом (22% O2, 78% N2), либо MA65 (65% O2, 30% CO2, 5% N2) в качестве наполняющего газа, а затем герметизируют. В некоторых экспериментах используют увлажнение газа с использованием барботирования (это дает в результате влажность примерно 60%). Затем мешок помещают в систему DBD, между двумя наборами из 4 электродов каждый (каждый электрод: алюминий, диаметр 15,24 см, всего 8 электродов - 4 сверху, 4 снизу) для получения HVCP внутри мешка, но не в контакте с продуктом в ArtBin®. HVCP формируется при 100 кВ при токе 0,6-1,8 мА для всех образцов. Диэлектрические барьеры используют для регулировки характеристик поля плазмы внутри мешков: (1) кухонные доски (торговая марка IKEA®, 37 см × 29 см × 2 см); (2) плексигласовый барьер, расположенный поверх набора электродов; и (3) крышки с ручками для транспортировки (торговая марка Bella™) от 114-л и/или 151-л сумок с ручками (две сверху и одна снизу каждого мешка) для дополнительного увеличения площади поверхности емкости барьера. Все образцы продукта обрабатывают в течение времени обработки 30 мин, а затем хранят в течение 24 часов после обработки при условиях комнатной температуры (22°C). После 24 часов хранения, все образцы для исследования и контроли отсылают в Trilogy Analytical Laboratory, Washington, MO относительно полной панели микотоксинов (#6).
[65] Следующие две таблицы показывают результаты этих экспериментов. В таблице. ʺNDʺ означает ʺне детектируетсяʺ. В Таблице 3, общее количество токсинов в эталоне составляет 40,67 м.д., в то время как общее количество после обработки составляет только 13,00 м.д., что дает в результате общее уменьшение 68%. В Таблице 4, общее количество токсинов в эталоне составляет 45,97 м.д., в то время как общее количество после обработки составляет только 23,75 м.д., что дает в результате общее уменьшение 48%. Дополнительное уменьшение с использованием последовательных заходов обработки можно использовать для достижения настолько большого уменьшения, насколько это желательно.
[66] Таблица 3: Результаты по уменьшению количества микотоксинов при использовании рабочего газа MA65 и 100 кВ в течение 30 минут
[67] Таблица 4: Результаты по уменьшению количества микотоксинов с использованием воздуха в качестве рабочего газа при 100 кВ в течение 30 минут
[68] Пример 4: Генерирование и транспорт химически активного газа
[69] Полипропиленовая трубка диаметром ¼ дюйма (6 мм) с внутренним диаметром 1/8 дюйма (3 мм) соединяется с двумя изолированными проводами калибра 20, расположенными под углом 180 градусов по отношению друг к другу. Провода имеют общую длину пять футов (примерно 1,5 метра). Один фут (30 см) каждого провода присоединен к полипропиленовой трубке с использованием усадочной трубки из поливинилхлорида. Устройство помещают в стойку с двумя вертикальными опорами для подвешивания без заземления. Трубки соединяют с танком со сжатым газом, который имеет ротаметр для измерения потока газа, который проходит через трубку. Клапан и клапан для отбора образцов устанавливают на выходе этой системы DBD для измерения количества озона, которое генерируется в качестве суррогата других химически активных и возбужденных частиц, которые генерируются в дополнение к озону. Количество генерируемого озона измеряют посредством Draeger® Short-Term Detector tubes (Draeger Safety AG & Co. KGaA, Luebeck, Germany). Рабочий газ, используемый в этом эксперименте, представляет собой сжатый воздух. Используют две различных скорости потока для определения того, влияет ли скорость потока на скорость генерирования химически активных и возбужденных частиц. Скорости потока газа измеряют с использованием ротаметра, а также измеряют по времени, необходимому для заполнения 100-мл шприца, который присоединен к клапану для отбора образцов. Осуществляют три различных измерения за период 30 минут для определения средней скорости генерирования озона. Условия для генерирования HVCP являются одинаковыми для обоих экспериментов (30 кВ) с использованием мощности 7 ватт. Таблица ниже приводит результаты этого эксперимента.
[70] Таблица 5: Генерирование и транспорт химически активного газа
Реферат
Группа изобретений относится к биологической деконтаминации и стерилизации медицинского оборудования и устройств, производству и консервированию пищевых продуктов и подготовке потребительских товаров. Представлен способ уменьшения микотоксинов на фруктах или семенах, включающий: получение химически активного газа посредством формирования высоковольтной холодной плазмы (HVCP) из рабочего газа, транспортировку химически активного газа по меньшей мере на 3 метра от HVCP с последующим приведением в контакт фруктов или семян с химически активным газом. При этом химически активный газ представляет собой газ, полученный посредством HVCP, содержащий возбужденные и химически активные частицы, но не те частицы, которые диссипируют через 0,2 секунды или меньше. Также представлены способ обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа и система для обработки продукта или поверхности с помощью химически активного газа. Достигается повышение эффективности и надежности обработки. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил., 5 табл., 4 пр.
