气体二氧化氯空间消毒动力学模型及消毒条件监测技术研究

发布时间：2017-10-10 21:15

  本文关键词：气体二氧化氯空间消毒动力学模型及消毒条件监测技术研究

  更多相关文章： 气体二氧化氯 消毒动力学 响应面法 TDLAS技术 环境温湿度监测

【摘要】：近年来,埃博拉出血热、中东呼吸综合征、重症急性呼吸综合征等烈性传染病的流行受到了全世界的高度关注。这些烈性传染病的爆发和传播严重威胁人类生命安全,引发公共卫生安全风险。空间消毒是切断传染病传播途径,防止交叉感染,保证人员安全的重要措施。因此,发展可实现空间内空气和物体表面彻底消毒的高效消毒技术是十分必要的。与液体消毒剂相比,气体消毒剂具有处理面积大、穿透能力强、操作方便等优势,更适用于空间消毒。其中,气体二氧化氯具有强氧化性,无致癌、致畸性,具有快速、高效、安全、环保等优点,被认为是一种具有宽广前景的新型消毒气体。但目前国内外气体二氧化氯消毒技术的研究主要在于对应用效果的评价,而对消毒历程、消毒动力学行为和消毒机理的研究较少,关键因素对气体二氧化氯消毒效果的影响规律还不明晰,使得该技术在实际应用中缺少预测消毒效果、设计有效消毒条件的理论依据。因此,有必要建立气体二氧化氯空间消毒动力学模型,并基于此深入研究气体二氧化氯的消毒历程以及关键因素对消毒效果的影响规律和作用机理。此外,由于环境湿度等关键因素对消毒效率具有显著影响,消毒条件监测也是气体二氧化氯消毒的关键技术,解决气体二氧化氯消毒环境中消毒条件监测的难题具有十分重要的意义。本研究基于气体二氧化氯空间消毒实验平台,建立了气体二氧化氯空间消毒动力学模型和基于响应面法的气体二氧化氯空间消毒多因素预测模型,并探究了气体浓度、环境湿度、消毒时间等关键因素对消毒历程的影响规律和作用机理,为评价消毒效果、指导消毒实践提供了理论依据。另外,基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,开展了气体二氧化氯消毒条件监测技术研究,建立了基于TDLAS技术的消毒环境温湿度监测系统,可实现对消毒环境温湿度的在线、准确、可靠监测,为气体二氧化氯空间消毒技术与装备的应用推广提供了技术保障。开展了气体二氧化氯空间消毒实验平台与方法研究。依据开展气体二氧化氯空间消毒实验研究的需求,建立了气体二氧化氯空间消毒实验平台,平台具有很好的气密性,能够实现空间环境的实际模拟、消毒条件的在线监测和消毒气体的持续发生。建立了气体二氧化氯空间消毒实验方法,确定了具有代表性的指示微生物,明确了生物指示剂制备方法、空间消毒实验流程以及细菌洗脱计数方法。实验平台与方法的研究为气体二氧化氯空间消毒实验提供了标准的空间环境、理想的消毒条件、安全的操作方式和规范的实验方法,是本研究重要的硬件基础与技术保障。基于气体二氧化氯空间消毒实验平台,开展了气体二氧化氯空间消毒动力学模型研究。首先,在不同气体浓度下进行了气体二氧化氯对枯草杆菌黑色变种芽孢(以下简称为枯黑芽孢)和白色葡萄球菌的消毒实验研究,并基于一阶线性模型和hom、weibull、i-q等五种非线性模型分别建立了不同气体浓度下的消毒动力学模型。结果表明,weibull模型与其他模型相比具有公式简洁、参数意义明确、拟合度高等优点;气体二氧化氯对微生物的灭活速率随着气体浓度的增加而增加;气体二氧化氯对芽孢和细菌繁殖体的灭活均是非线性的过程,芽孢的存活曲线为肩峰形状,灭活速率先慢后快,而细菌繁殖体则为拖尾形状,灭活速率先快后慢;与细菌繁殖体相比,芽孢对气体二氧化氯具有更强的抵抗力,达到灭菌保证水平的预测消毒时间更长。然后,在不同相对湿度下进行了气体二氧化氯对枯黑芽孢和白色葡萄球菌的消毒实验研究。以weibull模型为基准模型,提出了含湿度系数的weibull-h模型,并分别利用该模型和一阶线性模型对消毒实验结果进行了拟合。结果表明,weibull-h模型与一阶线性模型相比对实验数据具有更高的拟合度;气体二氧化氯对微生物的消毒效率同样随相对湿度的增加而增加;相对湿度对微生物灭活速率的影响是非线性的,在70%-90%的高湿环境下气体二氧化氯的消毒效率具有显著提升;与细菌繁殖体相比,高湿环境对芽孢灭活的促进作用更为明显。在单因素实验研究的基础上,为研究多因素之间的交互作用,并预测多因素共同作用下气体二氧化氯的消毒效果,开展了基于响应面法的气体二氧化氯空间消毒多因素预测模型研究。基于box-behnken中心组合实验设计,建立了以气体浓度、相对湿度和消毒时间为实验因素的多元二次回归预测模型。结果表明,预测模型具有较高的拟合度和预测准确度,决定系数r2为0.99;增加气体浓度、环境湿度和消毒时间均能有效提高微生物的灭活速率,气体浓度与环境湿度、环境湿度与消毒时间之间的交互作用分别存在协同效应。预测模型提供了不同消毒条件下的响应面和相应的等高线,能够有效预测多因素共同作用下达到灭菌保证水平的消毒条件,为气体二氧化氯消毒的实际应用提供了指导和参考。为评价气体二氧化氯对典型生物安全设备的消毒效果和对hepa过滤器的穿透能力,同时进一步验证消毒动力学模型和多因素预测模型的实际应用效果,开展了气体二氧化氯空间消毒应用研究与模型验证。使用基于二元固体制剂的气体二氧化氯发生技术与便携式消毒装置,分别对生物安全柜和高效空气过滤单元开展了消毒评价实验。结果表明,气体二氧化氯能够实现生物安全柜和高效空气过滤单元的彻底消毒,采用压力扩散或主动循环的方式均能使气体二氧化氯有效地穿透hepa过滤器并完成过滤器下游区域的彻底消毒,而且主动循环与压力扩散相比具有更快的穿透速度和更高的消毒效率。两类模型的预测结果与实际消毒结果一致,多因素预测模型与消毒动力学模型相比具有更高的准确性和更广的适用范围。开展了基于TDLAS技术的气体二氧化氯消毒条件监测技术研究。建立了消毒环境温湿度监测系统,该监测系统使用中心波长位于1370 nm的可调谐激光器作为光源,开发在线监测式气室作为气体吸收池,使用光电探测器采集含有水气含量信息的光信号并将光信号传入接收与处理系统进行后处理,基于水气吸收谱线的一次谐波信号进行消毒环境相对湿度的反演计算,并基于气室侧壁的数字温度传感器监测消毒环境温度。对该监测系统进行了标定和性能测试实验。结果表明,基于TDLAS技术的温湿度监测系统具有良好的精度,能适用于不同条件下的气体二氧化氯消毒环境,与传统的电子式温湿度传感器相比具有更好的稳定性和耐腐蚀性,提供了一种在气体二氧化氯消毒环境或其它腐蚀环境下在线、可靠、准确监测温湿度的新方法。综上所述,本研究开展了不同条件下的气体二氧化氯空间消毒实验,基于实验数据建立了多种消毒动力学模型和多因素预测模型,完成了气体二氧化氯对典型生物安全设备的消毒评价实验,并基于此实验结果对上述两类模型进行了准确性和实用性验证,此外还建立了基于TDLAS技术的消毒环境温湿度监测系统。通过上述研究,揭示了气体二氧化氯对芽孢和细菌繁殖体的非线性消毒历程以及消毒动力学行为,明确了各个关键因素及其交互作用对消毒效果的影响规律和作用机理,提供了达到灭菌保证水平的预测消毒条件和在线、可靠、准确的消毒条件监测技术。本研究阐明了气体二氧化氯的空间消毒动力学行为,并为气体二氧化氯空间消毒技术的应用与推广提供了理论依据与技术支持。
【关键词】：气体二氧化氯 消毒动力学 响应面法 TDLAS技术 环境温湿度监测
【学位授予单位】：中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R187
【目录】：

• 缩略词表11-12
• 摘要12-15
• ABSTRACT15-19
• 第1章 前言19-31
• 1.1 研究背景19-20
• 1.2 国内外研究现状20-29
• 1.2.1 气体二氧化氯的消毒评价研究20-22
• 1.2.2 气体二氧化氯消毒效果的影响因素22-24
• 1.2.3 消毒动力学研究24-27
• 1.2.4 消毒条件监测技术研究27-28
• 1.2.5 存在的主要问题28-29
• 1.3 研究内容29-30
• 1.4 研究目的和意义30-31
• 第2章 气体二氧化氯空间消毒实验平台与方法研究31-46
• 2.1 气体二氧化氯空间消毒实验平台31-40
• 2.1.1 平台结构31-34
• 2.1.2 气体二氧化氯在线发生34-35
• 2.1.3 气体二氧化氯浓度监测35-36
• 2.1.4 消毒条件在线监测36-38
• 2.1.5 实验舱气密性测试38-40
• 2.2 气体二氧化氯空间消毒实验方法40-45
• 2.2.1 指示微生物的选择40-42
• 2.2.2 生物指示剂的制备42-43
• 2.2.3 消毒实验流程43-44
• 2.2.4 细菌的洗脱与计数44-45
• 2.3 本章小结45-46
• 第3章 气体二氧化氯空间消毒动力学模型研究46-71
• 3.1 材料和方法46-52
• 3.1.1 实验材料46-47
• 3.1.2 实验方法47
• 3.1.3 实验设计47-49
• 3.1.4 数据分析49-52
• 3.2 结果52-66
• 3.2.1 不同气体浓度下枯黑芽孢的灭活52-55
• 3.2.2 不同气体浓度下白色葡萄球菌的灭活55-58
• 3.2.3 含湿度系数的消毒动力学模型的建立58-59
• 3.2.4 不同相对湿度下枯黑芽孢的灭活59-62
• 3.2.5 不同相对湿度下白色葡萄球菌的灭活62-64
• 3.2.6 湿度系数随相对湿度的变化趋势64-65
• 3.2.7 达到灭菌保证水平的预测消毒时间65-66
• 3.3 讨论66-69
• 3.4 本章小结69-71
• 第4章 基于响应面法的气体二氧化氯空间消毒多因素预测模型研究71-86
• 4.1 材料和方法71-74
• 4.1.1 实验材料71
• 4.1.2 实验方法71-72
• 4.1.3 实验设计72-73
• 4.1.4 数据分析73-74
• 4.2 结果74-82
• 4.2.1 单因素实验74-75
• 4.2.2 预测模型的建立与分析75-78
• 4.2.3 响应面与等高线78-81
• 4.2.4 预测模型的验证实验81-82
• 4.3 讨论82-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第5章 气体二氧化氯空间消毒应用研究与模型验证86-105
• 5.1 材料和方法86-93
• 5.1.1 生物安全设备的选择86-87
• 5.1.2 基于二元法的气体二氧化氯发生技术与消毒装置87-89
• 5.1.3 实验材料89-90
• 5.1.4 实验方法90-93
• 5.2 结果93-102
• 5.2.1 生物安全柜的消毒评价93-95
• 5.2.2 高效空气过滤单元的消毒评价95-97
• 5.2.3 模型验证97-102
• 5.3 讨论102-104
• 5.4 本章小结104-105
• 第6章 基于TDLAS技术的气体二氧化氯消毒条件监测技术研究105-128
• 6.1 TDLAS技术的基础理论105-110
• 6.1.1 近红外吸收光谱技术105-106
• 6.1.2 TDLAS技术的测量原理106-107
• 6.1.3 波长调制与谐波检测技术107-110
• 6.2 消毒环境温湿度监测系统的设计110-120
• 6.2.1 总体方案110
• 6.2.2 光源系统110-115
• 6.2.3 在线监测式气室115-116
• 6.2.4 接收与处理系统116-120
• 6.3 消毒环境温湿度监测系统的实验研究120-127
• 6.3.1 实验平台120-122
• 6.3.2 监测系统的标定122-124
• 6.3.3 监测系统的性能评价实验124-127
• 6.4 本章小结127-128
• 第7章 结论、创新点与展望128-131
• 7.1 主要结论128-129
• 7.2 创新点129-130
• 7.3 展望130-131
• 参考文献131-142
• 在学期间取得的成果及发表的代表性论著142-143
• 作者简历143-144
• 致谢144

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本文编号：1008641