Разработка медико-технических систем для синтеза антимикробных электрохимически активированных растворов

Современная дезинфектология предъявляет следующие требования к водным растворам для дезинфекции и стерилизации:

• антимикробное средство должно обладать широким спектром антимикробного действия — эффективно уничтожать бактерии, микобактерии, вирусы, грибы и споры вне зависимости от продолжительности и частоты применения, что предполагает наличие свойств, препятствующих микроорганизмам выработать резистентность;

• антимикробное средство должно быть безопасным для человека и животных как во время его приготовления и применения, так и после окончания использования по назначению, в период деградационных и деструктивных изменений под влиянием факторов внешней среды или в результате процессов биодеградации в организме человека, иными словами, антимикробное средство и продукты его естественной или искусственной деградации не должны содержать веществ-ксенобиотиков;

• антимикробное средство должно обладать универсальностью действия, иметь не только противомикробные свойства, но также обладать моющей способностью с минимальной повреждающей и коррозионной активностью по отношению к различным материалам, а также быть максимально простым в применении и при этом относительно недорогим.

Как следует из научных публикаций последних лет, этим тербованиям не соответствует большинство типов антимикробных растворов, действующие вещества которых представлены стабильными химическими соединениями, несмотря на то, что такие растворы широко применяются в практике.

Стабильные химические антимикробные препараты одинаково вредны для всех форм жизни, но к ним, в отличие от человека, микроорганизмы приспосабливаются очень быстро вследствие более эффективных реакций адаптации и быстрой смены поколений. Известно, что количество штаммов микроорганизмов, устойчивых к целым классам химических соединений, возрастает со временем. Периодические плановые замены одних антимикробных препаратов на другие в общем комплексе дезинфекционных мероприятий лечебно-профилактических учреждений не решают проблему внутрибольничных инфекций, а введение в практику новых дезинфицирующих препаратов создает условия для появления более устойчивых к ним видов микроорганизмов.

Альтернативой стабильным химическим препаратам являются электрохимически активированные растворы, действующие вещества которых находятся в метастабильном состоянии.

Электрохимически активированный анолит АНК (анолит нейтральный с участием продуктов катодных реакций) — это высокоэффективный дезинфицирующий и моющий раствор. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с нейтральным значением рН (6,0 — 7,5), общим содержанием всех растворенных веществ от 1,0 до 5,0 граммов в 1 литре и общим содержанием действующих веществ до 500 мг/л. Раствор имеет при этом нерезкий запах хлора и относится к 4 классу малоопасных веществ. Анолит АНК обладает широким спектром действия, эффективно уничтожает бактерии, микобактерии, вирусы, грибы и спорыне накапливается в пористых материалах, не загрязняет окружающую среду продуктами распада. Являясь универсальным антимикробным средством, не позволяет микроорганизмам вырабатывать резистентность и поэтому может использоваться по одному и тому же назначению для обработки одного и того же объекта неограниченно долгое время. Сохраняет свойства моющего, дезинфицирующего и стерилизующего раствора в течение 5 дней после получения при хранении в закрытой пластиковой или стеклянной таре в местах, защищенных от прямого солнечного света при комнатной температуре.

Проведение дезинфекционных мероприятий анолитом АНК осуществляют методом протирания (различные поверхности в помещениях и т. д.), методом погружения (уборочный инвентарь, изделия одноразового применения), аэрозольным способом (поверхности комнат, салонов и др. помещений, оборудования, воздушная среда) и путем добавления в жидкие моющие агенты для обеззараживаемых жидких сред. Дезинфекционная обработка воздушных сред больших по объему помещений аэрозольным способом проводится многократно.

Анолит АНК может применяться без средств индивидуальной защиты в присутствии людей, так как обладает минимальным классом токсичностиблагодаря метастабильному составу действующих веществ после окончания дезинфекционной обработки деградирует до неопасных веществ и не требует дальнейшей утилизациине накапливается во внешней среде.

Основные отличия анолита АНК от традиционных антимикробных растворов состоят в следующем:

• Концентрация действующих веществ в анолите АНК, как минимум, в 5 раз меньше, чем в рабочих растворах большинства других известных дезинфицирующих, стерилизующих и моющих средств, что при его общей малой минерализации полностью исключает адсорбционно-осмотическое увлажнение пористых материалов (например, стен) за счет поглощения влаги из воздуха после окончания обработки и испарения воды, а также исключает увлажнение стен в процессе аэрозольной обработки.

• В отличие от традиционных моюще-дезинфицирующих средств, действующие вещества анолита АНК не выделяются в воздух помещений после окончания обработки за счет сублимации.

• В отличие от дезинфицирующих и стерилизующих растворов на основе глутарового альдегида, формальдегида, хлорамина, дихлоризоциануратов, надуксусной кислоты, четвертичных аммониевых соединений (ЧАС), соединений тяжелых металлов, анолит АНК не содержит чуждые организму человека и теплокровных животных вещества-ксенобиотики.

• Антимикробные вещества анолита АНК (биокаталитически активная низкоконцентрированная смесь хлоркислородных и гидропероксидных оксидантов) обычно синтезируются в организме человека и теплокровных животных специализированными электрохимически активными ферментами клеток и участвуют в процессах нейтрализации вредных и чужеродных веществ в организме (фагоцитоз).

• Метастабильная смесь оксидантов в анолите АНК является наиболее эффективным из известных средств уничтожения микроорганизмов, поскольку обладает множеством спонтанно реализующихся возможностей необратимого нарушения жизненно важных функций биополимеров микроорганизмов на уровне реакций передачи электронов. Обеспечивается полное отсутствие адаптации (привыкания) микроорганизмов к анолиту АНК.

Нейтральный анолит АНК получают в установках СТЭЛ производительностью от 40 до 1000 л/ч.

Установки СТЭЛ предназначены для электрохимического синтеза из разбавленного раствора хлорида натрия экологически чистого раствораанолита нейтрального АНК для целей дезинфекции, мойки, предстерилизационной очистки и СТЕРИЛИЗАЦИИ.

Благодаря особой технологии синтеза и конструктивным особенностям используемых в установках СТЭЛ электрохимических реакторов из проточных электрохимических модульных элементов ПЭМ-3 анолит АНК обладает намного большей антимикробной активностью, чем более концентрированные рабочие растворы известных дезинфицирующих веществ — хлорамина, гипохлорита натрия, четвертичных аммониевых соединений, дихлоризоциануратов, альдегидов, солей тяжелых металлов, и также обладает моющими свойствами, отсутствующими у названных растворов. Себестоимость анолита АНК, для получения которого используют раствор пищевой повареной соли концентрацией 3 — 5 г/л при удельном расходе электроэнергии 2−3 Вт-ч/л, составляет порядка 7 — 10 копеек за 1 литр с учетом амортизации установки СТЭЛ. Это позволяет использовать анолит АНК в больших объемах на месте применения.

Установки СТЭЛ подключают к напорной линии подачи воды или непосредственно к водопроводному крану, приготавливают концентрированный раствор соли (100 — 150 грамм в 1 литре), который в процессе работы установки дозированно с помощью встроенного водоструйного насоса подмешивается к воде и, проходя через электрохимический реактор установки СТЭЛ, превращается в активированный нейтральный анолит АНК.

Технические средства для получения анолита АНК (электрохимические реакторы, установки СТЭЛ), а также технологические процессы его синтеза запатентованы учеными и специалистами ОАО «НПО «ЭКРАН» в 50 странах и зарубежных аналогов не имеют. Все установки для получения анолита АНК, производимые многими российскими (ФГУП Ижевский завод «Купол», ОАО НПО «Химавтоматика», г. Москва, ЗАО НПО «ЭХА ТЕХНОЛОГИИ», г. С-Пб. и др.) и зарубежными (Monsanto, Battelle, Hydrofem, Radical Waters) компаниями, являются продуктом сотрудничества ученых и специалистов ОАО «НПО «ЭКРАН», крупнейшего производителя установок СТЭЛ, с указанными компаниями. За последние 10 лет всеми предприятиями было произведено более 25 000 установок СТЭЛ различной производительности. Применение установок СТЭЛ и анолита АНК сертифицировано в следующих областях:

• дезинфекция, предстерилизационная очистка, стерилизация (методические указания МУ-11−3/206−09 от 17.06.2002 г., утвержденные Руководителем Департамента Госсанэпиднадзора МЗ РФрегистрационное удостоверение МЗ РФ дезинфекционного средства «Нейтральный анолит АНК» № 0542−59/30−2002);

• дезинфекция воды в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения (гигиеническое заключение ГСЭН МЗ РФ № 77.99.15.945.П.88.01.03 от 27.01.2003);

• дезинфекция мясного оборудования, санитарная обработка оборудования, инвентаря и тары при производстве молочных продуктов детского питания на молочных кухнях и малых производствах (методические указания МУ-140−113 ГСЭН МЗ РФ, письмо ГСЭН МЗ РФ №Д01−13/185−115 от 18.04.1997);

• мойка и дезинфекция в ветеринарии и животноводстве (наставление по применению католита и анолита, получаемых в установках СТЭЛ, утвержденное Департаментом ветеринарии Минсельхозпрода 09.03.1999 г.).

Несмотря на значительные преимущества анолита АНК в сравнении с растворами химически стабильных дезинфицирующих средств, он не свободен от недостатков, основным из которых является его высокая коррозионная активность. Также к числу недостатков следует отнести необходимость ополаскивания ряда изделий медицинского назначения после обработки анолитом, поскольку на их гладких глянцевых поверхностях могут оставаться следы соли при высыхании влаги. Практика применения установок СТЭЛ показала необходимость получения анолита АНК из химически чистых исходных компонентов, что не предусмотрено в существующих конструкциях установок СТЭЛ. Также в процессе практической работы была выявлена необходимость усиления моющей и антимикробной активности анолита АНК при обработке изделий с высокой степенью загрязнения белковыми и жировыми отложениями.

Настоящая работа направлена на поиск оптимальных технических и технологических вариантов решения актуальных задач совершенствования установок СТЭЛ и функциональных свойств анолита, а также устранение перечисленных недостатков.

ВЫВОДЫ.

1. Применение антимикробных растворов, содержащих метастабильные действующие вещества, исключают условия для развития резистентной микрофлоры, что обеспечивается полиморфизмом химических реакций при взаимодействии метастабильных веществ с микробной клеткой и самопроизвольным распадом действующих веществ после окончания времени экспозиции.

2. Электрохимически активированные маломинерализованные растворы типа анолита, имеющие в своем составе метастабильные хлоркислородные соединения, являются наиболее эффективными обеззараживающими средствами при одновременной низкой токсичности и экологической безопасности. Наиболее перспективным антимикробным средством можно считать анолит нейтральный АНК с высоким и средним удельным (относительно минерализации) содержанием оксидантов, синтезированный в установках типа СТЭЛ.

3. Анолит со значениями рН в диапазоне 2,5 — 6,5 обладает меньшей антимикробной активностью по сравнению с анолитом со значениями рН от 6,5 до 7,5, имеющем максимальную антимикробную активность. При рН, больших 7,5, антимикробная активность анолита быстро снижается по мере увеличения рН, что связано с превращением хлорноватистой кислоты в гипохлорит-ионы.

4. Режим противотока обрабатываемого исходного раствора хлорида натрия в электродных камерах реактора ПЭМ в составе установок СТЭЛ позволяет увеличивать концентрацию оксидантов в анолите ~ на 15% и более по сравнению с прямоточным движением растворов, при этом минерализация исходного раствора составляет менее 2 г/л.

5. На основе принципа противотока исходного водно-солевого раствора разработаны установка СТЭЛ-10−01 «КОМПАКТ» для получения электрохимически активированных нейтрального анолита АНК, кислого анолита, А и моющего католита К, и установка СТЭЛ-АНК-20−01 для получения электрохимически активированного нейтрального анолита АНК, конструкцией которых предусмотрено использование исходных растворов, приготовленных на химически чистой соли и дистиллированной воде.

6. Разработана схема получения анолита АН с высоким удельным содержанием оксидантов, особенность которой состоит в том, что исходный раствор хлорида натрия концентрацией от 0,5 до 2,5 г/л подается в нижнюю часть анодной камеры элемента ПЭМ-3 и протекает через нее со скоростью от 2 до 3 литров в час, находясь под 2 избыточным давлением от 0,5 до 1,0 кгс/см. Принцип данной схемы использован в схеме установки СТЭЛ-АНК-30 «ЭКО-С» для синтеза анолита АНК с высоким удельным содержанием оксидантов.

7. В результате совместной работы в группе специалистов ВНИИИМТ разработана установка СТЭЛ-АНК-30 «ЭКО-С» для синтеза электрохимически активированного нейтрального анолита АНК с высоким удельным содержанием оксидантов.

8. Коррозионная активность анолита АНК уменьшается при снижении его общей минерализации и повышении рН раствора. Снижение минерализации анолита АНК до 1,2 г/л существенно снижает его коррозионную активность, что создает перспективу его использования для холодной стерилизации широкого спектра металлических медицинских изделий.

9. Анолит АНК с добавкой этилового спирта в количестве от 0,5 до 1,0% по объему обладает повышенными антимикробными и антикоррозионными свойствами, что обеспечивает возможность применения его для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации изделий из коррозионно-нестойких металлов, а также эндоскопов при существенном сокращении экспозиции методами полного погружения или замачивания, для обработки оборудования, приборов, металлических конструкций и изделий без защитных покрытий методом погружения, замачивания и протирания. Возможно применение для дезинфекции объектов в присутствии большого количества органических загрязнителей (кровь, фекалии, остатки пищи). Анолит должен быть использован по назначению после ввода спиртовой добавки в течение 3 часов.

Анолит АНК с добавкой 0,05 — 0,1% (масс.) синтетического моющего средства «Лотос» обладает повышенными моющими свойствами и пониженной коррозионной активностью, что обеспечивает возможность применения его для дезинфекции и мойки оборудования предприятий пищевой промышленности, посуды и оборудования на предприятиях общественного питания, торговли и транспорта. Время использования анолита по назначению после ввода добавки не должно превышать 12 часов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования литературных источников и эксперименты в рамках данной работы показали, что среди известных жидких обеззараживающих средств высокой антимикробной активностью при минимальной токсичности и безопасности для человека и животных обладают растворы, полученные по технологии электрохимической активации. Здесь очевидное первенство принадлежит нейтральному анолиту АНК, который производится в установках типа СТЭЛ из разбавленного водного раствора хлорида натрия с минерализацией 3,0.5,0 г/л. Ведущими АДВ в составе анолита АНК является хлорноватистая кислота в сочетании с рядом других сильных метастабильных окислителей, в частности: пероксидными соединениями типа НО* - радикал гидроксилаН02~ - анион пероксида- '02 — синглетный молекулярный кислород- 02~ -супероксид-анионОз — озонО* — атомарный кислород и хлоркислородными соединениями: С1СГ — гипохлорит-ионСЮ* - гипохлорит-радикалСЮ2 — диоксид хлора.

Анолит АНК, в отличие от 0,5 — 5,0% - ных растворов гипохлорита, которые обладают только дезинфицирующим действием, является стерилизующим раствором при концентрации оксидантов в диапазоне 0,005 -0,05%, поскольку хлорноватистая кислота в сочетании с указанной смесью метастабильных оксидантов всегда присутствует в составе анолита АНК, имеющего значения рН ниже аналогичного показателя растворов гипохлорита. Хлорноватистая кислота и ряд других оксидантов в анолите АНК являются наиболее активными антимикробными агентами, по химической природе относятся к метастабильным эубиотикам.

Основным принципом технологии получения активированных растворов является использование униполярного совместного электрофизического и электрохимического воздействия на обрабатываемую среду, в результате чего происходит направленное изменение физикохимических, в том числе структурно-энергетических и каталитических свойств этой среды.

Метастабильность АДВ в составе анолита АНК исключает их задержку и накопление во внешней среде, что в свою очередь исключает возможность адаптации микроорганизмов к анолиту АНК, что особо важно в борьбе с внутрибольничными инфекциями. Сумма соединений активного кислорода и хлора в анолите АНК (суммарное содержание оксидантов) находится в пределах от 100 до 500 мг/л, что в десятки раз меньше, чем в большинстве рабочих растворов современных дезинфицирующих препаратов. Анолит АНК не вызывает коагуляцию белка, защищающего микроорганизмы и, благодаря разрыхленной структуре, легко проникает в микроканалы живой и неживой материи. Крайне малая суммарная концентрация соединений активного кислорода и хлора гарантирует полную безопасность для человека и окружающей среды при его длительном применении. При этом риск появления в среде хлорорганических соединений является изчезающе малым.

Перечисленные характеристики относятся к образцам анолита АНК, синтезированного в установках типа СТЭЛ-ЮН-120−01- СТЭЛ-60−03-АНК с электрохимическим реактором РПЭ в виде единичного проточного электрохимического модуля ПЭМ-3 или их блока по заложенным в указанные установки технологическим схемам. Анолит АНК отличается универсализмом действия и может применяться в разнообразных технологиях обеззараживания не только в ЛПУ, но и на других объектах, включая водоохранные и водораспределительные системы. Однако, недостатком анолита АНК, полученного в установках типа СТЭЛ-ЮН-120−01 и СТЭЛ-60−03-АНК является его коррозионная активность, препятствующая широкому применению для обработки медицинских изделий, подверженных коррозии. Возможности применения анолита АНК для обеззараживания медицинской оптики также ограничены. Эти негативные качества анолита АНК в значительной степени связаны с его относительно высокой минерализацией. Установки СТЭЛ-ЮН-12 0−01 и СТЭЛ-60−03-АНК, работающие в режиме, предусмотренном ТУ, не обеспечивают в анолите концентрацию оксидантов выше 500 — 600 мг/л.

Для устранения перечисленных недостатков проведены исследования, на основе которых созданы новые технологические схемы и технические средства синтеза анолита АНК с улучшенными свойствами. Улучшение свойств анолита достигнуто за счет снижения его минерализации при более высоком абсолютном и относительном (относительно уровня минерализации) содержании оксидантов. Созданы установки, синтезирующие анолит АНК с концентрацией АДВ до 1000 мг/л по эквиваленту «активного хлора» при минерализации не более 2,5 г/л. Подобный эффект достигнут благодаря иной технологической схеме работы электрохимического реактора. Путем уменьшения минерализации исходного раствора достигнуто снижение коррозионной активности и общей агрессивности анолита при усилении его антимикробных свойств. Для направленной модификации функциональных свойств свежеполученных электрохимически активированных растворов разработана технология внесения в анолит химических добавок, повышающих антикоррозионные и моющие свойства раствора.

Диапазон значений рН 6,5.7,5 анолита АНК является оптимальным для проявления его антимикробной активности. Установлено, что электрохимические реакторы в виде единичных элементов ПЭМ с керамической оксидно-циркониевой диафрагмой (элементы ПЭМ-3, ТУ 9451−021−44 464 870−00) или их блоков, используемые для электрохимической обработки разбавленных растворов электролитов, являются наиболее технически совершенными системами в сравнении с реакторами других типов. Это проявляется в более высокой степени преобразования разбавленных растворов электролитов и более значительных изменениях их физико-химических параметров при меньших удельных затратах электроэнергии, что повышает эффективность электрохимической активации и увеличивает срок службы реактора. На основании результатов сравнительных исследований установлено, что наиболее перспективным для практического использования является электрохимически активированный раствор — нейтральный анолит АНК с высоким удельным содержанием оксидантов (отношение общего содержания ионов к концентрации оксидантов в анолите АНК не превышает 3), который производится в установке СТЭЛ-АНК-30 «ЭКО-С», созданной в процессе выполнения данного исследования. Разработаны опытные образцы установок СТЭЛ, производящих анолит АНК с улучшенными показателями, и рекомендации по приготовлению рабочих растворов анолита АНК со средним и высоким удельным содержанием оксидантов, распространяющиеся на сферу ЛПУ и другие области применения антимикробных средств.

Эффект увеличения антимикробных свойств анолита и уменьшения его коррозионной активности нарастает по мере снижения минерализации и увеличения удельного содержания оксидантов в анолите и наиболее ярко проявляется для анолита АНК с высоким удельным содержанием оксидантов.

Введение

в анолит АНК с высоким удельным содержанием оксидантов синтетического моющего средства (CMC) типа «Лотос» в концентрации от 0,05 до 0,1% (масс.) позволяет резко повысить его моющую способность, усилить антимикробные свойства и уменьшить коррозионную активность.

Проникающая способность анолита АНК нового поколения через полупроницаемые мембраны (к числу таковых относятся биологические мембраны) повышена, что показано в макетном эксперименте. Поскольку анолит АНК при высокой относительной концентрации оксидантов не вызывает коагуляции биологического субстрата, существует хорошая перспектива его применения в качестве антисептика для лечебных целей [95.

103]. При контакте анолита АНК с кожными покровами человека и слизистыми оболочками отрицательных последствий не наблюдается.

Анолит АНК, полученный по новым технологическим схемам, удовлетворяет условиям высокой активности по показателям обеззараживания, является метастабильным препаратом, относится к категории эубиотиков в отношении соматических клеток животных и человека, характеризуется низкой агрессивностью и минимальной коррозионной активностью. Препарат может вырабатываться в больших объемах непосредственно на месте применения или храниться в течение до 10 суток, а также транспортироваться на значительные расстояния. В условиях возрастающего эпидемиологического риска в глобальном масштабе, связанного, в частности, с появлением т.н. «новых инфекционных болезней» и с возрастающим инфекционным загрязнением питьевой воды и среды обитания в современных мегаполисах, анолит АНК со средним и высоким удельным содержанием оксидантов, вырабатываемый в установках СТЭЛ-10−01 «КОМПАКТ», СТЭЛ-АНК-20−01 и СТЭЛ-АНК-30 «ЭКО-С» может быть предложен в качестве эффективного средства борьбы с микробиологической угрозой.