低温汽化过氧化氢纳米雾发生器的特点及应用效果

摘

要：目的：研制低温汽化过氧化氢纳米雾发生器并将其用于空间消毒。方法：从产品结构特点、雾化粒子的大小以及空间灭菌效果等方面进行研究。结果：低温汽化过氧化氢纳米雾发生器结构简单，安装、使用和维护管理方便，可用于空间消毒灭菌。结论：低温汽化过氧化氢纳米雾发生器在消毒灭菌领域具有广阔的应用前景。关键词：低温汽化过氧化氢；纳米雾；LT-VHP；空间消毒灭菌

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引言过氧化氢（H2O2）是一种应用于食品、饮料、医疗、器械和卫生保健领域的天然存在的化学物质。医用过氧化氢（俗称双氧水）常用浓度为3%，能破坏细菌菌体，杀灭细菌。过氧化氢杀灭细菌后的分解产物是水和氧气，不会形成二次污染，也不会产生耐药性。因此，医用双氧水是用于伤口消毒的理想消毒剂。但是，过氧化氢溶液用于杀灭高抗性微生物，如细菌芽孢和霉菌时需要较高的浓度和较长的接触时间。美国FDA批准Reckitt&ColmanInc.生产的7.5%过氧化氢消毒液用于物体表面高水平消毒时，需要在20℃下浸泡6h。20世纪80年代，美国的研究人员首先发现汽态过氧化氢的灭菌能力大于液态过氧化氢达200倍以上。过氧化氢在汽态下仅需较低的浓度即可达到高浓度液态过氧化氢具备的杀孢子能力，并由此出现了两种不同的利用过氧化氢气体的消毒灭菌技术，即汽化过氧化氢灭菌技术和过氧化氢“干雾”消毒灭菌技术。1990年，汽化过氧化氢灭菌技术正式通过美国EPA核准，并很快在各个工业领域得到运用。汽化过氧化氢灭菌技术大多是利用闪蒸技术，将高浓度的过氧化氢溶液（一般大于30%）滴加至加热的光滑金属物体表面，使其瞬间汽化为2～6μm的颗粒。目前，汽化过氧化氢灭菌法已成为各国药典、消毒灭菌技术规范所推荐的方法，灭菌工艺非常成熟，重复性好，有专门的化学指示剂和生物指示剂验证过氧化氢气体分布均匀情况和无菌保证水平，已广泛应用于生物制药、医疗卫生、生物实验室和动物研究实验室等诸多领域。该技术的主要缺陷在于：（1）设备结构复杂，针对不同的空间大小，过氧化氢的浓度参数不易控制；（2）过氧化氢气体输送管道从发生器的出口开始到扩散至末端的整个管路必须要保持在60℃以上的温度，否则过氧化氢汽化后会冷凝，达不到预期的消毒灭菌效果；

（3）设备价格比较昂贵；（4）若使用高浓度过氧化氢（一般大于30%），对普通的彩钢板和环氧地面有一定的腐蚀性。过氧化氢“干雾”消毒灭菌技术是利用特殊的喷雾设备将过氧化氢消毒液雾化为粒径小于10μm的小颗粒，这些小颗粒在空中可在短时间内将其水分迅速挥发成为干颗粒，即所谓的“干雾”技术。研究表明，雾化粒子越小，在空气中悬浮的时间越长，就越有机会与空气中的细菌充分接触而达到消毒灭菌的目的。这种喷雾设备所用过氧化氢消毒液的浓度一般为5%～10%，生产成本较低。但是，目前市面上所有的喷雾设备均没有设计标准的进气口和连接管道，因此不适合小型密闭空间，如传递舱、隔离器、冻干机、生物安全柜、生物培养箱和气闸间等的消毒灭菌。该消毒灭菌技术的雾化颗粒一般为5～10μm，颗粒较大，扩散效果并不理想，且由于雾化的颗粒含有大量水分，近距离对准被消毒物体雾化时，会润湿物体表面而产生腐蚀，特别是对环氧地面和彩钢板容易产生腐蚀，雾化时必须远离墙壁、地面以及其他易腐蚀设施，因此不适用于较小的含有彩钢板或环氧地面的空间使用。理想的过氧化氢灭菌技术应该是向低浓度、高扩散、不同介质参与的方向发展。为了解决现有汽化过氧化氢灭菌技术以及雾化过氧化氢灭菌技术存在的问题，特别是解决其腐蚀性和扩散性问题，过氧化氢纳米雾技术，即过氧化氢（LT-VHP）纳米雾发生器。LT-VHP纳米雾发生器是一种将低温汽化技术和雾化技术完美结合的产物，拥有多项专利技术。其工作原理：首先，将消毒液进行雾化、分离制成小于10μm的小颗粒；然后，利用高速风机产生的能量将小颗粒进行蒸发汽化，形成与细菌大小相当或更小的干燥小微粒（纳米雾）；最后，在高速风机的作用下，将形成的纳米雾通过喷雾或管道输送至待消毒灭菌的空间进行消毒或灭菌。由于这种干燥的小微粒（纳米雾）大部分与细菌大小相当或更小，能够长时间悬浮在空气中，并与空气中的微生物充分接触而达到灭菌目的，同时由于这种小微粒含水量较低，因此对消毒空间内的物体及其表面也没有腐蚀性

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低温汽化过氧化氢（LT-VHP）纳米雾发生器的设计1.1

功能设计（1）利用文丘里（Venturi）原理，对过氧化氢消毒液进行雾化，形成粒径小于10μm的液滴（湿颗粒）；（2）利用大小液滴的不同性质，对大小液滴进行分离：小颗粒有弹性，碰到光滑物体表面会反弹，反弹的小颗粒会被干燥浓缩，并被高速气流吹至指定区域进行消毒灭菌，大颗粒则没有弹性，碰到光滑物体表面会被吸附形成更大的液滴，回流至储液器中进行再次雾化；（3）在室温（低温）条件下进行汽化：利用雾化系统中高速风机自身产生的风能对雾化分离后的颗粒进行汽化干燥，既能确保消毒剂不会因高温分解（过氧化氢不稳定，高温极易分解），又能确保产生的消毒液蒸汽不会因温度的降低而出现凝结；（4）将形成的纳米雾注入可密闭空间进行消毒灭菌。1.2

结构设计低温汽化过氧化氢（LT-VHP）纳米雾发生器的主体结构如图1所示，主要由过氧化氢消毒液喷雾系统、分离汽化系统、控制系统、过氧化氢分解检测系统、管道连接系统和外接电动万向喷雾头6个部分组成。1.2.1

过氧化氢消毒液喷雾系统该系统主要由过氧化氢储液器、高速风机和专用喷雾头3个部分组成。主要功能：利用系统文丘里（Venturi）原理，将过氧化氢消毒液喷雾成粒径小于10μm的湿颗粒。1.2.2

分离汽化系统该系统主要由多级分离汽化腔室组成。主要功能：利用大小液滴的性质不同，对大小液滴进行分离汽化，将小颗粒进行汽化干燥得到粒径小于1μm的干颗粒（纳米雾），将大颗粒吸附形成更大的液滴，回流至储液器中进行再次雾化。1.2.3

控制系统该系统主要由微电脑时间程序控制器组成。主要功能：对消毒灭菌过程进行程序控制。1.2.4

过氧化氢分解检测系统该系统主要由过氧化氢分解装置和过氧化氢检测装置组成。主要功能：在对小型设备，如冻干机、传递窗和生物安全柜等进行循环灭菌时，对残留过氧化氢进行分解破坏，并对过氧化氢的灭菌浓度和残留浓度进行检测。1.2.5

管道连接系统该系统是由一系列连接软管和配套的接头组成。主要功能：在对小型设备，如冻干机、传递窗和生物安全柜等进行循环灭菌时，用于将主机与相应的设备进行连接。1.2.6

电动万向喷雾头电动万向喷雾头是一个顶端带有弯头的可旋转喷雾头。主要功能：用于连接主机的出口。在用于大型空间消毒灭菌时，可使消毒剂均匀地向四面八方进行雾化，缩短灭菌时间。

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低温汽化过氧化氢纳米雾发生器的特点及应用领域2.1

与现有过氧化氢空间消毒灭菌设备比较低温汽化过氧化氢纳米雾发生器与现有过氧化氢空间消毒灭菌设备的比较如表1所示。2.2

产品特点低温汽化过氧化氢纳米雾发生器是一种可以在室温条件下产生“纳米雾”的汽化过氧化氢设备，主要特点如下：（1）采用独有的过氧化氢汽化专利技术，使汽化后产生的过氧化氢微粒小于1μm（与细菌大小相当或更小），可长时间悬浮在空气中进行无规则的布朗运动，确保对复杂区域的渗透和灭菌效果；（2）低温条件下利用高速风机产生的能量对雾化后的微粒进行汽化，避免了高温汽化过氧化氢技术造成的过氧化氢分解破坏和遇冷凝结的现象；（3）可使用低浓度过氧化氢消毒液，避免了使用高浓度过氧化氢出现的腐蚀现象；（4）低温汽化产生的微粒（纳米雾）比较干燥，在接触物体表面后会产生反弹作用，不像大的湿颗粒会凝结在一起形成液膜或液滴，不会湿润被消毒灭菌的物体表面而产生腐蚀；（5）采用高速风机送风系统，能使产生的纳米雾微粒有效到达洁净区的不同区域，并可应用于结构复杂的空间，如冻干机等设备的消毒灭菌；（6）配有标准的进气口和出气口，可自由选配相应的连接软管和配件，使用灵活简便，一台发生器可对多种设备，如传递窗、冻干机和生物安全柜等进行消毒灭菌；（7）配有过氧化氢催化分解系统或过氧化氢浓度系统（选购件)，符合GMP验证要求；（8）配有电动万向喷雾头，在用于大型空间（如房间）消毒时，可做到360°旋转喷雾无死角，确保了产生的纳米雾微粒均匀分布在消毒空间的每个角落；（9）单台设备理论上可用于0～500m3的空间消毒，部分型号的设备可用于大于500m3的大型空间，在进行空间消毒的同时，还可对空间内的物体表面进行消毒；（10）消毒时间1～4h，较传统的甲醛消毒时间大为缩短；（11）配有时间程序控制系统，确保每天按设定的程序对不同的空间进行消毒或灭菌，无需操作人员在场；（12）配有汽化速度调节系统，确保过氧化氢在室温条件下充分汽化，并根据需要对汽化速度进行调节；（13）配有空气净化系统，避免消毒液被污染，并延长了高速电机的使用寿命；（14）无需外接气源，独有的专利喷嘴和消毒液过滤系统，消除了堵塞风险；（15）结构坚固，维护简单，一年质保，终身维护。2.3

应用领域LT-VHP纳米雾发生器可广泛应用于可密闭空间和各种人造设备的消毒灭菌，是一种可以取代甲醛或臭氧等传统消毒灭菌方法的理想设备。其应用领域：（1）制药工业：无菌检验室、无菌药品生产车间、隔离器、传递窗、冻干机等；（2）医疗系统：手术室、ICU、负压病房、发热门诊、血液科病房、新生儿病房、急救车等；（3）食品工业：无菌检验室、食品生产和包装区域等；（4）生物安全：P2/P3/P4实验室、动物房等；（5）其他：可密闭和排风的中央厨房、中央空调系统、公共交通系统等。

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试验及结果分析LT-VHP纳米雾发生器雾化的试验主要项是粒子大小的测定及分布。以6%荷普威活性过氧化氢消毒液为例，对LT-VHP纳米雾发生器产生的粒子大小进行测定。由于该发生器所产生的过氧化氢粒子比较干燥且大部分粒径小于1μm，因此不适合用常规的激光粒谱测试仪对其粒子大小进行测定（激光粒谱测试仪只适合测定粒径大于1μm的粒子）。为此，我们采用专用的尘埃粒子检测仪——CLJ-BII（D）型尘埃粒子计数器对其粒径大小及分布进行了测定。3.1

试验场地某GMP车间洁净区房间，高2.8m、宽4.4m、长6.5m，空间总体积约80m3。3.2

试验方法参照CLJ-BII（D）型尘埃粒子计数器使用说明书，开启尘埃粒子检测仪器电源开关，设置好相关参数（测试周期：60s，采样量：28.3L/min），将尘埃粒子检测仪器采样管口分别放置于离LT-VHP纳米雾发生器出口0.25m、0.5m和1m处，检测过氧化氢消毒液雾化后所产生的粒子大小及分布情况。3.3

试验结果分析表2为尘埃粒子计数器测定的不同地点雾化粒子大小分布统计结果。由表2可知：LT-VHP纳米雾发生器对6%过氧化氢消毒液雾化后所产生的粒子绝大部分小于1μm（占60%以上），主要分布在0.3～0.5μm。随着测定距离的增加，小粒子数有所增加，大粒子数有所减少，但当测定距离大于0.5m后，测定结果无明显变化。这说明所用过氧化氢消毒液经过LT-VHP纳米雾发生器雾化后形成了真正意义上的干雾。理论上，当过氧化氢消毒液的浓度为10%时（含水90%），粒径小于10μm的湿颗粒，经过分离汽化系统浓缩干燥后即可形成粒径小于1μm的干燥小微粒；当过氧化氢消毒液的浓度为1%时（含水99%），粒径小于10μm的湿颗粒，经过分离干燥系统浓缩干燥后即可形成粒径小于0.1μm的干燥小微粒，即达到纳米级微粒。由于最后雾化出口形成的干燥小微粒大部分与细菌大小接近，能够长时间悬浮在空气中，并与空气中的微生物充分接触而达到灭菌目的，同时这种小微粒所含水分较低，因此对消毒灭菌空间内的物体和表面也没有腐蚀作用。4

应用实例以某洁净生产车间为例，验证NMW-1A型LT-VHP纳米雾发生器用于房间（大型空间）的消毒方法及效果。4.1

使用流程（1）将设备带入洁净区前，先用沾有纯化水或75%乙醇的湿抹布将设备表面的灰尘清除干净；（2）测量待消毒区域的空间大小V（长×宽×高，m3），计算消毒液的使用体积V（mL），再根据消毒液的使用体积，测试本设备的汽化速度S（mL/min），最后计算所需喷雾时间t（min）；（3）通过消毒液加入口（纳米雾输出口）向设备中加入适量的6%荷普威活性过氧化氢消毒液（杀孢子剂），注意贮液系统中消毒液的总量不可超过2000mL；（4）检测纳米雾发生器运转是否正常：手动开启电子时间程序控制器开始喷雾，同时用移动式过氧化氢浓度检测仪检测出口处过氧化氢的浓度，如果出口处过氧化氢的浓度大于150ppm，表明设备运转正常；（5）设置电子时间程序控制器的自动开机时间和关机时间或者程序开关方式；（6）将配备的电动万向喷雾头插入设备的雾化出口内，并连接好电源线；（7）在不同区域放置过氧化氢生物指示剂和化学指示剂（碘化钾淀粉试纸）；（8）关闭房间内所有循环风机，所有门缝用胶带密封，接通电子时间程序控制器的电源，当到达设定的启动时间后设备即开始自动喷雾消毒，电动万向喷雾头开始自动旋转；（9）当到达设定的关机时间后，设备即停止喷雾并自动关闭电源，密闭60～90min（具体的密闭时间需根据空间大小及复杂程度通过验证确定）；（10）当达到规定的密闭时间后，开启空调系统通风30min以上，排除残留的消毒剂（用过氧化氢检测仪检测残留量小于1ppm）；（11）检查过氧化氢化学指示剂是否变色以及实际消耗的消毒液体积是否与计算所需消毒液的体积一致。4.2

效果验证及方法4.2.1

试验材料生物指示剂（嗜热脂肪芽孢杆菌孢子，孢子量104

CFU/片，含同一批号生物指示剂专用培养液）和TSA；6%荷普威活性过氧化氢消毒液（专用杀孢子剂）。4.2.2

试验场地某GMP净化车间，车间高2.8m、宽4.4m、长6.5m，空间大小约80m3。4.2.3

试验方法用NMW-1A型纳米雾发生器对上述80m3的GMP净化车间进行消毒试验。根据车间空间大小，按照上述使用流程，分别按照5mL/m3和10mL/m3的消毒液用量进行消毒（相当于使用400mL和800mL消毒液）。喷雾时，将设备置于车间正中间，5片生物指示剂和5片过氧化氢化学指示剂分别放置在车间中间（编号3）和四个不同角落（设备喷雾头前方两个角落编号分别为1和2，设备喷雾头后方两个角落编号分别为4和5），所有生物指示剂垂直放置，离地面的高度均为1m，并充分暴露于空气中。当消毒液喷雾完毕后，将房间密闭60～90min后，再排风30min，除去残留的消毒剂，使其达到安全水平（检测空气中过氧化氢浓度小于1ppm）。按无菌操作方法，取出生物指示剂（芽孢条），放入对应编号的嗜热脂肪芽孢培养液中，按照所购生物指示剂的使用说明书，置于恒温培养箱中，在55～60℃培养24h后观察。同时，取同批生物指示剂1片作阳性对照。经过24h培养，若培养液变浑浊，颜色由紫色变为黄色则判定为阳性；若培养液澄清，颜色不变色则为阴性。继续培养至第7天，如果培养液变为黄色，则判定为消毒不合格；如果培养液仍为紫色，则判定为消毒合格。4.2.4

验证结果4.2.4.1

对空间消毒效果的验证结果表明：当6%荷普威活性过氧化氢消毒液的用量为5～10mL/m3，密闭时间为60～90min时，即可对80m3的房间进行消毒，并满足消毒要求（即可杀灭104的孢子）。4.2.4.2

对表面消毒效果的验证采用6%荷普威活性过氧化氢消毒液进行空间