ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

В развитых странах применяются специальные системы, использующие принцип высокоэффективной фильтрации подающегося в помещение воздуха с помощью НЕРА фильтров (High Efficiency Particulate Air/Particle Absorption). Подобное “чистое помещение” - это сложное и дорогостоящее (десятки тысяч USD) инженерное сооружение, предназначенное не для уничтожения микроорганизмов, а для того, чтобы не допустить их в помещение и выдавить из него уже имеющиеся.

Принцип задержания частиц в НЕРА фильтрах основан не на ограничении способности частиц проникать в промежутки между волокнами (когда размеры пор/ячеек фильтра меньше размеров фильтруемых частиц - “эффект сита”), а в изменении линий воздушного потока, когда эффекты инерции, зацепления и диффузии являются основными с точки зрения фильтрационных процессов.

Эффективность НЕРА фильтров в задержании механических частиц, как правило, оценивается только самим производителем базируясь на методе DOP и на уровне не менее 99,97% для механических частиц размером до 0,3 мкм. Механизм фильтрации механических частиц изучен в достаточной степени, однако механизм фильтрации микроорганизмов остается одним из последних малоизученных применений НЕРА фильтров.

Аэрозольные биологические частицы отличаются от других частиц особыми характеристиками: индивидуальными размерами, формой, специфичной оболочкой и плотностью живой клетки, особыми условиями сцепления с материалами, способностью самостоятельно передвигаться и переносить неблагоприятные воздействия. Учет этих патогенных характеристик производителями НЕРА фильтров практически не ведется и микроорганизмы рассматриваются исключительно как механические частицы.

Теоретически, НЕРА фильтры должны быть эффективны против биологических частиц, но достоверных научных исследований, в которых НЕРА фильтры тестировались с живыми вирусами и бактериями в помещениях с людьми, до сих пор не представлено. Таким образом, количественные показатели реальной эффективности в мировой практике отсутствуют.

Первые эксперименты, проведенные в идеальных лабораторных условиях, указывали, что НЕРА фильтры могут удалять споры бактерий с эффективностью 99,9999 % и вирусы с эффективностью 99,999 % (Harstad 1969, Torne 1960). Но дальнейшие исследования показали, что результаты эксплуатации НЕРА фильтров в реальных условиях никогда не достигают параметров работоспособности, полученных в испытательских лабораториях.

НЕРА фильтры не предназначены для задержания частиц с размерами менее 0,3 мкм, а это размеры нанобактерий и всех вирусов. Осажденные на фильтре микроорганизмы и плесень размножаются и растут, проникая сквозь волокнистый слой фильтра далее в воздушную среду помещения.

Подробный анализ биологических частиц, проникающих через НЕРА фильтры, показал что подавляющее большинство проскакивающих микроорганизмов являются агентами нозокомиальных инфекций. Уровень проницаемости может быть незначительным, но потенциальный риск велик, и это обстоятельство, в дальнейшем, должно иметь решающее значение для применения НЕРА фильтров в медицине.

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

В основе НЕРА технологии лежит тонкая фильтрация однонаправленного воздушного потока. Основной принцип рабочей станции заключается в том, чтобы забрать воздух с помощью воздуходувки, уплотнить его в пространстве над фильтром и продуть сквозь НЕРА фильтр. После фильтра воздух проходит центральную область рабочей зоны, удаляя оттуда воздушные загрязнения и создавая, тем самым, условия для проведения специфических работ.

Фильтры НЕРА, как правило, состоят из рамки (1), изготавливаемой из картона или оцинкованной стали, внутри которой уложен фильтрующий материал (2) в виде гофр, опирающийся со стороны выхода воздуха на сетку гофрированной (волнообразной) формы (3).

 

 

ЭФФЕКТ СТЕРИЛИЗАЦИИ.

Принципиальное отличие технологии НЕРА фильтрации от активных методов обработки воздуха с использованием УФИ и Озона состоит в том, что фильтрование не уничтожает микроорганизмы, а лишь задерживает их с помощью сложной пространственной структуры фильтра.

Отсутствие эффекта инактивации биологических частиц позволяет живым клеткам сохранять способность к размножению и последующей миграции за пределы фильтра. Для стерилизации в некоторых системах устанавливают УФ облучатели или обрабатывают специальным составом волокна фильтра, но эффективность этих мер неизвестна.

Накопление, размножение и отмирание живых клеток в фильтрующих элементах может привести к появлению в воздухе продуктов жизнедеятельности живых и разложения мертвых микроорганизмов. Таким образом, фильтры могут стать источниками пирогенных веществ.

 

ЭФФЕКТ ФИЛЬТРАЦИИ.

НЕРА фильтр является ключевым звеном системы, от которого зависит эффективность работы всей воздухоочистительной станции. Эффективное использование НЕРА фильтров возможно только при условии трехступенчатой фильтрации подаваемого воздуха, где каждая из ступеней решает специфическую задачу:

Первая ступень фильтрации защищает систему воздухоподготовки от загрязнений, содержащихся в подаваемом наружном воздухе.

Вторая ступень фильтрации обеспечивает чистоту приточных воздуховодов от загрязнения и располагается как последний элемент системы воздухоподготовки.

Третья ступень—собственно НЕРА фильтр, обеспечивающий чистоту приточного воздуха непосредственно в помещение.

Без дополнительных фильтров очистки воздуха невозможно обеспечить срок службы НЕРА фильтра 6-12 месяцев. Многоступенчатая фильтрация воздуха ведет к увеличению аэродинамического сопротивления сети и требует повышенного давления.

Механизм фильтрации частиц.

Высокоэффективные НЕРА фильтры содержат волокна диаметром 0,65—6,5 мкм, расстояние между которыми составляет от 10 до 40 мкм. Принцип HEPA фильтрации основан не на ограничении способности частиц проникать в промежутки между волокнами (эффект сита), а в изменении линий воздушного потока.

Эффект сита действует, когда расстояние между двумя волокнами меньше диаметра частицы. Этот тривиальный эффект крайне нежелателен в НЕРА фильтрах, но избавиться от него практически невозможно. В этом случае фильтр блокируется осевшими частицами, затрудняется прохождение воздуха через него, уменьшается скорость фильтрования, увеличивается давление, срок службы фильтра сокращается.

Эффект инерции проявляется для всех частиц размером более 1 мкм. Благодаря большой инерции частица аэрозоля при набегании на препятствие не следует линии тока и не отклоняется вместе с воздухом, огибающим волокно, а продолжает прямолинейное движение до непосредственного столкновения с препятствием. Эффект инерции не существенен для обычных скоростей фильтрации и большинства микробиологических размеров, и пренебрегается во многих моделях фильтров, поскольку для этого вполне достаточно эффекта зацепления.

Эффект зацепления проявляется если линия тока воздуха проходит близко к фильтровальному волокну. Тогда любая частица размером 1 мкм и более зацепляется за препятствие внутри целого ряда волокон благодаря природным силам. Вероятность этого очень высока, поскольку воздушный поток проходит через огромное количество волокон.

Эффект диффузии имеет значение для частиц, приближающихся к молекулярным габаритам (размерами менее 0,1 мкм) с соответственно небольшой массой, которые совершают хаотическое инерционное движение в стороны от линий воздушного тока (броуновское движение). Диффузионные частицы беспорядочно перемещаются на расстояния, превышающие их диаметр, и этот феномен виновен в их прикреплении к волокнам. Малые скорости воздушного потока увеличивают вероятность касания волокна частицей, поскольку она проводит больше времени вблизи него. Однако впоследствии частица может открепиться от волокна и снова вернуться в воздушный поток.

Эффекты инерции (impaction), зацепления (interception) и диффузии (diffusion) являются основными с точки зрения фильтрационных процессов в НЕРА фильтрах – нижний график № 4.

Хотя НЕРА фильтры теоретически способны удалять частицы с размерами вплоть до 0,01 микрона, показатели их работы в этом диапазоне не линейны и эффективность фильтрации резко снижается. Для волокнистых фильтров существует размер частицы с максимальной проникающей способностью — Most Penetrating Particle Size (MPPS). Для НЕРА фильтров точка MPPS находиться в интервале между 0,1 и 0,3 мкм. Коэффициент фильтрации в этом промежутке крайне нестабилен и зависит от скорости воздушного потока, влажности воздуха и др. факторов – нижний график № 2.

Механизм удерживания частиц.

К настоящему времени механизм удерживания частиц НЕРА фильтрами рассмотрен в предположении, что соприкоснувшись с волокном, частица присоединяется к нему статическим электрическим притяжением или же просто физическим креплением. Благодаря этим поверхностным силам (силы Ван-дер-Ваальса) частицы будут удерживаются в фильтрующем элементе.

Это бесспорно для частиц небиологического происхождения. Механика взаимодействия биологических частиц с волокнистой структурой НЕРА фильтра имеет иную природу.

Прежде всего необходимо принять во внимание тот факт, что биологические частицы являются динамическими живыми организмами, которые не хотят оставаться прикрепленными к сухим поверхностям без питательной среды. Способность бактерий и простейших микроорганизмов к целенаправленному движению генетически обусловлена наличием на их поверхности разного рода жгутиков и ворсинок (нижний рисунок № 1). С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются. Некоторые бактерии перемещаются, выбрасывая слизь.

Биомеханические свойства микроорганизмов наглядно доказаны с помощью электронной микроскопии и количественной обработки электронных микрофотографий.

Подвижные микроорганизмы двигаются к химическим аттрактантам (привлекающим веществам – питательной среде) и уклоняются от химических репеллентов (неприятельских веществ). Подвижные бактерии сами могут освобождать себя от прикрепления к фильтрационным волокнам и вновь возвращаться в воздушный поток и, таким образом, двигаться вдоль волокон в поисках влаги, сырости и питательных веществ.

Не существует никаких официальных результатов по фактическому применению HEPA фильтрации (для людей) в помещениях с патогенной микрофлорой и количественные данные о реальной эффективности этого метода в мировой практике отсутствуют. Существуют отчеты лечебных учреждений о том, что бациллы туберкулеза (1-5 микрона прутковые бактерии) проникают сквозь HEPA фильтры. Для бактерий данного размера это вполне возможно, если учесть тот факт, что они не хотят оставаться прикрепленными к сухим волокнам без питательной среды.

Накопленные в фильтрах живые микроорганизмы способны расти на среде без добавления питательного вещества. Концентрация биологических частиц приводит к ускорению их размножения, “прорастанию сквозь” фильтр (напр. Escherichia coli) и усиленному выделению микробных токсинов. При конденсации в фильтрах влаги или недостаточном уходе существует риск развития в них плесени. Размножение микрофлоры ведет к интенсивному забиванию пор фильтра и резкому снижению его фильтрующей способности. В этих случаях концентрация частиц биологического происхождения может быть на выходе фильтра больше, чем на входе. Ниже представлено фото НЕРА фильтра, на котором в процессе эксплуатации осела и размножилась плесень, которая впоследствии с проходящим через фильтр потоком воздуха привносилась в операционное помещение одной из больниц США.

Практика использования воздухоочистителей с НЕРА фильтрами при создании “чистых помещений” показала, что накопленные на фильтрах микроорганизмы, в последствии, мигрируют в окружающую среду. Это обстоятельство заставляет проектировщиков “чистых помещений” в ситуациях с опасными микроорганизмами использовать даже двойную НЕРА фильтрацию воздуха. Частичным решением является установка некоторыми производителями бактерицидных ламп с тыльной стороны фильтров, однако эффективность невысокая, а также добавляются проблемы с озоном и токсинами из-за использования ультрафиолетового излучения.

В настоящее время не существует научных сведений об измерении влияния подвижности или эффекта “прорастания сквозь” на эффективность микробиологической фильтрации. Расчет вероятности проникновения микроорганизмов через НЕРА фильтры и эффективность устранения биологических частиц в терминах процента удерживания неизвестны.

Отработавшие установленный ресурс НЕРА фильтры не подлежат регенерации и после накопления предельного количества загрязнений должны заменятся новыми. Если фильтры использовались для очистки воздуха от опасных микроорганизмов, то их демонтаж и утилизация требуют специального комплекса мероприятий.

НЕРА фильтры не эффективны против вирусов и микроорганизмов размерами менее 0,3 мкм. Как отмечается некоторыми биологами, использование НЕРА фильтров может спровоцировать эволюционное давление этих малых микроорганизмов.

НЕРА фильтр в составе воздухоочистительной системы.

Огромное значение для коэффициента фильтрации воздухоочистительной системы имеет качество фильтров, их установка и сопровождение. Даже ничтожные допуски в подгонке фильтров к каркасам креплений могут серьёзно ухудшить общие показатели станции. Испытания указывают на наличие утечек в фильтрах или каркасах, их последующее перемешивание с потоком отфильтрованного воздуха, но не указывают общую фактическую эффективность процесса фильтрации. Предполагается, что если все эти негативные причины устранены, то эффективность станции может приблизиться к заявленному изготовителем уровню фильтрации. На практике, даже при соблюдении всех требований по допускам в установке НЕРА фильтров, уровень фильтрации уступает лабораторным показателям.

Если целостность фильтра, уплотнения или подгонки к крепежным каркасам нарушена, то потребитель ничего не знает об этих дефектах до тех пор, пока не возникает чрезвычайная ситуация в форме загрязнения или инфицирования рабочей поверхности (что неприемлемо в медицине). Из-за отсутствия экспресс-методов определения микробной обсемененности воздуха, установление текущей эффективности станции в деконтаминации воздушной среды довольно проблематично.

Применение НЕРА фильтров требует создания и поддержания строгих условий режима эксплуатации: температуры, влажности, скорости воздушного потока и давления. Для исполнения этих требований приходится монтировать специальные системы подготовки воздуха:

o                     Системы подогрева и охлаждения воздуха;

o                     Системы увлажнения и осушения воздуха;

o                     Системы контроля давления и скорости воздушного потока.

Строгое соблюдение заданных параметров воздуха позволяет обеспечить высокоэффективную фильтрацию, но существенно увеличивает стоимость 1 кубометра очищенного воздуха.

Слой пыли, накапливающийся из осевших частиц, со временем затрудняет прохождение воздуха сквозь фильтр. Давление воздуха на фильтр возрастает и требует специальной системы контроля, иначе избыточное давление может “продавливать” частицы сквозь фильтр. Подпирающие давление воздуха помогает удерживать осевшие частицы, но вынуждает воздухоочистительную станцию работать в непрерывном режиме. В противном случае возникает эпидемиологический риск миграции микроорганизмов в окружающую среду.

Системы подготовки и поддержки постоянными параметров воздуха в помещениях с НЕРА фильтрами ведут к 10-20 кратному увеличению потребления энергии по сравнению с обычными рабочими помещениями.

Изменение ионного и газового состава атмосферного воздуха.

Преобразование первичного атмосферного воздуха в кондиционированный с заданными параметрами микроклимата сопровождается серьезными потерями свежего воздуха: происходит изменение качественно-количественной аэроионной характеристики воздуха и уменьшение естественной природной концентрации озона.

Исследования А.Л. Чижевского, Е.М. Ладыжского (1957) и других ученых показали, что “В результате обычных методов обработки воздуха в системах кондиционирования (фильтрация, осушение, охлаждение и т.п.) ионный состав его резко снижается или происходит полная деионизация воздуха. В воздухе, не содержащим ионы, не могут нормально протекать процессы жизнедеятельности любого живого организма”. Экспериментально доказано, что животные, постоянно находившиеся в тщательно отфильтрованном воздухе, неминуемо гибли в течение 2-х недель.

Исследования в отношении содержания озона показали, что на различных этапах обработки воздуха в системах кондиционирования происходят закономерные изменения: фильтрация воздуха в системе уменьшает естественную концентрацию озона на 13-18 %, затем озон сильно разрушается в нагретом калорифере, значительное поглощение озона происходит при прохождении воздуха через камеру орошения—происходит снижение концентрации еще на 50-70 %, прохождение воздуха через воздуховоды ведет к дальнейшему снижению концентрации озона в 5-30 раз. Все это приводит к тому, что естественная природная концентрация озона в помещениях уменьшается в 40 раз.

 

ПРИСУТСТВИЕ ЛЮДЕЙ.

Присутствие людей в помещении не ограничено. Однако, постоянное и длительное нахождение людей в деионизированной воздушной среде может неблагоприятно отразиться на их здоровье: лишенный аэроионов воздух—"мертвый воздух", ухудшает здоровье и ведет к заболеваниям (многочисленные опыты А. Л. Чижевского, доктора Кияница и других ученых).

О патологическом действии деионизированного воздуха Чижевский пишет:

“При проходе через ватные, угольные, масляные, марлевые и др. фильтры воздух лишается всех аэроионов. То же наблюдается при прохождении воздуха через вентиляционные системы и установки для кондиционирования. Поэтому фильтрацию воздуха и некоторые другие виды обработки, без дополнительной ионизации, следует считать недопустимыми при снабжении воздухом жилых и общественных зданий”.

 

Недостатки данного метода:

1. Отсутствие механизма инактивации задержанных биологических частиц.

2. Не эффективен в задержании вирусов и микроорганизмов размерами менее 0,3 мкм.

3. Деионизация обрабатываемого воздуха.

4. Фильтр имеет ограниченный ресурс и не подлежит регенерации.

5. Требуется непрерывная работа воздухоочистительной станции.

6. Высокая стоимость системы и 1м³ очищенного воздуха;

7. Системы воздухоочистки требуют специального монтажа с обязательной реконструкцией помещений.

8. Большие энергозатраты.

 

РЕЗЮМЕ.

Фильтр не обязательно должен быть НЕРА, чтобы обеспечить существенное снижение микробной концентрации в фильтруемом воздухе. Анализ различных фильтров показывает, что даже средней эффективности фильтр может удалять большинство бактерий и спор также как высокоэффективный НЕРА фильтр, особенно в рециркуляционной системе.

Высокая эффективность фильтрации твердых частиц данного метода общеизвестна, однако эффективность очистки воздуха от биологических аэрозолей весьма сомнительна. В целом, для воздухоочистительных систем данного типа характерны высокие энергопотребление и шумность в работе, большое воздушное сопротивление, малый ресурс эксплуатации, а также высокая стоимость, что ограничивает их широкое распространение.

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ