專利名稱：等離子增強真空干燥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及抽真空的干燥方法。具體言之，本發(fā)明涉及使用等離子激勵增強的真空干燥。
對于醫(yī)療器具等滅菌的某些新商用體系是利用低溫反應性氣體等離子體來達到快速，低溫，低濕的醫(yī)用物品滅菌。低溫氣體等離子體有時被描述為反應性氣云，它可含有離子，電子，和/或中性原子顆粒。這種狀態(tài)的物質，可通過電場或磁場或者通過諸如高能粒子流的外加力的激活而產生。電場一般可在任何頻率范圍(天然產生等離子的實例是北極的極光或叫北極光)。等離子滅菌的商售實施方案是STERAD滅菌工藝，與本發(fā)明共同轉讓。STERAD工藝是以下面方式實現(xiàn)的。將待滅菌的物品放入滅菌艙室，關閉艙室并抽真空。向艙室內注入過氧化氫水溶液并使之蒸發(fā)到艙室中，使得它們環(huán)繞待滅菌物品。滅菌艙室的壓力復原后，利用射頻能建立電場引發(fā)低溫氣體等離子。在等離子體中，過氧化氫解離成為活性物質，與微生物碰撞/反應并殺死微生物。激活成分與有機物反應或彼此反應之后，它們失去其高能量并再化合生成氧，水和其他無毒副產物。等離子要維持足夠的時間，以達到滅菌和去除殘留物。該工藝完成時關掉射頻能，釋放真空，使艙室回復大氣壓力，回復方式為引入高效濾除顆?？諝?HEPA)即可。
上述滅菌體系可通過環(huán)氧乙烷和蒸汽安全地處理目前常用的滅菌醫(yī)療物品，除亞麻布之外其他纖維材料，粉末和液體皆可。開始滅菌后經(jīng)一小時多一點滅菌的物品即可備用。這種工藝不需要充氣，沒有有毒殘留物或放射物。滅菌器具的制備與當前實踐類似清潔器具，組配，和包卷。該體系通常使用非紡織聚丙烯包卷，市場有售，和特殊托盤及容器系統(tǒng)。在長而狹窄的腔型儀器上安放特定的適配器可使它的通道快速滅菌。要使用特殊配置的化學指示計，以及特別設計的生物指示計試驗組件。
STERAD等離子滅菌體系的功效說明如下(1)可殺廣譜的微生物；(2)可以全滅菌輻照循環(huán)一半之少的量殺死高抗菌孢子；(3)可在16種不同的常用醫(yī)療物品基底上殺死高抗菌孢子。根據(jù)專門設計的等離子滅菌體系，因而可對醫(yī)療器具和其他醫(yī)院制品提供安全有效的滅菌方法。
最佳作業(yè)中，上述這種等離子滅菌體系要求待滅菌的載荷十分干燥。然而在滅菌器具的制備中醫(yī)院正常的實踐常常造成一定程度的過量水存在。這種過量水使引發(fā)滅菌處理所需要的低壓閾值的獲得十分困難。為引發(fā)滅菌處理，艙室壓力優(yōu)選降至相當?shù)偷某潭?，例如大約200-700mTorr(毫拖)。由于水的平衡蒸汽壓于室溫明顯高于200-700mTorr，在艙室或載荷中任何水于真空相內開始蒸發(fā)。水蒸所需要的蒸發(fā)熱造成載荷及剩余的水冷凝。蒸發(fā)足夠量的水時，剩余的液體開始結凍。最后，剩余液體全部凍結，結果減慢了蒸汽產生的速度并延遲獲得滅菌最佳作業(yè)所需要的壓力水準。這些情況使得滅菌循環(huán)不希望地加長甚或中止滅菌循環(huán)。為避免這個問題，需要一種在艙室中防止或去除任何固態(tài)水的方法，使得能快速獲得滅菌所需要的壓力。
真空中表面氣態(tài)離子轟擊，通常叫作濺射，常用來從表面去除吸附的分子物質，甚至去除材料本身的表面層。雖然知道，惰性氣體等離子可在高或超高真空系統(tǒng)中增強除氣，但等離子和表面之間能量和動量的改變也會導致表面材料的損傷，以及吸附物質的發(fā)射。顯然，具有材料損傷的濺射對滅菌處理是不能接受的。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種滅菌方法，其中首先將待滅菌的物品置于密封艙室中。然后向艙室施加真空。在預定的第一真空壓力時艙室內產生等離子體。這種第一個等離子體通過將能量輸送給滅菌器里存在的任何冰或水的方式增強待滅菌物品的干燥，從而促進真空蒸發(fā)。在第一壓力產生的等離子體優(yōu)選在一個時間周期后終止，該時間與存在濕潤劑的數(shù)量成正比。進而施加真空至第二個預定壓力，該壓力低于第一壓力。最后向艙室注入滅菌氣體，并可施加射頻能量或其他能量來產生帶有滅菌氣體的等離子體。經(jīng)過充分時間后物品被完全滅菌，艙室放氣至大氣壓并取出物品。
按照本發(fā)明的另個目的，第一預定真空壓力為大約700mTorr，第二預定壓力程度為大約300mTorr。產生等離子體的同時，繼續(xù)抽真空至壓力達到大約300mTorr。作為選擇，射頻發(fā)生器運行預定的時間周期，在此之后關閉射頻發(fā)生器同時繼續(xù)抽艙室真空。達到第二預定壓力程度時，諸如過氧化氫的反應性流體引入滅菌器。讓該流體擴散遍布滅菌器許多分鐘，然后使滅菌器里面抽到第二個真空。當真空達到大約500mTorr時，使射頻發(fā)生器運行經(jīng)第二個時間。在等離子滅菌裝置中，RF能引發(fā)了等離子，它是剩余空氣分子和將其轉換成眾多高反應性物質的滅菌氣體分子的等離子。這些反應性物質可攻擊艙室內存在的任何微生物，使其失活。RF發(fā)生器運行足夠的時間并完成滅菌之后，關斷RF發(fā)生器，通過合適的過濾器排放真空至大氣壓。
通過從滅菌器里去除水，本發(fā)明等離子干燥技術有益地減少了所需要的時間，即滅菌處理的引發(fā)相期間滅菌器內抽到所需要真空的時間。確實，若待滅菌材料存在大量的水，在合理的時間內不用本發(fā)明等離子真空干燥技術不可能抽到所需要的真空。結果，利用本發(fā)明方法進行滅菌作業(yè)比其他情況下所能作的以更短的時間完成。
等離子增強干燥工藝當然可用于其自身，作為與滅菌工藝無關的低溫蒸發(fā)干燥工藝。按照本發(fā)明的另一方面，一定量的凝聚材料周圍環(huán)繞的一定容積的環(huán)境空氣被抽掉，以便促進蒸發(fā)。該容積被抽空所至的壓力優(yōu)選等于或低于凝聚材料的平衡蒸汽壓。這種凝聚材料例如可以是水或冰，也可以是其他揮發(fā)性濕潤劑。殘留的氣體等離子在抽空的容積內受激，以便在抽真空或半真空期間有益地促進蒸發(fā)。本發(fā)明等離子增強干燥的方法特別適用于去除一定量的水，否則水凍結成冰，而基本減緩常規(guī)真空干燥方法。


圖1是等離子滅菌裝置簡圖。
圖2是等離子滅菌工藝方框圖。
圖3是等離子滅菌工藝的真空輪廓圖。
圖4各種處理載荷的抽空特性曲線圖。
圖5是等離子增強真空干燥工藝方框圖。
圖6是等離子增強干燥工藝的真空輪廓圖。
圖6顯示實現(xiàn)抽空的真空輪廓圖。
圖7是使用等離子增強真空干燥的等離子滅菌工藝的真空輪廓圖。
圖8是有和沒有等離子增強的實現(xiàn)抽空曲線圖。
現(xiàn)參看附圖，圖1描寫了以方框圖形式以數(shù)字10表示的等離子滅菌器。有關滅菌器10和它的組件及其使用方法更詳細的描述見US4756882，(1988，7，12頒布)，與本申請共同轉讓。這篇專利結合入本文供參照。滅菌器包括真空和等離子艙室11；真空泵12經(jīng)閥門17連接電極11；諸如過氧化氫的合適的反應性試劑源13并通過帶有閥門19的管線連接到真空艙室11。滅菌器10也包括RF發(fā)生器14通過合適的偶聯(lián)器18電連接到真空艙室11內部的等離子發(fā)生器，以及經(jīng)管線和閥門41連接真空艙室的HEPA排放口15。工藝控制邏輯線路16，優(yōu)選可程控的計算機，連接到真空艙室11所連接的每個組件上。工藝控制邏輯線路16在合適的時間直接操作每個連接真空艙室的組件，以便完成滅菌作業(yè)。
真空艙室11容納待滅菌的物品并被有效地氣密以承受低于300mTorr的真空。艙室11里面是RF天線或電極陣27來輸出RF能。優(yōu)選實施方案中，排布的電極是管狀的，并且與艙室11壁是等距的，以便產生對稱的RF電場分布。通過RF偶聯(lián)器18的RF發(fā)生器14施加RF電位勢能時，電極激勵等離子。RF偶聯(lián)器18可以是同軸電纜或其他能夠輸送高功率RF能的波導，但不能有明顯的阻抗損耗連接到電極的阻抗匹配裝置上。
真空泵12和連接閥17包括常規(guī)排布裝置，是本領域熟知的。真空泵12通常是機構真空泵，如各種旋片式真空泵，能夠在開泵后大約5分鐘之內將干燥的真空艙室11的真空度抽到大約300mTorr或更低。閥門17應有足夠的完整性，能密封低于300mTorr或更低的真空度而不泄漏。這個要求也適用于滅菌器內存在的其他閥門19和41。
RF發(fā)生器14是本領域熟知的常規(guī)RF振蕩器，例如帶有RF功率放大的固態(tài)或真空管振蕩器。聯(lián)合體可產生RF能，其頻率范圍是0.1MHz-30MHz，功率范圍是50-1500W，優(yōu)選頻率13.56MHz以及功率大于100W。
沒有本發(fā)明等離子增強干燥技術的等離子滅菌器的運行情況在圖2和圖3中以示意形式描述，其中分別說明滅菌器10采用的運行順序和艙室11內相應壓力與時間的函數(shù)關系。
待滅菌物品置于真空艙室之后密封艙室，工藝控制邏輯線路16接合啟動真空泵12和閥門17，將艙室抽真空使壓力基本等于或低于濕潤劑的平衡蒸汽壓，該濕潤劑在此情況下是水，如步驟20所示。真空艙室內壓力的軌跡由圖3中曲線21表示。壓力下降一般隨非線性路徑進行，實際上常用一階級差的特點來描述。這種狀況下，水或其他凝聚溶劑可起殘留蒸汽的容器作用，限制抽空速度并能均衡本體壓力。因此，達到要求壓力所需要的時間強烈地依賴于待滅菌物品存在的水量，如圖4抽空特性曲線所示。曲線52表示艙室11空載的抽直空時間，而曲線58，60和62分別表示攜帶載荷水為500μl，600μl和2500μl時的抽空特性。在本發(fā)明實例的滅菌工藝中，在20分鐘的抽空時間內達到300mTorr的艙室壓力是優(yōu)選的。由于甚至是常規(guī)量的殘留水，這是醫(yī)院清洗工藝中遇到的，顯然使抽空及干燥時間變得不可接受的漫長。
真空蒸發(fā)工藝在負載，包括凝聚水，和部分經(jīng)歷蒸發(fā)的水之間造成熱轉換(即蒸發(fā)熱)。由于負載和凝聚水都是隔熱的(例如在真空中)，它們因抽空步驟20期間發(fā)生蒸發(fā)而變冷。冷卻會使剩余水越過三相點并凍結，從而進一步延緩抽空步驟20。這種凍結水只有通過更加緩慢的升華工藝才能從艙室中去除，明顯地增大了于燥負載和艙室抽空到所要求壓力時需要的時間。結果，起始步驟20期間抽空艙室11需要相當漫長的時間。
達到所要求的真空閾值時，在步驟22期間注入反應性滅菌劑13。步驟20期間滅菌劑的注入使得真空艙內壓力迅速升高；優(yōu)選實施方案中，壓力可升至至500mTorr或更高的程度，如圖3曲線23所示。注入相大約占據(jù)6分鐘。滅菌劑注入艙室后，在步驟24期間令它完全擴散并均勻地通過真空艙室。這個步驟通常持續(xù)大約45分鐘，此時滅菌劑在真空艙室11內應當是基本均衡的。
擴散周期末尾時，工藝控制邏輯線路16再次接通真空泵12及打開閥門17，將艙室11真空抽至大約500mTorr，即步驟26。真空艙內壓力快速降到500mTorr，如圖3曲線25所示。艙室11內壓力達到500mTorr時，工藝控制邏輯線路16指令RF發(fā)生器14產生傳給等離子發(fā)生器的RF訊號。這個動作在步驟28期間使艙室內建立氣體等離子。該等離子的成分是反應性試劑的離解物質以及留在艙室11內的剩余氣體分子。
產生等離子引發(fā)了壓力暫時升高，如步驟28之后的即時壓力所示。滅菌步驟30期間等離子發(fā)生保持激勵大約15分鐘，建立的等離子可有效地毀壞艙室11內存在的病原體。滅菌工藝進行時的壓力大約恒定在500mTorr，如圖3曲線31所示。
完成滅菌工藝后，在排放步驟32中通過排放口15以HEPA對艙室11放氣。這個排放步驟如圖3的曲線33所示。進行最后一次施加真空以沖洗艙室同存在的殘留滅菌劑?？焖俪檎婵罩链蠹s1Torr，如圖3中曲線35所示。該步驟之后，通過排放口15的HEPA真空艙室再次排放至大氣壓力，如曲線37所示，從艙室取出滅菌的物品。
本發(fā)明等離子增強干燥的優(yōu)選方法以上述滅菌方法的內容方式公開，并以圖5和圖6進行說明。應當了解，以上所述滅菌器的操作在所有其他目的方面也是同樣的。還應了解，除所述等離子滅菌之外，等離子增強干燥可廣泛用于各種真空應用。
待滅菌物品放入艙室11并將艙室11密封之后，啟動真空泵12和閥門17將艙室11抽空至預定壓力，此時壓力大約700mTorr，如圖5步驟40所示。艙室壓力特性一般以圖6曲線50所示。達到所要求壓力時，工藝控制邏輯線路16指令RF發(fā)生器14激勵艙室11內的電極，如步驟42所示。這個動作在艙室11內建立的氣體等離子包括殘留氣體物質?？梢钥闯?，其他的艙室和電極配置以及RF發(fā)生器在保證等離子的壓力范圍內可進行明顯的改變。但是各種其他條件，例如溶劑含量，處理時間，溫度和平衡蒸汽壓將在最合適的等離子增強這個條件下決定。本文公開的實施方案中，等離子體將能量轉給凝聚的水，從而有助于蒸發(fā)步驟。這種能量轉換起增加水溫作用的同時，象濺射或等離子化學工藝中通常遇到的，而等離子沒有的化學或物理上改變負載表面是優(yōu)選的。因此，等離子優(yōu)選具有的平均能量和動量特性應能給凝聚水以足夠的碰撞熱能，而同時保留負載表面分子和分子鍵完整無損。本文實施方案中，艙室壓力大約700mTorr時通常產生等離子，但這種產生(等離子)在較高壓力時由于艙室11和RF發(fā)生器14之間的阻抗而受到限制。再者，在700mTorr時等離子的產生基本上使達到300mTorr預滅菌壓力所需要的總處理時間減至最小。
剩余氣體等離子的建立使艙室內壓力升高，表示增加了蒸汽產生，如圖6曲線51的峰點52所示。等離子正在產生時，真空泵保持運轉，以使得這個增強蒸汽產生的同時進一步抽空艙室，如步驟44所示。這個時間之后，這個情況運行5-15分鐘，如步驟46關閉等離子發(fā)生器，如步驟48繼續(xù)抽真空。該實施方案的實例中，繼續(xù)抽空至壓力大約300mTorr為止。如圖5曲線51的第二峰點53所示，繼續(xù)以較高速度抽空，剩余氣體等離子淬滅時表示蒸發(fā)速度降低。本發(fā)明優(yōu)選實施方案中，等離子增強抽真空步驟44運行的時間周期由達到所要求300mTorr壓力的20分鐘內所需抽空的最大時間來決定?？梢钥闯?，在干燥或滅菌工藝中實現(xiàn)等離子增強抽空44的方式可有許多變化。本發(fā)明實例的實施方案中，在預定壓力時開始等離子增強抽空44，而且可在一時間周期之后或達到第二個預定壓力時終止。圖7顯示利用等離子增強干燥的整個滅菌工藝真空輪廓，其中工藝步驟20可用工藝步驟40-48來代替。抽空和干燥工藝步驟40-48之后，滅菌工藝的其余步驟基本類似于前述滅菌工藝步驟。如圖7所示，等離子增強干燥通常結合在開始的抽空真空相中，不需要另加材料或構件。
如圖4所示，本發(fā)明等離子增強干燥技術顯著縮短了真空泵12為降低滅菌器10運行所需艙室壓力而所需要的時間。特性曲線54和56分別表示有和沒有等離子增強真空干燥工藝的情況下，對代表性載荷抽空期間艙室壓力與時間的函數(shù)關系。圖8是艙室壓力達到預定大約300mTorr最終壓力時，等離子增強82之后以及沒有等離子增強80的抽真空的真空特性曲線。如圖8所示，確實，等離子激勵后抽空速率，曲線82，比單用抽真空，曲線80，要高出相當之多。這些數(shù)據(jù)的比較表明，基本上通過使用等離子增強干燥才實現(xiàn)了性能增益的。由于步驟42產生的等離子體將能量自RF發(fā)生器轉換到艙室存在的液體上，本發(fā)明獲得了這種結果。轉換到液體的能量促進蒸發(fā)，因而加速了干燥工藝。
這種性能上的增益表示起始抽空/干燥步驟40-48期間有效泵效能方面的加強，導致滅菌器10的運行更快更一致?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，真空泵12在步驟40中達到1Torr的壓力所花時間在5-9分鐘之間時，等離子增強干燥最為有用。如果這個時間少于5分鐘，艙室內物品已適當干燥，等離子增強干燥沒有大大加速干燥工藝。另方面如果這個時間多于9分鐘，艙室內物品太濕以至于不能被目前構成的滅菌器來處理。這里公開的數(shù)值對當前實施方案的實際配置是有用的。然而這些數(shù)值可以基本上不同于本發(fā)明其他配置地最大效益。實踐中已決定，和艙室內物品濕度成正比的應用等離子持續(xù)時間將導致其中放置材料的最佳干燥。但是，長過15分鐘的持續(xù)時間時則發(fā)現(xiàn)，在真空泵抽空起始步驟40所要求的20分鐘期間內(滅菌器10以可商業(yè)化的實施方案目前允許的最長時間)，艙室內達到所要求300mTorr預滅菌壓力的機會被減少了。
本發(fā)明另外的優(yōu)點是，等離子增強干燥適用于充分補充負載材料類型與等離子滅菌工藝的相容性，而沒有可察覺的物理或化學損傷。最后，用于增進蒸發(fā)的剩余氣體或其他這種等離子可通過氣體種類及施加的RF功率被有效地調整，以將有效能量轉換給各種各樣的濕潤劑。對要求低溫真空干燥的應用來說，它特別有用，再者，它不受水性濕潤劑的限制。
在本發(fā)明作為滅菌工藝應用說明的同時，當然了解到，等離子增強真空干燥可用于其他體系，即需要改良真空中物品干燥效率的體系。出于這種考慮，如果待干燥負載包括至少1毫升水，則本發(fā)明可用作簡單的干燥器。
權利要求
1.一種對凝聚材料抽真空的方法，其特征在于包括下列步驟從環(huán)繞該材料的容積中抽取環(huán)境空氣；在抽空容積內產生剩余氣體等離子體以促進該材料蒸發(fā)。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于等離子體產生的持續(xù)時間與待抽空的凝聚材料數(shù)量成正比。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于在產生等離子體時的真空壓力大約700mTorr。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于包括在基本等于或低于凝聚材料的平衡蒸氣壓力時激勵等離子。
5.種將濕物品干燥的方法，其特征在于包括下列步驟將物品放入含有環(huán)境空氣的艙室；關閉艙室；抽空艙室；繼續(xù)抽空艙室的同時在艙室內產生剩余氣體等離子體；及從艙室取出物品時除排放真空的流體之外并不向艙室引入任何流體。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其特征在于產生等離子體時的壓力大約為濕潤物品的材料的平衡蒸汽壓力。
7.根據(jù)權利要求5的方法，其特征在于包括繼續(xù)產生等離子體直至抽空速率增大，這表示物品基本干燥。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其特征在于艙室壓力大約700mTorr時產生等離子體，艙壓力大約600mTorr時等離子體淬滅。
9.一種干燥方法，其特征在于包括下列步驟向艙室放入包括至少1毫升水的物品；抽空艙室；繼續(xù)抽空艙室的同時艙室內產生等離子體直至所要求數(shù)量的水從物品中去除。
10.根據(jù)權利要求8的方法，其特征在于包括繼續(xù)產生等離子體直至抽空速率增大，這表示物品基本干燥。
全文摘要
公開一種等離子增強真空干燥方法。它特別有益地用于等離子滅菌工藝,并對一般抽真空干燥方法表現(xiàn)出明顯改進。待滅菌物品放置在密封艙室內并將艙室抽真空。在艙室開始抽空步驟期間產生剩余氣體物質的等離子。這樣,促進了物品的干燥,并有益地使獲得所要求的壓力比不用等離子情況要快捷。向艙室注入滅菌氣體,并產生第二等離子體激活滅菌氣體等離子,從而使艙室內物品滅菌。
文檔編號F26B5/04GK1383895SQ01142479
公開日2002年12月11日 申請日期2001年11月28日 優(yōu)先權日1994年10月11日
發(fā)明者R·M·史賓沙, T·O·阿迪 申請人:依西康公司