一种高温蒸汽灭菌装置
技术领域
本实用新型属于灭菌技术领域，特别涉及一种高温蒸汽灭菌装置。
背景技术
高温蒸汽灭菌是一种简单、可靠的物理灭菌法，已经在医疗、卫生、预防和保健等相关领域中广泛应用[Y.Zhang et al.Nanoscale 2017,9:19384]。高温蒸汽不仅可以杀死一般的细菌、真菌等微生物，对芽胞、孢子也有杀灭效果，能够从源头上阻止病毒和疾病的传播。
高温蒸汽灭菌过程通常是依靠电力驱动，如公开号为CN107648627A的中国专利文献公开的一种蒸汽消毒装置，使用底部的电加热板加热水，产生蒸汽，进行杀菌消毒；公开号为CN107335075A的中国专利文献公开的蒸汽杀菌装置，通过水腔底部的电热板加热驱动。然而，世界上的许多偏远地区没有电力供应，导致例如医疗废弃物处理等许多医疗服务难以实施，病毒和疾病的传播问题难以解决，这一现象在发展中国家尤为严重。因此，如何在离网状态下实现消毒、灭菌是当今世界遇到的难题。
太阳能是地球上分布最广，储量最大的能源，如果能够通过清洁的方式，利用太阳能驱动高温蒸汽灭菌，将有助于改善偏远地区的医疗卫生现状。然而，对于现有的太阳能驱动高温蒸汽灭菌装置，其结构往往较为复杂，对工艺技术往往要求较高，如：复杂的管路、如分离式的设计[O.Neumannal.et al.PNAS 2013,110:11677-11681]；并且体积较为庞大，不易携带，操作复杂，如：大面积的聚光器、大体积的支撑架[T.Kaseman etal.Am.J.Trop.Med.Hyg.2012,87:602-607；M.N.Dravid et al.J.Hosp.Infect.2012,80:345-347]。相对而言，简易、便携、一体化的太阳能驱动高温蒸汽灭菌装置将具有更强的应用价值和更广泛的应用前景。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高温蒸汽灭菌装置，以分布广泛、绿色清洁的太阳能作为驱动力，不消耗电能，可应用的区域广。本实用新型装置结构简单，体积小，便于携带，且操作简单。本实用新型通过采用兼备捕集光能、阻滞热流传递的光热蒸发板，大大提高了装置的光热转化效率，灭菌时间短，灭菌效果良好。
一种高温蒸汽灭菌装置，所述高温蒸汽灭菌装置包括蒸汽室、覆盖在蒸汽室上的聚光板、装配在蒸汽室内部的载物盘和蓄水杯、以及位于蓄水杯中的光热蒸发板。
优选的，所述载物盘竖直方向有若干个通孔；蒸汽冷凝后通过通孔流到蒸汽室的底部，避免冷凝水黏附在待灭菌物体上，影响灭菌效果。
所述聚光板将光束聚集到蓄水杯内。
优选的，所述聚光板与蓄水杯的横截面形状相同，横截面积比为10-100：1，聚光板与蓄水杯同心装配。
优选的，所述蒸汽室的内部设置安装载物盘的托台。拖台可以使载物盘与蒸汽室的底部不接触。
优选的，所述载物盘的中心设置凹槽，所述凹槽的尺寸与蓄水杯底部的尺寸相当。所述凹槽用于固定蓄水杯的安装位置，保证蓄水杯与聚光板的同心装配关系。
优选的，所述高温蒸汽灭菌装置还包括密封圈和卡箍，所述密封圈和卡箍用于固定所述聚光板。
将载物盘放置在蒸发室的托台上；把蓄水杯安放在载物台中心的凹槽里；向蓄水杯加入一定量的水，并将光热蒸发板从上放入蓄水杯，光热蒸发板漂浮于水面之上；将需要灭菌的物品放在蒸发室内的载物盘上；随后将聚光板覆盖在蒸发室上，用于将入射光汇聚到光热蒸发板的上表面，并阻止蒸汽向外溢出；并用密封圈、固定环和卡箍封闭蒸发室。
所述光热蒸发板包括石墨烯泡沫隔热体和覆盖在石墨烯泡沫隔热体外表面的垂直取向石墨烯吸光体。
所述垂直取向石墨烯吸光体和石墨烯泡沫隔热体以共价键形式连接。
所述垂直取向石墨烯吸光体为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯。
光热蒸发板以共价键的形式，将吸光体和隔热体连接成一个整体，兼备捕集光能、阻滞热流传递的功能，克服了常规局域加热系统中吸光体与隔热体易脱离问题，提高了系统的稳定性；所述吸光体捕集太阳能，并将光能转化为热能，产生局部高温；所述隔热体阻滞热流传递，减少散热；所述吸光体可作为液体流道，通过毛细作用传输液体到局部高温区域，实现快速光热蒸发；并且保护隔热体免受液体润湿，避免热流通过渗入的液体向外传递，解决了常规局域加热系统中液体渗入隔热体内部所引起的热损失问题，提高了系统的光热转化效率。
本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果如下：
本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置以分布广泛、绿色清洁的太阳能作为驱动力，不消耗电能，可应用的区域广。
本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置基于一体化设计，没有复杂的结构，加工成本低廉，易于批量加工生产。
本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置体积小，便于携带，且操作简单。
本实用新型通过采用兼备捕集光能、阻滞热流损失的光热蒸发板，大大提高了装置的稳定性和光热转化效率，快速产生蒸汽，灭菌时间短，灭菌效果良好。
附图说明：
图1为本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置的结构示意图；
图2为本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置分解结构示意图；
图3为本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置的剖面结构示意图；
图4为本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置的光热蒸发原理示意图；
图5为实施例1提供的高温蒸汽灭菌装置中的光热蒸发板的光学图和浸润性表征结果；
图6为实施例1提供的高温蒸汽灭菌装置在杀菌过程中的蒸汽温度。
具体实施方式
为使本实用新型更明显易懂，以下结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。以下描述的实施例仅用于解释本实用新型，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本实用新型提供的高温蒸汽灭菌装置，包括：卡箍1、固定环2、密封圈3、聚光板4、光热蒸发板5、蓄水杯6、载物盘7、蒸汽室8。
如图4所示，光热蒸发板2包括石墨烯泡沫隔热体22和覆盖在隔热体22外表面的垂直取向石墨烯吸光体21。垂直取向石墨烯吸光体21捕集太阳能，并将光能转化为热能，形成局部高温；石墨烯泡沫隔热体22阻滞热流传递，减少散热；同时，垂直取向石墨烯吸光体21还作为液体流道23，通过毛细作用吸入液体24，使之到达局部高温区域，实现快速光热蒸发。同时，液体流道23可以保护石墨烯泡沫隔热体22免受液体24的润湿，避免热流通过渗入的液体24向外传递。
将载物盘7放置在蒸发室8的托台上；把蓄水杯6装配在载物盘7中心的凹槽里；向蓄水杯6加入一定量的水，并将光热蒸发板2从上放入蓄水杯6，光热蒸发板2漂浮于水面之上；将需要灭菌的物品放在蒸发室内的载物盘7上；随后将聚光板4覆盖在蒸发室8上，并用密封圈3、固定环3和卡箍1封闭蒸发室8。
其中，光热蒸发板2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为4g L-1，十水四硼酸钠的浓度为1mmol L-1，乙二胺浓度为4mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在90℃环境下维持6h，随后在120℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶6h，其中，乙醇的体积分数为10％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻6h，然后转移到温度为0℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥6h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至800℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为5ml min-1，CH4的流量为5ml min-1，气压调整到100Pa；
7.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250W，维持120min；
8.关闭等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为10ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫复合材料暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持3min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发板。
光热蒸发板的光学图如图5中的a所示，外表面为黑色。光热蒸发板的浸润性如图5中的b-d所示，外部的垂直取向石墨烯吸光体21表现出强亲水性，水接触角为26.0°，说明垂直取向石墨烯吸光体21作为水流通道，可以通过毛细作用引导水的传输；内部的石墨烯泡沫隔热体22表现强疏水性，水接触角为130.5°，说明石墨烯泡沫隔热体22排斥水的渗入，表层的水流通道可以保护石墨烯泡沫隔热体22免受水的润湿。
用本实施例提供高温蒸汽灭菌装置，在自然光下运行，光照强度为1.0-1.2kW m-2，利用标准生物指示剂作为杀菌效果的检验，当指示剂的颜色由紫色变为黄色，说明灭菌失败，当指示剂的颜色保持紫色，说明杀菌成功。如图6所示，蒸发室内的温度在运行11min后，达到121℃，即预期的灭菌温度，根据WHO标准，在121℃高温蒸汽的环境下维持30min可达到充分的消毒灭菌效果，因此，在运行41min后，停止工作。经过杀菌后的生物指示剂被转移到56℃的环境中培育48h。经观察，没有经过灭菌处理的指示剂表现为黄色，经过灭菌过程的指示剂表现为紫色，说明灭菌成功。
上述是结合实施例对本实用新型作出的详细说明，但是本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本实用新型专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本实用新型专利的保护范围之内。
