在现代社会，人们大多数时间在室内度过，因此室内空气质量不佳会严重影响人们的身体健康和日常生活[1]．室内空气污染通常包括化学污染、物理污染和生物污染[2]．近年来，世界范围内发生了多起重大公共卫生事件，尤其是自2003年非典爆发，再到近些年禽流感、中东呼吸综合征和新型冠状病毒肺炎的爆发，微生物污染问题引起了人们的广泛关注[3-5]．微生物污染通常指细菌、真菌、病毒及其代谢产物对生态环境和其他生物造成的毒性作用．空气中常见的致病菌主要有金黄色葡萄球菌、结核杆菌、化脓性链球菌和军团菌等，这些病原菌能够引起腹泻、肺结核、脑膜炎、肺炎等疾病[6]．同时，微生物污染也是传染性疾病的主要源头．近年来发生的一些重大公共卫生事件均与微生物污染有关，因此针对室内微生物污染采取有效的措施进行控制迫在眉睫．随着人们生活水平的日益提高，通风空调系统被广泛应用于为建筑提供舒适的室内热湿环境．与此同时，空调系统内部的热湿环境也非常适合微生物的生长和繁殖，并且很难做到彻底地清洗和消毒，非常容易滋生微生物污染[7-9]．更为严重的是，空调系统内部的微生物可以随空调送风进入空调房间，从而污染室内空气，对室内人员的健康造成危害，同时空调系统也可能成为微生物污染的传播途径．在空调系统运行过程中，空调系统外部的微生物污染有可能被吸入空调系统，进而通过相互连通的通风管道随送风进入其他空调房间，导致居住者的交叉感染，因此有必要针对微生物污染控制对空调系统的设计、运行和管理进行改进．空气和空调系统中的微生物大多不会独立存在，而是依附于灰尘颗粒上，以生物颗粒的形式存在[8]，因此过滤能有效去除微生物污染，同时也是空调系统中应用最广泛的污染防治措施．然而，传统的过滤材料本身并不能杀死微生物，被拦截下来的微生物会在过滤器上进一步生长繁殖，进而随送风进入室内，对室内空气造成二次污染，因此空调系统过滤器可以有效控制空调系统内部的颗粒物污染，但对于微生物污染的控制仍旧具有很大的难度．许多学者提出将灭菌装置或材料与空调系统过滤器结合使用，再对微生物拦截的同时进行杀灭，例如壳聚糖[10]、葡萄柚种子提取物[11]、静电场[12]及光催化[13]等，但这些方法在实际应用中均具有一定的局限性．微波辐射是一种高效、广谱的物理灭菌方法，在灭菌过程中无其他副产物产生，目前主要应用于食品加工过程中的灭菌处理．微波辐射的灭菌作用主要分为热效应及非热效应[9]．微波的热效应是指在微波场下，极性分子会因分子极化现象将微波能转化为热能，从而达到快速升温杀菌的目的；微波的非热效应是指高频的电场会使微生物的部分生理结构发生变化，进而使其失去活性．微波的灭菌作用以微波的热效应为主，但非热效应的存在使微波灭菌的有效温度低于传统的热处理方法，能在更低的温度下对细菌进行有效杀灭．同时，与传统的热处理方法相比，微波辐射还具有很强的穿透性及选择加热性等重要特性，可以对特定目标物体的表面和内部进行同时加热，其加热效率更高，通常在几分钟内便能达到理想的灭菌效果，在空调系统生物污染防控领域具有广泛的应用前景．近些年来，国内外许多学者也对微波辐射在微生物气溶胶、加湿器、过滤材料等不同应用场景下的灭菌效果进行了研究．文献[14]研究了试验室培养和自然环境中的微生物气溶胶在不同微波灭菌功率(700，385，119 W)下灭菌2 min后的存活率．文献[15]比较了微波辐射对空气和水中大肠杆菌的灭菌效果、能量利用情况和灭活机理．文献[16]通过试验研究了微波辐射对蒸发加湿器中真菌孢子的杀灭效果．文献[17]通过试验研究了微波辐射对蒸发加湿器中镰刀菌孢子、营养细胞和枯草芽孢杆菌孢子的杀灭效果．文献[18]提出了一种基于微波辐射的纳米纤维空气过滤灭菌装置，用于杀灭空气中的病原菌．文献[19]提出了一种基于微波辐射的纳米纤维空气过滤灭菌装置，并研究了其对MS2气溶胶的杀灭效果．目前，微波灭菌技术在空调领域应用方面的研究较少，因此对其在空调系统中的应用方法和灭菌效果的研究具有重要意义．本研究提出将微波灭菌技术应用于空调系统过滤器，试验研究微波辐射对SiC复合过滤器上的金黄色葡萄球菌的杀灭效果，并分析灭菌功率和灭菌时间对灭菌率的影响．1 试验装置1.1　SiC复合过滤器因空调系统中常用的过滤材料吸收微波辐射的能力较差，本研究提出将吸波材料涂覆在过滤材料纤维上，以提高过滤器对微波辐射的吸收能力．吸波涂层由吸波材料和胶粘剂组成．吸波材料是指能全部或部分地吸收投射到材料表面的电磁波并将其转化为其他能量的一类新型功能材料，是吸波涂层的关键，决定了吸波涂层对微波辐射的吸收性能．胶粘剂是吸波涂层的成膜材料，使吸波涂层牢固地附着在被涂物表面．本研究吸波材料选择1 μm的 SiC粉末，胶粘剂选择水性聚氨酯树脂(F0401 PU)，过滤材料选择聚酯纤维滤棉(AF-A)，每片过滤棉尺寸为200 mm×200 mm×3 mm．为使吸波材料均匀地附着在过滤材料纤维上且不堵塞过滤材料通道，本研究采用雾化喷涂的方法将吸波材料均匀地雾化到过滤材料纤维上，具体步骤如下：首先将粉末状SiC和液态水性聚氨酯树脂在容器中混合均匀，混合比例为每100 mL水性聚氨酯树脂中加入30 g SiC粉末；然后用雾化喷枪将该混合材料均匀地雾化到过滤材料前后表面和内部纤维上，每片过滤器的喷涂量约为10 g；最后，将该复合过滤器在室温下静置 24 h，直至其完全干燥．1.2　空调系统微波灭菌试验平台为探究微波辐射对本研究提出的SiC复合过滤器上微生物污染的杀灭效果，本研究搭建了试验室尺度的空调系统微波灭菌试验平台，其原理图为如图1所示．该试验平台主要由风管系统、微波发射系统和测试系统组成．风管系统包括过滤器、风机、变频器、混风箱和金属风管，以实现空调系统的实际运行状态．过滤器安装在风管的进风口和出风口处．进风口的过滤器用于防止室内微生物随送风进入风管，从而影响试验结果．出风口处的过滤器用于防止试验微生物进入室内污染室内空气．风机的额定风量为1 900 m3/h，其运行频率可在25~50 Hz之间连续调节．混风箱体积为500 mm×500 mm×500 mm，以保证送风和细菌气溶胶混合均匀．风管总长为7 m，截面尺寸为200 mm×200 mm．每段风管之间的连接方式为法兰连接，风管5~6 m区间为灭菌段．微波发射系统包括微波磁控管(三星，OM75P-11-ESDYF)、矩形波导(BJ22)、微波电源(S&HSAIHAN，YB-MP-1000ZQ)、功率表、调节器和屏蔽网，用于发射微波并控制其输入功率．10.13245/j.hust.221020.F001图1空调系统微波灭菌试验平台原理图微波磁控管为风冷磁控管，其运行功率可在200~1 000 W之间连续调节．矩形波导为全铝波导，能以最小的损耗引导电磁波的定向传输．微波电源为风冷变频电源，用于给微波磁控管供电．功率表和调节器用于显示和调节微波磁控管的运行功率．屏蔽网为100目紫铜网，用于将微波辐射限制在灭菌段内，防止微波辐射泄漏．测试系统包括空气压缩机、雾化器、SiC复合过滤器、操作门、风速仪和温湿度记录仪，用于测试灭菌效果及相关的试验参数．空气压缩机和雾化器用于将液态细菌悬浮液气溶胶化．SiC复合过滤器安装在灭菌段，距微波发射端口水平距离为300 mm．灭菌段设置有操作门，方便过滤器安装和采样操作．风速仪用于测量风管内的风速．温湿度记录仪用于监测和记录室内温湿度．2 试验流程2.1　细菌悬浮液的制备本研究选取金黄色葡萄球菌为代表微生物，研究微波辐射对SiC复合过滤器上微生物污染的杀灭效果．金黄色葡萄球菌是典型的革兰氏阳性菌，为一种常见的食源性致病菌，在自然界中广泛存在．金黄色葡萄球菌在适宜的条件下可以产生肠毒素，对人体肠道造成损害，引起腹泻、呕吐等症状[20]．近年来，金黄色葡萄球菌引发的食物中毒事件频发．金黄色葡萄球菌已成为仅次于副溶血杆菌和沙门氏菌的第三大微生物致病菌，是消毒技术规范中规定的测试菌种．在灭菌试验开始之前，首先须要制备一定浓度的金黄色葡萄球菌菌悬液，具体步骤如下．a. 将试验室冷冻保存的菌株在室温下溶解，然后取1 mL溶解后的菌液转接到100 mL牛肉膏蛋白胨液体培养基中，并在适宜的条件下培养．由于菌株长期冷冻保存处于休眠状态，且菌株的活性对试验结果具有很大的影响，因此须连续转接4代以恢复其活性．b. 待菌株活化后，取1 mL活化后的菌液转接到100 mL牛肉膏蛋白胨液体培养基中，并在30 ℃，160 r/min的恒温摇床中培养18 h．c. 将培养后的菌液倒入50 mL离心管中，在7 000 r/min下离心10 min．离心后去除上清液，在离心管中加入灭菌水将菌体重悬，然后再次离心．d. 将二次离心后得到的菌体依据预先绘制的标准浓度曲线加入一定量的无菌水，配制成为菌悬液，为后续试验做准备．2.2　金黄色葡萄球菌灭菌试验本研究设计的试验流程主要分为4步，分别为细菌悬浮液的雾化和拦截、SiC复合过滤器上金黄色葡萄球菌的处理、采样与培养、结果分析．为保证金黄色葡萄球菌的活性，灭菌试验在菌悬液制备完成后立即进行．首先将菌悬液装入雾化器的雾化瓶中，打开风机，并调节其运行频率为40 Hz，此时风管内的测试风速为4 m/s．然后打开空气压缩机并调节其输出压力为0.5 MPa．此时，菌悬液会被雾化并送入混风箱中与送风均匀混合，然后随送风通过灭菌段预先放置的SiC复合过滤器，整个过程持续10 min．本试验中采用的雾化器输出颗粒物粒径范围为0.02~2.00 μm，颗粒物粒径较小，故很大一部分载菌颗粒物能穿过过滤器并截留在过滤器内部及后表面．在此过程中，送风中的金黄色葡萄球菌会均匀分布在过滤器的前后表面和内部，为后续的灭菌试验做准备．SiC复合过滤器上金黄色葡萄球菌的处理在细菌悬浮液的雾化和拦截过程完成后立即进行，主要包括微波处理过程和静置处理过程． 其中试验组进行微波处理，即开启微波发射装置，并以特定的功率(200，400，600 W)运行特定的时间(1，3，5，8，10 min)．对照组进行静置处理，即不开启微波发射装置，并静置相同的时间，以排除微生物的自然繁殖和死亡对试验结果造成的影响．无论是试验组还是对照组，每个工况均进行3次重复试验．本研究选取的采样方法为接触碟采样．该方法广泛应用于洁净环境中物体表面的微生物检测，比传统的棉签采样方法更简单、准确[9]．本研究在SiC复合过滤器的前后表面共计设置8个测点，其分布图如图2所示． 采样操作在金黄色葡萄球菌的处理过程完成后立即进行，具体采样流程如下：手持接触碟底部打开接触碟上盖，将有琼脂的一面按压到待检部位并轻轻按压10 s．随后立即封装，并置于37 °C恒温培养箱中培养．待培养48 h后，对试验组和对照组接触碟上长出的菌落进行计数，并计算其灭菌率．灭菌率计算公式为10.13245/j.hust.221020.F002图2过滤器前后表面测点分布图Rs=1-Ne/Nc，式中：Rs为灭菌率；Ne为试验组菌落数；Nc为对照组菌落数．3 结果与讨论微波辐射特性的表征参数主要为空间内电场强度和磁场强度的分布，其主要影响因素为微波发射装置的输入功率及微波谐振腔体的设计．本研究的应用场景为空调风管系统，受试验条件限制，风管尺寸和微波发射装置安装位置固定，即微波谐振腔体的设计固定，故本研究通过改变微波发射装置的输入功率来改变空间内电场强度和磁场强度的分布．微波辐射时间虽然对空间内电场强度和磁场强度的分布没有影响，但微波辐射的持续时间决定了微波辐射的作用时间，对最终的灭菌效果也具有非常重要的影响．且微波发射装置的输入功率和微波辐射时间是该灭菌装置在实际应用过程中可以直接进行调节的两个重要影响因素，故本研究选择微波发射装置的输入功率和微波辐射时间两个参数进行研究．3.1　灭菌功率对灭菌率的影响表1为当灭菌时间为5 min 时，不同灭菌功率下各测点的灭菌率．从表1可以看出：随着灭菌功率的增大，各测点的灭菌率均显著提高．当灭菌功率分别为200，400，600 W时，各测点的平均灭菌率分别为25.3%，76.9%，96.1%，因此灭菌功率是影响灭菌率的重要因素，且与灭菌率呈显著正相关关系．此外，从表1还可以看出：当灭菌功率为400和600 W时，过滤器下半部测点的灭菌率略高于上半部测点．这主要是因为微波发射装置安装在灭菌段风管的顶部，且矩形波导发射端口的方向为向下，所以灭菌段下半部的微波辐射强度高于上半部．过滤器左右两侧测点及前后表面测点的灭菌率并无明显差异，这主要是因为灭菌段左右两侧的电磁场强度比较均匀，且微波辐射具有很强的穿透性，可以穿过过滤器而不被过滤器阻挡，这也是微波灭菌的一项重要特性．10.13245/j.hust.221020.T001表1灭菌时间为 5 min时各测点的灭菌率测点灭菌功率/W200400600F120.571.994.4B117.775.694.4F225.375.993.6B231.074.793.6F320.876.697.9B325.071.197.8F425.981.898.8B436.587.698.2%3.2　灭菌时间对灭菌率的影响表2~4为不同灭菌功率下各测点灭菌率随灭菌时间的变化．从表 2可以看出，微波辐射能对本研究提出的SiC复合过滤器上的金黄色葡萄球菌进行有效杀灭．在600 W灭菌功率下灭菌3 min以上，各测点便基本均能达到90%以上的灭菌率．仅当灭菌时间为3 min时，过滤器上半部几个测点的灭菌率略低于90%；当灭菌时间为1 min时，各测点的灭菌率可以达到80%以上．对于过滤器上半部测点，当灭菌时间从1 min逐渐增大到8 min时，灭菌率也逐渐增大，但当灭菌时间从8 min增大到10 min时，灭菌率的提升并不明显，最终稳定在 97%以上；对于过滤器下半部测点，当灭菌时间从1 min增大到3 min时，灭菌率显著增大，但当灭菌时间从3 min逐渐增加到10 min时，灭菌率并无明显提升，各测点灭菌率均能达到97%以上，这主要是因为此时灭菌段下半部的电磁场强度高于上半部．因此，当微波辐射强度足够高时，在很短的时间内便能达到很好的灭菌效果．总体而言，在600 W灭菌功率下灭菌5 min以上，各测点便均能达到90%以上的灭菌率．10.13245/j.hust.221020.T002表2600 W灭菌功率下各测点灭菌率的变化测点灭菌时间/min135810F182.484.294.497.999.1B183.489.394.498.899.2F281.288.693.697.899.1B283.490.393.697.999.4F389.997.297.997.9100.0B389.997.797.898.299.3F487.298.898.899.299.6B492.599.498.2100.0100.0%10.13245/j.hust.221020.T003表3400 W灭菌功率下各测点灭菌率的变化测点灭菌时间/min135810F158.762.571.973.279.4B161.564.175.678.481.6F260.667.975.973.576.4B261.967.574.770.373.6F362.568.076.691.286.5B360.366.071.187.193.2F459.680.881.896.795.4B466.679.287.696.497.3%10.13245/j.hust.221020.T004表4200 W灭菌功率下各测点灭菌率的变化测点灭菌时间/min135810F110.426.220.523.113.2B110.822.717.726.220.4F213.624.925.317.124.1B217.718.731.015.720.2F310.517.920.827.026.2B312.719.425.032.625.1F415.616.625.933.425.5B416.7%21.2%36.5%19.8%37.6%%从表3和4可以看出：当灭菌功率从600 W逐步降到400 W和200 W时，各测点灭菌率均明显降低，但灭菌率随灭菌时间的变化规律大致相同；即在灭菌时间从1 min逐步提升到10 min的过程中，灭菌率先逐渐增大，在到达某个时间节点达到最大值后就基本不再随灭菌时间的延长而增大．不同的是不同灭菌功率下达到最大灭菌率的时间节点不同．当灭菌功率为400 W时，对于过滤器上半部测点，灭菌率在5 min达到最大值，最终稳定在70%~80%；对于过滤器下半部测点，灭菌率在8 min达到最大值，最终稳定在90%左右．当灭菌功率为200 W时，灭菌率在3 min达到最大值，最终稳定在20%左右．此时过滤器上半部和下半部测点的灭菌率并没有明显差异，这主要是因为此时灭菌段整体微波辐射强度较弱，上半部和下半部测点周围的微波辐射强度没有明显差异．须要注意的是：当灭菌功率为400 W和200 W时，一些测点出现辐射时间延长反而灭菌率降低的情况，其中200 W处较为明显．这主要是因为在灭菌功率一定的情况下，灭菌率并不会随灭菌时间的延长而一直提高，而是达到某个峰值时间后基本不再变化；且当灭菌功率较低时，各测点整体灭菌率相对较低，此时采样过程中的采样误差对试验结果造成的影响会更加明显，故有些测点会出现辐射时间延长反而灭菌率降低的情况．在考虑采样误差的情况下，该结果能整体反映出灭菌率随灭菌时间的变化趋势．通过对比表2~4可知：增大灭菌功率或延长灭菌时间均能在一定程度上提高灭菌率，且增大灭菌功率的效果更加明显． 当灭菌功率为600 W时，灭菌3 min即可达到90%左右的灭菌率，而当灭菌功率为200 W时，即使灭菌时间为10 min，灭菌率仍相对较低，仅有20%左右．上述对比分析表明：对于本文的基于微波辐射的SiC复合过滤器灭菌装置，须在充足的功率下才可达到理想的灭菌效果．4 结语本研究提出的灭菌装置可以有效杀灭金黄色葡萄球菌．当灭菌功率为600 W时，该装置可在5 min内实现90%以上的灭菌率．在一定范围内，增大灭菌功率或延长灭菌时间均能在一定程度上提高灭菌率，且增大灭菌功率的灭菌效果更明显．当灭菌功率充足时，在很短的灭菌时间内便能达到很高的灭菌率；而当灭菌功率不足时，即使持续延长灭菌时间，也无法达到很高的灭菌率．这表明：对于微波辐射灭菌，充足的灭菌功率是实现理想灭菌效果的关键．