книги из ГПНТБ / Глухов, С. А. Техническое оснащение аэрозольтерапии

днт охлаждение дыхательных путей за счет потерь теп­ ла, идущего на испарение жидких аэрозольных частиц, осевших на их поверхности.

С целью компенсации указанных потерь тепла обыч­ но осуществляют нагревание ингалируемого аэрозоля до температуры 20—30°, а для тепловлажной ингаляции 35—45°. При применении аппаратов открытого типа тем­ пература аэрозоля всегда близка к комнатной.

Большое значение имеет качество сжатого воздуха, используемого для получения дисперсионных аэрозолей. Даже в тех случаях, когда для этой цели применяют кислород из баллона, необходимо предусмотреть его увлажнение и отсутствие контакта с маслами во избе­ жание взрыва. Сжатый воздух, образуемый ротацион­ ными и поршневыми компрессорами, содержит примеси смазочных масел, очистка которых представляется в техническом плане сложным процессом. Использовани­ ем системы рессиверов; фильтров и охлаждения пол­ ностью очистить сжатый воздух от примесей нафтено­ вых кислот, как правило, не удается. Поэтому для целей аэрозольтерапин должны применяться мембранные ком­ прессоры пли поршневые и ротационные, работающие без смазочных материалов. Используемые в аэрозоль­ ных баллонах пропелленты не должны обладать ток­ сическим и раздражающим действием на кожу, слизи­ стые оболочки, ожоговые и раневые поверхности, а так­ же при их вдыхании на органы дыхания и через них на весь организм или отдельные его системы и органы. В связи с этим пропелленты, применяемые для аэро­ зольных баллонов, должны отвечать определенным фармакологическим требованиям. Наиболее существен­ но, чтобы пропелленты не были токсичны при их вды­ хании. Конечно, и другие проявления токсичности при заглатывании пропеллента, при его действии на кожу и слизистые оболочки, его сенсибилизирующие свойства также имеют немаловажное значение.

При прямом нанесении аэрозоля на обрабатываемую поверхность пропеллент, как правило, испаряется рань­ ше, чем достигает цели. Обрабатываемой поверхности достигает только активное лекарственное вещество. Все пропелленты являются потенциальными рефрнжеранта-

21

Г л а в а 4

МЕТОДЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ

Существует два принципиально отличных метода полу­ чения аэрозолей — дисперсионный и конденсационный. Наибольшее применение в медицинской аэрозольной технике получил первый метод. Это объясняется тем, что метод диспергирования более прост и не нуждается, как правило, в сложном техническом оснащении.

Само диспергирование вещества и перевод послед­ него в аэродисперсиую систему может осуществляться различными способами, которые выбираются в зависи­ мости от физического состояния лекарственного вещест­ ва, желаемых параметров аэрозоля и, наконец, от це­ лей и особенностей процесса аэрозольтерапии.

Пневматические распылители. Наиболее распростра­ ненным способом получения аэрозолей жидких лекар­ ственных веществ и масел является распыливание ве­ щества с помощью пневматической форсунки. При этом наиболее часто используется распылитель, в котором транспортировка и подача распыливаемой жидкости в сопло осуществляется за счет эжектирующей силы. Принципиальная схема простейшего эжекционного рас­ пылителя представлена на рис. 3.

Сжатый воздух или кислород поступает в сопло (1), представляющее собой, как правило, конический расхо­ дящийся или цилиндрический насадок. При вытекании воздуха из сопла со скоростью, близкой ж звуковой, происходит сжатие струн и падение давления. Под дей­ ствием возникшего разрежения лекарственный раствор

(2) поднимается по трубке (3) и смешивается с воздуш­ ным потоком. При этом происходит распад струи жид­ кости и образование аэрозольных частиц. Последние уносятся потоком воздуха и попадают на сепаратор (4). Крупные частицы частично разбиваются на более мел-

23

кие, а частично осаждаются на сепараторе и стекают обратно. Источником распи­ ливания могут служить сжа­ тый воздух, подаваемый от компрессора или резиновой груши с приводом от руки, водяной пар или кислород, поступающий... из баллона.

Рассмотрим более “под­ робно физическую картину процесса распиливания лецарствен них 'веществ фор­ сунками эжекционного типа. Эти форсунки работают от энергии сжатого газа, по­ ступающего в сопло и доститающего в .нем высоких •окоросте». Жидкость поступает в форсунку под действием

разрежения, создаваемого за счет сжатия воздушной струи. Скорость подачи жидкости в распылителях аппа­ ратов аэрозольтерапии на два—три порядка ниже ско­ рости воздуха. Струя жидкости, вытекающая в газовую среду, как известно, -пульсирует, и в конечном итоге это приводит к ее распаду на капли.

Характер пульсаций определяется масштабом тур­ булентности в начальный период в струе жидкости, отно­ сительной скоростью жидкости и газовой среды, их фи-, зическими свойствами и геометрией форсунки. На не­ котором расстоянии от выходного отверстия вследствие нарушения равновесия свободной поверхности жидкос­ ти под действием сил поверхностного натяжения начи­ нают развиваться неустойчивые колебания струи с воз­ растающей амплитудой, приводящие к распаду струи. Процесс ускоряется дополнительными возмущениями, создаваемыми относительным движением жидкости и газа. Известное влияние на процесс распада струи ока­ зывает также противодавление в газовой среде, в кото­ рую вытекает струя жидкости. Чем выше противодавле­ ние, тем интенсивнее протекает процесс распада струи. Образующиеся при распаде одиночные капли в свою очередь дробятся на более мелкие, и конечным резуль­ татом процесса является образование аэрозоля.

24

Средний массовый (весовой) радиус аэрозольных j частиц характеризуется функциональной зависимостью::

(4.1)

где г0 — радиус жидкостного сопла; <7ф — расход жид- i кости через форсунку; pg— плотность распыливаемой I жидкости; СФ—-расход сжатого газа через форсунку; р— j

тяжения распыливаемой жидкости.

Эта формула справедлива для применяемых в ап- \ паратах аэрозольтерапии «изконапорных форсунок при ; условии раопыливания не очень вязких жидкостей, для ' которых справедливо неравенство*:

где pg — коэффициент вязкости распыливаемой жидкости.

Как следует из выражения (4.1), -средний массовый радиус уменьшается с увеличением..относительной скоростиуво.здушного^^ока_и вытекающей струи жидкости. , Этого добиваются путем увеличения рабочего давления \ воздуха, перед форсункой и применением воздушных | сопел с высоким коэффициентом истечения.

С уменьшением радиуса жидкостного сопла средний массовый радиус также уменьшается. Однако чрезмерное уменьшение размера жидкостного сопла значительно увеличивает возможность его засорения и выхода...фор- ] сушей из строя и уменьшает производительность_по рас-! пыливаемой жидкости. Значительное -влияние на сред-: ний массовый радиус оказывает величина коэффициента поверхностного -натяжения. С увеличением коэффициента поверхностного натяжения средний радиус увеличивает-! ся, причем наиболее -сильное влияние изменение коэффи- '.

* Применяемые в аэрозольтера-пнн жидкие лекарственные ве­ щества и растворы, как правило, имеют вязкость, близкую к вяз­ кости воды, или превышают ее на порядок, т. е. соотношение (4.2) в большинстве случаев удовлетворяется.

25

массового радиуса эффекта торможен'ия ‘воздушного по­ тока струей жидкости. Это влияние сводится к уменьше­ нию относительной скорости и, вследствие этого, к увели­ чению среднего радиуса. При этом эффект торможения тем значительнее, ‘чем больше отношение минутного ко­ личества вытекающей жидкости (<7фрй) к минутному количеству проходящего воздуха (Q(i>p).

Г~ Рабочее давление воздуха переф форсункой является I одним нз_основ1-1ых _парамгетррв.^определщрщих ее рабо-

\ту. Как правило, в эжекционных форсунках аппаратов аэрозольтерапии рабочее давление (абсолютное) состав­ ляет величину порядка 1,5_—_2,5_Д<г/см2. Это обусловли­ вается применением сравнительно маломощных мем­ бранных компрессоров, которые малошумны и не нуж­ даются в смазке. Последнее имеет большое значение, поскольку при использовании в дыхательной аппарату­ ре компрессоров с системой смазки возникает 'необходи­ мость применения громоздких фильтров для предотвра­ щения попадания в дыхательные пути масляного аэрозо­ ля, образующегося при работе компрессора.

Величина рабочего давления определяет характер процесса истечения. Как известно, критический режим истечения воздуха через сопло имеет место в случаях, когда удовлетворяется неравенство:

где pi — рабочее давление перед соплом; р2— величина противодавления.

Величина противодавления определяется давлением' в легких пациента, куда происходит подача аэрозоля, и, как правило, не превышает рг=1,05 кг/см2**. Учитывая соотношение (4.3), следует считать, что в форсунке при рабочем давлении pi^-1,9 кг/см2 имеет место критиче­ ский режим истечения и практически все форсунки рас­ пылителей аппаратов аэрозольтерапии работают в усло­ виях критического режима, при котором величина рас­ хода воздуха через сопло определяется только рабочим давлением воздуха и диаметром^сопла. Величина весо­

* Эта величина получена для воздуха в предположении, что процесс истечения адиабатический.

** Приведенное значение абсолютного давления в легких явля­ ется максимальным и соответствующим избыточному давлению в 500 мм вод. ст., имеющему место при искусственной вентиляции.

26

вого расхода воздуха через многосопельную форсунку мо­ жет быть определена по формуле:

где d — диаметр воздушного сопла; п — число сопел в форсунке; ф — коэффициент истечения сопла;

где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температу­ ра; k — показатель адиабаты. Зная величину рабочего давления и среднее значение необходимой подачи возду­ ха из распылителя к пациенту, с помощью формулы (4.4) можно решать обратную задачу, т. е. определять диаметр воздушного сопла многосопельной форсунки.

Для регулирования расхода воздуха через форсунку с целью '"изменения подачи воздуха и, следовательно, аэрозоля из распылителя'в легкие больного в соответст­ вии с величиной минутной 'вентиляции изменяют рабочее давление воздуха перед форсункой. Величина рабочего давления на основании формулы (4.4) может быть вы­ ражена для случая непосредственной подачи аэрозоля из распылителя в легкие и для случая применения дыха­ тельного мешка:

(4.5)

(4.6)

где W— минутная вентиляция больного; а — отношение времени выдоха ко времени вдоха; р — плотность воз­ духа.

Зависимости (4.5) и (4.6) позволяют определять не­ обходимую величину рабочего давления, соответствую­ щую такому расходу воздуха через форсунку, при кото­ рой обеспечивается адекватность легочной вентиляции при любой системе подачи аэрозоля больному. В послед­ нее время сконструированы пневматические распылите- \ ли, в которых выходящий поток воздуха (аэрозоля) эжек- \ тирует из окружающей атмосферы добавочный поток воз- | духа, и, таким образом, появилась возможность умень­ шить расход сжатого воздуха через сопла форсунки. При |

27

этом адекватность легочной вентиляции обеспечивается автоматически, за счет вдыхания больным того или ино­ го количества добавочного воздуха.

Ориентировочную оценку величины весовой произво­ дительности пневматической форсунки по жидкости мож­ но произвести, исходя из значения коэффициента эжекцни, определяемого экспериментальным путем и завися­ щего от соотношения геометрических размеров сопел:

где ka — коэффициент эжекцпи.

Обычно для сопел эжекционных форсунок, применяе­ мых в аппаратах аэрозольтерапин, &0= 1,5— 1,7.

Движение жидкости к соплу осуществляется то жид­ костному каналу, при этом гидравлическое сопротивле­ ние последнего определяется режимом течения, т. е. критерием Рейнольдса (Re). Кэк правило, скорость дви­ жения раопыливаемощ жидкости по каналу составляет 0,5— 1,5 м/сек, а диаметр канала. 0,5— 1 мм. При этих величинах Re ^2300, т. е. имеет место ламинарный ре­ жим течения, при котором потери производительности форсунки составляют 5 — 10% от величины, определяе­ мой по формуле (4.7). Однако при увеличении вязкости распиливаемой жидкости, уменьшении диаметра жидко­ стного канала или увеличении его длины эта величина возрастает. В связи с этим следует производить экспе­ риментальное определение производительности форсун­ ки для различных лекарственных веществ.

f' Сепарация в распылителе призвана отделить от гонга-- ! лируемого аэрозоля частицы с размерами, превышающи- I ми верхний предел, определяемый условиями ингаляции (осаждением частиц на различных участках бронхоаль­ веолярного дерева). Физически процесс сепарации сво­ дится к инерционному осаждению аэрозольных частиц па тех или иных препятствиях, искусственно создавае­ мых на пути потока аэрозоля от форсунки к выходу из распылителя. Осевшие на этих препятствиях частицы стекают и смешиваются с распиливаемой жидкостью. При этом значительно снижается расход распиливаемой

жидкости за счет ее возврата.

Практический интерес представляет определение до­ статочной кратности сепарации, обеспечивающей на вы­ ходе из распылителя аэрозоль с частицами г ^ 4 мкм, понимая при этом под кратностью сепарации число пре­

28

пятствий, о которые ударится поток аэрозоля внутри рас­ пылителя.

Строго говоря, сепарация должна являться также следствием 'седиментационного осаждения. Однако, учи­ тывая, что при работе распылителя время нахождения в нем частиц не превышает 0,05—0,10 секунды, седимента­ ция не будет играть сколько-нибудь заметную роль, тем более что размеры частиц не велики (на выходе из фор­ сунки до сепарации гS 25,0 мкм).

Функциональная зависимость эффективности инер­ ционного осаждения аэрозольных частиц при сепарации в распылителе имеет вид:

где Stk — критерий Стокса; п — кратность сепарации. При этом критерий Stk обусловливает тем большую

эффективность инерционного осаждения, чем больше размер частиц, их плотность и скорость движения и меньше вязкость и длина пути.

Определялась дисперсность аэрозоля для случаев ра­ боты распылителя без сепарации (п = 0), с однократной

золе практически не содержится частиц с радиусом бо­ лее 4 мкм. Таким образом, двукратная сепарация, как правило, является достаточной.

Поскольку, как уже отмечалось выше, при сепарации происходит снижение производительности распылителя, необходимо уточнить ее величину при различной крат­ ности сепарации. Для количественной оценки этой вели­ чины введен коэффициент потери производительно­ сти— k„. Совершенно естественно, что при работе фор­ сунки без сепарации /г°„=1,0 п производительность

29

однократной сепарации. Здесь k'nk°n = 60 — 80. При вве­ дении второй сепарации это снижение уже менее значи-

тем, что с увеличением кратности сепарации происходит увеличение эффективности осаждения за счет все более мелких частиц, не осажденных при меньшей кратности, а эти частицы составляют незначительную долю в весо­ вом распределении.

Значительное влияние на работу распылителя оказы­ вает температура распиливаемой жидкости, которая может меняться в широком диапазоне при использова­ нии нагревателей. С повышением температуры распили­ ваемой жидкости происходит изменение ее физических характеристик — уменьшение коэффициента вязкости и поверхностного натяжения.

Уменьшение вязкости распиливаемой жидкости опре­ деляет уменьшение гидравлических потерь при ее дви­ жении во каналу к жидкостному соплу, т- е. увеличивает производительность форсунки.

Для жидкостей, не удовлетворяющих неравенству (4.2), уменьшение вязкости ведет к уменьшению сред­ него массового радиуса аэрозольных частиц. Уменьше­ ние поверхностного натяжения жидкости при нагрева­ нии ведет также к уменьшению среднего массового радиуса.

Происходящий таким образом при нагревании распыливаемой жидкости сдвиг распределения размеров частиц в сторону меньших частиц приводит к увеличе­ нию производительности распылителя по жидкости за счет уменьшения эффективности сепарации частиц с меньшими размерами.

Для выяснения влияния температуры распыливаемой жидкости на производительность распылителя были проведены исследования по определению производитель­ ности распылителя при работе без сепарации, с одно­ кратной и двукратной сепарацией при распыливании воды с температурой 18 и 30°, которые показали, что при однократной п двукратной сепарации увеличение производительности распылителя при повышении тем­ пературы аэрозоля достигает заметной величины. Это можно обтэясцить сдвигом кривой распределения аэро-

30