《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Fungal spore removal in a hybrid cyclone-cold plasma process
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摘要空气中传播的霉菌孢子是室内空气质量的重要关注对象，会对呼吸系统疾病和过敏反应产生贡献。本研究考察了一种旋风—冷等离子体混合系统作为去除和灭活霉菌孢子的创新方法。通过将离心分离与等离子体产生的活性物种相结合，该系统提高了去除效率（RE）和生物灭活效果。实验分析重点关注运行参
摘要
空气中传播的霉菌孢子是室内空气质量的重要关注对象，会对呼吸系统疾病和过敏反应产生贡献。本研究考察了一种旋风—冷等离子体混合系统作为去除和灭活霉菌孢子的创新方法。通过将离心分离与等离子体产生的活性物种相结合，该系统提高了去除效率（RE）和生物灭活效果。实验分析重点关注运行参数：电势差（3–18 kV）、比能（SE）输入、气流速率（30–110 L min-1）、霉菌孢子浓度和电极极性。电压升高显著提高了RE，在6 kV以上急剧改善，在12 kV时达到37.8 ± 5.4%（SE = 0.32 J/L）。进一步提高电压后效率趋于平稳，但SE在18 kV时达到峰值4.16 J/L。霉菌孢子浓度对RE具有非线性影响，在较低浓度下（<100 cfu>3）效率更高。在15 kV以下电压时正极性表现更好，18 kV时极性影响减弱。气流速率与RE成反比：在30 L min-1时，去除率达63.6%（正极）和71.6%（负极）；在110 L min-1时，分别降至37.8%和23.5%。这些发现表明，旋风—冷等离子体系统作为室内生物气溶胶控制的有效低能耗方法具有潜力。
引言
空气污染是全球最紧迫的环境和公共健康挑战之一，自然和人为来源释放的各类污染物不断增加，使这一问题更加严重 [1]。在空气传播的生物污染物中，生物气溶胶，特别是霉菌孢子，是导致呼吸系统疾病、过敏和机会性感染的重要贡献因素 [2]。生物气溶胶是空气中包含细菌、真菌和病毒等微生物的颗粒物，以及高分子量过敏原、细菌内毒素、真菌毒素、肽聚糖、β-葡聚糖、花粉、植物纤维和其他有机化合物 [3]。这些颗粒物具有广泛的大小和形态范围，能够在各种环境中广泛扩散 [4]。例如，食品加工设施是生物气溶胶污染的热点区域，特别是曲霉属（Aspergillus）真菌在这些环境中大量繁殖，造成空气污染 [5]。
暴露于空气中传播的霉菌孢子与多种真菌感染和过敏性疾病相关，这些疾病可能带来严重的健康风险，尤其是对免疫功能低下者、住院患者和工业场所工作人员 [6]。与空气中传播的霉菌孢子相关的一些最重要健康影响包括肺曲霉病，由吸入烟曲霉（Aspergillus fumigatus）孢子引起，导致严重呼吸道感染，尤其是对免疫功能低下者 [7]。此外，真菌引发的过敏，如哮喘和花粉热，由常见的真菌种类如交链孢属（Alternaria）、枝孢属（Cladosporium）和曲霉属（Aspergillus）引发，加重呼吸症状 [8]。过敏性肺泡炎是另一种因在农业、食品加工厂和木材工业等职业场所长期暴露于生物气溶胶而导致的职业性肺病，引起慢性肺炎症 [9]。此外，全身性真菌感染，尤其在免疫抑制个体中，常由毛霉目（Mucorales）和镰刀菌属（Fusarium）引起，可能导致危及生命的状况 [10]。
根据美国工业卫生学会（ACGIH）的指导方针，室内环境中空气中细菌的总浓度不应超过500 CFU/m3。同样，世界卫生组织（WHO）于1988年规定，室内空间中空气中真菌的最大允许浓度为500 CFU/m3。然而，这些参考值可能根据室内环境的具体用途和不同国家的监管要求而有所不同 [11]。此外，在工业场所，特别是堆肥设施中，霉菌孢子浓度据报道超过每立方米109个孢子，凸显了严重的职业健康危害 [12]。因此，有效的霉菌孢子控制不仅对公共健康至关重要，也是工业卫生和污染控制策略的强制性要求 [13]。
传统的空气生物污染物控制方法，包括机械过滤、静电除尘器和高级通风系统，都存在固有的局限性 [14]。例如，尽管高效HEPA过滤器有效，但需要频繁维护和更换，其对捕捉亚微米级霉菌孢子的效率仍然不足 [15]。同样，利用离心力从空气中去除颗粒物的旋风分离器在捕捉小于10 μm的颗粒物方面效率低下，无法完全去除霉菌孢子 [16]。这凸显了对一种创新混合系统的迫切需求，该系统不仅能高效地从空气中分离霉菌孢子，还能灭活它们以防止进一步的生物危害风险。
冷等离子体技术的最新进展为空气微生物灭活提供了一种有前景的方法 [17]。冷等离子体产生活性氧和氮物种（RONS）[18]，破坏微生物细胞壁、细胞膜和遗传物质，有效灭活真菌和细菌 [19]。将旋风分离与冷等离子体处理集成为混合系统，为增强霉菌孢子去除和灭活提供了一种新颖且有效的策略 [20]。在此背景下，提高旋风分离器性能最有前景的方法之一是应用静电力，在旋风分离器内对空气中的颗粒进行充电，提高分离效率。在此过程中，气体电离和活性物种的生成通过氧化和分子结构降解促进霉菌孢子灭活 [21,22]。此外，据报道，暴露于这些活性剂可降低霉菌孢子的致敏潜力 [23]。研究表明，负电荷放电增强了静电系统中颗粒物的收集效率，而正电荷放电在霉菌孢子灭活方面表现更优 [24,25]。此外，停留时间、气流速率、电势差和比能（SE）输入等因素在确定系统性能中发挥关键作用 [26]。其中，放电电极类型显著影响放电模式，直接影响灭活过程的整体效率 [27]。
鉴于现有的研究空白，本研究旨在评估旋风-冷等离子体混合系统去除和灭活空气中霉菌孢子的性能。本研究将调查关键运行参数，包括比能输入、停留时间、霉菌孢子浓度和放电极性，以确定它们对系统效率的影响。预期研究结果将为下一代空气净化技术的发展做出贡献，为减少工业、医疗和职业环境中空气生物污染提供有效解决方案。
章节片段
含氯霉素的沙保弱葡萄糖琼脂培养基制备
按照制造商说明进行制备。为制备沙保弱4%葡萄糖琼脂（SDA）培养基（Sigma-Aldrich），使用实验室天平（Adam设备，英国）准确称取65克培养基，在锥形瓶中溶于一升蒸馏水中 [28]。将混合物置于磁力搅拌器上加热，使用磁子持续搅拌直至完全溶解。20分钟后，将锥形瓶转移至
SE和电势差对RE的影响
本研究通过测量旋风冷等离子体过程入口和出口处的活性孢子数量，详细考察了电势差（3–18 kV）和恒定气流速率90 l min-1对RE和霉菌孢子灭活的影响。研究结果表明，增加电势差可显著提高RE和孢子灭活效率（图2a）。根据结果，在3 kV和6 kV的较低电压下，SE
结论
本研究评估了旋风-冷等离子体混合过程去除和灭活霉菌孢子的性能。研究的参数包括SE和电势差、初始孢子浓度、极性和流速，以及它们对过程效率的影响。结果表明，增加电势差可显著提高RE，在6 kV以上急剧上升。最高RE（37.8 ± 5.4%）在12 kV时达到
CRediT作者贡献声明
Ali Shojaei：撰写–初稿、形式化分析、软件、调查和资源。Mehdi Mohamadi Fayazi：调查。Roohollah Rostami：方法学、概念化、监督、验证、撰写–审阅与编辑。
资金
本研究使用了Semnan医科大学的资金支持，编号为1544。
伦理批准
本研究获得了Semnan医科大学伦理委员会的批准，批准编号为IR.SEMUMS.REC.1397.314，日期为2019年3月12日。
利益冲突声明
作者声明，本研究所述实验装置已提交至伊朗知识产权中心申请专利，目前正在审查中。
CRediT作者贡献声明
Ali Shojaei：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、软件。Mehdi Mohamadi Fayazi：调查。Roohollah Rostami：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、验证、项目管理、方法学、资金获取、概念化。
Ali Shojaei|Mehdi Mohamadi Fayazi|Roohollah Rostami
伊朗哈马丹医科大学公共卫生学院环境健康工程系，哈马丹，伊朗
