广岛上空巨大的蘑菇云让全世界都认识了核能的威力。战争的阴霾烟消云散之后,核能的和平利用为人类未来的新生活撒下了一缕阳光。特别是近年来,为了保护人类的生存环境,大力发展以核能为代表的清洁能源已成为全世界的共识。在美国和日本的国民经济总产值中,核技术的贡献约占3%—4%,美国核技术产业的年产值约为3500亿美元,日本约为1500亿美元,而我国的核技术应用产业年产值为386亿,仅占国民经济总产值的0.4%。
放射性同位素工业是核工业的一个重要分支。放射性同位素技术应用于工、农、医中而产生出工业同位素示踪、放射性诊断和治疗、辐射育种和辐射加工工业等行业。辐射加工被称为同位素工业中的轻工业。全世界辐射加工的年产值为200亿,每年以20%的速度增长。用于辐射加工的电子加速器超过1000台,总功率约为45MW,Co60辐照装置220座,强度约1亿居里。
同位素在衰变时释放出射线,发生核辐射,当核辐射直接或间接的使物质产生电离就是电离辐射。辐射加工是利用电离辐射为手段对物质和材料进行加工处理的一门技术。这门技术涉及到物理学、化学、辐射化学、生物化学、辐射生物学、食品学、遗传学和微生物学,是一门综合应用科学技术。目前,辐射加工已在医疗卫生用品、药品的灭菌和消毒、食品保存、抑制农作物发芽、酒醇化、三废处理、交联线缆、热缩材料、橡胶硫化、泡沫塑料、表面固化、中子嬗变掺杂单晶硅等领域取得显著成效,形成了产业规模。
辐射加工业的特点及发展前景
辐射加工行业的蓬勃发展,依赖于辐射加工技术的诸多优点:一是辐射加工可在常温下进行,适用于对热敏感的产品;二是辐射的穿透性强,作用均匀彻底;三是无残留;四是辐射源发射射线的能量及强度稳定可靠,易于控制;五是操作简便,速度快,易于实现工艺的自动化六是不易污染环境。辐射加工为诸多行业的生产带来了重要的技术变革,也因此而成为代表高科技的朝阳产业。
辐射加工的设备
辐射加工的设备通常有两类:一种是电子加速器,它的优点是易于控制,缺点是电子射线的穿透性差(与γ射线比),不易到达物质的深层。另一种是钴60-γ辐射装置,这是我国目前最普通的辐射加工设备,它的优点是穿透性好,可形成较均匀的剂量场。
辐射加工的范围及应用
医疗卫生用品的消毒和灭菌
这种处理的目的是杀灭医疗卫生用品中的致病微生物(消毒)或所有微生物(灭菌),电离辐射可使微生物的核糖核酸、蛋白质及酶变性、失活,使其致死。同时也可电离微生物细胞中的水分子,所产生的自由基与核糖核酸、蛋白质及酶发生氧化还原反应,也可致死微生物。
当前,用于医疗卫生用品的消毒和灭菌的方法有十几种,如:还氧乙烷、高压蒸汽、微波、膜过滤、高频极化等,其中,以辐射(以钴-60γ辐射为主)和环氧乙烷占的市场份额最大。环氧乙烷灭菌产生的废气可能污染环境,被灭菌产品中的残留化学物质对人有致畸致癌的作用,因此,环氧乙烷灭菌医疗卫生用品在欧、美国家受到限制。辐射方法的优点是消毒、灭菌彻底,节省能源,不污染环境,无残留物、操作简便且是冷处理,特别适合风险高和灭菌要求高的医疗用品。
1956年美国Ethicon公司首次采用电子加速器进行手术缝合线和一次性使用注射器及针头的灭菌实验,60年代,澳、英、法等国家工业化的辐照装置相继投入运行。经过40-50年的发展,目前,全世界45个国家的220座辐照源中80%用于辐照医疗卫生产品。在美国、日本、欧洲(德国除外),60%的医疗卫生用品采用辐射处理。1989年我国建立了第一个医疗用品辐射消毒实验开发基地,即北京射线应用研究中心。但由于种种原因,我国医疗卫生用品的辐射加工量仅占全部辐射加工量的10%-20%。
可辐射加工处理的医疗卫生用品有上千种,如:人工关节、人造皮肤、注射器、输液器、外科手套、外科敷料、纱布、卫生巾、手术器械、手术衣等。随着医疗事业的发展,人民医疗卫生水平的提高及对传染病控制的加强,医疗卫生用品的灭菌需求将不断增大。特别是,在各种物理化学消毒灭菌方法的诱变下,微生物世界不断产生新种,被筛选出新种耐受消毒灭菌方法的抗性也在不断增强,Y辐射能够破坏微生物分子的各级结构,彻底杀灭微生物,是有效的灭菌方法,因而在保护人民健康、预防和控制传染病中将起到越来越重要的作用。
药品的消毒和灭菌
这种处理的目的是杀灭药品中的致病微生物(消毒)或所有微生物(灭菌)。口服药一般采用消毒,创伤及无菌体腔用药一般采用灭菌。在我国,成产业规模辐照的品种主要是中药。
1978年以来,国家科委在“六五”、“七五”、“八五”三个五年计划中组织了15年中药辐照的研究,从事中药研究、检测、生产和辐射加工的28个单位参加了研究工作,先后对204种药材、44种单品蜜丸、74种中成药及54种化学成分单体进行了60Co-γ射线辐照前后的质量考察,对其中部分品种作了化学、药理、毒理研究。对部分中成药有效成分辐照前后的变化作了考察。对6种药材、7种化学成分单体及3种成药附加剂的辐解产物作了深入研究。研究结果肯定了辐照灭菌效果。依据以上研究成果,卫生部制定了中药辐照规范。中药辐射消毒方法的设立在中药微生物标准设立之初为中药消毒提供了一个有效的、不可缺少的方法。事实上,中药材的辐射消毒已成为中药加工的一道工序,近20年来,中药辐照一直在辐射加工中占有较大的比重。
随着技术进步,现在用于药品消毒灭菌的方法有近10种之多,如:低温等离子技术、高频极化技术、超高静压技术、膜过滤技术等,但还没有一种技术像辐射加工技术这样,就其在加工药品中的应用,经过如此系统的、大规模的研究和论证。
食品保存
辐照食品的目的是提高食品卫生质量,延长保存期。食品辐照的优点很多:一是节能,与冷藏相比较,辐射加工的耗能要低十几至几十倍.二是环保。核能是清洁能源;三是方便快捷高效。辐照装置可以连续、大批量地处理各种包装的产品,支持工业化的规模生产;四是保持食品风味。由于冷消毒,所以口味破坏较热加工少;五是安全,没有残留。
从20世纪50年代开始,许多国家都开始了食品辐照的研究。1961年联合国FAO/IAEA/WHO三个组织正式成立食品辐照安全联合专家委员会。经过近半个世纪的研究与论证,1999年FAO/IAEA/WHO正式宣布:“在当前技术可达到的任何剂量的处理下,这些食品都是安全的和具有营养适宜性”。到2003年,已有52个国家批准了辐照食品, 其中,33个国家实现了产业化。
食品辐照的发展受到了频发的食品中毒事件的推动。1993年美国发生了因汉堡牛肉饼引发火肠杆菌0157:H7感染,造成700多人发病,4人死亡的事件,导致美国FDA批准红肉辐照。继而发生的单核细胞增生李斯特氏菌感染、疯牛病、禽流感都是由食品不洁引起的。1994年世界卫生组织发表的专题研究报告《辐照食品在安全和营养上的有效性》指出:在发展中国家有高达70%的腹泻病例是由食物传染的,患食品传染病而死亡的人数约占总死亡人数的25%。许多国家已把食品辐照作为预防食源性疾病的一种有效手段。
我国从1958年开始食品辐照研究,1984年食品辐照商业化开始启动,1994年卫生部批准了18种辐照食品的卫生标准,1997年公布了6类辐照食品的卫生标准。1999年食品辐照量达8.6万吨,2002年超过10万吨,位居世界首位。
辐照食品的种类有:花粉、熟畜禽肉、干果果脯、香辛料、新鲜水果、蔬菜类、冷冻包装畜禽肉、豆类、谷类及其制品、薯干酒等。除此之外还有近年发展起来的功能食品,如:保健茶、螺旋藻、灵芝孢子粉、龟鳖蛇制品及减肥茶等。辐照食品的种类之多遍及了人们日常食品的各个角落,而且已形成产业化规模。由此可见,辐照技术在食品安全中起着重要作用。
辐照灭菌的食品还可为宇航员和免疫缺陷症患者服务。宇航员食用无菌食品是为了避免污染外太空。免疫缺陷症患者食用无菌产品是为了不因食品引起感染。
辐照技术还用于处理饲料,无菌饲料喂养医学实验的无菌动物;消毒饲料减少饲料中添加的抗生素以提高畜禽肉的质量。
杀虫及抑制农作物发芽、延长保存期
中国是农业大国,农副产品在储藏中的损失巨大,被虫吃掉、霉变和发酵是主要原因。据《中国粮食储藏大全》记载,我国的储粮害虫有128种。辐照杀虫是很成熟的技术,除此之外,辐照雄性昆虫,导致不育后,放归自然,与雌虫产生不能发育的卵,造成昆虫灭绝,此技术曾经在墨西哥、美国、智利等国家成功的用于杀灭和控制地中海蝇。我国也曾用此技术以控制棉铃虫。
中国每年进口粮食2000多万吨,还有其他农副产品,IAEA鼓励各国家在进口检疫中使用辐照技术,我国在杜绝进口小麦中的矮星黑穗病中使用了辐照技术。今后,辐照技术在避免病虫害进口和处理进口农副产品中会大有作为。
实验证明,辐照能够明显降低种子的呼吸强度,从而推迟成熟期的到来,达到延长贮存期的目的;辐照还可以干扰农作物体中ATP的合成,使细胞核酸减少,从而抑制生物体发芽。因此,抑制发芽和延长贮存期是辐射技术在农业上的应用。辐照土豆、大蒜,抑制发芽,在土豆大蒜的产区已被普遍应用。
此外,辐照酒以缩短醇化的时间是辐照技术的另一个应用,我国曾经做过大量的酒辐照的研究和商业化尝试。
辐射化工
辐射化工是利用电离辐射作用于物质产生的化学变化达到材料改性目的的加工方法。这种方法的优点是:不需要催化剂,反应可以在常温下进行,而且,核能无污染、高效、节能。辐射化工产品涉及到电子通讯、电力交通、石油化工、航空航天和三废污染治理等诸多方面。
辐射材料改性依发生反应的种类不同而分为辐射交联、辐射聚合、辐射固化、辐射降解。辐射交联已产业化,其产品有电线电缆、热收缩产品、轮胎、聚烯烃发泡材料、表面涂层固化、高分子PTC元件等。这些产品的产值占辐射化工年总产值的95%以上。辐射聚合的主产品是水性乳胶和离子交换膜,作为家具、木地板的环保涂料有很好的产业化前景。辐射固化主要用于表面涂层加工,在一些国家已形成产业规模。辐射降解主要用于天然高聚物、废塑料、橡胶的再利用,由于成本较高,尚未产业化。
在美国,辐射化工产品在军工中使用最早且用量最大,之后,逐渐发展到民用的通讯、电力、能源等市场。1998年北美辐射硫化轮胎的产值达到135亿美元。在日本,辐射硫化的轮胎对日本的汽车工业有着极大的贡献。在亚洲地区,耐热线缆、热缩材料、轮胎也已形成了产业规模。
我国辐射化工产业自80年代起步至今已有20余年了,目前,从事辐射化工生产和研究的机构有60多家,到2002年底,我国辐射化工产品的产值已接近27亿,其中交联电信电缆和热收缩材料占辐射化工总产值的80%。与国外发达国家比,我国的辐射化工产业的规模小、产品种类少。在我国经济迅速发展的背景下,辐射化工业存在着极大的市场空间,如:辐射交联电线电缆面对着新型建筑用线、汽车用线、船用线、电力电缆、核电站高性能电缆等市场,热缩材料面对着信息化向农村的推进、国防事业的进步,医疗制度的改革、西气东输及国际石油管道的建设等市场,环保涂料每年有100万吨的需求。
除此之外,将辐射技术用于制造纳米材料是辐射技术的新应用,制造出的纳米金属等产品广泛应用于电子、医药、化工、军事、航天航空及生物医学中。
三废处理
辐射火力发电厂烟道气脱硫脱硝,辐射能被烟道气中的水份、氧及氮吸收,生成的自由基可加速氧化反应,从而有效地消除烟道气中的污染物。辐射废水去除有机氯和重金属,在很多国家都有这种示范工厂。德国、美国、日本、印度及阿根廷都建有钴-60污泥处理厂。韩国大丘印染联合业1998建立了辐射污水处理厂。
我国有2000多座火力发电厂可做辐射处理废气,有3000亿元的市场规模。此外医疗垃圾的辐射无害化处理也是三废处理的一个新的方向。
毛皮、烟草、文物等的保存
使用辐射技术处理毛皮、烟草及文物,以达到延长保存期的目的。辐射烟草的目的主要是除霉菌,也有报道称,辐射处理过的烟草焦油量降低。毛皮及文物的辐射主要是杀灭各种微生物以阻止微生物对毛皮和文物的侵蚀。
总之,辐射加工是一种环保的、使用新型能源的、可广泛应用于各行业的技术,全面落实以人为本、全面协调可持续发展的科学发展观,必将为其开拓广泛的发展前景。
