Pokrok ve výzkumu technologie ultrazvukové sterilizace

Pokrok ve výzkumu v technologii ultrazvukové sterilizace

Tradiční sterilizace obvykle používá metody, jako je vysokoteplotní ohřev, chemická činidla a ultrafialové světlo. Vysokoteplotní ohřev však může zničit součásti citlivé na teplo v předmětech; chemická sterilizace může snadno zanechat škodlivé zbytky; a ultrafialová sterilizace má nevýhody, jako je neúplnost a přítomnost mrtvých zón. V důsledku toho vědci zkoumali a zkoumali rychlejší a účinnější metody sterilizace, které se těmto omezením vyhýbají. Nedávný výzkum ukázal, že ultrazvuková sterilizace může být účinnou pomocnou sterilizační metodou a úspěšně se používá při čištění odpadních vod a dezinfekci pitné vody. Jeho použití při sterilizaci tekutých potravin, jako je pivo, pomerančový džus a sójová omáčka, bylo také rozsáhle studováno.

Tento článek představuje především mechanismus ultrazvukové sterilizace a shrnuje výzkumný pokrok v technologii ultrazvukové sterilizace a její synergické využití s ​​dalšími sterilizačními metodami (lasery, mikrovlny, teplo a tlak).

Ultrazvukový sterilizační mechanismus

Ultrazvukem se rozumí zvukové vlny s frekvencí vyšší než 20 kHz. Jeho vysoká frekvence a krátká vlnová délka nabízí nejen vynikající směrovost, vysoký výkon a silnou penetraci, ale také vyvolává kavitaci a řadu speciálních efektů, včetně mechanických, tepelných a chemických efektů. Obecně se má za to, že baktericidní účinek ultrazvuku je primárně způsoben kavitačním efektem, který vytváří. Během ultrazvukového ošetření, kdy se ultrazvuk o vysoké intenzitě šíří kapalným médiem, generuje podélné vlny, které zase vytvářejí oblasti střídavého stlačování a roztahování. Tyto oblasti měnící tlak jsou náchylné ke kavitaci a vytvářejí v médiu malá bublinková jádra. V okamžiku adiabatické kontrakce a kolapsu jsou malá bublinková jádra vystavena teplotám přesahujícím 5000 °C a tlakům přesahujícím 50 000 kPa, což může zabíjet některé bakterie v kapalině, inaktivovat viry a dokonce poškodit buněčné stěny menších mikroorganismů. Rozsah účinku je však omezený [7,8]. Výzkum technologie ultrazvukové sterilizace byl navržen již ve 30. letech 20. století. Některé výsledky výzkumu ukazují, že zatímco samotný sterilizační účinek ultrazvuku je omezený, kombinace ultrazvuku a dalších sterilizačních metod má velký potenciál a je vysoce účinná.

Samostatná ultrazvuková sterilizace

V současné době se ultrazvuková sterilizace používá především při čištění odpadních vod, dezinfekci pitné vody a potravinářském průmyslu a mnoho vědců doma i v zahraničí provedlo související výzkum. R. Davis použil 26kHz ultrazvuk k usmrcení mikroorganismů a zjistil, že některé bakterie, jako Escherichia coli, Bacillus megaterium a Pseudomonas aeruginosa, byly citlivé na ultrazvuk při nízkých koncentracích. Ultrazvuk byl však méně účinný proti stafylokokům a streptokokům a byl zcela neúčinný proti difterickému toxinu. McClements věří, že ultrazvuková sterilizace je účinnější, když je kombinována s jinými sterilizačními technikami, jako je tepelné ošetření, ozón nebo chemická činidla.

V průmyslu úpravy vody pro domácnost je zlepšení kvality mírně znečištěné vody a provádění pokročilé úpravy hlavní výzvou, které čelí většina vodáren. Tradiční metody sterilizace odpadních vod, jako je aktivní uhlí a membránová biotechnologie, mají nízkou účinnost čištění a jsou neúčinné při odstraňování odolných organických polutantů. Související výzkumy ukázaly, že ultrazvuk je účinný při odstraňování bakterií, nerozpustných organických látek a barev v mírně znečištěné vodě, přičemž odstraňování bakterií probíhá podle kinetiky prvního řádu. Má také určitý, ale ne významný vliv na CHSK (chemická spotřeba kyslíku) a zákal a jeho účinek na odstraňování zákalu je také omezený. V potravinářském průmyslu je kažení potravin způsobeno především přítomností určitých mikroorganismů, které mění jeho kvalitu. Aby byla zajištěna nezávadnost potravin, je sterilizace důležitým článkem při jejich výrobě. Sterilizační efekt přímo ovlivňuje kvalitu pokrmu. Zhu Shaohua [5] provedl srovnávací test sterilizace sójové omáčky pomocí ultrazvuku a zjistil, že rychlost sterilizace sójové omáčky byla 72,9 % po 5 minutách ošetření ultrazvukem a 75 % po 10 minutách ošetření, což bylo o něco nižší než rychlost sterilizace 78,7 % při 72 °C během pasterizace. Když bylo mléko sterilizováno ultrazvukem, po 15-60 sekundách ošetření mohla být emulze skladována po dobu 5 dnů, aniž by žlukla nebo se zkazila. Pokud bylo mléko sterilizováno ultrazvukem, mohlo být skladováno 18 měsíců v chladničce. Vlastnosti ultrazvukové sterilizace jsou vysoká rychlost, žádné cizí přísady, neškodné pro lidské tělo a žádné poškození předmětů. Sterilizační účinek však není důkladný a je zde mnoho ovlivňujících faktorů. Ačkoli relevantní výzkumníci začali studovat ultrazvukovou sterilizaci na počátku 30. let 20. století, pokrok byl pomalý a stále se používá hlavně pro pomocnou sterilizaci. 

Synergická sterilizace s ultrazvukem

Samotné výsledky výzkumu ultrazvukové sterilizace naznačují, že její účinnost není významná a plní především podpůrnou roli. Pro další zlepšení účinnosti sterilizace je proto nutné kombinovat ultrazvuk s jinými sterilizačními technologiemi. Na toto téma provedli výzkum domácí i zahraniční vědci. Výsledky naznačují, že kombinované použití ultrazvuku s dalšími sterilizačními technologiemi má široké uplatnění. Následuje přehled posledních desetiletí výzkumu sterilizačních účinků ultrazvuku v kombinaci s ozonem, nano-oxidem titaničitým, mikrovlnami, lasery, ultrafialovým světlem, teplem a tlakem.

Ultrazvuk s ozonem

Ozon je silný oxidant s vysokými oxidačními vlastnostmi a je již dlouho považován za velmi účinný oxidační a dezinfekční prostředek. Ozon se používal ke sterilizaci pitné vody již na počátku 20. století. V roce 1975 Gary a kol. provedla výzkum synergického účinku ultrazvuku a ozonu na sterilizaci vody. Výsledky ukázaly, že ozon v kombinaci s ultrazvukem vykazoval zvýšenou účinnost sterilizace. Hu Wenrong a kol. provedli experimentální studie o ultrazvukové sterilizační schopnosti ozónu, které prokázaly, že ultrazvuk významně zvyšuje rychlost sterilizace ozónem. Za stejnou dobu ošetření je rychlost sterilizace pomocí ultrazvuku v kombinaci s ozonem vyšší než u samotného ozonu. Při stejném množství použitého ozónu lze zkrátit dobu ošetření ultrazvukem, čímž se ušetří ultrazvuková energie. Hlavním důvodem pro zlepšenou rychlost sterilizace těchto dvou kombinací je to, že ultrazvuk může rozbít ozonové bubliny na mikrobubliny, což výrazně zvyšuje jejich rychlost rozpouštění a zvyšuje koncentraci ozonu. Vysoce koncentrovaný ozón dokáže rychle oxidovat a zabíjet bakterie.

Ultrazvuk v kombinaci s nano-oxidem titaničitým

Nano-oxid titaničitý má čistící i sterilizační vlastnosti za katalýzy ultrafialovým světlem a je široce používán k čištění povrchů, jako je keramika, sklo a dlaždice. Také přitáhl pozornost při úpravě vody pro odstraňování organických látek a zabíjení bakterií ve vodě. Obdobně nano-oxid titaničitý má sterilizační účinek při ozařování ultrazvukem. Vědci provedli experimentální studie o synergickém sterilizačním účinku nanotitanu oxidu a ultrazvuku. Výsledky ukazují, že katalyzátory nano-oxid titaničitý a ultrazvuk mají významný synergický baktericidní účinek. Zvýšení pH má mírný vliv na sterilizační účinek ultrazvuku a jeho sterilizační účinek je lepší než u nano-oxidu titaničitého katalyzovaného ultrafialovým světlem. Ultrazvukové ošetření katalyzované nano-oxidem titaničitým má nejen silný baktericidní účinek, ale má také určitý čisticí účinek na hladké povrchy. Lze jej použít k ultrazvukovému čištění kontaminovaného zařízení a zároveň dosáhnout sterilizačního účinku.

Faktory ovlivňující účinnost ultrazvukové sterilizace

Experimenty a související výzkum ukázaly, že sterilizační účinnost samotného ultrazvuku se za různých podmínek liší. Účinnost sterilizace ultrazvukem je primárně ovlivněna faktory, jako jsou parametry ultrazvuku (amplituda, frekvence a trvání), mikrobiální charakteristiky a médium.

Parametry akce

Mezi těmito parametry jsou hlavními faktory ovlivňujícími ultrazvukovou sterilizaci amplituda, frekvence, trvání a teplota ošetření ultrazvuku.

Amplituda a trvání

Sterilizační účinnost ultrazvuku proti bakteriálním vegetativním buňkám a sporám se exponenciálně zvyšuje s energií ultrazvuku. Výzkum ukázal, že sterilizační účinek ultrazvuku je přímo úměrný délce léčby; delší doba ošetření má za následek vyšší účinnost sterilizace. Míra přežití bakterií exponenciálně klesá s prodlužující se dobou léčby ultrazvukem. Avšak jeden problém, který je třeba řešit, je ten, že s prodlužující se dobou sterilizace se zvyšuje nárůst teploty média, což může být pro některé látky citlivé na teplo škodlivé. Intenzita a frekvence zvuku

U běžných kapalin se zvyšující se intenzitou zvuku zvyšuje intenzita kavitace, ale po dosažení určité hodnoty má kavitace tendenci se saturovat. Další zvyšování intenzity zvuku v tomto bodě bude generovat velké množství zbytečných bublin, čímž se zvýší útlum rozptylu, sníží se intenzita kavitace a nakonec se sníží sterilizační účinek. Obecně platí, že pro dosažení uspokojivé ultrazvukové sterilizace není nutné neomezeně zvyšovat intenzitu zvuku; intenzita sterilizace by měla být v rozmezí 1 až 61 W/cm².

Vyšší ultrazvukové frekvence vyžadují větší intenzitu zvuku. Zprávy uvádějí, že energie spotřebovaná k vytvoření kavitace ve vodě při frekvenci 400 kHz je 10krát větší než energie spotřebovaná při 10 kHz. Jinými slovy, intenzita kavitace klesá s rostoucí frekvencí ultrazvuku. Z tohoto důvodu je ultrazvuková frekvence v současnosti používaná pro sterilizaci obecně mezi 20 a 50 kHz.

Mikrobiální charakteristiky

Všechny patogeny mají určitý stupeň odolnosti vůči ultrazvuku, zvláště když se ultrazvuk používá ke sterilizaci samotný. Obecně se má za to, že čím větší je velikost buněk mikroorganismu, tím je citlivější na ultrazvuk. To znamená, že tyčinkovité bakterie jsou zabíjeny rychleji než koky a velké bacily rychleji než malé bacily. Gram-pozitivní bakterie jsou odolnější než gramnegativní bakterie; aerobní bakterie jsou odolnější než anaerobní bakterie; a bakteriální spory jsou odolnější než vegetativní buňky.

Mediální faktory

Lopez-Malo a kol. studovali účinky pH, aktivity vody a teploty na baktericidní účinnost tepelného ultrazvuku proti Penicillium digitatum. Zjistili, že když byla aktivita vody 0,99, zvýšení amplitudy ultrazvuku a snížení pH snížilo hodnotu D. Když pH zůstalo konstantní a aktivita vody se zvýšila, hodnota D se snížila.