Forskning Progress of Ultrasonic Sterilization Technology

Forskning Progress in Ultrasonic Sterilization Technology

Traditionel sterilisering bruger typisk metoder som højtemperaturopvarmning, kemiske reagenser og ultraviolet lys. Imidlertid kan højtemperaturopvarmning ødelægge varmefølsomme komponenter i genstande; kemisk sterilisering kan nemt efterlade skadelige rester; og ultraviolet sterilisering har ulemper såsom ufuldstændighed og tilstedeværelsen af ​​døde zoner. Derfor har forskere udforsket og forsket i hurtigere og mere effektive steriliseringsmetoder, der undgår disse begrænsninger. Nyere forskning har vist, at ultralydsterilisering kan være en effektiv hjælpesteriliseringsmetode, og den er med succes blevet brugt til spildevandsbehandling og desinfektion af drikkevand. Dets anvendelse til sterilisering af flydende fødevarer såsom øl, appelsinjuice og sojasovs er også blevet grundigt undersøgt.

Denne artikel introducerer primært mekanismen for ultralydssterilisering og gennemgår forskningsfremskridt inden for ultralydsteriliseringsteknologi og dens synergistiske anvendelse med andre steriliseringsmetoder (lasere, mikrobølger, varme og tryk).

Ultralydssteriliseringsmekanisme

Ultralyd refererer til lydbølger med en frekvens på mere end 20 kHz. Dens høje frekvens og korte bølgelængde tilbyder ikke kun fremragende retningsbestemmelse, høj effekt og stærk penetration, men inducerer også kavitation og en række specielle effekter, herunder mekaniske, termiske og kemiske effekter. Det antages generelt, at den bakteriedræbende effekt af ultralyd primært skyldes den kavitationseffekt, den frembringer. Under ultralydsbehandling, når højintensiv ultralyd forplanter sig gennem et flydende medium, genererer det langsgående bølger, som igen skaber områder med skiftevis kompression og ekspansion. Disse trykændrende områder er tilbøjelige til kavitation og danner små boblekerner i mediet. I øjeblikket med adiabatisk sammentrækning og kollaps oplever de små boblekerner temperaturer, der overstiger 5000°C og tryk, der overstiger 50.000 kPa, hvilket kan dræbe visse bakterier i væsken, inaktivere vira og endda beskadige cellevæggene i mindre mikroorganismer. Handlingsområdet er dog begrænset [7,8]. Forskning i ultralydssteriliseringsteknologi er blevet foreslået så tidligt som i 1930'erne. Nogle forskningsresultater viser, at selvom steriliseringseffekten af ​​ultralyd alene er begrænset, har kombinationen af ​​ultralyd og andre steriliseringsmetoder et stort potentiale og er yderst effektiv.

Ultralydsterilisering alene

I øjeblikket bruges ultralydsterilisering primært til spildevandsbehandling, desinfektion af drikkevand og fødevareindustrien, og mange forskere i ind- og udland har udført relateret forskning. R. Davis brugte 26 kHz ultralyd til at dræbe mikroorganismer og fandt ud af, at visse bakterier, såsom Escherichia coli, Bacillus megaterium og Pseudomonas aeruginosa, var følsomme over for ultralyd ved lave koncentrationer. Ultralyd var imidlertid mindre effektivt mod stafylokokker og streptokokker og var fuldstændig ineffektivt mod difteritoksin. McClements mener, at ultralydssterilisering er mere effektiv, når den kombineres med andre steriliseringsteknikker, såsom varmebehandling, ozon eller kemiske reagenser.

I vandbehandlingsindustrien til husholdningsbrug er det en stor udfordring, som de fleste vandværker står over for at forbedre kvaliteten af ​​lettere forurenet vand og udføre avanceret behandling. Traditionelle spildevandssteriliseringsmetoder, såsom aktivt kul og membranbioteknologi, har lav behandlingseffektivitet og er ineffektive til at fjerne genstridige organiske forurenende stoffer. Relateret forskning har vist, at ultralyd er effektiv til at fjerne bakterier, uopløseligt organisk materiale og farve i let forurenet vand, med bakteriefjernelse efter førsteordens kinetik. Det har også en vis, men ikke signifikant, effekt på COD (kemisk iltforbrug) og turbiditet, og dens effekt på fjernelse af turbiditet er også begrænset. I fødevareindustrien er fødevarefordærvelse hovedsageligt forårsaget af tilstedeværelsen af ​​visse mikroorganismer, der ændrer dens kvalitet. For at sikre fødevaresikkerheden er sterilisering et vigtigt led i dets produktion. Kvaliteten af ​​maden påvirkes direkte af steriliseringseffekten. Zhu Shaohua [5] udførte en sammenlignende test på sterilisering af sojasovs ved hjælp af ultralyd og fandt, at steriliseringshastigheden for sojasovs var 72,9 % efter 5 minutters ultralydsbehandling og 75 % efter 10 minutters behandling, hvilket var lidt lavere end steriliseringshastigheden på 78,7 % ved 72°C under pasteurisering. Når mælken blev steriliseret med ultralyd, kunne emulsionen efter 15-60 sekunders behandling opbevares i 5 dage uden at blive harsk eller fordærvet. Hvis mælken blev steriliseret med ultralyd, kunne den opbevares i 18 måneder på køl. Karakteristikaene ved ultralydsterilisering er hurtig hastighed, ingen fremmede tilsætningsstoffer, uskadelig for den menneskelige krop og ingen skade på genstande. Steriliseringseffekten er dog ikke grundig, og der er mange indflydelsesfaktorer. Selvom relevante forskere begyndte at studere ultralydsterilisering i begyndelsen af ​​1930'erne, har fremskridtene været langsom, og det bruges stadig hovedsageligt til hjælpesterilisering. 

Synergistisk sterilisering med ultralyd

Forskningsresultater om ultralydsterilisering alene indikerer, at dens effektivitet ikke er signifikant og primært tjener en understøttende rolle. For yderligere at forbedre steriliseringseffektiviteten skal ultralyd derfor kombineres med andre steriliseringsteknologier. Forskere både nationalt og internationalt har forsket i dette emne. Resultaterne indikerer, at den kombinerede brug af ultralyd med andre steriliseringsteknologier har brede anvendelsesmuligheder. Det følgende er en gennemgang af de seneste årtiers forskning om steriliseringseffekterne af ultralyd i kombination med ozon, nano-titaniumdioxid, mikrobølger, lasere, ultraviolet lys, varme og tryk.

Ultralyd med ozon

Ozon er et stærkt oxidationsmiddel med høje oxiderende egenskaber og har længe været betragtet som et meget effektivt oxidations- og desinfektionsmiddel. Ozon blev allerede brugt til drikkevandssterilisering i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. I 1975, Gary et al. udført forskning i den synergistiske effekt af ultralyd og ozon på vandsterilisering. Resultaterne viste, at ozon, når det kombineres med ultralyd, udviste øget steriliseringseffektivitet. Hu Wenrong et al. udført eksperimentelle undersøgelser af ozons ultralydsforstærkede steriliseringsevne, hvilket viser, at ultralyd markant øger ozons steriliseringshastighed. For den samme behandlingstid er steriliseringshastigheden ved hjælp af ultralyd kombineret med ozon højere end for ozon alene. Når mængden af ​​anvendt ozon er den samme, kan ultralydsbehandlingstiden forkortes og dermed spare ultralydsenergi. Hovedårsagen til den forbedrede steriliseringshastighed af de to kombinerede er, at ultralyd kan bryde ozonbobler op til mikrobobler, hvilket øger deres opløsningshastighed betydeligt og øger ozonkoncentrationen. Højkoncentreret ozon kan hurtigt oxidere og dræbe bakterier.

Ultralyd kombineret med nano-titaniumdioxid

Nano-titaniumdioxid har både rensende og steriliserende egenskaber under katalyse af ultraviolet lys og er meget brugt til at rense overflader som keramik, glas og fliser. Det har også tiltrukket sig opmærksomhed i vandbehandling for at fjerne organisk materiale og dræbe bakterier i vand. Tilsvarende har nano-titaniumdioxid en steriliserende effekt under ultralydsbestråling. Forskere har udført eksperimentelle undersøgelser af den synergistiske steriliseringseffekt af nano-titaniumdioxid og ultralyd. Resultaterne viser, at nano-titaniumdioxid-katalysatorer og ultralyd har en signifikant synergistisk bakteriedræbende effekt. Forøgelse af pH har en lille effekt på steriliseringseffekten af ​​ultralyd, og dens steriliseringseffekt er overlegen i forhold til nano-titaniumdioxid katalyseret af ultraviolet lys. Nano-titaniumdioxid-katalyseret ultralydsbehandling har ikke kun en stærk bakteriedræbende effekt, men har også en vis renseeffekt på glatte overflader. Det kan bruges til at rense forurenet udstyr med ultralyd, samtidig med at det opnår en steriliserende effekt.

Faktorer, der påvirker ultralydssteriliseringseffektiviteten

Eksperimenter og relateret forskning har vist, at steriliseringseffektiviteten af ​​ultralyd alene varierer under forskellige forhold. Effektiviteten af ​​ultralydsterilisering er primært påvirket af faktorer som ultralydsparametrene (amplitude, frekvens og varighed), mikrobielle egenskaber og mediet.

Handlingsparametre

Blandt disse parametre er ultralydens amplitude, frekvens, varighed og behandlingstemperatur de vigtigste faktorer, der påvirker ultralydsterilisering.

Amplitude og varighed

Steriliseringseffektiviteten af ​​ultralyd mod bakterielle vegetative celler og sporer øges eksponentielt med ultralydsenergien. Forskning har vist, at steriliseringseffekten af ​​ultralyd er direkte proportional med behandlingens varighed; længere behandlingstider resulterer i større steriliseringseffektivitet. Bakterieoverlevelsesrater falder eksponentielt med stigende ultralydsbehandlingstid. Et problem, der dog skal tages stilling til, er, at efterhånden som steriliseringstiden øges, stiger temperaturstigningen af ​​mediet, hvilket kan være skadeligt for nogle varmefølsomme stoffer. Lydintensitet og frekvens

For almindelige væsker øger øget lydintensitet kavitationsintensiteten, men efter at have nået en vis værdi, har kavitation en tendens til at mættes. Yderligere forøgelse af lydintensiteten på dette tidspunkt vil generere et stort antal ubrugelige bobler, øge spredningsdæmpningen, reducere kavitationsintensiteten og i sidste ende mindske steriliseringseffekten. For at opnå tilfredsstillende ultralydsterilisering er det generelt ikke nødvendigt at øge lydintensiteten på ubestemt tid; steriliseringsintensiteten skal ligge inden for området 1 til 61 W/cm².

Højere ultralydsfrekvenser kræver større lydintensitet. Rapporter viser, at den strøm, der forbruges til at producere kavitation i vand ved en frekvens på 400 kHz, er 10 gange større end den, der forbruges ved 10 kHz. Med andre ord falder kavitationsintensiteten med stigende ultralydsfrekvens. Af denne grund er den ultralydsfrekvens, der i øjeblikket anvendes til sterilisering, generelt mellem 20 og 50 kHz.

Mikrobielle egenskaber

Alle patogener har en vis grad af resistens over for ultralyd, især når ultralyd bruges alene til sterilisering. Det antages generelt, at jo større cellestørrelse en mikroorganisme har, jo mere følsom er den over for ultralyd. Det betyder, at stavformede bakterier dræbes hurtigere end kokker, og store baciller dræbes hurtigere end små baciller. Gram-positive bakterier er mere resistente end Gram-negative bakterier; aerobe bakterier er mere resistente end anaerobe bakterier; og bakteriesporer er mere modstandsdygtige end vegetative celler.

Mediefaktorer

Lopez-Malo et al. undersøgte virkningerne af pH, vandaktivitet og temperatur på den bakteriedræbende effekt af termisk ultralyd mod Penicillium digitatum. De fandt ud af, at når vandaktiviteten var 0,99, faldt D-værdien ved at øge ultralydsamplituden og reducere pH. Når pH-værdien forblev konstant, og vandaktiviteten steg, faldt D-værdien.