Forschungsfortschritt der Ultraschall-Sterilisationstechnologie

Forschungsfortschritte in der Ultraschall-Sterilisationstechnologie

Bei der herkömmlichen Sterilisation kommen typischerweise Methoden wie Hochtemperaturerhitzen, chemische Reagenzien und ultraviolettes Licht zum Einsatz. Durch Erhitzen auf hohe Temperaturen können jedoch wärmeempfindliche Komponenten in Gegenständen zerstört werden; Bei der chemischen Sterilisation können leicht schädliche Rückstände zurückbleiben. und die UV-Sterilisation hat Nachteile wie Unvollständigkeit und das Vorhandensein toter Zonen. Daher haben Forscher schnellere und effektivere Sterilisationsmethoden erforscht und erforscht, die diese Einschränkungen umgehen. Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ultraschallsterilisation eine wirksame Hilfssterilisationsmethode sein kann und erfolgreich bei der Abwasseraufbereitung und Trinkwasserdesinfektion eingesetzt wird. Auch seine Anwendung bei der Sterilisation flüssiger Lebensmittel wie Bier, Orangensaft und Sojasauce wurde eingehend untersucht.

Dieser Artikel stellt in erster Linie den Mechanismus der Ultraschallsterilisation vor und gibt einen Überblick über den Forschungsfortschritt in der Ultraschallsterilisationstechnologie und ihren synergetischen Einsatz mit anderen Sterilisationsmethoden (Laser, Mikrowellen, Hitze und Druck).

Ultraschall-Sterilisationsmechanismus

Unter Ultraschall versteht man Schallwellen mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz. Seine hohe Frequenz und kurze Wellenlänge bieten nicht nur eine hervorragende Richtwirkung, hohe Leistung und starke Penetration, sondern induzieren auch Kavitation und eine Reihe von Spezialeffekten, darunter mechanische, thermische und chemische Effekte. Es wird allgemein angenommen, dass die bakterizide Wirkung von Ultraschall in erster Linie auf den von ihm erzeugten Kavitationseffekt zurückzuführen ist. Wenn sich bei der Ultraschallbehandlung hochintensiver Ultraschall durch ein flüssiges Medium ausbreitet, erzeugt er Longitudinalwellen, die wiederum Bereiche abwechselnder Kompression und Expansion erzeugen. Diese druckveränderlichen Bereiche sind anfällig für Kavitation und bilden winzige Blasenkeime im Medium. Im Moment der adiabatischen Kontraktion und des Zusammenbruchs sind die winzigen Blasenkerne Temperaturen von über 5.000 °C und Drücken von über 50.000 kPa ausgesetzt, wodurch bestimmte Bakterien in der Flüssigkeit abgetötet, Viren inaktiviert und sogar die Zellwände kleinerer Mikroorganismen beschädigt werden können. Allerdings ist der Wirkungsbereich begrenzt [7,8]. Forschungen zur Ultraschallsterilisationstechnologie wurden bereits in den 1930er Jahren vorgeschlagen. Einige Forschungsergebnisse zeigen, dass die Sterilisationswirkung von Ultraschall allein zwar begrenzt ist, die Kombination von Ultraschall und anderen Sterilisationsmethoden jedoch großes Potenzial bietet und hochwirksam ist.

Allein die Ultraschallsterilisation

Derzeit wird die Ultraschallsterilisation hauptsächlich in der Abwasseraufbereitung, der Trinkwasserdesinfektion und der Lebensmittelindustrie eingesetzt, und viele Wissenschaftler im In- und Ausland haben entsprechende Forschungen durchgeführt. R. Davis nutzte 26-kHz-Ultraschall zur Abtötung von Mikroorganismen und stellte fest, dass bestimmte Bakterien wie Escherichia coli, Bacillus megaterium und Pseudomonas aeruginosa bei geringen Konzentrationen empfindlich auf Ultraschall reagierten. Ultraschall war jedoch gegen Staphylokokken und Streptokokken weniger wirksam und gegen Diphtherietoxin völlig wirkungslos. McClements ist davon überzeugt, dass die Ultraschallsterilisation effektiver ist, wenn sie mit anderen Sterilisationstechniken wie Wärmebehandlung, Ozon oder chemischen Reagenzien kombiniert wird.

In der häuslichen Wasseraufbereitungsbranche ist die Verbesserung der Qualität von leicht verschmutztem Wasser und die Durchführung einer fortschrittlichen Aufbereitung für die meisten Wasserwerke eine große Herausforderung. Herkömmliche Abwassersterilisationsmethoden wie Aktivkohle und Membranbiotechnologie weisen eine geringe Behandlungseffizienz auf und sind bei der Entfernung widerspenstiger organischer Schadstoffe unwirksam. Verwandte Untersuchungen haben gezeigt, dass Ultraschall bei der Entfernung von Bakterien, unlöslichen organischen Stoffen und Farben in leicht verschmutztem Wasser wirksam ist, wobei die Bakterienentfernung einer Kinetik erster Ordnung folgt. Es hat auch einen gewissen, aber nicht signifikanten Einfluss auf den CSB (chemischen Sauerstoffbedarf) und die Trübung, und seine Wirkung auf die Trübungsentfernung ist ebenfalls begrenzt. In der Lebensmittelindustrie wird der Verderb von Lebensmitteln hauptsächlich durch das Vorhandensein bestimmter Mikroorganismen verursacht, die ihre Qualität verändern. Um die Sicherheit von Lebensmitteln zu gewährleisten, ist die Sterilisation ein wichtiger Bestandteil ihrer Herstellung. Die Qualität der Lebensmittel wird direkt durch den Sterilisationseffekt beeinflusst. Zhu Shaohua [5] führte einen Vergleichstest zur Sterilisation von Sojasauce mittels Ultraschall durch und stellte fest, dass die Sterilisationsrate von Sojasauce nach 5 Minuten Ultraschallbehandlung 72,9 % und nach 10 Minuten Behandlung 75 % betrug, was etwas niedriger war als die Sterilisationsrate von 78,7 % bei 72 °C während der Pasteurisierung. Wenn Milch mit Ultraschall sterilisiert wurde, konnte die Emulsion nach 15–60 Sekunden Behandlungszeit 5 Tage lang gelagert werden, ohne ranzig zu werden oder zu verderben. Wenn die Milch mit Ultraschall sterilisiert wurde, konnte sie unter gekühlten Bedingungen 18 Monate lang gelagert werden. Die Merkmale der Ultraschallsterilisation sind hohe Geschwindigkeit, keine Fremdzusätze, harmlos für den menschlichen Körper und keine Beschädigung von Gegenständen. Der Sterilisationseffekt ist jedoch nicht gründlich und es gibt viele Einflussfaktoren. Obwohl relevante Forscher in den frühen 1930er Jahren damit begannen, die Ultraschallsterilisation zu untersuchen, waren die Fortschritte nur langsam und sie wird immer noch hauptsächlich zur Hilfssterilisation eingesetzt. 

Synergistische Sterilisation mit Ultraschall

Allein Forschungsergebnisse zur Ultraschallsterilisation deuten darauf hin, dass ihre Wirksamkeit nicht signifikant ist und in erster Linie eine unterstützende Rolle spielt. Um die Sterilisationseffizienz weiter zu verbessern, muss Ultraschall daher mit anderen Sterilisationstechnologien kombiniert werden. Forscher aus dem In- und Ausland haben zu diesem Thema geforscht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der kombinierte Einsatz von Ultraschall mit anderen Sterilisationstechnologien breite Anwendungsaussichten hat. Im Folgenden finden Sie einen Überblick über die Forschung der letzten Jahrzehnte zu den Sterilisationseffekten von Ultraschall in Kombination mit Ozon, Nanotitandioxid, Mikrowellen, Lasern, ultraviolettem Licht, Hitze und Druck.

Ultraschall mit Ozon

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel mit stark oxidierenden Eigenschaften und gilt seit langem als sehr wirksames Oxidations- und Desinfektionsmittel. Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde Ozon zur Trinkwasserentkeimung eingesetzt. 1975 stellten Gary et al. führte Untersuchungen zur synergistischen Wirkung von Ultraschall und Ozon bei der Wassersterilisation durch. Die Ergebnisse zeigten, dass Ozon in Kombination mit Ultraschall eine verbesserte Sterilisationswirksamkeit aufwies. Hu Wenrong et al. führte experimentelle Studien zur ultraschallverstärkten Sterilisationsfähigkeit von Ozon durch und zeigte, dass Ultraschall die Sterilisationsrate von Ozon erheblich steigert. Bei gleicher Behandlungszeit ist die Sterilisationsrate mittels Ultraschall in Kombination mit Ozon höher als die von Ozon allein. Bei gleicher Ozonmenge kann die Ultraschallbehandlungszeit verkürzt und somit Ultraschallenergie eingespart werden. Der Hauptgrund für die verbesserte Sterilisationsrate beider kombiniert ist, dass Ultraschall Ozonblasen in Mikrobläschen aufbrechen kann, wodurch deren Auflösungsrate erheblich erhöht und die Ozonkonzentration erhöht wird. Hochkonzentriertes Ozon kann Bakterien schnell oxidieren und abtöten.

Ultraschall kombiniert mit Nano-Titandioxid

Nano-Titandioxid hat unter Katalyse mit ultraviolettem Licht sowohl reinigende als auch sterilisierende Eigenschaften und wird häufig zur Reinigung von Oberflächen wie Keramik, Glas und Fliesen verwendet. Es hat auch bei der Wasseraufbereitung Aufmerksamkeit erregt, um organische Stoffe zu entfernen und Bakterien im Wasser abzutöten. Ebenso hat Nano-Titandioxid unter Ultraschallbestrahlung eine sterilisierende Wirkung. Forscher haben experimentelle Studien zum synergistischen Sterilisationseffekt von Nano-Titandioxid und Ultraschall durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Nano-Titandioxid-Katalysatoren und Ultraschall eine signifikante synergistische bakterizide Wirkung haben. Ein steigender pH-Wert hat einen leichten Einfluss auf die Sterilisationswirkung von Ultraschall und seine Sterilisationswirkung ist der von Nano-Titandioxid, das durch ultraviolettes Licht katalysiert wird, überlegen. Die mit Nano-Titandioxid katalysierte Ultraschallbehandlung hat nicht nur eine starke bakterizide Wirkung, sondern hat auch einen gewissen Reinigungseffekt auf glatten Oberflächen. Mit ihm lassen sich kontaminierte Geräte per Ultraschall reinigen und gleichzeitig eine sterilisierende Wirkung erzielen.

Faktoren, die die Wirksamkeit der Ultraschallsterilisation beeinflussen

Experimente und damit verbundene Untersuchungen haben gezeigt, dass die Sterilisationswirksamkeit von Ultraschall allein unter verschiedenen Bedingungen variiert. Die Wirksamkeit der Ultraschallsterilisation wird hauptsächlich von Faktoren wie den Ultraschallparametern (Amplitude, Frequenz und Dauer), den mikrobiellen Eigenschaften und dem Medium beeinflusst.

Aktionsparameter

Unter diesen Parametern sind Amplitude, Frequenz, Dauer und Behandlungstemperatur des Ultraschalls die Hauptfaktoren, die die Ultraschallsterilisation beeinflussen.

Amplitude und Dauer

Die Sterilisationswirksamkeit von Ultraschall gegen vegetative Bakterienzellen und Sporen steigt exponentiell mit der Ultraschallenergie. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Sterilisationseffekt von Ultraschall direkt proportional zur Dauer der Behandlung ist; Längere Behandlungszeiten führen zu einer höheren Wirksamkeit der Sterilisation. Die Überlebensraten der Bakterien nehmen mit zunehmender Dauer der Ultraschallbehandlung exponentiell ab. Ein Problem, das jedoch angegangen werden muss, besteht darin, dass mit zunehmender Sterilisationszeit der Temperaturanstieg des Mediums zunimmt, was für einige hitzeempfindliche Substanzen schädlich sein kann. Schallintensität und Frequenz

Bei allgemeinen Flüssigkeiten erhöht eine zunehmende Schallintensität die Kavitationsintensität, aber ab einem bestimmten Wert tendiert die Kavitation zur Sättigung. Eine weitere Erhöhung der Schallintensität an diesem Punkt erzeugt eine große Anzahl nutzloser Blasen, erhöht die Streudämpfung, verringert die Kavitationsintensität und verringert letztendlich den Sterilisationseffekt. Um eine zufriedenstellende Ultraschallsterilisation zu erreichen, ist es im Allgemeinen nicht notwendig, die Schallintensität unbegrenzt zu erhöhen; Die Sterilisationsintensität sollte im Bereich von 1 bis 61 W/cm⊃2 liegen.

Höhere Ultraschallfrequenzen erfordern eine größere Schallintensität. Berichten zufolge ist der Stromverbrauch zur Erzeugung von Kavitation in Wasser bei einer Frequenz von 400 kHz zehnmal höher als der Stromverbrauch bei 10 kHz. Mit anderen Worten: Die Kavitationsintensität nimmt mit zunehmender Ultraschallfrequenz ab. Aus diesem Grund liegt die zur Sterilisation derzeit verwendete Ultraschallfrequenz in der Regel zwischen 20 und 50 kHz.

Mikrobielle Eigenschaften

Alle Krankheitserreger weisen eine gewisse Resistenz gegen Ultraschall auf, insbesondere wenn Ultraschall allein zur Sterilisation eingesetzt wird. Es wird allgemein angenommen, dass ein Mikroorganismus umso empfindlicher auf Ultraschall reagiert, je größer die Zellgröße ist. Dies bedeutet, dass stäbchenförmige Bakterien schneller abgetötet werden als Kokken und große Bakterien schneller abgetötet werden als kleine Bakterien. Grampositive Bakterien sind resistenter als Gramnegative Bakterien; aerobe Bakterien sind resistenter als anaerobe Bakterien; und Bakteriensporen sind resistenter als vegetative Zellen.

Medienfaktoren

Lopez-Malo et al. untersuchten die Auswirkungen von pH-Wert, Wasseraktivität und Temperatur auf die bakterizide Wirksamkeit von thermischem Ultraschall gegen Penicillium digitatum. Sie fanden heraus, dass bei einer Wasseraktivität von 0,99 eine Erhöhung der Ultraschallamplitude und eine Verringerung des pH-Werts den D-Wert verringerten. Bei konstantem pH-Wert und steigender Wasseraktivität sank der D-Wert.