Az ultrahangos sterilizálási technológia kutatási előrehaladása

Kutatási előrehaladás az ultrahangos sterilizálási technológiában

A hagyományos sterilizálás általában olyan módszereket használ, mint a magas hőmérsékletű melegítés, kémiai reagensek és ultraibolya fény. A magas hőmérsékletű melegítés azonban tönkreteheti a tárgyak hőérzékeny alkatrészeit; a kémiai sterilizálás könnyen káros maradványokat hagyhat maga után; és az ultraibolya sterilizálásnak vannak olyan hátrányai, mint a hiányosság és a holt zónák jelenléte. Következésképpen a kutatók gyorsabb és hatékonyabb sterilizációs módszereket kutatnak és kutatnak, amelyek elkerülik ezeket a korlátozásokat. A legújabb kutatások kimutatták, hogy az ultrahangos sterilizálás hatékony kiegészítő sterilizációs módszer lehet, és sikeresen alkalmazzák a szennyvízkezelésben és az ivóvíz fertőtlenítésében. Alkalmazását folyékony élelmiszerek, például sör, narancslé és szójaszósz sterilizálására is alaposan tanulmányozták.

Ez a cikk elsősorban az ultrahangos sterilizálás mechanizmusát mutatja be, és áttekinti az ultrahangos sterilizálási technológia kutatási előrehaladását és más sterilizációs módszerekkel (lézerrel, mikrohullámú sütővel, hővel és nyomással) való szinergikus alkalmazását.

Ultrahangos sterilizálási mechanizmus

Az ultrahang 20 kHz-nél nagyobb frekvenciájú hanghullámokra utal. Magas frekvenciája és rövid hullámhossza nemcsak kiváló irányíthatóságot, nagy teljesítményt és erős penetrációt kínál, hanem kavitációt és egy sor speciális hatást is indukál, beleértve a mechanikai, termikus és kémiai hatásokat is. Általános vélekedés szerint az ultrahang baktériumölő hatása elsősorban az általa kiváltott kavitációs hatásnak köszönhető. Az ultrahangos kezelés során, amikor a nagy intenzitású ultrahang folyékony közegben terjed, hosszanti hullámokat generál, amelyek viszont váltakozó kompressziós és tágulási régiókat hoznak létre. Ezek a nyomásváltó régiók hajlamosak a kavitációra, és apró buborékmagokat képeznek a közegben. Az adiabatikus összehúzódás és összeomlás pillanatában az apró buborékmagok 5000 °C-ot meghaladó hőmérsékletet és 50 000 kPa-t meghaladó nyomást tapasztalnak, ami elpusztíthat bizonyos baktériumokat a folyadékban, inaktiválhatja a vírusokat, sőt a kisebb mikroorganizmusok sejtfalát is károsíthatja. A hatások köre azonban korlátozott [7,8]. Az ultrahangos sterilizálási technológia kutatását már az 1930-as években javasolták. Egyes kutatási eredmények azt mutatják, hogy bár az ultrahang sterilizáló hatása önmagában korlátozott, az ultrahang és más sterilizációs módszerek kombinációja nagy lehetőségeket rejt magában, és rendkívül hatékony.

Ultrahangos sterilizálás önmagában

Jelenleg az ultrahangos sterilizálást elsősorban a szennyvízkezelésben, az ivóvíz fertőtlenítésében és az élelmiszeriparban alkalmazzák, és számos hazai és külföldi tudós végzett ezzel kapcsolatos kutatásokat. R. Davis 26 kHz-es ultrahangot használt a mikroorganizmusok elpusztítására, és megállapította, hogy bizonyos baktériumok, például az Escherichia coli, a Bacillus megaterium és a Pseudomonas aeruginosa alacsony koncentrációban érzékenyek az ultrahangra. Az ultrahang azonban kevésbé volt hatékony a Staphylococcusok és Streptococcusok ellen, és teljesen hatástalan volt a diftéria toxinnal szemben. McClements úgy véli, hogy az ultrahangos sterilizálás hatékonyabb, ha más sterilizációs technikákkal, például hőkezeléssel, ózonnal vagy kémiai reagensekkel kombinálják.

A hazai vízkezelő iparban az enyhén szennyezett víz minőségének javítása és a korszerű tisztítás elvégzése komoly kihívást jelent a legtöbb vízmű számára. A hagyományos szennyvíz-sterilizálási módszerek, mint például az aktív szén és a membrán biotechnológia, alacsony kezelési hatékonysággal rendelkeznek, és nem hatékonyak a visszautasító szerves szennyeződések eltávolításában. A kapcsolódó kutatások kimutatták, hogy az ultrahang hatékonyan távolítja el a baktériumokat, az oldhatatlan szerves anyagokat és a színt enyhén szennyezett vízben, a baktériumok eltávolítása az elsőrendű kinetikát követi. Némi, de nem jelentős hatása van a KOI-ra (kémiai oxigénigényre) és a zavarosságra, valamint a zavarosság eltávolítására gyakorolt ​​hatása is korlátozott. Az élelmiszeriparban az élelmiszerek romlását elsősorban bizonyos mikroorganizmusok jelenléte okozza, amelyek megváltoztatják annak minőségét. Az élelmiszerek biztonsága érdekében a sterilizálás fontos láncszem a gyártás során. Az élelmiszer minőségét közvetlenül befolyásolja a sterilizáló hatás. Zhu Shaohua [5] összehasonlító tesztet végzett a szójaszósz ultrahangos sterilizálásával kapcsolatban, és megállapította, hogy a szójaszósz sterilizálási aránya 72,9% volt 5 perces ultrahangos kezelés után, és 75% 10 perces kezelés után, ami valamivel alacsonyabb, mint a 78,7% -os sterilizálási arány az elmúlt 72 °C-on. A tej ultrahangos sterilizálása után 15-60 másodperces kezelés után az emulzió 5 napig tárolható volt anélkül, hogy avas vagy megromlana. Ha a tejet ultrahanggal sterilizálták, akkor hűtött körülmények között 18 hónapig eltartható. Az ultrahangos sterilizálás jellemzői a gyors sebesség, nincs idegen adalék, ártalmatlan az emberi szervezetre, és nem károsítja a tárgyakat. A sterilizációs hatás azonban nem alapos, és számos befolyásoló tényező van. Bár az érintett kutatók az 1930-as évek elején kezdték el tanulmányozni az ultrahangos sterilizálást, az előrehaladás lassú, és még mindig főként kiegészítő sterilizálásra használják. 

Szinergikus sterilizálás ultrahanggal

Önmagában az ultrahangos sterilizációval kapcsolatos kutatási eredmények azt mutatják, hogy hatékonysága nem jelentős, és elsősorban támogató szerepet tölt be. Ezért a sterilizálás hatékonyságának további javítása érdekében az ultrahangot más sterilizációs technológiákkal kell kombinálni. Hazai és nemzetközi kutatók végeztek kutatásokat ebben a témában. Az eredmények azt mutatják, hogy az ultrahang és más sterilizációs technológiák együttes alkalmazása széles körű alkalmazási lehetőségeket kínál. Az alábbiakban az ultrahang ózonnal, nano-titán-dioxiddal, mikrohullámokkal, lézerekkel, ultraibolya fénnyel, hővel és nyomással kombinált sterilizáló hatásait vizsgáló elmúlt évtizedek kutatásának áttekintését olvashatjuk.

Ultrahang ózonnal

Az ózon erős oxidálószer, erős oxidáló tulajdonságokkal, és régóta nagyon hatékony oxidáló- és fertőtlenítőszernek tartják. Az ózont már a 20. század elején használták ivóvíz sterilizálására. 1975-ben Gary et al. kutatásokat végzett az ultrahang és az ózon vízsterilizálásra gyakorolt ​​szinergikus hatásáról. Az eredmények azt mutatták, hogy az ózon ultrahanggal kombinálva fokozott sterilizálási hatékonyságot mutatott. Hu Wenrong et al. Kísérleti vizsgálatokat végzett az ózon ultrahanggal megerősített sterilizációs képességével kapcsolatban, és bebizonyította, hogy az ultrahang jelentősen növeli az ózon sterilizálási sebességét. Ugyanennyi kezelési idő alatt az ózonnal kombinált ultrahangos sterilizálási sebesség magasabb, mint az ózon önmagában történő alkalmazása esetén. Ha a felhasznált ózon mennyisége megegyezik, az ultrahangos kezelés ideje lerövidíthető, így ultrahangos energia takarítható meg. A kettő kombinált sterilizálási sebességének javulásának fő oka, hogy az ultrahang segítségével az ózonbuborékok mikrobuborékokká válhatnak, jelentősen megnövelve azok oldódási sebességét és növelve az ózonkoncentrációt. A nagy koncentrációjú ózon gyorsan oxidálhatja és elpusztíthatja a baktériumokat.

Ultrahang nano-titán-dioxiddal kombinálva

A nano-titán-dioxid tisztító és sterilizáló tulajdonságokkal is rendelkezik ultraibolya fény katalízise alatt, és széles körben használják felületek, például kerámiák, üvegek és csempe tisztítására. A vízkezelésben is felkeltette a figyelmet, mivel eltávolítja a szerves anyagokat és elpusztítja a vízben lévő baktériumokat. Hasonlóképpen, a nano-titán-dioxid ultrahangos besugárzás hatására sterilizáló hatású. A kutatók kísérleti vizsgálatokat végeztek a nano-titán-dioxid és az ultrahang szinergikus sterilizáló hatásáról. Az eredmények azt mutatják, hogy a nano-titán-dioxid katalizátorok és az ultrahang jelentős szinergikus baktericid hatást fejtenek ki. A pH növelése enyhén befolyásolja az ultrahang sterilizáló hatását, sterilizáló hatása pedig jobb, mint az ultraibolya fénnyel katalizált nano-titán-dioxidé. A nano-titán-dioxiddal katalizált ultrahangos kezelésnek nemcsak erős baktériumölő hatása van, hanem bizonyos tisztító hatása is van a sima felületeken. Használható a szennyezett berendezések ultrahangos tisztítására, miközben sterilizáló hatást is elérhet.

Az ultrahangos sterilizálás hatékonyságát befolyásoló tényezők

Kísérletek és kapcsolódó kutatások kimutatták, hogy az ultrahang sterilizálási hatékonysága önmagában eltérő körülmények között változik. Az ultrahangos sterilizálás hatékonyságát elsősorban olyan tényezők befolyásolják, mint az ultrahang paraméterei (amplitúdója, gyakorisága és időtartama), a mikrobiális jellemzők és a közeg.

Műveleti paraméterek

Ezen paraméterek közül az ultrahang amplitúdója, gyakorisága, időtartama és a kezelési hőmérséklet a fő tényezők, amelyek befolyásolják az ultrahangos sterilizálást.

Amplitúdó és időtartam

Az ultrahang sterilizációs hatékonysága a bakteriális vegetatív sejtekkel és spórákkal szemben exponenciálisan növekszik az ultrahang energiájával. Kutatások kimutatták, hogy az ultrahang sterilizáló hatása egyenesen arányos a kezelés időtartamával; a hosszabb kezelési idő nagyobb sterilizálási hatékonyságot eredményez. A baktériumok túlélési aránya exponenciálisan csökken az ultrahangos kezelési idő növekedésével. Az egyik probléma azonban, amellyel foglalkozni kell, az, hogy a sterilizálási idő növekedésével a közeg hőmérséklet-emelkedése nő, ami káros lehet egyes hőérzékeny anyagokra. Hangintenzitás és frekvencia

Az általános folyadékok esetében a hangintenzitás növelése növeli a kavitáció intenzitását, de egy bizonyos érték elérése után a kavitáció hajlamos telítődni. A hangintenzitás további növelése ezen a ponton nagyszámú haszontalan buborékot generál, ami növeli a szóródás csillapítását, csökkenti a kavitáció intenzitását, és végső soron csökkenti a sterilizáló hatást. Általában a kielégítő ultrahangos sterilizálás eléréséhez nem szükséges a hangintenzitás korlátlanul növelése; a sterilizálás intenzitásának 1 és 61 W/cm⊃2 tartományban kell lennie;.

A magasabb ultrahangfrekvenciák nagyobb hangintenzitást igényelnek. A jelentések azt mutatják, hogy a vízben 400 kHz-es kavitáció létrehozásához felhasznált energia 10-szerese a 10 kHz-en fogyasztott teljesítménynek. Más szóval, a kavitáció intenzitása az ultrahang frekvenciájának növekedésével csökken. Emiatt a sterilizáláshoz jelenleg használt ultrahang frekvencia általában 20 és 50 kHz között van.

Mikrobiális jellemzők

Minden kórokozónak van bizonyos fokú ultrahang-ellenállása, különösen, ha az ultrahangot önmagában használják sterilizálásra. Általában úgy tartják, hogy minél nagyobb egy mikroorganizmus sejtmérete, annál érzékenyebb az ultrahangra. Ez azt jelenti, hogy a pálcika alakú baktériumok gyorsabban pusztulnak el, mint a coccusok, és a nagy bacilusok gyorsabban pusztulnak el, mint a kis bacilusok. A Gram-pozitív baktériumok ellenállóbbak, mint a Gram-negatív baktériumok; az aerob baktériumok ellenállóbbak, mint az anaerob baktériumok; és a baktériumspórák ellenállóbbak, mint a vegetatív sejtek.

Médiatényezők

Lopez-Malo et al. tanulmányozta a pH, a vízaktivitás és a hőmérséklet hatását a termikus ultrahang baktériumölő hatékonyságára a Penicillium digitatum ellen. Azt találták, hogy amikor a vízaktivitás 0,99 volt, az ultrahang amplitúdójának növelése és a pH csökkentése csökkenti a D értéket. Amikor a pH állandó maradt és a vízaktivitás nőtt, a D érték csökkent.