Progressi della ricerca sulla tecnologia di sterilizzazione ad ultrasuoni

Progressi della ricerca nella tecnologia di sterilizzazione ad ultrasuoni

La sterilizzazione tradizionale utilizza in genere metodi come riscaldamento ad alta temperatura, reagenti chimici e luce ultravioletta. Tuttavia, il riscaldamento ad alta temperatura può distruggere i componenti sensibili al calore negli oggetti; la sterilizzazione chimica può facilmente lasciare residui nocivi; e la sterilizzazione con raggi ultravioletti presenta inconvenienti quali incompletezza e presenza di zone morte. Di conseguenza, i ricercatori hanno esplorato e ricercato metodi di sterilizzazione più rapidi ed efficaci che evitano queste limitazioni. Ricerche recenti hanno dimostrato che la sterilizzazione ad ultrasuoni può essere un metodo di sterilizzazione ausiliario efficace ed è stata utilizzata con successo nel trattamento delle acque reflue e nella disinfezione dell'acqua potabile. È stata ampiamente studiata anche la sua applicazione nella sterilizzazione di alimenti liquidi come birra, succo d'arancia e salsa di soia.

Questo articolo introduce principalmente il meccanismo della sterilizzazione ad ultrasuoni ed esamina i progressi della ricerca nella tecnologia di sterilizzazione ad ultrasuoni e il suo uso sinergico con altri metodi di sterilizzazione (laser, microonde, calore e pressione).

Meccanismo di sterilizzazione ad ultrasuoni

Per ultrasuoni si intendono le onde sonore con una frequenza superiore a 20 kHz. La sua alta frequenza e la sua corta lunghezza d'onda non solo offrono eccellente direzionalità, elevata potenza e forte penetrazione, ma inducono anche cavitazione e una serie di effetti speciali, inclusi effetti meccanici, termici e chimici. Si ritiene generalmente che l'effetto battericida degli ultrasuoni sia dovuto principalmente all'effetto di cavitazione che producono. Durante il trattamento ad ultrasuoni, quando gli ultrasuoni ad alta intensità si propagano attraverso un mezzo liquido, generano onde longitudinali, che a loro volta creano regioni di compressione ed espansione alternate. Queste regioni che cambiano pressione sono soggette a cavitazione, formando minuscoli nuclei di bolle all'interno del mezzo. Al momento della contrazione e del collasso adiabatico, i minuscoli nuclei delle bolle sperimentano temperature superiori a 5000°C e pressioni superiori a 50.000 kPa, che possono uccidere alcuni batteri nel liquido, inattivare virus e persino danneggiare le pareti cellulari di microrganismi più piccoli. Tuttavia, il raggio d’azione è limitato [7,8]. La ricerca sulla tecnologia di sterilizzazione ad ultrasuoni è stata proposta già negli anni '30. Alcuni risultati della ricerca mostrano che mentre l’effetto di sterilizzazione degli ultrasuoni da solo è limitato, la combinazione di ultrasuoni e altri metodi di sterilizzazione ha un grande potenziale ed è altamente efficace.

Solo sterilizzazione ad ultrasuoni

Attualmente, la sterilizzazione ad ultrasuoni viene utilizzata principalmente nel trattamento delle acque reflue, nella disinfezione dell'acqua potabile e nell'industria alimentare, e molti studiosi in patria e all'estero hanno condotto ricerche correlate. R. Davis ha utilizzato gli ultrasuoni a 26kHz per uccidere i microrganismi e ha scoperto che alcuni batteri, come Escherichia coli, Bacillus megaterium e Pseudomonas aeruginosa, erano sensibili agli ultrasuoni a basse concentrazioni. Gli ultrasuoni, tuttavia, erano meno efficaci contro gli stafilococchi e gli streptococchi, ed erano completamente inefficaci contro la tossina della difterite. McClements ritiene che la sterilizzazione a ultrasuoni sia più efficace se combinata con altre tecniche di sterilizzazione, come il trattamento termico, l'ozono o i reagenti chimici.

Nel settore del trattamento dell’acqua domestica, il miglioramento della qualità dell’acqua leggermente inquinata e l’esecuzione di un trattamento avanzato rappresentano una sfida importante per la maggior parte degli impianti idrici. I metodi tradizionali di sterilizzazione delle acque reflue, come il carbone attivo e la biotecnologia a membrana, hanno una bassa efficienza di trattamento e sono inefficaci nella rimozione degli inquinanti organici recalcitranti. Ricerche correlate hanno dimostrato che gli ultrasuoni sono efficaci nella rimozione di batteri, materia organica insolubile e colore in acqua leggermente inquinata, con la rimozione dei batteri che segue una cinetica di primo ordine. Ha anche qualche effetto, ma non significativo, sul COD (domanda chimica di ossigeno) e sulla torbidità, e anche il suo effetto sulla rimozione della torbidità è limitato. Nell'industria alimentare, il deterioramento degli alimenti è causato principalmente dalla presenza di alcuni microrganismi che ne alterano la qualità. Al fine di garantire la sicurezza degli alimenti, la sterilizzazione è un anello importante nella sua produzione. La qualità del cibo è direttamente influenzata dall'effetto di sterilizzazione. Zhu Shaohua [5] ha condotto un test comparativo sulla sterilizzazione della salsa di soia mediante ultrasuoni e ha scoperto che il tasso di sterilizzazione della salsa di soia era del 72,9% dopo 5 minuti di trattamento ad ultrasuoni e del 75% dopo 10 minuti di trattamento, leggermente inferiore al tasso di sterilizzazione del 78,7% a 72°C durante la pastorizzazione. Quando il latte veniva sterilizzato con gli ultrasuoni, dopo 15-60 secondi di trattamento, l'emulsione poteva essere conservata per 5 giorni senza irrancidire o deteriorarsi. Se il latte fosse sterilizzato con gli ultrasuoni, potrebbe essere conservato per 18 mesi in condizioni refrigerate. Le caratteristiche della sterilizzazione ad ultrasuoni sono alta velocità, nessun additivo estraneo, innocuo per il corpo umano e nessun danno agli oggetti. Tuttavia, l’effetto della sterilizzazione non è completo e ci sono molti fattori che influenzano. Sebbene i ricercatori più importanti abbiano iniziato a studiare la sterilizzazione ad ultrasuoni all'inizio degli anni '30, i progressi sono stati lenti ed è ancora utilizzata principalmente per la sterilizzazione ausiliaria. 

Sterilizzazione sinergica con ultrasuoni

I risultati della ricerca sulla sola sterilizzazione ad ultrasuoni indicano che la sua efficacia non è significativa e svolge principalmente un ruolo di supporto. Pertanto, per migliorare ulteriormente l’efficienza della sterilizzazione, gli ultrasuoni devono essere combinati con altre tecnologie di sterilizzazione. Ricercatori sia a livello nazionale che internazionale hanno condotto ricerche su questo argomento. I risultati indicano che l’uso combinato degli ultrasuoni con altre tecnologie di sterilizzazione ha ampie prospettive di applicazione. Quella che segue è una rassegna degli ultimi decenni di ricerca sugli effetti di sterilizzazione degli ultrasuoni in combinazione con ozono, biossido di nano-titanio, microonde, laser, luce ultravioletta, calore e pressione.

Ultrasuoni con ozono

L'ozono è un forte ossidante con elevate proprietà ossidanti ed è stato a lungo considerato un ossidante e disinfettante molto efficace. L’ozono veniva utilizzato già all’inizio del XX secolo per la sterilizzazione dell’acqua potabile. Nel 1975, Gary et al. ha condotto ricerche sull'effetto sinergico degli ultrasuoni e dell'ozono sulla sterilizzazione dell'acqua. I risultati hanno mostrato che l’ozono, se combinato con gli ultrasuoni, ha mostrato una maggiore efficacia di sterilizzazione. Hu Wenrong et al. hanno condotto studi sperimentali sulla capacità di sterilizzazione dell'ozono potenziata dagli ultrasuoni, dimostrando che gli ultrasuoni migliorano significativamente il tasso di sterilizzazione dell'ozono. A parità di tempo di trattamento, il tasso di sterilizzazione mediante ultrasuoni combinati con ozono è superiore a quello del solo ozono. Quando la quantità di ozono utilizzata è la stessa, il tempo di trattamento con gli ultrasuoni può essere ridotto, risparmiando così energia ultrasonica. La ragione principale del miglioramento del tasso di sterilizzazione dei due combinati è che gli ultrasuoni possono scomporre le bolle di ozono in microbolle, aumentando significativamente il loro tasso di dissoluzione e aumentando la concentrazione di ozono. L’ozono ad alta concentrazione può ossidare rapidamente e uccidere i batteri.

Ultrasuoni combinati con biossido di nano-titanio

Il biossido di nano-titanio ha proprietà detergenti e sterilizzanti sotto catalisi con luce ultravioletta ed è ampiamente utilizzato per pulire superfici come ceramica, vetro e piastrelle. Ha anche attirato l'attenzione nel trattamento dell'acqua per rimuovere la materia organica e uccidere i batteri nell'acqua. Allo stesso modo, il biossido di nano-titanio ha un effetto sterilizzante sotto irradiazione con ultrasuoni. I ricercatori hanno condotto studi sperimentali sull'effetto sinergico di sterilizzazione del biossido di nano-titanio e degli ultrasuoni. I risultati mostrano che i catalizzatori di biossido di nano-titanio e gli ultrasuoni hanno un significativo effetto battericida sinergico. L'aumento del pH ha un leggero effetto sull'effetto di sterilizzazione degli ultrasuoni e il suo effetto di sterilizzazione è superiore a quello del biossido di nano-titanio catalizzato dalla luce ultravioletta. Il trattamento ad ultrasuoni catalizzato da nano-biossido di titanio non solo ha un forte effetto battericida, ma ha anche un certo effetto pulente sulle superfici lisce. Può essere utilizzato per pulire ad ultrasuoni le apparecchiature contaminate ottenendo allo stesso tempo un effetto sterilizzante.

Fattori che influenzano l'efficacia della sterilizzazione ad ultrasuoni

Esperimenti e ricerche correlate hanno dimostrato che l'efficacia della sterilizzazione dei soli ultrasuoni varia in condizioni diverse. L'efficacia della sterilizzazione ad ultrasuoni è influenzata principalmente da fattori quali i parametri degli ultrasuoni (ampiezza, frequenza e durata), le caratteristiche microbiche e il mezzo.

Parametri di azione

Tra questi parametri, l'ampiezza, la frequenza, la durata e la temperatura di trattamento degli ultrasuoni sono i principali fattori che influenzano la sterilizzazione ad ultrasuoni.

Ampiezza e durata

L'efficacia di sterilizzazione degli ultrasuoni contro le cellule vegetative e le spore batteriche aumenta esponenzialmente con l'energia degli ultrasuoni. La ricerca ha dimostrato che l'effetto sterilizzante degli ultrasuoni è direttamente proporzionale alla durata del trattamento; tempi di trattamento più lunghi si traducono in una maggiore efficacia di sterilizzazione. I tassi di sopravvivenza batterica diminuiscono esponenzialmente con l'aumentare del tempo di trattamento con ultrasuoni. Tuttavia, un problema che deve essere affrontato è che all'aumentare del tempo di sterilizzazione, aumenta l'aumento della temperatura del mezzo, il che può essere dannoso per alcune sostanze sensibili al calore. Intensità e frequenza del suono

Per i liquidi generici, aumentando l'intensità del suono, aumenta l'intensità della cavitazione, ma dopo aver raggiunto un certo valore, la cavitazione tende a saturarsi. Aumentando ulteriormente l'intensità del suono a questo punto si genererà un gran numero di bolle inutili, aumentando l'attenuazione della dispersione, riducendo l'intensità della cavitazione e, infine, diminuendo l'effetto di sterilizzazione. Generalmente, per ottenere una sterilizzazione ad ultrasuoni soddisfacente, non è necessario aumentare all'infinito l'intensità del suono; l'intensità di sterilizzazione deve essere compresa tra 1 e 61 W/cm².

Frequenze ultrasoniche più elevate richiedono una maggiore intensità sonora. I rapporti indicano che l'energia consumata per produrre cavitazione nell'acqua ad una frequenza di 400 kHz è 10 volte maggiore di quella consumata a 10 kHz. In altre parole, l’intensità della cavitazione diminuisce con l’aumentare della frequenza ultrasonica. Per questo motivo la frequenza degli ultrasuoni attualmente utilizzata per la sterilizzazione è generalmente compresa tra 20 e 50 kHz.

Caratteristiche microbiche

Tutti gli agenti patogeni hanno un certo grado di resistenza agli ultrasuoni, soprattutto quando gli ultrasuoni vengono utilizzati da soli per la sterilizzazione. Si ritiene generalmente che quanto maggiore è la dimensione cellulare di un microrganismo, tanto più sensibile è agli ultrasuoni. Ciò significa che i batteri a forma di bastoncino vengono uccisi più velocemente dei cocchi e i bacilli grandi vengono uccisi più velocemente dei bacilli piccoli. I batteri Gram-positivi sono più resistenti dei batteri Gram-negativi; i batteri aerobici sono più resistenti dei batteri anaerobici; e le spore batteriche sono più resistenti delle cellule vegetative.

Fattori mediatici

Lopez-Malo et al. hanno studiato gli effetti del pH, dell'attività dell'acqua e della temperatura sull'efficacia battericida degli ultrasuoni termici contro il Penicillium digitatum. Hanno scoperto che quando l’attività dell’acqua era 0,99, aumentando l’ampiezza degli ultrasuoni e diminuendo il pH diminuiva il valore D. Quando il pH rimaneva costante e l’attività dell’acqua aumentava, il valore D diminuiva.