Postęp badawczy technologii sterylizacji ultradźwiękowej

Postęp badań w technologii sterylizacji ultradźwiękowej

Tradycyjna sterylizacja zazwyczaj wykorzystuje takie metody, jak ogrzewanie w wysokiej temperaturze, odczynniki chemiczne i światło ultrafioletowe. Jednakże ogrzewanie w wysokiej temperaturze może zniszczyć wrażliwe na ciepło elementy przedmiotów; sterylizacja chemiczna może łatwo pozostawić szkodliwe pozostałości; a sterylizacja ultrafioletowa ma wady, takie jak niekompletność i obecność martwych stref. W związku z tym naukowcy badają szybsze i skuteczniejsze metody sterylizacji, które pozwalają uniknąć tych ograniczeń. Ostatnie badania wykazały, że sterylizacja ultradźwiękowa może być skuteczną metodą sterylizacji pomocniczej i jest z powodzeniem stosowana w oczyszczaniu ścieków i dezynfekcji wody pitnej. Szeroko badano również jego zastosowanie do sterylizacji płynnych produktów spożywczych, takich jak piwo, sok pomarańczowy i sos sojowy.

W artykule przedstawiono przede wszystkim mechanizm sterylizacji ultradźwiękowej oraz dokonano przeglądu postępu badań nad technologią sterylizacji ultradźwiękowej i jej synergicznego zastosowania z innymi metodami sterylizacji (laserami, mikrofalami, ciepłem i ciśnieniem).

Mechanizm sterylizacji ultradźwiękowej

Ultradźwięki to fale dźwiękowe o częstotliwości większej niż 20 kHz. Jego wysoka częstotliwość i krótka długość fali zapewniają nie tylko doskonałą kierunkowość, dużą moc i silną penetrację, ale także wywołują kawitację i szereg efektów specjalnych, w tym efekty mechaniczne, termiczne i chemiczne. Powszechnie uważa się, że bakteriobójcze działanie ultradźwięków wynika przede wszystkim z wywoływanego przez nie efektu kawitacji. Podczas obróbki ultradźwiękowej, gdy ultradźwięki o dużym natężeniu rozchodzą się w ciekłym ośrodku, generują fale podłużne, które z kolei tworzą obszary naprzemiennego ściskania i rozszerzania. Te obszary zmieniające ciśnienie są podatne na kawitację, tworząc w ośrodku maleńkie jądra pęcherzyków. W momencie adiabatycznego skurczu i zapadnięcia maleńkie jądra pęcherzyków poddawane są działaniu temperatur przekraczających 5000°C i ciśnień przekraczających 50 000 kPa, co może zabić niektóre bakterie znajdujące się w cieczy, inaktywować wirusy, a nawet uszkodzić ściany komórkowe mniejszych mikroorganizmów. Jednak zakres działania jest ograniczony [7,8]. Badania nad technologią sterylizacji ultradźwiękowej zaproponowano już w latach trzydziestych XX wieku. Niektóre wyniki badań pokazują, że chociaż efekt sterylizacji samymi ultradźwiękami jest ograniczony, połączenie ultradźwięków i innych metod sterylizacji ma ogromny potencjał i jest bardzo skuteczne.

Sama sterylizacja ultradźwiękowa

Obecnie sterylizacja ultradźwiękowa jest stosowana przede wszystkim w oczyszczaniu ścieków, dezynfekcji wody pitnej i przemyśle spożywczym, a wielu naukowców w kraju i za granicą przeprowadziło powiązane badania. R. Davis użył ultradźwięków o częstotliwości 26 kHz do zabijania mikroorganizmów i odkrył, że niektóre bakterie, takie jak Escherichia coli, Bacillus megaterium i Pseudomonas aeruginosa, były wrażliwe na ultradźwięki w niskich stężeniach. Jednakże ultradźwięki były mniej skuteczne w przypadku gronkowców i paciorkowców i były całkowicie nieskuteczne w przypadku toksyny błoniczej. McClements uważa, że ​​sterylizacja ultradźwiękowa jest bardziej skuteczna w połączeniu z innymi technikami sterylizacji, takimi jak obróbka cieplna, ozon lub odczynniki chemiczne.

W branży uzdatniania wody przydomowej poprawa jakości wody lekko zanieczyszczonej i prowadzenie zaawansowanego oczyszczania jest poważnym wyzwaniem stojącym przed większością zakładów wodociągowych. Tradycyjne metody sterylizacji ścieków, takie jak węgiel aktywny i biotechnologia membranowa, charakteryzują się niską skutecznością oczyszczania i są nieskuteczne w usuwaniu opornych zanieczyszczeń organicznych. Powiązane badania wykazały, że ultradźwięki skutecznie usuwają bakterie, nierozpuszczalną materię organiczną i barwniki w lekko zanieczyszczonej wodzie, przy usuwaniu bakterii zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu. Ma także pewien, ale nie znaczący wpływ na ChZT (chemiczne zapotrzebowanie tlenu) i zmętnienie, a jego wpływ na usuwanie zmętnienia jest również ograniczony. W przemyśle spożywczym psucie się żywności spowodowane jest głównie obecnością określonych mikroorganizmów zmieniających jej jakość. Aby zapewnić bezpieczeństwo żywności, ważnym ogniwem jej produkcji jest sterylizacja. Efekt sterylizacji ma bezpośredni wpływ na jakość żywności. Zhu Shaohua [5] przeprowadził test porównawczy sterylizacji sosu sojowego za pomocą ultradźwięków i stwierdził, że stopień sterylizacji sosu sojowego wyniósł 72,9% po 5 minutach działania ultradźwiękami i 75% po 10 minutach leczenia, co było nieco niższym współczynnikiem sterylizacji wynoszącym 78,7% w temperaturze 72°C podczas pasteryzacji. W przypadku sterylizacji mleka za pomocą ultradźwięków, po 15-60 sekundach zabiegu emulsja mogła być przechowywana przez 5 dni bez zjełczenia i zepsucia. Jeśli mleko zostało wysterylizowane za pomocą ultradźwięków, można je przechowywać przez 18 miesięcy w warunkach chłodniczych. Charakterystyka sterylizacji ultradźwiękowej to duża prędkość, brak obcych dodatków, nieszkodliwość dla ludzkiego ciała i brak uszkodzeń przedmiotów. Jednakże efekt sterylizacji nie jest dokładny i wpływa na to wiele czynników. Chociaż odpowiedni badacze rozpoczęli badania nad sterylizacją ultradźwiękową na początku lat trzydziestych XX wieku, postęp był powolny i nadal jest ona stosowana głównie do sterylizacji pomocniczej. 

Synergiczna sterylizacja za pomocą ultradźwięków

Wyniki badań dotyczące samej sterylizacji ultradźwiękowej wskazują, że jej skuteczność nie jest znacząca i pełni przede wszystkim rolę wspomagającą. Dlatego, aby jeszcze bardziej poprawić skuteczność sterylizacji, należy połączyć ultradźwięki z innymi technologiami sterylizacji. Naukowcy w kraju i za granicą prowadzili badania na ten temat. Wyniki wskazują, że łączne zastosowanie ultradźwięków z innymi technologiami sterylizacji ma szerokie perspektywy aplikacyjne. Poniżej znajduje się przegląd badań ostatnich dziesięcioleci dotyczących sterylizującego działania ultradźwięków w połączeniu z ozonem, nanodwutlenkiem tytanu, mikrofalami, laserami, światłem ultrafioletowym, ciepłem i ciśnieniem.

USG z ozonem

Ozon jest silnym utleniaczem o wysokich właściwościach utleniających i od dawna uważany jest za bardzo skuteczny utleniacz i środek dezynfekujący. Ozon był już stosowany do sterylizacji wody pitnej na początku XX wieku. W 1975 roku Gary i in. prowadził badania nad synergistycznym wpływem ultradźwięków i ozonu na sterylizację wody. Wyniki wykazały, że ozon w połączeniu z ultradźwiękami wykazywał zwiększoną skuteczność sterylizacji. Hu Wenronga i in. przeprowadzili badania eksperymentalne dotyczące zdolności ozonu do sterylizacji wzmocnionej ultradźwiękami, wykazując, że ultradźwięki znacznie zwiększają szybkość sterylizacji ozonu. Przy tym samym czasie leczenia szybkość sterylizacji za pomocą ultradźwięków w połączeniu z ozonem jest wyższa niż w przypadku samego ozonu. Przy tej samej ilości użytego ozonu można skrócić czas zabiegu ultradźwiękowego, oszczędzając w ten sposób energię ultradźwiękową. Głównym powodem poprawy szybkości sterylizacji obu połączonych środków jest to, że ultradźwięki mogą rozbijać pęcherzyki ozonu na mikropęcherzyki, znacznie zwiększając szybkość ich rozpuszczania i zwiększając stężenie ozonu. Ozon w wysokim stężeniu może szybko utlenić i zabić bakterie.

Ultradźwięki w połączeniu z nanodwutlenkiem tytanu

Dwutlenek nanotytanu ma właściwości oczyszczające i sterylizujące w procesie katalizy światłem ultrafioletowym i jest szeroko stosowany do czyszczenia powierzchni, takich jak ceramika, szkło i płytki. Przyciągnęło również uwagę w uzdatnianiu wody w celu usuwania materii organicznej i zabijania bakterii w wodzie. Podobnie dwutlenek nanotytanu ma działanie sterylizujące pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego. Naukowcy przeprowadzili badania eksperymentalne dotyczące synergistycznego efektu sterylizacji nanotlenku tytanu i ultradźwięków. Wyniki pokazują, że katalizatory nano-tlenku tytanu i ultradźwięki mają znaczące synergistyczne działanie bakteriobójcze. Zwiększanie pH ma niewielki wpływ na działanie sterylizujące ultradźwięków, a jego działanie sterylizujące jest lepsze niż działanie nanotlenku tytanu katalizowanego światłem ultrafioletowym. Obróbka ultradźwiękowa katalizowana nanotlenkiem tytanu ma nie tylko silne działanie bakteriobójcze, ale także ma pewne działanie czyszczące na gładkich powierzchniach. Można go stosować do ultradźwiękowego czyszczenia zanieczyszczonego sprzętu, jednocześnie uzyskując efekt sterylizacji.

Czynniki wpływające na skuteczność sterylizacji ultradźwiękowej

Eksperymenty i powiązane badania wykazały, że skuteczność sterylizacji samymi ultradźwiękami różni się w różnych warunkach. Na skuteczność sterylizacji ultradźwiękowej wpływają przede wszystkim takie czynniki, jak parametry ultradźwięków (amplituda, częstotliwość i czas trwania), cechy mikrobiologiczne i medium.

Parametry akcji

Wśród tych parametrów głównymi czynnikami wpływającymi na sterylizację ultradźwiękową są amplituda, częstotliwość, czas trwania i temperatura leczenia ultradźwiękami.

Amplituda i czas trwania

Skuteczność sterylizacji ultradźwięków wobec komórek wegetatywnych i zarodników bakterii wzrasta wykładniczo wraz z energią ultradźwiękową. Badania wykazały, że efekt sterylizacji ultradźwiękami jest wprost proporcjonalny do czasu trwania zabiegu; dłuższy czas leczenia skutkuje większą skutecznością sterylizacji. Wskaźniki przeżycia bakterii zmniejszają się wykładniczo wraz ze wzrostem czasu leczenia ultradźwiękowego. Jednakże jedną z kwestii, którą należy rozwiązać, jest to, że wraz ze wzrostem czasu sterylizacji wzrasta wzrost temperatury medium, co może być szkodliwe dla niektórych substancji wrażliwych na ciepło. Natężenie i częstotliwość dźwięku

W przypadku cieczy ogólnych zwiększenie natężenia dźwięku zwiększa intensywność kawitacji, ale po osiągnięciu określonej wartości kawitacja ma tendencję do nasycenia. Dalsze zwiększanie natężenia dźwięku w tym momencie spowoduje wygenerowanie dużej liczby bezużytecznych pęcherzyków, zwiększając tłumienie rozpraszania, zmniejszając intensywność kawitacji i ostatecznie zmniejszając efekt sterylizacji. Ogólnie rzecz biorąc, aby osiągnąć zadowalającą sterylizację ultradźwiękową, nie jest konieczne zwiększanie natężenia dźwięku w nieskończoność; intensywność sterylizacji powinna mieścić się w przedziale od 1 do 61 W/cm².

Wyższe częstotliwości ultradźwiękowe wymagają większego natężenia dźwięku. Z raportów wynika, że ​​moc zużywana do wytworzenia kawitacji w wodzie przy częstotliwości 400 kHz jest 10 razy większa niż moc zużywana przy 10 kHz. Innymi słowy, intensywność kawitacji maleje wraz ze wzrostem częstotliwości ultradźwiękowej. Z tego powodu częstotliwość ultradźwiękowa obecnie stosowana do sterylizacji wynosi zazwyczaj od 20 do 50 kHz.

Charakterystyka mikrobiologiczna

Wszystkie patogeny mają pewien stopień odporności na ultradźwięki, zwłaszcza gdy do sterylizacji stosuje się same ultradźwięki. Powszechnie uważa się, że im większy rozmiar komórki mikroorganizmu, tym bardziej jest on wrażliwy na ultradźwięki. Oznacza to, że bakterie w kształcie pałeczki są zabijane szybciej niż ziarniaki, a duże prątki są zabijane szybciej niż małe prątki. Bakterie Gram-dodatnie są bardziej oporne niż bakterie Gram-ujemne; bakterie tlenowe są bardziej odporne niż bakterie beztlenowe; a zarodniki bakterii są bardziej odporne niż komórki wegetatywne.

Czynniki medialne

Lopez-Malo i in. badali wpływ pH, aktywności wody i temperatury na bakteriobójczą skuteczność ultradźwięków termicznych przeciwko Penicillium digitalatum. Odkryli, że gdy aktywność wody wynosiła 0,99, zwiększenie amplitudy ultradźwięków i zmniejszenie pH zmniejszały wartość D. Gdy pH pozostawało stałe, a aktywność wody wzrastała, wartość D spadała.