Progresul cercetării tehnologiei de sterilizare cu ultrasunete

Progresul cercetării în tehnologia de sterilizare cu ultrasunete

Sterilizarea tradițională utilizează de obicei metode precum încălzirea la temperatură înaltă, reactivi chimici și lumina ultravioletă. Cu toate acestea, încălzirea la temperatură ridicată poate distruge componentele sensibile la căldură din obiecte; sterilizarea chimică poate lăsa cu ușurință reziduuri dăunătoare; iar sterilizarea cu ultraviolete are dezavantaje precum caracterul incomplet și prezența zonelor moarte. În consecință, cercetătorii au explorat și cercetat metode de sterilizare mai rapide și mai eficiente care evită aceste limitări. Cercetări recente au demonstrat că sterilizarea cu ultrasunete poate fi o metodă eficientă de sterilizare auxiliară și a fost utilizată cu succes în tratarea apelor uzate și dezinfectarea apei potabile. Aplicația sa în sterilizarea alimentelor lichide precum berea, sucul de portocale și sosul de soia a fost, de asemenea, studiată pe larg.

Acest articol prezintă în primul rând mecanismul sterilizării cu ultrasunete și trece în revistă progresul cercetării în tehnologia sterilizării cu ultrasunete și utilizarea sa sinergică cu alte metode de sterilizare (lasere, cuptoare cu microunde, căldură și presiune).

Mecanism de sterilizare cu ultrasunete

Ultrasunetele se referă la undele sonore cu o frecvență mai mare de 20 kHz. Frecvența sa înaltă și lungimea de undă scurtă nu numai că oferă direcționalitate excelentă, putere mare și penetrare puternică, dar induc și cavitația și o serie de efecte speciale, inclusiv efecte mecanice, termice și chimice. În general, se crede că efectul bactericid al ultrasunetelor se datorează în primul rând efectului de cavitație pe care îl produce. În timpul tratamentului cu ultrasunete, atunci când ultrasunetele de mare intensitate se propagă printr-un mediu lichid, generează unde longitudinale, care la rândul lor creează regiuni de compresie și expansiune alternativă. Aceste regiuni care schimbă presiunea sunt predispuse la cavitație, formând nuclee minuscule de bule în mediu. În momentul contracției adiabatice și colapsului, nucleele minuscule cu bule experimentează temperaturi care depășesc 5000°C și presiuni care depășesc 50.000 kPa, care pot ucide anumite bacterii din lichid, inactiva virușii și chiar pot deteriora pereții celulari ai microorganismelor mai mici. Cu toate acestea, raza de acțiune este limitată [7,8]. Cercetările privind tehnologia sterilizării cu ultrasunete au fost propuse încă din anii 1930. Unele rezultate ale cercetării arată că, în timp ce efectul de sterilizare al ultrasunetelor este limitat, combinația dintre ultrasunete și alte metode de sterilizare are un potențial mare și este foarte eficientă.

Doar sterilizarea cu ultrasunete

În prezent, sterilizarea cu ultrasunete este utilizată în principal în tratarea apelor uzate, dezinfectarea apei potabile și în industria alimentară, iar mulți oameni de știință din țară și străinătate au efectuat cercetări aferente. R. Davis a folosit ultrasunetele de 26 kHz pentru a ucide microorganismele și a descoperit că anumite bacterii, cum ar fi Escherichia coli, Bacillus megaterium și Pseudomonas aeruginosa, erau sensibile la ultrasunete la concentrații scăzute. Cu toate acestea, ultrasunetele au fost mai puțin eficiente împotriva stafilococilor și streptococilor și au fost complet ineficiente împotriva toxinei difterice. McClements consideră că sterilizarea cu ultrasunete este mai eficientă atunci când este combinată cu alte tehnici de sterilizare, cum ar fi tratamentul termic, ozonul sau reactivii chimici.

În industria de tratare a apei menajere, îmbunătățirea calității apei ușor poluate și efectuarea epurării avansate reprezintă o provocare majoră cu care se confruntă majoritatea instalațiilor de apă. Metodele tradiționale de sterilizare a apelor uzate, cum ar fi carbonul activat și biotehnologia cu membrană, au o eficiență scăzută de tratare și sunt ineficiente în îndepărtarea poluanților organici recalcitranți. Cercetările înrudite au arătat că ultrasunetele sunt eficiente în îndepărtarea bacteriilor, a materiei organice insolubile și a culorii în apa ușor poluată, cu eliminarea bacteriilor urmând cinetica de ordinul întâi. De asemenea, are un anumit efect, dar nu semnificativ, asupra COD (cererea chimică de oxigen) și asupra turbidității, iar efectul său asupra eliminării turbidității este, de asemenea, limitat. În industria alimentară, alterarea alimentelor este cauzată în principal de prezența anumitor microorganisme care îi modifică calitatea. Pentru a asigura siguranța alimentelor, sterilizarea este o verigă importantă în producția sa. Calitatea alimentelor este direct afectată de efectul de sterilizare. Zhu Shaohua [5] a efectuat un test comparativ privind sterilizarea sosului de soia folosind ultrasunete și a constatat că rata de sterilizare a sosului de soia a fost de 72,9% după 5 minute de tratament cu ultrasunete și de 75% după 10 minute de tratament, ceea ce a fost puțin mai mică decât rata de sterilizare de 78,7% la 72°C în timpul pasteurizării. Când laptele a fost sterilizat cu ultrasunete, după 15-60 de secunde de tratament, emulsia putea fi păstrată timp de 5 zile fără să devină râncedă sau stricată. Dacă laptele a fost sterilizat cu ultrasunete, acesta ar putea fi păstrat timp de 18 luni la frigider. Caracteristicile sterilizării cu ultrasunete sunt viteza rapidă, fără aditivi străini, inofensiv pentru corpul uman și fără deteriorarea obiectelor. Cu toate acestea, efectul de sterilizare nu este minuțios și există mulți factori de influență. Deși cercetătorii relevanți au început să studieze sterilizarea cu ultrasunete la începutul anilor 1930, progresul a fost lent și este încă folosit în principal pentru sterilizarea auxiliară. 

Sterilizare sinergică cu ultrasunete

Rezultatele cercetării doar privind sterilizarea cu ultrasunete indică faptul că eficacitatea acesteia nu este semnificativă și servește în primul rând un rol de sprijin. Prin urmare, pentru a îmbunătăți în continuare eficiența sterilizării, ultrasunetele trebuie combinate cu alte tehnologii de sterilizare. Cercetătorii atât la nivel național, cât și internațional au efectuat cercetări pe această temă. Rezultatele indică faptul că utilizarea combinată a ultrasunetelor cu alte tehnologii de sterilizare are perspective largi de aplicare. Următoarea este o trecere în revistă a ultimelor decenii de cercetare privind efectele de sterilizare ale ultrasunetelor în combinație cu ozon, dioxid de nano-titan, cuptor cu microunde, lasere, lumină ultravioletă, căldură și presiune.

Ultrasunete cu ozon

Ozonul este un oxidant puternic cu proprietăți oxidante ridicate și a fost mult timp considerat un oxidant și dezinfectant foarte eficient. Ozonul era deja folosit pentru sterilizarea apei potabile la începutul secolului al XX-lea. În 1975, Gary et al. a efectuat cercetări privind efectul sinergic al ultrasunetelor și ozonului asupra sterilizării apei. Rezultatele au arătat că ozonul, atunci când este combinat cu ultrasunetele, a prezentat o eficacitate sporită a sterilizării. Hu Wenrong și colab. a efectuat studii experimentale asupra capacității de sterilizare îmbunătățită cu ultrasunete a ozonului, demonstrând că ultrasunetele îmbunătățesc semnificativ rata de sterilizare a ozonului. Pentru același timp de tratament, rata de sterilizare cu ultrasunete combinată cu ozon este mai mare decât cea a ozonului singur. Când cantitatea de ozon utilizată este aceeași, timpul de tratament cu ultrasunete poate fi scurtat, economisind astfel energia ultrasonică. Principalul motiv pentru rata de sterilizare îmbunătățită a celor două combinate este că ultrasunetele pot sparge bulele de ozon în microbule, crescând semnificativ rata de dizolvare a acestora și crescând concentrația de ozon. Ozonul cu concentrație mare se poate oxida și ucide rapid bacteriile.

Ultrasunete combinate cu nano-dioxid de titan

Nano-dioxidul de titan are atât proprietăți de curățare, cât și de sterilizare sub cataliza cu lumină ultravioletă și este utilizat pe scară largă pentru curățarea suprafețelor precum ceramica, sticlă și gresie. De asemenea, a atras atenția în tratarea apei pentru îndepărtarea materiei organice și uciderea bacteriilor din apă. În mod similar, dioxidul de nano-titan are un efect de sterilizare sub iradiere cu ultrasunete. Cercetătorii au efectuat studii experimentale asupra efectului de sterilizare sinergic al dioxidului de nano-titan și al ultrasunetelor. Rezultatele arată că catalizatorii de nano-dioxid de titan și ultrasunetele au un efect bactericid sinergic semnificativ. Creșterea pH-ului are un efect ușor asupra efectului de sterilizare al ultrasunetelor, iar efectul său de sterilizare este superior celui al dioxidului de nano-titan catalizat de lumina ultravioletă. Tratamentul cu ultrasunete catalizat cu dioxid de nano-titan nu numai că are un efect bactericid puternic, dar are și un anumit efect de curățare pe suprafețele netede. Poate fi folosit pentru a curăța cu ultrasunete echipamentele contaminate, obținând și un efect de sterilizare.

Factori care afectează eficacitatea sterilizării cu ultrasunete

Experimentele și cercetările aferente au arătat că eficiența sterilizării numai a ultrasunetelor variază în diferite condiții. Eficacitatea sterilizării cu ultrasunete este influențată în primul rând de factori precum parametrii ultrasunetelor (amplitudine, frecvență și durată), caracteristicile microbiene și mediul.

Parametrii de acțiune

Printre acești parametri, amplitudinea, frecvența, durata și temperatura de tratament a ultrasunetelor sunt principalii factori care influențează sterilizarea cu ultrasunete.

Amplitudinea si Durata

Eficacitatea de sterilizare a ultrasunetelor împotriva celulelor vegetative bacteriene și sporilor crește exponențial odată cu energia ultrasunetelor. Cercetările au arătat că efectul de sterilizare al ultrasunetelor este direct proporțional cu durata tratamentului; timpii mai lungi de tratament au ca rezultat o mai mare eficacitate a sterilizării. Ratele de supraviețuire a bacteriilor scad exponențial odată cu creșterea timpului de tratament cu ultrasunete. Cu toate acestea, o problemă care trebuie abordată este aceea că, pe măsură ce timpul de sterilizare crește, crește creșterea temperaturii mediului, ceea ce poate fi dăunător unor substanțe sensibile la căldură. Intensitatea și frecvența sunetului

Pentru lichidele generale, creșterea intensității sunetului crește intensitatea cavitației, dar după atingerea unei anumite valori, cavitația tinde să se sature. Creșterea în continuare a intensității sunetului în acest punct va genera un număr mare de bule inutile, crescând atenuarea împrăștierii, reducând intensitatea cavitației și, în cele din urmă, scăzând efectul de sterilizare. În general, pentru a obține o sterilizare cu ultrasunete satisfăcătoare, nu este necesară creșterea intensității sunetului la nesfârșit; intensitatea sterilizării trebuie să fie în intervalul de la 1 la 61 W/cm².

Frecvențele ultrasunete mai mari necesită o intensitate mai mare a sunetului. Rapoartele indică faptul că puterea consumată pentru a produce cavitație în apă la o frecvență de 400 kHz este de 10 ori mai mare decât cea consumată la 10 kHz. Cu alte cuvinte, intensitatea cavitației scade odată cu creșterea frecvenței ultrasonice. Din acest motiv, frecvența ultrasonică utilizată în prezent pentru sterilizare este în general între 20 și 50 kHz.

Caracteristici microbiene

Toți agenții patogeni au un anumit grad de rezistență la ultrasunete, mai ales când ultrasunetele sunt folosite singure pentru sterilizare. În general, se crede că, cu cât este mai mare dimensiunea celulei unui microorganism, cu atât este mai sensibil la ultrasunete. Aceasta înseamnă că bacteriile în formă de tijă sunt ucise mai repede decât cocii, iar bacilii mari sunt uciși mai repede decât bacilii mici. Bacteriile Gram-pozitive sunt mai rezistente decât bacteriile Gram-negative; bacteriile aerobe sunt mai rezistente decât bacteriile anaerobe; iar sporii bacterieni sunt mai rezistenți decât celulele vegetative.

Factori media

Lopez-Malo și colab. a studiat efectele pH-ului, activității apei și temperaturii asupra eficacității bactericide a ultrasunetelor termice împotriva Penicillium digitatum. Ei au descoperit că atunci când activitatea apei a fost de 0,99, creșterea amplitudinii ultrasunetelor și scăderea pH-ului a scăzut valoarea D. Când pH-ul a rămas constant și activitatea apei a crescut, valoarea D a scăzut.