Истраживачки напредак технологије ултразвучне стерилизације

Напредак истраживања у технологији ултразвучне стерилизације

Традиционална стерилизација обично користи методе као што су високотемпературно загревање, хемијски реагенси и ултраљубичасто светло. Међутим, високотемпературно загревање може уништити компоненте осетљиве на топлоту у објектима; хемијска стерилизација може лако оставити штетне остатке; а ултраљубичаста стерилизација има недостатке као што су непотпуност и присуство мртвих зона. Сходно томе, истраживачи истражују и истражују брже и ефикасније методе стерилизације које избегавају ова ограничења. Недавна истраживања су показала да ултразвучна стерилизација може бити ефикасна помоћна метода стерилизације и да се успешно користи у третману отпадних вода и дезинфекцији воде за пиће. Његова примена у стерилизацији течне хране као што су пиво, сок од поморанџе и соја сос је такође опширно проучавана.

Овај чланак првенствено представља механизам ултразвучне стерилизације и даје преглед напретка истраживања у технологији ултразвучне стерилизације и њене синергијске употребе са другим методама стерилизације (ласери, микроталаси, топлота и притисак).

Ултразвучни механизам за стерилизацију

Ултразвук се односи на звучне таласе са фреквенцијом већом од 20 кХз. Његова висока фреквенција и кратка таласна дужина не само да нуде одличну усмереност, велику снагу и јаку пенетрацију, већ такође изазивају кавитацију и низ специјалних ефеката, укључујући механичке, термичке и хемијске ефекте. Уопштено се верује да је бактерицидни ефекат ултразвука првенствено последица ефекта кавитације који он производи. Током ултразвучног третмана, када се ултразвук високог интензитета шири кроз течни медијум, генерише уздужне таласе, који заузврат стварају регионе наизменичне компресије и експанзије. Ови региони који мењају притисак су склони кавитацији, формирајући сићушна језгра мехурића унутар медијума. У тренутку адијабатске контракције и колапса, сићушна језгра мехурића доживљавају температуре које прелазе 5000°Ц и притиске преко 50.000 кПа, што може да убије одређене бактерије у течности, инактивира вирусе, па чак и оштети ћелијске зидове мањих микроорганизама. Међутим, опсег деловања је ограничен [7,8]. Истраживања о технологији ултразвучне стерилизације су предложена још 1930-их. Неки резултати истраживања показују да иако је ефекат стерилизације самог ултразвука ограничен, комбинација ултразвука и других метода стерилизације има велики потенцијал и веома је ефикасна.

Само ултразвучна стерилизација

Тренутно се ултразвучна стерилизација првенствено користи у третману отпадних вода, дезинфекцији воде за пиће и прехрамбеној индустрији, а многи научници у земљи и иностранству су спровели сродна истраживања. Р. Давис је користио ултразвук од 26 кХз да убије микроорганизме и открио је да су одређене бактерије, као што су Есцхерицхиа цоли, Бациллус мегатериум и Псеудомонас аеругиноса, биле осетљиве на ултразвук при ниским концентрацијама. Ултразвук је, међутим, био мање ефикасан против стафилокока и стрептокока, а био је потпуно неефикасан против токсина дифтерије. МцЦлементс верује да је ултразвучна стерилизација ефикаснија када се комбинује са другим техникама стерилизације, као што су топлотна обрада, озон или хемијски реагенси.

У индустрији за пречишћавање воде за домаћинство, побољшање квалитета мало загађене воде и спровођење напредног третмана представља велики изазов са којим се суочава већина постројења за воду. Традиционалне методе стерилизације отпадних вода, као што су активни угаљ и мембранска биотехнологија, имају ниску ефикасност третмана и неефикасне су у уклањању непослушних органских загађивача. Сродна истраживања су показала да је ултразвук ефикасан у уклањању бактерија, нерастворљивих органских материја и боје у мало загађеној води, уз уклањање бактерија према кинетици првог реда. Такође има известан, али не значајан, ефекат на ЦОД (хемијска потражња за кисеоником) и замућеност, а његов утицај на уклањање замућености је такође ограничен. У прехрамбеној индустрији кварење хране је углавном узроковано присуством одређених микроорганизама који мењају њен квалитет. Да би се обезбедила безбедност хране, стерилизација је важна карика у њеној производњи. На квалитет хране директно утиче ефекат стерилизације. Зху Схаохуа [5] је спровео упоредни тест стерилизације соја соса помоћу ултразвука и открио да је стопа стерилизације соја соса 72,9% након 5 минута ултразвучног третмана и 75% након 10 минута третмана, што је било нешто ниже од стопе стерилизације од 78,7% на 72°Ц током претходне стерилизације. Када је млеко стерилисано ултразвуком, након 15-60 секунди третмана, емулзија је могла да се чува 5 дана, а да не постане ужегла или покварена. Ако је млеко стерилисано ултразвуком, могло би да се чува 18 месеци у фрижидеру. Карактеристике ултразвучне стерилизације су брза брзина, без страних адитива, безопасна за људско тело и без оштећења предмета. Међутим, ефекат стерилизације није темељан и постоји много фактора који утичу. Иако су релевантни истраживачи почели да проучавају ултразвучну стерилизацију раних 1930-их, напредак је био спор и још увек се углавном користи за помоћну стерилизацију. 

Синергистичка стерилизација ултразвуком

Сами резултати истраживања ултразвучне стерилизације указују на то да њена ефикасност није значајна и да првенствено има помоћну улогу. Стога, да би се додатно побољшала ефикасност стерилизације, ултразвук треба комбиновати са другим технологијама стерилизације. Истраживачи у земљи и иностранству спровели су истраживања на ову тему. Резултати показују да комбинована употреба ултразвука са другим технологијама стерилизације има широке изгледе за примену. Следи преглед последњих деценија истраживања о ефектима стерилизације ултразвука у комбинацији са озоном, нано-титан диоксидом, микроталасима, ласерима, ултраљубичастим светлом, топлотом и притиском.

Ултразвук са озоном

Озон је јак оксидант са високим оксидационим својствима и дуго се сматрао веома ефикасним оксидантом и дезинфекционим средством. Озон је већ коришћен за стерилизацију воде за пиће почетком 20. века. Године 1975. Гари ет ал. спровео истраживање о синергистичком дејству ултразвука и озона на стерилизацију воде. Резултати су показали да је озон, у комбинацији са ултразвуком, показао повећану ефикасност стерилизације. Ху Венронг и др. спровели експерименталне студије о способности ултразвука за стерилизацију озона, показујући да ултразвук значајно повећава брзину стерилизације озона. За исто време третмана, стопа стерилизације коришћењем ултразвука у комбинацији са озоном је већа него код самог озона. Када је количина коришћеног озона иста, време ултразвучног третмана се може скратити, чиме се штеди ултразвучна енергија. Главни разлог за побољшану стопу стерилизације ове две комбинације је тај што ултразвук може разбити озонске мехуриће у микромехуриће, значајно повећавајући њихову стопу растварања и повећавајући концентрацију озона. Озон високе концентрације може брзо оксидирати и убити бактерије.

Ултразвук у комбинацији са нано-титанијум диоксидом

Нано-титанијум диоксид има својства чишћења и стерилизације под катализом ултраљубичастог светла и широко се користи за чишћење површина као што су керамика, стакло и плочице. Такође је привукао пажњу у третману воде за уклањање органске материје и убијање бактерија у води. Слично, нано-титан диоксид има стерилизујући ефекат под ултразвучним зрачењем. Истраживачи су спровели експерименталне студије о синергистичком ефекту стерилизације нано-титанијум диоксида и ултразвука. Резултати показују да катализатори нано-титанијум диоксида и ултразвук имају значајан синергистички бактерицидни ефекат. Повећање пХ има благи ефекат на стерилизациони ефекат ултразвука, а његов ефекат стерилизације је бољи од нано-титанијум диоксида катализованог ултраљубичастим светлом. Ултразвучни третман катализован нано-титанијум диоксидом не само да има снажан бактерицидни ефекат, већ има и одређени ефекат чишћења глатких површина. Може се користити за ултразвучно чишћење контаминиране опреме уз постизање ефекта стерилизације.

Фактори који утичу на ефикасност ултразвучне стерилизације

Експерименти и сродна истраживања су показала да ефикасност стерилизације самог ултразвука варира у различитим условима. На ефикасност ултразвучне стерилизације првенствено утичу фактори као што су ултразвучни параметри (амплитуда, фреквенција и трајање), микробне карактеристике и медијум.

Ацтион Параметерс

Међу овим параметрима, амплитуда, фреквенција, трајање и температура третмана ултразвука су главни фактори који утичу на ултразвучну стерилизацију.

Амплитуда и трајање

Ефикасност стерилизације ултразвука против бактеријских вегетативних ћелија и спора расте експоненцијално са ултразвучном енергијом. Истраживања су показала да је стерилизациони ефекат ултразвука директно пропорционалан трајању третмана; дуже време третмана доводи до веће ефикасности стерилизације. Стопе преживљавања бактерија се експоненцијално смањују са повећањем времена ултразвучног третмана. Међутим, једно питање које се мора решити је да како се време стерилизације повећава, пораст температуре медијума се повећава, што може бити штетно за неке супстанце осетљиве на топлоту. Интензитет и фреквенција звука

За опште течности, повећање интензитета звука повећава интензитет кавитације, али након достизања одређене вредности, кавитација тежи засићењу. Даље повећање интензитета звука у овом тренутку ће генерисати велики број бескорисних мехурића, повећавајући слабљење расејања, смањујући интензитет кавитације и на крају смањујући ефекат стерилизације. Генерално, да би се постигла задовољавајућа ултразвучна стерилизација, није неопходно неограничено повећавати интензитет звука; интензитет стерилизације треба да буде у опсегу од 1 до 61 В/цм⊃2;.

Више ултразвучне фреквенције захтевају већи интензитет звука. Извештаји показују да је снага која се троши за стварање кавитације у води на фреквенцији од 400 кХз 10 пута већа од оне која се троши на 10 кХз. Другим речима, интензитет кавитације опада са повећањем ултразвучне фреквенције. Из тог разлога, ултразвучна фреквенција која се тренутно користи за стерилизацију је углавном између 20 и 50 кХз.

Мицробиал Цхарацтеристицс

Сви патогени имају одређени степен отпорности на ултразвук, посебно када се ултразвук користи сам за стерилизацију. Уопштено се верује да што је већа величина ћелије микроорганизма, то је он осетљивији на ултразвук. То значи да се бактерије у облику штапа убијају брже од кока, а велики бацили убијају брже од малих бацила. Грам-позитивне бактерије су отпорније од Грам-негативних бактерија; аеробне бактерије су отпорније од анаеробних бактерија; а бактеријске споре су отпорније од вегетативних ћелија.

Медијски фактори

Лопез-Мало и др. проучавали су ефекте пХ, активности воде и температуре на бактерицидну ефикасност термалног ултразвука против Пенициллиум дигитатум. Открили су да када је активност воде била 0,99, повећање амплитуде ултразвука и смањење пХ смањује вредност Д. Када је пХ остао константан и активност воде се повећала, вредност Д се смањила.