Прогресс исследований технологии ультразвуковой стерилизации

Прогресс исследований в области технологии ультразвуковой стерилизации

Традиционная стерилизация обычно использует такие методы, как высокотемпературный нагрев, химические реагенты и ультрафиолетовый свет. Однако высокотемпературный нагрев может разрушить термочувствительные компоненты предметов; химическая стерилизация может легко оставить вредные остатки; а ультрафиолетовая стерилизация имеет такие недостатки, как неполнота и наличие мертвых зон. Следовательно, исследователи изучают и исследуют более быстрые и эффективные методы стерилизации, позволяющие избежать этих ограничений. Недавние исследования показали, что ультразвуковая стерилизация может быть эффективным вспомогательным методом стерилизации и успешно используется при очистке сточных вод и дезинфекции питьевой воды. Его применение при стерилизации жидких пищевых продуктов, таких как пиво, апельсиновый сок и соевый соус, также широко изучалось.

В этой статье в первую очередь представлен механизм ультразвуковой стерилизации и рассмотрен прогресс исследований в области технологии ультразвуковой стерилизации и ее синергического использования с другими методами стерилизации (лазеры, микроволны, тепло и давление).

Ультразвуковой механизм стерилизации

Под ультразвуком понимаются звуковые волны с частотой более 20 кГц. Его высокая частота и короткая длина волны не только обеспечивают превосходную направленность, высокую мощность и сильное проникновение, но также вызывают кавитацию и ряд специальных эффектов, включая механические, термические и химические эффекты. Принято считать, что бактерицидное действие ультразвука обусловлено прежде всего вызываемым им кавитационным эффектом. При ультразвуковой обработке, когда ультразвук высокой интенсивности распространяется через жидкую среду, он генерирует продольные волны, которые, в свою очередь, создают области попеременного сжатия и расширения. Эти области изменения давления склонны к кавитации, образуя крошечные зародыши пузырьков внутри среды. В момент адиабатического сжатия и коллапса крошечные ядра пузырьков испытывают температуру, превышающую 5000°C, и давление, превышающее 50 000 кПа, что может убить определенные бактерии в жидкости, инактивировать вирусы и даже повредить клеточные стенки более мелких микроорганизмов. Однако спектр действия ограничен [7,8]. Исследования технологии ультразвуковой стерилизации были предложены еще в 1930-х годах. Результаты некоторых исследований показывают, что, хотя стерилизующий эффект только ультразвука ограничен, комбинация ультразвука и других методов стерилизации имеет большой потенциал и очень эффективна.

Только ультразвуковая стерилизация

В настоящее время ультразвуковая стерилизация в основном используется при очистке сточных вод, дезинфекции питьевой воды и в пищевой промышленности, и многие ученые в стране и за рубежом проводят соответствующие исследования. Р. Дэвис использовал ультразвук с частотой 26 кГц для уничтожения микроорганизмов и обнаружил, что некоторые бактерии, такие как Escherichia coli, Bacillus megaterium и Pseudomonas aeruginosa, чувствительны к ультразвуку в низких концентрациях. Однако ультразвук был менее эффективен против стафилококков и стрептококков и совершенно неэффективен против дифтерийного токсина. МакКлементс считает, что ультразвуковая стерилизация более эффективна в сочетании с другими методами стерилизации, такими как термическая обработка, озон или химические реагенты.

В отечественной водоочистке улучшение качества слегка загрязненной воды и проведение передовой очистки является серьезной проблемой, с которой сталкивается большинство водоочистных станций. Традиционные методы стерилизации сточных вод, такие как активированный уголь и мембранная биотехнология, имеют низкую эффективность очистки и неэффективны в удалении стойких органических загрязнителей. Сопутствующие исследования показали, что ультразвук эффективен для удаления бактерий, нерастворимых органических веществ и цвета в слегка загрязненной воде, причем удаление бактерий происходит по кинетике первого порядка. Он также оказывает некоторое, но незначительное влияние на ХПК (химическую потребность в кислороде) и мутность, а его влияние на удаление мутности также ограничено. В пищевой промышленности порча пищевых продуктов в основном вызвана наличием определенных микроорганизмов, изменяющих их качество. В целях обеспечения безопасности пищевых продуктов важным звеном в их производстве является стерилизация. На качество продуктов питания напрямую влияет эффект стерилизации. Чжу Шаохуа [5] провел сравнительный тест по стерилизации соевого соуса с использованием ультразвука и обнаружил, что степень стерилизации соевого соуса составила 72,9% после 5 минут ультразвуковой обработки и 75% после 10 минут обработки, что было немного ниже, чем степень стерилизации 78,7% при 72°C во время пастеризации. При стерилизации молока ультразвуком после 15-60 секунд обработки эмульсия могла храниться в течение 5 дней, не прогорклая и не испортившись. Если бы молоко было стерилизовано ультразвуком, его можно было бы хранить в холодильнике в течение 18 месяцев. Характеристики ультразвуковой стерилизации: высокая скорость, отсутствие посторонних добавок, безвредность для человеческого организма и отсутствие повреждения предметов. Однако эффект стерилизации не является тщательным, и на него влияет множество факторов. Хотя соответствующие исследователи начали изучать ультразвуковую стерилизацию в начале 1930-х годов, прогресс был медленным, и она до сих пор в основном используется для вспомогательной стерилизации.

Синергетическая стерилизация ультразвуком

Результаты исследований только по ультразвуковой стерилизации показывают, что ее эффективность незначительна и в первую очередь выполняет вспомогательную роль. Следовательно, для дальнейшего повышения эффективности стерилизации ультразвук необходимо сочетать с другими технологиями стерилизации. Исследователи как внутри страны, так и за рубежом провели исследования по этой теме. Результаты показывают, что комбинированное использование ультразвука с другими технологиями стерилизации имеет широкие перспективы применения. Ниже приводится обзор последних десятилетий исследований стерилизующего воздействия ультразвука в сочетании с озоном, диоксидом нанотитана, микроволнами, лазерами, ультрафиолетовым светом, теплом и давлением.

УЗИ с озоном

Озон является сильным окислителем с высокими окислительными свойствами и уже давно считается очень эффективным окислителем и дезинфицирующим средством. Озон уже использовался для стерилизации питьевой воды в начале 20 века. В 1975 году Гэри и др. провели исследование синергетического влияния ультразвука и озона на стерилизацию воды. Результаты показали, что озон в сочетании с ультразвуком повышает эффективность стерилизации. Ху Вэньжун и др. провели экспериментальные исследования способности озона к стерилизации с помощью ультразвука, продемонстрировав, что ультразвук значительно увеличивает скорость стерилизации озона. При том же времени обработки степень стерилизации с использованием ультразвука в сочетании с озоном выше, чем при использовании только озона. При одинаковом количестве используемого озона время ультразвуковой обработки можно сократить, тем самым экономя ультразвуковую энергию. Основная причина повышения скорости стерилизации этих двух методов заключается в том, что ультразвук может разбивать пузырьки озона на микропузырьки, значительно увеличивая скорость их растворения и увеличивая концентрацию озона. Озон высокой концентрации может быстро окислять и убивать бактерии.

Ультразвук в сочетании с нанодиоксидом титана

Диоксид нанотитана обладает как очищающими, так и стерилизующими свойствами под воздействием ультрафиолетового света и широко используется для очистки таких поверхностей, как керамика, стекло и плитка. Он также привлек внимание к очистке воды для удаления органических веществ и уничтожения бактерий в воде. Аналогичным образом, диоксид нанотитана оказывает стерилизующее действие при ультразвуковом облучении. Исследователи провели экспериментальные исследования синергетического эффекта стерилизации нанодиоксида титана и ультразвука. Результаты показывают, что нано-катализаторы диоксида титана и ультразвук обладают значительным синергическим бактерицидным действием. Увеличение pH оказывает незначительное влияние на стерилизующий эффект ультразвука, и его стерилизующий эффект превосходит эффект стерилизации нанодиоксида титана, катализируемого ультрафиолетовым светом. Ультразвуковая обработка, катализируемая нанодиоксидом титана, не только оказывает сильное бактерицидное действие, но и оказывает определенное очищающее действие на гладкие поверхности. Его можно использовать для ультразвуковой очистки загрязненного оборудования, одновременно обеспечивая стерилизующий эффект.

Факторы, влияющие на эффективность ультразвуковой стерилизации

Эксперименты и соответствующие исследования показали, что эффективность стерилизации только ультразвуком варьируется в разных условиях. На эффективность ультразвуковой стерилизации в первую очередь влияют такие факторы, как параметры ультразвука (амплитуда, частота и продолжительность), микробные характеристики и среда.

Параметры действия

Среди этих параметров амплитуда, частота, продолжительность и температура обработки ультразвуком являются основными факторами, влияющими на ультразвуковую стерилизацию.

Амплитуда и продолжительность

Эффективность стерилизации ультразвуком против бактериальных вегетативных клеток и спор увеличивается в геометрической прогрессии с увеличением энергии ультразвука. Исследования показали, что стерилизующий эффект ультразвука прямо пропорционален продолжительности лечения; более длительное время обработки приводит к большей эффективности стерилизации. Выживаемость бактерий снижается экспоненциально с увеличением времени ультразвуковой обработки. Однако одна проблема, которую необходимо решить, заключается в том, что по мере увеличения времени стерилизации увеличивается повышение температуры среды, что может быть вредным для некоторых термочувствительных веществ. Интенсивность и частота звука

Для обычных жидкостей увеличение интенсивности звука увеличивает интенсивность кавитации, но после достижения определенного значения кавитация имеет тенденцию к насыщению. Дальнейшее увеличение интенсивности звука в этот момент приведет к образованию большого количества бесполезных пузырьков, увеличению затухания рассеяния, уменьшению интенсивности кавитации и, в конечном итоге, уменьшению эффекта стерилизации. Как правило, для достижения удовлетворительной ультразвуковой стерилизации нет необходимости бесконечно увеличивать интенсивность звука; интенсивность стерилизации должна находиться в диапазоне от 1 до 61 Вт/см⊃2;.

Более высокие ультразвуковые частоты требуют большей интенсивности звука. Отчеты показывают, что мощность, потребляемая для создания кавитации в воде на частоте 400 кГц, в 10 раз превышает мощность, потребляемую на частоте 10 кГц. Другими словами, интенсивность кавитации уменьшается с увеличением частоты ультразвука. По этой причине частота ультразвука, используемая в настоящее время для стерилизации, обычно составляет от 20 до 50 кГц.

Микробные характеристики

Все патогены обладают определенной степенью устойчивости к ультразвуку, особенно когда для стерилизации используется только ультразвук. Принято считать, что чем больше размер клетки микроорганизма, тем более он чувствителен к ультразвуку. Это означает, что палочковидные бактерии погибают быстрее, чем кокки, а крупные бациллы погибают быстрее, чем мелкие. Грамположительные бактерии более устойчивы, чем грамотрицательные; аэробные бактерии более устойчивы, чем анаэробные бактерии; и бактериальные споры более устойчивы, чем вегетативные клетки.

Медиа-факторы

Лопес-Мало и др. изучали влияние pH, активности воды и температуры на бактерицидную эффективность термического ультразвука против Penicillium digitatum. Они обнаружили, что когда активность воды составляла 0,99, увеличение амплитуды ультразвука и уменьшение pH уменьшали значение D. Когда pH оставался постоянным и активность воды увеличивалась, значение D уменьшалось.