التقدم البحثي في ​​تكنولوجيا التعقيم بالموجات فوق الصوتية

تقدم البحث في تكنولوجيا التعقيم بالموجات فوق الصوتية

عادةً ما يستخدم التعقيم التقليدي طرقًا مثل التسخين بدرجة حرارة عالية، والكواشف الكيميائية، والأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، فإن التسخين بدرجة الحرارة العالية يمكن أن يدمر المكونات الحساسة للحرارة في الأشياء؛ يمكن أن يترك التعقيم الكيميائي بقايا ضارة بسهولة؛ والتعقيم بالأشعة فوق البنفسجية له عيوب مثل عدم اكتماله ووجود مناطق ميتة. ونتيجة لذلك، قام الباحثون باستكشاف والبحث عن طرق تعقيم أسرع وأكثر فعالية لتجنب هذه القيود. أظهرت الأبحاث الحديثة أن التعقيم بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يكون وسيلة تعقيم مساعدة فعالة، وقد تم استخدامه بنجاح في معالجة مياه الصرف الصحي وتطهير مياه الشرب. كما تمت دراسة تطبيقه في تعقيم الأطعمة السائلة مثل البيرة وعصير البرتقال وصلصة الصويا على نطاق واسع.

تقدم هذه المقالة في المقام الأول آلية التعقيم بالموجات فوق الصوتية وتستعرض التقدم البحثي في ​​تكنولوجيا التعقيم بالموجات فوق الصوتية واستخدامها التآزري مع طرق التعقيم الأخرى (الليزر، الموجات الدقيقة، الحرارة، والضغط).

آلية التعقيم بالموجات فوق الصوتية

تشير الموجات فوق الصوتية إلى موجات صوتية بتردد أكبر من 20 كيلو هرتز. لا يوفر تردده العالي وطوله الموجي القصير اتجاهًا ممتازًا وطاقة عالية واختراقًا قويًا فحسب، بل يحفز أيضًا التجويف ومجموعة من التأثيرات الخاصة، بما في ذلك التأثيرات الميكانيكية والحرارية والكيميائية. من المعتقد بشكل عام أن تأثير الموجات فوق الصوتية المبيد للجراثيم يرجع في المقام الأول إلى تأثير التجويف الذي تنتجه. أثناء العلاج بالموجات فوق الصوتية، عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة عبر وسط سائل، فإنها تولد موجات طولية، والتي بدورها تخلق مناطق من الضغط والتمدد بالتناوب. تكون هذه المناطق المتغيرة للضغط عرضة للتجويف، وتشكل نوى فقاعية صغيرة داخل الوسط. في لحظة الانكماش والانهيار الأدياباتي، تتعرض نوى الفقاعات الصغيرة لدرجات حرارة تتجاوز 5000 درجة مئوية وضغوط تتجاوز 50000 كيلو باسكال، والتي يمكن أن تقتل بعض البكتيريا في السائل، وتعطل الفيروسات، وحتى تلحق الضرر بجدران الخلايا للكائنات الحية الدقيقة الأصغر. ومع ذلك، فإن نطاق العمل محدود [7،8]. تم اقتراح البحث حول تكنولوجيا التعقيم بالموجات فوق الصوتية في وقت مبكر من ثلاثينيات القرن العشرين. تظهر بعض نتائج الأبحاث أنه على الرغم من أن تأثير التعقيم بالموجات فوق الصوتية وحده محدود، إلا أن الجمع بين الموجات فوق الصوتية وطرق التعقيم الأخرى له إمكانات كبيرة وفعال للغاية.

التعقيم بالموجات فوق الصوتية وحده

حاليًا، يُستخدم التعقيم بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي في معالجة مياه الصرف الصحي، وتطهير مياه الشرب، وصناعة الأغذية، وقد أجرى العديد من العلماء في الداخل والخارج أبحاثًا ذات صلة. استخدم ر. ديفيس الموجات فوق الصوتية بتردد 26 كيلو هرتز لقتل الكائنات الحية الدقيقة، ووجد أن بعض البكتيريا، مثل الإشريكية القولونية، والبكتيريا العصوية العملاقة، والزائفة الزنجارية، كانت حساسة للموجات فوق الصوتية بتركيزات منخفضة. ومع ذلك، كانت الموجات فوق الصوتية أقل فعالية ضد المكورات العنقودية والمكورات العقدية، وكانت غير فعالة تمامًا ضد سموم الخناق. يعتقد ماكليمنتس أن التعقيم بالموجات فوق الصوتية يكون أكثر فعالية عندما يقترن بتقنيات التعقيم الأخرى، مثل المعالجة الحرارية أو الأوزون أو الكواشف الكيميائية.

في صناعة معالجة المياه المنزلية، يعد تحسين جودة المياه الملوثة قليلاً وإجراء المعالجة المتقدمة تحديًا كبيرًا يواجه معظم محطات المياه. تتميز الطرق التقليدية لتعقيم مياه الصرف الصحي، مثل الكربون المنشط والتكنولوجيا الحيوية الغشائية، بكفاءة معالجة منخفضة وغير فعالة في إزالة الملوثات العضوية الثابتة. أظهرت الأبحاث ذات الصلة أن الموجات فوق الصوتية فعالة في إزالة البكتيريا والمواد العضوية غير القابلة للذوبان واللون في المياه الملوثة قليلاً، مع إزالة البكتيريا بعد حركية الدرجة الأولى. كما أن له بعض التأثير، ولكن ليس كبيرًا، على COD (الطلب على الأكسجين الكيميائي) والعكارة، كما أن تأثيره على إزالة التعكر محدود أيضًا. في صناعة المواد الغذائية، يحدث تلف الطعام بشكل أساسي بسبب وجود بعض الكائنات الحية الدقيقة التي تغير جودته. ومن أجل ضمان سلامة الغذاء، يعد التعقيم حلقة مهمة في إنتاجه. تتأثر جودة الطعام بشكل مباشر بتأثير التعقيم. أجرى Zhu Shaohua [5] اختبارًا مقارنًا لتعقيم صلصة الصويا باستخدام الموجات فوق الصوتية ووجد أن معدل تعقيم صلصة الصويا كان 72.9% بعد 5 دقائق من العلاج بالموجات فوق الصوتية، و75% بعد 10 دقائق من العلاج، وهو أقل قليلاً من معدل التعقيم البالغ 78.7% عند 72 درجة مئوية أثناء البسترة. عندما تم تعقيم الحليب بالموجات فوق الصوتية، بعد 15-60 ثانية من العلاج، يمكن تخزين المستحلب لمدة 5 أيام دون أن يصبح زنخًا أو فاسدًا. إذا تم تعقيم الحليب بالموجات فوق الصوتية، فيمكن تخزينه لمدة 18 شهرًا في ظروف مبردة. خصائص التعقيم بالموجات فوق الصوتية هي السرعة العالية، وعدم وجود إضافات أجنبية، وغير ضارة لجسم الإنسان، ولا ضرر للأشياء. ومع ذلك، فإن تأثير التعقيم ليس شاملاً وهناك العديد من العوامل المؤثرة. على الرغم من أن الباحثين المعنيين بدأوا في دراسة التعقيم بالموجات فوق الصوتية في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، إلا أن التقدم كان بطيئًا ولا يزال يستخدم بشكل أساسي في التعقيم المساعد.

التعقيم التآزري مع الموجات فوق الصوتية

تشير نتائج الأبحاث حول التعقيم بالموجات فوق الصوتية وحدها إلى أن فعاليته ليست كبيرة وتخدم في المقام الأول دورًا داعمًا. ولذلك، لزيادة تحسين كفاءة التعقيم، يجب دمج الموجات فوق الصوتية مع تقنيات التعقيم الأخرى. أجرى الباحثون محليًا ودوليًا أبحاثًا حول هذا الموضوع. تشير النتائج إلى أن الاستخدام المشترك للموجات فوق الصوتية مع تقنيات التعقيم الأخرى له آفاق تطبيق واسعة. فيما يلي مراجعة للعقود الأخيرة من الأبحاث حول تأثيرات التعقيم بالموجات فوق الصوتية مع الأوزون وثاني أكسيد التيتانيوم النانوي وأفران الميكروويف والليزر والأشعة فوق البنفسجية والحرارة والضغط.

الموجات فوق الصوتية مع الأوزون

الأوزون هو عامل مؤكسد قوي ذو خصائص مؤكسدة عالية ويعتبر منذ فترة طويلة عامل مؤكسد ومطهر فعال للغاية. تم استخدام الأوزون بالفعل لتعقيم مياه الشرب في أوائل القرن العشرين. في عام 1975، غاري وآخرون. أجرى بحثًا حول التأثير التآزري للموجات فوق الصوتية والأوزون على تعقيم المياه. وأظهرت النتائج أن الأوزون، عند دمجه مع الموجات فوق الصوتية، أظهر فعالية تعقيم محسنة. هو جين رونغ وآخرون. أجرى دراسات تجريبية حول قدرة التعقيم المعززة بالموجات فوق الصوتية للأوزون، مما يدل على أن الموجات فوق الصوتية تعزز بشكل كبير معدل تعقيم الأوزون. في نفس وقت العلاج، يكون معدل التعقيم باستخدام الموجات فوق الصوتية مع الأوزون أعلى من الأوزون وحده. عندما تكون كمية الأوزون المستخدمة هي نفسها، يمكن تقصير وقت العلاج بالموجات فوق الصوتية، وبالتالي توفير طاقة الموجات فوق الصوتية. السبب الرئيسي لتحسين معدل التعقيم للاثنين مجتمعين هو أن الموجات فوق الصوتية يمكنها تفتيت فقاعات الأوزون إلى فقاعات دقيقة، مما يزيد بشكل كبير من معدل انحلالها وزيادة تركيز الأوزون. يمكن للأوزون عالي التركيز أن يتأكسد البكتيريا ويقتلها بسرعة.

الموجات فوق الصوتية مع ثاني أكسيد النانو تيتانيوم

يتمتع ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي بخصائص التطهير والتعقيم تحت تحفيز الضوء فوق البنفسجي ويستخدم على نطاق واسع لتنظيف الأسطح مثل السيراميك والزجاج والبلاط. كما أنها جذبت الاهتمام في معالجة المياه لإزالة المواد العضوية وقتل البكتيريا في الماء. وبالمثل، فإن ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي له تأثير تعقيم تحت إشعاع الموجات فوق الصوتية. أجرى الباحثون دراسات تجريبية حول تأثير التعقيم التآزري لثاني أكسيد التيتانيوم النانوي والموجات فوق الصوتية. أظهرت النتائج أن محفزات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية والموجات فوق الصوتية لها تأثير تآزري كبير للجراثيم. زيادة الرقم الهيدروجيني لها تأثير طفيف على تأثير التعقيم بالموجات فوق الصوتية، وتأثير التعقيم الخاص بها يفوق تأثير ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي المحفز بواسطة الأشعة فوق البنفسجية. العلاج بالموجات فوق الصوتية المحفزة بثاني أكسيد التيتانيوم النانوي ليس له تأثير قوي مبيد للجراثيم فحسب، بل له أيضًا تأثير تنظيف معين على الأسطح الملساء. يمكن استخدامه لتنظيف المعدات الملوثة بالموجات فوق الصوتية مع تحقيق تأثير التعقيم أيضًا.

العوامل المؤثرة على فعالية التعقيم بالموجات فوق الصوتية

أظهرت التجارب والأبحاث ذات الصلة أن فعالية التعقيم بالموجات فوق الصوتية وحدها تختلف باختلاف الظروف. تتأثر فعالية التعقيم بالموجات فوق الصوتية في المقام الأول بعوامل مثل معلمات الموجات فوق الصوتية (السعة والتردد والمدة)، والخصائص الميكروبية، والوسيط.

معلمات العمل

من بين هذه المعلمات، السعة والتردد والمدة ودرجة حرارة العلاج بالموجات فوق الصوتية هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على التعقيم بالموجات فوق الصوتية.

السعة والمدة

تزداد فعالية التعقيم بالموجات فوق الصوتية ضد الخلايا والجراثيم البكتيرية بشكل كبير مع طاقة الموجات فوق الصوتية. وقد أظهرت الأبحاث أن تأثير التعقيم بالموجات فوق الصوتية يتناسب طرديا مع مدة العلاج؛ تؤدي أوقات العلاج الأطول إلى زيادة فعالية التعقيم. تنخفض معدلات بقاء البكتيريا بشكل كبير مع زيادة وقت العلاج بالموجات فوق الصوتية. ومع ذلك، هناك مشكلة واحدة يجب معالجتها وهي أنه مع زيادة وقت التعقيم، يزداد ارتفاع درجة حرارة الوسط، مما قد يكون ضارًا لبعض المواد الحساسة للحرارة. شدة الصوت والتردد

بالنسبة للسوائل العامة، زيادة شدة الصوت تزيد من شدة التجويف، ولكن بعد الوصول إلى قيمة معينة، يميل التجويف إلى التشبع. زيادة شدة الصوت عند هذه النقطة سوف تولد عددا كبيرا من الفقاعات عديمة الفائدة، وزيادة توهين التشتت، وتقليل كثافة التجويف، وتقليل تأثير التعقيم في نهاية المطاف. بشكل عام، لتحقيق تعقيم بالموجات فوق الصوتية مرضية، ليس من الضروري زيادة شدة الصوت إلى أجل غير مسمى؛ يجب أن تكون شدة التعقيم في حدود 1 إلى 61 واط/سم⊃2;.

تتطلب الترددات فوق الصوتية الأعلى كثافة صوت أكبر. تشير التقارير إلى أن الطاقة المستهلكة لإنتاج التجويف في الماء بتردد 400 كيلو هرتز أكبر بعشر مرات من الطاقة المستهلكة عند 10 كيلو هرتز. وبعبارة أخرى، تقل شدة التجويف مع زيادة تردد الموجات فوق الصوتية. ولهذا السبب، يتراوح تردد الموجات فوق الصوتية المستخدم حاليًا للتعقيم بشكل عام بين 20 و50 كيلو هرتز.

الخصائص الميكروبية

جميع مسببات الأمراض لديها درجة معينة من المقاومة للموجات فوق الصوتية، وخاصة عندما يتم استخدام الموجات فوق الصوتية وحدها للتعقيم. من المعتقد عمومًا أنه كلما زاد حجم خلية الكائنات الحية الدقيقة، زادت حساسيتها للموجات فوق الصوتية. وهذا يعني أن البكتيريا العصية الشكل تُقتل بشكل أسرع من المكورات، والعصيات الكبيرة تُقتل بشكل أسرع من العصيات الصغيرة. البكتيريا إيجابية الجرام أكثر مقاومة من البكتيريا سالبة الجرام. البكتيريا الهوائية أكثر مقاومة من البكتيريا اللاهوائية. والجراثيم البكتيرية أكثر مقاومة من الخلايا النباتية.

العوامل الإعلامية

لوبيز مالو وآخرون. درس تأثيرات الرقم الهيدروجيني ونشاط الماء ودرجة الحرارة على فعالية مبيد الجراثيم بالموجات فوق الصوتية الحرارية ضد البنسيليوم ديجيتاتوم. ووجدوا أنه عندما كان النشاط المائي 0.99، أدت زيادة سعة الموجات فوق الصوتية وتقليل الرقم الهيدروجيني إلى انخفاض قيمة D. وعندما ظل الرقم الهيدروجيني ثابتًا وزاد نشاط الماء، انخفضت قيمة D.