Progresso da pesquisa da tecnologia de esterilização ultrassônica

Progresso da pesquisa em tecnologia de esterilização ultrassônica

A esterilização tradicional normalmente usa métodos como aquecimento em alta temperatura, reagentes químicos e luz ultravioleta. No entanto, o aquecimento a alta temperatura pode destruir componentes sensíveis ao calor nos objetos; a esterilização química pode facilmente deixar resíduos nocivos; e a esterilização ultravioleta tem desvantagens como a incompletude e a presença de zonas mortas. Consequentemente, os investigadores têm explorado e pesquisado métodos de esterilização mais rápidos e eficazes que evitem estas limitações. Pesquisas recentes demonstraram que a esterilização ultrassônica pode ser um método auxiliar de esterilização eficaz e tem sido usada com sucesso no tratamento de águas residuais e na desinfecção de água potável. Sua aplicação na esterilização de alimentos líquidos como cerveja, suco de laranja e molho de soja também tem sido extensivamente estudada.

Este artigo apresenta principalmente o mecanismo de esterilização ultrassônica e analisa o progresso da pesquisa na tecnologia de esterilização ultrassônica e seu uso sinérgico com outros métodos de esterilização (lasers, microondas, calor e pressão).

Mecanismo de esterilização ultrassônica

Ultrassom refere-se a ondas sonoras com frequência superior a 20 kHz. Sua alta frequência e comprimento de onda curto não só oferecem excelente direcionalidade, alta potência e forte penetração, mas também induzem cavitação e uma série de efeitos especiais, incluindo efeitos mecânicos, térmicos e químicos. Acredita-se geralmente que o efeito bactericida do ultrassom se deve principalmente ao efeito de cavitação que ele produz. Durante o tratamento ultrassônico, quando o ultrassom de alta intensidade se propaga através de um meio líquido, gera ondas longitudinais, que por sua vez criam regiões de compressão e expansão alternadas. Estas regiões de mudança de pressão são propensas à cavitação, formando pequenos núcleos de bolhas no meio. No momento da contração e colapso adiabático, os minúsculos núcleos das bolhas experimentam temperaturas superiores a 5.000°C e pressões superiores a 50.000 kPa, o que pode matar certas bactérias no líquido, inativar vírus e até danificar as paredes celulares de microrganismos menores. No entanto, o alcance de ação é limitado [7,8]. A pesquisa sobre tecnologia de esterilização ultrassônica foi proposta já na década de 1930. Alguns resultados de pesquisas mostram que, embora o efeito de esterilização do ultrassom por si só seja limitado, a combinação do ultrassom e outros métodos de esterilização tem grande potencial e é altamente eficaz.

Esterilização ultrassônica sozinha

Atualmente, a esterilização ultrassônica é usada principalmente no tratamento de águas residuais, na desinfecção de água potável e na indústria alimentícia, e muitos estudiosos nacionais e estrangeiros conduziram pesquisas relacionadas. R. Davis usou ultrassom de 26kHz para matar microorganismos e descobriu que certas bactérias, como Escherichia coli, Bacillus megaterium e Pseudomonas aeruginosa, eram sensíveis ao ultrassom em baixas concentrações. O ultrassom, entretanto, foi menos eficaz contra estafilococos e estreptococos e completamente ineficaz contra a toxina diftérica. McClements acredita que a esterilização por ultrassom é mais eficaz quando combinada com outras técnicas de esterilização, como tratamento térmico, ozônio ou reagentes químicos.

Na indústria de tratamento de água doméstica, melhorar a qualidade da água ligeiramente poluída e realizar um tratamento avançado é um grande desafio enfrentado pela maioria das estações de tratamento de água. Os métodos tradicionais de esterilização de águas residuais, como carvão ativado e biotecnologia de membrana, têm baixa eficiência de tratamento e são ineficazes na remoção de poluentes orgânicos recalcitrantes. Pesquisas relacionadas mostraram que o ultrassom é eficaz na remoção de bactérias, matéria orgânica insolúvel e cor em águas levemente poluídas, com a remoção bacteriana seguindo uma cinética de primeira ordem. Também tem algum efeito, mas não significativo, na DQO (demanda química de oxigênio) e na turbidez, e seu efeito na remoção da turbidez também é limitado. Na indústria alimentar, a deterioração dos alimentos é causada principalmente pela presença de certos microrganismos que alteram a sua qualidade. Para garantir a segurança dos alimentos, a esterilização é um elo importante na sua produção. A qualidade dos alimentos é diretamente afetada pelo efeito de esterilização. Zhu Shaohua [5] conduziu um teste comparativo sobre a esterilização do molho de soja usando ultrassom e descobriu que a taxa de esterilização do molho de soja foi de 72,9% após 5 minutos de tratamento ultrassônico e 75% após 10 minutos de tratamento, o que foi ligeiramente inferior à taxa de esterilização de 78,7% a 72°C durante a pasteurização. Quando o leite foi esterilizado com ultrassom, após 15-60 segundos de tratamento, a emulsão pôde ser armazenada por 5 dias sem ficar rançosa ou estragada. Se o leite fosse esterilizado com ultrassom, poderia ser armazenado por 18 meses sob refrigeração. As características da esterilização ultrassônica são velocidade rápida, sem aditivos estranhos, inofensiva ao corpo humano e sem danos aos objetos. No entanto, o efeito da esterilização não é completo e existem muitos fatores que influenciam. Embora pesquisadores relevantes tenham começado a estudar a esterilização ultrassônica no início da década de 1930, o progresso tem sido lento e ainda é usado principalmente para esterilização auxiliar.

Esterilização Sinérgica com Ultrassom

Os resultados da investigação apenas sobre a esterilização por ultrassom indicam que a sua eficácia não é significativa e desempenha principalmente um papel de apoio. Portanto, para melhorar ainda mais a eficiência da esterilização, o ultrassom precisa ser combinado com outras tecnologias de esterilização. Pesquisadores nacionais e internacionais têm conduzido pesquisas sobre este tema. Os resultados indicam que o uso combinado do ultrassom com outras tecnologias de esterilização tem amplas perspectivas de aplicação. A seguir está uma revisão das últimas décadas de pesquisa sobre os efeitos de esterilização do ultrassom em combinação com ozônio, dióxido de nanotitânio, microondas, lasers, luz ultravioleta, calor e pressão.

Ultrassom com Ozônio

O ozônio é um oxidante forte com altas propriedades oxidantes e há muito tempo é considerado um oxidante e desinfetante muito eficaz. O ozônio já era utilizado para esterilização de água potável no início do século XX. Em 1975, Gary et al. conduziu pesquisas sobre o efeito sinérgico do ultrassom e do ozônio na esterilização da água. Os resultados mostraram que o ozônio, quando combinado com o ultrassom, exibiu maior eficácia de esterilização. Hu Wenrong et al. conduziram estudos experimentais sobre a capacidade de esterilização aprimorada do ozônio pelo ultrassom, demonstrando que o ultrassom aumenta significativamente a taxa de esterilização do ozônio. Para o mesmo tempo de tratamento, a taxa de esterilização utilizando ultrassom combinado com ozônio é maior do que a do ozônio sozinho. Quando a quantidade de ozônio utilizada é a mesma, o tempo de tratamento com ultrassom pode ser reduzido, economizando assim energia ultrassônica. A principal razão para a melhoria da taxa de esterilização dos dois combinados é que o ultrassom pode quebrar as bolhas de ozônio em microbolhas, aumentando significativamente sua taxa de dissolução e aumentando a concentração de ozônio. O ozônio em alta concentração pode oxidar e matar bactérias rapidamente.

Ultrassom combinado com dióxido de nanotitânio

O dióxido de nanotitânio possui propriedades de limpeza e esterilização sob catálise de luz ultravioleta e é amplamente utilizado para limpar superfícies como cerâmica, vidro e azulejos. Também atraiu atenção no tratamento de água para remover matéria orgânica e matar bactérias na água. Da mesma forma, o dióxido de nanotitânio tem um efeito esterilizante sob irradiação ultrassônica. Os pesquisadores conduziram estudos experimentais sobre o efeito de esterilização sinérgica do dióxido de nanotitânio e do ultrassom. Os resultados mostram que os catalisadores de dióxido de nanotitânio e o ultrassom têm um efeito bactericida sinérgico significativo. O aumento do pH tem um ligeiro efeito no efeito de esterilização do ultrassom, e seu efeito de esterilização é superior ao do dióxido de nanotitânio catalisado pela luz ultravioleta. O tratamento ultrassônico catalisado por dióxido de nanotitânio não só tem um forte efeito bactericida, mas também tem um certo efeito de limpeza em superfícies lisas. Ele pode ser usado para limpar ultrassonicamente equipamentos contaminados, ao mesmo tempo que obtém um efeito esterilizante.

Fatores que afetam a eficácia da esterilização ultrassônica

Experimentos e pesquisas relacionadas mostraram que a eficácia da esterilização apenas pelo ultrassom varia sob diferentes condições. A eficácia da esterilização ultrassônica é influenciada principalmente por fatores como os parâmetros do ultrassom (amplitude, frequência e duração), características microbianas e o meio.

Parâmetros de ação

Dentre esses parâmetros, a amplitude, frequência, duração e temperatura de tratamento do ultrassom são os principais fatores que influenciam a esterilização ultrassônica.

Amplitude e Duração

A eficácia da esterilização do ultrassom contra células vegetativas bacterianas e esporos aumenta exponencialmente com a energia do ultrassom. A pesquisa mostrou que o efeito de esterilização do ultrassom é diretamente proporcional à duração do tratamento; tempos de tratamento mais longos resultam em maior eficácia de esterilização. As taxas de sobrevivência bacteriana diminuem exponencialmente com o aumento do tempo de tratamento ultrassônico. Contudo, uma questão que deve ser abordada é que à medida que o tempo de esterilização aumenta, o aumento da temperatura do meio aumenta, o que pode ser prejudicial para algumas substâncias sensíveis ao calor. Intensidade e frequência sonora

Para líquidos em geral, o aumento da intensidade sonora aumenta a intensidade da cavitação, mas após atingir um determinado valor, a cavitação tende a saturar. Aumentar ainda mais a intensidade do som neste ponto irá gerar um grande número de bolhas inúteis, aumentando a atenuação da dispersão, reduzindo a intensidade da cavitação e, em última análise, diminuindo o efeito de esterilização. Geralmente, para conseguir uma esterilização ultrassônica satisfatória, não é necessário aumentar indefinidamente a intensidade do som; a intensidade de esterilização deve estar na faixa de 1 a 61 W/cm².

Frequências ultrassônicas mais altas requerem maior intensidade sonora. Os relatórios indicam que a energia consumida para produzir cavitação na água a uma frequência de 400 kHz é 10 vezes maior do que a consumida a 10 kHz. Em outras palavras, a intensidade da cavitação diminui com o aumento da frequência ultrassônica. Por esta razão, a frequência ultrassônica atualmente utilizada para esterilização está geralmente entre 20 e 50 kHz.

Características Microbianas

Todos os patógenos têm um certo grau de resistência ao ultrassom, especialmente quando o ultrassom é usado sozinho para esterilização. Acredita-se geralmente que quanto maior o tamanho da célula de um microrganismo, mais sensível ele é ao ultrassom. Isso significa que as bactérias em forma de bastonete são mortas mais rapidamente do que os cocos, e os bacilos grandes são mortos mais rapidamente do que os bacilos pequenos. As bactérias Gram-positivas são mais resistentes que as bactérias Gram-negativas; as bactérias aeróbias são mais resistentes que as bactérias anaeróbias; e os esporos bacterianos são mais resistentes que as células vegetativas.

Fatores de mídia

López-Malo et al. estudaram os efeitos do pH, atividade de água e temperatura na eficácia bactericida do ultrassom térmico contra Penicillium digitatum. Eles descobriram que quando a atividade da água era 0,99, aumentar a amplitude do ultrassom e diminuir o pH diminuía o valor D. Quando o pH permaneceu constante e a atividade de água aumentou, o valor D diminuiu.