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脈沖強光生物實(shí)驗室殺菌

瀏覽: 發(fā)布日期:2023-07-26
  脈沖氙燈殺菌作為一種新型的冷殺菌技術(shù),已被證實(shí)對微生物具有良好的殺滅效果。

脈沖氙燈所產(chǎn)生的光具有如下幾個(gè)特點(diǎn):
(1) 高穿透性
脈沖氙燈裝置可以在短時(shí)間內(10~100μs) 將儲存在儲能電容中的電能轉化為光能釋放, 可以產(chǎn)生很高的峰值功率。 脈沖強光對細菌如細胞壁及 DNA 等均有破壞作用, 可以從多方面殺滅細菌。 與常用的紫外燈相比, 紫外燈是通過(guò)連續的光譜對細菌進(jìn)行殺滅, 在相同的功率下, 脈沖氙燈具有更強的峰值功率, 這是紫外燈無(wú)法企及的。 由于紫外光的穿透性很弱, 不能穿透產(chǎn)品包裝, 因此在食品包裝、 水處理等過(guò)程中均使用脈沖氙燈裝置的高穿透性這一特點(diǎn)進(jìn)行殺菌。
(2) 低溫
脈沖強光在其殺菌作用過(guò)程中有一定的光熱作用, 但不是主要作用方式, 根據以下幾個(gè)方面分析可知:
a 脈沖強光以脈沖形式進(jìn)行釋放能量, 釋放能量的過(guò)程較短, 在微秒級別內完成這一過(guò)程, 因此產(chǎn)生的熱量無(wú)法進(jìn)行堆積造成溫度升高;
b 脈沖氙燈在一個(gè)工作周期內, 相對于其能量釋放時(shí)間, 有足夠的時(shí)間來(lái)進(jìn)行冷卻;
c 脈沖氙燈采用高壓觸發(fā)脈沖進(jìn)行電離燈管中的氣體, 在開(kāi)始工作前不需要預熱;
d 脈沖氙燈依靠瞬間峰值能量殺菌, 因此其輸出能量的均值較小。
(3) 即時(shí)控制
脈沖氙燈裝置具有控制模塊, 可以使脈沖氙燈隨時(shí)啟停, 且反應迅速, 而紫外燈在啟動(dòng)前需進(jìn)行預熱, 達不到隨用隨開(kāi)的要求, 在一些特殊場(chǎng)合, 如蛋白質(zhì)類(lèi)藥物包裝的過(guò)程中, 由于紫外線(xiàn)會(huì )使蛋白質(zhì)變性, 因此對這些產(chǎn)品進(jìn)行消毒時(shí)需要精準控制, 在需要消毒的部位進(jìn)入時(shí)馬上進(jìn)行消毒, 不能接受紫外線(xiàn)照射的部分進(jìn)入后須立即停止。 因此在這些場(chǎng)合中更適合應用脈沖強光裝置。
(4) 能效高
脈沖氙燈釋放能量的形式為光脈沖, 在相同的輸入功率下與連續性輸出能量的紫外燈相比, 脈沖氙燈在短時(shí)內的峰值能量是普通紫外燈無(wú)法相比的。
(5) 高適配性
脈沖氙燈裝置在實(shí)際應用中針對不同的要求具有很好的適配性:
a 可根據實(shí)際使用的場(chǎng)合根據實(shí)際空間來(lái)選擇不同的外形尺寸, 現有的生產(chǎn)技術(shù)可以將脈沖氙燈加工成管狀、 螺旋形、 “U” 形等各種形狀;
b 脈沖氙燈的體積很小, 可以根據實(shí)際使用空間靈活布置, 相對于紫外燈的
體積, 脈沖氙燈布置更加靈活;
c 可根據實(shí)際使用的場(chǎng)合, 在合理范圍內設置不同的參數以改變氙燈的輸入能量從而改變輸出能量來(lái)適應使用要求的變化。 對于同一套裝置來(lái)說(shuō)其適用性更強。
(6) 安全
目前常用的紫外殺菌燈為低壓汞燈, 脈沖氙燈裝置所使用的為氙燈, 燈管中的填充氣體為惰性氣體氙氣, 不存在汞泄露的問(wèn)題, 安全系數更高。 同時(shí)由于氙燈的即時(shí)啟停的特性, 不會(huì )有紫外線(xiàn)泄露的風(fēng)險。 脈沖氙燈燈管材料可以濾過(guò)真空紫外線(xiàn), 不會(huì )產(chǎn)生臭氧 [55] , 而紫外殺菌燈可能產(chǎn)生臭氧, 有臭氧超標的危險。


脈沖氙燈的殺菌機理
脈沖強光本身的特點(diǎn)為光輻射強度較高, 由圖 2-2 可以看出脈沖氙燈發(fā)出的光譜范圍廣, 可以覆蓋 200~1100nm 的光譜; 同時(shí)在 200~275nm(UV-C) 和275~320nm(UV-B)的紫外波段有很高的峰值, 此外, 在可見(jiàn)光部分(400~760nm)和紅外線(xiàn)部分(760~1000nm) 均出現了僅次于紫外部分的峰值。 因此脈沖強光在殺菌機理上與紫外線(xiàn)殺菌機理不同。 脈沖強光在殺菌過(guò)程中不僅有光化作用起主導作用, 還有光熱作用。
脈沖強光對微生物的殺滅主要有四種途徑:
(1) 對微生物細胞膜進(jìn)行破壞;
(2) 對微生物內酶的分解;
(3) 對微生物細胞內遺傳物質(zhì)核酸進(jìn)行破壞;
(4) 光熱作用導致微生物細胞內水分蒸發(fā)膨脹, 導致細胞破裂。
有研究表明 [56] , 在脈沖強光處理酵母細胞后, 細胞內出現液泡膨脹, 細胞膜變形,同時(shí)出現了大量的游離態(tài)蛋白。 而通過(guò)連續性的紫外光處理后, 酵母菌細胞的外形與處理之前沒(méi)有太大的差異。 這說(shuō)明在脈沖強光處理過(guò)程中, 除了與紫外線(xiàn)類(lèi)似的對遺傳物質(zhì)的破壞外, 由于其穿透性強, 通過(guò) UV-B 和 UV-C 的光化作用導致微生物細胞內酶的分解, 產(chǎn)生了大量游離態(tài)蛋白, 同時(shí)也對微生物細胞膜蛋白分解, 導致細胞膜破壞、 變形。 而細胞內液泡出現膨脹, 則說(shuō)明脈沖強光在對微生物處理過(guò)程中存在光熱作用, 由于短時(shí)高能的脈沖光輻射, 使細胞內液泡水分蒸發(fā)膨脹, 直至細胞破裂。