Традиційно в харчовій промисловості очищення та дезінфекцію проводять за допомогою миючих засобів і рідкої води. Бактерії на поверхні утворюють біоплівки та дуже міцно прилипають до поверхні [Посилання 1].
Дослідження показали, що ці біоплівки нелегко видалити розчинами миючих засобів, оскільки вони липкі. Бактерії легше видалити з рідких розчинів, ніж з твердих поверхонь, таких як нержавіюча сталь.
Біоплівки часто важко видалити механічними та хімічними засобами. Необхідно вивчити альтернативні методи дезінфекції, щоб замінити механічні прожилки та хімічні методи. На малюнку 1 показано бактеріально заражену поверхню з нержавіючої сталі.
Лазерне очищення поверхонь, уражених бактеріями, є дуже ефективним методом, оскільки тепло, яке виробляє лазер, використовується для дезінфекції поверхні. На малюнку 2 показано лазерне очищення забрудненого піддону.
Було проведено дослідження, щоб зрозуміти ефективність використання різних типів лазерів для очищення поверхонь, уражених бактеріями. Зазвичай використовуються імпульсні лазери, але вибір довжини хвилі, енергії імпульсу та частоти повторення дуже важливий. В одному дослідженні [Посилання 2] сім різних типів лазерів, від ультрафіолетового (355 нм) до далекого інфрачервоного (118 мкм), використовувалися для вивчення їх ефективності у знищенні бактерій Escherichia coli (E-Coli). Серед цих лазерів використовувався 10,6 мкм CO2-імпульсний лазер і кілька Nd:YAG-лазерів, що працюють на номінальній, другій і третій гармоніках довжин хвиль.
Дослідження показують, що вище певної щільності енергії CO2-імпульсний лазер є найефективнішим у видаленні бактерій, а потім Nd:YAG-лазер. Ефективність УФ-променів у знищенні бактерій добре відома, і третім ефективним лазером є потрійний частотний Nd:YAG лазер (випромінювання 355 нм). Для цілей тестування E. coli вирощували на кількох чашках, і пластини піддавали впливу лазерного світла. Після експозиції планшети інкубували при 37° протягом 24 годин. Якщо лазерна стерилізація працює, після росту будуть спостерігатися вільні від бактерій ділянки. У таблиці 1 показано різні параметри лазера та зони, вільні від бактерій, які спостерігаються після впливу таких лазерів.
Як видно з наведеної вище таблиці, щільність енергії Nd:YAG-лазера Lumonics (імпульси 10 мс з 10 Джоулями енергії при 20 Гц) була в 246 разів більшою, ніж CO2-лазер, а час експозиції також був у 533 рази довший. Цю різницю можна пояснити тим фактом, що вода поглинає випромінювання середнього ІЧ-діапазону (10,6 мкм) набагато сильніше, ніж ближнього ІЧ-діапазону (1,06 мкм), і оскільки бактерії E-Coli знаходяться у воді, їх легше вбити.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 355 нм також добре реагувало на стерилізацію, як показано в таблиці. Лазери з потроєною частотою працювали з частотою повторення 10 Гц і мали тривалість імпульсу приблизно 5 нс. Порівнюючи лазер із потроєною частотою Surlite з лазером Lumonics Nd:YAG, можна побачити, що із середньою потужністю в 200 разів меншою та часом експозиції майже в 5 разів коротшим (щільність енергії була майже в 20 разів меншою), лазер Surlite досяг такого ж порядку площі очищення, як і Nd: YAG (0,123 см2 порівняно з 0,715 см2).
Окрім лазерів, які ефективно знищували бактерії E-Coli, були й інші лазери, які були неефективними. Деякі з цих лазерів включали дальній ІЧ-лазер на 118 мкм, діодний лазер на 0.81 мкм та аргоновий іонний лазер на 0.488 мкм. Для цих лазерів використовували кілька різних щільностей енергії, але вони виявилися неефективними для знищення бактерій на поверхнях.
Союзники Науковий Пророзробила систему лазерного очищення на основі оптоволокна, яка вже була використана та довела свою ефективність у багатьох різних галузях, таких як видалення пороху в авіаційній промисловості, очищення історичних пам’яток та дезактивація ядерного об’єкта. Ці системи лазерного очищення мають лазерну головку, оптику та гальво дзеркала, які можуть створювати промені різної форми. Зазвичай використовується лінійний промінь, але щоб розширити застосування цих систем лазерного очищення для очищення поверхонь, заражених бактеріями, і збільшити щільність енергії променя, можна створити круглу пляму. Що стосується частоти повторення та середньої потужності, технічні характеристики сумісні з параметрами лазера Nd:YAG від Lumonics, зазначеними в таблиці 1.
На малюнку 4 показано лазерну систему очищення від Allied Scientific pro. Це 100-ватна система, яка працює на довжині хвилі 1030 нм під назвою Laser Blast 100.
Операції очищення забруднених металевих поверхонь у харчовій промисловості можуть отримати значну користь від лазерних систем очищення, описаних вище. Це швидше і ефективніше, ніж традиційні методи з використанням механічних і хімічних засобів.
