超音波滅菌技術の研究進捗

超音波滅菌技術の研究の進歩

従来の滅菌では、通常、高温加熱、化学試薬、紫外線などの方法が使用されます。ただし、高温で加熱すると、物体の熱に弱い成分が破壊される可能性があります。化学的滅菌は有害な残留物を残しやすい。また、紫外線殺菌には不完全さやデッドゾーンの存在などの欠点があります。したがって、研究者は、これらの制限を回避する、より迅速で効果的な滅菌方法を模索し、研究してきました。最近の研究では、超音波滅菌が効果的な補助滅菌方法であることが実証され、廃水処理や飲料水の消毒に使用されて成功しています。ビール、オレンジジュース、醤油などの液体食品の殺菌への応用も広く研究されています。

この記事では主に超音波滅菌のメカニズムを紹介し、超音波滅菌技術の研究の進歩と他の滅菌方法 (レーザー、マイクロ波、熱、圧力) との相乗的使用について概説します。

超音波滅菌機構

超音波とは、20 kHz を超える周波数の音波を指します。その高周波と短波長は、優れた指向性、高出力、強力な貫通力を提供するだけでなく、キャビテーションや、機械的、熱的、化学的効果を含むさまざまな特殊効果を誘発します。超音波の殺菌効果は主に超音波が生み出すキャビテーション効果によるものであると一般に考えられています。超音波治療中、高強度の超音波が液体媒体中を伝播すると縦波が生成され、その結果、圧縮と拡張が交互に起こる領域が作成されます。これらの圧力変化領域はキャビテーションを起こしやすく、媒体内に小さな気泡核が形成されます。断熱収縮と崩壊の瞬間に、小さな気泡核は 5000°C を超える温度と 50,000 kPa を超える圧力にさらされ、液体中の特定の細菌を殺し、ウイルスを不活化し、さらには小さな微生物の細胞壁に損傷を与える可能性があります。ただし、行動範囲は限られています[7,8]。超音波滅菌技術の研究は、1930 年代にはすでに提案されていました。超音波単独の滅菌効果には限界があるが、超音波と他の滅菌方法を組み合わせることで大きな可能性があり、高い効果が得られるという研究結果もあります。

超音波滅菌のみ

現在、超音波滅菌は主に廃水処理、飲料水の消毒、食品産業で使用されており、国内外の多くの学者が関連研究を行っています。 R. Davis は、微生物を殺すために 26kHz の超音波を使用し、大腸菌、メガテリウム菌、緑膿菌などの特定の細菌が低濃度の超音波に敏感であることを発見しました。しかし、超音波はブドウ球菌や連鎖球菌に対してはあまり効果がなく、ジフテリア毒素に対してはまったく効果がありませんでした。マクレメンツ氏は、超音波滅菌は、熱処理、オゾン、化学試薬などの他の滅菌技術と組み合わせるとより効果的であると考えています。

家庭の水処理業界では、軽度に汚染された水の水質を改善し、高度な処理を行うことが、ほとんどの浄水場が直面する大きな課題となっています。活性炭や膜バイオテクノロジーなどの従来の廃水滅菌方法は、処理効率が低く、難分解性有機汚染物質の除去には効果がありません。関連研究によると、超音波は、わずかに汚染された水中の細菌、不溶性有機物、色素の除去に効果的であり、細菌の除去は一次反応速度に従って行われることが示されています。また、COD (化学的酸素要求量) や濁度にも多少の影響はありますが、顕著ではありません。また、濁度の除去に対する影響も限定的です。食品産業における食品の腐敗は、主に品質を変化させる特定の微生物の存在によって引き起こされます。食品の安全性を確保するために、殺菌は食品の製造における重要な役割を果たします。食品の品質は殺菌効果に直接影響されます。 Zhu Shaohua [5] は、超音波を使用した醤油の殺菌に関する比較試験を実施し、醤油の超音波処理 5 分間の殺菌率は 72.9%、10 分間の処理では 75% であり、低温殺菌時の 72°C での殺菌率 78.7% よりわずかに低いことがわかりました。牛乳を超音波で滅菌すると、15 ～ 60 秒の処理後、エマルションは腐敗したり腐敗したりすることなく 5 日間保存できました。牛乳を超音波で滅菌すると、冷蔵条件下で 18 か月間保存できます。超音波滅菌の特徴は、速度が速く、異物添加物がなく、人体に無害であり、対象物に損傷を与えないことです。しかし、殺菌効果は完全ではなく、影響を与える要因も多くあります。関連する研究者は 1930 年代初頭に超音波滅菌の研究を始めましたが、進歩は遅く、依然として主に補助滅菌に使用されています。

超音波との相乗滅菌

超音波滅菌単独に関する研究結果では、その有効性はそれほど重要ではなく、主に補助的な役割を果たすことが示されています。したがって、滅菌効率をさらに向上させるには、超音波を他の滅菌技術と組み合わせる必要があります。国内外の研究者がこのテーマについて研究を行っています。この結果は、超音波と他の滅菌技術の組み合わせには幅広い応用の可能性があることを示しています。以下は、オゾン、ナノ二酸化チタン、マイクロ波、レーザー、紫外線、熱、圧力と組み合わせた超音波の殺菌効果に関するここ数十年の研究のレビューです。

オゾンを使った超音波

オゾンは高い酸化特性を持つ強力な酸化剤であり、非常に効果的な酸化剤および消毒剤として長い間考えられてきました。オゾンは 20 世紀初頭にすでに飲料水の殺菌に使用されていました。 1975 年に、ゲイリーらは、超音波とオゾンが水の殺菌に及ぼす相乗効果に関する研究を実施しました。その結果、オゾンは超音波と組み合わせると殺菌効果が高まることがわかりました。胡文栄ら。は、超音波によって強化されたオゾンの滅菌能力に関する実験研究を実施し、超音波がオゾンの滅菌率を大幅に高めることを実証しました。同じ処理時間の場合、超音波とオゾンを組み合わせた場合の滅菌率は、オゾン単独の場合よりも高くなります。オゾンの使用量が同じ場合、超音波処理時間が短縮され、超音波エネルギーが節約されます。 2 つを組み合わせることで滅菌率が向上する主な理由は、超音波がオゾンの泡をマイクロバブルに分解し、溶解速度を大幅に高め、オゾン濃度を高めることができるためです。高濃度のオゾンは細菌を素早く酸化して死滅させます。

ナノ二酸化チタンと組み合わせた超音波

ナノ二酸化チタンは、紫外線触媒作用により洗浄特性と殺菌特性の両方を有し、セラミック、ガラス、タイルなどの表面の洗浄に広く使用されています。水中の有機物を除去したり、細菌を死滅させたりする水処理においても注目されています。同様に、ナノ酸化チタンは超音波照射下で殺菌効果を発揮します。研究者らは、ナノ二酸化チタンと超音波の相乗的な殺菌効果に関する実験研究を実施しました。結果は、ナノ二酸化チタン触媒と超音波が顕著な相乗殺菌効果を有することを示しています。 pHの上昇は超音波の滅菌効果にわずかな影響を及ぼしますが、その滅菌効果は紫外線触媒によるナノ酸化チタンよりも優れています。ナノ二酸化チタン触媒による超音波処理は、強力な殺菌効果があるだけでなく、滑らかな表面に対して一定の洗浄効果もあります。滅菌効果を達成しながら、汚染された機器を超音波洗浄するために使用できます。

超音波滅菌の有効性に影響を与える要因

実験と関連研究により、超音波単独の滅菌効果は条件によって異なることが示されています。超音波滅菌の有効性は主に、超音波パラメータ (振幅、周波数、持続時間)、微生物の特性、媒体などの要因によって影響されます。

アクションパラメータ

これらのパラメータのうち、超音波の振幅、周波数、継続時間、および処理温度は、超音波滅菌に影響を与える主な要因です。

振幅と持続時間

細菌の栄養細胞および胞子に対する超音波の滅菌効果は、超音波エネルギーとともに指数関数的に増加します。研究によると、超音波の滅菌効果は治療時間に正比例することがわかっています。処理時間が長いほど、滅菌効果が高くなります。超音波処理時間が長くなると、細菌の生存率は指数関数的に減少します。ただし、対処しなければならない問題の 1 つは、滅菌時間が長くなると媒体の温度上昇が増加し、一部の熱に弱い物質に悪影響を与える可能性があることです。音の強さと周波数

一般的な液体の場合、音の強度を大きくするとキャビテーションの強度は増加しますが、ある値に達するとキャビテーションは飽和する傾向があります。この時点でさらに音の強度を高めると、無駄な気泡が大量に発生し、散乱減衰が増加し、キャビテーション強度が低下し、最終的には滅菌効果が低下します。一般に、満足のいく超音波滅菌を達成するために、音の強度を際限なく高める必要はありません。滅菌強度は 1 ～ 61 W/cm² の範囲内である必要があります。

超音波周波数が高いほど、より大きな音の強度が必要になります。報告によると、400 kHz の周波数で水中でキャビテーションを生成するために消費される電力は、10 kHz で消費される電力の 10 倍です。言い換えれば、キャビテーションの強度は超音波周波数の増加とともに減少します。このため、現在滅菌に使用されている超音波の周波数は一般的に 20 ～ 50 kHz です。

微生物の特徴

すべての病原体は、特に滅菌に超音波を単独で使用する場合、超音波に対してある程度の耐性を持っています。一般に、微生物の細胞サイズが大きいほど、超音波に対する感度が高くなると言われています。これは、桿菌は球菌よりも早く死滅し、大きな桿菌は小さな桿菌よりも早く死滅することを意味します。グラム陽性菌はグラム陰性菌よりも耐性があります。好気性細菌は嫌気性細菌よりも耐性があります。そして細菌の胞子は栄養細胞よりも耐性があります。

メディアの要因

ロペス・マロら。は、ペニシリウム ディジタタムに対する熱超音波の殺菌効果に対する pH、水分活性、および温度の影響を研究しました。彼らは、水分活性が 0.99 の場合、超音波振幅を増加させ、pH を減少させると D 値が減少することを発見しました。 pHが一定のままで水分活性が増加すると、D値は減少しました。