基于水力空化技術(shù)實(shí)現(xiàn)殺菌的實(shí)驗(yàn)研究

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020)

液體內(nèi)部局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸汽或氣體空穴(空泡)的形成、發(fā)展和潰滅的過程稱為空化[1]。空化現(xiàn)象是液相變?yōu)闅庀嗟南嘧冞^程，同時(shí)又是瞬息變化的隨機(jī)過程，因此空化現(xiàn)象是極其復(fù)雜的。目前，主要有水力空化、超聲空化、振蕩空化和光致空化[2]。

相比于其他類型空化，水力空化具有裝置簡(jiǎn)單、體積小、能耗低、效率高、操作方便等優(yōu)勢(shì)，在工程上得到廣泛應(yīng)用，如物面清洗(如除污、除銹、除船體海洋生物等)[3]、殺滅水中浮游生物[4]、分散海面溢油[2]等。但目前基于水力空化技術(shù)開展殺菌的研究較少。Harrison等人[5]用水力空化方法進(jìn)行酵母菌細(xì)胞的破壁實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水力空化裝置的能量消耗僅為超聲空化法和機(jī)械破壁法(高壓高速攪拌法)的5%～10%，因此可大范圍地實(shí)現(xiàn)微生物細(xì)胞的破壁。Jyoti等人[6]用孔板水力空化裝置進(jìn)行飲用水的消毒凈化實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的化學(xué)消毒方法(過氧化氫和臭氧消毒)相比較，結(jié)果表明：水力空化水處理方法具有高效節(jié)能、無二次污染、適合建立大規(guī)模工業(yè)化水處理設(shè)備等優(yōu)勢(shì)。張曉冬等人[7]通過水力空化對(duì)酵母微生物破壁以及油脂和纖維素水解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明水力空化技術(shù)具有簡(jiǎn)便易行、能耗低、效率高等特點(diǎn)。馮中營(yíng)[8]應(yīng)用水力空化進(jìn)行了殺菌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在(0.45±0.05)MPa時(shí)的殺菌率為80%。

上述研究表明，基于水力空化技術(shù)殺菌具有一定的效果，但目前關(guān)注點(diǎn)集中在常規(guī)水力空化設(shè)備、殺菌效率等方面?？梢?，用于殺菌的新型水力空化器、影響殺菌效果的因素等方面涉及較少。本文提出了采用旋轉(zhuǎn)空化器來實(shí)現(xiàn)水力空化殺菌的這一構(gòu)想，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

1 水力空化殺菌機(jī)理

水力空化中存在著機(jī)械、熱、光、生物等效應(yīng)。因此，水力空化殺菌主要由這些效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。下面將簡(jiǎn)要介紹這幾種效應(yīng)的物理機(jī)制。

(1)機(jī)械效應(yīng)[9]：空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高速水射流和巨大的沖擊力使性質(zhì)不同的流體介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，使分子發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)湍動(dòng)能達(dá)到一定程度后，就可以產(chǎn)生足夠的能量使細(xì)胞或微生物直接破裂。因此，機(jī)械效應(yīng)是使細(xì)胞破碎、殺菌等物理強(qiáng)化效應(yīng)的根本原因之一。

(2)熱效應(yīng)[10]：空化泡潰滅瞬間，在氣泡周圍微小空間形成局部熱點(diǎn)，產(chǎn)生極端的高溫、高壓。因此，氣泡內(nèi)氣體和液體交界面的微生物細(xì)胞壁直接被加熱分解。

(3)生物效應(yīng)[11]：生物效應(yīng)是包括空化過程產(chǎn)生的氧化性物質(zhì)(-OH自由基等)對(duì)細(xì)胞的殺傷作用，因?yàn)樗栈瘯?huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的具有高的氧化電極、電負(fù)性或親電性的H2O2、-OH自由基等物質(zhì)或基團(tuán)能直接作用于細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，產(chǎn)生使細(xì)胞壁受損、細(xì)胞膜破裂和蛋白質(zhì)變性等直接或間接的效應(yīng)，促進(jìn)其失活。生物效應(yīng)也是使細(xì)胞破碎、殺菌等根本原因之一。

2 水力空化殺菌實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文提出了采用旋轉(zhuǎn)空化器來實(shí)現(xiàn)水力空化殺菌的構(gòu)想，并搭建了水力空化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示；旋轉(zhuǎn)空化器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中將采用大腸桿菌(大腸埃希氏菌，E. coli DH5α)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，LB液體作為培養(yǎng)基；采用壓力傳感器(CYYZ11-X-01-A1-13-B-G，量程0-1.6 MPa，輸出4-20 mA，精度0.25級(jí))來進(jìn)行壓力測(cè)量；采用溫度變送器(CWDZ11-X-01-A1-14-L30-G，量程0-100℃，輸出4～20 mA，精度0.5%FS)來進(jìn)行溫度測(cè)量。

本文采用水力空化來處理大腸桿菌，研究入口壓力和空化發(fā)生溫度對(duì)殺菌效果的影響。將通過調(diào)整空化器出口開度，控制入口壓力在-0.02 MPa、-0.04 MPa和-0.05 MPa三個(gè)工況，并控制菌液溫度為30℃、40℃、50℃、55℃、60℃和65℃時(shí)開展水力空化殺菌實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

本文將采用旋轉(zhuǎn)空化器來進(jìn)行水力空化殺菌實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)入口壓力和空化發(fā)生溫度對(duì)水力空化強(qiáng)度及其殺菌效果開展研究。

3.1 入口壓力對(duì)空化產(chǎn)生的-OH的影響

水力空化強(qiáng)度將顯著影響空化殺菌效果。衡量水力空化強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一是空化產(chǎn)生的羥自由基-OH，即空化強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的羥自由基-OH越多。然而，由于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的羥自由基-OH存在濃度低、壽命短等問題，難于直接測(cè)量羥自由基-OH。因此本文采用亞甲基藍(lán)(C16H18ClN3S)作為羥自由基-OH捕捉劑，在反應(yīng)過程中亞甲基藍(lán)和羥自由基-OH生成無色的反應(yīng)物MB-OH，并能分解和還原，此外亞甲基藍(lán)與羥自由基-OH是一一對(duì)應(yīng)的。通過測(cè)量亞甲基藍(lán)濃度的變化即可計(jì)算出羥自由基-OH的濃度。

配置不同濃度亞甲基藍(lán)溶液，通過紫外分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量不同波長(zhǎng)下的吸光度。研究發(fā)現(xiàn)，亞甲基藍(lán)溶液濃度和吸光度值之間呈線性關(guān)系，即表達(dá)式為

A=0.059 1CMB

(1)

由MB與-OH的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系得出，-OH濃度與吸光度值之間關(guān)系

C-OH=CMB1-CMB2=(A1-A2)/0.059 1

(2)

式中CMB1——反應(yīng)前亞甲基藍(lán)溶液濃度;

CMB2——反應(yīng)后亞甲基藍(lán)溶液濃度;

A1——反應(yīng)前亞甲基藍(lán)溶液吸光度;

A2——反應(yīng)后亞甲基藍(lán)溶吸光度。

將不同濃度的甲基藍(lán)溶液，在不同入口壓力下，以不同空化時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行空化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)亞甲基藍(lán)溶液濃度選取12 μmol/L，空化器轉(zhuǎn)速為2 970 r/min，入口壓力為-0.02 MPa、-0.04 MPa和0.05 MPa三種工況，測(cè)得亞甲基藍(lán)溶液吸光度隨空化時(shí)間變化數(shù)值，如表1所示。

表1亞甲基藍(lán)溶液吸光度隨空化時(shí)間的變化結(jié)果

入口壓力-0.02 MPa-0.04 MPa-0.05 MPa吸光度A吸光度A吸光度A空化時(shí)間/min樣品1樣品2樣品3樣品1樣品2樣品3樣品1樣品2樣品300.7110.7110.7120.7250.7360.7380.7000.7070.71230.6930.6930.6920.7080.7190.7200.6840.6810.67960.6880.6890.6880.7070.7130.7130.6570.6640.67390.6940.6930.6930.7000.7010.7010.6690.6690.676120.7040.7050.7040.7040.7060.7060.6480.6480.648150.7010.7030.7030.7030.7000.7000.6590.6600.662

根據(jù)羥自由基-OH濃度與吸光度值之間的關(guān)系式(2)可以得出，在不同入口壓力下，羥自由基-OH濃度與空化時(shí)間的關(guān)系，如圖3所示。

從圖中可知，隨著入口壓力的增加，羥自由基-OH濃度隨之增大，這主要是因?yàn)槿肟趬毫υ龃?，?dǎo)致空化器內(nèi)部的空化強(qiáng)度增加，從而使得含菌水流在空化器作用下產(chǎn)生更多的羥自由基-OH。此外，在相同入口壓力下，隨著空化時(shí)間的增加，含菌水流在空化器作用下產(chǎn)生的羥自由基-OH卻呈現(xiàn)出先增加后減少的現(xiàn)象。這是由于隨著空化時(shí)間的增長(zhǎng)，含菌水流的溫度會(huì)上升，從而對(duì)空化效率產(chǎn)生不利影響，直接影響羥自由基-OH的產(chǎn)生。

3.2 入口壓力對(duì)大腸桿菌殺菌效果的影響

本文將調(diào)整空化器出口開度，控制入口壓力分別為-0.02 MPa、-0.04 MPa和-0.05 MPa，然后開展空化殺菌實(shí)驗(yàn)。當(dāng)空化發(fā)生溫度為40℃，取空化器出口菌液作為樣品進(jìn)行培養(yǎng)和計(jì)數(shù)，研究入口壓力對(duì)殺菌效果的影響，結(jié)果如圖4至圖6所示。從圖中可知，在上述空化器入口壓力的變化范圍內(nèi)，其對(duì)殺菌效果影響并不大。

3.3 空化發(fā)生溫度對(duì)大腸桿菌殺菌效果的影響

本文選取入口壓力為-0.05 MPa時(shí)，空化發(fā)生溫度分別為40℃、50℃、55℃和60℃時(shí)，研究空化發(fā)生溫度對(duì)殺菌效果的影響，結(jié)果如圖7所示。從圖中可知，大腸桿菌原液經(jīng)過空化處理后，隨著空化發(fā)生溫度的升高，大腸桿菌數(shù)量逐漸減少；在空化發(fā)生溫度為50～55℃時(shí)，大腸桿菌數(shù)量迅速減少；在空化發(fā)生溫度為60℃時(shí)，大腸桿菌全部滅活?？梢姡栈l(fā)生溫度對(duì)大腸桿菌殺菌效果產(chǎn)生顯著影響。

此外，通過對(duì)大腸桿菌溶液進(jìn)行不同空化時(shí)間處理、取樣、培養(yǎng)、計(jì)數(shù)等工作，并采用平板菌落計(jì)數(shù)法來直接反映水中活體大腸桿菌的濃度。圖8給出了大腸桿菌總數(shù)與空化時(shí)間的關(guān)系。由圖8可知，隨著空化時(shí)間的增加，大腸桿菌總數(shù)迅速減少，特別是在0～240 s，線性減少；空化240 s之后，大腸桿菌基本全部滅活。

4 結(jié)論

本文搭建了基于旋轉(zhuǎn)空化器的水力空化實(shí)現(xiàn)大腸桿菌殺菌的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了入口壓力和空化發(fā)生溫度對(duì)空化強(qiáng)度及殺菌效果影響的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了以下重要結(jié)論。

(1)隨著空化器入口壓力增加，空化器內(nèi)部空化強(qiáng)度增加，從而產(chǎn)生了更多的羥自由基-OH。

(2)空化器入口壓力在-0.02 MPa至-0.05 MPa之間變化時(shí)，其對(duì)大腸桿菌的殺菌率影響并不大。

(3)空化發(fā)生溫度顯著影響殺菌效果：當(dāng)空化發(fā)生溫度為50～55℃時(shí)，大腸桿菌數(shù)量迅速減少；當(dāng)空化發(fā)生溫度達(dá)為60℃時(shí)，殺菌率為100%。

(4)隨著空化時(shí)間的增加(0～240 s)，大腸桿菌的數(shù)量呈線性減少；當(dāng)空化時(shí)間大于240 s，殺菌率為100%。