Παραδοσιακά, στη βιομηχανία τροφίμων, ο καθαρισμός και η απολύμανση γίνονται με απορρυπαντικά και υγρό νερό. Τα βακτήρια στις επιφάνειες σχηματίζουν βιοφίλμ και προσκολλώνται πολύ δυνατά στην επιφάνεια [Αναφορά 1].
Μελέτες έχουν δείξει ότι αυτά τα βιοφίλμ δεν αφαιρούνται εύκολα με απορρυπαντικά διαλύματα επειδή είναι κολλώδη. Τα βακτήρια απομακρύνονται ευκολότερα από υγρά διαλύματα παρά από στερεές επιφάνειες όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας.
Τα βιοφίλμ είναι συχνά δύσκολο να αφαιρεθούν με μηχανικά και χημικά μέσα. Πρέπει να διερευνηθούν εναλλακτικές μέθοδοι απολύμανσης για να αντικαταστήσουν τις μηχανικές ραβδώσεις και τις χημικές μεθόδους. Το σχήμα 1 δείχνει μια επιφάνεια από ανοξείδωτο χάλυβα μολυσμένη με βακτήρια.
Ο καθαρισμός με λέιζερ επιφανειών που έχουν μολυνθεί με βακτήρια είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος επειδή η θερμότητα που παράγεται από το λέιζερ χρησιμοποιείται για την απολύμανση της επιφάνειας. Το Σχήμα 2 δείχνει τον καθαρισμό με λέιζερ μιας μολυσμένης παλέτας.
Έχει διεξαχθεί έρευνα για την κατανόηση της αποτελεσματικότητας της χρήσης διαφορετικών τύπων λέιζερ για τον καθαρισμό επιφανειών που έχουν μολυνθεί από βακτήρια. Τα λέιζερ που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι παλμικά λέιζερ, αλλά η επιλογή του μήκους κύματος, της ενέργειας του παλμού και του ρυθμού επανάληψης είναι πολύ σημαντική. Σε μια μελέτη [Αναφορά 2], επτά διαφορετικοί τύποι λέιζερ, που κυμαίνονται από το υπεριώδες (355 nm) έως το πολύ υπέρυθρο (118 μm ), χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της αποτελεσματικότητάς τους στη θανάτωση των βακτηρίων Escherichia coli (E-Coli). Μεταξύ αυτών των λέιζερ, χρησιμοποιήθηκαν ένα παλμικό λέιζερ CO2 10,6 μm και πολλαπλά λέιζερ Nd:YAG που λειτουργούν σε ονομαστικά, δεύτερα και τρίτα αρμονικά μήκη κύματος.
Η έρευνα δείχνει ότι πάνω από μια ορισμένη ενεργειακή πυκνότητα, το παλμικό λέιζερ CO2 είναι το πιο αποτελεσματικό στην απομάκρυνση των βακτηρίων, ακολουθούμενο από το λέιζερ Nd:YAG. Η αποτελεσματικότητα των ακτίνων UV στη θανάτωση βακτηρίων είναι ευρέως γνωστή και ένα τρίτο αποτελεσματικό λέιζερ είναι το λέιζερ τριπλής συχνότητας Nd:YAG (εκπομπή 355 nm). Για σκοπούς δοκιμής, το Ε. coli αναπτύχθηκε σε πολλές πλάκες και οι πλάκες εκτέθηκαν σε φως λέιζερ. Μετά την έκθεση, οι πλάκες επωάστηκαν στους 37 βαθμούς για 24 ώρες. Εάν η αποστείρωση με λέιζερ λειτουργεί, θα παρατηρηθούν περιοχές χωρίς βακτήρια μετά την ανάπτυξη. Ο Πίνακας 1 δείχνει τις διαφορετικές παραμέτρους λέιζερ και τις περιοχές απαλλαγμένες από βακτήρια που παρατηρήθηκαν μετά την έκθεση σε τέτοια λέιζερ.
Όπως φαίνεται από τον παραπάνω πίνακα, η ενεργειακή πυκνότητα του λέιζερ Lumonics Nd:YAG (παλμοί 10 msec με 10 Joules ενέργειας στα 20 Hz) ήταν 246 φορές μεγαλύτερη από αυτή του λέιζερ CO2 και ο χρόνος έκθεσης ήταν επίσης 533 φορές μεγαλύτερος. Αυτή η διαφορά θα μπορούσε να αποδοθεί στο γεγονός ότι το νερό απορροφά την ακτινοβολία μεσαίου IR (στα 10,6 μm) πολύ πιο ισχυρή από την κοντινή IR (1,06 μm) και δεδομένου ότι τα βακτήρια E-Coli βρίσκονται στο νερό, σκοτώνονται πιο εύκολα.
Τα μήκη κύματος UV στα 355 nm ανταποκρίθηκαν επίσης καλά στην αποστείρωση όπως φαίνεται στον πίνακα. Τα λέιζερ τριπλασιασμένης συχνότητας λειτουργούσαν με ρυθμό επανάληψης 10 Hz και είχαν διάρκεια παλμού περίπου 5 nsec. Συγκρίνοντας το τριπλασιασμένο λέιζερ συχνότητας Surlite με το λέιζερ Lumonics Nd:YAG, μπορεί κανείς να δει ότι με μέση ισχύ 200 φορές μικρότερη και χρόνο έκθεσης σχεδόν 5 φορές μικρότερο (η ενεργειακή πυκνότητα ήταν σχεδόν 20 φορές μικρότερη), το λέιζερ Surlite πέτυχε την ίδια τάξη μεγέθους περιοχή καθαρισμού σε σύγκριση με το Nd: YAG (0,123 cm2 σε σύγκριση με 0,715 cm2).
Εκτός από τα λέιζερ που ήταν αποτελεσματικά στη θανάτωση των βακτηρίων E-Coli, υπήρχαν άλλα λέιζερ που ήταν αναποτελεσματικά. Μερικά από αυτά τα λέιζερ περιελάμβαναν λέιζερ μακρινής υπερύθρων στα 118 μm, λέιζερ διόδου στα 0,81 μm και λέιζερ ιόντων αργού στα 0,488 μm. Πολλές διαφορετικές ενεργειακές πυκνότητες χρησιμοποιήθηκαν για αυτά τα λέιζερ, αλλά διαπιστώθηκε ότι ήταν αναποτελεσματικές στη θανάτωση των βακτηρίων στις επιφάνειες.
Σύμμαχος Επιστημονικός Επαγγελματίαςέχει αναπτύξει ένα σύστημα καθαρισμού λέιζερ με βάση τις ίνες που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί και έχει αποδειχθεί ότι εργάζεται σε πολλούς διαφορετικούς τομείς όπως η αφαίρεση ρουχ στην αεροπορική βιομηχανία, ο καθαρισμός ιστορικών μνημείων και η απολύμανση μιας πυρηνικής εγκατάστασης. Αυτά τα συστήματα καθαρισμού λέιζερ διαθέτουν κεφαλή λέιζερ, οπτικά και κάτοπτρα galvo που μπορούν να παράγουν δέσμες διαφορετικού σχήματος. Κανονικά, χρησιμοποιείται μια γραμμική δέσμη, αλλά για να επεκταθεί η εφαρμογή αυτών των συστημάτων καθαρισμού λέιζερ στον καθαρισμό επιφανειών που έχουν μολυνθεί από βακτήρια και για να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητα της δέσμης, μπορεί να δημιουργηθεί ένα κυκλικό μέγεθος κηλίδας. Όσον αφορά τον ρυθμό επανάληψης και τη μέση ισχύ, οι προδιαγραφές είναι συμβατές με τις παραμέτρους του λέιζερ Nd:YAG της Lumonics, που αναφέρονται στον πίνακα 1.
Το σχήμα 4 δείχνει το σύστημα καθαρισμού με λέιζερ της Allied Scientific pro. Αυτό είναι ένα σύστημα 100 Watt που λειτουργεί σε μήκος κύματος 1030 nm που ονομάζεται Laser Blast 100.
Οι εργασίες καθαρισμού σε μολυσμένες μεταλλικές επιφάνειες στη βιομηχανία τροφίμων μπορούν να ωφεληθούν σημαντικά από τα συστήματα καθαρισμού με λέιζερ που περιγράφονται παραπάνω. Είναι ταχύτερη και πιο αποτελεσματική από τις παραδοσιακές μεθόδους που χρησιμοποιούν μηχανικά και χημικά μέσα.
