Progreso de la investigación de la tecnología de esterilización ultrasónica

Avances de la investigación en tecnología de esterilización ultrasónica

La esterilización tradicional suele utilizar métodos como calentamiento a alta temperatura, reactivos químicos y luz ultravioleta. Sin embargo, el calentamiento a alta temperatura puede destruir los componentes sensibles al calor de los objetos; la esterilización química puede dejar fácilmente residuos nocivos; y la esterilización ultravioleta tiene inconvenientes como la falta de integridad y la presencia de zonas muertas. En consecuencia, los investigadores han estado explorando e investigando métodos de esterilización más rápidos y eficaces que eviten estas limitaciones. Investigaciones recientes han demostrado que la esterilización ultrasónica puede ser un método de esterilización auxiliar eficaz y se ha utilizado con éxito en el tratamiento de aguas residuales y la desinfección del agua potable. También se ha estudiado ampliamente su aplicación en la esterilización de alimentos líquidos como cerveza, jugo de naranja y salsa de soja.

Este artículo presenta principalmente el mecanismo de esterilización ultrasónica y revisa el progreso de la investigación en la tecnología de esterilización ultrasónica y su uso sinérgico con otros métodos de esterilización (láseres, microondas, calor y presión).

Mecanismo de esterilización ultrasónica

El ultrasonido se refiere a ondas sonoras con una frecuencia superior a 20 kHz. Su alta frecuencia y longitud de onda corta no sólo ofrecen una excelente direccionalidad, alta potencia y fuerte penetración, sino que también inducen cavitación y una variedad de efectos especiales, incluidos efectos mecánicos, térmicos y químicos. Generalmente se cree que el efecto bactericida de los ultrasonidos se debe principalmente al efecto de cavitación que produce. Durante el tratamiento ultrasónico, cuando el ultrasonido de alta intensidad se propaga a través de un medio líquido, genera ondas longitudinales, que a su vez crean regiones de compresión y expansión alternas. Estas regiones que cambian de presión son propensas a la cavitación, formando pequeños núcleos de burbujas dentro del medio. En el momento de la contracción y colapso adiabático, los diminutos núcleos de las burbujas experimentan temperaturas superiores a 5.000°C y presiones superiores a 50.000 kPa, lo que puede matar ciertas bacterias en el líquido, inactivar virus e incluso dañar las paredes celulares de microorganismos más pequeños. Sin embargo, el rango de acción es limitado [7,8]. Ya en la década de 1930 se propuso la investigación sobre la tecnología de esterilización por ultrasonidos. Algunos resultados de investigaciones muestran que, si bien el efecto de esterilización del ultrasonido por sí solo es limitado, la combinación de ultrasonido y otros métodos de esterilización tiene un gran potencial y es muy eficaz.

Esterilización ultrasónica sola

Actualmente, la esterilización ultrasónica se utiliza principalmente en el tratamiento de aguas residuales, la desinfección del agua potable y la industria alimentaria, y muchos académicos nacionales y extranjeros han realizado investigaciones relacionadas. R. Davis utilizó ultrasonido de 26 kHz para matar microorganismos y descubrió que ciertas bacterias, como Escherichia coli, Bacillus megaterium y Pseudomonas aeruginosa, eran sensibles al ultrasonido en bajas concentraciones. El ultrasonido, sin embargo, fue menos eficaz contra estafilococos y estreptococos y fue completamente ineficaz contra la toxina diftérica. McClements cree que la esterilización por ultrasonido es más eficaz cuando se combina con otras técnicas de esterilización, como el tratamiento térmico, el ozono o los reactivos químicos.

En la industria de tratamiento de agua doméstica, mejorar la calidad del agua ligeramente contaminada y realizar un tratamiento avanzado es un desafío importante al que se enfrentan la mayoría de las plantas de tratamiento de agua. Los métodos tradicionales de esterilización de aguas residuales, como el carbón activado y la biotecnología de membranas, tienen una baja eficiencia de tratamiento y son ineficaces para eliminar los contaminantes orgánicos recalcitrantes. Investigaciones relacionadas han demostrado que el ultrasonido es eficaz para eliminar bacterias, materia orgánica insoluble y color en agua ligeramente contaminada, y la eliminación de bacterias sigue una cinética de primer orden. También tiene algún efecto, aunque no significativo, sobre la DQO (demanda química de oxígeno) y la turbidez, y su efecto sobre la eliminación de turbidez también es limitado. En la industria alimentaria, el deterioro de los alimentos se produce principalmente por la presencia de determinados microorganismos que modifican su calidad. Para garantizar la seguridad de los alimentos, la esterilización es un eslabón importante en su producción. La calidad de los alimentos se ve directamente afectada por el efecto de esterilización. Zhu Shaohua [5] realizó una prueba comparativa sobre la esterilización de salsa de soja mediante ultrasonido y descubrió que la tasa de esterilización de la salsa de soja fue del 72,9 % después de 5 minutos de tratamiento ultrasónico y del 75 % después de 10 minutos de tratamiento, que fue ligeramente inferior a la tasa de esterilización del 78,7 % a 72 °C durante la pasteurización. Cuando la leche se esterilizó con ultrasonido, después de 15 a 60 segundos de tratamiento, la emulsión pudo almacenarse durante 5 días sin enranciarse ni estropearse. Si la leche se esterilizara con ultrasonido, se podría almacenar durante 18 meses en condiciones de refrigeración. Las características de la esterilización ultrasónica son velocidad rápida, sin aditivos extraños, inofensiva para el cuerpo humano y sin daños a los objetos. Sin embargo, el efecto de esterilización no es completo y existen muchos factores que influyen. Aunque investigadores relevantes comenzaron a estudiar la esterilización ultrasónica a principios de la década de 1930, el progreso ha sido lento y todavía se utiliza principalmente para la esterilización auxiliar.

Esterilización sinérgica con ultrasonido

Los resultados de las investigaciones sobre la esterilización por ultrasonidos por sí solos indican que su eficacia no es significativa y desempeña principalmente un papel de apoyo. Por lo tanto, para mejorar aún más la eficiencia de la esterilización, es necesario combinar el ultrasonido con otras tecnologías de esterilización. Investigadores tanto nacionales como internacionales han realizado investigaciones sobre este tema. Los resultados indican que el uso combinado de ultrasonido con otras tecnologías de esterilización tiene amplias perspectivas de aplicación. Lo siguiente es una revisión de las últimas décadas de investigación sobre los efectos de esterilización del ultrasonido en combinación con ozono, nanodióxido de titanio, microondas, láseres, luz ultravioleta, calor y presión.

Ultrasonido con Ozono

El ozono es un oxidante fuerte con altas propiedades oxidantes y durante mucho tiempo se ha considerado un oxidante y desinfectante muy eficaz. El ozono ya se utilizaba para la esterilización del agua potable a principios del siglo XX. En 1975, Gary et al. Realizó una investigación sobre el efecto sinérgico del ultrasonido y el ozono en la esterilización del agua. Los resultados mostraron que el ozono, cuando se combina con ultrasonido, exhibe una mayor eficacia de esterilización. Hu Wenrong et al. realizó estudios experimentales sobre la capacidad de esterilización mejorada por ultrasonido del ozono, demostrando que el ultrasonido mejora significativamente la tasa de esterilización del ozono. Para el mismo tiempo de tratamiento, la tasa de esterilización utilizando ultrasonido combinado con ozono es mayor que la del ozono solo. Cuando la cantidad de ozono utilizada es la misma, el tiempo de tratamiento con ultrasonido se puede acortar, ahorrando así energía ultrasónica. La razón principal de la mejora en la tasa de esterilización de los dos combinados es que el ultrasonido puede romper las burbujas de ozono en microburbujas, aumentando significativamente su tasa de disolución y aumentando la concentración de ozono. El ozono en alta concentración puede oxidar y matar bacterias rápidamente.

Ultrasonido combinado con nanodióxido de titanio

El dióxido de nanotitanio tiene propiedades limpiadoras y esterilizantes bajo catálisis con luz ultravioleta y se usa ampliamente para limpiar superficies como cerámica, vidrio y azulejos. También ha llamado la atención en el tratamiento del agua para eliminar la materia orgánica y matar las bacterias en el agua. De manera similar, el dióxido de nanotitanio tiene un efecto esterilizante bajo irradiación ultrasónica. Los investigadores han realizado estudios experimentales sobre el efecto de esterilización sinérgico del dióxido de nanotitanio y los ultrasonidos. Los resultados muestran que los catalizadores de dióxido de nanotitanio y los ultrasonidos tienen un efecto bactericida sinérgico significativo. El aumento del pH tiene un ligero efecto sobre el efecto de esterilización del ultrasonido, y su efecto de esterilización es superior al del dióxido de nanotitanio catalizado por luz ultravioleta. El tratamiento ultrasónico catalizado por dióxido de nanotitanio no solo tiene un fuerte efecto bactericida sino que también tiene un cierto efecto limpiador en superficies lisas. Se puede utilizar para limpiar por ultrasonidos equipos contaminados y al mismo tiempo lograr un efecto esterilizante.

Factores que afectan la eficacia de la esterilización ultrasónica

Experimentos e investigaciones relacionadas han demostrado que la eficacia de esterilización del ultrasonido por sí solo varía en diferentes condiciones. La eficacia de la esterilización ultrasónica está influenciada principalmente por factores como los parámetros del ultrasonido (amplitud, frecuencia y duración), las características microbianas y el medio.

Parámetros de acción

Entre estos parámetros, la amplitud, frecuencia, duración y temperatura de tratamiento del ultrasonido son los principales factores que influyen en la esterilización ultrasónica.

Amplitud y duración

La eficacia de esterilización del ultrasonido contra células vegetativas bacterianas y esporas aumenta exponencialmente con la energía del ultrasonido. Las investigaciones han demostrado que el efecto de esterilización del ultrasonido es directamente proporcional a la duración del tratamiento; tiempos de tratamiento más largos resultan en una mayor efectividad de la esterilización. Las tasas de supervivencia bacteriana disminuyen exponencialmente a medida que aumenta el tiempo de tratamiento ultrasónico. Sin embargo, una cuestión que debe abordarse es que a medida que aumenta el tiempo de esterilización, aumenta el aumento de temperatura del medio, lo que puede ser perjudicial para algunas sustancias sensibles al calor. Intensidad y frecuencia del sonido

Para los líquidos en general, aumentar la intensidad del sonido aumenta la intensidad de la cavitación, pero después de alcanzar un cierto valor, la cavitación tiende a saturarse. Aumentar aún más la intensidad del sonido en este punto generará una gran cantidad de burbujas inútiles, aumentando la atenuación de la dispersión, reduciendo la intensidad de la cavitación y, en última instancia, disminuyendo el efecto de esterilización. Generalmente, para lograr una esterilización ultrasónica satisfactoria, no es necesario aumentar la intensidad del sonido indefinidamente; la intensidad de esterilización debe estar dentro del rango de 1 a 61 W/cm².

Las frecuencias ultrasónicas más altas requieren una mayor intensidad del sonido. Los informes indican que la energía consumida para producir cavitación en el agua a una frecuencia de 400 kHz es 10 veces mayor que la consumida a 10 kHz. En otras palabras, la intensidad de la cavitación disminuye al aumentar la frecuencia ultrasónica. Por este motivo, la frecuencia ultrasónica utilizada actualmente para la esterilización suele estar entre 20 y 50 kHz.

Características microbianas

Todos los patógenos tienen un cierto grado de resistencia al ultrasonido, especialmente cuando el ultrasonido se utiliza solo para la esterilización. Generalmente se cree que cuanto mayor es el tamaño de las células de un microorganismo, más sensible es a los ultrasonidos. Esto significa que las bacterias con forma de bastón mueren más rápido que los cocos y los bacilos grandes mueren más rápido que los bacilos pequeños. Las bacterias Gram positivas son más resistentes que las Gram negativas; las bacterias aeróbicas son más resistentes que las anaeróbicas; y las esporas bacterianas son más resistentes que las células vegetativas.

Factores de los medios

López-Malo et al. estudiaron los efectos del pH, la actividad del agua y la temperatura sobre la eficacia bactericida del ultrasonido térmico contra Penicillium digitatum. Descubrieron que cuando la actividad del agua era de 0,99, aumentar la amplitud del ultrasonido y disminuir el pH disminuía el valor D. Cuando el pH se mantuvo constante y la actividad del agua aumentó, el valor D disminuyó.