従来、食品産業では、洗剤と液体水を使用して洗浄と消毒が行われてきました。 表面上の細菌はバイオフィルムを形成し、表面に非常に強力に付着します [参考文献 1]。
研究によると、これらのバイオフィルムは粘着性があるため、洗剤溶液では簡単に除去できないことがわかっています。 細菌は、ステンレス鋼などの固体表面からよりも液体溶液から除去する方が簡単です。
バイオフィルムは、多くの場合、機械的および化学的手段で除去するのが困難です。 機械的なストリーキングや化学的方法に代わる代替の消毒方法を検討する必要があります。 図 1 は、細菌に感染したステンレス鋼の表面を示しています。
細菌に感染した表面のレーザー洗浄は、レーザーによって生成される熱を使用して表面を消毒するため、非常に効果的な方法です。 図 2 は、汚染されたパレットのレーザー洗浄を示しています。
細菌に感染した表面を洗浄するためにさまざまな種類のレーザーを使用することの有効性を理解するために研究が行われています。 一般的に使用されるレーザーはパルスレーザーですが、波長、パルスエネルギー、繰り返し率の選択が非常に重要です。 ある研究 [参考文献 2] では、紫外 (355 nm) から遠赤外 (118 μm ) までの 7 種類のレーザーを使用して、大腸菌 (E-Coli) 細菌を殺す効果を研究しました。 これらのレーザーのうち、10.6 μm CO2 パルスレーザーと、公称、第 2、および第 3 高調波波長で動作する複数の Nd:YAG レーザーが使用されました。
研究によると、一定のエネルギー密度を超えると、CO2 パルス レーザーが細菌の除去に最も効果的であり、次に Nd:YAG レーザーが続くことがわかっています。 細菌を殺す際の紫外線の有効性はよく知られており、3 番目に効果的なレーザーは 3 周波 Nd:YAG レーザー (355 nm 放射) です。 テスト目的で、大腸菌をいくつかのプレート上で増殖させ、プレートをレーザー光に曝露しました。 暴露後、プレートを 37 度で 24 時間インキュベートしました。 レーザー滅菌が機能すると、増殖後に細菌のない領域が観察されます。 表 1 は、さまざまなレーザー パラメータと、そのようなレーザーに曝露した後に観察された細菌のない領域を示しています。
上の表からわかるように、Lumonics Nd:YAG レーザー (20 Hz で 10 ジュールのエネルギーを含む 10 ミリ秒のパルス) のエネルギー密度は CO2 レーザーの 246 倍で、露光時間も 533 倍長かったです。 この違いは、水が近赤外 (1.06 μm) よりも中赤外放射線 (10.6 μm) をはるかに強く吸収し、大腸菌は水中に存在するため、より簡単に死滅するという事実に起因すると考えられます。
表に示すように、355 nm の UV 波長も滅菌によく反応しました。 周波数を 3 倍にしたレーザーは 10 Hz の繰り返し率で動作し、パルス幅は約 5 ナノ秒でした。 Surlite 周波数 3 倍レーザーと Lumonics Nd:YAG レーザーを比較すると、平均出力が 200 倍小さく、露光時間が 5 分の 1 近く短いことがわかります (エネルギー密度はほぼ 20 分の 1 でした)。 Surlite レーザーは、Nd:YAG と比較して同じ桁の洗浄面積を達成しました (0.715 cm2 と比較して 0.123 cm2)。
大腸菌を殺すのに効果的なレーザーとは別に、効果のないレーザーもありました。 これらのレーザーの中には、118 μm の遠赤外線レーザー、0.81 μm のダイオード レーザー、0.488 μm のアルゴン イオン レーザーなどがあります。 これらのレーザーにはいくつかの異なるエネルギー密度が使用されましたが、表面の細菌を殺すのには効果がないことが判明しました。
アライド・サイエンティフィック・プロは、ファイバーベースのレーザー洗浄システムを開発しました。このシステムはすでに使用されており、航空業界でのルーチ除去、歴史的記念碑の洗浄、原子力施設の除染など、さまざまな分野で機能することが証明されています。 これらのレーザー洗浄システムには、さまざまな形状のビームを生成できるレーザー ヘッド、光学系、およびガルバノ ミラーが装備されています。 通常、線状ビームが使用されますが、これらのレーザー洗浄システムの用途を細菌に感染した表面の洗浄に拡張し、ビームのエネルギー密度を高めるために、円形のスポット サイズを生成できます。 繰り返し率と平均パワーに関する限り、仕様は表 1 に記載されている Lumonics の Nd:YAG レーザーのパラメーターと互換性があります。
図 4 は、Allied Scientific pro によるレーザー洗浄システムを示しています。 これは、Laser Blast 100 と呼ばれる 1030 nm の波長で動作する 100 ワットのシステムです。
食品産業における汚染された金属表面の洗浄作業では、上記のレーザー洗浄システムから大きなメリットが得られます。 機械的および化学的手段を使用する従来の方法よりも迅速かつ効果的です。
