(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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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%。