Tradycyjnie w przemyśle spożywczym czyszczenie i dezynfekcja odbywa się przy użyciu detergentów i wody w stanie ciekłym. Bakterie na powierzchniach tworzą biofilmy i bardzo mocno przylegają do powierzchni [Odnośnik 1].
Badania wykazały, że tych biofilmów nie da się łatwo usunąć za pomocą roztworów detergentów, ponieważ są lepkie. Bakterie łatwiej jest usunąć z roztworów płynnych niż z powierzchni stałych, takich jak stal nierdzewna.
Biofilmy są często trudne do usunięcia środkami mechanicznymi i chemicznymi. Należy zbadać alternatywne metody dezynfekcji, aby zastąpić mechaniczne smugi i metody chemiczne. Rysunek 1 przedstawia powierzchnię stali nierdzewnej zakażoną bakteriami.
Laserowe czyszczenie powierzchni zakażonych bakteriami jest metodą bardzo skuteczną, ponieważ ciepło wytwarzane przez laser wykorzystywane jest do dezynfekcji powierzchni. Rysunek 2 przedstawia czyszczenie laserowe zanieczyszczonej palety.
Przeprowadzono badania, aby poznać skuteczność stosowania różnych typów laserów do czyszczenia powierzchni zakażonych bakteriami. Powszechnie stosowanymi laserami są lasery impulsowe, ale bardzo ważny jest wybór długości fali, energii impulsu i częstotliwości powtarzania. W jednym badaniu [Odnośnik 2] wykorzystano siedem różnych typów laserów, od ultrafioletu (355 nm) do dalekiej podczerwieni (118 μm), aby zbadać ich skuteczność w zabijaniu bakterii Escherichia coli (E-Coli). Wśród tych laserów zastosowano laser impulsowy CO2 o średnicy 10,6 μm i wiele laserów Nd:YAG działających przy nominalnej długości fali, drugiej i trzeciej harmonicznej.
Badania pokazują, że powyżej pewnej gęstości energii najskuteczniejszy w usuwaniu bakterii jest laser impulsowy CO2, a następnie laser Nd:YAG. Skuteczność promieni UV w zabijaniu bakterii jest dobrze znana, a trzecim skutecznym laserem jest laser Nd:YAG o potrójnej częstotliwości (emisja 355 nm). Do celów testowych hodowano E. coli na kilku płytkach i płytki wystawiano na działanie światła laserowego. Po ekspozycji płytki inkubowano w temperaturze 37 stopni przez 24 godziny. Jeśli sterylizacja laserowa zadziała, po wzroście zostaną zaobserwowane obszary wolne od bakterii. Tabela 1 przedstawia różne parametry lasera i obszary wolne od bakterii zaobserwowane po ekspozycji na takie lasery.
Jak widać z powyższej tabeli, gęstość energii lasera Lumonics Nd:YAG (impulsy 10 ms przy energii 10 dżuli przy 20 Hz) była 246 razy większa niż w przypadku lasera CO2, a czas ekspozycji był również 533 razy dłuższy. Różnicę tę można przypisać faktowi, że woda pochłania promieniowanie średniej podczerwieni (przy 10,6 μm) znacznie silniej niż bliska podczerwień (1,06 μm), a ponieważ bakterie E-Coli znajdują się w wodzie, łatwiej je zabić.
Długości fal UV przy 355 nm również dobrze reagowały na sterylizację, jak pokazano w tabeli. Lasery o potrójnej częstotliwości działały z częstotliwością powtarzania 10 Hz, a czas trwania impulsu wynosił około 5 ns. Porównując potrójny laser Surlite z laserem Nd:YAG Lumonics można zauważyć, że przy średniej mocy 200 razy mniejszej i prawie 5 razy krótszym czasie ekspozycji (gęstość energii była prawie 20 razy mniejsza), laser Surlite osiągnął ten sam rząd wielkości powierzchni czyszczenia w porównaniu do Nd:YAG (0,123 cm2 w porównaniu do 0,715 cm2).
Oprócz laserów, które były skuteczne w zabijaniu bakterii E-Coli, istniały inne lasery, które były nieskuteczne. Niektóre z tych laserów obejmowały laser dalekiej podczerwieni o długości fali 118 μm, laser diodowy o długości fali 0,81 μm i laser jonowo-argonowy o długości fali 0,488 μm. W laserach tych zastosowano kilka różnych gęstości energii, ale stwierdzono, że są one nieskuteczne w zabijaniu bakterii na powierzchniach.
Allied Scientific Proopracowała system czyszczenia laserem światłowodowym, który został już zastosowany i sprawdził się w wielu różnych dziedzinach, takich jak usuwanie ruchomości w przemyśle lotniczym, czyszczenie zabytków i odkażanie obiektu nuklearnego. Te systemy czyszczenia laserowego mają głowicę laserową, optykę i lustra galvo, które mogą wytwarzać wiązki o różnych kształtach. Zwykle stosowana jest wiązka liniowa, ale aby rozszerzyć zastosowanie tych laserowych systemów czyszczących na powierzchnie zakażone bakteriami i zwiększyć gęstość energii wiązki, można wygenerować plamkę o okrągłym rozmiarze. Pod względem częstotliwości powtarzania i mocy średniej dane techniczne są zgodne z parametrami lasera Nd:YAG firmy Lumonics wymienionymi w tabeli 1.
Rysunek 4 przedstawia system czyszczenia laserowego firmy Allied Scientific pro. Jest to system o mocy 100 W, działający na długości fali 1030 nm, zwany Laser Blast 100.
Czyszczenie zanieczyszczonych powierzchni metalowych w przemyśle spożywczym może przynieść ogromne korzyści dzięki opisanym powyżej systemom czyszczenia laserowego. Jest szybsza i skuteczniejsza od tradycyjnych metod wykorzystujących środki mechaniczne i chemiczne.
