低温等离子体和脉冲电场灭菌技术

摘要

等离子体和脉冲电场是新兴环境友好的低温灭菌技术。在两个电极之间施加高压脉冲电时，产生较为均匀的脉冲电场但并不发生放电或击穿，是为脉冲电场处理。两个高压电极之间由于局部场强过大而发生放电或击穿并伴随活性粒子、光辐射、脉冲电场、冲击波等复合物理化学效应，则为等离子体处理。本文介绍了三种不同的等离子体/脉冲电场工艺在净化水中微生物的应用，以开发成套的低温净化装备。 沿面脉冲等离子体系统采用自制脉冲电源和2.5 L不锈钢反应器。处理1.6 L去离子水时，脉冲放电从悬于水面上方的高压针尖沿水面击穿到接地的筒壁。典型的脉冲电压、脉冲电流、单脉冲能量和脉冲频率分别为18 kV、2.5 kA、10 J和2 pps。等离子体的灭菌效率与注入水中的能量密度呈正相关。当能量密度小于2 J/mL时，等离子体可将水中的微生物降低4-6个对数，包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、细菌孢子和白色假丝酵母。细胞的初始密度和水的电导率是影响等离子体灭菌效率的重要因素。水中的初始细胞密度越低，所有细胞越容易被杀光。初始细胞密度低于7×104 cfu/mL时，所有细菌在60个脉冲处理之后被全部杀光，能耗约为0.1 kWh/m3。细胞密度高于106 cfu/mL之后，由于死细胞对活细胞的保护作用，300个脉冲处理之后还有少量残余，在活菌中加入高压蒸汽灭活的死菌可证实这一过程。水的电导率提高后，脉冲电压电流波形发生改变，脉冲等离子体的紫外发射光谱变弱，在水相形成的活性粒子如过氧化氢、臭氧和硝酸也相应减少。当电导率高于2 mS/cm之后，等离子体的灭菌效率显著下降。结合紫外发射光谱，以及水下石英管中的灭菌效果，可知NOβ和NOγ自由基产生的紫外辐射是等离子体灭菌的重要原因。水中含与DNA有相似紫外吸收光谱的尿苷时，等离子体的灭菌过程受到抑制。细胞在等离子体处理过程中保持形态完整，但是通过观察含胞内GFP的大肠杆菌的荧光变化可知，细胞内部的蛋白质遭到了快速的破坏。 沿面脉冲等离子体灭菌系统实现了500 L/h的连续水处理，但是，连续处理的灭菌效率远低于静态处理。减小水的流量或者提高脉冲频率可以增大注入水中的能量密度，从而提高等离子体的灭菌效率。等离子体处理自来水的灭菌效率高于去离子水，这与自来水中的微量有机物有关。当大肠杆菌初始细胞密度在103-106 cfu/mL，能量密度小于2J/mL时，单次通过反应器细胞密度下降1-2个对数。 与传统的脉冲电场灭菌工艺相比，我们在极低的脉冲场强下实现了淡水的低温灭菌。采用双极性高频脉冲电源，电压为2-6 kV，脉宽为25μs，频率为100-3000Hz，1.2 L轴筒式不锈钢反应器内获得的场强为0.6-1.7 kV/cm。水的电导率对脉冲电压电流波形和灭菌效率有很大影响，电导率为25μS/cm时获得脉冲方波和最佳灭菌效果。场强为1.7 kV/cm时，120000个脉冲处理后大肠杆菌密度下降2-4个对数，消耗的能量密度为70 J/mL，水温小于25℃。 利用双极性高频脉冲电源产生的氩气等离子体射流可高效杀灭琼脂平板表面的大肠杆菌，形成直径数厘米的杀菌斑。当脉冲电压为2-4 kV，脉冲频率为1-3 kHz时，氩气等离子体射流的功率约为1-5 W。用来处理酶标板小孔内的250μL菌液时，在0.5-2.5 min内可将大肠杆菌细胞密度下降6个对数。等离子体射流的灭菌效率随脉冲电压、脉冲频率和等离子体能量密度的增大而提高，随处理间距和液体厚度的减小而提高。虽然水中的细菌可被高效的杀光，但消耗的等离子体能量密度在400-2000 J/mL之间。可见低温等离子体射流只适合于表面处理，而不适于大规模水处理。

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摘要

图目录

第一章 绪论

1．1 低温等离子体的发生

1．2 等离子体医药

1．2．1 医疗器械的消毒灭菌

1．2．2 皮肤和组织的处理

1．3 等离子体处理食品及包装材料

1．3．1 包装材料

1．3．2 食品消毒和防腐

1．3．3 粮食储藏

1．4 等离子体空气净化

1．5 等离子体水净化

1．5．1 液相放电

1．5．2 气液界面放电

1．5．3 等离子体灭菌的能量效率

1．6 等离子体灭菌机理

1．6．1 紫外线

1．6．2 带电粒子

1．6．3 活性粒子

1．6．4 热效应

1．6．5 电磁场

1．6．6 冲击波

1．6．7 pH值

1．7 脉冲电场消毒灭菌技术

1．8 本文研究内容

第二章 实验装置与方法

2．1 细胞的培养与分析

2．1．1 细胞株

2．1．2 细胞的培养和保存

2．1．3 细胞存活率的分析

2．1．4 细胞的显微观察

2．1．5 细胞的荧光观察

2．2 沿面脉冲放电等离子体灭菌系统

2．2．1 谐振充电电源

2．2．2 等离子体反应器

2．2．3 沿面脉冲等离子体发生系统

2．2．4 连续运行装置

2．2．5 沿面等离子体灭菌过程

2．2．6 电压电流波形的检测

2．3 等离子体诊断和化学成分的检测

2．3．1 气相的紫外发射光谱与自由基

2．3．2 过氧化氢

2．3．3 臭氧

2．3．4 硝酸

2．3．5 金属离子

2．3．6 水相的紫外吸收光谱

2．4 脉冲电场灭菌系统

2．4．1 双极性高频脉冲电源

2．4．2 脉冲电场处理反应器

2．4．3 脉冲电场杀菌过程

2．5 等离子体射流灭菌系统

2．5．1 高频脉冲电源

2．5．2 等离子体射流反应器

2．5．3 等离子体射流发生系统

2．5．4 等离子体射流灭菌过程

第三章 沿面等离子体净化水中的微生物

3．1 等离子体灭菌工艺和影响因素

3．1．1 典型的脉冲电压电流波形和单脉冲能量

3．1．2 等离子体水处理过程的典型细胞存活曲线

3．1．3 脉冲频率对等离子体灭菌的影响

3．1．4 脉冲峰值电压对等离子体灭菌的影响

3．1．5 电极与水面问距对等离子体灭菌的影响

3．1．6 高压电极位置对等离子体灭菌的影响

3．1．7 电极数目对等离子体灭菌的影响

3．1．8 细胞初始密度对等离子体灭菌的影响

3．1．9 水的电导率对等离子体灭菌的影响

3．1．10 等离子体对不同细胞种类的灭菌效果

3．2 水质变化和等离子体灭菌机理的探索

3．2．1 等离子体处理过程中水相金属离子的变化

3．2．2 等离子体的紫外发射光谱

3．2．3 等离子体处理过程中的过氧化氢和臭氧

3．2．4 等离子体处理过程中的紫外吸收光谱、氮氧化物和pH值变化

3．2．5 电导率对活性粒子产率的影响

3．2．6 等离子体处理过程中紫外辐射和光吸收剂的作用

3．2．7 等离子体处理过程中过氧化氢和异丙醇的作用

3．2．8 等离子体处理过程中细胞的形态变化

3．2．9 等离子体处理对胞内蛋白质的作用

3．2．10 等离子体处理过程中脉冲电场的作用

3．2．11 等离子体处理自来水和去离子水的区别

3．2．12 等离子体的复合控制作用

3．3 本章小结

第四章 等离子体连续灭菌工艺

4．1 循环灭菌工艺

4．1．1 循环时间和能量密度对等离子体灭菌的影响

4．1．2 循环流量对等离子体灭菌的影响

4．1．3 初始细胞密度对等离子体循环灭菌的影响

4．1．4 脉冲频率对等离子体循环灭菌的影响

4．1．5 去离子水和自来水的区别

4．2 连续灭菌工艺

4．2．1 等离子体连续灭菌过程

4．2．2 水的流量对等离子体连续灭菌的影响

4．2．3 初始细胞密度对灭菌的影响

4．2．4 脉冲频率对等离子体连续灭菌的影响

4．2．5 等离子体连续处理自来水和去离子水的差异

4．2．6 等离子体连续灭菌的能量效率

4．3 本章小结

第五章 低场强下的脉冲电场灭菌

5．1 不同电导率下的电压电流波形和单脉冲能量

5．2 不同温度下的脉冲波形和单脉冲能量

5．3 脉冲电场处理过程中的能量密度和温度变化

5．4 电导率对脉冲电场灭菌的影响

5．5 细胞初始密度对脉冲电场灭菌的影响

5．6 电场强度对脉冲电场灭菌的影响

5．7 脉冲频率对脉冲电场灭菌的影响

5．8 本章小结

第六章 低温等离子体射流消毒灭菌

6．1 低温等离子体射流的电气特性

6．1．1 典型电压电流波形和等离子体功率

6．1．2 等离子体射流的外观

6．2 等离子体射流定性杀灭琼脂平板上的细菌

6．2．1 不同脉冲频率对等离子体灭菌的影响

6．2．2 不同脉冲电压对等离子体灭菌的影响

6．2．3 不同处理时间对等离子体灭菌的影响

6．2．4 不同氩气流量对等离子体灭菌的影响

6．2．5 不同处理距离对等离子体灭菌的影响

6．3 等离子体射流定量杀灭水中的细菌

6．3．1 初始细菌密度对等离子体射流灭菌的影响

6．3．2 脉冲电压对等离子体射流灭菌的影响

6．3．3 脉冲频率对等离子体射流灭菌的影响

6．3．4 氩气流量对等离子体射流灭菌的影响

6．3．5 处理间距对等离子体射流灭菌的影响

6．3．6 液体厚度对等离子体射流灭菌的影响

6．3．7 水的电导率和杂质对等离子体射流灭菌的影响

6．3．8 等离子体射流灭菌的能量效率

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

作者简历及在读期间的主要研究成果