Perinteisesti elintarviketeollisuudessa puhdistus ja desinfiointi suoritetaan pesuaineilla ja nestemäisellä vedellä. Pinnoilla olevat bakteerit muodostavat biofilmejä ja kiinnittyvät pintaan erittäin voimakkaasti [Viite 1].
Tutkimukset ovat osoittaneet, että näitä biofilmejä ei ole helppo poistaa pesuaineliuoksilla, koska ne ovat tahmeita. Bakteerit on helpompi poistaa nestemäisistä liuoksista kuin kiinteistä pinnoista, kuten ruostumattomasta teräksestä.
Biofilmejä on usein vaikea poistaa mekaanisin ja kemiallisin keinoin. Vaihtoehtoisia desinfiointimenetelmiä on etsittävä korvaamaan mekaaniset juovat ja kemialliset menetelmät. Kuva 1 esittää bakteeritartunnan saaneen ruostumattoman teräksen pinnan.
Bakteeritartunnan saaneiden pintojen laserpuhdistus on erittäin tehokas menetelmä, koska laserin tuottamaa lämpöä käytetään pinnan desinfiointiin. Kuva 2 esittää saastuneen lavan laserpuhdistusta.
Tutkimuksia on tehty erilaisten lasereiden tehokkuuden ymmärtämiseksi bakteeritartunnan saaneiden pintojen puhdistamisessa. Yleisesti käytetyt laserit ovat pulssilasereita, mutta aallonpituuden, pulssienergian ja toistotaajuuden valinta on erittäin tärkeää. Yhdessä tutkimuksessa [viite 2] seitsemää erityyppistä laseria, jotka vaihtelivat ultraviolettisäteilystä (355 nm) kauko-infrapunaan (118 μm), käytettiin tutkimaan niiden tehokkuutta Escherichia coli (E-Coli) -bakteerien tappamisessa. Näistä lasereista käytettiin 10,6 μm CO2-pulssilaseria ja useita Nd:YAG-lasereita, jotka toimivat nimellis-, toisella ja kolmannella harmonisella aallonpituudella.
Tutkimukset osoittavat, että tietyn energiatiheyden yläpuolella CO2-pulssilaser on tehokkain bakteerien poistamisessa, ja sitä seuraa Nd:YAG-laser. UV-säteiden tehokkuus bakteerien tappamisessa tunnetaan hyvin, ja kolmas tehokas laser on kolminkertainen Nd:YAG-laser (355 nm:n emissio). Testaustarkoituksia varten E. colia kasvatettiin useilla maljoilla ja levyt altistettiin laservalolle. Altistuksen jälkeen levyjä inkuboitiin 37 asteessa 24 tuntia. Jos lasersterilointi toimii, bakteerivapaita alueita havaitaan kasvun jälkeen. Taulukossa 1 esitetään erilaiset laserparametrit ja bakteerittomat alueet, jotka havaitaan tällaisille lasereille altistuksen jälkeen.
Kuten yllä olevasta taulukosta voidaan nähdä, Lumonics Nd:YAG -laserin (10 ms pulssia 10 joulen energialla 20 Hz:ssä) energiatiheys oli 246 kertaa CO2-laserin energiatiheys ja myös valotusaika oli 533 kertaa pidempi. Tämä ero voi johtua siitä, että vesi absorboi keski-IR-säteilyä (10,6 μm) paljon voimakkaammin kuin lähi-IR (1,06 μm) ja koska E-Coli-bakteerit asuvat vedessä, ne kuolevat helpommin.
Myös UV-aallonpituudet 355 nm:ssä reagoivat hyvin sterilointiin, kuten taulukosta näkyy. Taajuuden kolminkertaiset laserit toimivat 10 Hz:n toistotaajuudella ja niiden pulssin kesto oli noin 5 ns. Vertaamalla Surlite-taajuudella kolminkertaista laseria Lumonics Nd:YAG -laseriin, voidaan havaita, että keskiteholla 200 kertaa pienempi ja valotusajalla lähes 5 kertaa lyhyempi (energiatiheys oli lähes 20 kertaa pienempi), Surlite-laser saavutti saman suuruusluokan puhdistusalueen verrattuna Nd:YAG:iin (0,123 cm2 verrattuna 0,715 cm2:iin).
Lasereiden lisäksi, jotka olivat tehokkaita tappamaan E-Coli-bakteerit, oli muita lasereita, jotka olivat tehottomia. Jotkut näistä lasereista sisälsivät 118 μm:n kauko-IR-laserin, 0,81 μm:n diodilaserin ja 0,488 μm:n argonionilaserin. Näissä lasereissa käytettiin useita eri energiatiheyksiä, mutta niiden havaittiin olevan tehottomia pinnoilla olevien bakteerien tappamisessa.
Liittoutuneet Tieteellinen Proon kehittänyt kuitupohjaisen laserpuhdistusjärjestelmän, joka on jo käytetty ja osoittautunut toimivaksi monilla eri aloilla, kuten ilmailuteollisuuden ruosteenpoistossa, historiallisten muistomerkkien puhdistuksessa ja ydinlaitoksen dekontaminaatiossa. Näissä laserpuhdistusjärjestelmissä on laserpää, optiikka ja galvanopeilit, joilla voidaan tehdä erimuotoisia säteitä. Normaalisti käytetään lineaarista sädettä, mutta näiden laserpuhdistusjärjestelmien soveltamisen laajentamiseksi bakteerien saastuttamien pintojen puhdistamiseen ja säteen energiatiheyden lisäämiseksi voidaan luoda pyöreä pistekoko. Mitä tulee toistotiheyteen ja keskitehoon, tekniset tiedot ovat yhteensopivia taulukossa 1 mainittujen Lumonicsin Nd:YAG-laserin parametrien kanssa.
Kuva 4 esittää Allied Scientific pron laserpuhdistusjärjestelmän. Tämä on 100 watin järjestelmä, joka toimii 1030 nm:n aallonpituudella, nimeltään Laser Blast 100.
Elintarviketeollisuuden saastuneiden metallipintojen puhdistus voi hyötyä suuresti yllä kuvatuista laserpuhdistusjärjestelmistä. Se on nopeampi ja tehokkaampi kuin perinteiset mekaaniset ja kemialliset menetelmät.
