基于水力空化技术实现杀菌的实验研究

(黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150020)

液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程称为空化[1]。空化现象是液相变为气相的相变过程，同时又是瞬息变化的随机过程，因此空化现象是极其复杂的。目前，主要有水力空化、超声空化、振荡空化和光致空化[2]。

相比于其他类型空化，水力空化具有装置简单、体积小、能耗低、效率高、操作方便等优势，在工程上得到广泛应用，如物面清洗(如除污、除锈、除船体海洋生物等)[3]、杀灭水中浮游生物[4]、分散海面溢油[2]等。但目前基于水力空化技术开展杀菌的研究较少。Harrison等人[5]用水力空化方法进行酵母菌细胞的破壁实验，发现水力空化装置的能量消耗仅为超声空化法和机械破壁法(高压高速搅拌法)的5%～10%，因此可大范围地实现微生物细胞的破壁。Jyoti等人[6]用孔板水力空化装置进行饮用水的消毒净化实验，并与传统的化学消毒方法(过氧化氢和臭氧消毒)相比较，结果表明：水力空化水处理方法具有高效节能、无二次污染、适合建立大规模工业化水处理设备等优势。张晓冬等人[7]通过水力空化对酵母微生物破壁以及油脂和纤维素水解实验进行研究，结果表明水力空化技术具有简便易行、能耗低、效率高等特点。冯中营[8]应用水力空化进行了杀菌试验，发现在(0.45±0.05)MPa时的杀菌率为80%。

上述研究表明，基于水力空化技术杀菌具有一定的效果，但目前关注点集中在常规水力空化设备、杀菌效率等方面。可见，用于杀菌的新型水力空化器、影响杀菌效果的因素等方面涉及较少。本文提出了采用旋转空化器来实现水力空化杀菌的这一构想，并通过实验验证其可行性。

1 水力空化杀菌机理

水力空化中存在着机械、热、光、生物等效应。因此，水力空化杀菌主要由这些效应综合作用的结果。下面将简要介绍这几种效应的物理机制。

(1)机械效应[9]：空化泡溃灭时产生的高速水射流和巨大的冲击力使性质不同的流体介质产生机械效应，使分子发生振动，当湍动能达到一定程度后，就可以产生足够的能量使细胞或微生物直接破裂。因此，机械效应是使细胞破碎、杀菌等物理强化效应的根本原因之一。

(2)热效应[10]：空化泡溃灭瞬间，在气泡周围微小空间形成局部热点，产生极端的高温、高压。因此，气泡内气体和液体交界面的微生物细胞壁直接被加热分解。

(3)生物效应[11]：生物效应是包括空化过程产生的氧化性物质(-OH自由基等)对细胞的杀伤作用，因为水力空化会产生一定数量的具有高的氧化电极、电负性或亲电性的H2O2、-OH自由基等物质或基团能直接作用于细胞膜和细胞壁，产生使细胞壁受损、细胞膜破裂和蛋白质变性等直接或间接的效应，促进其失活。生物效应也是使细胞破碎、杀菌等根本原因之一。

2 水力空化杀菌实验系统

本文提出了采用旋转空化器来实现水力空化杀菌的构想，并搭建了水力空化实验系统，如图1所示；旋转空化器结构，如图2所示。实验中将采用大肠杆菌(大肠埃希氏菌，E. coli DH5α)进行实验，LB液体作为培养基；采用压力传感器(CYYZ11-X-01-A1-13-B-G，量程0-1.6 MPa，输出4-20 mA，精度0.25级)来进行压力测量；采用温度变送器(CWDZ11-X-01-A1-14-L30-G，量程0-100℃，输出4～20 mA，精度0.5%FS)来进行温度测量。

本文采用水力空化来处理大肠杆菌，研究入口压力和空化发生温度对杀菌效果的影响。将通过调整空化器出口开度，控制入口压力在-0.02 MPa、-0.04 MPa和-0.05 MPa三个工况，并控制菌液温度为30℃、40℃、50℃、55℃、60℃和65℃时开展水力空化杀菌实验。

3 结果与分析

本文将采用旋转空化器来进行水力空化杀菌实验，主要针对入口压力和空化发生温度对水力空化强度及其杀菌效果开展研究。

3.1 入口压力对空化产生的-OH的影响

水力空化强度将显著影响空化杀菌效果。衡量水力空化强度的重要指标之一是空化产生的羟自由基-OH，即空化强度越大，产生的羟自由基-OH越多。然而，由于实验中产生的羟自由基-OH存在浓度低、寿命短等问题，难于直接测量羟自由基-OH。因此本文采用亚甲基蓝(C16H18ClN3S)作为羟自由基-OH捕捉剂，在反应过程中亚甲基蓝和羟自由基-OH生成无色的反应物MB-OH，并能分解和还原，此外亚甲基蓝与羟自由基-OH是一一对应的。通过测量亚甲基蓝浓度的变化即可计算出羟自由基-OH的浓度。

配置不同浓度亚甲基蓝溶液，通过紫外分光光度计进行测量不同波长下的吸光度。研究发现，亚甲基蓝溶液浓度和吸光度值之间呈线性关系，即表达式为

A=0.059 1CMB

(1)

由MB与-OH的一一对应关系得出，-OH浓度与吸光度值之间关系

C-OH=CMB1-CMB2=(A1-A2)/0.059 1

(2)

式中CMB1——反应前亚甲基蓝溶液浓度;

CMB2——反应后亚甲基蓝溶液浓度;

A1——反应前亚甲基蓝溶液吸光度;

A2——反应后亚甲基蓝溶吸光度。

将不同浓度的甲基蓝溶液，在不同入口压力下，以不同空化时间作为基准进行空化实验。实验亚甲基蓝溶液浓度选取12 μmol/L，空化器转速为2 970 r/min，入口压力为-0.02 MPa、-0.04 MPa和0.05 MPa三种工况，测得亚甲基蓝溶液吸光度随空化时间变化数值，如表1所示。

表1亚甲基蓝溶液吸光度随空化时间的变化结果

入口压力-0.02 MPa-0.04 MPa-0.05 MPa吸光度A吸光度A吸光度A空化时间/min样品1样品2样品3样品1样品2样品3样品1样品2样品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

根据羟自由基-OH浓度与吸光度值之间的关系式(2)可以得出，在不同入口压力下，羟自由基-OH浓度与空化时间的关系，如图3所示。

从图中可知，随着入口压力的增加，羟自由基-OH浓度随之增大，这主要是因为入口压力增大，导致空化器内部的空化强度增加，从而使得含菌水流在空化器作用下产生更多的羟自由基-OH。此外，在相同入口压力下，随着空化时间的增加，含菌水流在空化器作用下产生的羟自由基-OH却呈现出先增加后减少的现象。这是由于随着空化时间的增长，含菌水流的温度会上升，从而对空化效率产生不利影响，直接影响羟自由基-OH的产生。

3.2 入口压力对大肠杆菌杀菌效果的影响

本文将调整空化器出口开度，控制入口压力分别为-0.02 MPa、-0.04 MPa和-0.05 MPa，然后开展空化杀菌实验。当空化发生温度为40℃，取空化器出口菌液作为样品进行培养和计数，研究入口压力对杀菌效果的影响，结果如图4至图6所示。从图中可知，在上述空化器入口压力的变化范围内，其对杀菌效果影响并不大。

3.3 空化发生温度对大肠杆菌杀菌效果的影响

本文选取入口压力为-0.05 MPa时，空化发生温度分别为40℃、50℃、55℃和60℃时，研究空化发生温度对杀菌效果的影响，结果如图7所示。从图中可知，大肠杆菌原液经过空化处理后，随着空化发生温度的升高，大肠杆菌数量逐渐减少；在空化发生温度为50～55℃时，大肠杆菌数量迅速减少；在空化发生温度为60℃时，大肠杆菌全部灭活。可见，空化发生温度对大肠杆菌杀菌效果产生显著影响。

此外，通过对大肠杆菌溶液进行不同空化时间处理、取样、培养、计数等工作，并采用平板菌落计数法来直接反映水中活体大肠杆菌的浓度。图8给出了大肠杆菌总数与空化时间的关系。由图8可知，随着空化时间的增加，大肠杆菌总数迅速减少，特别是在0～240 s，线性减少；空化240 s之后，大肠杆菌基本全部灭活。

4 结论

本文搭建了基于旋转空化器的水力空化实现大肠杆菌杀菌的实验系统，开展了入口压力和空化发生温度对空化强度及杀菌效果影响的实验研究，获得了以下重要结论。

(1)随着空化器入口压力增加，空化器内部空化强度增加，从而产生了更多的羟自由基-OH。

(2)空化器入口压力在-0.02 MPa至-0.05 MPa之间变化时，其对大肠杆菌的杀菌率影响并不大。

(3)空化发生温度显著影响杀菌效果：当空化发生温度为50～55℃时，大肠杆菌数量迅速减少；当空化发生温度达为60℃时，杀菌率为100%。

(4)随着空化时间的增加(0～240 s)，大肠杆菌的数量呈线性减少；当空化时间大于240 s，杀菌率为100%。