تقليديا، في صناعة المواد الغذائية، يتم إجراء التنظيف والتطهير باستخدام المنظفات والماء السائل. تشكل البكتيريا الموجودة على الأسطح أغشية حيوية وتلتصق بقوة بالسطح [المرجع 1].
وقد أظهرت الدراسات أن هذه الأغشية الحيوية لا يمكن إزالتها بسهولة بمحلول المنظفات لأنها لزجة. من الأسهل إزالة البكتيريا من المحاليل السائلة مقارنة بالأسطح الصلبة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ.
غالبًا ما يكون من الصعب إزالة الأغشية الحيوية بالوسائل الميكانيكية والكيميائية. يجب استكشاف طرق التطهير البديلة لتحل محل الطرق الميكانيكية والكيميائية. ويبين الشكل 1 سطح الفولاذ المقاوم للصدأ المصاب بالبكتيريا.
يعد تنظيف الأسطح المصابة بالبكتيريا بالليزر طريقة فعالة للغاية لأن الحرارة الناتجة عن الليزر تستخدم لتطهير السطح. ويبين الشكل 2 التنظيف بالليزر لمنصة نقالة ملوثة.
تم إجراء الأبحاث لفهم مدى فعالية استخدام أنواع مختلفة من الليزر لتنظيف الأسطح المصابة بالبكتيريا. الليزر الشائع الاستخدام هو الليزر النبضي، لكن اختيار الطول الموجي وطاقة النبض ومعدل التكرار مهم جدًا. في إحدى الدراسات [المرجع 2]، تم استخدام سبعة أنواع مختلفة من الليزر، تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية (355 نانومتر) إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة (118 ميكرومتر)، لدراسة فعاليتها في قتل بكتيريا الإشريكية القولونية (E-Coli). ومن بين هذه الليزرات، تم استخدام ليزر نبضي ثاني أكسيد الكربون بحجم 10.6 ميكرومتر وأشعة ليزر Nd:YAG متعددة تعمل على الأطوال الموجية التوافقية الاسمية والثانية والثالثة.
تظهر الأبحاث أنه فوق كثافة طاقة معينة، يكون ليزر ثاني أكسيد الكربون هو الأكثر فعالية في إزالة البكتيريا، يليه ليزر Nd:YAG. إن فعالية الأشعة فوق البنفسجية في قتل البكتيريا معروفة جيدًا، والليزر الفعال الثالث هو ليزر Nd:YAG ثلاثي التردد (انبعاث 355 نانومتر). ولأغراض الاختبار، تمت زراعة الإشريكية القولونية على عدة أطباق وتم تعريضها لضوء الليزر. بعد التعرض، تم تحضين الأطباق عند 37 درجة لمدة 24 ساعة. إذا نجح التعقيم بالليزر، سيتم ملاحظة مناطق خالية من البكتيريا بعد النمو. ويبين الجدول 1 معلمات الليزر المختلفة والمناطق الخالية من البكتيريا التي تمت ملاحظتها بعد التعرض لمثل هذه الليزر.
كما يتبين من الجدول أعلاه، كانت كثافة طاقة ليزر Lumonics Nd:YAG (نبضات 10 مللي ثانية مع 10 جول من الطاقة عند 20 هرتز) 246 مرة من كثافة ليزر ثاني أكسيد الكربون وكان وقت التعرض أطول 533 مرة أيضًا. يمكن أن يعزى هذا الاختلاف إلى حقيقة أن الماء يمتص الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (عند 10.6 ميكرومتر) أقوى بكثير من الأشعة تحت الحمراء القريبة (1.06 ميكرومتر) وبما أن بكتيريا E-Coli تتواجد في الماء، فإنها تُقتل بسهولة أكبر.
استجابت الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية عند 355 نانومتر أيضًا بشكل جيد للتعقيم كما هو موضح في الجدول. تعمل أشعة الليزر ذات التردد الثلاثي بمعدل تكرار يبلغ 10 هرتز وكانت مدة النبضة تبلغ حوالي 5 نانوثانية. بمقارنة ليزر Surlite الثلاثي التردد مع ليزر Lumonics Nd:YAG، يمكن للمرء أن يرى أنه بمتوسط طاقة أصغر بمقدار 200 مرة ووقت تعرض أقصر بنحو 5 مرات (كانت كثافة الطاقة أقل بنحو 20 مرة)، حقق ليزر Surlite نفس ترتيب مساحة التنظيف مقارنة بـ Nd: YAG (0.123 سم 2 مقارنة بـ 0.715 سم 2).
وبصرف النظر عن الليزر الذي كان فعالاً في قتل بكتيريا الإشريكية القولونية، كانت هناك أشعة ليزر أخرى غير فعالة. تضمنت بعض هذه الليزرات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة عند 118 ميكرومتر، وليزر ديود عند 0.81 ميكرومتر وليزر الأرجون الأيوني عند 0.488 ميكرومتر. تم استخدام العديد من كثافات الطاقة المختلفة لهذه الليزرات ولكن تبين أنها غير فعالة في قتل البكتيريا الموجودة على الأسطح.
الحلفاء العلمي بروقامت بتطوير نظام تنظيف بالليزر يعتمد على الألياف والذي تم استخدامه بالفعل وأثبت فعاليته في العديد من المجالات المختلفة مثل إزالة الكشكشة في صناعة الطيران وتنظيف المعالم التاريخية وإزالة التلوث من منشأة نووية. تحتوي أنظمة التنظيف بالليزر هذه على رأس ليزر وبصريات ومرايا جالفو يمكنها صنع أشعة مختلفة الأشكال. عادة، يتم استخدام شعاع خطي ولكن لتوسيع نطاق تطبيق أنظمة التنظيف بالليزر هذه لتنظيف الأسطح المصابة بالبكتيريا، ولزيادة كثافة طاقة الشعاع، يمكن إنشاء حجم بقعة دائري. وفيما يتعلق بمعدل التكرار ومتوسط القدرة، فإن المواصفات متوافقة مع معلمات ليزر Nd:YAG من شركة Lumonics المذكورة في الجدول 1.
ويبين الشكل 4 نظام التنظيف بالليزر من شركة Allied Scientific pro. هذا نظام 100 وات يعمل بطول موجة 1030 نانومتر يسمى Laser Blast 100.
يمكن أن تستفيد عمليات التنظيف على الأسطح المعدنية الملوثة في صناعة الأغذية بشكل كبير من أنظمة التنظيف بالليزر الموضحة أعلاه. وهي أسرع وأكثر فعالية من الطرق التقليدية التي تستخدم الوسائل الميكانيكية والكيميائية.
