전통적으로 식품 산업에서는 세제와 액체 물을 사용하여 세척 및 소독을 수행합니다. 표면의 박테리아는 생물막을 형성하고 표면에 매우 강하게 부착됩니다[참고문헌 1].
연구에 따르면 이러한 생물막은 끈적이기 때문에 세제 용액으로 쉽게 제거되지 않는 것으로 나타났습니다. 박테리아는 스테인리스 스틸과 같은 고체 표면보다 액체 용액에서 제거하기가 더 쉽습니다.
생물막은 기계적, 화학적 수단으로 제거하기 어려운 경우가 많습니다. 기계적 줄무늬 처리와 화학적 방법을 대체하기 위한 대체 소독 방법을 모색해야 합니다. 그림 1은 박테리아에 감염된 스테인리스 스틸 표면을 보여줍니다.
박테리아에 감염된 표면을 레이저로 청소하는 것은 레이저에서 발생하는 열이 표면을 소독하는 데 사용되기 때문에 매우 효과적인 방법입니다. 그림 2는 오염된 팔레트의 레이저 청소를 보여줍니다.
박테리아에 감염된 표면을 청소하기 위해 다양한 유형의 레이저를 사용하는 효과를 이해하기 위한 연구가 수행되었습니다. 일반적으로 사용되는 레이저는 펄스 레이저이지만 파장, 펄스 에너지 및 반복률의 선택이 매우 중요합니다. 한 연구[참고 자료 2]에서는 자외선(355 nm)에서 원적외선(118 μm)에 이르는 7가지 유형의 레이저를 사용하여 대장균(E-Coli) 박테리아를 죽이는 효과를 연구했습니다. 이들 레이저 중에서 공칭, 2차 및 3차 고조파 파장에서 작동하는 10.6μm CO2 펄스 레이저와 다중 Nd:YAG 레이저가 사용되었습니다.
연구에 따르면 특정 에너지 밀도 이상에서는 CO2 펄스 레이저가 박테리아 제거에 가장 효과적이며 Nd:YAG 레이저가 그 뒤를 따릅니다. 박테리아를 죽이는 UV 광선의 효과는 잘 알려져 있으며 세 번째 효과적인 레이저는 삼중 주파수 Nd:YAG 레이저(355nm 방출)입니다. 테스트 목적으로 대장균을 여러 플레이트에서 재배하고 플레이트를 레이저 광에 노출시켰습니다. 노출 후, 플레이트를 37도에서 24시간 동안 배양했습니다. 레이저 멸균이 작동하면 성장 후 박테리아가 없는 부분이 관찰됩니다. 표 1은 다양한 레이저 매개변수와 이러한 레이저에 노출된 후 관찰된 박테리아가 없는 영역을 보여줍니다.
위 표에서 볼 수 있듯이 Lumonics Nd:YAG 레이저(20Hz에서 10J의 에너지로 10msec 펄스)의 에너지 밀도는 CO2 레이저의 246배이고 노출 시간도 533배 더 길었습니다. 이러한 차이는 물이 근적외선(1.06μm)보다 훨씬 강한 중적외선(10.6μm)을 흡수하고 대장균 박테리아가 물에 거주하기 때문에 더 쉽게 죽기 때문일 수 있습니다.
355 nm의 UV 파장도 표에 표시된 것처럼 살균에 잘 반응했습니다. 주파수 3배 레이저는 10Hz 반복 속도로 작동했으며 펄스 지속 시간은 약 5nsec였습니다. Surlite 주파수 삼중 레이저를 Lumonics Nd:YAG 레이저와 비교하면 평균 출력이 200배 더 작고 노출 시간이 거의 5배 더 짧다는 것을 알 수 있습니다(에너지 밀도는 거의 20배 더 낮음). Surlite 레이저는 Nd:YAG(0.715cm2와 비교하여 0.123cm2)와 비교하여 동일한 크기의 세척 영역을 달성했습니다.
대장균 박테리아를 죽이는 데 효과적인 레이저 외에도 효과가 없는 다른 레이저도 있었습니다. 이러한 레이저 중 일부에는 118 μm의 원적외선 레이저, 0.81 μm의 다이오드 레이저 및 0.488 μm의 아르곤 이온 레이저가 포함되었습니다. 이 레이저에는 여러 가지 다른 에너지 밀도가 사용되었지만 표면의 박테리아를 죽이는 데는 효과적이지 않은 것으로 나타났습니다.
연합 과학 프로는 항공 산업의 러크 제거, 역사적 기념물 청소, 원자력 시설 오염 제거 등 다양한 분야에서 이미 사용되어 그 효과가 입증된 섬유 기반 레이저 청소 시스템을 개발했습니다. 이러한 레이저 클리닝 시스템에는 다양한 모양의 빔을 만들 수 있는 레이저 헤드, 광학 장치 및 갈보 미러가 있습니다. 일반적으로 선형 빔이 사용되지만 이러한 레이저 세척 시스템의 적용을 박테리아에 감염된 표면 청소로 확장하고 빔의 에너지 밀도를 높이기 위해 원형 스폿 크기를 생성할 수 있습니다. 반복률과 평균 출력에 관한 한 사양은 표 1에 언급된 Lumonics의 Nd:YAG 레이저 매개변수와 호환됩니다.
그림 4는 Allied Scientific pro의 레이저 클리닝 시스템을 보여줍니다. 이것은 Laser Blast 100이라고 불리는 1030nm 파장에서 작동하는 100W 시스템입니다.
식품 산업에서 오염된 금속 표면의 세척 작업은 위에 설명된 레이저 세척 시스템을 통해 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 기계적, 화학적 수단을 사용하는 전통적인 방법보다 빠르고 효과적입니다.
