Traditionell erfolgt die Reinigung und Desinfektion in der Lebensmittelindustrie mit Reinigungsmitteln und flüssigem Wasser. Bakterien auf Oberflächen bilden Biofilme und haften sehr stark an der Oberfläche [Referenz 1].
Studien haben gezeigt, dass diese Biofilme mit Reinigungslösungen nicht leicht zu entfernen sind, da sie klebrig sind. Bakterien lassen sich aus flüssigen Lösungen leichter entfernen als aus festen Oberflächen wie Edelstahl.
Biofilme lassen sich oft nur schwer mechanisch und chemisch entfernen. Es müssen alternative Desinfektionsmethoden untersucht werden, um mechanische Streifenbildung und chemische Methoden zu ersetzen. Abbildung 1 zeigt eine bakteriell infizierte Edelstahloberfläche.
Die Laserreinigung bakteriell infizierter Oberflächen ist eine sehr effektive Methode, da die vom Laser erzeugte Wärme zur Desinfektion der Oberfläche genutzt wird. Abbildung 2 zeigt die Laserreinigung einer kontaminierten Palette.
Es wurden Untersuchungen durchgeführt, um die Wirksamkeit der Verwendung verschiedener Lasertypen zur Reinigung bakteriell infizierter Oberflächen zu verstehen. Bei den üblicherweise verwendeten Lasern handelt es sich um gepulste Laser, die Wahl der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Wiederholrate ist jedoch sehr wichtig. In einer Studie [Referenz 2] wurden sieben verschiedene Arten von Lasern im Bereich von Ultraviolett (355 nm) bis Ferninfrarot (118 μm) verwendet, um ihre Wirksamkeit bei der Abtötung von Escherichia coli (E-Coli)-Bakterien zu untersuchen. Unter diesen Lasern wurden ein gepulster 10,6-μm-CO2-Laser und mehrere Nd:YAG-Laser verwendet, die bei nominellen, zweiten und dritten harmonischen Wellenlängen betrieben wurden.
Untersuchungen zeigen, dass ab einer bestimmten Energiedichte der CO2-Pulslaser bei der Entfernung von Bakterien am wirksamsten ist, gefolgt vom Nd:YAG-Laser. Die Wirksamkeit von UV-Strahlen bei der Abtötung von Bakterien ist allgemein bekannt, und ein dritter wirksamer Laser ist der Dreifrequenz-Nd:YAG-Laser (355 nm Emission). Zu Testzwecken wurden E. coli auf mehreren Platten gezüchtet und die Platten wurden Laserlicht ausgesetzt. Nach der Belichtung wurden die Platten 24 Stunden lang bei 37 Grad inkubiert. Wenn die Lasersterilisation funktioniert, werden nach dem Wachstum bakterienfreie Bereiche beobachtet. Tabelle 1 zeigt die verschiedenen Laserparameter und die bakterienfreien Bereiche, die nach der Bestrahlung mit solchen Lasern beobachtet wurden.
Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist, war die Energiedichte des Lumonics Nd:YAG-Lasers (10-ms-Pulse mit 10 Joule Energie bei 20 Hz) 246-mal so hoch wie die des CO2-Lasers und die Belichtungszeit war ebenfalls 533-mal länger. Dieser Unterschied könnte auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass Wasser die Strahlung im mittleren Infrarotbereich (bei 10,6 μm) viel stärker absorbiert als die Strahlung im nahen Infrarotbereich (1,06 μm) und da sich die E-Coli-Bakterien im Wasser befinden, werden sie leichter abgetötet.
Die UV-Wellenlängen bei 355 nm reagierten ebenfalls gut auf die Sterilisation, wie in der Tabelle gezeigt. Die frequenzverdreifachten Laser arbeiteten mit einer Wiederholungsrate von 10 Hz und hatten eine Pulsdauer von etwa 5 ns. Wenn man den frequenzverdreifachten Surlite-Laser mit dem Lumonics Nd:YAG-Laser vergleicht, kann man sehen, dass bei einer 200-mal kleineren mittleren Leistung und einer fast 5-mal kürzeren Belichtungszeit (die Energiedichte war fast 20-mal geringer) Der Surlite-Laser erreichte die gleiche Reinigungsfläche wie Nd:YAG (0,123 cm2 im Vergleich zu 0,715 cm2).
Abgesehen von Lasern, die die E-Coli-Bakterien wirksam abtöteten, gab es andere Laser, die unwirksam waren. Zu diesen Lasern gehörten ein Fern-IR-Laser mit 118 μm, ein Diodenlaser mit 0,81 μm und ein Argonionenlaser mit 0,488 μm. Für diese Laser wurden verschiedene Energiedichten verwendet, es wurde jedoch festgestellt, dass sie die Bakterien auf den Oberflächen nicht wirksam abtöten.
Allied Scientific Prohat ein faserbasiertes Laser-Reinigungssystem entwickelt, das bereits in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt wird und sich dort bewährt hat, beispielsweise bei der Entfernung von Rucken in der Luftfahrtindustrie, der Reinigung historischer Denkmäler und der Dekontamination einer Nuklearanlage. Diese Laserreinigungssysteme verfügen über einen Laserkopf, eine Optik und Galvospiegel, die unterschiedlich geformte Strahlen erzeugen können. Normalerweise wird ein linearer Strahl verwendet, aber um die Anwendung dieser Laserreinigungssysteme auf die Reinigung von mit Bakterien infizierten Oberflächen auszudehnen und die Energiedichte des Strahls zu erhöhen, kann eine kreisförmige Punktgröße erzeugt werden. Was die Wiederholrate und die mittlere Leistung betrifft, sind die Spezifikationen mit den in Tabelle 1 genannten Parametern des Nd:YAG-Lasers von Lumonics kompatibel.
Abbildung 4 zeigt das Laserreinigungssystem von Allied Scientific pro. Dabei handelt es sich um ein 100-Watt-System mit der Bezeichnung Laser Blast 100, das bei einer Wellenlänge von 1030 nm arbeitet.
Reinigungsarbeiten an kontaminierten Metalloberflächen in der Lebensmittelindustrie können von den oben beschriebenen Laserreinigungssystemen erheblich profitieren. Es ist schneller und effektiver als herkömmliche Methoden mit mechanischen und chemischen Mitteln.
