بخشی از مقاله
چکیده
یکی از روشهای غیرحرارتی برای غیرفعال سازی میکروبها، روش اعمال میدان الکتریکی پالسی - PEF - است که نهتنها در صنعت محصولات غذایی بلکه در عرصهی پزشکی نیز حائز اهمیت است. اثرات بیولوژیکی و فیزیکی این فرایند چندین سال است که مورد بررسی قرارگرفته است. در این مقاله به بررسی دینامیک میدان الکتریکی در برخورد با یک میکروارگانیسم کروی شکل میپردازیم و فرایند گذار را میتوان به سه فاز جداگانه تقسیم کرد. سپس توسط روش شبکه انتقالی که روشی بر مبنای تحلیل مدارهای مجتمع الکتریکی است سلول را شبیهسازی میکنیم.
مقدمه
یکی از روشهای مرسوم غیرفعال کردن میکروارگانیسمها در مواد - بهویژه مواد غذایی - اعمال حرارت به ماده است. اما این روش با توجه به دمای بالای اعمالی، بهنوبهی خود دارای معایب و مضراتی است که از آن جمله میتوان به صدماتی که به طعم، رایحه، مواد مغذی و کیفیت ماده وارد میشود اشاره کرد. یکی از روشهای غیرحرارتی برای غیرفعال سازی میکروبها، روش اعمال میدان الکتریکی پالسی است. در این روش با اعمال میدان الکتریکی قوی در حد کیلوولت و در زمان بسیار کوتاهی در حد میکروثانیه، منافذی در غشا سلولی ایجاد میشود. منافذ نیز با توجه بهشدت میدان اعمالشده میتوانند منافذی برگشتپذیر یا غیر برگشتپذیر باشند. این تکنولوژی مبتنی بر بهکارگیری پالسهای ولتاژ بالا در مایعات و تولیدات قابل پمپاژ1 آلوده به میکروارگانیسمها است.
مدتزمان کوتاه پالسهای ولتاژ بالا باعث تضمین حداقل افزایش دما سیال میشود. معمولا مدل مدنظر را به شکل دیوارهی دیالکتریکی - بهعنوان غشا سلولی - شامل یک سیال رسانا - سیتوپلاسم - که در سیال رسانای ثانویهای تعلیق یافته مدلسازی میکنند. این سلول، در میان صفحات دیالکتریک متقارنی قرارگرفته است. صفحهی داخلی الکترودها با لایهای از فلز برای تشکیل الکترود های ولتاژ بالا پوشانده شده و در اثر اعمال ولتاژ پالسی به صفحات الکترود، میدان الکتریکی در غشا سلولی القا و اختلاف پتانسیل را میان غشا ایجاد میکند، غشا سلول در اثر تنش الکترومکانیکی فشردهشده و باعث ایجاد منافذ میشود. اگر این منافذ در حدی باشند که باعث پارگی غشا شوند، محتویات داخلی میکروب به بیرون از سلول نشت کرده و باعث مرگ میکروب میشود. حال در اینجا ابتدا میدان الکتریکی به وجود آمده را در بازههای زمانی متفاوت بطور تحلیلی محاسبه کرده و سپس شبیهسازی این سیستم انجام داده میشود.
بررسی تحلیلی سیستم مساله:
سیستمی داریم که شامل دو الکترود موازی با گذردهی الکتریکی بسیار بالا، به ضخامت مشخص است. یکی از این الکترودها به یک پتانسیل U و الکترود دیگر به زمین متصل میشود. همچنین
ناحیهی بین دو الکترود را ناحیهی کار مینامیم که دارای رسانندگی الکتریکی و گذردهی الکتریکی مشخص است. برای بررسی تحلیلی مساله ابتدا میدان الکتریکی حاصله از اختلاف پتانسیل ایجاد شده را با استفاده از شرایط مرزی موجود در مساله یافته و میتوان وابستگی زمانی میدان الکتریکی موثر برای مایع بدون میکروارگانیسم، E0 t ، را بدست آورد: که در این رابطه، f زمان واهلش میدان مشخصه است که زمان حضور میدان در مایع را تعیین میکند و EL میدان الکتریکی لاپلاسین در مایع است. تغییر و تکامل میدان الکتریکی در غشا دیالکتریک از لحظه ابتدایی اعمال اختلاف پتانسیل به صفحات دیالکتریکی که سلول میان آنها قرارگرفته است را میتوان از لحاظ فیزیکی به سه فاز تقسیم کرد:
فاز اول: مدت زمان کوتاهی پس از بکارگیری ولتاژ به الکترودها، فرایند قطبش در غشا، سیتوپلاسم و مایع کاملا دارای مشخصههای دیالکتریک بوده و بهصورت دیالکتریک رفتار میکنند. مدتزمان این فاز بسیار کوتاه است. با استفاده از شرایط مرزی و حل معادلهی لاپلاس در مختصات کروی، میدان بهصورت زیر بدست میآید:
فاز دوم: در مقیاس زمانی بلندتر، فاز دوم فرایند گذار نمایان میشود. c t l جاییکه بعلت بیشتر بودن رسانندگی سیتوپلاسم از مایع خارجی، جدارهی داخلی میان سیتوپلاسم و غشا زودتر باردار میشود و بارهای آزاد بر روی این سطح قرار میگیرند، در این فاز، فرایند گذار با تجمع بارهای آزاد روی سطح داخلی و خارجی غشا آغاز میشود، که به علت حرکت یونی در میدان الکتریکی است. مدت زمان این فاز به میزان اختلاف رسانندگی میان سیتوپلاسم و مایع خارجی بستگی دارد. میدان الکتریکی غشا در این فاز به روی قطبها بهصورت زیر است:
فاز سوم: در این مرحله، بار الکتریکی آزاد - جفت نشده - به روی سطح خارجی غشا تجمع مییابد در این مرحله انباشتگی بارها به بیشینهی مقدار ممکن خود میرسد، میدان در غشا افزایش یافته و تمایل به سمت حداکثر مقدار حالت پایا دارد. اما این مدل میدان در قطبها به حداکثر مقدار حالت پایا خود نمیرسد و این به علت تجمع بار سطحی آزاد در مرز میان مایع و پوشش دیالکتریکی الکترودها است.[1] اختلافپتانسیل و حداکثر میدان میان غشایی، E3 p ، در قطبهای سلول در این فاز با استفاده از شرایط موجود در مساله بهصورت زیر است: حال برای بررسی تاثیر این میدان الکتریکی به وجود آمده به روی این میکروارگانیسم، شبیهسازی میکروارگانیسم را انجام میدهیم.
روش مدلسازی
در این مقاله، روش شبیهسازی مورد استفاده مبتنی بر هندسه مساله است، که بهعنوان مدل شبکه انتقالی1 مطرح میشود. مدلهای متعدد فعال و غیرفعال برای ایجاد سیستمی با ویژگیهای واقعگرایانه بهم میپیوندند.[3 , 2] در این روش بواسطهی کوچکی مقیاس مش بندی، این شبیهسازی از دقت بالاتری نسبت به دیگر روشها برخوردار است. این روش در جایی که مدل مدار معادل برای تحلیل زنجیرهای از سلولهای متصل توسط استفاده از مدارهای نسبتا ساده مدنظر است، توصیف میشود.[4] مایعهای داخل و خارج سلول توسط چهار مدل انتقالی مشابه ارائه میشوند، Me1 و M e2 ، که به گره وسط متصلاند. هر یک از این مدلها با یک مقاومت و خازن که بهطور موازی بهم متصل شدهاند، ارائه میشوند، Re1 ,Ce1 , Re2 ,Ce2 که زیرنویس 1 متعلق به مایع خارج سلول و زیرنویس 2 برای مایع داخل - سیتوپلاسم - نمادگذاری میشود. فاصلهی میان قطعات شبکه انتقالی را نیز l، در نظر میگیریم. این مدل برای غشا سلولی که در فصل مشترک سیالها قرار دارد و در واقع دارای سه مرز، سیال1 و یک سمت از غشا، غشا، و سیال2 و سمت دیگر غشا است، بهصورت M e1 m e2 ارائه میشود.
در این مدل مقاومت و خازن غشا تلفیقی از دو سیال دیگر هستند و برای dm l این عناصر به حالت ترکیب موازی، Re1 2, 2Ce1 و 2, 2Ce2 Re2 تقریب زده میشوند. برای محاسبه این مقادیر مقاومتها و خازنها نیز میتوان از روابط el A Re e - مقاومت ویژه - و 0 e A d e - Ce ثابت دیالکتریک - استفاده کرد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شدهاست، روش شبکه انتقالی که ساختار مدل آن متشکل از سیالها و غشا سلولی است، با یک توزیع وسیع مدارهای الکتریکی نشان داده میشود و میتواند جایگزینی برای تحلیل توزیع فضایی انتقال بار
باشد.[2]،[5]
در اینجا مساله از دو منظر فرکانسی و زمانی توسط نرمافزار شبیهسازی مدار بر پایه قوانین کیرشهف برای بررسی مدل شبکهی انتقالی در سلول کروی با ابعاد شبکهی 29 29 گره محصور میان صفحات الکترودهای همانند، مشاهده خواهد شد. در این راستا از نرمافزار شبیهساز پی اسپایس و همچنین نرمافزار متلب، برای ایجاد فایل ورودی اسپایس، استفاده میشود.
تحلیل فرکانسی
در بررسی پاسخ به حوزه فرکانسی ابتدا فاکتوری را بهعنوان تقویت میدان غشایی بدست آمده، d m Eapp f Gm f U m f ، تعریف نموده و نمودارهای وابستگی فرکانسی اندازه و فاز میدان
غشایی در قطب سلول مشاهده میشود.
