بخشی از مقاله
چکیده
در کنار روشهای مرسوم فراوری مواد غذایی، روشهای جدیدی معرفی شدهاند که یکی از انواع این تکنیکها پلاسمای سرد است. گاز پلاسما ترکیبی از واسطههای فعال شیمیایی است که جهت غیرفعالسازی میکروارگانیسمها بعد از بستهبندی مواد غذایی کاربرد دارد.
هدف از این مقاله بررسی بکارگیری روش پلاسما در شرایط اتمسفری در صنعت غذا میباشد. فرایند پلاسمای سرد، زیرمجموعهای از تکنیک "فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته" است که روشی ایمن در فراوری مواد غذایی است. آشناسازی با این روش بهمنظور ایجاد انگیزه در پژوهش و استفاده از تکنولوژی پلاسما در صنعت غذا میتواند گام مهمی در پیشرفت علوم و صنایع غذایی باشد.
.1 مقدمه
اکثر مواد بستهبندی - پلیمرها - مقاومت پایینی به شرایط فراوری حرارتی دارند بهطوریکه حتی شرایط فرایند استریلیزاسیون در اتوکلاو را نیز تحمل نمیکنند. فرایندهای شیمیایی مانند استریلیزاسیون با اتیلن اکسید میتواند یک راهحل باشد اما این تکنیک نیز مقادیر ناچیزی از ترکیبات فعال را در ماده غذایی باقی میگذارد و یک ریسک غیر قابل قبول است.
اشعه گاما بسیار موثر است اما مقبولیت پایینی در بین مصرف کنندگان داشته و نیازمند تجهیزات امنیتی بالا و تولیدکننده مقدار زیادی رادیکال آزاد است. استفاده از پرتو الکترون - اشعه بتا - نیز محدودیتهای مشابه دارد. تکنیکهای کاملاً فیزیکی از جمله فشار هیدرواستاتیک بالا، از نظر شیمیایی ایمنتر بوده اما نیازمند تجهیزات پیچیدهتر و گرانتری است.
دیگر تکنیکها مانند ماکروویو را نیز میتوان به کار برد اما کاربرد آن بهدلیل غیرحرارتی بودن محدود است. در واقع راهحل کاملی برای استریلیزاسیون در دمای محیط وجود ندارد. تکنیکهای اختصاص یافته به نام "فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته"1 بهدلیل شروع بدون نقص و تمیز فرایند و تولید ناچیز مواد شیمیایی ماندگار در این زمینه عنوان شدهاند.
این تکنیک، در کاهش آلودگی تا مقادیر بالاتر از 10 لگاریتم موثر بوده و از نظر اقتصادی بهدلیل هزینه کم در راه اندازی و مصرف پایین انرژی، روشی پایدار و رو به رشدی است.کارایی خوب روش AOPاحتمالاً به این دلیل است که ترکیبی از دو روش شیمیایی و فیزیکی است.
این روش دوگانه شامل ازن، هیدروژن پراکسید و اشعه UV است که تولیدکننده ترکیبات بسیار فعال و رادیکالهای آزاد مثل O3، H2O2، O-2 و OH در محلولهای آبی است. این روش جدید اولین بار برای تصفیه آب و تخریب میکروارگانیسمهای محیطی استفاده شده است. تخلیه الکتریکی و به-طور خاص پلاسمای سرد دستهای از تکنیک AOP است. پلاسما مخلوطی از اجزای سنگین - مولکولهای سنگین، اتمها، رادیکالهای آزاد، یونها، - و اجزای سبک - الکترونها و فوتونها - تولیدشده از طریق برانگیختگی گاز بوسیله تخلیه الکتریکی است
.2 تعریف پلاسما
پلاسما بهصورت یک گاز یونیزه شده خنثی، تشکیل شده از ذرات با واکنشهای دایم و پایدار تعریف میشود. ذرات شامل فوتونها، الکترونها، یونهای مثبت و منفی، اتمها و رادیکالهای آزاد و مولکولهای برانگیخته شده و نشده هستند. الکترونها و فوتونها معمولاً بهعنوان اجزای سبک در مقابل دیگر ترکیباتی که بهعنوان اجزای سنگین توصیف میشوند، بیان میگردند.
درنتیجه اصطلاح پلاسما برای توصیف حالتی از ماده در نظر گرفته شده است که در آن اجزای سنگین، ذرات خنثی یا یونیزه شده درنتیجه انتقال انرژی به یک گاز به وجود آمدهاند .[4] پلاسما ترکیبی از واسطههای فعال شیمیایی است. بسته به روش فعالسازی آنها و توان کاری آنها میتوانند با دمای بسیار بالا یا دمای پایین، به ترتیب پلاسمای حرارتی و یا سرد تولید شوند. این دامنه دمایی کاربرد متفاوتی را برای تکنولوژی پلاسما فراهم کرده است: پوشش های سطحی، تخریب زباله، تیمار گاز، سنتزهای شیمیایی، مکانیکی و ... . گروهبندی پلاسما، برپایه سطوح نسبی فعال الکترونها و اجزای سنگین آن است
پلاسمای حرارتی در فشار بالا 105< - پاسکال - به دست میآید و به توان قابل توجهی نیاز دارد - بالاتر از . - 50 MW از طریق تعادل ترمودینامیکی ناحیهای بین الکترونها و اجزای سنگین شرح داده میشود.دمای گاز تقریباً برای تمام ترکیبات پلاسما یکسان است و میتواند بسیار زیاد باشد 5 K - تا . - 20×103 این نوع از پلاسما برای مثال در مشعلهای پلاسما و در قوس الکتریکی دیده میشود.
پلاسمای سرد - غیر حرارتی - در فشار پایین حاصل میشود و توان پایینی نیاز دارد و بهوسیله دمای الکترون که بسیار بیشتر از دمای گاز است شرح داده میشود و درنتیجه تعادل ترمودینامیکی ناحیهای وجود ندارد. اینگونه پلاسما میتواند بوسیله تخلیه الکتریکی در فشارهای پایین گازی تولید شود
.3 پلاسمای تولید شده در فشار اتمسفریک
پلاسما را میتوان به روشهای مختلف در فشار اتمسفریک و دمای ماکروسکوپی نزدیک به محیط تولید کرد. این نوع پلاسما زمانی تولید میشود که یک اختلاف پتانسیل قوی بین الکترودهایی که در یک گاز قرار داده شدهاند در فشار اتمسفریک برقرار شود. بنابراین در این فرایند کلیه رویدادهای الکتریکی، شیمیایی، صوتی و فوتونی که بین دو رسانا رخ میدهد، ترکیب شده است.ازن شدیداً یونیزه شده، در یک باند کم دامنه انتشار پیدا میکند بهطوری کهشدیداً میدان الکتریکی را افزایش میدهند.
زمانیکه جریان، آند را به کاتد اتصال میدهد، کانال یونیزه شده تشکیل شده، سبب تخلیه مدار خارجی میشود. اگر قدرت تولیدکننده کافی باشد یک قوس الکتریکی شکل میگیرد. مزیت این روش در کنار این واقعیت که آنها میتوانند در فشار اتمسفریک راه اندازی شوند، این است که آنها به تشکیل گونههای فعال به میزان زیاد اجازه میدهند و میتوان عملیات را در درجه حرارت نزدیک به دمای محیط اجرا کرد و دارای کاربردی چندگانه شامل تیمار سطوح، گازها و محلولهای مایع است
.4 پلاسمای فرکانس رادیویی RF
تخلیه فرکانس رادیویی زمانیکه گاز در معرض میدان الکترومغناطیسی نوسانی قرار بگیرد بهدست می آید. این میدان به وسیله القایی که توسط سیم پیچ احاطهکننده راکتور - تخلیه القایی - یا بهوسیله الکترودهای سازماندهی شده در سطح خارجی راکتور - تخلیه خازنی - تولید میشود - شکل شماره - .1 معمولاً در محدوده فرکانس 1-100 MHZ ایجاد میشوند.
این تخلیه خازنی یا القایی برای تیمار گاز یا سطح به کار گرفته میشود. به منظور بهبود استفاده از پلاسمای RF، بوچر تحقیقاتی را در مورد نفوذ گاز و قدرت تخلیه بر کارایی آن در تصفیه، انجام داده است. او نشان داده است که پلاسمای RFCO2 بسیار موثرتر است نسبت به پلاسمای RF آرگون و یک رابطه مستقیمی بین انتقال انرژی به پلاسما و فعالیت تخریبی آن در برابر میکروارگانیسمها وجود دارد. اثر پلاسمای RF میتواند افزایش یابد اما به شرایط عملیات بسیار حساس است.
کارایی این نوع تیمار به نوع گاز مورد استفاده و قدرت تخلیه الکتریکی بستگی دارد و بهطورکلی جهت استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی، استریلکردن سطوح داخلی شیشههای کوچک دارو یا آمپول و اصلاح و تغییر ساختار پلیمرها برای جلوگیری از چسبندگی باکتریها به کار میرود
شکل شماره:1 پلاسمای فرکانس رادیویی
.5 پلاسمای تخلیه مانع دی الکتریک یا DBD
پلاسمای تخلیه مانع دی الکتریک برپایه استفاده از یک مانع دی الکتریک - ساخته شده از شیشه، کوارتز، مواد سرامیکی یا پلیمری - [1] در شکاف تخلیه میباشد که جریان الکتریکی را متوقف کرده و از تشکیل جرقه جلوگیری میکند
پلاسمای DBD که گاهی تخلیه خاموش هم گفته میشود، معمولاً در فرکانس بین 0/05 تا 500 کیلوهرتز کار میکند و بهدلیل ایجاد پلاسمای غیر تعادلی قوی در فشار اتمسفریک و در سطوح فشار بالا بدون استفاده از منابع فشار پالسی پیچیده، کاربرد صنعتی زیادی دارد. موارد استفاده آن در تولید ازن، لیزرهای CO2، بهعنوان منبع UV در لامپهای excimen است. در دهه گذشته، DBD در بیولوژی و بهخصوص برای تخریب باکتریها یا برای کاربردهای پزشکی مطرح بوده است
شکل شماره:2 پلاسمای تخلیه مانع دی الکتریک
