Động học của quá trình tiêu diệt vi sinh vật bằng nhiệt

Thanh trùng bằng nhiệt độ cao của nước nóng và hơi nước nóng là phương pháp thanh trùng phổ biến nhất trong sản xuất đồ hộp.

Khi nâng nhiệt độ của môi trường quá nhiệt độ tối thích của vi sinh vật thì hoạt động của vi sinh vật bị chậm lại. Ở nhiệt độ cao, protid của chất nguyên sinh của vi sinh vật bị đông tụ làm cho vi sinh vật bị chết. Quá trình đông tụ protid này không thuận nghịch, nên hoạt động của vi sinh vật không phục hồi sau khi hạ nhiệt.

Từ thực nghiệm đã chỉ sự tiêu diệt vi sinh vật được thể hiện bởi phương trình:

−dNdt=kT.Nn size 12{ - { { ital "dN"} over { ital "dt"} } =k rSub { size 8{T} } "." N rSup { size 8{n} } } {} (1)

Trong đó :

N : lượng vi sinh vật trong sản phẩm sau thời gian t (cfu/ml).

k_T: hệ số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt T, tùy theo loại vi sinh vật và tính chất của đồ hộp mà trị số k thay đổi.

t : Thời gian xử lý (phút)

n : Bậc phản ứng

Trong hầu hết trường hợp, bậc phản ứng bằng 1, tiến trình vô hoạt bậc nhất có thể viết như sau:

−dNdt=kT.N size 12{ - { { ital "dN"} over { ital "dt"} } =k rSub { size 8{T} } "." N} {} (2)

Hay

dNN=−kT.dt size 12{ { { ital "dN"} over {N} } = - k rSub { size 8{T} } "." ital "dt"} {} (3)

Với phương trình vi phân (3) có thể được lấy tích phân theo các điều kiện

ở thời điểm ban đầu t = 0 thì N = N_o

ở thời điểm t = t thì N = N

=> ∫N0NdNN=−∫0tkt.dt size 12{ Int cSub { size 8{N rSub { size 6{0} } } } cSup {N} { { { ital "dN"} over {N} } } size 12{ {}= - Int cSub {0} cSup {t} {k rSub {t} size 12{ "." ital "dt"}} }} {} (4)

Khi thực hiện tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ không đổi, k_T = hằng số (quá trình đẳng nhiệt)

Phương trình (4) có thể viết như sau:

∫N0NdNN=−kT∫0tdt size 12{ Int cSub { size 8{N rSub { size 6{0} } } } cSup {N} { { { ital "dN"} over {N} } } size 12{ {}= - k rSub {T} Int cSub {0} cSup {t} { size 12{ ital "dt"} } }} {} (5)

⇒ ln (N) – ln (N 0 size 12{ {} rSub { size 8{0} } } {}) = - k t size 12{ {} rSub { size 8{t} } } {}. t (6)

Hoặc lnNN0=−kT.t size 12{"ln" left ( { {N} over {N rSub { size 8{0} } } } right )= - k rSub { size 8{T} } "." t} {} (7)

Từ đó ta có được :

N = N 0 size 12{ {} rSub { size 8{0} } } {} e −kt size 12{ {} rSup { size 8{ - ital "kt"} } } {}(8)

Trong đó N : lượng vi sinh vật trong sản phẩm ở thời điểm t (cfu/ml)

N 0 size 12{ {} rSub { size 8{0} } } {}: lượng vi sinh vật ban đầu (cfu/ml)

k t size 12{ {} rSub { size 8{t} } } {}: hệ số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ T

t : Thời gian gia nhiệt (phút)

Ở nhiệt độ tiêu diệt vi sinh vật không đổi, lượng vi sinh vật giảm theo hàm số mũ theo thời gian. Điều này có nghĩa tổng số vi sinh vật không thể giảm đến 0. Vì vậy, không thể đảm bảo tuyệt đối rằng tất cả vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt bởi một quá trình nào đó.

Nếu vẽ đường biểu diễn về mức độ tiêu diệt vi sinh vật theo thời gian bởi phương trình (8) ta có đồ thị theo hình 4.1

Sự tiêu diệt vi sinh vật bằng nhiệt theo thời gian

Cũng có thể viết :

lgNN0=−k2,303t size 12{"lg" { {N} over {N rSub { size 8{0} } } } = - { {k} over {2,"303"} } t} {} (9)

Nếu biểu diễn theo hàm logarite thập phân phương trình (9) đồ thị là một

đường thẳng, có hệ số góc −k2,303 size 12{ - { {k} over {2,"303"} } } {} biểu thị qua hình 4.2

Đường lý thuyếtĐường thực nghiệmThời gian tiêu diệt vi sinh vật theo mối quan hệ logarite

Với giá trị D là thời gian cần thiết tại một nhiệt độ xác định để tiêu diệt 90% lượng vi sinh vật ban đầu. Được gọi là “thời gian tiêu diệt thập phân”.

Theo hình 4.2 và phương trình (9), ta xây dựng được mối quan hệ giữa hệ số vận tốc k và thời gian D :

− 1 D = − k 2, 303 size 12{ - { {1} over {D} } = - { {k} over {2,"303"} } } {}

Phương trình (9) có thể viết :

lgNN0=−1Dt size 12{"lg" { {N} over {N rSub { size 8{0} } } } = - { {1} over {D} } t} {} (10)

Vậy thời gian tiêu diệt vi sinh vật

t=DlgN0N size 12{t=D"lg" { {N rSub { size 8{0} } } over {N} } } {} (11)