Ảnh hưởng của nhiệt độ

Định luật Arhenius

 

Vì quá trình tiệt trùng có bản chất hóa học (phản ứng biến tính protein) nên cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ theo định luật Arhenius:

`k=k_0 e^(-E_a/(RT))`(16)

Trong công thức (16)

  • `k` : hệ số động học,
  • `E_a` : năng lượng hoạt hóa của phản ứng (hay quá trình)
  • `R` : hằng số khí lý tưởng
  • `T` : nhiệt độ tuyệt đối

Công thức (16) cho thấy khi nhiệt độ tăng, vận tốc phản ứng hóa học tăng lên. Trong trường hợp tiệt trùng, quy trình xẩy ra nhanh hơn (Hình 3).

t T1T2T3 NN0Nf t3t2t1

Hình 3 Động học quá trình tiệt trùng ở các nhiệt độ khác nhau

Hình 3 biểu diễn sự thay đổi của số vi sinh vật `N` theo thời gian tiệt trùng `t` tương ứng với ba nhiệt độ khác nhau và `T_1 < T_2 < T_3`. Cả ba chế độ tiệt trùng đều có cùng `N_0`. Để thu được cùng một kết quả `N_f` giống nhau, thời gian xử lý sẽ khác nhau và `t_1 > t_2 > t_3`.


Chế độ tiệt trùng

 

Qua phần trên, ta thấy để thu được một kết quả tiệt trùng xác định (thường được đặc trưng bằng độ giảm thập phân `n` hay độ giảm `grad`), với các nhiệt độ `T` khác nhau, ta sẽ cần thời gian xử lý `t` khác nhau. Cặp thông số này `(T, t)` đặc trưng cho chế độ tiệt trùng. Giữa hai thông số ấy có mối quan hệ sau:

`log t= aT+b`(17)

Trong phương trình (17), `a` và `b` là các hệ số.


Độ kháng nhiệt `Z`

 

Nếu ta biểu diễn phương trình (17) trên đồ thị với trục tung là `log t`, ta có đường thẳng với hệ số góc là `a` (`a < 0`) như trên Hình 4.

Trên đường thẳng này ta lấy hai điểm A và B sao cho khoảng cách thẳng đứng giữa hai điểm là 1. Như vậy:

`log t_A=aT_A+b`(c)

`log t_B=aT_B+b`(c)

Trừ hai phương trình này ta có :

    `log t_A - log t_B = a (T_A - T_B) = 1`

   

AB TDTATB log t1

Hình 4 Quan hệ T-t

Nhận xét rằng khi A và B thay đổi nhưng nếu khoảng cách thẳng đứng giữa hai điểm này vẫn là 1 thì (`T_B - T_A`) cũng không thay đổi. Đặt:

    `Z = T_B - T_A`

Vậy :`aZ=-1`(e)

Và :`a=-1/Z`(18)

Phương trình (17) viết lại là :

`log t=-1/Z T+b`(19)

Ý nghĩa của Z

Vì :   `log t_A - log t_B = 1`

Nên : `t_A/t_B=10`(20)

Ta có thể kết luận rằng `Z` là độ giảm nhiệt độ làm thời gian xử lý nhiệt tăng lên 10 lần (mà kết quả thu được vẫn tương đương), hay `Z` là độ tăng nhiệt độ làm thời gian xử lý nhiệt giảm đi 10 lần (mà kết quả thu được vẫn tương đương). `Z` còn được gọi là độ kháng nhiệt của vi sinh vật.


Thời gian xử lý

 

Xét hai chế độ tiệt trùng P và Q có cùng một kết quả nhưng sử dụng các nhiệt độ `T_P` và `T_Q` khác nhau. Áp dụng phương trình (19) cho hai chế độ tiệt trùng này, ta có:

`log t_P=-1/Z T_P +b `(f)
`log t_Q=-1/Z T_Q +b `(g)

Trừ hai phương trình này cho nhau, ta có :

`log\ t_P/t_Q=(T_Q-T_P)/Z`(21)

Hay`t_P=t_Q 10^( (T_Q-T_P)/Z)`(22)

Ảnh hưởng của nhiệt độ tiệt trùng đến thời gian giảm thập phân `D`

Khi ta xét quá trình xử lý nhiệt có độ giảm thập phân là `n=1`, thì thời gian thực hiện quá trình này là `D`. Áp dụng công thức (22) cho hai nhiệt độ `T_P` và `T_Q` ta có:

Hay`D_P=D_Q 10^( (T_Q-T_P)/Z)`(23)


Thí dụ

Thí nghiệm tiệt trùng cho môi trường lên men với đối tượng là chủng vi sinh vật lây nhiễm Y tại nhiệt độ 125ºC cho thấy thời gian tiệt trùng để giảm số lượng của Y từ 1.500.000 1/L xuống còn 22 1/L là 4 phút.

1. Thời gian giảm thập phân của chủng vi sinh vật này trong điều kiện tiệt trùng của phòng thí nghiệm là bao nhiêu phút ?

Lời giải

Ta áp dụng công thức (15) để tính thời gian giảm thập phân `D`.

Từ   `t = nD`   ta có   `D = t / n`

Độ giảm thập phân `n` của thí nghiệm này là:

    `n=log\ N_0/N_f=log\ (1.500.000)/22 =4,834`

Vậy :   `D_125=t/n=4/(4,834)=0,8275 "min"`


2. Kết quả này được áp dụng cho quy trình thực tế với thùng lên men có thể tích là 1500 lít và nhiệt độ tiệt trùng là 120ºC. Ban đầu, số lượng Y trong môi trường lên men là 107 1/L. Để đạt yêu cầu, người ta cần tiệt trùng đến khi xác suất bị nhiễm bé hơn 0,001. Biết rằng độ kháng nhiệt của Y là 9ºC. Hỏi thời gian tiệt trùng tối thiểu là bao nhiêu phút.

Lời giải

Ta sử dụng công thức (15) để tính thời gian tiệt trùng. Ta có:

+ Chọn   `N_f = 0,001`

+ `N_0 = 10^7xx1500 = 1,5xx10^10`

+ Nên :   `n=log\ N_0/N_f=log\ (1,5xx10^10)/(0,001) =13,176`

Mặt khác, áp dụng công thức (24) để tính `D_120`, ta có:

    `D_120=D_125 10^((125-120)/9)=0,8275xx3,594=2,974\ "min"`

Vậy :  `t = 13,176 xx 2,974 = 39,19\ "min"`




Trang web này được cập nhật lần cuối ngày 01/01/2019