Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY ĐÓNG GÓI KHĂN ƯỚT, DIỆT KHUẨN BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH DESIGN AND MANUFACTURING MODEL WET TOWEL PACKAGING MACHINE, STERILIZING BY COLD PLASMA TECHNOLOGY Trần Ngọc Đảma, Thái Văn Phướcb, Nguyễn Long Phụngc Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a b damtn@hcmute.edu.vn, phuoctv@hcmute.edu.vn, c longphungckm@gmail.com TÓM TẮT Hiện số lượng khăn ướt sử dụng nhà hàng khách sạn, nhu cầu cá nhân lớn Tuy nhiên, với công nghệ sản xuất đóng gói tại, nhằm kéo dài thời gian sử dụng bảo quản, khăn ướt chứa lượng lớn chất hóa học gây ảnh hưởng sức khỏe cho người sử dụng Trong nghiên cứu này, máy đóng gói khăn ướt diệt khuẩn công nghệ plasma lạnh với kích thước 2,1x0,5x1,1m thiết kế chế tạo nhằm đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng Khăn ướt tiệt khuẩn trực tiếp môi trường plasma, nhờ vào gốc oxy hóa mạnh O, NO, NO HO*, O động electron, ions môi trường plasma Một modul tiệt trùng khăn ướt với hai tham số thay đổi, vận tốc xử lý cường độ dòng plasma, chế tạo để đánh giá hiệu xử lý Từ đánh giá, máy đóng gói khăn ướt thiết kế chế tạo hoàn thiện với công suất 60cái/phút Kết tốc độ xử lý cường độ dòng plasma ảnh hưởng lớn đến hiệu khử trùng vải khăn ướt Ngoài ra, máy áp dụng cho khử khuẩn vật liệu khác xử lý bịch nylon, giấy gói thực phẩm, diệt khuẩn cho bề mặt thực phẩm… Từ khóa: công nghệ plasma lạnh, khăn ướt, khử khuẩn, chất oxy hóa bậc cao ABSTRACT Nowadays, a large number of wet towels are used at hotels, restaurants, as well as individual purpose However, wet towel contains large amount of chemical, harmful effect to health, in order to prolong the preservation and use In this study, a wet towel package machine with dimension 2.1x0.5x1.1m is designed by using cold plasma technology to solve above problem In plasma reactor, the wet towel is clean and sterilized by kinetics of charged particles and reactive oxygen species such as O, NO, NO HO*, O , etc A sterilizing model was developed with two changing variables, velocity and plasma density, to analyze the sterilizing efficiency A wet towel package machine with capacity 60 pieces/min is developed The experimental results shown that the treatment velocity and plasma density are strongly affected to sterilizing effect Moreover, the machine can also use for sterilize packet cover or food prevention Keywords: cold plasma, wet towel, sterilization, reactive oxygen species GIỚI THIỆU Quá trình sản xuất khăn ướt ẩn chứa nhiều nguy gây ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng gây ô nhiễm môi trường Hình quy trình sản xuất khăn ướt Trong quy trình này, phôi vải lấy từ cuộn (phôi vải nhập hoàn toàn từ Trung Quốc chưa qua xử lý), sau xếp làm phần qua cấu xếp vải, thấm ướt vào dung dịch (chất bảo quản hương liệu), sau gấp đôi đóng gói thành sản phẩm [1] 216 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Quy trình sản xuất khăn ướt [2] Với quy trình cổ điển, phôi vải không xử lý tiệt trùng, dùng hóa chất sau đưa vào trình sản xuất đóng gói Chính lẽ quy trình sản xuất khăn ướt tồn số nhược điểm sau: - Vải khăn ướt chưa qua diệt khuẩn nên chứa vi khuẩn, nấm mốc gây bệnh đóng gói đưa vào sử dụng - Sử dụng nhiều hóa chất để bảo quản tạo mùi thơm gây ô nhiễm môi trường đặc biệt gây kích ứng da người sử dụng - Để bảo quản thời gian lâu dài, vải đưa vào dung dịch (các loại hóa chất bảo quản + hương liệu) với nồng độ định Các loại hóa chất hương liệu pha trộn với nguồn gốc xuất xứ từ Trung Quốc Trước vấn đề trên, việc nghiên cứu thiết kế mô hình xử lý khăn ướt công nghệ để làm vải, không gây ô nhiễm, tiết kiệm lượng không sử dụng hóa chất trở thành vấn đề cấp thiết Ngày nay, công nghệ plasma lạnh ứng dụng rộng rãi lĩnh vực tẩy khuẩn tiệt trùng dụng cụ y tế, xử lý nước thải, xử lý nước uống, So với công nghệ truyền thống công nghệ plasma sử dụng điện để tạo chất oxy hóa bậc cao dùng để diệt khuẩn Do đó, việc sử dụng công nghệ Plasma lạnh đem lại nhiều hiệu tiết kiệm lượng, không sử dụng hóa chất, không gây ô nhiễm môi trường [3] Xử lý công nghệ plasma dựa nguyên lý oxy hóa bậc cao sinh gốc oxy hoá mạnh HO*, O*, H*, O , H O tia UV làm phá vỡ liên kết ion, liên kết cộng hóa trị chất hữu cơ, vô tiêu diệt vi khuẩn Các gốc oxy hóa tia UV sinh qua vùng plasma (hiệu điện U = ÷ 40 KV, f = 20 ÷ 75 KHz, cường độ dòng điện I = 02 ÷ 04 A), electron chuyển động với vận tốc lớn va đập vào phân tử cung cấp cho phân tử lượng làm phá vỡ liên kết [4] Do ứng dụng công nghệ plasma lạnh vào quy trình sản xuất khăn ướt nhằm thay việc sử dụng hóa chất bảo quản trở thành vấn đề cấp thiết Với phương hướng giải pháp trên, nghiên cứu, thiết kế, tính toán mô hình xử lý khăn ướt thử nghiệm khả diệt khuẩn khăn ướt công nghệ plasma lạnh với kích thước 2100x500x1100 (mm) THÍ NGHIỆM 2.1 Lựa chọn mô hình thí nghiệm Hình sơ đồ nguyên lý máy đóng gói khăn ướt công nghệ plasma Máy gồm có mô đun chính, tiệt trùng, thấm nước, cắt vải, đóng gói hàn nhiệt cắt khăn Hình 217 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV mô hình 3D mô đun tiệt trùng khăn ướt công nghệ plasma Dòng điện 220V qua giảm áp 15V vào mạch plasma, sau dòng điện qua tăng áp, lúc dòng điện vào điện cực có điện áp cao 30 ÷ 40 kV tần số cao 40 ÷ 65 KHz sinh tia plasma Vải từ cuộn vải kéo qua buồng xử lý plasma Tại phôi vải qua điện cực, điện cực dương trục inox, điện cực âm trục rulo, tia plasma phóng trải từ điện cực dương lên điện cực âm, lúc sinh ozon, tia UV, nhóm oxy hóa cao diệt khuẩn ức chế vi khuẩn Phôi vải sau từ cuộn vải, qua rulo (điện cực âm), lúc inox (điện cực dương) bắn tia plasma lên bề mặt phôi vải, vi khuẩn bị tiêu diệt Hình mô đun diệt khuẩn chế tạo hoàn thành Hình Quy trình sản suất khăn ướt, diệt khuẩn công nghệ plasma Hình Mô hình thiết kế máy có kích thước 2100x500x1100 mm 218 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thiết kế mô hình buồng plasma: Hình Buồng diệt khuẩn bề mặt phôi vải plasma Hình Mô hình thật cụm diệt khuẩn plasma lạnh 2.2 Trình tự thí nghiệm - Chuẩn bị thí nghiệm: Mẫu vải tiêu cắt từ phôi vải kích thước 5x5 cm cấy vi khuẩn tụ cầu vàng (Staphylococcus aureus) nuôi cấy ống nghiệm chứa dung dịch môi trường để nuôi dưỡng vi khuẩn, tỉ lệ khuẩn 44×103 CFU/ml [6] - Khởi động máy tính, mở chương trình điều khiển máy - Mở máy xử lý khăn ướt lên cho phóng plasma hộp xử lý, plasma sinh góp phần diệt vi khuẩn hộp xử lý - Đeo đồ bảo hộ găng tay, trang chuẩn bị đưa tiêu vải chứa vi khuẩn tụ cầu vàng (Staphylococcus aureus) vào xử lý [7] - Các tiêu vải ống nghiệm bảo quản thùng đá, dùng nhíp gắp để lấy ra, trải tiêu vải bề mặt thủy tinh (đồng thời điện cực) Lưu ý tiêu vải trải phẳng giúp cho plasma phóng toàn bề mặt vải 219 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Đưa thủy tinh vào máy, tiến hành bật máy xử lý - Sau xử lý xong, lấy thủy tinh ra, đưa tiêu vải vào ống nghiệm, sau cho ống nghiệm vào thùng đá bảo quản - Ủ thời gian 48 tiếng - Mẫu dùng phương pháp đếm khuẩn lạc (Colony-forming unit) [8] Hình hình đĩa mẫu trước sau xử lý plasma Xử lý plasma Không xử lý Hình Hình ảnh đĩa mẫu đo 2.3 Đánh giá ảnh hưởng tốc độ xử lý đến hiệu suất khử trùng plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn Hình kết hiệu xử lý vi khuẩn khăn ướt phụ thuộc vào tốc độ xử lý với nguồn plasma với cường độ dòng điện I = 1A, điện áp U = 110V Kết thời gian xử lý chậm, hiệu xử lý cao Tuy nhiên, thời gian xử lý chậm ảnh hưởng lớn hiệu suất kinh tế Với vận tốc khoản 0,8-1,4m/phút, hiệu xử lý gần Để tiết kiệm lượng tăng hiệu suất xử lý, ta nên chọn tốc độ 1,4m/phút Hình Đường hiệu suất diệt khuẩn ứng với tốc độ xử lý vải Từ kết thí nghiệm thấy độ ảnh hưởng tốc độ xử lý khăn ướt đến hiệu suất khử trùng plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn biểu diễn phương trình đường Polimonial (1) y = -5,5534x6 + 32,793x5 - 54,082x4 - 20,405x3 + 135,91x2 – 128,59x + 138,19 R² = 0,9965 (độ tin cậy) với y (hiệu suất) x tốc độ xử lý 220 (1) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Từ phương trình (1) ta chọn chọn thông số xử lý tốt sau: Điện áp U=110V, cường độ dòng điện I=1A tốc độ xử lý V= 0,8 m/ph 2.4 Đánh giá ảnh hưởng thay đổi cường độ dòng điện I đến hiệu suất khử trùng plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn Hình kết hiệu xử lý vi khuẩn khăn ướt phụ thuộc vào cường độ dòng điện plasma với điện áp U=110V, tốc độ chạy khăn ướt V=0,8 m/ph Kết cường độ dòng plasma lớn, hiệu xử lý cao Với hiệu suất xử lý tăng nhanh khoản cường độ 0,5-1,5A sau bão hòa Thí nghiệm rằng, với cường độ dòng điện 2A, hiệu suất xử lý 100% Hình Đường hiệu suất diệt khuẩn ứng với thay đổi cường độ dòng điện Từ kết thí nghiệm, độ ảnh hưởng cường độ dòng plasma đến hiệu suất khử trùng plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn biểu diễn phương trình đường Polimonial (2)[9] y = 0,0005x5 – 0,0189x4 + 0,2582x3 – 1,7221x2 + 5,6012x + 92,88 (2) R² = 0,9985 (độ tin cậy) với y (hiệu suất) x cường độ dòng điện Từ phương trình (2), đạt hiệu suất 100% nên ta thông số xử lý sau: Điện áp U=110V, cường độ dòng điện I = 2A với tốc độ xử lý không đổi V= 0,8 m/ph kết tối ưu 2.5 Đánh giá kết mô hình Mô hình qua thử nghiệm hoạt động tốt với điện áp U=110V, cường độ dòng điện I = 2,5A với tốc độ xử lý không đổi V= 0,8 m/ph kết tối ưu Từ mức cường độ dòng điện I = 2,5A trở lên với điện áp U=110V tốc độ xử lý không đổi V= 0,8 m/ph hiệu diệt khuẩn đạt đến 100% không thay đổi tăng cường độ dòng điện Nên cần chỉnh tới I=2,5 A đạt hiệu KẾT LUẬN Dựa kết nghiên cứu có số kết luận sau: - Khi điều chỉnh thông số cường độ dòng, tốc độ để xử lý plasma nâng cao hiệu khử khuẩn - Mô hình thiết bị sử dụng nguồn điện áp U=110V cường độ dòng điện I= 2,5A với tốc độ xử lý V= 0,8 m/ph cho kết tối ưu - Mô hình thiết bị không sử dụng hóa chất để bảo quản khăn ướt, không ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng 221 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/chất_bảo_quản [2] https://www.facebook.com/winatoanphat [3] DeLucas K Plasma technology for cold cleanups [Internet] 1996 [cited 2008 Apr Available from: http://www.eurekalert org/pub releases/1996-06/LANL- PTFC-100696.php] [4] Dr Philip D Rack, Plasma Physics, Department of Microelectronic Engineering, Rochester Institute of Technology, United State, (2010) [5] Nguyễn Đức Long, luận văn tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo hệ thống xử lý nước thải y tế công suất 05m3/ngày công nghệ Plasma” - Đại học SPKT TP HCM, 2012 [6] http://technologyinscience.blogspot.com/2011/11/cfu-colony-forming-unitcalculation.html#.VdMIpPmqqko [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Staphylococcus_aureus [8] http://www.tuamvisinh.com/tin-tuc/ky-thuat-truyen-thong-trong-phan-tich-vi-sinhvat.html [9] https://en.wikipedia.org/wiki/Polynomial_regression THÔNG TIN CỦA TÁC GIẢ Trần Ngọc Đảm Trường ĐHSPKT TP HCM damtn@hcmute.edu.vn 0947760123 Thái Văn Phước Trường ĐHSPKT TP HCM phuoctv@hcmute.edu.vn 0907504297 Nguyễn Long Phụng Trường ĐHSPKT TP HCM longphungckm@gmail.com 0933580721 222 ... thành Hình Quy trình sản suất khăn ướt, diệt khuẩn công nghệ plasma Hình Mô hình thiết kế máy có kích thước 2100x500x1100 mm 218 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thiết. .. 2.1 Lựa chọn mô hình thí nghiệm Hình sơ đồ nguyên lý máy đóng gói khăn ướt công nghệ plasma Máy gồm có mô đun chính, tiệt trùng, thấm nước, cắt vải, đóng gói hàn nhiệt cắt khăn Hình 217 Kỷ yếu... công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thiết kế mô hình buồng plasma: Hình Buồng diệt khuẩn bề mặt phôi vải plasma Hình Mô hình thật cụm diệt khuẩn plasma lạnh 2.2 Trình tự thí nghiệm - Chuẩn bị thí