THIẾT kế và CHẾ tạo mô HÌNH máy ĐÓNG gói KHĂN ướt, DIỆT KHUẨN BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH

THI ẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY ĐÓNG GÓI KHĂN ƯỚT, DIỆT KHU ẨN BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH DESIGN AND MANUFACTURING MODEL WET TOWEL PACKAGING MACHINE, STERILIZING BY COLD PLASMA TECHNO

THI ẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY ĐÓNG GÓI KHĂN ƯỚT, DIỆT

KHU ẨN BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH

DESIGN AND MANUFACTURING MODEL WET TOWEL PACKAGING MACHINE,

STERILIZING BY COLD PLASMA TECHNOLOGY

Tr ần Ngọc Đảma, Thái Văn Phướcb, Nguy ễn Long Phụngc

Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

a damtn@hcmute.edu.vn, b phuoctv@hcmute.edu.vn, c longphungckm@gmail.com

TÓM TẮT

Hi ện nay số lượng khăn ướt được sử dụng tại các nhà hàng khách sạn, cũng như nhu cầu

cá nhân là r ất lớn Tuy nhiên, với công nghệ sản xuất đóng gói hiện tại, nhằm kéo dài thời gian s ử dụng và bảo quản, khăn ướt chứa một lượng lớn các chất hóa học gây ảnh hưởng sức

kh ỏe cho người sử dụng Trong nghiên cứu này, máy đóng gói khăn ướt diệt khuẩn bằng công ngh ệ plasma lạnh với kích thước 2,1x0,5x1,1m được thiết kế và chế tạo nhằm đảm bảo sức

kh ỏe cho người sử dụng Khăn ướt được tiệt khuẩn trực tiếp trong môi trường plasma, nhờ vào các g ốc oxy hóa mạnh như O, NO, NO2 HO*, O3 và động năng của electron, ions trong môi trường plasma Một modul tiệt trùng khăn ướt với hai tham số thay đổi, vận tốc xử lý và cường độ dòng plasma, được chế tạo để đánh giá hiệu quả xử lý Từ đánh giá, một máy đóng gói khăn ướt được thiết kế và chế tạo hoàn thiện với công suất 60cái/phút Kết quả chỉ ra rằng

t ốc độ xử lý và cường độ dòng plasma ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khử trùng trên vải khăn ướt Ngoài ra, máy có thể áp dụng cho khử khuẩn các vật liệu khác như xử lý bịch nylon, giấy gói th ực phẩm, diệt khuẩn cho các bề mặt thực phẩm…

T ừ khóa: công nghệ plasma lạnh, khăn ướt, khử khuẩn, các 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, NO2 HO*, O3, 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

1 GI ỚI THIỆU

Quá trình s ản xuất khăn ướt ẩn chứa nhiều nguy cơ gây ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng và gây ô nhi ễm môi trường Hình 1 quy trình sản xuất khăn ướt hiện nay Trong quy trình này, phôi v ải được lấy từ cuộn 1 (phôi vải được nhập khẩu hoàn toàn từ Trung Quốc chưa qua xử lý), sau đó sẽ được xếp làm 4 phần qua cơ cấu xếp vải, tiếp theo đó sẽ được thấm ướt vào dung dịch (chất bảo quản và hương liệu), sau đó sẽ được gấp đôi và đóng gói thành

s ản phẩm [1]

Hình 1 Quy trình s ản xuất khăn ướt hiện nay [2]

V ới quy trình cổ điển, phôi vải sẽ không được xử lý tiệt trùng, hoặc dùng hóa chất sau

đó đưa vào quá trình sản xuất và đóng gói Chính vì lẽ đó quy trình sản xuất khăn ướt hiện nay còn t ồn tại một số nhược điểm sau:

- V ải khăn ướt chưa qua diệt khuẩn nên vẫn còn chứa các vi khuẩn, nấm mốc gây bệnh

đã được đóng gói đưa vào sử dụng

- S ử dụng nhiều hóa chất để bảo quản và tạo mùi thơm gây ô nhiễm môi trường và đặc

bi ệt là gây kích ứng da người sử dụng

- Để bảo quản trong thời gian lâu dài, vải sẽ được đưa vào dung dịch (các loại hóa chất

b ảo quản + hương liệu) với nồng độ nhất định Các loại hóa chất và hương liệu này được pha

tr ộn với nguồn gốc và xuất xứ từ Trung Quốc

Trước những vấn đề như trên, việc nghiên cứu và thiết kế mô hình xử lý khăn ướt bằng công ngh ệ mới để làm sạch vải, không gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và không sử dụng hóa ch ất đang trở thành một vấn đề cấp thiết

Ngày nay, công ngh ệ plasma lạnh đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tẩy khu ẩn như tiệt trùng dụng cụ y tế, xử lý nước thải, xử lý nước uống, So với những công ngh ệ truyền thống thì công nghệ plasma chỉ sử dụng điện năng để tạo ra các chất oxy hóa bậc cao dùng để diệt khuẩn Do đó, việc sử dụng công nghệ Plasma lạnh đem lại nhiều hiệu quả như tiết kiệm năng lượng, không sử dụng hóa chất, không gây ô nhiễm môi trường [3] Xử lý

b ằng công nghệ plasma dựa trên nguyên lý oxy hóa bậc cao được sinh ra bởi các gốc oxy hoá

r ất mạnh như HO*, O*, H*, O3, H2O2 và tia UV làm phá v ỡ các liên kết ion, liên kết cộng hóa tr ị của chất hữu cơ, vô cơ và tiêu diệt các vi khuẩn Các gốc oxy hóa và tia UV này được sinh ra khi qua vùng plasma (hi ệu điện thế U = 0 ÷ 40 KV, f = 20 ÷ 75 KHz, cường độ dòng điện I = 02 ÷ 04 A), các electron chuyển động với vận tốc rất lớn sẽ va đập vào các phân tử cung c ấp cho các phân tử một năng lượng làm phá vỡ các liên kết [4]

Do v ậy ứng dụng công nghệ plasma lạnh vào quy trình sản xuất khăn ướt nhằm thay thế

vi ệc sử dụng hóa chất bảo quản trở thành vấn đề cấp thiết Với phương hướng giải pháp trên, chúng tôi đã nghiên cứu, thiết kế, tính toán mô hình xử lý khăn ướt và thử nghiệm khả năng

di ệt khuẩn trên khăn ướt bằng công nghệ plasma lạnh với kích thước 2100x500x1100 (mm)

2 THÍ NGHI ỆM

2.1 L ựa chọn mô hình thí nghiệm

Hình 2 là sơ đồ nguyên lý máy đóng gói khăn ướt bằng công nghệ plasma Máy gồm có

5 mô đun chính, tiệt trùng, thấm nước, cắt vải, đóng gói và hàn nhiệt và cắt khăn Hình 4 là

mô hình 3D m ô đun tiệt trùng khăn ướt bằng công nghệ plasma Dòng điện 220V qua bộ giảm

áp 15V đi vào mạch plasma, sau đó dòng điện đi qua bộ tăng áp, lúc này dòng điện đi vào 2 điện cực có điện áp cao 30 ÷ 40 kV và tần số cao 40 ÷ 65 KHz sinh ra tia plasma Vải đi từ

cu ộn vải được kéo qua buồng xử lý plasma Tại đây phôi vải sẽ đi qua 2 điện cực, điện cực dương là trục inox, điện cực âm là trục rulo, tia plasma được phóng trải đều từ điện cực dương lên điện cực âm, lúc đó sinh ra ozon, tia UV, nhóm oxy hóa cao sẽ diệt khuẩn hoặc ức

ch ế vi khuẩn Phôi vải sau khi đi từ cuộn vải, sẽ đi qua rulo (điện cực âm), lúc đó thanh inox ( điện cực dương) sẽ bắn các tia plasma lên bề mặt phôi vải, vi khuẩn sẽ bị tiêu diệt Hình 5 là

m ô đun diệt khuẩn được chế tạo hoàn thành

Hình 2 Quy trình s ản suất khăn ướt, diệt khuẩn bằng công nghệ plasma

Hình 3 Mô hình thi ết kế máy có kích thước 2100x500x1100 mm

Thi ết kế mô hình buồng plasma:

Hình 4 Bu ồng diệt khuẩn bề mặt phôi vải bằng plasma

Hình 5 Mô hình th ật cụm diệt khuẩn bằng plasma lạnh 2.2 Trình t ự thí nghiệm

- Chu ẩn bị thí nghiệm: Mẫu vải tiêu bản được cắt ra từ phôi vải kích thước 5x5 cm được

c ấy vi khuẩn tụ cầu vàng (Staphylococcus aureus) nuôi cấy trong ống nghiệm chứa dung dịch môi trường để nuôi dưỡng vi khuẩn, tỉ lệ khuẩn 44×103 CFU/ml [6]

- Kh ởi động máy tính, mở chương trình điều khiển máy

- M ở máy xử lý khăn ướt lên cho phóng plasma trong hộp xử lý, plasma sinh ra góp

ph ần diệt vi khuẩn còn trong hộp xử lý

- Đeo đồ bảo hộ như găng tay, khẩu trang chuẩn bị đưa tiêu bản vải chứa vi khuẩn tụ

c ầu vàng (Staphylococcus aureus) vào xử lý [7]

- Các tiêu b ản vải trong ống nghiệm được bảo quản trong thùng đá, dùng nhíp gắp để

l ấy ra, trải đều tiêu bản vải trên bề mặt tấm thủy tinh (đồng thời là điện cực) Lưu ý tiêu bản

v ải được trải phẳng giúp cho plasma được phóng đều trên toàn bộ bề mặt vải

- Đưa tấm thủy tinh vào máy, tiến hành bật máy xử lý

- Sau khi x ử lý xong, lấy tấm thủy tinh ra, đưa tiêu bản vải vào trong ống nghiệm, sau

đó cho ống nghiệm vào thùng đá bảo quản

- Ủ trong thời gian 48 tiếng

- M ẫu dùng phương pháp đếm khuẩn lạc (Colony-forming unit) [8] Hình 6 là hình của

đĩa mẫu trước và sau xử lý plasma

Hình 6 Hình ảnh của đĩa mẫu đo 2.3 Đánh giá ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến hiệu suất khử trùng của plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn

Hình 7 là k ết quả của hiệu quả xử lý vi khuẩn của khăn ướt phụ thuộc vào tốc độ xử lý

v ới nguồn plasma với cường độ dòng điện I = 1A, điện áp U = 110V Kết quả chỉ ra rằng thời gian x ử lý càng chậm, hiệu quả xử lý càng cao Tuy nhiên, thời gian xử lý chậm ảnh hưởng rất

l ớn hiệu suất và kinh tế Với vận tốc trong khoản 0,8-1,4m/phút, hiệu quả xử lý là gần như nhau Để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất xử lý, ta nên chọn ở tốc độ 1,4m/phút

Hình 7 Đường hiệu suất diệt khuẩn ứng với tốc độ xử lý vải

T ừ kết quả thí nghiệm có thể thấy độ ảnh hưởng của tốc độ xử lý khăn ướt đến hiệu

su ất khử trùng của plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn được biểu diễn bằng phương trình đường Polimonial (1)

y = -5,5534x6 + 32,793x5 - 54,082x4 - 20,405x3 + 135,91x2 – 128,59x + 138,19 (1) R² = 0,9965 ( độ tin cậy) với y (hiệu suất) và x là tốc độ xử lý

T ừ phương trình (1) ta chọn chọn các thông số xử lý tốt nhất như sau: Điện áp U=110V, cường độ dòng điện I=1A nếu tốc độ xử lý V= 0,8 m/ph

2.4 Đánh giá ảnh hưởng của thay đổi cường độ dòng điện I đến hiệu suất khử trùng

c ủa plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn

Hình 8 là k ết quả của hiệu quả xử lý vi khuẩn của 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 quả cũng chỉ

ra r ằng cường độ dòng plasma càng lớn, hiệu quả xử lý càng cao Với hiệu suất xử lý tăng nhanh trong kho ản cường độ 0,5-1,5A và sau đó bão hòa Thí nghiệm chỉ ra rằng, với cường

độ dòng điện 2A, thì hiệu suất xử lý là 100%

Hình 8 Đường hiệu suất diệt khuẩn ứng với sự thay đổi cường độ dòng điện

T ừ kết quả thí nghiệm, độ ảnh hưởng của cường độ dòng plasma đến hiệu suất khử trùng c ủa plasma lạnh lên khăn ướt phủ khuẩn được biểu diễn bằng 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) và x cường độ dòng điện

T ừ phương trình (2), đạt hiệu suất 100% nên ta được các thông số xử lý như sau: Điện áp U=110V, cường độ dòng điện I = 2A với tốc độ xử lý không đổi V= 0,8 m/ph là kết quả tối ưu

2.5 Đánh giá kết quả mô hình

Mô hình này qua th ử nghiệm hoạt động tốt với điện áp U=110V, cường độ dòng điện I

= 2,5A v ới tốc độ xử lý không đổi V= 0,8 m/ph là kết quả tối ưu Từ mức cường độ dòng điện

I = 2,5A tr ở lên với điện áp U=110V và tốc độ xử lý không đổi V= 0,8 m/ph thì hiệu quả diệt khu ẩn đạt đến 100% không thay đổi khi tăng cường độ dòng điện Nên chỉ cần chỉnh tới I=2,5

A là đạt hiệu quả

3 K ẾT LUẬN

D ựa trên những kết quả đã nghiên cứu trên có một số kết luận như sau:

- Khi điều chỉnh các thông số cường độ dòng, tốc độ để xử lý plasma nâng cao được

hi ệu quả khử khuẩn

- Mô hình thi ết bị sử dụng nguồn điện áp U=110V và cường độ dòng điện I= 2,5A với

t ốc độ xử lý V= 0,8 m/ph cho kết quả tối ưu

- Mô hình thi ết bị trên không sử dụng hóa chất để bảo quản khăn ướt, không ảnh hưởng

đến sức khỏe người dùng

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] https://vi.wikipedia.org/wiki/ch ất_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] Nguy ễn Đức Long, luận văn tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo hệ thống xử lý nước thải y tế công su ất 05m3/ngày b ằng công nghệ Plasma” - Đại học SPKT TP HCM, 2012

[6]

http://technologyinscience.blogspot.com/2011/11/cfu-colony-forming-unit-calculation.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-sinh-vat.html

[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Polynomial_regression

THÔNG TIN C ỦA TÁC GIẢ

1 Tr ần Ngọc Đảm Trường ĐHSPKT TP HCM damtn@hcmute.edu.vn 0947760123

2 Thái Văn Phước Trường ĐHSPKT TP HCM phuoctv@hcmute.edu.vn 0907504297

3 Nguy ễn Long Phụng Trường ĐHSPKT TP HCM longphungckm@gmail.com 0933580721