پرتوفرآوري کاربردهاي آن

[MR_Jentelman]

پرتوفرآوري عبارتست از استفاده از منابع پرتوزا با انرژي زياد در مقياس صنعتي که بر مبناي توانايي و ويژگيهاي اين منابع در توليد عوامل واکنش گر در مواد مورد فرآوري اقدام مورد نظر معمول مي گردد.
http://img.tebyan.net/big/1388/11/4621352512249153631245712611314425523712.jpg


اين کاربردها بيشتر شامل پرتودهي مواد غذايي، سترون سازي محصولات پزشکي، ضد عفوني کردن مواد بهداشتي، کنترل و يا ريشه کني حشرات موذي، بهبود کيفيت پلاستيک ها، کامپوزيت شامل پليمريزاسيون، کراسلينک و تخريب در پلاستيک ها، عايق ها و کابل ها، رنگ ها، تايرها و ساير ابزار اتوموبيل مي گردد. پرتو گاما در واقع مانند خيلي از پرتوهاي ديگر نوعي از انرژي الکترومغناطيسي محسوب مي شود. پرتو گاما، اشعه ايکس، ماوراء بنفش مرئي، مادون قرمز، امواج ديگر يا کهموج، امواج راديويي و تلويزيوني همه از فرم هاي تابش يا انرژي الکترومغناطيس هستند. تنها وجه متمايز بين تمام اين فرم ها، فقط ميزان انرژي است که هريک از اين امواج يا پرتوها با خود حمل مي کنند.
انرژي آفتاب به منظور محافظت و خشک کردن انواع مواد غذايي براي قرن ها مورد استفاده قرار مي گرفته است. در سالهاي اخير از اشعه مادون قرمز و ميکروويو هم براي حرارت و پختن مواد غذايي استفاده شده است. کوره هاي ميکروويو هم براي حرارت دادن و پختن مواد غذايي استفاده شده است. کوره هاي ميکروويو در آشپزخانه منازل و رستوران ها به وفور استفاده مي شوند. امروزه کاربري پرتوهاي پر انرژي، پايه و اساس تکنولوژي پرتوفراوري را براي محصولات پزشکي، بهداشتي و مواد غذايي تشکيل مي دهند. پرتو گاما در طيف امواج الکترومغناطيسي با بالاترين انرژي و طول موج کوتاه و بيشترين پتانسيل نفوذ که معمولا انرژي فوتون هاي آن بزرگتر ازKeV 100 مي باشند. پرتوگاما توسط آب، بتن و مخصوصا مواد داراي چگالي بالا مثل اورانيم و سرب متوقف مي گردد. دو مورد آخر از جمله موادي هستند که به عنوان حفاظ براي اين پرتو مورد استفاده قرار مي گيرند. انرژي فوتون هاي گاماي حاصل از واپاشي کبالت-60، 1.3 ميليون مرتبه بيشتر از انرژي فوتون هاي نور مرئي است. اين انرژي زياد، پتانسيلي را در اختيار پرتو گاما قرار مي دهدکه آنرا قادربه سترون سازي (sterilization )مواد مي سازد، اما در عين حال آنقدر زياد نيست که بتواند آنها را راديواکتيو نمايد. در حال حاضر سترون سازي مواد، بسته بندي هاي محصولات غذايي، مواد اوليه آرايشي و محصولات پزشکي( متجاوز از 50%)با استفاده از اين فناوري انجام مي پذيرد.
http://img.tebyan.net/big/1388/11/243270200210120102184224501585184137195166.jpg
کاربردهاي پرتوفرآوري


فرآوري پرتوها مدتهاست که به صورت عمومي و تجاري مورد استفاده قرار گرفته است. استفاده از کبالت-60 براي پرتو گاما، باريکه هاي الکتروني، اشعه ايکس همه براي سترون سازي وسايل، سرنگ ها، دستکش ها و لباسهاي اطاق عمل با استفاده از تکنيک هاي پرتوفرآوري انجام مي شود. در صنايع براي نگهداري طولاني مدت محصولات غذايي، دارويي، آرايشي، بهداشتي، از پرتوفرآوري بهره گرفته مي شود.

کاربردهاي مهم پرتوفرآوري عبارتند از:


• سترون سازي محصولات پزشکي، غذايي و بهداشتي در بسته بندي ها و مواد پسمان از طريق حذف باکتري ها و ميکروب ها.
• حشره زدايي و حذف جانوران موذي از محصولات کشاورزي
http://img.tebyan.net/big/1388/11/9855145291989325212412521421392237138252254.jpg
• فرآوري مواد پليمري جهت بهبود خواص فيزيکي و مکانيکي
مزاياي کاربردهاي پرتوفراوري در مقايسه با روش هاي ديگر عبارتند از:
• قابليت تنظيم دقيق دز و قدرت نفوذ پرتو گاما در مواد مورد نظر
• امکان توزيع يکنواخت دز در فرآيند سترون سازي
• کنترل ساده روش پرتو فرآوري
• قابليت سترون سازي محصولات بسته بندي شده با پوشش هاي مختلف
• سرعت و امکان استفاده محصول بلافاصله پس از فرآيند
• بررسي قابليت هاي انعطاف کاربري سيستم
• مکانيسم ذاتي کشندگي ميکروارگانيسم ها، توسط پرتوها بدون ايجاد پسمان و يا پرتوزايي
• بررسي اقتصادي بودن فرآيند
روش سترون سازي توسط پرتودهي بسيار موثر است، چرا که پرتوها به داخل محصولات بسته بندي شده نفوذ کرده و حتي از ميان آنها عبور مي کنند بدون آنکه هيچ باقيمانده ناخواسته اي بجا گذارند.
محصولات با فرم هاي فيزيکي پيچيده و سطح زياد مثل سرنگ ها، و تجهيزات متنوع پزشکي و جراحي در درون بسته هاي خود استريل شده و بلافاصله پس از فرآيند آماده مصرف هستند. به علاوه تاثير پرتودهي در حذف باکتري هاي مواد گياهي خيلي موثرتر از روش هاي حرارتي يا شيميايي است. براي مثال مواد گياهي که در داروسازي و مواد آرايشي بکار مي روند، اکثرا حاوي باکتريهاي زيادي مي باشند که در سترون سازي حرارتي تاثير آن در مدت کوتاهي از بين مي رود. در صنايع اتوموبيل سازي از پرتوفرآوري براي بهبود خواص فيزيکي اجزاء پليمري اتوموبيل ها مثل روکش کابل ها و يا شيلنگ ها استفاده مي شود.

[MR_Jentelman]

مکانیسم پرتوفرآوری




در پرتوفرآوری از اشعه پر نفوذ، گاما ناشی از چشمه های بسته پرتوزا و یا از باریکه الکترون های پر انرژی استفاده می شود. این پرتوها تقریبا با سرعت نور حرکت کرده و طی برخوردها و بمباران اهداف، باکتری ها را در محصولات و در داخل بسته بندی های خود از بین می برند. بدین طریق محصولات پرتودهی داده شده تا زمان باز کردن بسته بندی ها استریل باقی می مانند.

پرتوهای ایکس و گاما و باریکه های الکترونی عینا شبیه مکانیزم اثر یونیزاسیون، محصولات را استریل می کنند. تنها تفاوت بین پرتودهی با الکترون ها و سایر روش های پرتودهی در عمق نفوذ آنهاست. از آنجاییکه الکترون ها دارای جرم و بار هستند، لذا عمق نفوذ آنها بسیار کمتر از پرتوهای گاما یا ایکس فاقد بار الکتریکی و تقریبا بدون جرم هستند. به عنوان مثال در این فرآیند عمق ماده مورد فرآوری بین 8 سانتیمتر تا 100 سانتیمتر می تواند متفاوت باشد. بر این اساس در کاربرد باریکه های الکترونی لازم است محدودیت هایی را در مورد اندازه و ابعاد جعبه های محصول رعایت نمود در حالیکه با اشعه گاما می توان محصولات با چگالی و یا حجم بیشتر را نیز پرتودهی نمود.
http://img.tebyan.net/big/1388/11/1222201421316230781061021368966197230244.jpg (http://www.tebyan.net/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1388/11/6319111290181501542241251596515819518162183.gif)
انرژی حمل شده در پرتوها، یا باریکه الکترون ها به اتم های محصول مورد تابش توسط برخورد این پرتوها یا الکترونها با ماده، منتقل می شود. در اثر این تصادم ها، اتم ها، الکترون های پیوندی خود را از دست می دهند که اصطلاحا به آن یونیزاسیون گفته می شود.
همین فرآیند است که نتیجه آن عدم تقسیم سلولی و تخریب غیر قابل بازگشت تداوم زندگی از نظر ساختار شیمیایی ارگانیسم های زنده می شود.
در واقع مبنای عمل پرتوفرآوری توانایی تولید زیاد کاتیون ها، آنیون ها، رادیکال های آزاد و عوامل واکنش گر می باشد. طی این فرآیند واکنش های بسیار متعدد و متنوع اتفاق می افتند.
لازم به ذکر است که چشمه های پرتو گاما مانند نور معمولی که از درون لامپ های بسته شده به بیرون درخشش می کنند، این پرتوها نیز از درون لوله یا محفظه فلزی کاملا بسته شده، به بیرون درخشش می کنند، این پرتوها نیز از درون لوله یا محفظه فلزی کاملا بسته شده، به بیرون نفوذ می کنند، ولی نحوه پخش پرتوها در محیط مورد نظر بستگی به شکل هندسی چشمه ها و آرایش آنها دارد. بسته بندی های این چشمه ها دو لایه بوده و بنحوی است که قابلیت استفاده آن در طول عمر مفیدش کاملا میسر باشد. پرتودهی چشمه های رادیواکتیو بر خلاف لامپ های نور مرئی، برای چشم انسان غیر مرئی است، ولی بسیار نفوذپذیر است. لذا در زمان هایی که از آن استفاده نمی شود می بایست کاملا تحت حفاظ مناسب مثل آب، بتن یا سرب قرار گیرد.
چشمه های پرتوزا بازهم برخلاف لامپ نور مرئی به نیرویی که از خارج به آن وارد شود نیاز ندارد ولی به تدریج قدرت تشعشع یا درخشش غیرمرئی آن با گذشت زمان کاهش می یابد. به عنوان مثال پرتوزایی یک چشمه معمولا با نصب و تغییر رنگ شاخص پرتودیدگی روی محصول مورد پرتوفرآوری، انجام فرآیند، روی آن مشخص می شود تغییر رنگ البته نشاندهنده کیفیت فرآیند، محسوب نمی گردد.
http://img.tebyan.net/big/1388/11/195165169184144861602816511225197168160176242.jpg
پرتوفرآوری مواد غذایی


استفاده از پرتوهای یونیزه کننده راه دیگری است در مقابل روش های شیمیایی برای نگهداری مواد غذایی که کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. برای اولین در دهه 1920 یک دانشند فرانسوی کشف کرد که پرتودهی می تواند برای طولانی کردن عمر مواد غذایی و نگهداری آن مورد استفادده قرار گیرد. این روش طی جنگ جهانی دوم بطور گسترده به کار گرفته شد. امروزه فضانوردها عمدتا از غذاهای پرتو داده شده طی ماموریتشان در فضا استفاده می کنند.
http://img.tebyan.net/big/1388/11/231102138363916252232133155188931953296228.jpg (http://www.tebyan.net/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1388/11/921381392486574183233892922517283224239175.jpg)
ایده استفاده از تابش یونساز با انرژی بالا برای نگهداری از مواد غذایی حدود 50 سال است که مطرح شده است. اهمیت اقتصادی این کاربرد با توجه به این مسئله بخوبی روشن می شود که در بسیاری از کشورها، 20 درصد مواد غذایی به علت نگهداری نامناسب و کمبود امکانات نگهداری، از بین می رود. تابش همچنین قادر است حشرات، انگل ها و عوامل بیماری زا را نابود کرده و مدت نگهداری مواد غذایی چون مرغ و ماهی و میوه های تازه را افزایش دهد در عین حال که خواص غذایی آنها نیز بدون تغییر باقی بماند.

[MR_Jentelman]

در قسمت قبل با پرتوفرآوری مواد غذایی آشنا شدیم، در این قسمت به معرفی هرچه بیشتر و روشهای آن می پردازیم:


نگهداری مواد غذایی بوسیله پرتو، سبب می شود که از ضد عفونی کننده ها استفاده نشود، چون این مواد نه تنها سمی بوده بلکه در دراز مدت سبب سرطان زایی نیز می شوند.
http://img.tebyan.net/big/1388/11/246395158123762501271382181317121798116151.jpg
با وجود مطالعات و آزمایش های فراوانی که انجام شده است، این کاربرد همچنان محدود مانده است. علت اولیه آن هم احتیاط های بسیار زیادی است که آژانس های نظام ایمنی در رابطه با روندهای مربوط به پرتودهی در پیش می گیرند و البته هر چه قدر هم که این فرآیندها بیشتر به مربوط به تغذیه انسانی باشد، این احتیاط ها بیشتر می شود. همچنین می بایست انرژی و میزان دز مربوطه کاملا تعدیل شود تا از اثرات جانبی ناخواسته حاصل از واکنش های رادیو شیمیایی که می تواند طعم و خواص محصولات را تغییر دهد اجتناب گردد.
در واقع پرتوفرآوری مواد غذایی، فرآیندی را توصیف می کند که در آن از کاربرد پرتوهای یونیزه کننده می توان میکروارگانیسم های مضر و مسئول انتقال بیماری ها را کشت و از اتلاف مواد غذایی در اثر اشاعه جوانه زدن، کپک زدن و زنگ زدن(گیاهی) کاست.
پرتودهی می تواند همچنین برای از بین بردن حشرات قرنطینه ای در محصولات حجیم صادراتی مانند حشره میوه در میوه جات مناطق گرمسیری بکار گرفته شود.
پرتودهی در مورد استفاده ممکن است پرتو گاما، اشعه ایکس یا جریانی از الکترون های در حال حرکت به صورت باریکه الکترون باشند، که تقریبا سرعت نور را دارند. اینها همه چشمه های تولید انرژی بالا هستند، که در از بین بردن باکتری های از طریق یونیزاسیون عینا مثل هم عمل می کنند. منظور از پرتودهی مواد غذایی استریل کردن آن نیست بلکه کاهش میکروارگانیسم های مضر تا حدی است که برای مصرف کننده خطری را در برنداشته باشند. این در واقع همان اصلی است که در پاستوریزه کردن شیر با استفاده از حرارت دادن بکار می رود. لذا فرآیند مواد غذایی با پرتودهی غیر حرارتی گاهی پاستوریزه کردن سرد یا پاستوریزه کردن الکترونی (در صورت استفاده از باریکه الکترون ها به عنوان منبع انرژی) گفته می شود.

برای مثال گوشت ها و سایر مواد غذایی با مبدا حیوانی، طی پرتودهی، باکتری هایی که سبب فساد آن و پیدایش امراض گوناگون مثل مسمومیت سالمونلا می شود، از بین می روند. لذا کاربرد این روش، تامین غذای سالمتر و تضمین نگهداری طولانی تر را فراهم می آورند.


به علاوه پرتودهی از ایجاد برآمدگی ها یا دگمه های روی برخی از میوه ها یا سایر محصولات، که سبب رسیدن زود هنگام آنها می شوند، جلوگیری می کند. نتیجه آن تازه ماندن میوه ها و سبزیجات است که قبل از رسیده شدن برای مدت طولانی می توانند در انبار باقی بمانند.
بدیهی است که هر محصول غذایی نمی تواند پرتودهی و به بازار عرضه شود. در کشورهای آمریکایی و اروپایی مقرراتی وجود دارد که طبق آن پرتودهی یک محصول و میزان بیشینه و کمینه آنرا تعیین می کنند. به اضافه مراکزی که پرتودهی یک محصول و میزان بیشینه و کمینه آنرا تعیین می کنند. به اضافه مراکزی که پرتودهی مواد غذایی را انجام می دهند باید مجوز رسمی داشته باشند. در انگلستان هفت دسته از مواد غذایی قابل پرتودهی هستند و از بین این دسته ها، برای ادویه جات دزهای بالاتری اعمال می شود. در فرانسه، بلژیک و هلند محصولات غذایی بیشتری پرتودهی می شوند، مثل گوشت مرغ بدون استخوان، صدف، ماهی، فرآورده های خونی، پنیر غیر پاستوریزه و فرآورده های تخم مرغی.
http://img.tebyan.net/big/1388/11/1902542431691418158202162795689271213739.jpg
شرایط مهم و موثر در پرتودهی مواد غذایی ممکن است شامل، درجه حرارت پرتودهی، PH مواد غذایی، خلوص هوا در زمان بسته بندی مواد غذایی، مقدار آب و نوع میکروارگانیسم های احتمالی موجود باشد. مسلما هر یک از این عوامل و روشهای پرتودهی و مخصوصا انرژی و دز منتقل شده باید مورد توجه و تحقیق قرار گیرند.
روش های پرتوفرآوری مواد غذایی


فنون و تکنیک های پرتودهی با پرتوفرآوری خیلی حائز اهمیت هستند مخصوصا اگر قرار باشد صادرات به کشورهایی با اقلیم گرم و مرطوب باشد جایی که غذا بخاطر درجه حرارت بالا می تواند به سرعت فاسد شود. پرتودهی مواد غذایی با شتاب دهنده الکترونی (پرتوفرآوری بتا) و پرتو یونیزه کننده از چشمه های دیگری مثل رادیوایزوتوپ های کبالت-60، سزیم-137 صورت می گیرند. اشعه ایکس هم گاهی اوقات به همین منظور مورد استفاده قرار می گیرد.هیچ یک از این چشمه های پرتوزای مورد استفاده که در بالا نام برده شدند، به اندازه ای انرژی ندارند که طی فرآیند پرتودهی، مواد غذایی مورد تابش را فعال یا پرتوزا نمایند.

[MR_Jentelman]

روش های پرتوفرآوری مواد غذایی




فنون و تکنیک های پرتودهی با پرتوفرآوری خیلی حائز اهمیت هستند مخصوصا اگر قرار باشد صادرات به کشورهایی با اقلیم گرم و مرطوب باشد جایی که غذا بخاطر درجه حرارت بالا می تواند به سرعت فاسد شود. پرتودهی مواد غذایی با شتاب دهنده الکترونی (پرتوفرآوری بتا) و پرتو یونیزه کننده از چشمه های دیگری مثل رادیوایزوتوپ های کبالت-60، سزیم-137 صورت می گیرند. اشعه ایکس هم گاهی اوقات به همین منظور مورد استفاده قرار می گیرد.هیچ یک از این چشمه های پرتوزای مورد استفاده که در بالا نام برده شدند، به اندازه ای انرژی ندارند که طی فرآیند پرتودهی، مواد غذایی مورد تابش را فعال یا پرتوزا نمایند.

http://img.tebyan.net/big/1388/12/122159216113197739720523719367121972115101.jpg
پرتوفرآوری در کاربردهای مختلف در محدوده دزهای متفاوتی اعمال می شود:
• دز کم تا 1kGy برای جلوگیری از رسیدگی زودرس میوه ها و سبزیجات، کنترل برخی از باکتری ها در گوشت، کنترل حشرات در غلات
• دز متوسط 1-10 KGy تخریب باکتری در گوشت از جمله سالمونلا، شیجلا، پرسینیا و جلوگیری از رشد کپک در میوه ها.
• دز بیش از 10 برای از بین بردن حشرات و باکتری ها در ادویه جات، سترون سازی مواد غذایی.
در مراکز پرتودهی مواد غذایی، یک سیستم نقاله ای یا یک سیستم انتقال دهنده دیگری هست که مواد غذایی را به محل چشمه پرتوزا نزدیک می کند به نحوی که کارگران ملزم به مجاورت با چشمه نباشند. چشمه یک بسته بندی ویژه دارد که خیلی شبیه به یک مداد با قطر حدود یک سانتیمتر می باشد. در جایی که پرتودهی در آنجا انجام می پذیرد با دیوارهای سیمانی حفاظ گذاری می شود که از خروج پرتوها به بیرون جلوگیری کند.
گرچه ریسک پرتوگیری در اینجا به مقدار قابل ملاحظه ای کمتر از راکتورهای هسته ای است، ولی به هر حال وقتی که چشمه پرتوزا در حال استفاده نیست، آنرا در زیر استخر آب نگهداری می کنند. این امر کمک می کند که پرتوهای ساطع شده نتوانند به بیرون از محیط نفوذ کنند. ولی هیچ فرآیندی نیست که مواد غذایی را از فاسد شدن کاملا حفظ کند.
مراکز پرتو فرآوری مواد غذایی معمولا توسط مسئولین رسمی و بهداشتی و ایمنی شغلی کشور نظارت می شوند، بنحوی که صحت عملیات پرتودهی و اطمینان از ایمنی شرایط کار برای شاغلین و ساکنان محل فراهم باشد. بر اساس بررسی های انجام شده از نظر اقتصادی پرتودهی مواد غذایی در یک دید کلی برای منظورهای ذکر شده در بالا 2 تا 7 صدم دلار برای هر کیلو هزینه خواهد داشت. این هزینه در مقایسه با سایر روشها به اضافه حفظ کیفیت محصول و تلفات کمتر آن کاملا، با صرفه بیشتر همراه خواهد بود. شکل زیر به کارگیری چشمه های گاما را در پرتوفرآوری مواد غذایی نشان می دهد.
http://img.tebyan.net/big/1388/12/961401311321617324516219910413313165414126.jpg (http://www.tebyan.net/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1388/12/5718262012554181932161381621918160176240.gif)
در پاسخ به اینکه مواد غذایی پرتودهی شده مشکل دیگری را ایجاد می کنند یا خیر؟ گفته می شود که در پرتوفراوری گاما احتمالا بیشترین تحقیق در مورد روش های پرتودهی که متصور است انجام شده در مقابل نتایج این تحقیقات، پیشنهاداتی ارایه شده است که امروزه منجر به مقررات ویژه ای گردیده است. اکنون این مقررات جهانی مدعی است که این روش ها ایمن ترین و موثرترین روشهای شناخته شده و یا به عبارتی پاستوریزه کردن مواد غذایی محسوب می گردند.
از قرن نوزدهم قوانین و مقرراتی وجود داشته است که مخصوصا حفاظت از سلامت محصولات بومی را از حشرات و آفت های غیر بومی شدیدا مورد توجه داشته است. در آمریکا قانون و مقررات قرنطینه ای از سال 1912 وجود داشته است. این قانون نه تنها در آمریکا چندین بار اصلاح و توسعه یافته است بلکه اکنون در سطح جهان بر اساس تکنولوژی های پیشرفته و مسایل روز تدوین و اجرا می شود.
در اینجا شاید مناسب باشد به این سوال عمومی که چه تفاوتی بین جسم آلوده شده و پرتودیده وجود دارد هم توضیح داده می شود.
آلودگی عبارتست از آمیختگی و تماس انتقال ماده رادیواکتیو به یک جسم که مقدار آن قابل اندازه گیری باشد. چنین جسمی خود به عنوان یک چشمه رادیواکتیو محسوب شدده و باید حفاظت شده و از دست زدن به آن خودداری گردد. زیرا تماس آن با هر جسم دیگری آنرا هم ممکن است آلوده نماید.
http://img.tebyan.net/big/1388/12/1086121418013117016514023348119237701531896.jpg (http://www.tebyan.net/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1388/12/2916041272171209114713512317513316744125122.jpg)
یک جسم پرتو دیده (به عنوان مثال توسط کبالت-60) فقط پرتو به آن تابیده شده است و هیچ تماس یا برداشتی از ماده رادیواکتیو نداشته است. لذا این جسم بدون هیچ نوع اشکال و یا خطری می تواند مثل هر جسم معمولی دیگری (از نظر پرتوزایی) مورد استفاده قرار گیرد.