เทคโนโลยีฟองแก๊สระดับอนุภาคคืออะไร?

            บับเบิล หรือฟอง เป็นลักษณะของแก๊สที่กระจายอยู่ในของเหลว ภายในฟองอาจเป็นอากาศหรือแก๊สอื่น ๆ ก็ได้ โดยปกติแล้ว ฟองเหล่านี้จะมีความเสถียรต่ำ เนื่องจากความหนาแน่นของแก๊สต่ำกว่าของเหลว จึงทำให้ฟองขนาดใหญ่มักลอยขึ้นสู่ผิวของของเหลวและแตกออกอย่างรวดเร็ว แต่เมื่อฟองเหล่านี้ ถูกลดขนาดจนมีระดับอนุภาคไมโคร-นาโน ความเสถียรจะเพิ่มขึ้น โดยหากมีขนาดต่ำกว่า 100 ไมโครเมตร จะเรียกว่า ฟองระดับอนุภาคไมโคร (Microbubble) หรือ fine bubble(1)  และเมื่อขนาดลดลงจนต่ำกว่า 1 ไมโครเมตร จะถูกเรียกว่า ฟองระดับอนุภาคนาโน (Nanobubble) หรือ ultra fine bubble(1)  ที่มีความเสถียรกว่าเดิมมาก โดยอาจมีความเสถียรได้ในระดับสัปดาห์หรือเป็นเดือน ๆ(2) ในขณะที่ฟองที่มีขนาดใหญ่กว่า มีความเสถียรอยู่ในระดับวินาทีเท่านั้น เมื่อแก๊สที่กระจายตัวในของเหลวมีความเสถียรมากขึ้น สมบัติของระบบก็จะมีความแตกต่างออกไป เช่น สามารถขนส่งแก๊สในรูปแบบฟองแก๊สระดับอนุภาคที่กระจายอยู่ในของเหลวได้ปริมาณมากขึ้น (increase gas mass transfer), มีพื้นที่ผิวสัมผัสของฟองแก๊สที่มากขึ้น ทำให้การเกิดปฏิกิริยาบริเวณพื้นผิวระหว่างแก๊ส-ของเหลวมากขึ้น, เมื่อฟองขนาดเล็กแตกออก จะเกิดขึ้นพลังงานขนาดเล็กที่ทำให้เกิดอนุมูลอิสระขนาดเล็กที่สามารถเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้เร็วมาก เป็นต้น(3)  นอกจากนี้ การที่ฟองแก๊สมีความเสถียรมากขึ้น ยังทำให้สามารถห่อหุ้มแก๊สที่ไวต่อการเกิดปฏิกิริยา(เช่น แก๊สโอโซน) ไว้ในของเหลว เพื่อไม่ให้แก๊สนั้นเกิดปฏิกิริยากับอากาศได้อีกด้วย ทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวสามารถนำไปประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ได้หลายอย่าง สำหรับในที่นี้จะยกตัวอย่างเฉพาะการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมอาหารขึ้นมาให้พอเห็นภาพการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้

เทคโนโลยีฟองแก๊สระดับอนุภาคมีประโยชน์อย่างไร?

            เทคโนโลยีฟองแก๊สระดับอนุภาคมีประโยชน์ในหลาย ๆ ด้าน ตั้งแต่การเริ่มผลิตวัตถุดิบในภาคการเกษตร กระบวนการผลิตอาหารไปจนถึงการจัดการกับของเสียในอุตสาหกรรมอาหาร หรือเรียกได้ว่าครอบคลุมทั้งห่วงโซ่อุปทานของอุตสาหกรรมอาหารทั้งระบบ

            1.การผลิตวัตถุดิบ (การเกษตร ปศุสัตว์และประมง)

            มีรายงานวิจัยว่าเทคโนโลยีฟองแก๊สระดับอนุภาคสามารถเพิ่มประสิทธิภาพให้กับการเกษตร เช่น การช่วยให้เมล็ดงอกและเติบโตได้ดีขึ้น โดยผลการศึกษา(3) พบว่าการใช้ฟองแก๊สระดับอนุภาคเติมแก๊สลงในน้ำที่ใช้ทำการเกษตร (เช่น แก๊สไนโตรเจน แก๊สออกซิเจน แก๊วคาร์บอนไดออกไซด์) สามารถเพิ่มอัตราการงอกได้ 6-25% ในผักกาด แครอทและถั่วปากอ้า เนื่องจากฟองแก๊สระดับอนุภาคทำให้เกิดอนุมูลอิสระที่ช่วยทำให้ผนังเซลล์ของเมล็ดนิ่มลง พืชจึงสามารถงอกได้ดีขึ้น รวมถึงช่วยในการเจริญเติบโตของพืช จากการเพิ่มแหล่งอาหารที่พืชต้องการอย่างไนโตรเจน ออกซิเจนและคาร์บอนอีกด้วย ในอีกงานศึกษาหนึ่ง(4) พบว่าการใช้ฟองแก๊สระดับอนุภาคสามารถลดปริมาณน้ำและปุ๋ยที่ใช้ในการปลูกแตงโมและมัสก์เมลอนได้สูงสุดถึง 20% รวมถึงการเพิ่มปริมาณผลผลิตและวิตามินซีในผลผลิตอีกด้วย

            เช่นเดียวกับในการประมง พบว่าการใช้ฟองแก๊สระดับอนุภาคช่วยเพิ่มผลผลิตได้ จากการเพิ่มแก๊สที่จำเป็นต่อการเจริญของสัตว์น้ำอย่างออกซิเจน รวมถึงขจัดสิ่งสกปรกในน้ำด้วยอนุมูลอิสระที่เกิดเมื่อฟองแก๊สระดับอนุภาคเกิดการแตกตัว ทำให้สามารถเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตของสัตว์น้ำเช่น กุ้ง(5) และปลานิล (6)ได้ นอกจากนี้ ฟองแก๊สระดับอนุภาคอาจใช้ในการเพิ่มผลผลิตทางอ้อมอย่างการเพิ่มปริมาณจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ต่อการทำปศุสัตว์และการประมงได้ ทำให้สัตว์มีการเจริญเติบโตที่ดี มีภูมิคุ้มกันที่มากขึ้น และลดอัตราการเกิดโรคหรือติดเชื้อของสัตว์ได้ เช่นกลุ่มของจุลินทรีย์ Bacillus, Thiobacillus, Saccharomyces (yeast) และ Tetraselmis sp. (micro-algae) เป็นต้น (7) 

            2.การขจัดสิ่งเจือปนวัตถุดิบและพื้นผิว

            ฟองขนาดเล็กทั้งระดับไมโครและระดับนาโนเหล่านี้สามารถช่วยทำให้ลดการปนเปื้อน (contamination) ในอุตสาหกรรมอาหารได้ทั้งในแง่เคมี ชีวภาพ และเชิงกายภาพ โดยอาจใช้ในวัตถุประสงค์การขจัดสารเคมีในน้ำสำหรับใช้งานในการล้างวัตถุดิบ การขจัดสิ่งเจือปนบนพื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง บริเวณที่สัมผัสอาหาร (อ่านเพิ่มเติม)  หรือช่วยขจัดสิ่งเจือปนที่ติดมากับวัตถุดิบ โดยการขจัดสิ่งเจือปนของฟองขนาดเล็กเหล่านี้ ประกอบด้วยหลายกลไก เช่น การสร้างอนุมูลอิสระจากการแตกของฟองแก๊ส (นิยมใช้แก๊สโอโซนที่มีฤทธิ์ออกซิเดชันสูง) ทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันต่อสารเคมี เช่น ยาฆ่าแมลง (8) รวมถึงช่วยในการฆ่าเชื้อจุลินทรีย์(9)  และขจัดไบโอฟิล์ม (10)  (biofilm) ของจุลินทรีย์ได้อีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวน้ำที่มีฟองแก๊สโอโซนขนาดเล็กกระจายอยู่ จะสามารถแทรกซึมเข้าสู่พื้นผิวที่ขรุขระหรือเป็นซอกมุมได้ดีกว่า เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ช่วยทำให้การพาแก๊สเข้าสู่จุดหมายที่ต้องการมีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ ยังกลไกทางกายภาพอื่น ๆ ในการขจัดสิ่งเจือปน อาทิ การแตกของฟองเกิดแรงทำให้สิ่งเจือปนหลุดจากพื้นผิว หรือความสามารถในการดูดซับสิ่งเจือปนที่ไม่ชอบน้ำ (เช่น คราบน้ำมัน) บนพื้นผิวของฟอง ทำให้เกิดเป็นฟิล์มไขมันที่แยกออกจากพื้นผิวที่ต้องการทำความสะอาดได้ง่าย (11) 

            สำหรับในวัสดุที่ทำความสะอาดได้ยากเช่น ระบบเมมเบรน (membrane) สำหรับกรองน้ำบริโภค ซึ่งมักเกิดการอุดตัน (fouling) การใช้ฟองอากาศระดับอนุภาคนาโนจะสามารถช่วยขจัดอนุภาคที่ทำให้เกิดการอุดตันได้ (2) และช่วยทำให้สิ่งเจือปนกลุ่มเกลือเกิดการตกตะกอนได้ง่ายขึ้น ทำให้อนุภาคที่ทำให้เกิดการอุดตันมีปริมาณน้อยลงและความเสี่ยงของการอุดตันน้อยลงไปด้วยในระยะยาวโดยไม่ต้องใช้สารเคมี

           นอกจากการทำความสะอาดหรือฆ่าเชื้อด้วยตัวมันเองแล้ว ฟองแก๊สระดับอนุภาคยังช่วยส่งเสริมในขั้นตอนขจัดสิ่งเจือปนอื่น ๆ ให้ขั้นตอนนั้น ๆ มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้อีกด้วย เช่น การกรองน้ำด้วยถ่านกัมมันต์ การใช้ฟองแก๊สระดับอนุภาคจะเพิ่มอัตราเร็วในการดูดซับตะกั่วของถ่านกัมมันต์ได้สูงถึง 336%  (12)

            นอกจากการใช้ในกลุ่มเกษตรกรรม ปศุสัตว์ ประมง การจัดการวัตถุดิบ รวมไปถึงการใช้ทำความสะอาดและฆ่าเชื้อพื้นผิวต่าง ๆ แล้ว เทคโนโลยีฟองแก๊สระดับอนุภาค ยังสามารถใช่ในการยืดอายุผลิตภัณฑ์อาหาร การเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการผลิตอาหาร ไปจนถึงการบำบัดน้ำเสียได้อีกด้วย ซึ่งเราจะมาเรียนรู้กันต่อกันในบทความถัดไป

            บริษัท อิโตะ (ไทยแลนด์) ขอนำเสนอเทคโนโลยีในการผลิตฟองแก๊สระดับอนุภาคสิทธิบัตรเฉพาะจากญี่ปุ่น สำหรับอุตสาหกรรมอาหาร อุตสาหกรรมอื่น ๆรวมถึงการใช้งานระดับครัวเรือน หากท่านสนใจเทคโนโลยีฟองแก๊สระดับอนุภาคสามารถ ติดต่อเรา เพื่อปรึกษา เรียนรู้และนัดหมายเพื่อทดสอบผลิตภัณฑ์ได้ทันที

เอกสารอ้างอิง

1.Fan, W., Li, Y., Lyu, T., Chen, Z., Jarvis, P., Huo, Y., … & Huo, M. (2023). A modelling approach to explore the optimum bubble size for micro-nanobubble aeration. Water Research, 228, 119360.

2.Foundas, A., Kosheleva, R. I., Favvas, E. P., Kostoglou, M., Mitropoulos, A. C., & Kyzas, G. Z. (2022). Fundamentals and applications of nanobubbles: A review. Chemical Engineering Research and Design.

3.Ahmed, A. K. A., Shi, X., Hua, L., Manzueta, L., Qing, W., Marhaba, T., & Zhang, W. (2018). Influences of air, oxygen, nitrogen, and carbon dioxide nanobubbles on seed germination and plant growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 66(20), 5117-5124.

4.He, J., Liu, Y., Wang, T., Chen, W., Liu, B., Zhou, Y., & Li, Y. (2022). Effects of nanobubble in subsurface drip irrigation on the yield, quality, irrigation water use efficiency and nitrogen partial productivity of watermelon and muskmelon. International Agrophysics, 36(3), 163-171.

5.Rahmawati, A. I., Saputra, R. N., Hidayatullah, A., Dwiarto, A., Junaedi, H., Cahyadi, D., … & Rochman, N. T. (2021). Enhancement of Penaeus vannamei shrimp growth using nanobubble in indoor raceway pond. Aquaculture and Fisheries, 6(3), 277-282.

6.Mahasri, G., Saskia, A., Apandi, P. S., Dewi, N. N., & Usuman, N. M. (2018, April). Development of an aquaculture system using nanobubble technology for the optimation of dissolved oxygen in culture media for nile tilapia (Oreochromis niloticus). In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science(Vol. 137, No. 1, p. 012046). IOP Publishing.

7.Fujaya, Y., Aslamyah, S., Rukminasari, N., & Sari, D. K. (2020, April). Nanobubble technology in synbiotics production for animal husbandry and fisheries by the minari small business group. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science(Vol. 492, No. 1, p. 012015). IOP Publishing.

8.Ikeura, H., Hamasaki, S., & Tamaki, M. (2013). Effects of ozone microbubble treatment on removal of residual pesticides and quality of persimmon leaves. Food Chemistry, 138(1), 366-371.

9.Mahakarnchanakul, W., Klintham, P., Tongchitpakdee, S., & Chinsirikul, W. (2015). Using sanitizer and fine bubble technologies to enhance food safety. In FFTC-KU International Workshop on Risk Management on Ahrochemicals through Novel Technologies for Food Safety in Asia(pp. 1-19).

10.Shiroodi, S., Schwarz, M. H., Nitin, N., & Ovissipour, R. (2021). Efficacy of nanobubbles alone or in combination with neutral electrolyzed water in removing Escherichia coli O157: H7, Vibrio parahaemolyticus, and Listeria innocua biofilms. Food and Bioprocess Technology, 14, 287-297.

11.Jin, N., Zhang, F., Cui, Y., Sun, L., Gao, H., Pu, Z., & Yang, W. (2022). Environment-friendly surface cleaning using micro-nano bubbles. Particuology, 66, 1-9.

12.Kyzas, G. Z., Bomis, G., Kosheleva, R. I., Efthimiadou, E. K., Favvas, E. P., Kostoglou, M., & Mitropoulos, A. C. (2019). Nanobubbles effect on heavy metal ions adsorption by activated carbon. Chemical Engineering Journal, 356, 91-97.