来源：Wall-film heterogeneity governs foam-induced detachment of Bacillus spores from stainless steel pipes（Food and Bioproducts Processing）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
泡沫清洗的性能通常以整体流动条件或平均壁面剪切应力来解读，但微生物实际接触的是分隔运动气泡与管壁的液膜。本研究以SDS泡沫（标称气体分数50%）在水平管道中以5.6 cm s⁻¹循环流动，在距发生器1 m和5 m处表征泡沫结构，用导纳法测量顶部、侧壁和底部壁面的液膜厚度，并量化亲水性枯草芽孢杆菌与疏水性蜡状芽孢杆菌孢子从不锈钢试片上的去除效果。研究揭示：相同标称条件下，泡沫在输送过程中的结构演化和重力驱动的周向液膜再分配，导致了截然不同的去除结果。
研究背景
封闭食品加工设备的持续性生物污染是卫生领域的重大挑战，尤其当耐受性细菌孢子黏附于不锈钢表面时。封闭回路的可达性有限，难以确定每个内表面是否获得等效的清洗作用。水基泡沫因此被研究作为替代或补充清洗介质。在就地清洗（CIP）操作中，泡沫处理应被视为一个潜在清洗步骤，而非完整的CIP序列——后者还可能包括预冲洗、化学清洗、中间与最终冲洗以及消毒。泡沫分散的气液结构能将有限的液体体积分布到较大的内表面上，同时运动界面产生瞬态机械与毛细效应，这是单相液体流动所不具备的。已有研究表明，在可比标称条件下，泡沫处理能增强孢子和生物膜的去除。既往研究也确认清洗性能取决于全局操作参数，包括泡沫质量和速度、表面活性剂配方及由此产生的泡沫结构，以及设备几何构型。
研究方法
2.1 实验装置与研究设计
实验装置如图1所示，改编自Dallagi（2022）描述的泡沫流动系统。压缩空气和SDS溶液分别独立计量进入单一泡沫发生器，其中空气通过孔径1至1.6 µm的多孔介质分散到流动的表面活性剂溶液中。产生的泡沫进入横截面为21 × 21 mm的水平透明有机玻璃管道。有机玻璃管道提供光学通道，并使导纳探头能够齐平安装；AISI 316不锈钢试片同样与内壁齐平安装，代表用于孢子黏附和脱附实验的食品接触表面。整个研究维持单一标称泡沫条件，以分离周向壁面位置、壁面液膜状态和输送距离的影响。所有纵向位置均从泡沫发生器出口起算。在上游参考位置（距发生器下游1 m处），表征泡沫结构，测量顶部、侧壁和底部壁面的液膜厚度及时间波动，并在安装于顶部和底部壁面的试片上开展清洗实验。这两个试片位置分别代表薄膜和厚排液层状态。在该位置研究了两种芽孢杆菌菌株（表1）。在距发生器下游5 m处（实验室装置可用的最大直线输送距离）额外开展了枯草芽孢杆菌的泡沫表征和清洗测试，以评估泡沫输送历史的影响。蜡状芽孢杆菌的清洗实验仅限于1 m位置。导纳测量因探头所需电气连接而仅限于1 m位置。纳入单相液体（CIP）参考，以区分泡沫结构的贡献与可比压力梯度衍生机械力的贡献。泡沫通过测试段后收集于废液容器中。
【数据】管道横截面：21 × 21 mm；多孔介质孔径：1–1.6 µm；纵向位置：1 m和5 m；试片位置：顶部和底部壁面；菌株：枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌
2.2 泡沫配方与操作条件
泡沫由十二烷基硫酸钠（SDS，纯度≥98.5%，Sigma-Aldrich）水溶液生成。溶液在去离子水中配制为0.15 wt%，约为临界胶束浓度的两倍，以确保足够界面覆盖并形成适合流动和导纳测量的稳定液膜。溶液平衡表面张力在20 °C下使用KRÜSS DSA30滴形分析仪测定，为34 mN·m⁻¹。液体黏度接近水，在22 °C下μ_L ≈ 1 ± 0.1 mPa·s；溶液密度为997.9 kg·m⁻³，使用电子密度计（Mettler Toledo Density2Go）测量。泡沫通过同时注入空气和表面活性剂溶液产生，各自流速为15 L h⁻¹。因此总体积流量为30 L h⁻¹。在这些条件下，发生器处的标称泡沫质量约为50%，定义为β = Q_G / (Q_G + Q_L)，其中Q_G和Q_L分别为气体和液体流速。压力差使用差压传感器（Schlumberger 8D型；制造商声明精度±0.5%）测量，连接至相距L = 1 m的两个测压口。从积分流向动量平衡计算压力梯度衍生的表观壁面应力描述符：τ̄ = ΔP·d_h / (4L)，其中ΔP为实测压力差。在所选泡沫流动条件下，τ̄约为6 Pa。
【数据】SDS浓度：0.15 wt%；SDS纯度：≥98.5%；平衡表面张力：34 mN·m⁻¹（20 °C）；黏度：1 ± 0.1 mPa·s（22 °C）；密度：997.9 kg·m⁻³；空气流速：15 L h⁻¹；液体流速：15 L h⁻¹；总流速：30 L h⁻¹；标称泡沫质量：约50%；测压口间距：1 m；表观壁面应力：约6 Pa
2.3 泡沫稳定性、排液与气泡尺寸表征
泡沫稳定性和结构演化使用动态泡沫分析仪（DFA100，KRÜSS，德国）表征。该仪器由内径40 mm的垂直玻璃柱组成，配备内棱镜以实现全内反射图像采集。气泡结构每2 s用高分辨率相机记录一次，可监测排液、粗化和气泡随时间生长。测量一式三份以评估重现性。由于导纳探头相关的电气连接限制，壁面液膜厚度测量在1 m位置进行。为评估输送距离对泡沫演化的影响，额外在5 m流动后收集泡沫样品。这些测量中，收集流经管道横截面上半部分的190 mL泡沫，以最小扰动立即转移至DFA玻璃柱。该程序使回收泡沫在标准化静态观察条件下分析。图像每2 s采集一次，持续至多10 min，扫描面积10.5 × 7.5 mm，柱高110 mm。气泡尺寸分布使用KRÜSS泡沫分析软件测定。提取的描述符包括气泡数密度、平均气泡半径和Sauter平均半径。
【数据】DFA柱内径：40 mm；图像采集间隔：2 s；采集时长：至多10 min；扫描面积：10.5 × 7.5 mm；柱高：110 mm；泡沫样品体积：190 mL；测量重复：一式三份
2.4 壁面液膜厚度的导纳测量
局部壁面液膜厚度通过导纳法测定。该方法非常适合湿泡沫流动，因为液相导电而气相有效绝缘。当壁面与流动泡沫之间存在液层时，它在两个齐平安装的电极之间形成导电路径，因此测得的电响应可与局部液膜厚度关联。探头供给50–100 kHz范围内的交替正弦电压，以最小化电极极化效应。输出电压使用Keithley DAS 1800数据采集系统采集，并数值处理以获得时间分辨的液膜厚度。由于液体电导率具有温度依赖性，所有测量均在20 °C的受控热条件下进行。
【数据】激励频率范围：50–100 kHz；测量温度：20 °C；数据采集系统：Keithley DAS 1800
#### 2.4.1 探头几何与定位
由于预期液膜厚度强烈依赖壁面位置，使用了两种导纳探头配置。第一块专用于顶部和侧壁测量，此处预期为薄液膜。它由两个直径0.25 mm的铂电极组成，间距40 µm。第二块用于底部壁面，此处排液预期产生更厚的底层液层。该配置采用较大电极，有效面积约40 mm²，间距6 mm，允许在毫米范围内测量。薄膜探头安装在可旋转支架中，允许在管道周界不同角度位置测量。该布置使得比较顶部壁面、侧壁和下侧区域的局部液膜厚度成为可能，从而捕捉重力驱动排液产生的空间异质性。
【数据】薄膜探头：铂电极直径0.25 mm，间距40 µm；厚膜探头：有效面积约40 mm²，间距6 mm
#### 2.4.2 校准、精度与模拟验证
每个导纳块在专用有机玻璃装置中单独校准。探头块定位在距光滑有机玻璃板的控制距离处，探头与板之间的间隙填充与实验中所用相同的导电液体。间隙厚度使用校准的Mylar垫片固定，对每个施加厚度记录相应的电响应。然后拟合每个探头对的校准曲线，用于将记录的电压信号转换为泡沫流动实验期间的局部液膜厚度。在实际泡沫流动中，与壁面接触的液层并非完全均匀，因为它被气泡局部中断并由Plateau区域包围。为评估这种几何异质性对导纳响应的影响，进行了模拟验证。
【数据】校准间隙材料：Mylar垫片；校准液体：与实验相同的导电液体；原文未详述模拟验证的具体参数
2.5 孢子黏附与脱附实验
（注：原文节选未包含2.5节及后续方法内容，以下为已提供的方法部分全部翻译。）
【数据】原文未详述
研究结果
3.1 泡沫结构演化与排液效应
在距发生器下游1 m和5 m处收集的泡沫样品立即转移至动态泡沫分析仪，以比较采样时的结构及其随后在标准化静态条件下的残余演化。代表性图像（图2）显示两个采样位置的泡沫随时间均明显粗化，从t₀时的细气泡群演化为10 min后大得多的多面体气泡。这种结构演化在5 m后收集的泡沫中已更为显著，其在采集开始时即明显更粗。
定量图像分析支持两个采样位置之间的初始结构差异（表2）。初始气泡数密度从1 m后的112.3 mm⁻²降至5 m后的40.8 mm⁻²，而初始平均气泡半径从51 µm增至79 µm。Sauter平均半径观察到类似演化，从1 m处的63 µm增至5 m处的123 µm。分析10 min后，1 m和5 m采样泡沫的平均气泡半径分别达到225 µm和307.7 µm，而Sauter平均半径分别达到338 µm和488 µm。这些数值表明，下游收集的泡沫在沿管道输送过程中已经历了显著的结构演化。
归一化泡沫高度的动力学（图3）也因采样距离而显著不同。5 m后收集的泡沫在前几分钟内归一化高度快速下降，随后在600 s后稳定在约92%的平台。相比之下，1 m后收集的泡沫仅显示有限下降，在同一时段内稳定在约97%。这种差异也反映在排液半衰期上，从1 m处的1.6 s增至5 m处的230.3 s（表2）。这些结果表明泡沫沿管道经历了显著演化。5 m流动后，其特征为较低的气泡数密度、较大的气泡，以及静态分析期间后续失稳较1 m后收集的泡沫更慢。
【数据】初始气泡数密度：112.3 mm⁻²（1 m）→ 40.8 mm⁻²（5 m）；初始平均气泡半径：51 µm（1 m）→ 79 µm（5 m）；初始Sauter平均半径：63 µm（1 m）→ 123 µm（5 m）；10 min后平均气泡半径：225 µm（1 m）、307.7 µm（5 m）；10 min后Sauter平均半径：338 µm（1 m）、488 µm（5 m）；600 s后归一化泡沫高度：约97%（1 m）、约92%（5 m）；排液半衰期：1.6 s（1 m）、230.3 s（5 m）
3.2 局部液膜分布与信号波动
导纳测量用于表征泡沫流动期间局部壁面液膜厚度及其瞬时演化。上壁和侧壁使用适配薄液层的小探头研究，而底部壁面因管道底部遇到的厚度范围大得多而使用大探头分析。
沿上壁（水平轴x）的平均液膜厚度分布如图4a所示。液膜在顶部壁面整体保持极薄，厚度值在微米范围（12.6 ± 0.27 µm），探头位置之间未观察到显著差异。相应的瞬时波动在位于通道中宽处的探头测量，如图5a所示，证实了该薄液层的高度动态特性。在该位置，平均厚度为12.9 µm，标准差2.23 µm，最小值和最大值分别为5.25和18.3 µm，变异系数0.174。这些最小值和最大值定义了污染壁面与气泡界面之间分离距离的瞬时范围。信号呈现负偏度（-0.921）和峰度3.45，表明分布不对称，向较低厚度值偏移。频率分析得出主频为22.4 Hz，从信号中提取的平均最小厚度为10.6 µm。总体而言，上壁因此与极薄且强烈波动的液膜相关。
排液效应在侧壁上清晰可见，如图4b所示，其呈现了液膜厚度沿垂直轴y的演化。液膜厚度在接近管道底部时持续增加。在约通道高度三分之一处，仅25 mm水平行程后，泡沫已排液足够，使局部液膜厚度增加约75 µm，从约30 µm增至106 µm。该剖面表明在短流向距离内建立了明显的横向厚度梯度。相应的波动信号如图5b所示（位于90°即侧壁中高处的探头），显示接近底部壁面时波动逐渐减弱。在分析位置，平均厚度为15.2 µm，标准差1.96 µm，最小值和最大值分别为6.24和20.5 µm，变异系数0.129。信号还呈现负偏度（-0.970）和三个壁面位置中最高的峰度（4.37），表明更间歇性的行为（表3）。主频为0.85 Hz，平均最小厚度为14.6 µm。这些结果表明侧壁表现为上部薄液膜与底部积聚厚液层之间的过渡区域。
底部壁面观察到完全不同的行为，导纳信号揭示存在厚液层。如图5c所示，平均厚度达到约2.39 mm，标准差41.2 µm。测量值范围约2.3–2.6 mm，证实管道底部形成了厚液层。变异系数仅为0.017，表明相对于上壁和侧壁观察到的波动，其相对波动非常弱。分布近乎对称（偏度=0.006），峰度3.17，接近准高斯行为。主频非常低（0.025 Hz），平均最小厚度保持非常接近平均值，约2.4 mm。因此底部壁面信号比顶部和侧壁获得的信号平滑得多。
【数据】上壁平均液膜厚度：12.6 ± 0.27 µm；上壁探头处平均厚度：12.9 µm，标准差2.23 µm，最小值5.25 µm，最大值18.3 µm，变异系数0.174，偏度-0.921，峰度3.45，主频22.4 Hz，平均最小厚度10.6 µm；侧壁平均厚度：15.2 µm，标准差1.96 µm，最小值6.24 µm，最大值20.5 µm，变异系数0.129，偏度-0.970，峰度4.37，主频0.85 Hz，平均最小厚度14.6 µm；侧壁厚度梯度：25 mm水平行程内从约30 µm增至106 µm（增加约75 µm）；底部壁面平均厚度：约2.39 mm，标准差41.2 µm，范围约2.3–2.6 mm，变异系数0.017，偏度0.006，峰度3.17，主频0.025 Hz，平均最小厚度约2.4 mm
3.3 孢子去除动力学与动力学参数
去除动力学呈现第一分钟内的初始快速阶段，随后是延伸至20 min的较慢阶段（图6），与双相模型一致。两个阶段的去除程度取决于细菌菌株和清洗条件。
对于蜡状芽孢杆菌（图6a），1 m处的薄膜条件产生最大去除，其次是1 m处的厚膜条件，而CIP参考在整个实验中保持最低效。1 min后，相应的对数减少分别约为0.85、0.4和0.25 log。20 min时，分别达到约1.1、0.55和0.3 log。因此，较慢阶段的额外去除在CIP参考下有限，在厚膜条件下居中，在薄膜条件下最大。
对于枯草芽孢杆菌（图6b），所有泡沫条件从最早采样时间起均产生比CIP参考更大的去除。1 m处的薄膜条件最有效，1 min后产生约2.35 log减少，20 min后产生2.7 log减少。5 m处的薄膜条件在1和20 min后分别产生约1.6和1.86 log减少。1和5 m处的厚膜条件显示相似曲线，1 min后减少约1.69–1.73 log，20 min后减少约1.7–1.78 log。在CIP参考下，去除显著较低，1 min后达到约0.63 log，20 min后约0.78 log。因此20 min后的数值排序为：1 m薄膜、5 m薄膜、两个厚膜条件，最后是CIP参考。
在两种菌株共有的条件下观察到明显的菌株依赖性响应。在泡沫处理后，枯草芽孢杆菌获得比蜡状芽孢杆菌更大的对数减少。
【数据】蜡状芽孢杆菌：1 min后薄膜0.85 log、厚膜0.4 log、CIP 0.25 log；20 min后薄膜1.1 log、厚膜0.55 log、CIP 0.3 log；枯草芽孢杆菌：1 m薄膜1 min 2.35 log、20 min 2.7 log；5 m薄膜1 min 1.6 log、20 min 1.86 log；1 m厚膜1 min约1.69 log、20 min约1.7 log；5 m厚膜1 min约1.73 log、20 min约1.78 log；CIP 1 min约0.63 log、20 min约0.78 log
讨论与解读
4.1 泡沫输送与壁面液膜异质性
泡沫结构在距发生器1 m至5 m之间发生显著变化。初始气泡数密度从112.3降至40.8 mm⁻²，初始平均气泡半径从51增至79 µm，Sauter平均半径从63增至123 µm。这种下游粗化与水基泡沫通过重力排液、气体扩散和气泡重排的经典老化一致。然而在受限流动系统中，这些机制与壁面摩擦、压力损失和液相的持续再分配耦合。因此，即使入口流速保持恒定，到达下游数米处污染表面的泡沫也不等同于发生器处产生的泡沫。事实上，5 m后收集的泡沫在输送过程中经历了比1 m后收集的泡沫更广泛的排液和结构演化，如其更粗的初始结构以及后续静态分析中归一化泡沫高度更大的下降所示——600 s后降至约92%，而1 m样品约为97%。5 m后，泡沫已更排液且更粗，但其残余再分配发生在更长的特征时间上。这一区分很重要，因为单一的静态稳定性指标无法完全描述经历了输送的泡沫。
编译者解读
该研究的方法学价值在于将泡沫清洗性能从"整体流动条件"解构到"局部壁面液膜状态"这一更接近微生物实际接触环境的尺度。导纳法测量揭示的周向液膜异质性——顶部12.6 µm薄膜、侧壁梯度过渡、底部2.4 mm厚液层——为理解泡沫清洗的空间不均匀性提供了定量框架。双相动力学模型进一步将去除效果与菌株表面疏水性和液膜状态关联。局限在于：清洗实验仅在不锈钢试片上开展，未涉及复杂几何（如阀门、焊缝）；导纳测量限于1 m位置，5 m处液膜状态仅通过泡沫结构间接推断。对于合成生物学应用，该工作提示：设计含生物表面活性剂或工程菌分泌物的泡沫清洗体系时，需将配方-流变-局部液膜状态作为耦合变量优化，而非仅关注整体泡沫质量。
参考来源
期刊：Food and Bioproducts Processing, 2026
DOI: 10.1016/j.fbp.2026.09.018
DOI: 10.1016/j.fbp.2026.09.018