《Food and Bioproducts Processing》：Wall-film heterogeneity governs foam-induced detachment of
Bacillus spores from stainless steel pipes
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泡沫清洗性能通常依据主体流动条件或平均壁面剪切应力估算值来解读，然而微生物实际所经历的是将运动气泡与表面分隔开的液膜。为隔离其影响，本研究在固定配方与流动条件下，使十二烷基硫酸钠（SDS）泡沫（标称气相分数50%）以5.6 cm·s?1的流速循环通过水平管道（
泡沫清洗性能通常依据主体流动条件或平均壁面剪切应力估算值来解读，然而微生物实际所经历的是将运动气泡与表面分隔开的液膜。为隔离其影响，本研究在固定配方与流动条件下，使十二烷基硫酸钠（SDS）泡沫（标称气相分数50%）以5.6 cm·s?1的流速循环通过水平管道（水力直径12 mm）。研究人员在发生器下游1 m和5 m处表征了泡沫结构，采用电导法测量了顶部、侧壁及底部壁面的液膜厚度，并定量考察了亲水性枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）与疏水性蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）孢子在不锈钢试片顶部和底部壁面的脱除情况。在1 m至5 m之间，气泡数密度从112 mm?2降至41 mm?2，初始平均半径从51 μm增至79 μm，表明输运过程中发生了结构演化。重力导致不对称性：顶部动态液膜平均约13 μm，侧壁约15 μm，而底部则积聚了厚度约2.4 mm、波动微弱的液层。在1 m处，20 min薄液膜泡沫处理对枯草芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌分别实现了约2.7和1.1个对数级的脱除。厚液膜条件下的脱除率较低，但仍高于匹配的单相液体参照。双相模型将这一增强效应归因于菌株依赖的易脱除组分比例及抗性组分动力学的变化。因此，相同的标称条件因输运诱导的泡沫演化与周向液膜再分配而产生了不同的脱除结果。壁面液膜厚度、动态特性及气泡-壁面间距是设计和放大泡沫清洗工艺的关键局部描述参数。
论文解读
一、研究背景与科学问题
食品加工密闭设备中持续的微生物污染是重大卫生挑战，尤其是耐热细菌芽孢黏附于不锈钢表面时尤为棘手。密闭回路可达性有限，难以确定每个内表面是否获得等效的清洗作用。水基泡沫因其分散的气-液结构能够将有限液体体积分布于大面积内表面，同时移动界面产生单相液流所不具备的瞬态力学与毛细效应，而被视为替代或补充清洗介质。在CIP（Clean-in-Place，原位清洗）操作中，泡沫处理应被视为潜在清洗步骤而非完整CIP序列。
已有研究确立了清洗性能与泡沫质量、流速、表面活性剂配方及设备几何结构等全局操作参数的关系，但均未回答一个关键问题：在单一标称条件下产生的泡沫，是否能在水平管线内每个壁面位置传递相同的清洗作用。在污染表面处，流动泡沫的作用由分隔运动气泡与约束壁面的液膜所介导。该液膜虽仅数微米厚，却控制着气泡-壁面间距、液体更新及界面和力学扰动向表面的传递。在水平管道中，重力驱动的排液可使液相沿周界重新分布：顶部和侧壁可能保持薄而动态的液膜，而底部则可能积聚较厚的液层。此外，泡沫在工业管线中可能输运数米甚至数十米才到达污染表面，输运过程中排液和粗化会改变气泡数密度、尺寸分布、局部液相分数及壁面液膜厚度。因此，微生物脱除不仅取决于壁面位置，还取决于泡沫在接触点的结构状态。
本研究旨在探究周向壁面液膜非均匀性与泡沫输运距离对不锈钢表面黏附芽孢杆菌孢子脱除的影响。核心假设为：重力诱导的液相再分配形成薄液膜与厚液层两种不同区域，产生不同的气泡-表面相互作用，进而导致不同的孢子脱除动力学；第二假设为输运过程中的泡沫演化会改变这些局部相互作用及脱除性能。为独立于主体操作参数变化解析这些效应，研究人员刻意保持泡沫配方、标称气相分数和流速恒定。
二、研究设计与技术方法
研究人员构建了水平透明Plexiglas管道实验装置（截面21 × 21 mm），压缩空气与SDS溶液以等流量（各15 L·h?1）注入多孔介质泡沫发生器，标称泡沫质量约50%。在发生器下游1 m处进行泡沫结构表征、壁面液膜厚度测量及清洗实验，5 m处进行附加泡沫表征和枯草芽孢杆菌清洗测试。主要关键技术方法包括：
动态泡沫分析仪（DFA100）：采用垂直玻璃柱配合内棱镜全内反射成像，每2 s采集气泡结构图像，监测排液、粗化及气泡生长，提取气泡数密度、平均半径及Sauter平均半径等描述参数。
电导法壁面液膜厚度测量：利用液相导电而气相绝缘的特性，采用两组不同构型的电导探针——薄液膜探针（铂电极直径0.25 mm，间距40 μm）用于顶部和侧壁，厚液层探针（有效面积约40 mm2，间距6 mm）用于底部。探针在专用装置中用Mylar垫片标定，并采用Teledeltos导电纸进行模拟验证，气泡直径超过电极长度两倍时偏差约3%。信号经MATLAB R2024a处理，提取均值、标准差、偏度、峰度及快速傅里叶变换（FFT）主频等统计描述参数。
微生物表面特性评估：采用微生物黏附碳氢化合物法（MATH）测定孢子亲/疏水性，枯草芽孢杆菌CUETM 98/7的?R?值为0.02（强亲水），蜡状芽孢杆菌CUETM 98/4为2.05（疏水）。
双相动力学模型：将孢子群体分为易脱除组分与抗性组分，分别拟合脱除速率常数，以区分不同液膜条件下的脱除机制差异。
三、主要研究结果
泡沫输运演化：在1 m至5 m之间，气泡数密度从112 mm?2降至41 mm?2，初始平均半径从51 μm增至79 μm，Sauter平均半径相应增大，证实泡沫在输运过程中发生排液与粗化驱动的结构演化。
壁面液膜周向非均匀性：电导法测量显示，顶部动态液膜平均约13 μm，侧壁约15 μm，而底部积聚了约2.4 mm、波动微弱的液层。薄液膜区域信号呈现明显的时域波动，反映气泡和Plateau边界交替通过壁面区域；厚液层区域信号相对稳定。FFT分析揭示了薄液膜区域的周期性波动特征，与气泡通过频率相关。
孢子脱除性能：在1 m处，20 min薄液膜泡沫处理对亲水性枯草芽孢杆菌实现约2.7个对数级脱除，对疏水性蜡状芽孢杆菌仅约1.1个对数级。厚液膜条件下两种菌株的脱除率均较低，但仍高于匹配的单相液体参照。双相模型拟合表明，泡沫处理增强效应源于菌株依赖的易脱除组分比例增大及抗性组分脱除速率常数的提高。
输运距离效应：5 m处泡沫处理枯草芽孢杆菌的脱除性能低于1 m处，与泡沫结构演化（气泡数密度降低、尺寸增大）及壁面液膜状态改变相一致。
四、讨论与结论
研究表明，相同的标称操作条件在水平管道周向不同位置产生了显著不同的清洗效果：顶部薄液膜区域因气泡-壁面距离小、液膜动态波动强，实现了更高的孢子脱除率；底部厚液层区域因气泡与污染表面间距增大，力学和界面作用减弱，脱除效率下降。输运距离进一步加剧了这种非均匀性——泡沫在5 m输运后结构发生显著演化，脱除性能相应降低。
研究结论明确指出：壁面液膜厚度、动态特性及气泡-壁面间距是设计和放大泡沫清洗工艺的关键局部描述参数。仅以平均壁面剪切应力或主体流动条件评估泡沫清洗性能是不充分的，必须考虑液膜在周向的再分配和输运过程中的泡沫演化。该发现对工业泡沫清洗工艺设计具有直接指导意义：在水平管线底部等厚液膜区域可能需要延长处理时间、提高流速或优化泡沫结构以确保等效清洗效果；同时，实验室规模的泡沫清洗结果向工业长管线放大时，必须考虑输运距离导致的泡沫结构变化。
