Claranor Pulsed Light Sterilization

Принцип работы и воздействие на микроорганизмы

Историческая справка

Первые исследования эффективности импульсного излучения для стерилизации были проведены в 70-е годы в Японии,

а уже в 1984 году был выдан первый патент (Hiramoto) на технологию импульсного излучения, в котором предлагалось использовать для стерилизации ксеноновые лампы.

В течение 1990–2000 годов специалисты в лабораториях работали над усилением эффекта стерилизации поверхностей. Для этого они исследовали воздействие вспышек импульсного излучения на самые разные виды изделий: продукты питания, продукцию медицинского назначения.

Но несмотря на то, что исследования микробиологов доказывали эффективность технологии, ученым не удавалось установить связь между физическими параметрами обработки (мощность вспышки, энергия) и ее эффективностью уничтожения микроорганизмов. Без установленного соотношения «воздействие – результат» разработка промышленного оборудования невозможна. Вот почему эта технология не покидала пределы лабораторий вплоть до 2000-х годов.

Именно в этот период компания Claranor, созданная в 2004 году, начала исследовать способы очистки упаковочной тары.

Технология импульсного излучения Claranor основана на бактерицидном эффекте ламп белого света.

В системах Claranor обработка светом состоит из 2 этапов:

  • Один импульс 20 кВ длительностью несколько наносекунд обеспечивает наполнение лампы проводящим ксеноном.
  • Конденсатор, заряженный на 3000 В, разряжается в дуге с частотой 1 импульс в 300 микросекунд. Происходит ионизация газа лампы, и генерируется плазма, которая испускает искусственный белый свет высокой интенсивности (в 20000 раз больше, чем интенсивность солнечного света на поверхности Земли).

 

Импульс покрывает целиком спектр белого света, и в то же время он богат УФ-лучами, которые известны своими антибактериальными свойствами. Энергия поступает в лампу через очень короткие промежутки времени (0,3 микросекунды) и производит вспышку мощностью 1 МВт. Половина этой мощности преобразуется в тепловую, а половина — в световую энергию. УФ-излучение составляет 20 % от световой энергии, или 100 КВт на один импульс (приблизительная оценка).

ПОЛНОЕ УНИЧТОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Воздействие на микроорганизмы одной или несколькими вспышками импульсного излучения немедленно приводит к их немедленному полному и необратимому уничтожению. В основе этого процесса лежат 2 принципа:

  • денатурация макромолекул живого организма (ДНК, структурных и метаболических белков, энзимов) под воздействием УФ-излучения,
  • усиление эффекта денатурации в результате мощного воздействия УФ-излучения.

Эффективность технологии была доказана на примере обработки гладких поверхностей (пластика), в ходе которой было выявлено воздействие на следующие виды микроорганизмов: бактерии в вегетативной форме, споры бактерий (в том числе термостойких), плесень, дрожжи, вирусы.

Уровень дезинфекции зависит от интенсивности обработки, а также качества и геометрии обрабатываемой поверхности.

Механизмы, лежащие в основе технологии, подробно изучены специалистами Claranor и их партнерами, среди которых INRA (Национальный институт сельскохозяйственных исследований) и  CNRS (Национальный центр научных исследований).

Совместные исследования Claranor и Inra (2008–2010) внесли большой вклад в определение отношения «воздействие – результат» и расчеты характеристик для оборудования Claranor.


Источник: Клэр и Карлен (Clair et Carlin), 2013, INRA PACA

Избранные научные публикации:

Диссертация Claranor – INRA, Каролин Леви (Caroline Levy) : "Principaux facteurs influençant l'efficacité de la Lumière Pulsée pour la décontamination des microorganismes pathogènes et d'altération des denrées alimentaires".

Role of pigmentation in protecting Aspergillus niger conidiospores against pulsed light radiation.
Esbelin J, Mallea S, J Ram AF, Carlin F (2013). Photochem Photobiol. 2013 May-Jun;89(3):758-61. doi: 10.1111/php.12037. Epub 2013 Jan 29.

The photoprotective potential of fungus pigments was investigated by irradiating conidiospores of three Aspergillus niger strains possessing the same genetic background, but differing in their degree of pigmentation with pulsed light (PL) and monochromatic (254 nm) UV-C radiation. Spores of A. niger MA93.1 and JHP1.1 presenting, respectively, a fawn and a white pigmentation were more sensitive to PL and continuous UV-C radiation than the wild-type A. niger strain N402 possessing a dark pigment. Both spores of the dark A. niger N402 and the fawn-color mutant were equally resistant to moist heat at 56°C while spores of the white-color mutant were highly sensitive. These results indicate that melanin protects pigmented spores of A. niger from PL.

Decontamination of sugar syrup by pulsed light.
Chaine A, Levy C, Lacour B, Riedel C, Carlin F (2012). J Food Prot. 2012 May;75(5):913-7. doi: 10.4315/0362-028X.JFP-11-342.

The pulsed light produced by xenon flash lamps was applied to 65 to 67 °Brix sugar syrups artificially contaminated with suspensions of Saccharomyces cerevisiae and with spores of Bacillus subtilis, Geobacillus stearothermophilus, Alicyclobacillus acidoterrestris, and Aspergillus niger. The emitted pulsed light contained 18.5 % UV radiation. At least 3-log reductions of S. cerevisiae, B. subtilis, G. stearothermophilus, and A. acidoterrestris suspended in 3-mm-deep volumes of sugar syrup were obtained with a fluence of the incident pulsed light equal to or less than 1.8 J/cm(2), and the same results were obtained for B. subtilis and A. acidoterrestris suspended in 10-mm-deep volumes of sugar syrup. A. niger spores would require a more intense treatment; for instance, the maximal log reduction was close to 1 with a fluence of the incident pulsed light of 1.2 J/cm(2). A flowthrough reactor with a flow rate of 320 ml/min and a flow gap of 2.15 mm was designed for pulsed light treatment of sugar syrup. Using this device, a 3-log reduction of A. acidoterrestris spores was obtained with 3 to 4 pulses of incident pulsed light at 0.91 J/cm(2) per sugar syrup volume.

Relevant factors affecting microbial surface decontamination by pulsed light.
Levy C, Aubert X, Lacour B, Carlin F (2012). Int J Food Microbiol. 2012 Jan 16;152(3):168-74. doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2011.08.022. Epub 2011 Aug 31.

Spores of the psychrotrophic Bacillus cereus KBAB4 strain were produced at 10 °C and 30 °C in fermentors. Spores produced at 30 °C were more resistant to wet heat at 85 °C, 1% glutaraldehyde, 5% hydrogen peroxide, 1M NaOH and pulsed light at fluences between 0.5 and 1.75 Jcm(-2) and to a lesser extent to monochromatic UV-C at 254 nm. No difference in resistance to 0.25 mM formaldehyde, 1M nitrous acid and 0.025 gl(-1) calcium hypochlorite was observed. Spores produced at 10 °C germinated more efficiently with 10 mM and 100 mM l-alanine than spores produced at 30 °C, while no difference in germination was observed with inosine. Dipicolinic acid (DPA) content in the spore was significantly higher for spores prepared at 30 °C. Composition of certain fatty acids varied significantly between spores produced at 10 °C and 30 °C.

Deposition of Bacillus subtilis spores using an airbrush-spray or spots to study surface decontamination by pulsed light.
Levy C, Bornard I, Carlin F (2011). J Microbiol Methods. 2011 Feb;84(2):223-7. doi: 10.1016/j.mimet.2010.11.021. Epub 2010 Nov 30.

Microbial contamination on surfaces of food processing equipment is a major concern in industries. A new method to inoculate a single-cell layer (monolayer) of microorganisms onto polystyrene was developed, using a deposition with an airbrush. A homogeneous dispersion of Bacillus subtilis DSM 402 spores sprayed on the surface was observed using both plate count and scanning electron microscopy. No clusters were found, even with high spore concentrations (10(7) spores/inoculated surface). A monolayer of microorganisms was also obtained after deposition of 10 μL droplets containing 3×10(4) spores/spot on polystyrene disks, but not with a higher spore concentration. Pulsed light (PL) applied to monolayers of B. subtilis spores allowed log reductions higher than 6. As a consequence of clusters formation in spots of 10 μL containing more than 3×10(5) spores, log reductions obtained by PL were significantly lower. The comparative advantages of spot and spray depositions were discussed.

Pulsed light for food decontamination: a review
Gómez-López, V.M., Ragaert, P., Debevere, J., and Devlieghere, F.(2007). Trends in Food Science & Technology, 18, 464-473

Pulsed light (PL) is a technique to decontaminate surfaces by killing microorganisms using pulses of an intense broad spectrum, rich in UV-C light. The present review is focused on the application of PL for food decontamination. It revises the mechanism of microbial inactivation (UV-C as the most important part of the spectrum, photothermal and photochemical mechanisms, inactivation curve, peak power dependence, and photoreactivation), the factors affecting its efficacy, the advantages and problems associated with PL treatment, and results obtained in vitro. Examples of applications to foods are given, including microbial inactivation, and effects on food matrices.

Factors affecting the inactivation of microorganisms by intense light pulses
Gómez-López, V.M., Devlieghere, F., Bonduelle, V., and Debevere, J., (2005). J. Appl. Microbiol. 99: 460-470. doi:10.1111/j.1365-2672.2005.02641.x. PMID:16108787.

AIM : To determine the influence of several factors on the inactivation of micro-organisms by intense light pulses (ILP). METHODS AND RESULTS : Micro-organisms on agar media were flashed 50 times under different conditions and their inactivation measured. Micro-organisms differed in sensitivity to ILP but no pattern was observed among different groups. Several enumeration methods to quantify the effect of ILP were investigated and showed relevant differences, shading effect and photoreactivation accounted for them, the strike method yielded the most reliable results. Higher decontamination efficiencies were obtained for Petri dishes located close to the strobe and inside the illumination cone. Decontamination efficacy decreased significantly at contamination levels >6.85 log(10). After 13 successive treatments, no resistance to ILP could be demonstrated. Media warming up depended on the distance from the strobe and the number of flashes.
CONCLUSIONS : For an industrial implementation: the position and orientation of strobes in an unit will determine the lethality, products should be flashed as soon as possible after contamination occurs, a cooling system should be used for heat-sensitive products and flashed products should be light protected. No resistant flora is expected to develop.
SIGNIFICANCE AND IMPACT OF THE STUDY : Conclusions derived from this work will allow a better implementation of this decontamination technique at industrial level.

Inactivation of polyphenoloxidase by pulsed light
Manzocco L, Panozzo A, Nicoli MC (2013). J Food Sci. 2013 Aug;78(8):E1183-7. doi: 10.1111/1750-3841.12216

The effect of pulsed light on the inactivation of polyphenoloxidase (PPO) in model solutions was investigated focusing on the effect of enzyme concentration and total energy dose of the treatment. PPO inactivation increased with the dose of the treatment. Complete enzyme inactivation was achieved by pulsed light doses higher than 8.75 J cm(-2) . At low PPO concentrations (4 to 10 U), the enzyme resulted highly inactivated by pulsed light treatment. Further increase in enzyme units determined a progressive decrease in PPO inactivation. The latter was attributed to protein structural modifications including cleavage and unfolding/aggregation phenomena. PPO amounts higher than 10 U probably favoured enzyme conformations that were less prone to intermolecular rearrangements leading to inactivation.

Научно-исследовательская работа в Claranor

Инновационная политика компании направлена на углубленное изучение технологии и поиск новых областей ее применения.

Компания активно развивает деятельность отдела НИОКР. Сейчас он насчитывает 6 сотрудников — это специалисты в области оптики, микробиологии, электромеханики и электроники высоких мощностей.

Beata Lux — главный научно-исследовательский проект компании. Это консорциум, в который входит 11 партнеров: промышленные предприятия, производители оборудования, а также ученые. Компания Claranor объединила этих специалистов для поиска новых областей применения импульсного излучения. Проект запущен в январе 2011 года и рассчитан на 4 года. Он получил поддержку BPI France (Государственный инвестиционный банк Франции, прежнее название OSEO).
Цель проекта — разработка и внедрение новых способов применения импульсного излучения для дезинфекции упаковки.. В рамках проекта была разработана система очистки горловин преформ, поставленная на поток компанией Claranor. 

Другие области применения, разработанные в партнерстве с производителями и пользователями оборудования, главным образом касаются дезинфекции следующих видов емкостей:

  • контейнеров, упакованных непрерывным способом (Form Fill Seal),
  • бутылок из полиэтилена высокой плотности (PEHD),
  • алюминиевых платинок.

 Перейти к разделу «Состав оборудования Claranor».