Cold atmospheric plasma for disinfection of food-processing equipment

Abstract

Microbial contamination of foods from contaminated processing surfaces and equipment inside food processing facilities is a major challenge, which threatens the health of consumers and hinders global food production. For this reason, the food industry directs considerable effort and resources to sanitise processing surfaces and equipment, typically relying on thermal techniques and/or chemicals. Unfortunately, these processes often fail to remove persistent microorganisms, while their application typically require frequent downtime in production, resulting in additional financial loses. Given these challenges, food manufacturers constantly seek novel antimicrobial methods that offer advantages over the established practices.Among the emerging antimicrobial methods, Cold Atmospheric Plasma (CAP) generated in atmospheric air stands out as a formidable non-thermal antimicrobial technique. Previous studies during the last decade have shown that the various reactive chemical species (e.g. hydroxyl radical, atomic oxygen, singlet oxygen, hydrogen peroxide, ozone, nitric oxide, atomic nitrogen, peroxynitrite etc.) and UV photons generated from CAP possess antimicrobial properties and act in synergy to eradicate microorganisms. From an industrial perspective, CAP offers effective microbial inactivation at short treatment times against various foodborne pathogens, it can be applied to a wide range of surfaces, it is simple, flexible and low-cost, with low energy demands and does not produce waste or chemical residues.Despite its great potential, there are numerous challenges associated with CAP decontamination technology; most notably the complexity of the reactive chemistry produced which is difficult to control, meaning antimicrobial efficiency varies greatly with small changes in operating parameters. As a result, the uptake of the technology from the food industry has been minimal, with very limited applications on common industrial food processing equipment, or none at all.This project aimed to investigate the feasibility of using CAP as an antimicrobial process for common processing equipment (e.g. conveyor belts) under realistic conditions of food processing facilities; develop a prototype system that will run in parallel with the production line and negate the need for production downtimes; and examine potential effects of the CAP treatment on both the exposed microorganisms and underlying surfaces.Two CAP systems (Indirect and Direct) were evaluated for their antimicrobial effects against two common foodborne pathogens (S.Typhimurium and L.monocytogenes), on stainless steel surfaces, under realistic conditions found within food processing facilities. The Indirect CAP system was investigated due to its simplicity and scalability. The system could achieve considerable levels of microbial inactivation when it was located within 10 mm of the target surface (up to ~2.0 and >3.5 logCFU reduction of S.Typhimurium and L.monocytogenes respectively at 5 mm within ~3 min); suggesting that intermediate-lived chemical species (e.g. hydroxyl radical and nitric oxide) hold a key role in inactivation. However, other factors were found to affect inactivation (e.g. the population density of the microorganisms). Moreover, the effects of CAP treatment on the microorganisms were examined and it was found that CAP caused severe deformations of the exposed cells. Critically though, the required treatment times were found too long for implementation in a continuous in-line system.As such, focus was turned to the Direct CAP system, which in contrast was found to produce encouraging inactivation results within very short treatments down to some seconds (up to ~1.2 and 2.0 logCFU reductions for S.Typhimurium and L.monocytogenes respectively within 10 sec). To that end, this system was chosen for integrating in a prototype Conveyor CAP system and examined as a continuous in-line decontamination process. The sample surfaces were dragged by the belt of the system and treated multiple times. The system produced significant inactivation results as well (up to ~2.8 and 3.0 logCFU reductions for S.Typhimurium and L.monocytogenes respectively on stainless steel for a 10 sec total treatment). Additionally, it was found that the produced inactivation was not affected by the movement of the belt; however, other parameters were found to affect the level of inactivation. The system was further examined on polymeric surfaces, typically implemented in food processing equipment, and it was found to produce similar inactivation results. Finally, the impact of CAP treatment on the exposed surfaces was examined using a variety of surface analysis tools and it was found that CAP exposure caused slight oxidation on both polymeric and metallic surfaces, impacting both their composition and morphology.In summary, this project has demonstrated that CAP can be an effective means of contamination control inside a food processing facility; it can be readily applied to food processing surfaces and equipment as a continuous in-line decontamination process, meeting the requirements of the food industry both in terms of disinfection level, treatment duration and potentially cost.

Η μικροβιακή επιμόλυνση των τροφίμων μέσω ήδη μολυσμένων επιφανειών επεξεργασίας και εξοπλισμού που χρησιμοποιείται στις εγκαταστάσεις βιομηχανιών επεξεργασίας τροφίμων αποτελεί ένα τεράστιο πρόβλημα, το οποίο επιβαρύνει την υγεία των καταναλωτών και περιορίζει/ζημιώνει την παγκόσμια παραγωγή τροφίμων. Για τον λόγο αυτό, οι βιομηχανίες τροφίμων αφιερώνουν σημαντικούς πόρους και εργατοώρες σε διεργασίες για την απολύμανση των επιφανειών επεξεργασίας και του εξοπλισμού, οι οποίες βασίζονται συνήθως σε θερμικές μεθόδους ή/και σε χημικά. Δυστυχώς όμως, αυτές οι διεργασίες συχνά δεν μπορούν να απομακρύνουν ανθεκτικούς μικροοργανισμούς, ενώ η εφαρμογή τους συνήθως απαιτεί συχνές διακοπές της παραγωγής, οδηγώντας σε επιπλέον οικονομικές απώλειες. Για την αντιμετώπιση των παραπάνω, οι παραγωγοί τροφίμων αναζητούν διαρκώς νέες αντιμικροβιακές διεργασίες που προσφέρουν πλεονεκτήματα, σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες πρακτικές.Μεταξύ των νέων αντιμικροβιακών διεργασιών, το Ψυχρό Ατμοσφαιρικό Πλάσμα (ΨΑΠ), προερχόμενο από τον ατμοσφαιρικό αέρα, προδιαγράφεται ως μία πολλά υποσχόμενη αντιμικροβιακή τεχνολογία. Μελέτες της τελευταίας δεκαετίας απέδειξαν ότι η πληθώρα των δραστικών χημικών συστατικών (π.χ. ρίζες υδροξυλίου, διοξυγόνου και νιτρικού οξειδίου, ατομικό οξυγόνο, ατομικό άζωτο, υπεροξείδιο του υδρογόνου, όζον, υπεροξυνιτρικά κ.λ.π.) σε συνδυασμό με τα υπεριώδη φωτόνια που παράγονται από το ΨΑΠ του αέρα διαθέτουν αντιμικροβιακές ιδιότητες λόγω της συνεργιστικής τους δράσης για την εξάλειψη των μικροοργανισμών. Από βιομηχανικής απόψεως, το ΨΑΠ προσφέρει αποτελεσματική αντιμικροβιακή δράση εντός μικρών χρόνων εφαρμογής ενάντια σε αρκετούς παθογόνους μικροοργανισμούς που σχετίζονται με τα τρόφιμα, μπορεί να εφαρμοστεί σε ποικίλες επιφάνειες επεξεργασίας, είναι απλή, προσαρμόσιμη και χαμηλού κόστους διεργασία, με ελάχιστες ενεργειακές απαιτήσεις και χωρίς την παραγωγή αποβλήτων ή χημικών υπολειμμάτων.Παρά τα σημαντικά του πλεονεκτήματα, υπάρχουν ακόμα αρκετά προβλήματα που σχετίζονται με αυτή την αντιμικροβιακή τεχνολογία, με βασικότερο την περίπλοκη παραγωγή των απαιτουμένων δραστικών χημικών συστατικών, η οποία καθιστά δύσκολο τον έλεγχο της διεργασίας, με συνέπεια η παραγόμενη αντιμικροβιακή δράση να μεταβάλλεται σημαντικά ακόμη και με μικρές αλλαγές στις λειτουργικές παραμέτρους. Κατά συνέπεια, η υιοθέτηση της τεχνολογίας αυτής στη βιομηχανία τροφίμων για την απολύμανση του εξοπλισμού επεξεργασίας είναι μέχρι σήμερα περιορισμένη έως μηδενική.Η διατριβή αυτή είχε σκοπό να διερευνήσει τη δυνατότητα εφαρμογής του ΨΑΠ ως αντιμικροβιακής τεχνολογίας σε συνήθη εξοπλισμό επεξεργασίας (π.χ. ιμάντες μεταφοράς) υπό ρεαλιστικές συνθήκες που συναντώνται σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας τροφίμων, να αναπτύξει ένα πρότυπο σύστημα που θα λειτουργεί παράλληλα με τη γραμμή παραγωγής, ώστε να μη χρειάζονται διακοπές στην παραγωγή, και να εξετάσει τις επιδράσεις του ΨΑΠ στους μικροοργανισμούς και στις προς απολύμανση επιφάνειες.Εξετάστηκαν δύο συστήματα παραγωγής ΨΑΠ (έμμεσο, άμεσο) για τις αντιμικροβιακές δράσεις τους ενάντια σε δύο συνήθεις παθογόνους μικροοργανισμούς (S.Typhimurium και L.monocytogenes), σε επιφάνειες ανοξείδωτου ατσαλιού, κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες που υφίστανται σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας τροφίμων.Το έμμεσο σύστημα ΨΑΠ εξετάστηκε λόγω της απλότητάς του και της δυνατότητας εύκολης ανάπτυξής του σε βιομηχανικό επίπεδο. Το σύστημα παρήγαγε σημαντικά αντιμικροβιακά αποτελέσματα όταν ήταν τοποθετημένο σε απόσταση <10 mm από την προς απολύμανση επιφάνεια (π.χ. σε απόσταση 5 mm επετεύχθη μείωση έως ~2.0 logCFUσε S.Typhimurium και >3.5 logCFU σε L.monocytogenes αντίστοιχα εντός ~3min), αποδεικνύοντας ότι τα χημικά συστατικά ενδιάμεσης διαβίωσης (π.χ. ρίζες υδροξυλίου και νιτρικού οξειδίου) αποτελούν κλειδί για την αντιμικροβιακή δράση. Παρά ταύτα, βρέθηκε ότι και άλλοι παράγοντες επηρεάζουν το αντιμικροβιακό αποτέλεσμα (π.χ. η πυκνότητα του πληθυσμού των μικροοργανισμών). Επιπροσθέτως, εξετάστηκε η επίδραση του ΨΑΠ στους μικροοργανισμούς και βρέθηκε ότι προκλήθηκαν ισχυρές παραμορφώσεις στα επεξεργασμένα κύτταρα. Παρά τα σημαντικά αποτελέσματα όμως, οι χρόνοι εφαρμογής που απαιτήθηκαν ήταν πολύ μεγάλοι για την ενσωμάτωση σε ένα συνεχές σύστημα απολύμανσης, με λειτουργία παράλληλα με τη γραμμή παραγωγής.Για τον παραπάνω λόγο, η έρευνα στράφηκε στο άμεσο σύστημα ΨΑΠ, το οποίο αποδείχθηκε ότι παράγει σημαντικά αποτελέσματα σε πολύ μικρότερους χρόνους εφαρμογής, ακόμη και μερικών δευτερολέπτων (π.χ. επετεύχθη μείωση έως ~1.2 logCFUσε S.Typhimurium και 2.0 logCFU σε L.monocytogenes αντίστοιχα εντός 10 sec). Έτσι, το άμεσο σύστημα επιλέχθηκε για ενσωμάτωση σε έναν πρότυπο ιμάντα μεταφοράς και εξετάστηκε ως συνεχές σύστημα απολύμανσης, με λειτουργία παράλληλα με τη γραμμή παραγωγής. Οι επιφάνειες προς απολύμανση μεταφερόντουσαν από τον ιμάντα του συστήματος και επεξεργαζόντουσαν διαδοχικά πολλαπλώς. Όπως και προηγουμένως, το σύστημα παρήγαγε σημαντικά αντιμικροβιακά αποτελέσματα (π.χ. επετεύχθη μείωση έως ~2.8 logCFU σε S.Typhimurium και 3.0 logCFU σε L.monocytogenes αντίστοιχα για ανοξείδωτο ατσάλι εντός 10 sec συνολικού χρόνου εφαρμογής). Επιπροσθέτως, βρέθηκε ότι το αποτέλεσμα της αντιμικροβιακής δράσης δεν επηρεάστηκε από την κίνηση του ιμάντα. Αντίθετα, άλλες παράμετροι (π.χ. η πυκνότητα του πληθυσμού των μικροοργανισμών) βρέθηκαν να επηρεάζουν τα αντιμικροβιακά αποτελέσματα.Το παραπάνω σύστημα εξετάστηκε και σε πολυμερείς επιφάνειες που συνήθως συναντώνται στον εξοπλισμό επεξεργασίας τροφίμων, με παρόμοια αντιμικροβιακά αποτελέσματα. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση της επεξεργασίας με ΨΑΠ στις προς απολύμανση επιφάνειες με διάφορες μεθόδους και βρέθηκε ότι η έκθεσή τους σε ΨΑΠ προκάλεσε ελαφρά οξείδωση τόσο στις μεταλλικές όσο και στις πολυμερείς επιφάνειες, επηρεάζοντας τη σύνθεση και τη μορφολογία τους, κάτι που θα μπορούσε να αποτελέσει αντικείμενο μελλοντικής έρευνας.Εν κατακλείδι, η διατριβή αυτή έδειξε ότι το ΨΑΠ μπορεί να αποτελέσει ένα αποτελεσματικό μέσο για τον περιορισμό των επιμολύνσεων εντός των βιομηχανικών εγκαταστάσεων επεξεργασίας τροφίμων και μπορεί να εφαρμοστεί σε επιφάνειες και εξοπλισμό επεξεργασίας τροφίμων σαν μία συνεχής διεργασία, παράλληλα με τη γραμμή παραγωγής, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις της βιομηχανίας τροφίμων όσον αφορά στα αντιμικροβιακά αποτελέσματα, το χρόνο εφαρμογής και το κόστος.