Claranor Pulsed Light Sterilization

Prinzip und Verfahren gegen Mikroorganismen

Geschichte

Die ersten Versuche mit Blitzlicht zur Anwendung für mikrobiologische Dekontamination gehen in die 70er Jahre in Japan zurück.

Das erste Patent für diese Technologie, bei dem die Verwendung von Xenon Lampen für eine mikrobiologische Dekontamination beschrieben wird,stammt aus dem Jahr 1984 in Hiramoto.

In der Zeit von 1990-2000 wurden breitgefächerte Laborversuchean Produkten, Lebensmitteln und medizinischen Geräten durchgeführt, um die Effektivität vonLichtimpulsen bei der Oberflächendekontamination nachzuweisen.

Auch wenn diese mikrobiologischen Studien eine effiziente Dekontamination aufgezeigt haben, so konnte nie eine Verbindung zwischen den physikalischen Parametern der Behandlung (Stärke des Lichts, Energie) und seiner Effizienz bei der Zerstörung von Mikroorganismen bewiesen werden. Aber genau diese Relation muss bekannt sein ist, um daraus eine Konzeption im industriellen Maßstab zu entwickeln. Sokam diese Technologie bis in die 2000er Jahre nicht über das Laborstadium hinaus.

Zu dieser Zeit fanden die ersten Versuche zur Entkeimung von Verpackungen statt und das Unternehmen Claranor wurde im Jahr 2004 gegründet.

Die PULSED LIGHT Technologie von Claranor basiert auf dem keimtötenden Effekt von weißem Licht.

PULSED LIGHT von Claranor wird in 2 Schritten erzeugt:

  • Ein Impuls von einigen Nanosekunden mit 20kV reicht aus, um die mit leitfähigem Xenon-Gas gefüllteLampe zu entzünden.
  • Der mit 3000V geladene Kondensator entlädt sich in einem Lichtbogen innerhalb eines Pulses von 300 Mikrosekunden, wodurch das Gas in der Lampe ionisiert und ein Plasma erzeugt wird. Es entsteht weißes Licht mit sehr starker Intensität – ca. 20.000 x so stark wie die Sonnenstrahlung, die auf der Erdoberfläche gemessen wird.

 

Der Blitz deckt das gesamte Spektrum des weißen Lichts ab und ist dabei reich an keimtötendenUV-Strahlen. Innerhalb einer sehr kurzen Spanne (0,3ms) entsteht in der Lampeeine Leistung von 1MW, wobeidie eine Hälfte in Form von Wärme und die andere in Form optischer Energie abgegeben wird.Das UV-Licht stellt 20% dieser optischen Energie dar, damit also ca. 100 kW.

VOLLSTÄNDIGE ABTÖTUNG VON MIKROORGANISMEN

Einer oder mehrere PULSED LIGHT-Blitze auf Mikroorganismen angewendetführt zu ihrer vollständigen, sofortigen und dauerhaftenAbtötung.Diese Zerstörung beruht auf zwei Wirkungen:

  • die Denaturierung von lebenden Makromolekülen (DNA, Struktur- und Stoffwechselproteine, Enzyme) über die UV-Strahlen,
  • die Intensivierung dieser Denaturierung durch den Leistungseffekt des UV-Lichts.

Die Effektivität der Technologie wurde auf einer ebenen Kunststoffoberfläche mit einer großen Vielfalt an Mikroorganismen nachgewiesen: Bakterien in vegetativer Form und als Sporen, darunter auch thermoresistente Sporen,Schimmelpilze, Hefen und Viren.

Die Stärke der Entkeimung hängt von der Intensität der Behandlung, der Qualität und der Beschaffenheit der zu behandelnden Oberfläche ab.

Die Wirkungsweise dieser Technologie wurden im Rahmen der Kooperationen von Claranor mit seinen wissenschaftlichen Partnern, der INRA und dem CNRS, ausführlich untersucht.

Eine Doktorarbeit (2008-2010) in Kooperation von Claranor und INRA spielte eine ausschlaggebende Rolle in der Definition des Verhältnisses der erforderlichen Dosierung des PULSED LIGHT und der Auslegung der Claranor-Anlagen.


Source : Clair et Carlin, 2013, INRA PACA

EinigewissenschaftlicheVeröffentlichungen:

DoktorarbeitClaranor - INRA, Caroline Levy: "Principaux facteurs influençant l'efficacité de la Lumière Pulsée pour la décontamination des microorganismes pathogènes et d'altération des denrées alimentaires".

WissenschaftlicheArbeit:Role of pigmentation in protecting Aspergillusnigerconidiospores 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.

WissenschaftlicheArbeit: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.

WissenschaftlicheArbeit: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.

WissenschaftlicheArbeit: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.

WissenschaftlicheArbeit: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.

WissenschaftlicheArbeit: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.

WissenschaftlicheArbeit: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.

Forschung und Entwicklung bei Claranor

Die Innovation bei Claranor konzentriert sich auf eine noch bessere Beherrschung der Technik und auf die Entwicklung neuer Anwendungsbereiche.

Das Unternehmen hat dem Bereich Forschung und Entwicklung (F&E) wichtige Ressourcen gewidmet, mit einem Team von 6 Personen mit Kompetenz in Optik, Mikrobiologie, Elektromechanik und Leistungselektronik.

Das Projekt Beata Lux, Hauptprojekt der F&E des Unternehmens, ist ein Konsortium das 11 industrielle Partner, Zulieferer und Wissenschaftler rund um Claranor vereint, um neue Anwendungen für PULSED LIGHT zu entwickeln. Es begann im Januar 2011 mit einer Laufzeit von 4 Jahren und erhielt die Unterstützung des BPI France (Bsp. OSEO).
Das Projekt hat die Markteinführung neuer Anwendungsbereichen für PULSED LIGHT in der Verpackungsdekontamination zum Ziel. Das System der Entkeimung von Flaschenmündungen, heute durch Claranor vermarktet, wurde im Rahmen dieses Projektesentwickelt.

Anderen Anwendungen im Umfang der Studie in Partnerschaft mit Zulieferern und Kunden sind insbesondere die Sterilisation von:

  • Form-Fill-Seal- Bechern
  • PEHD - Flaschen,
  • Aluminiumdeckel.