technologie > decontaminatie > pulserend elektrisch veld

download article

Pulserend Elektrisch Veld

Het antibacteriële effect van een pulserend elektrisch veld was reeds getest aan het eind van de 19de eeuw, maar de dodelijke gevolgen voor micro-organismen met lage frequentie toepassing van de wisselstroom werden later gevonden.

In de jaren '20 van de vorige eeuw werd in Europa en de V.S een proces genaamd “Electropure” geïntroduceerd. Het was één van de eerste pogingen om elektriciteit voor melkpasteurisatie te gebruiken en het werd uitgevoerd door de toepassing van een (niet gepulseerde) wisselstroom van 220 V binnen een behandelruimte van koolstofelektrode. Ongeveer vijftig installaties waren binnen verrichting tot de jaren '50, maar wegens toenemende energiekosten en de concurrentie van nieuwe milde thermische conserveringstechnieken (zoals UHT en Ohmic Heating), zijn deze installaties vervangen.
Behalve thermische gevolgen die op het mechanisme van Ohmic Heating berusten, werden de dodelijke gevolgen van elektrochemische reacties zoals de hydrolyse van chloor gevonden toen voedsel werd behandeld met ontlading van 3-4 kV.
Pulserende ontlading van hoogspanningselektriciteit over twee elektroden voor microbiële inactivering werden voor het eerst in de jaren '50 onderzocht. Deze behandeling resulteerde in een genoemde “elektrohydraulische behandeling”. De elektroden werden ondergedompeld in een vloeibare middel binnen een drukvat, de elektrische bogen werden geproduceerd door hoogspanningspulsen die voorbijgaande drukgolven tot 250 MPa en ultraviolet licht pulsen vormden.
Verschillende experimenten werden toonden aan dat de pulserend elektrische velden kunnen worden toegepast voor verstoring van cellen in voedselmateriaal. Deze experimenten werden verder ontwikkeld en uitgebreid voor de inactivering van micro-organismen en afvalwaterbehandeling. [1]

1 Principe

De belangrijkste componenten die voor pulserend elektrisch veld van toepassing zijn vereist, zijn één pulsgeneratiesysteem en een behandelruimte. Een essentiële eis voor een efficiënte productie is een continu stromend systeem met een hoge capaciteit die aan ontwikkeling van continue behandelingkamers leidt. Het voedsel wordt daarin doorgepompt terwijl het blootgesteld wordt, aan het omringend elektrische veld en hoge temperaturen.
Voordat de verhitting begint, zouden de warmtewisselaars kunnen worden gebruikt, om de media te verhitten. Na de behandeling, zou de gedissipeerde elektrische energie in een temperatuurverhoging kunnen resulteren. Deze energie dient te worden verwijderd voordat het product aseptisch verpakt wordt.
Een aseptische verpakkingsmethode wordt vereist om opnieuw verontreinigen te verhinderen/voorkomen. Eén van de belangrijkste voordelen om het product te behandelen met PEF, is het continu stromend systeem met zeer korte verwerkingstijden, met als vervolg dat het systeem gemakkelijk kan worden uitgevoerd in een bestaande verwerkingslijnen.
Het pulsgeneratiesysteem zet de elektrische sterkte om van een laag voltage niveau naar hoog pulserend elektrische velden. [2]

Door een pulserend spanningsverschil van meer dan 1 Volt over het celmembraan van vegetatieve micro-organismen raakt dat membraan lek of gaat zelfs kapot. Boven de kritische sterkte van ongeveer 1 Volt ontstaan microporiën in de celwand, waardoor voedingsstoffen weglekken en gifstoffen de cel binnen kunnen dringen. Het micro-organisme heeft al zijn energie nodig om “in stand te blijven”. Daardoor is voor de groei geen energie meer over.
Een elektrisch veld wordt aangelegd over een vloeibaar voedingsmiddel, dat tussen een positief geladen en een negatief geladen elektrode doorstroomt. Dat veld wordt telkens zeer kort, tussen enkele microseconden tot milliseconden gehandhaafd waarna de plus en min lading weer naar nul daalt. Vervolgens wordt opnieuw een zeer kort elektrisch veld aangelegd. Dit is de reden waarom deze term “Pulserend Elektrisch Veld” wordt genoemd.
Men geeft een voedingsmiddel tussen 10 en 100 van dergelijke korte pulsen, met een gebruikte veldsterkte tussen ongeveer 10 KV/cm en 40 KV/cm. Bij 40 kV/cm is het spanningsverschil zo groot dat door het voedingsmiddel kortsluiting ontstaat. Dit effect is uiteraard niet gewenst. Vanaf ongeveer 15 kV/cm sterven vegetatieve micro-organismen in het product af. [3]

Een vereenvoudigde kring voor het afwikkelen van pulsen wordt getoond in Figuur 1.1, welke bestaat uit een “het laden en het lossen eenheid”. Een voorraad energie component wordt dwars opgeladen door een “charging resistor” via een DC hoog energiespanning voorziening.



Figuur 1.1: Vereenvoudigde elektronkringen van de pulsgeneratie systemen en de ideale voltagepatronen van exponentieel bederf en vierkante golfpulsen (Sun et. al 2005, p.76)



Figuur 1.2: Principe hoge pulserend elektrisch veld (Barbosa et. al. 1998, p.55)

[2]

2 Indeling apparatuur

De behandelruimte
De behandelruimte, waarin het voedsel aan het pulserend elektrische veld wordt blootgesteld, bestaat uit minstens twee elektroden: één op hoogspanning en de andere op grondpotentieel, dat door materiaal in verschillende geometrieconfiguraties te isoleren wordt gescheiden. Parallelle platen, de coxiaal of co-lineaire cilinders zijn algemeen gebruikt. Een groot aantal studies is uitgevoerd met parallelle plaatsystemen binnen iedere partij en later in ononderbroken stroomrichting. Batch-ruimtes verstrekken vele voordelen voor laboratoriumgebruik; de kleine volumes van behandelingsmedia worden vereist en de behandelingstemperatuur is gemakkelijk om door de elektroden te koelen en door langzame herhalingsbesturing te handhaven.
Tussen de verschillende elektroden configuraties (Figuur 2.1), geven de parallelle platen het meest eenvormige elektrische veld op een groot bruikbaar veld tussen de platen, maar de behandelingsintensiteit wordt verminderd in grensvelden. In batch-kamers kunnen productstroom tot veranderingen van positie leiden (zonder zich te mengen) en een aanzienlijk deel van het volume kan onder-bewerkt blijven, dit is namelijk noodzakelijk voor de micro-organismen inactivering. In continue behandelruimtes, kan dit worden verhinderd door veelvoudige behandelingszones toe te voegen in lijn of in stroomkanalen. Om de hoge doorstroom te bereiken die voor industriële toepassingen wordt vereist, moeten de pulsen met een hoge herhalingsstroom worden toegepast, wat tot een snelle temperatuurverhoging van de media leidt. Het elektrode en isolatiemateriaal moet food grade en autoclavable zijn. Voorts moeten de elektrochemische eigenschappen in acht worden genomen. Goud, platina, koolstof en metaaloxides worden als alternatief gezien voor algemeen gebruikte roestvrij staalelektroden. Om productblootstelling aan de elektroden oppervlakte te vermijden, werd een systeem ontwikkeld dat uit een glasrol bestaat: het omringen van de werkstukelektrode. Dit bevestigde dat de microbiële inactivering zelfs zonder direct contact kan worden verkregen.



Figuur 2.1: Configuraties van behandelruimtes voor continu PEF behandeling:
a) Parallel plaat
b) Coxiaal plaat
c) Co-lineaire configuratie
(Sun et. al. 2005, p. 78)
[4]

3 Microbiële afdoding

3.1 Microbiële afdoding

Voor voldoende inactivering van micro-organismen kunnen een aantal factoren van belang zijn: behandelingstijd, pulsvorm en behandelingstemperatuur (waarvan het laatste het meeste effect heeft).

Behandelingstijd
Een verhoging van de behandelingstijd zorgt voor uitstekende inactivatie, maar in sommige gevallen wordt verzadiging verkregen. Indien de puls in breedte toeneemt, neemt de micro-organismen afdoding ook toe. De pulsbreedte is niet gelijk gekoppeld aan behandelingstijd voor de afdoding van micro-organismen. Afhankelijk van de soort micro-organismen heeft de behandelingstijd meer effect op de inactivering dan de pulsbreedte.
Uit een onderzoek is gebleken dat voor inactivering van Salmonella senftenberg de behandelingstijd veel meer effect heeft dan de pulsbreedte. [5]

Pulsvorm
Afhankelijk van de topologie en de capaciteit van de PEF apparatuur, kunnen verschillende pulsvormen worden verkregen: exponentieel, rechthoekig (rectangular), monopolair, bipolair, oscillerend.
Uit onderzoek is gebleken dat de oscillerende vorm het minste effect heeft op inactivering van micro-organismen. Terwijl rectangular pulsen geven meer effect als het gaat om energie en inactiverig ten opzichte van exponentiele pulsen.
Uit hetzelfde onderzoek in gebleken dat door het gebruik van monopolaire pulsvorm 4,5 decimale reductie is verkregen van Bacillus subtillis in melk, terwijl bipolair 5,5 decimale reductie heeft veroorzaakt. In beide gevallen zijn er 13 pulsen van 16kV/cm toegepast met een pulsbreedte van 180 microseconden (μsec). [5]

Behandelingstemperatuur
De temperatuur van de behandeling heeft een groot effect op de inactivatie van micro-organismen. Verschillende onderzoekers hebben het synergie effect van temperatuur (25-55°C) in combinatie met PEF behandeling voor de inactivering van micro-organismen alsmede enzymen kunnen aantonen. De toename van temperatuur leidt tot een toename van de kinetisch energie van de ionen, daardoor worden de celwanden van de micro-organismen permeabel.
Uit onderzoek kon men constateren dat de combinatie van PEF en een temperatuur van 55°C, de celwanden van Escherechia coli O157:H7 kon afbreken. Uit een ander onderzoek is gebleken dat door het gebruik van 35 pulsen van 25 en 31 kV/cm, respectievelijk 3 decimale reductie van Staphlococcus aureus en 2 decimale reductie van Bacillus cereus kon worden verkregen bij magere melk. De tijd en temperatuur combinatie die werden gehanteerd waren respectievelijk :15 min / 45°C, 20 en 40 min / 60°C voor S. aureus en 5 – 10 min / 70°C voor B cereus. [5]
Er is een studie uitgevoerd omtrent het temperatuureffect op behandeling van Escherichia coli in appelsap. Deze studie wilde het effect van gecombineerd behandeling van PEF en milde hitte-behandeling wijzen voor microbiële inactivering. Men kon aantonen dat een temperatuurbehandeling van 35-55°C Escherichia coli tot 6 decimale-reductie kon veroorzaken. Hierboven wordt 10 tot 40 kJ/kg vereist wanneer het werken bij een eerste behandelingstemperatuur van 55°C is toegepast. [6]
Uit een ander onderzoek is gebleken dat het toepassen van PEF behandeling van 15 tot 30 pulsen van 30 kV/cm bij 43°C tot 2 decimale reductie leidt van Bacillus subtillis. Vervolgens heeft men de temperatuur verhoogd naar 55°C. Dit resulteert in 5 decimale reductie van Bacillus subtillis. [7]

3.2 Enzym inactivering

De enzymatische activiteit wordt veranderd door PEF behandeling.
In het algemeen, enzyminactivering door PEF te bereiken, is minder significante ten opzichte van microbiële inactivering. Dit feit is belangrijk omdat sommige enzymen nuttig zijn voor de voedselindustrie, PEF zou tot de vernietiging van micro-organismen leiden. Terwijl het handhaven van de activiteit van sommige enzymen gewenst is. De PEF behandeling beïnvloedt enzymactiviteit. In de meeste gevallen, zijn de hoge niveaus van inactivering bereikt, maar in sommige gevallen zijn geen effecten of geen verhoging van aanvankelijke activiteit ontdekt. Afhankelijk van de product soort en de behandelingconditie (tijd/temperatuur) is de enzymen inactivering groot of juist klein (zie figuur 3.4).
Zoals in figuur 3.4 wordt weergegeven is de inactivering van Pectin methyl esterase in jus’orange tot 88% bereikt bij een behandeling van 35kV/cm, 59μs bij 60°C, terwijl minder dan 10% inactivering is verkregen bij 35 kV/cm, 1000 μs. [8]

Enzyme	Media	Treatment conditions	Inactivation (%)	Reference
Pectin methyl esterase (tomato)	NaCl solution (8.8%) Distilled water	a24 kV/cm, 8000µs, 15°C a30 kV/cm, 4000µs	93.8 <10	Giner et al. (2000) Van Loey et al. (2002)
Pectin methyl esterase	Orange juice Orange juice Orange juice Blended orange- carrot juice	b35 kV/cm, 59µs, 60.1°C b25 kV/cm, 250000µs, 65°C b35 kV/cm, 1500µs, 45°C b25 kV/cm, 340µs, 63°C	88 90 80 79	Yeom et al. (2000b) Yeom et al. (2002) Elez-Martinez et al. (2003a) Rodrigo et al. (2001)
Pectin methyl esterase (orange peel)	Orange juice Distilled water and MccIlvaine buffer (pH=3.7)	a35 kV/cm, 1000µs a30 kV/cm, 40000µs	<10 <10	Van Loey et al. (2002) Van Loey et al. (2002)

Figuur 3.4 overzicht enzymen inactivatie (Sun, et. al 2005, p. 162-163)

Conclusie:

PEF behandeling kan eenvoudig vegetatieve micro-organismen, alsmede enzymen inactiveren. PEF kan ook ziekteverwekkers vernietigen. Sporenvormers en bederfsoort bacteriën worden vernietigd, mits de juiste behandeling wordt toepast, met name hogere temperatuur.

4 Toepassing

PEF behandeling wordt toegepast in verpompbare producten zoals melk, yoghurt, vruchtensappen en eventueel een heel ei (tussen twee elektroden). [9]
Het wordt ook toegepast bij droogprocessen bij fruit, plantencellen extractie en bij behandeling van zure producten. [10]
In de onderstaande figuur (4.1) wordt weergegeven welke producten behandeld worden door PEF:

Treated medium	Reference
0.1% NaCl solution	Sale and Hamilton (1967), Gupta and Murray (1989)
17.1 mM saline solution	Hülsheger and Niemann (1980)
0.9% NaCl solution	Jacob et al. (1981), Yonemoto et al. (1993)
Phosphate buffer, pH 7.0	Hülsheger et al. (1983), Matsumoto et al. (1991), Jayram et al. (1992)
Milk	Dunn and Pearlman (1987), Gupta and Murray (1989), Reina et al. (1998), Bendicho et al. (2002a)
Yogurt	Dunn and Pearlman (1987)
Deionized water	Mizuno and Hori (1988)
Sodium alginate	Grahl et al. (1992)
Orange juice	Grahl et al. (1992), Qiu et al. (1998), Hodgins et al. (2002), Liang et al. (2002), Zhang et al. (2002)
UHT milk (1.5% fat)	Grahl et al. (1992)
Potato dextrose sugar	Zhang et al. (1994a)
Apple juice	Qin et al. (1994), Zhang et al. (1994b), Qin et al. (1995), Evrendilek et al. (1999)
Simulated milk ultrafiltrate (SMUF)	Qin et al. (1994), Zhang et al (1994), Pothakamury et al. (1995)
Skim milk	Zhang et al. (1994a), Martin et al. (1997), Calderon-Miranda el al. (1999)
Sucrose and xanthan solution	Ho et al. (1995)
Pea soup	Vega-Mercado et al. (1996a)
Liquid egg	Martin-Belloso et al. (1997), Calderon-Miranda et al. (1999), Góngora-Nieto et al. (2001)
Cranberry juice	Raso et al. (1998), Jin and Zhang (1999)
Dry spices	Keith et al. (1997)
Wheat flour	Keith et al. (1998)
Liquid egg white	Jeantet et al. (1999)
Rice wine	Mok and Lee (2000)
Orange carrot juice	Rodrigo et al. (2001)
Rice pudding	Ratanatriwong et al. (2001)
Apple cider	Iu et al. (2001)
Cheese sauce	Ruhlman et al. (2001a)
Beef burgers	Bolton et al. (2002)
Horchata	Góngora-Nieto et al. (2002)

(Barbosa – Cánovas, 2005, p. 24)

5 Voor en nadelen

Voordelen

• Continu proces: het product kan stromend geconserveerd worden;
• Chemische en fysische product eigenschappen blijven in stand;
• Apparatuur is eenvoudig: een kleine behandelruimte met aan beide zijden een elektrode;
• Het product kan de gewone omgevingstemperatuur hebben of zelfs gekoeld zijn;
• Als gevolg van de zeer korte pulstijd en de korte behandelduur stijgt de producttemperatuur maar gering;
• Sterk verlaagd gebruik van water en energie, dus milieuvriendelijk t.o.v. bijvoorbeeld UHT;
• PEF-installatie hoeft (vergeleken met UHT) veel minder gereinigd te worden.

Nadelen

• Het te behandelen product moet homogeen zijn qua samenstelling om overal een veldsterkte van 15 kV/cm te bereiken;
• Niet homogene producten veroorzaken bij hogere veldsterkten een elektrische doorslag (kortsluiting). [3]

6 Nomenclature

PEF	=	Pulsed Electric Field
KV/cm	=	kiloVolt per cm (laagdikte
UHT	=	Ultra Hoge Temperatuur

7 Referenties

[1]	=	Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 4, bladzijde 70
[2]	=	Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 4, bladzijden 74 en 75
[3]	=	Rouweler, J.w, Conserveren, 2006, Dictaat HAS Den Bosch, Hoofdstuk 5, bladzijde 5-11
[4]	=	Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 4, bladzijden 77 en 78
[5]	=	Barbosa-Cánovas., Novel Food Processing Technologies, , 2005, CRC Press, Hoofdstuk 4, bladzijden 71 en 72
[6]	=	Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 5, bladzijden 122
[7]	=	Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 5, bladzijden 113
[8]	=	Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 7, bladzijden 161
[9]	=	Rouweler, J.W, Conserveren, 2006, Dictaat HAS Den Bosch, Hoofdstuk 5, bladzijde 5-11
[10]	=	Barbosa-Cánovas, Novel Food Processing Technologies, 2005, CRC Press, Hoofdtsuk 7, bladzijden 153 en 154

---

Geef uw reactie op dit artikel

Alle velden zijn verplicht. Uw persoonlijke informatie wordt niet op de site geplaatst. Hyfoma levert geen machines, maar verwijst alleen naar de bedrijven die de machines leveren. De meeste genoemde bedrijven leveren alleen machines voor de voedselindustrie en produceren geen voedsel.

Naam:		Email:
Functie:		Bedrijf: