Novel strategies for evaluating the effectiveness of aseptic sterilisation processes by means of a multi-sensor set-up

Abstract

The aseptic processing and packaging of food, in combination with the possibilities of aseptic storage, transport and packaging recycling, represents one of the most sustainable technologies in modern food processing and contributes significantly to reducing the losses of fruits, vegetables and milk and to increase the availability of this food all over the world. In contrast to conventional food processing methods, product and container are continuously sterilised separately and brought together under sterile conditions. This allows for a gentler thermal treatment of the product, while maintaining the benefits of an extended shelf life and the storage without refrigeration. Besides the thermal treatment of the product, the containers are sterilised in order to inactivate potential pathogens and/or food spoilers on the surface of the packaging. Today, hydrogen peroxide (H2O2) applied in either gaseous or vapour phase, particularly because of its good handling and high environmental compatibility, represents one of the mostly used sterilising agents in the aseptic filling industry. Against this background it is actually surprising that the mechanisms of biocidal action of H2O2 are rather poorly understood. In order to characterise the effectiveness of the sterilisation by H2O2, test objects inoculated with an unnaturally high load of microorganisms are taken through the sterilisation process. In retrospect, these are examined for viable bacteria. It seems obvious that this is a very time consuming and costly procedure. This work focused on the development of novel strategies for determining the effectiveness of the sterilisation by gaseous H2O2 by means of a real-time monitoring system. Therefore, a handheld sensor system for the online monitoring of the H2O2 concentration, which represents an important factor of the sterilisation, has been developed in the first instance. It could be shown that this monitoring system largely meets the technical requirements for field use. The main strategy, however, aimed at identifying the influencing factors of the sterilisation by gaseous H2O2 – determining in detail the impact of each of these variables on the microbicidal action – and to make them detectable using predominantly commercial gas sensors. The variables of the sterilisation process include the H2O2 concentration, humidity, gas temperature, flow rate and time of exposure. Initially, different types of gas sensors, including a calorimetric type, different metal-oxide semiconductor (MOX) as well as an electrochemical gas sensor have been identified as potential candidates for monitoring the factors which are involved in the sterilisation. Furthermore, the inactivation kinetics of bacterial spores by gaseous H2O2 have been investigated in several series of microbiological tests using Bacillus atrophaeus (formerly Bacillus subtilis) spores. In a first approach, a correlation between the microbicidal effectiveness and the signal output of two commercial gas sensors via one parameter, namely the H2O2 concentration, was established. Nevertheless, since the sterilisation is not solely dependent on the H2O2 concentration, other factors had to be taken into account. The second approach meanwhile aimed no more to establish a parameter-dependent correlation, but rather a direct correlation between sensor response and microbicidal action. In a first work on this topic, the sensing characteristics of several sensor types have been analysed with respect to their sensitivity towards the influencing factors of the sterilisation process. These are the H2O2 concentration, the humidity, the gas temperature and the gas flow rate. In parallel, microbiological tests have been carried out. It could be shown that the sensors in test equally responded to the influencing factors of the sterilisation. Additionally, oriented on the concept of an electronic nose, the feasibility of determining the microbicidal effectiveness on the basis of chemical images obtained from the sensor output, by applying pattern recognition, has been demonstrated. In a second work on this topic, the same sensors had been used, but the field of examined parameters has been defined more precisely and the number of measurement points has been increased considerably in order to obtain a higher statistical significance of both, the sensory measurements and microbiological tests. Thus, it was possible to establish two models, which correlate the sensor responses of the calorimetric gas sensor and two different types of MOX sensors with the microbicidal action within a wide parameter field. Based on this, a multi-sensor system for monitoring the effectiveness of the sterilisation process by gaseous H2O2 is proposed. The content of this thesis concludes with a study on the sensing mechanisms of different types of metal oxides towards H2O2, since a vast number of sensors used in this project belong to the group of MOX sensors. Therefore, pure SnO2 and WO3 as well as Pt- and Pd-doped SnO2 films were deposited on a self-developed array structure. It could be demonstrated that the doping with catalytically active materials significantly increases the sensitivity of MOX sensors towards H2O2. In this way, even low concentrations of H2O2 down to the ppm range can be detected. Thus, these sensors can be adopted for other fields of application where the detection of rather low concentrations is required, e.g., in the exhaust system of aseptic sterilisation devices or for environmental control in the vicinity of H2O2 deploying processes.

De aseptische verwerking en verpakking van voedsel in combinatie met aseptische bewaring en transport en de recyclage van de verpakkingsmaterialen zijn belangrijke duurzame technologieën in de voedingsindustrie. Hierdoor wordt immers het verlies van bv. fruit, groenten en melkproducten in sterke mate gereduceerd wat de wereldwijde beschikbaarheid van deze voedingsmiddelen duidelijk ten goede komt. In tegenstelling tot de eerder klassieke methoden worden vandaag het voedingsproduct en zijn verpakkingsmateriaal eerst apart gesteriliseerd alvorens beide met elkaar in contact worden gebracht onder eveneens steriele condities. Dit maakt een mildere thermische behandeling van het product mogelijk terwijl het voordeel van een langdurige bewaring zonder koeling behouden blijft. Naast de warmtebehandeling van het voedingsproduct dient te verpakking gesteriliseerd te worden om potentiële pathogene of bedervende kiemen te inactiveren. Hierbij geniet waterstofperoxide (H2O2) vandaag de voorkeur: Het kan zowel als gas als in de dampfase op een veilige en gecontroleerde manier worden gebruikt en is bovendien milieuvriendelijk zodat het nu het meest courante steriliserende medium is in het aseptische afvullen van voedsel. Voor deze achtergrond is het daarom verrassend dat de biocide werkingsmechanismen van H2O2 in feite nog steeds slechts gedeeltelijk begrepen zijn. Om de efficiëntie van de sterilisatie door H2O2 te analyseren worden testvoorwerpen doorgaans eerst met buitengewoon hoge concentraties aan micro-organismen geïnoculeerd om vervolgens het aantal overlevende kiemen te bepalen nadat het testobject het sterilisatieproces doorlopen heeft. Dergelijke testcycli zijn echter niet enkel tijdrovend maar ook kostenintensief. In het kader van deze thesis werden daarom nieuwe strategieën ontwikkeld om de efficiëntie van sterilisatie door H2O2 in de gasfase te bepalen waarbij de klemtoon op “real-time monitoring” ligt en het gebruik van gassensoren. Als eerste stap werd een “handheld” sensorsysteem ontworpen om H2O2 concentraties continu te kunnen opvolgen en het werd bovendien aangetoond dat dit instrument aan de technische vereisten voor analyses binnen een productieomgeving voldoet. Het hoofdoogmerk lag vervolgens op het identificeren van de verschillende, bijkomende factoren die de sterilisatieefficiëntie van H2O2 gas mede bepalen – het achterhalen van de impact van elk van deze factoren afzonderlijk – en hun kwantitatieve analyse door hoofdzakelijk commercieel beschikbare (gas-) sensoren. De variabele parameters van een sterilisatieprotocol omvatten niet enkel de H2O2 concentratie zelf maar ook de relatieve vochtigheid, de gastemperatuur, het gasdebiet en de blootstellingstijd. Belangrijk in deze is het feit dat “co-factoren” zoals vochtigheid en temperatuur niet enkel de sterilisatie-efficiëntie beïnvloeden maar ook de precisie waarmee een gassensor op bepaalde H2O2 concentraties reageert. In deze context werden dan ook verschillende types van gassensoren nader op hun toepasbaarheid geëvalueerd, in het bijzonder een calorimetrische sensor, verschillende MOXsensoren (metaal-oxide halfgeleiders) en een elektrochemische gas-sensor. Tegelijkertijd werd de biocide werking van blootstelling aan H2O2 gas op bacteriële kiemen onderzocht aan de hand van microbiologische testreeksen op basis van de Bacillus atrophaeus (ook bekend onder de vroegere naam “Bacillus subtilis”). Als eerste aanzet kon een correlatie worden vastgesteld tussen de microbiocide efficiëntie en de signaaloutput van twee commerciële gassensoren op de basis van een parameter, namelijk de concentratie van H2O2. Omdat sterilisatieprocessen echter niet enkel van deze concentratie alleen afhangen moesten ook de andere parameters in rekening worden gebracht. Vervolgens werd getracht om los van deze parameter-afhankelijke correlatie een rechtstreekse correlatie tussen de sensor-response en de microbiocide werking te achterhalen. Daarom werden het antwoordsignaal en de gevoeligheid van verschillende sensor-types onderzocht met betrekking tot alle factoren die de sterilisatie-efficiëntie beïnvloeden wat ook werd nagegaan in het kader van microbiologische testen. Volgens deze metingen reageren de geteste sensoren op een vergelijkbare maar toch unieke manier op de verschillende sterilisatieparameters. In analogie met het concept van elektronische neuzen en patronenherkenning werd dan ook aangetoond dat het haalbaar is om de microbiocide efficiëntie te bepalen op basis van de “scheikundige vingerprints” die met een combinatie van verschillende sensortypes worden behaald. In het vervolg werden dezelfde sensoren opnieuw gebruikt maar dan binnen een nauwkeuriger gedefinieerde parameterruimte en met een veel hogere dichtheid aan meetpunten. Hierdoor werd een hogere statistische significantie bereikt van zowel de sensor-gebaseerde data als van de microbiologische tests. Met deze gegevens konden twee modellen ontwikkeld werden die de sensorrespons van een calorimetrische gassensor en van twee verschillende types van MOX sensoren correleren met de microbiocide werking binnen een breed gebied van de mogelijke sterilisatieparameters. Op deze basis wordt dan ook een multisensor-systeem voorgesteld dat de efficiëntie van sterilisatieprocedés op een betrouwbare wijze kan monitoren. Het afsluitende hoofdstuk van deze thesis beschrijft een studie op de sensormechanismes die in werking treden als verschillende types van metaaloxides worden blootgesteld aan H2O2. Hiertoe werden zowel zuivere SnO2- en WO3 films alsook Pt- en Pd-gedopeerde SnO2 films op een zelf ontwikkelde multisensormeetplatform geïntegreerd. Het is duidelijk gebleken dat de dopering met katalytisch actieve elementen tot een belangrijke toename van de gevoeligheid van MOX-sensoren ten aanzien van H2O2 leidt. Op deze wijze konden bijzonder lage H2O2 concentraties, tot zelfs in het ppm regime, gedetecteerd worden. Bijgevolg kunnen deze sensoren ook aangepast worden voor het gebruik in andere toepassingsdomeinen waarin juist de lage detectielimieten van belang zijn zoals in de uitlaatleiding van sterilisatieopstellingen of in milieuanalyses.