Claranor Pulsed Light Sterilization

Principio y acción sobre los microorganismos

Antecedentes

Los primeros ensayos con flashes de luz destinados a la descontaminación microbiológica se realizaron en los años 70 en Japón.

La primera patente en relación con la tecnología de luz pulsada data de 1984 (Hiramoto) y describe el uso de lámparas de xenón para la descontaminación microbiológica.

Durante la década de los 90, los laboratorios de investigación llevaron a cabo campañas de ensayos en una amplia gama de productos, alimentos, dispositivos médicos… para evaluar la eficacia de los flashes de luz pulsada en la descontaminación de superficies.

Estos estudios realizados por microbiólogos demostraron su eficacia para la descontaminación, pero nunca establecieron una correlación entre los parámetros físicos del tratamiento (potencia del flash, energía) y su eficacia en la destrucción de los microorganismos. Sin embargo, esta relación “dosis-respuesta” es esencial para la ampliación a escala y el diseño de equipos industriales. Por lo tanto, la tecnología se mantuvo en fase de laboratorio hasta principios de este siglo.

Fue entonces cuando se realizaron los primeros ensayos para la descontaminación de envases y se creó la empresa Claranor, en 2004.

La tecnología de luz pulsada de Claranor se basa en el efecto germicida de los flashes de luz blanca.

El flash de Claranor se produce en 2 etapas:

  • Un impulso de unos pocos nanosegundos a 20 kV permite que la lámpara se rellene de xenón conductor.
  • El condensador, cargado a 3000 V, se descarga en un arco mediante un pulso de 300 microsegundos, lo cual ioniza el gas de la lámpara y genera un plasma que emite una luz blanca de muy alta intensidad (20.000 veces la luz del sol en la superficie de la Tierra).

 

El flash cubre todo el espectro de la luz blanca y tiene una elevada presencia de rayos UV, conocidos por sus propiedades germicidas. Aplicado en un lapso de tiempo muy breve (0,3 ms), la energía de la lámpara produce una potencia de 1 MW, la mitad de la cual se disipa en forma de calor y la otra en energía óptica. Los UV representan el 20 % de esta energía óptica, es decir, 100 kW del flash (valores aproximados).

Destrucción total de los  microorganismos

La aplicación de uno o varios flashes de luz pulsada sobre los microorganismos consigue su destrucción total, inmediata e irreversible. Esta destrucción se fundamenta en dos principios:

  • la desnaturalización de las macromoléculas de los seres vivos (ADN, proteínas de estructura y de metabolismo, enzimas) mediante los rayos UV,
  • el refuerzo de esta desnaturalización por el potente efecto de los rayos UV.

Se ha demostrado la eficacia de la tecnología sobre superficies planas (de plástico) en una amplia variedad de microorganismos: bacterias en forma vegetativa y esporulada (incluidas las esporas resistentes al calor), hongos, levaduras y virus.

El nivel de descontaminación obtenido depende de la intensidad del tratamiento y de la calidad y la geometría de la superficie tratada.

Los mecanismos de acción de la tecnología son objeto de un extenso estudio en el marco de la colaboración entre Claranor y sus socios científicos, en particular el INRA (Instituto francés para la investigación agrícola) y el CNRS (Centro francés para la investigación científica).

El trabajo de tesis (2008 - 2010) realizado en colaboración entre Claranor y el INRA ha tenido una suma importancia en la definición de la relación “dosis-respuesta”, base del dimensionamiento de los equipos de Claranor.


Fuente:  Clair y Carlin, 2013, INRA PACA

Algunas publicaciones científicas:

Tesis Claranor‐INRA, 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.

I+D en Claranor

En Claranor, la innovación está enfocada a obtener una mejor comprensión de la tecnología y el desarrollo de nuevas aplicaciones.

La compañía destina importantes recursos al sector de Investigación y desarrollo, con un equipo de seis expertos en óptica, microbiología, electrónica y electrónica de potencia.

El proyecto Beata Lux, principal proyecto de I+D de la empresa, es un consorcio de once socios industriales, proveedores de equipos y científicos en torno a Claranor con el objetivo de desarrollar nuevas aplicaciones de la luz pulsada. Se inició en enero de 2011 para un período de cuatro años, y ha obtenido apoyo de BPI Francia (grupo público de financiación e inversión para empresas, antes OSEO).
El proyecto pretende introducir en el mercado nuevas aplicaciones de la luz pulsada en la descontaminación de envases. El sistema de descontaminación de cuellos de preformas, actualmente comercializado por Claranor, fue desarrollado como parte de este proyecto. 

Otras aplicaciones que se están estudiando en colaboración con los proveedores de equipos y los usuarios incluyen de manera notable la esterilización de:

  • botes Form Fill Seal,
  • botellas de PEAD,
  • láminas de sellado de aluminio.