artikel

Pulsed Electric Field-pasteurisatie in een microreactor

Algemeen

Pulsed Electric Field (PEF) is een koudepasteurisatietechnologie die de laboratoriumfase langzaam lijkt te ontgroeien. Er zijn nog wel technische en wettelijke obstakels. Het gebruik van microtechnologie biedt nieuw perspectief. De Wageningse promovendus Martijn Fox onderving hiermee enkele nadelen van de gewone PEF-technologie en legde de basis voor een microPEF-reactor.

Al sinds eind jaren zestig is uit onderzoek van Hamilton en Sale bekent dat cellen van micro-organismen in een vloeistof kunnen worden afgedood door middel van een gepulseerd elektrisch veld. Het principe berust op elektroporatie: wanneer over een celmembraam een potentiaalverschil van 0,5 tot 1,5 Volt staat, worden er gaten in het membraan geslagen. Om dit potentiaalverschil over een dergelijk kleine structuur als de celmembraam te kunnen zetten is gewoonlijk een zeer hoge veldsterkte nodig. Gewone opgeschaalde PEF-reactoren werken dan ook met spanningen tussen de 15 en de 90 kiloVolt. De te pasteuriseren vloeistof stroomt tussen de elektroden door die enkele millimeters of centimeters van elkaar liggen.

Om te voorkomen dat het water ontleedt, geeft men korte pulsen van 2 tot 300 microseconden. En dan moet men nog opletten dat de vloeistof door te veel pulsen bij dergelijk hoge voltages niet snel verhit want daarmee zou een van de voordelen van PEF –geen effect op de smaak en nutritionele waarde – teniet worden gedaan.
“Het probleem zit in de afmetingen”, aldus bioproceskundige Martijn Fox. “Zou je de twee electroden op één cel kunnen zetten, dan kan je die met een gewone huis-tuin-en-keukenbatterij afdoden. En dat kan! In principe. Met behulp van microtechnologie.”

Etsen
Onderzoekers van Wageningen UR en de TU Twente combineerden PEF met microtechnologie. In een glazen plaatje van een vierkante cm etsten ze een kanaaltje met een reactieruimte van 30 micrometer lang en 10 micrometer hoog. Ze voorzagen het minireactievat van platina elektroden met een dikte van 200 nm. Fox experimenteerde met verschillende ontwerpen en bestudeerde daarin de afdoding van bacteriën.

Voor het ontwerp dook de promovendus eerst in de literatuur: “Je kijkt naar de principes waarop PEF-reactoren zijn gebaseerd. En ik was geen microtechnoloog dus je moet ook kennis opdoen van wat daarin mogelijk is. Het was een stijle leercurve. Bovendien is het werken met een microreactor zo anders dan wat we hier bij proceskunde gewend waren. Gewoonlijk maak je bijvoorbeeld slangen vast aan een reactorvat en hang je er een pomp aan. Maar voor een spuitpompje dat heel gelijkmatig een halve milliliter per uur door de chip voert hadden we heel andere aansluitingen nodig. Het kostte me daarom veel tijd om de opstelling te maken. En dan blijft vervuiling bij microtechnologie altijd een probleem. Stoffen die aan de wand plakken zijn moeilijk te verwijderen. Dus voordat alles draait zoals het hoort… Maar het heeft wel vruchten afgeworpen en de oplossingen worden nu gebruikt door anderen.”

Intrigerend
De promovendus deed bij de Wageningse vakgroep Proceskunde kwantitatieve metingen aan de afdoding in zijn microreactor. “Het was een exploratief onderzoek naar de mogelijkheden op dit nieuwe vakgebied”, aldus Fox. “Micro- en nanotechnologie is booming en ik vind het intrigerend dat je met een microscoop in een hele kleine glazen chip kunt kijken en dat je heel precies kunt controleren wat daarin gebeurt. Voor zo ver ik weet is er niet eerder onderzoek gedaan naar de combinatie van PEF en microtechnologie.” Fox kon zijn voltage een factor 25 verlagen ten opzichte van een gewone reactor voor een gelijk resultaat.

Microzeef
Voor een commerciële reactor zou je een heleboel chips parallel moeten zetten. Maar zelfs als de prijs van de chips daardoor zou dalen is dit volgens Fox nog te duur. Doorredenerend op het principe van parallelle microkanaaltjes werden de contouren zichtbaar van een nieuwe reactor. Fox: “We hebben een gedachtenontwerp gemaakt waarbij we de grenzen aangeven waarbinnen elektroporatie mogelijk is. In plaats van parallelle chips moet je je een microzeef voorstellen met heel regelmatige kanaaltjes. Aan beide kanten van de zeef staat een elektrode en de elektroporatie vindt plaats terwijl een cel door een kanaaltje stroomt. De behandeltijd is dus de verblijftijd van een cel in het kanaaltje. En ieder kanaaltje is dan een reactorvat. Zo’n zeef mag niet te dik zijn anders wordt de drukval weer te hoog. Maar omdat de verblijftijd in het kanaaltje relatief kort is, volstaat een wisselspanning en hoeft er niet te worden gepulst. Wel moet je rekening houden met de verblijftijd van de cellen in het kanaaltje. Die heeft altijd een zekere spreiding. Om iedere cel voldoende te raken kom je uit op een frequentie van rond de 1 MHz.”

Mooi
MicroPEF is een aanvuling op de gewone PEF en moet zich in de praktijk nog helemaal bewijzen. De onderzoeker: “Deeltjes zullen de zaak verstoppen zodat je naar een ontwerp moet waarbij vervuiling wordt voorkomen of verwijderd. Dit kan bijvoorbeeld met een cross-flow-ontwerp waarbij de vloeistof onder druk langs de zeef stroomt en zo verontreiniging afvoert. Maar de bottleneck bij acceptatie van PEF is volgens mij niet de technologie maar de wet en regelgeving. Voor nieuwe technologieën moet je aan zeer veel regels voldoen, zoals het bewijs leveren dat er door elektrische velden geen ongewenste stoffen in het voedingsmiddel worden gevormd en dat er geen vreemd materiaal in terecht komt door bijvoorbeeld corrosie van de elektroden. Daarom is het mooi dat de Genesis Juice Corporation (zie kader) toestemming heeft gekregen van de FDA om gewone PEF toe te passen.”

Reageer op dit artikel