Studium sterilizačních účinků dielektrického bariérového výboje
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstract
Předmětem dizertační práce bylo studium sterilizačních účinků dielektrického bariérového výboje pracujícího za atmosférického tlaku. Jako modelové mikroorganismy byly při studiu použity plíseň Aspergillus niger, grampozitivní bakterie Bacillus subtilis a částečně také gramnegativní bakterie Escherichia coli. Vzorky mikroorganismů byly naneseny na papír Whatman 1 nebo PET folii a vystaveny účinkům plazmatu. Plazma bylo generováno v prostředí argonu, dusíku, suchého a vlhkého vzduchu s frekvencí do 10 kHz a hustotou výkonu dle použitého plynu 1,2-2,9 W/cm3. Sterilizační účinky dielektrického bariérového výboje byly hodnoceny z hlediska vlivu procesního plynu, hustoty výkonu dodávaného do plazmatu, délky expoziční doby, typu mikroorganismu a materiálu nosiče. Část této studie byla zaměřena na zhodnocení příspěvku jednotlivých mechanismů (UV, teplota a reaktivní částice) k inaktivaci v jednotlivých procesních plynech a vlivu vlhkosti procesního plynu na průběh sterilizačního procesu. Plazma bylo diagnostikováno pomocí optické emisní spektroskopie, teplota byla monitorována termočlánkem. Mimoto bylo pomocí rastrovací elektronové mikroskopie zhodnoceno mechanické poškození buněčného materiálu a případný vliv plazmového opracování na nosný materiál. Na základě dosažených výsledků lze říci, že s nárůstem expoziční doby klesal počet životaschopných mikroorganismů. Obdobně s nárůstem hustoty výkonu dodávaného do plazmatu docházelo k nárůstu rychlosti inaktivace. Při sterilizaci vzorků spor A. niger v plazmatu generovaném v jednotlivých procesních plynech klesaly sterilizační účinky plazmatu dle použitého plynu v pořadí argon, vlhký vzduch, dusík a suchý vzduch. Výsledky sterilizace dalších modelových mikroorganismů v prostředí argonu ukázaly, že citlivost vegetativních buněk resp. spor mikroorganismů vůči účinkům DBD klesala v pořadí: spory A. niger, vegetativní buňky B. subtilis, vegetativní buňky E. coli a spory B. subtilis. Současně porovnáním výsledků získaným při sterilizaci spor a vegetativních buněk B. subtilis a A. niger bylo zjištěno, že spory jsou výrazně odolnější vůči sterilizačním účinkům plazmatu. Kombinací výsledků dosažených při studiu dílčích mechanismů, výsledků OES a průběhů inaktivačních křivek bylo zjištěno, že k inaktivaci významným způsobem přispívají ve všech procesních plynech reaktivní částice generované plazmatem. Dále k inaktivaci částečně příspívá UV záření, v omezené míře i teplota, přičemž význam UV záření klesal v pořadí dusík, argon, suchý vzduch a vlhký vzduch. Na základě výsledků oddělené studie bylo dále zjištěno, že příspěvek jednotlivých mechanismů, tj. UV záření, teploty a reaktivních částic se může lišit v závislosti na použitém modelovém mikroorganismu, což je dáno odlišnou citlivostí mikroorganismů vůči nepříznivým vnějším vlivům. SEM analýza povrchu obou materiálů vystavených účinkům DBD v prostředí všech použitých plynů prokázala v případě PET folie výskyt důlkové koroze již při několika minutovém působení plazmatu, zatímco v případě papíru nebyly zaznamenány žádné viditelné změny.
The overall goal of the presented dissertation thesis was to study the sterilization efficiency of dielectric barrier discharge operated at atmospheric pressure. The fungi Aspergillus niger, gram-positive bacteria Bacillus subtilis and in some experiments also gram-negative bacteria Escherichia coli were used as a bio-indicator enabling to evaluate the effect of plasma assisted microbial inactivation. The samples of microorganism were placed on paper Whatman 1 or PET foil and exposed to plasma. The plasma was generated in argon, nitrogen, synthetic dry/humid air with frequency up to 10 kHz and plasma power density in the range of 1,2-2,9 W/cm3 (according to the process gas). The influence of process gas, plasma power density, plasma exposition time, type of microorganism and material of the substrate on the sterilization effect of dielectric barrier discharge was evaluated. Furthermore the contribution of each single mechanism (UV radiation, temperature and reactive species) to the sterilization effect of plasma and influence of gas humidity was evaluated. The DBD was analysed by means of optical emission spectroscopy, thermocouple was used to measure temperature during a sterilization process. In order to verify the mechanical damage of the microbial cell or the substrates during the plasma process the samples were studied by scanning electron microscopy. Generally, on the basis of experimental results, at increasing treatment times, the remaining number of spores (CFU) decreased. Similarly at increasing the plasma power input, the sterilization rate increased. When sterilising the spores of A. niger in plasma using different process gasses, the efficiency of plasma sterilization decreased as follows: argon, humid synthetic air, nitrogen and dry synthetic air. The results observed in argon plasma using different microorganism demonstrated that the sensitivity of vegetative cells resp. spores to DBD decreased as follows: A. niger spores, B. subtilis vegetative cells, E. coli vegetative cells and B. subtilis spores. Simultaneously results observed for sterilization of spores and vegetative cells of B. subtilis and A. niger demonstrated that the spores are generally more resistant to plasma than are the corresponding vegetative cells. Combining the results of contribution of each single mechanism, optical emission spectroscopy and inactivation characteristic it was found out that the reactive species significantly contribute to the plasma sterilization in all process gasses. Furthermore the inactivation process can be partly assisted by UV radiation and also the temperature can contribute in limited extent to inactivation process in some gasses. The contribution of UV radiation to the plasma sterilization decreased as follows: nitrogen, argon, dry syntetic air and humid syntetic air. Moreover it was found out that the contribution of each single mechanism can be species dependent, this is due to the different response of microorganism to the unfavorable external conditions. SEM analysis of the substrates prooved the etching actions of the plasma generated in all process gasses on the surface of the PET foil. The several minute plasma exposition of the PET foil resulted in the occurence of the „hole corrosion“ on the PET surface. Contrary to these there were no visible changes observed in the paper structure.
The overall goal of the presented dissertation thesis was to study the sterilization efficiency of dielectric barrier discharge operated at atmospheric pressure. The fungi Aspergillus niger, gram-positive bacteria Bacillus subtilis and in some experiments also gram-negative bacteria Escherichia coli were used as a bio-indicator enabling to evaluate the effect of plasma assisted microbial inactivation. The samples of microorganism were placed on paper Whatman 1 or PET foil and exposed to plasma. The plasma was generated in argon, nitrogen, synthetic dry/humid air with frequency up to 10 kHz and plasma power density in the range of 1,2-2,9 W/cm3 (according to the process gas). The influence of process gas, plasma power density, plasma exposition time, type of microorganism and material of the substrate on the sterilization effect of dielectric barrier discharge was evaluated. Furthermore the contribution of each single mechanism (UV radiation, temperature and reactive species) to the sterilization effect of plasma and influence of gas humidity was evaluated. The DBD was analysed by means of optical emission spectroscopy, thermocouple was used to measure temperature during a sterilization process. In order to verify the mechanical damage of the microbial cell or the substrates during the plasma process the samples were studied by scanning electron microscopy. Generally, on the basis of experimental results, at increasing treatment times, the remaining number of spores (CFU) decreased. Similarly at increasing the plasma power input, the sterilization rate increased. When sterilising the spores of A. niger in plasma using different process gasses, the efficiency of plasma sterilization decreased as follows: argon, humid synthetic air, nitrogen and dry synthetic air. The results observed in argon plasma using different microorganism demonstrated that the sensitivity of vegetative cells resp. spores to DBD decreased as follows: A. niger spores, B. subtilis vegetative cells, E. coli vegetative cells and B. subtilis spores. Simultaneously results observed for sterilization of spores and vegetative cells of B. subtilis and A. niger demonstrated that the spores are generally more resistant to plasma than are the corresponding vegetative cells. Combining the results of contribution of each single mechanism, optical emission spectroscopy and inactivation characteristic it was found out that the reactive species significantly contribute to the plasma sterilization in all process gasses. Furthermore the inactivation process can be partly assisted by UV radiation and also the temperature can contribute in limited extent to inactivation process in some gasses. The contribution of UV radiation to the plasma sterilization decreased as follows: nitrogen, argon, dry syntetic air and humid syntetic air. Moreover it was found out that the contribution of each single mechanism can be species dependent, this is due to the different response of microorganism to the unfavorable external conditions. SEM analysis of the substrates prooved the etching actions of the plasma generated in all process gasses on the surface of the PET foil. The several minute plasma exposition of the PET foil resulted in the occurence of the „hole corrosion“ on the PET surface. Contrary to these there were no visible changes observed in the paper structure.
Description
Keywords
Plazmová sterilizace, dielektrický bariérový výboj, Aspergillus niger, Bacillus subtilis, Escherichia coli, dílčí mechanismy sterilizace, vlhkost procesního plynu, Plasma sterilization, dielectric barrier discharge, Aspergillus niger, Bacillus subtilis, Escherichia coli, sterilization mechanism, humidity of the process gass
Citation
SLÁMOVÁ, J. Studium sterilizačních účinků dielektrického bariérového výboje [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2013.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Fyzikální chemie
Comittee
prof. Ing. Michal Veselý, CSc. (předseda)
doc. Mgr. Pavel Slavíček, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Milada Bartlová, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (člen)
prof. Ing. Stanislav Pekárek, CSc., oponent (člen)
doc. RNDr. Karol Hensel, Ph.D., oponent (člen)
Date of acceptance
2013-04-03
Defence
Předseda komise doc. Veselý představil doktorandku a předal jí slovo.
Následovala powerpointová prezentace, v níž doktorandka shrnula nejvýznamnější výsledky své dizertační práce. Prezentace trvala 30 minut. Poté byly přečteny posudky, oba kladné a doporučovaly práci k obhajobě.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení