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High hydrostatic pressure inactivation of Bacillus subtilis var. niger spores : the influence of the pressure build-up rate on the inactivation

Urzica, Anca Cristina

German Title: Hochdruck -Inaktivierung von Bacillus subtilis var. niger Sporen : der Einfluss der Druckaufbaugeschwindigkeit auf die Inaktivierung

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Abstract

In the context of the development of commercially applied high pressure processes it is necessary to evaluate the impact of high pressure on the inactivation of bacterial populations. From the results kinetic models should reliably predict inactivation under dynamic conditions. High pressure processes imply an initial phase of pressure build-up, accompanied by a temperature increase due to adiabatic heating. Since pressure application leads to the generation of heat, the question may arise whether this dynamic p-T profile will influence the spore inactivation. The come-up time (the time needed to reach the constant treatment conditions) is an important variable that needs to be considered in the design and optimization of high hydrostatic pressure processes due to its significant contribution to microbial inactivation. The pressure-temperature inactivation kinetics of Bacillus subtilis var. niger spores was first studied under isobaric-isothermal conditions in the pressure range 50�400 MPa at temperatures between 25�70°C. Isobaric-isothermal inactivation of spores appears to follow a fairly linear trend and can be described by a first order model. The kinetic parameters (kref, Ea and DV¹) were calculated at different pressure and temperature levels. Assuming first order kinetics for non-isobaric/non-isothermal inactivation of Bacillus subtilis spores during the come-up time, the integral effect of the inactivation process under dynamic conditions was quantified. To do that, the above mentioned kinetic parameters were used to calculate the inactivation constants as a function of temperature and pressure. The total come-up time was divided in time steps of one second and the inactivation constants were calculated for each seconds time interval. The experimental pressure build-up was carried out in two different ways: (a) fast � pressure was developed with the highest possible rate and the come-up time was between 118 and 677 seconds depending on the pressure level of the treatment; (b) slow � pressure was built-up with a rate of 20 MPa/min and the come-up time was between 180 and 1337 seconds. The inactivation effects during these come-up times after fast and slow pressure build-up processes were measured and compared with the calculated effects. The comparison reveals an additional inactivation effect on spores due to dynamics of fast pressure build-up. This is the first time that such an effect has unambiguously been shown.

Translation of abstract (German)

Die Entwicklung kommerziell angewandter Hochdruckprozesse macht es notwendig, die Auswirkungen von Hochdruck auf die Inaktivierung bakterieller Populationen zu untersuchen. Von den erarbeiteten Ergebnissen sollten Modelle entwickelt werden, die es erlauben die Inaktivierung unter dynamischen Prozessbedingungen zuverlässig vorauszusagen. Diese Hochdruckprozesse bestehen aus einer Druckaufbauphase, bei der durch die adiabatische Kompression ein Temperaturanstieg zu verzeichnen ist. Es stellt sich nun die Frage, ob das dynamische Profil einen Einfluß auf die Sporeninaktivierung hat. Die Vorlaufzeit (die Zeit bis zum Erreichen der konstanten Behandlungsbedingungen - Temperatur und Druck) stellt eine wichtige Variable bei der Mikroorganismeninaktivierung dar. Sie muß bei der Optimierung hydrostatischer Druckprozesse und der technischen Ausstattung berücksichtigt werden. Die Inaktivierungskinetik von Bacillus subtilis var.niger Sporen wurde zuerst unter isobar-isothermen Bedingungen im Druckbereich zwischen 50 und 400 MPa und bei Temperaturen zwischen 25 und 70°C untersucht. Zu Anfang folgt die isobar-isotherme Sporen-Inaktivierung näherungsweise einem linearen Verlauf und kann durch ein Modell erster Ordnung beschrieben werden. Die kinetischen Parameter (kref, Ea und DV) zu den unterschiedlichen Drücken und Temperaturen konnten errechnet werden. In der Annahme, daß für nicht-isobare/nicht-isotherme Inaktivierung der Bacillus subtilis Sporen während der Vorlaufzeit ebenfalls eine Kinetik erster Ordnung vorliegt, wurde der integrale Effekt des Inaktivierungsprozesses unter dynamischen Bedingungen quantitativ bestimmt. Für diese Berechnungen, wurden die oben erwähnten kinetischen Parameter verwendet und so konnten die Inaktivierungskonstanten in Abhängigkeit von Temperatur und Druck erhalten werden. Die Vorlaufzeit wurde dazu in Sekunden-Intervalle eingeteilt, für die jeweils die Inaktivierungskonstanten nach dem oben beschriebenen Verfahren errechnet wurden. Experimentell wurde der Druck auf zwei unterschiedliche Weisen aufgebaut: (a) schnell mit höchstmöglicher Geschwindigkeit und einer Vorlaufzeit zwischen 118 und 677 Sekunden (abhängig vom erreichten Enddruck); (b) langsam mit einer Rate von 20 MPa/min und einer Vorlaufzeit zwischen 180 und 1337 Sekunden. Damit war es möglich, die Inaktivierungseffekte während der Vorlaufzeit bei schnellem und langsamem Druckaufbau zu messen und mit den theoretisch errechneten Werten zu vergleichen. Aus den Ergebnissen ist zu entnehmen, daß sich bei schnellem Druckaufbau ein zusätzlicher Inaktivierungseffekt ergibt, wahrscheinlich reagieren die Sporen auf die Dynamik des schnellen Druckaufbaus. Durch diese Arbeit konnten solche Effekte erstmalig eindeutig nachgewiesen werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Ludwig, Prof. Dr. Horst
Date of thesis defense: 6 May 2004
Date Deposited: 11 Oct 2004 07:12
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Sporen, Bacillus subtilis, Inaktivierung, Hochdruck
Uncontrolled Keywords: HochdruckinaktivierungHigh hydrostatic , pressure , inactivation
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