Plataforma experimental para la esterilización industrial de agua mediante electroporación

Abstract

The application of High-Intensity Pulsed Electric Field (PEF) is an emerging and effective technique on non-thermal inactivation of microorganisms in food. The advantage of this technique compared with thermal methods is that the foods obtained, in addition to being safer, retain their nutritional and organoleptic qualities. The intensity of the electric field and the treatment time, play an important part in the process, which with appropriate values induces a transmembrane potential (TMP) that leads to the formation of pores in the cell membrane, an effect known as electroporation. If the TMP is sufficiently high (200 - 1000 mV), it produces a permanent rupture in the cell membrane, where the loss of ions and metabolites leakage causes the death of microorganisms: irreversible electroporation. The innovative developments in this technology will reduce the cost of pulse generators, making the process more competitive in comparison to thermal methods. The approach of this final thesis presents the implementation of an experimental platform. This will demonstrate the validity of an innovative idea, which aims to solve some of the problems encountered nowadays in the use of this technique. To develop this idea, we conducted a comprehensive review on the treatment chambers reported in previous research as well as electronic systems designed to generate high voltage bipolar pulses, these pulses have the advantage to minimize electrolysis. It was designed and simulated using finite element technique (FEM), a prototype of co-linear treatment chamber, which allowed us to evaluate parameters such as the electric field, the temperature and the speed processing inside the camera. They were also designed other major components for the application of this technique: the pulse generator, the power supply and pump, or injector in our case. This idea will, in the future, help to dig deeper into the creation of new models continuous chambers, where the liquid could flow more rapidly; thus achieving a more efficient bacterial inactivation, with a lower cost.

La aplicación de Pulsos de Alta Intensidad de Campo Eléctrico (PEF), es una técnica emergente y eficaz en la inactivación no térmica de microorganismos en alimentos. La ventaja que presenta esta técnica frente a los métodos térmicos, es que los alimentos que se obtienen además de ser seguros, conservan sus cualidades nutricionales y organolépticas. En ella juegan un papel importante la intensidad del campo eléctrico y el tiempo de tratamiento, que con los valores adecuados, inducen un potencial transmembrana (TMP) que da lugar a la formación de poros en la membrana celular; efecto conocido como electroporación. Si el TMP es lo suficientemente elevado (200 - 1000 mV), provoca una ruptura permanente de la membrana celular, donde la pérdida de iones y escape de metabolitos ocasionan la muerte de los microorganismos: electroporación irreversible. Los progresos innovadores en esta tecnología reducirán el coste de los generadores de pulsos, haciendo el proceso más competitivo en comparación a los métodos térmicos. El desarrollo de este proyecto final de carrera presenta la realización de una plataforma experimental. Esta permitirá demostrar la validez de una idea innovadora, que pretende resolver algunos de los problemas que se encuentran en la actualidad, en la utilización de esta técnica. Para desarrollar esta idea, se realizó una amplia revisión de las cámaras de tratamientos reportadas en anteriores trabajos de investigación, así como de los sistemas electrónicos destinados a generar los pulsos bipolares de alta tensión, estos pulsos presentan la ventaja que minimizan la electrolisis. Se diseñó y simuló mediante la técnica de elementos finitos (FEM), un prototipo de cámara de tratamiento co-linear, que nos permitió evaluar parámetros como: el campo eléctrico, la temperatura de tratamiento y la velocidad en el interior de la cámara. Además, fueron diseñados el resto de componentes importantes para la aplicación de esta técnica: el generador de pulsos, la fuente de alimentación y la bomba; o inyector en nuestro caso. Esta idea permitirá, en un futuro, profundizar más en la creación de nuevos modelos de cámaras continuas; donde el líquido fluya con rapidez, logrando así una mejor eficiencia en la inactivación bacteriana, con un menor coste.

L'aplicació de Polsos d'Alta Intensitat de Camp Elèctric (PEF), és una tècnica emergent i eficaç en la inactivació no tèrmica de microorganismes en aliments. L'avantatge que presenta aquesta tècnica enfront dels mètodes tèrmics és que els aliments que s'obtenen a més de ser segurs, conserven les seves qualitats nutricionals i organolèptiques. Hi juga un paper important la intensitat del camp elèctric i el temps de tractament que, amb els valors adequats, indueixen un potencial transmembrana (TMP) el qual dóna lloc a la formació de porus en la membrana cel-lular, efecte conegut com electroporació. Si el TMP és prou elevat (200 - 1000 mV), provoca una ruptura permanent de la membrana cel-lular, on la pèrdua d'ions i escapament de metabòlits ocasionen la mort dels microorganismes: electroporació irreversible. Els progressos innovadors en aquesta tecnologia reduiran el cost dels generadors de polsos, fent el procés més competitiu en comparació als mètodes tèrmics. El desenvolupament d'aquest projecte final de carrera presenta la realització d'una plataforma experimental. Aquesta permetrà demostrar la validesa d'una idea innovadora, que pretén resoldre alguns dels problemes que es troben en l'actualitat, en la utilització d'aquesta tècnica. Per desenvolupar aquesta idea, es va realitzar una àmplia revisió de les càmeres de tractaments reportades en anteriors treballs de recerca, així com dels sistemes electrònics destinats a generar els polsos bipolars d'alta tensió, aquests polsos presenten l'avantatge que minimitzen l'electròlisi. Es va dissenyar i va simular mitjançant la tècnica d'elements finits (FEM), un prototip de cambra de tractament col-linear, que ens va permetre avaluar paràmetres com, el camp elèctric, la temperatura de tractament i la velocitat a l'interior de la càmera. A més, van ser dissenyats la resta de components importants per a l'aplicació d'aquesta tècnica: el generador de polsos, la font d'alimentació i la bomba, o injector en el nostre cas. Aquesta idea permetrà, en un futur, aprofundir més en la creació de nous models de càmeres contínues, on el líquid flueixi amb rapidesa, aconseguint així una millor eficiència en la inactivació bacteriana, amb un menor cost.