Performance of a MCF photoreactor for the inactivation of E. Coli K-12 in milk

The ultraviolet (UV-C) light irradiation has recently garnered considerable interest as a non-thermal treatment method for food preservation. This study is focused on the performance of a new fluoropolymer microfluidic material, called MicroCapillary Film (MCF), as photoreactor for inactivation of bacteria in opaque liquids, such as milk. In particular, two configurations of a MCF photoreactor were adopted to evaluate the application of UV-C light as a non-thermal pasteurization method for whole cow milk (WCM) and skimmed cow milk (SCM), exploring its effectiveness in terms of E. coli K-12 inactivation and reactivation. The two configurations, called 200-Photoreactor and 300-Photoreactor, differ in term of a mean internal diameter of 200 and 300 μm, respectively. The UV-C dose absorbed by microorganisms is the result of the light irradiance and exposure time. Both parameters are strongly influenced by the position of microorganisms inside the photoreactor. Moreover, in this study, it has been observed that optical properties of milk affect the intensity of UV-C light available for inactivation of bacteria, while operating parameters, namely flow rate and capillary diameter, influence the behaviour of reactor and so, the exposure time of bacteria to UV-C light. Therefore, to find the best operating conditions of MCF photoreactor, bacterial inactivation was studied by changing exposure time to UV-C light (1, 5, 10, 20, 30 and 40 s), capillary diameter (200 and 300 μm) and flow rate (20, 40, 60, 80, 100 and 120 mL/h for the 200-Photoreactor and 30, 60, 90, 120, 150 and 180 mL/h for the 300-Photoreactor). In particular, the latter parameter allowed to evaluate what role the flow regime plays in inactivation of microorganism in term of Reynolds number (Re). Both configurations of the MCF photoreactor allow reductions of E. coli K-12 in WCM and SCM compatible with minimal reduction required by US Food and Drug Administration acceptable reduction (≥ 5log10 reductions). The highest log reduction of E. coli K-12 in both milks was achieved after being exposed to UV-C irradiation for 40 s. At this exposure time, in the 200-Photoreactor, the population of E. coli K-12 was reduced by 6 log at UV-C dose level of 66 mJ cm-2 in SCM and by 5 log at UV-C dose level of 24 mJ cm-2 in WCM. Regarding the 300-Photoreactor, the highest reduction of E. coli K-12 was by 8 log at UV-C dose level of 48 mJ cm-2 in SCM and by 7 log at UV-C dose level of 20 mJ cm-2 in WCM. Inactivation data obtained were modeled by using several kinetics but they were best described by Hom and Oppenheimer models. Inactivation efficiency of E. coli K-12 was higher for SCM than for WCM, regardless the photoreactor configurations, because of optical properties of milk. The different inactivation extent between SCM and WCM was attributed to the difference in the UV-C absorption coefficients (190 cm-1 for SCM and 832 cm-1 for WCM) of the two types of milk: the higher level of suspended fat particles in WCM (3.6 % fat) prevents the deep penetration of light. In fact, it was verified that the intensity of the UV-C light inside the microcapillaries decays more quickly for WCM than SCM in both configurations of photoreactor. Regarding the operating parameters, the inactivation efficiency of E. coli K-12 cells was higher for the 300-Photoreactor than the 200-Photoreactor while it increased by increasing Re at constant residence time (10 s) in both photoreactor configurations. The 300-Photoreactor benefitted from the better mixing of milk derived from the combination of higher Reynolds number and the Dean flow. Additionally, the potential dark reactivation of E. coli K-12 following different exposure times to UV-C radiation was estimated for three incubation period (24, 48 and 72 h) at 4 and 20 °C. The temperature and incubation period positively affected the ability of bacteria to repair DNA damage. At 4°C dark reactivation was never observed while at 20 °C the degree of reactivation of E. coli K-12 increased with the increase of incubation period. Moreover, the extent of dark-reactivation decreased for increasing UV-C dose. For this reason, there was a greater regrowth in WCM than SCM. The maximum dark reactivation was observed in WCM at 0.5 mJ/cm2 and became insignificant in SCM starting from 48 mJ/cm2.

La radiazione ultravioletta (UV-C) è stata recentemente studiata come metodo non termico alternativo alla classica pastorizzazione del latte. Per valutare l’efficacia del trattamento, in questo studio, un materiale polimerico innovativo, chiamato MicroCapillay Film (MCF), è stato utilizzato come fotoreattore per la sterilizzazione del latte da batteri patogeni, quali gli Escherichia coli. In particolare, le performance di due configurazioni di MCF fotoreattore sono state qui analizzate in termini di efficacia di inattivazione batterica di Escherichia coli K-12 in latte intero e scremato. Le due configurazioni di reattore, denominate 200-Fotoreattore a 300-Fotoreattore, differiscono per il diametro interno dei microcapillari di 200 e 300 μm, rispettivamente. La dose di radiazioni UV-C assorbita dai batteri deriva dal prodotto fra intensità delle radiazioni e il tempo di esposizione. Entrambi i parametri sono fortemente influenzati dalla posizione dei batteri all’interno del fotoreattore. Dallo studio di quest’ultimo, è stato evidenziato che le proprietà ottiche del latte influenzano l’intensità delle radiazioni UV-C disponibili, mentre parametri operativi quali, diametro dei microcapillari e portata del flusso, condizionano il comportamento idrodinamico del reattore, che a sua volta influenza il tempo di esposizione dei batteri alle radiazioni UV-C. Perciò, per determinare le miglior condizioni operative del MCF fotoreattore, l’inattivazione batterica è stata studiata variando il tempo di esposizione alle radiazioni UV-C (1, 5, 10, 20, 30 and 40 s), il diametro dei microcapillari (200 and 300 μm) e la portata operativa (20, 40, 60, 80, 100 and 120 mL/h per il 200-Fotoreattore and 30, 60, 90, 120, 150 and 180 mL/h per il 300-Fotoreattore). In particolare, quest’ultimo parametro permette di valutare il ruolo del regime di flusso sull’inattivazione batterica in termini di numero di Reynolds. Entrambe le configurazioni di MCF fotoreattore hanno permesso di ottenere, sia per il latte intero che per il latte scremato, il minimo target di riduzione batterica, fissato dalla Food and Drug Administration (FDA) a 5log di riduzione. Una maggior riduzione di E. coli K-12 si è riscontrata per entrambi i latte dopo un tempo di esposizione alle radiazioni UV-C di 40 secondi. A questo tempo di esposizione, la popolazione di E. coli K-12 nel 200-Fotoreattore è stata ridotta di 6log alla dose di 66 mJ cm-2 per il latte scremato e di 5log alla dose UV-C di 24 mJ cm-2 per il latte intero. Nel 300-Fotoreattore, la riduzione è stata di 8log alla dose di 48 mJ cm-2 e di 7log alla dose di 20 mJ cm-2, rispettivamente per latte scremato e latte intero. Per predire poi l’inattivazione dei microorganismi, modelli cinetici di disinfezione sono stati applicati ai dati sperimentali e in particolare, i modelli di Hom e di Oppenheimer hanno fornito una descrizione più accurata della cinetica di abbattimento degli E. coli K-12. Inoltre, la riduzione batterica è stata maggiore nel latte scremato rispetto al latte intero, indipendentemente dalla configurazione del fotoreattore, a causa della differenza fra i coefficienti di assorbimento dei due tipi di latte (190 cm-1 per latte scremato e 832 cm-1 per latte intero). La maggior concentrazione di particelle sospese nel latte intero (3.5 % di grassi) impedisce infatti una profonda penetrazione delle radiazioni UV-C nel liquido. È stato infatti dimostrato che l’intensità delle radiazioni UV-C decade più velocemente all’interno dei microcapillari per il latte intero rispetto al latte scremato. Per quanto riguarda i parametri operativi, l’efficienza di inattivazione batterica è risultata maggiore per il 300-Fotoreattore rispetto al 200-Fotoreattore mentre aumenta all’aumentare del numero di Reynolds, indipendentemente dalla configurazione del fototreattore. In particolare, il 300-Fotoreattore trae beneficio da un maggior grado di miscelazione del liquido derivato dalla combinazione fra alti numeri di Reynolds e vortici secondari sviluppatesi secondo la teoria di Dean. Infine, per estendere la valutazione dell’efficacia del trattamento UV-C a lungo termine, è stata studiata la potenziale riattivazione dei batteri per tre periodi di incubazione (24, 48 e 72 ore), alle temperature di 4 e 20 °C, considerando le modalità di stoccaggio del latte bovino. C’è, infatti, una possibilità che durante questa fase i batteri riescano a “riparare al buio” i danni molecolari al DNA. A questo proposito, si è osservato che il grado di riattivazione degli E. coli K-12 aumenta al diminuire della dose UV-C applicata ed inoltre è favorito sia dalle alte temperature che dai lunghi periodi di incubazione. In particolare, a 4°C la riattivazione batterica non è mai stata osservata mentre a 20 °C, il massimo grado di riattivazione si è riscontrato nel latte intero alla dose di 0.5 mJ/cm2 dopo 72 h di periodo di incubazione. Infine, a partire da valori di dose di 48 mJ/cm2 la riattivazione batterica è risultata insignificante.