EP4658088A1 - Vorrichtung zur erzeugung gepulster elektrischer felder und deren verwendung - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung gepulster elektrischer felder und deren verwendung

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EP4658088A1
EP4658088A1 EP24703316.0A EP24703316A EP4658088A1 EP 4658088 A1 EP4658088 A1 EP 4658088A1 EP 24703316 A EP24703316 A EP 24703316A EP 4658088 A1 EP4658088 A1 EP 4658088A1
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EP
European Patent Office
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coating
electrodes
electrode
electroporation
cells
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP24703316.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Wilken
Dirk Salz
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4658088A1 publication Critical patent/EP4658088A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/02—Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating pulsed electric fields for the electroporation of cells comprising at least two electrodes, at least one of which is partially or completely coated, wherein the coating has a combination of suitable dielectric constant, suitable specific resistance and suitable dielectric strength.
  • the invention further relates to the use of a device according to the invention for the electroporation of cells and/or for the treatment of foodstuffs and/or for facilitating a subsequent processing step for foodstuffs.
  • the invention further relates to a method for producing a device according to the invention and a method for operating this device, in particular for the electroporation of cells.
  • Pulsed electric fields are used to treat foodstuffs including water.
  • the foodstuff or water to be treated is placed between two electrodes and treated with electrical pulses.
  • the applied electrical field strengths are several 10 kV/cm, the pulse times a few ps.
  • the fields are applied by a generator within ⁇ 100 ns.
  • electrodes are used that have good electrical conductivity.
  • Stainless steel and titanium materials are often used for food applications. Due to the good electrical conductivity, when pulsed electrical fields are applied, an active power is generated by the flow of current, which, as an ohmic resistance heater, leads to an increase in temperature, so that the liquid food to be treated is unintentionally heated and increased energy consumption occurs.
  • the increase in temperature often damages sensitive components of the food, for example bioactive substances in milk such as lactoferrin, IgA, IgG, TGF-ß1, TGF-ß2, vitamins or natural flavors in juices. In addition, this temperature effect naturally also promotes fouling. Coatings of electrodes have been proposed and investigated many times.
  • DE102018201498 describes a device that is intended to protect the electrodes against deposits.
  • a holder is described that either preventively suppresses the deposits and/or subsequently removes existing deposits.
  • One embodiment is surface coatings that are applied to at least part of the electrode.
  • Non-stick coatings preferably made of a hydrophobic material, are described as surface coatings:
  • Hydrophobic surface coatings are those that are water-repellent, i.e. water beads off of them. Hydrophobic surfaces have a water contact angle of over 90°, whereby the contact angle can be measured, for example, with a contact angle goniometer.”
  • the object of the present invention was to provide a device for generating pulsed electric fields for the electroporation of cells and/or the treatment of foodstuffs, which has an electrode that is stable over the long term, but at the same time has a suitable property window for a preferred energy-saving mode of operation and with good effectiveness.
  • low temperatures should preferably be ensured during operation in order to expose the goods to be treated to as little heat as possible.
  • a device for generating pulsed electric fields for the electroporation of cells comprising at least two electrodes, of which at least one is partially or completely coated, wherein the coating
  • DK dielectric constant of 5 - 50, preferably 7 - 40, more preferably 10 - 30 under standard conditions and at a frequency of 1 MHz
  • - has a specific resistance of > 10 10 Qm, preferably > 10 11 Qm, more preferably > 10 12 Qm under standard conditions and a frequency of 1 MHz and
  • - has a dielectric strength of > 20 V/pm, preferably > 30 V/pm, more preferably > 40 V/pm under standard conditions.
  • a “device for generating pulsed electric fields for electroporation of cells” within the meaning of this text is an arrangement of components that is specifically designed to cause electroporation. This term therefore does not include devices that generate pulsed electric fields but where it cannot be ruled out that individual or a few cells (accidentally) enter the effective range of the pulsed electric fields, so that electroporation of these cells cannot be ruled out.
  • a “device for generating pulsed electric fields for electroporation of cells” is therefore designed to treat a large number of cells accordingly.
  • electroporation preferably means irreversible electroporation.
  • a partially coated electrode can only be coated on one side, e.g. on the side facing the other electrode.
  • a relatively low dielectric constant is sufficient for the coating to be used according to the invention to achieve good results in the field of electroporation on the one hand and to provide electrodes that have a significantly longer service life compared to uncoated electrodes and also to some extent compared to the electrodes used in the prior art.
  • the coating according to the invention enables good electroporation results with a relatively low electrical energy per quantity of the treated goods, in particular a foodstuff to be treated.
  • the dielectric strength of the layer material should be significantly higher, preferably at least twice as high, more preferably at least 10 times as high as the field strengths occurring in the coating.
  • TiO2 performs best in terms of electrical parameters, it is unsuitable as an electrode coating due to its high interaction with water.
  • SiSN4 has the best values in terms of barrier properties against water and chloride ions.
  • Z1O2 has a water absorption of ⁇ 0.01% and a higher DK.
  • Deposition is therefore preferably carried out in a vacuum (PVD, CVD), as this produces the best layer qualities.
  • the device according to the invention has more than two electrodes. In this way, the alternating field generation can be optimized by appropriate placement of the electrodes. It is particularly preferred that several electrodes are operated simultaneously with one power supply. In a tubular collinear treatment chamber, the differently polarized electrodes can be alternately connected in series in order to increase the treatment intensity and thus increase the throughput. operate several treatment chambers with one power supply by connecting the electrode pairs of the individual treatment chambers in parallel. Mixed forms, i.e. parallel connection of series circuits, are also preferred. Using these circuits, the necessary treatment intensity can be ideally adapted to the material to be treated for a given power supply.
  • a device according to the invention is preferred, wherein the coating of the electrode comprises at least two elements selected from the group consisting of Si, C, O, N, Ti, Zr, Ta, Sr, Zn, Nb, H, Mg and Al or consists of two or more of these elements.
  • a device according to the invention is also preferred, wherein the coating comprises or consists of titanate, titanium oxide, zirconate, zirconium oxide, silicon oxide, nitride, particularly preferably selected from the group consisting of amorphous titanium dioxide, rutile, silicon nitride, zirconium dioxide and/or steatite.
  • the person skilled in the art will ensure that the materials of the coating meet the inventive parameters described above. For example, the person skilled in the art will not use coating material with a dielectric constant of >50 as a pure substance, but will mix such material with coating material with a suitable lower dielectric constant, naturally also taking the other parameter ranges mentioned above into account.
  • the above-mentioned preferred materials for the coating to be used according to the invention have proven to be particularly suitable for achieving the property windows of dielectric constant (DK), specific resistance and dielectric strength that are important for the invention.
  • DK dielectric constant
  • a particularly preferred material for the coating is SisN4, particularly preferably in amorphous form.
  • a device according to the invention is preferred, wherein the coating is a coating deposited from the gas phase, preferably in a PVD or CVD process, more preferably in a PE-CVD or sputtering process, wherein more preferably the deposition has taken place under low-pressure conditions.
  • low-pressure conditions exist when the pressure is ⁇ 1 mbar. It has been found that the property window required according to the invention for the coatings can be achieved particularly easily and reliably using PVD or CVD processes, in particular using PE-CVD or sputtering processes. In particular, this allows layers to be produced reliably that are largely free of defects.
  • the coating to be used according to the invention on the electrodes of the device according to the invention is amorphous.
  • “Amorphous” in the sense of this text means X-ray amorphous, i.e. when characterizing a TEM lamella less than 5% of the examined area (100 nm x 100 nm) is crystalline and preferably no crystallinity can be determined by XRD.
  • a device according to the invention for generating pulsed fields with a preferred amorphous coating on the electrode for the coating has a dielectric constant DK of 5 - 30, preferably 7 - 30, more preferably 8 - 25 and particularly preferably 10 - 20 under standard conditions and a frequency of 1 MHz.
  • Such dielectric constants which are surprisingly low, nevertheless ensure successful operation of the device according to the invention.
  • the device can thus be operated with particularly long-term stability and in an energy-saving manner.
  • a device according to the invention wherein the coating has a specific resistance of > 10 9 Qm, preferably e 10 1 ° Qm, more preferably > 10 11 Qm under standard conditions and a frequency of 1 MHz after three months under operating conditions.
  • the high retention of the specific resistance is an expression of the property of the coating used in the invention to produce little, preferably no, to absorb water. This in turn increases the durability of the coating used according to the invention on the electrode, which in turn protects the electrode for longer.
  • a device according to the invention wherein the coating has a dielectric strength of > 10 V/pm, preferably 20 V/pm, more preferably 30 V/pm under standard conditions after three months under operating conditions.
  • the preservation of the dielectric strength upon contact with water is also proof of the high quality of the coating used according to the invention and also contributes to the preservation of the coating and thus of the electrode under stress.
  • a device according to the invention wherein the coating has a layer thickness d at points on the electrode where the highest electric field strengths occur, between 0.5 pm - 100 pm, preferably 1 pm - 20 pm, more preferably 1 pm - 10 pm, more preferably 1 pm - 5 pm.
  • a further preferred lower limit for the layer thickness range is 1.2 pm.
  • the areas where the highest field strengths occur are particularly the areas that are directly or adjacent to the necessary insulators that separate the electrodes from each other. In the case of the coplanar electrode arrangement, these are areas with a particularly small distance between the electrodes.
  • the preferred layer thickness for the layer to be used according to the invention enables a good compromise between the insulating and protective properties of the coating and, at the same time, the efficiency of the electrode in generating the alternating fields.
  • a device according to the invention wherein the coating on the side facing away from the electrode has an anti-fouling layer, preferably in the form of a hydrophilic coating, more preferably as a PE-CVD coating and/or as a hydrogel and/or wherein the device is designed so that a flowable mass, in particular a liquid, is arranged between the two electrodes and/or wherein the device has a conveying device in order to pass material to be treated between the electrodes.
  • an anti-fouling layer preferably in the form of a hydrophilic coating, more preferably as a PE-CVD coating and/or as a hydrogel and/or wherein the device is designed so that a flowable mass, in particular a liquid, is arranged between the two electrodes and/or wherein the device has a conveying device in order to pass material to be treated between the electrodes.
  • An anti-fouling layer in the sense of the present invention is a coating that counteracts protein adsorption.
  • An anti-fouling layer in the sense of the present invention is one in which the adsorption of the protein bovine serum albumin (BSA) in the context of the QCM-D (quartz crystal microbalance with dissipation monitoring) is ⁇ 30% by weight, preferably ⁇ 20%, preferably ⁇ 10% (see measurement example 3).
  • BSA protein bovine serum albumin
  • the anti-fouling layer which is preferably additionally provided on the coating, helps to reduce the adsorption of proteins during operation of the device according to the invention and thus increases the durability of the electrode.
  • the device is designed to arrange a flowable mass, in particular a liquid, between the two electrodes ensures good operability of the device according to the invention, namely during the electroporation of cells.
  • the material to be treated is placed between the electrodes so that the alternating fields can have an optimal effect on the cell material contained in the material to be treated.
  • the material to be treated may be solid (e.g. potatoes), but in this case it is preferred according to the invention that the material to be treated is placed between the electrodes in a liquid such as water.
  • the conveying device any means that ensure a flow of material can be used as the conveying device. In the simplest case, this can be a pipe with a gradient, but pumps or other suitable structural units can also be used.
  • a device is preferred, wherein a foodstuff is preferably selected from the group consisting of vegetables, in particular potatoes, sweet potatoes, beetroot, celery, carrots, cabbage, turnips, pumpkin, root parsley, horseradish, radish, wasabi, salsify, parsnip, Jerusalem artichoke, ginger, okra; sugar cane, rhubarb, asparagus, fennel, bamboo shoots, quinoa, cassava, bell pepper, chili, tomatoes, onion vegetables, in particular vegetable onions, garlic, leeks, shallots, wild garlic; pulses; coffee cherries; coffee beans; beans, cocoa beans; soybeans; peas; chickpeas; lentils; lupin seeds; edible mushrooms, in particular button mushrooms, chanterelles, porcini mushrooms, truffles; cereals, in particular oats, wheat, barley, rice, corn; Fruits, in particular grapes, citrus fruits, in particular oranges, limes, lemons, grapefruits, kum
  • a foodstuff within the meaning of this application is a good intended for consumption or oral ingestion by humans or animals or a part of a good intended for such consumption.
  • Part of the invention is the use of a device according to the invention for the electroporation of cells and/or for treatment, in particular for pasteurization of foodstuffs and/or for cooking foodstuffs and/or for facilitating a subsequent processing step for foodstuffs, in particular for improving cuttability and/or for simplifying moisture reduction and/or for improving pressability, extractability and/or juicability and/or clarifyability and/or filterability.
  • the device according to the invention can bring its advantages to bear particularly well in the uses according to the invention.
  • the coating to be used according to the invention on the electrode(s) leads to the lifespan of the electrodes being massively extended without the treatment success of the device according to the invention being significantly negatively affected.
  • the device according to the invention can be used for a variety of processes in the food industry. Approaches to this include, for example, reducing moisture before frying processes, before drying processes and/or before freeze-drying.
  • Approaches to this include, for example, reducing moisture before frying processes, before drying processes and/or before freeze-drying.
  • the use according to the invention makes it possible to facilitate the moisture reduction desired for the subsequent processing step.
  • An improvement in pressability or extractability, for example when pressing olives, in particular when cold-pressing, is also a suitable, helpful starting point for the use according to the invention.
  • Part of the invention is also a method for producing a device according to the invention, comprising the steps of a) providing an electrode, b) coating the electrode with one or more layers, as explained above, and c) inserting the coated electrode into a device for generating pulsed electric fields.
  • Part of the invention is also a method for electroporation of cells, comprising the steps a) providing a device according to the invention, b) providing cells and c) subjecting the cells to pulsed electric fields generated by the device, so that electroporation is effected.
  • cells must be provided in order to carry out electroporation.
  • the "provided" cells it is often possible for the "provided" cells to be present in the form of cell associations in foods, such as potatoes or other fruits, in the form of cell components of juices or in the form of contaminants such as microorganisms in drinking water.
  • a method according to the invention is preferred, wherein the electroporation is carried out for the preservation and/or cooking of foodstuffs and/or for the preparation to facilitate a subsequent processing step, in particular for improving the cuttability and/or for simplifying the moisture reduction and/or for improving the pressability and/or extractability and/or juiceability and/or clarifyability and/or filterability of a foodstuff.
  • Measurement example 1 A PEF structure analogous to the Nest/e application PCT/EP2012/063218 Example 1 is used.
  • the capacitor and the PEF chamber (also a capacitor) are charged via the resistor R to a voltage of 25 kV. From 25 kV, the spark gap ignites and the two capacitors discharge with a current of up to 60 A, whereby the high discharge current only flows for a period of 1 ps. If the discharge voltage falls below 3 kV, the spark gap is extinguished and the cycle begins again.
  • the treatment period in the chamber is 3 months.
  • the erosion of the electrodes is characterized gravimetrically by weighing the electrodes before, after the operating period and after removal of the fouling layer.
  • the dielectric strength is determined according to ASTM D149.
  • the quartz crystal microbalance with dissipation makes it possible to investigate the adsorption of biomolecules in the pg/crrF range on quartz crystal surfaces (sensors).
  • the measuring principle is based on the frequency change of the sensors (acoustic resonator) in response to interactions of molecules on the crystal surface.
  • the layers to be analyzed could be applied to the QCM-D sensor crystals and subsequently investigated with bovine serum albumin (BSA) with regard to the adsorption and desorption kinetics.
  • BSA concentration in aqueous solution was 1 mg/ml with 1.4 mmol/l tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride and 0.9 g/l NaCl at a pH of 7.
  • Example 1 (not according to the invention):
  • Titanium grade 1 was used as the electrode material. The electrodes were used without any further coating.
  • the electrodes were tested in long-term operation for 3 months according to measurement example 1.
  • Town water was used as the liquid food.
  • town water is defined as a 0.9 wt.% NaCl solution in water.
  • Titanium Grade 1 is used as electrode material.
  • the electrodes were coated as follows:
  • the silicon nitride coating is deposited using low-pressure sputtering technology.
  • the reactor has dimensions of 0.5 m x 0.5 m*0.5 m.
  • a sputtering magnetron with a diameter of 3 inches was used. Silicon is used as the target material. The distance between the target and the substrate is 5 cm.
  • the reactor is evacuated to a base pressure of 1*10-5 mbar and then nitrogen is introduced into the reactor at a flow rate of 80 sccm. After the magnetron is ignited, a self-bias voltage of 300 V is applied at a plasma power of 400 W. After a sputtering time of 30 minutes, a layer thickness of approx. 1,200 nm Si3N4 is achieved.
  • the deposited coating had a dielectric constant of 11.5 at a frequency of 1 MHz, the specific resistance was 10 13 -10 14 ⁇ m, the dielectric strength was 45 V/pm and the layer thickness was approximately 1200 nm.
  • the electrodes were tested in long-term operation for 3 months according to measurement example 1. City water was used as the liquid food.
  • the deposited coating had a dielectric constant of 14 at a frequency of 1 MHz, the specific resistance was 10 12 -10 13 ⁇ m, the dielectric strength was 45 V/pm and the layer thickness was approximately 1,200 nm.
  • the erosion of the electrodes could not be detected within the measurement accuracy of 1 mg.
  • the coating proved to be suitable for long-term electroporation use.
  • the titanium electrodes were provided with a 2 pm thick, crystalline barium titanate coating that was sputtered from a barium titanium target in low-pressure plasma.
  • the dielectric constant of this coating was 2000 for frequencies below 1 Hz and about 200 for 1 MHz.
  • the coated electrodes were characterized as described in measurement example 1. The coating proved to be unsuitable for electroporation use.
  • the titanium electrodes were sputtered with a 2 pm thick, crystalline TiO2 layer.
  • the dielectric constant of the coating was 70 at a frequency of 1 MHz. If the electrodes are characterized according to measurement example 1, a preservative effect was found. However, the insulating effect of the TiO2 coating decreased after just 2 hours of operation, so that the current intensity in the PEF chamber increased significantly. A measurement of the specific electrical resistance gave a value in the range of 106 ⁇ m. The coating proved to be unsuitable for long-term electroporation use.
  • the plasma polymer acrylic acid layers are produced using plasma polymerization of acrylic acid at low pressure.
  • a 360 l plasma reactor is evacuated to a base pressure of 5*10-3 mbar and then enough acrylic acid vapor is let into the reactor to achieve a pressure of 0.03 mbar.
  • a high frequency plasma 13.56 MHz is ignited using a plasma electrode (35 x 35 cm) that is arranged 7 cm above the chamber floor.
  • the titanium electrodes to be coated are attached to a stainless steel plate 7 cm above the plasma electrode. After a process time of 160 s, the following layer thicknesses (on the opening of the electrode facing the pulsed electric field) and the following contact angles were obtained.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder zur Elektroporation von Zellen umfassend mindestens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine teilweise oder vollständig beschichtet ist, wobei die Beschichtung über eine Kombination aus geeigneter Dielektrizitätskonstante, geeignetem spezifischem Widerstand und geeigneter Durchschlagfestigkeit verfügt.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder und deren Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder zur Elektroporation von Zellen umfassend mindestens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine teilweise oder vollständig beschichtet ist, wobei die Beschichtung über eine Kombination aus geeigneter Dielektrizitätskonstante, geeignetem spezifischem Widerstand und geeigneter Durchschlagfestigkeit verfügt.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Elektroporation von Zellen und/oder zur Behandlung von Lebensmitteln und/oder zur Erleichterung eines nachfolgenden Verarbeitungsschrittes für Lebensmittel.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung insbesondere zur Elektroporation von Zellen.
Gepulste elektrische Felder (PEF: pulsed electric fields) werden zur Behandlung von Lebensmitteln einschließlich Wasser eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird das zu behandelnde Lebensmittel bzw. Wasser zwischen zwei Elektroden platziert und mit elektrischen Pulsen behandelt. Die angewendeten elektrischen Feldstärken betragen einige 10 kV/cm, die Pulszeiten einige ps. Um ideale Effekte zu erzeugen, werden die Felder durch einen Generator innerhalb von < 100 ns angelegt.
Dabei findet eine irreversible Elektroporation der Zellmembranen statt, die zur Zerstörung der biologischen Zellen selbst führt. Die gepulsten elektrischen Felder führen zur Polarisation des zu behandelnden Mediums und damit zur gewünschten Elektroporation. Elektrotechnisch äußert sich die Polarisation in einer elektrischen Blindleistung. Dieses Verfahren kann zur Bearbeitung wie zur Konservierung von Lebensmitteln eingesetzt werden, weil durch die Elektroporation auch Bakterien irreversibel geschädigt und dadurch inaktiviert werden. Einen guten Überblick gibt S. Mahnic-Kalamiza et al. „Electroporation in Food Processing and Biorefinery“, J. Membrane Biol. (2014) 247, S. 1279-1304.
In der WO 2012/007620 A1 und in der Veröffentlichung von Töpfl et al. „High intensity pulsed electric fields applied for food preservation“, Chemical Engineering and Procesing 46 (2007), S. 537-546 ist eine kollineare Durchflussanlage zur Behandlung flüssiger Medien beschrieben.
Wenn derartige PEF-Anlagen dauerhaft betrieben werden, kommt es zur Abnutzung der Elektroden. Ein in dieser Veröffentlichung beschriebener Effekt ist die parasitär auftretende Elektrolyse von Wasser, die zur Bildung von Gasblasen führt, die wiederum durch nachfolgende elektrische Spannungspulse eine Entladung hervorrufen (Arcing). Durch die explosionsartige Ausdehnung dieses Plasmas kommt es zu Kavitationsbildungen, die zum Abtrag des Elektrodenmaterials, sowohl bei der Anode als auch bei der Kathode führen. Nachteilig ist dabei zudem, dass das zu behandelnde Lebensmittel durch den Materialabtrag kontaminiert wird.
Weiterhin kommt es bei Einkopplung des elektrischen Feldpulses und Ausbildung eines Plasmas zu einer lokalen Temperaturerhöhung direkt auf der Elektrodenoberfläche. Gerade proteinhaltige Lebensmittel werden hierbei denaturiert und bilden Belag auf der Oberfläche aus (Fouling).
Im Allgemeinen werden Elektroden eingesetzt, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bei Lebensmittelanwendungen werden dafür häufig Edelstahl und Titanwerkstoffe eingesetzt. Durch die gute elektrische Leitfähigkeit wird bei dem Anlegen gepulster elektrischer Felder eine Wirkleistung durch den Stromfluss hervorgerufen, der als Ohmsche Widerstandsheizung zu einer Erhöhung der Temperatur führt, so das zu behandelnde flüssige Lebensmittel ungewollt erhitzt und ein erhöhter Energieverbrauch auftritt. Durch die Erhöhung der Temperatur nehmen empfindliche Bestandteile des Lebensmittels häufig Schaden, beispielsweise bioaktive Substanzen der Milch wie Lactoferrin, IgA, IgG, TGF-ß1 , TGF- ß 2, Vitamine oder natürliche Aromen von Säften. Zusätzlich begünstigt dieser Temperatureffekt natürlich ebenfalls das Fouling. Vielfach sind Beschichtungen von Elektroden vorgeschlagen und untersucht worden.
In S. Kurcevskis, A. Grainys, S. Tolvaisiene and T. Ustinavicius, "High Power Electroporation System in Food Treatment - Review," 2019 IEEE 7th IEEE Workshop on Advances in Information, Electronic and Electrical Engineering (AIEEE), 2019, pp. 1-4, doi: 10.1109/AIEEE48629.2019.8977026 wird berichtet, dass Graphenbeschichtungen von Elektroden eine nur geringe Lebenszeit haben und nach wenigen 10h Betriebsdauer erodieren.
In WO 2012/127423 A1 , Seite 3 Zeile 31 ff. wird berichtet, dass eine isolierende Beschichtung der Elektroden, um eine Freisetzung von Elektrodenmaterial in Form von Ablationspartikeln zu verhindern, die Elektroporation verhinderte bzw. die notwendigen elektrischen Felder deutlich erhöhte, so dass eine technische Umsetzung nicht möglich erscheint.
Um die Wirkleistung, die zur ungewollten Temperaturerhöhung des zu behandelnden Gutes, hier das Lebensmittel zu unterdrücken, wurden in der Literatur bereits vielfach Beschichtungen von Elektroden betrachtet, z. B. in B. M. Novac, F. Babakhr, I. R. Smith, L. Pecastaing, R. Ruscassic, A. D. Ferron, and P. Pignolet, “Demonstration of a Novel Pulsed Electric Field Technique Generating Neither Conduction Currents Nor Joule Effects”, IEEE Trans. Plasma Sei., Vol. 42, No. 1 , pp. 216-228, 2014. Hier wird berichtet, dass die Elektroden mit einer Beschichtung dielektrischen Materials mit hoher Permittivität zu versehen sind.
In S. Qin et al. „TiG2-Coated Electrodes for Pulsed Electric Field Treatment of Microorganisms“, IEEE Transactions on Plasma Science, Special Issue - Pulsed Power Science @ Technology 2016, S. 1-7 konnte gezeigt werden, dass Elektroden, die mit einer 2 pm dicken TiO2-Beschichtung versehen sind, im Vergleich zu un beschichteten, leitfähigen Elektroden eine ähnliche oder bessere PEF-Inaktivierungsleistung bietet. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass TiO2-beschichtete Elektroden zu einer deutlichen Reduzierung der Energieverluste um ca. 25% während der Behandlung führen. Die TiO2-Schichten konnten den Strom während des Spannungspulses um nur25% erniedrigen. Allerdings sind diese Effekte nicht langzeitstabil, weil sich die dielektrischen Eigenschaften und die Isolationseigenschaften von Titandioxid in Kontakt mit wässrigen Medien nachteilig verändern, siehe A. V. Hippel, R. G. Breckenridge, F. G. Chesley, and L. Tisza, “High Dielectric Constant Ceramics,” Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 38, no. 11 , pp. 1097-1109, Nov. 1946 In der DE102016216397 A1 , Absatz 0013 ist beschrieben, dass die Elektroden und/oder Elektrodenabschnitte zumindest teilweise isolierend beschichtet sind. Dadurch können beispielsweise Ablagerungen aus der Flüssigkeit auf den Elektroden bzw. Elektrodenabschnitten und/oder Beschädigungen vermieden werden. Damit sich dennoch das elektrische Feld zwischen den Elektroden weitgehend ungehindert ausbilden kann, empfiehlt sich eine hohe Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) der Beschichtung. Welche Beschichtungen im Detail vorteilhaft sind, wird nicht offenbart.
Wie oben beschrieben bilden sich bei längerer Behandlung von Lebensmitteln, insbesondere proteinhaltigen Lebensmitteln unerwünschte Ablagerungen an den Elektroden (Fouling), meist hervorgerufen durch die Denaturierung von Proteinen.
In der DE102018201498 ist eine Vorrichtung beschrieben, die die Elektroden gegen Ablagerungen schützen soll. Dabei ist ein Freihalter beschrieben, der entweder die Ablagerungen präventiv unterdrückt und / oder vorhandene Ablagerungen nachträglich wieder entfernt. Als Ausführungsform sind Oberflächenbeschichtungen die mindestens auf einem Teil der Elektrode angebracht sind. Es werden als Oberflächenbeschichtung Antihaftbeschichtungen vorzugsweise aus einem hydrophoben Material beschrieben: Absatz [0014] offenbart: „Hydrophobe Materialien reduzieren Adhäsion denaturierter Lebensmittelkomponenten und unterdrücken präventiv die Ausbildung einer Ablagerung dieser unerwünschten Abbauprodukte. Hydrophobe Oberflächenbeschichtung sind solche, die wasserabweisend sind, an denen Wasser also abperlt. Hydrophobe Oberflächen weisen einen Wasserkontaktwinkel von über 90° auf, wobei der Kontaktwinkel beispielsweise mit einem Kontaktwinkel-Goniometer gemessen werden kann.“
Weitere Hinweise zur Ausgestaltung der Oberflächenbeschichtung als Freihalter werden nicht gegeben.
Derartige hydrophobe Beschichtungen können zwar die Adhäsion zwischen Ablagerung und Elektrodenoberfläche reduzieren, allerdings verhindern sie nicht präventiv die Ablagerung selbst. Außerdem können derartige Beschichtungen ihre Wirkung nicht auf Elektroden entfalten, die während des Langzeitbetriebs durch die oben beschriebene Erosion verschleißen. Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder für die Elektroporation von Zellen und/oder die Behandlung von Lebensmitteln anzugeben, die über eine langzeitstabile Elektrode verfügt, die aber gleichzeitig ein geeignetes Eigenschaftsfenster für eine bevorzugte energiesparende Arbeitsweise sowie mit einer guten Wirkeffizienz. Bevorzugt sollten darüber hinaus im Betrieb niedrige Temperaturen gewährleistet werden, um das zu behandelnde Gut möglichst wenig Hitze auszusetzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder zur Elektroporation von Zellen, umfassend mindestens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine teilweise oder vollständig beschichtet ist, wobei die Beschichtung
- eine Dielektrizitätskonstante DK von 5 - 50, bevorzugt 7 - 40, weiter bevorzugt 10 - 30 bei Standardbedingungen und bei einer Frequenz von 1 MHz besitzt,
- einen spezifischen Widerstand von > 1010 Qm, bevorzugt > 1011 Qm, weiter bevorzugt > 1012 Qm bei Standardbedingungen und einer Frequenz von 1 MHz besitzt und
- über eine Durchschlagfestigkeit von > 20 V/pm, bevorzugt > 30 V/pm , weiter bevorzugt > 40 V/pm bei Standardbedingungen verfügt.
Eine „Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder zur Elektroporation von Zellen“ im Sinne dieses Textes ist eine Anordnung von Bauteilen, die gezielt dazu ausgerichtet ist, eine entsprechende Elektroporation zu bewirken. Damit fallen unter diesen Begriff insbesondere nicht solche Vorrichtungen, die zwar gepulste elektrische Felder erzeugen und bei denen nicht ausgeschlossen werden kann, dass in den Wirkbereich der gepulsten elektrischen Felder einzelne oder wenige Zellen (zufällig) gelangen, sodass eine Elektroporation dieser Zellen nicht ausgeschlossen werden kann. Eine „Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder zur Elektroporation von Zellen“ ist also dazu ausgerichtet, eine große Zahl von Zellen entsprechend zu behandeln. Mit „Elektroporation“ in diesem Text ist bevorzugt irreversible Elektroporation gemeint.
Eine teilweise beschichtete Elektrode kann dabei nur auf einer Seite, z. B. auf der zu der anderen Elektrode hin gerichteten Seite beschichtet sein. Bevorzugt ist für eine teilweise beschichtete Elektrode, dass zumindest die Bereiche der höchsten Belastung, also diejenigen Bereiche der Elektrode, in denen die größten elektrischen Felder auftreten, beschichtet sind. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass für die erfindungsgemäß einzusetzende Beschichtung eine verhältnismäßig geringe Dielektrizitätskonstante ausreicht, um einerseits gute Ergebnisse im Bereich der Elektroporation zu erzielen und andererseits Elektroden zur Verfügung zu stellen, die eine deutlich verlängerte Lebensdauer gegenüber un beschichteten und auch zum Teil gegenüber den im Stand der Technik eingesetzten Elektroden besitzen. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Beschichtung ein gutes Elektroporationsergebnis bei einer verhältnismäßig geringen elektrischen Energie pro Menge des behandelten Gutes, insbesondere eines zu behandelnden Lebensmittels.
Der Zusammenhang zwischen der Dielektrizitätskonstante und der Feldstärke in der Beschichtung kann mit Bezug auf die Figur 1 nach üblichen Regeln der Elektrostatik abgeschätzt werden. In der Figur 1 bedeuten
E= angelegte Feldstärke,
Ei= Feldstärke in der Beschichtung, ei=DK der Beschichtung, e2= DK der Flüssigkeit di= Dicke der Beschichtung, d2= Dicke der Flüssigkeitsschicht,
Ei(Beschichtung)=E*(di/d2*e2)/(ei+2*di/d2*e2)
Damit Spannungsdurchbrüche während der Elektroporation sicher vermieden werden, sollte die Durchschlagfestigkeit des Schichtmaterials deutlich höher, bevorzugt mindestens doppelt so hoch, weiter bevorzugt mindestens 10 mal so hoch sein als die auftretenden Feldstärken in der Beschichtung.
Beispiele für bestimmte Beschichtungen und Anordnungen: di=10 pm, d2=1 cm => di/d2=10-3 e2=100 (als Beispiel für eine Flüssigkeit mit besonders hoher DK)
Beschichtung I: di = 10 pm DLC-Beschichtung mit ei=3
E = 10 kV: Ei = 313 V
E = 30 kV: Ei = 938 V
Beschichtung II: di = 10 pm S13N4 mit ei=12
E = 10 kV: Ei = 82 V
E = 30 kV: Ei = 246 V
Beschichtung III: di=10pm ZrO? mit ei=30
E = 10 kV: Ei = 33 V
E = 30 kV: Ei= 99 V
Beschichtung IV: di=10 pm T1O2 mit ei=100
E = 10 kV: Ei = 10 V
E = 30 kV: Ei = 30 V
Obwohl TiÜ2 von den elektrischen Parametern am besten abschneidet, ist es aufgrund der hohen Wechselwirkung mit Wasser als Elektrodenbeschichtung ungeeignet. SisN4 hat von den Sperreigenschaften gegenüber Wasser und Chloridionen die besten Werte. Z1O2 hat eine Wasseraufnahme von < 0,01 % und eine höhere DK. Neben den Materialparametern ist die Defektfreiheit der Beschichtung von höchster Bedeutung. Die Abscheidung erfolgt daher bevorzugt im Vakuum (PVD. CVD), da sich hier die besten Schichtqualitäten erzeugen lassen.
Bevorzugt ist in vielen Fällen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung über mehr als zwei Elektroden verfügt. Auf diese Art kann durch eine geeignete Platzierung der Elektroden eine Optimierung der Wechselfelderzeugung erfolgen. Besonders bevorzugt ist, dass mit einer Spannungsversorgung gleichzeitig mehrere Elektroden betrieben werden. So kann bei einer rohrförmigen kollinearen Behandlungskammer die jeweils unterschiedlich gepolten Elektroden abwechselnd in Reihe geschaltet werden, um so die Behandlungsintensität zu erhöhen und damit den Durchsatz steigern zu können. Ebenfalls lassen sich gleichzeitig mehrere Behandlungskammern mit einer Spannungsversorgung betreiben, indem die Elektrodenpaare der einzelnen Behandlungskammern parallel geschaltet werden. Auch Mischformen, also Parallelschaltung von Reihenschaltungen sind bevorzugt. Über diese Schaltungen lässt sich bei gegebener Spannungsversorgung die notwendige Behandlungsintensität auf das zu behandelnde Gut ideal anpassen.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Beschichtung der Elektrode wenigstens zwei Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, C, O, N, Ti, Zr, Ta, Sr, Zn, Nb, H, Mg und AI umfasst oder aus zwei oder mehr dieser Elemente besteht. Ebenfalls bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Beschichtung Tita- nat, Titanoxid, Zirkonat, Zirkoniumoxid, Siliziumoxid, Nitrid, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus amorphem Titandioxid, Rutil, Siliziumnitrid, Zirkondioxid und/oder Steatit umfasst oder daraus besteht. Dabei wird der Fachmann drauf achten, dass die Materialien der Beschichtung die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Parameter erfüllen. So wird der Fachmann beispielsweise Beschichtungsmaterial mit einer Dielektrizitätskonstante von >50 nicht als Reinstoff einsetzen, sondern solches Material mit Beschichtungsmaterial einer geeigneten niedrigeren Dielektrizitätskonstante mischen, wobei natürlich auch die anderen oben genannten Parameterbereiche beachten werden.
Die genannten bevorzugten Materialien für die erfindungsgemäß einzusetzende Beschichtung haben sich als besonders geeignet erwiesen, dass für die Erfindung wichtige Eigenschaftsfenster aus Dielektrizitätskonstante (DK), spezifischem Widerstand und Durchschlagfestigkeit zu erreichen.
Ein besonders bevorzugtes Material für die Beschichtung ist dabei SisN4 ganz besonders bevorzugt in amorpher Form.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Beschichtung eine aus der Gasphase, bevorzugt in einem PVD- oder CVD-Verfahren, weiter bevorzugt in einem PE- CVD- oder Sputterverfahren abgeschiedene Beschichtung ist, wobei weiter bevorzugt die Abscheidung unter Niederdruckbedingungen erfolgt ist.
Niederdruckbedingungen liegen im Sinne dieser Anmeldung dann vor, wenn der Druck < 1 mbar ist. Es hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäß notwendige Eigenschaftsfenster für die Beschichtungen durch PVD- oder CVD-Verfahren, insbesondere durch PE-CVD- oder Sputterverfahren besonders leicht und zuverlässig erzielbar ist. Insbesondere lassen sich so zuverlässig weitestgehend fehlerfreie Schichten erzeugen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass die erfindungsgemäß einzusetzende Beschichtung auf den Elektroden der erfindungsgemäßen Vorrichtung amorph ist.
„Amorph“ im Sinne des vorliegenden Textes bedeutet röntgenamorph, das heißt, dass bei Charakterisierung einer TEM-Lamelle weniger 5% der untersuchten Fläche (100 nm x 100 nm) kristallin sind und bevorzugt mittels XRD keine Kristallin ität festgestellt werden kann.
Auch hier gilt wiederum, dass es mit amorphen erfindungsgemäß einzusetzenden Beschichtungen (insbesondere auch in den bevorzugt beschriebenen Formen) besonders gut möglich ist, das erfindungsgemäße Eigenschaftsfenster, auch in den bevorzugten Kombinationen, zu erreichen.
Dementsprechend ist es auch bevorzugt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung gepulster Felder mit einer bevorzugten amorphen Beschichtung auf der Elektrode für die Beschichtung eine Dielektrizitätskonstante DK von 5 - 30, bevorzugt 7 -30, weiter bevorzugt 8 - 25 und besonders bevorzugt 10 - 20 bei Standardbedingungen und einer Frequenz von 1 MHz besitzt.
Solche Dielektrizitätskonstanten, die ja überraschend gering sind, gewährleisten dennoch eine erfolgreiche Arbeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung kann so besonders langzeitstabil und energiesparend betrieben werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Beschichtung unter Arbeitsbedingungen nach drei Monaten einen spezifischen Widerstand > 109 Qm, bevorzugt e 101° Qm, weiter bevorzugt > 1011 Qm bei Standardbedingungen und einer Frequenz von 1 MHz besitzt.
Der hohe Erhalt des spezifischen Widerstandes ist Ausdruck für die Eigenschaft der erfindungsgemäß einzusetzenden Beschichtung, bei Kontakt mit Wasser wenig, bevorzugt kein Wasser aufzunehmen. Dies wiederum erhöht die Haltbarkeit der erfindungsgemäß einzusetzenden Beschichtung auf der Elektrode, wodurch wiederum die Elektrode länger geschützt bleibt.
Dementsprechend bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Beschichtung unter Arbeitsbedingungen nach drei Monaten über eine Durchschlagfestigkeit von > 10 V/pm, bevorzugt 20 V/pm, weiter bevorzugt 30 V/pm bei Standardbedingungen verfügt.
Auch der Erhalt der Durchschlagfestigkeit bei Kontakt mit Wasser ist ein Nachweis für eine hohe Qualität der erfindungsgemäß einzusetzenden Beschichtung und trägt ebenso zur Erhaltung der Beschichtung und damit der Elektrode unter Beanspruchung bei.
„Arbeitsbedingungen“ im Sinne dieser Anmeldung sind die in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke d an Stellen der Elektrode, an der die höchsten elektrischen Feldstärken auftreten, zwischen 0,5 pm - 100 pm, bevorzugt 1 pm - 20 pm, weiter bevorzugt 1 pm - 10 pm, weiter bevorzugt 1 pm - 5 pm aufweist. Eine weiter bevorzugte Untergrenze für den Schichtdickenbereich ist 1 ,2 pm.
Die Bereiche, an denen die höchsten Feldstärken auftreten, sind bei kollinearen Anordnungen insbesondere die Bereiche, die direkt oder benachbart sind zu den notwendigen Isolatoren, die die Elektroden voneinander trennen, Im Fall der koplanaren Elektrodenanordnung sind dies Bereiche mit besonders geringem Abstand der Elektroden zueinander.
Es hat sich erwiesen, dass die bevorzugte Schichtdicke für die erfindungsgemäß einzusetzende Schicht, insbesondere in den bevorzugten Ausgestaltungsformen, einen guten Kompromiss zwischen Isolations- und Schutzeigenschaften der Beschichtung und gleichzeitig Effizienz der Elektrode beim Erzeugen der Wechselfelder ermöglicht.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Beschichtung auf der von der Elektrode weggerichteten Seite über eine Anti-Fouling-Schicht, bevorzugt in Form einer hydrophilen Beschichtung, weiter bevorzugt als PE-CVD-Beschichtung und/oder als Hydrogel verfügt und/oder wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, dass eine fließfähige Masse, insbesondere eine Flüssigkeit zwischen den zwei Elektroden angeordnet wird und/oder wobei die Vorrichtung über eine Fördervorrichtung verfügt, um zu behandelndes Gut zwischen den Elektroden durchzuführen.
Eine Anti-Fouling-Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei eine Beschichtung, die einer Proteinadsorption entgegenwirkt. Eine Anti-Fouling-Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei eine solche, bei der die Adsorption des Proteins Bovines Serumalbumin (BSA) im Rahmen des QCM-D (Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring) auf < 30 Gew.-%, bevorzugt < 20%, bevorzugt < 10% (vergleiche Messbeispiel 3).
Die zusätzlich auf der Beschichtung bevorzugt vorzusehende Anti-Fouling-Schicht hilft dabei, die Adsorption von Proteinen beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verringern und so die Haltbarkeit der Elektrode zu erhöhen.
Die bevorzugte alternative oder zusätzliche Variante, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dass eine fließfähige Masse, insbesondere eine Flüssigkeit zwischen den zwei Elektroden, angeordnet wird, gewährleistet eine gute Arbeitsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich bei der Elektroporation von Zellen.
Dabei wird das zu behandelnde Gut zwischen die Elektroden gebracht, sodass dort eine optimale Einwirkung der Wechselfelder auf das im behandelten Gut enthaltene Zellmaterial erfolgen kann. Dabei kann es sein, dass das zu behandelnde Gut fest ist (z. B. Kartoffeln), in diesem Fall ist es aber erfindungsgemäß bevorzugt, dass das zu behandelnde Gut in einer Flüssigkeit wie z. B. Wasser zwischen die Elektroden gebracht wird.
Eine fließfähige Masse liegt dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung vor, wenn das Hauptmedium (oder Trägermedium) dieser Masse bei der Behandlungstemperatur eine Viskosität <= 5 * 104 mPa s, bevorzugt <= 5 * 102 mPa s besitzt, gemessen nach EN ISO 3219
Eine „Flüssigkeit“ im Sinne des vorliegenden Textes liegt dann vor, wenn eine Viskosität <= 5 * 104 mPa s, bevorzugt <= 5 * 102 mPa s gemessen nach EN ISO 3219 vorliegt. In der alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltungsform, dass die Vorrichtung über eine Fördervorrichtung verfügt, um zu behandelndes Gut zwischen den Elektroden hindurchzuführen, können als Fördervorrichtung jegliche Mittel verwendet werden, die für einen Materialfluss sorgen. Das kann im einfachen Fall ein Rohr mit einem Gefälle sein, es können aber auch Pumpen oder andere geeignete Baueinheiten eingesetzt werden.
Mit dieser bevorzugt erfindungsgemäß vorzusehenden Fördervorrichtung ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem kontinuierlichen Prozess zu betreiben und einen hohen Durchsatz an zu behandelndem Gut zu erzielen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei ein Lebensmittel bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gemüse, insbesondere Kartoffeln, Süßkartoffeln, Rote Beete, Sellerie, Möhren, Kohl, Rüben, Kürbis, Wurzelpetersilie, Meerrettich, Rettich, Wasabi, Schwarzwurzel, Pastinake, Topinambur, Ingwer, Okra; Zuckerrohr, Rhabarber, Spargel, Fenchel, Bambussprossen, Quinoa, Maniok, Paprika, Chili, Tomaten, Zwiebelgemüse, insbesondere Gemüsezwiebel, Knoblauch, Porree, Schalotte, Bärlauch; Hülsenfrüchten; Kaffeekirschen; Kaffeebohnen; Bohnen, Kakaobohnen; Sojabohnen; Erbsen; Kichererbsen; Linsen; Lupinensamen; Speisepilze, insbesondere Champignons, Pfifferlinge, Steinpilze, Trüffel; Getreide, insbesondere Hafer, Weizen, Gerste, Reis, Mais; Früchten, insbesondere Weintrauben, Zitrusfrüchte, insbesondere Orangen, Limetten, Zitronen, Grapefruits, Kumquats, Mandarinen, Clementinen, Aprikosen, Pfirsiche, Nektarinen, Ananasfrüchte, Äpfel, Birnen, Kirschen, Granatäpfel, Quitten, Mangos, Sanddornfrüchte; Beeren, insbesondere Holunderbeeren, Brombeeren, Johannisbeeren, Himbeeren, Cranberries, Erdbeeren; Esskastanien; Oliven; Sonnenblumenkernen; Rapssamen; Walnüssen; Leinsamen; Hanfsamen; Pinien; Pistazien; Erdnüssen; Färberdistelsamen; Sheanüsse; Kürbiskernen; Saft, insbesondere Fruchtsäfte, insbesondere Fruchtsäfte der oben genannten Früchte; Trinkwasser; Zuckerwasser; Honig, Maische; Würze; proteinhaltigen Lebensmitteln, insbesondere milchhaltige Lebensmittel, Flüssigei, Algen, Insekten in den verschiedenen Entwicklungsstadien und Fleisch im Einwirkungsbereich der erzeugten gepulsten Felder ist.
Umfasst bei der vorstehenden Aufzählung sind selbstverständlich auch nur Teile des jeweilig benannten Lebensmittels. Diese Lebensmittel haben sich als besonders geeignet für eine Behandlung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen einer Elektroporation der in den Lebensmitteln enthaltenen Zellen oder wie z. B. im Falle von Trinkwasserkeimen, erwiesen.
Ein Lebensmittel im Sinne dieser Anmeldung ist dabei ein zum Verzehr oder orale Aufnahme durch Mensch oder Tier vorgesehenes Gut oder ein dafür vorgesehener Teil eines Gutes.
Teil der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Elektroporation von Zellen und/oder zur Behandlung, insbesondere zur Pasteurisierung von Lebensmitteln und/oder zum Garen von Lebensmitteln und/oder zur Erleichterung eines nachfolgenden Verarbeitungsschrittes für Lebensmittel, insbesondere zur Verbesserung der Schneidbarkeit und/oder zur Vereinfachung der Feuchtigkeitsreduktion und/oder zur Verbesserung der Pressbarkeit, Extrahierbarkeit und/oder Entsaftbarkeit und/oder Läuterbarkeit und/oder Filtrierbarkeit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ihre Vorteile bei den erfindungsgemäßen Verwendungen besonders gut zur Geltung bringen. Dabei führt die erfindungsgemäß einzusetzende Beschichtung auf der oder den Elektroden dazu, dass die Lebensdauer der Elektroden massiv verlängert wird, ohne dass der Behandlungserfolg bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nennenswert negativ beeinflusst wird.
Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Vielzahl von Prozessen in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Ansätze hierfür sind z. B. die Feuchtigkeitsreduktion vor Frittierprozessen, vor Trocknungsprozessen und/oder vor Gefriertrocknung. Die erfindungsgemäße Verwendung ermöglicht es nämlich, die für den nachfolgenden Verarbeitungsschritt gewünschte Feuchtigkeitsreduktion zu erleichtern. Auch eine Verbesserung der Pressbarkeit bzw. Extrahierbarkeit z. B. beim Pressen von Oliven, insbesondere beim Kaltpressen, ist ein geeigneter hilfreicher Ansatzpunkt der erfindungsgemäßen Verwendung.
Teil der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer Elektrode, b) Beschichten der Elektrode mit einer oder mehrerer Schichten, wie weiter oben erläutert, und c) Einfügen der beschichteten Elektrode in eine Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen.
Teil der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Elektroporation von Zellen, umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, b) Bereitstellen von Zellen und c) Einwirken von durch die Vorrichtung erzeugten gepulsten elektrischen Feldern auf die Zellen, so dass eine Elektroporation bewirkt wird.
Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass für das Durchführen einer Elektroporation Zellen bereitzustellen sind. Dabei ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens oft möglich, dass die „bereitgestellten“ Zellen in Form von Zellverbänden in Lebensmitteln, wie z. B. in Kartoffeln oder anderen Früchten, in Form von Zellbestandteilen von Säften oder auch in Form von Verunreinigungen wie z. B. Mikroorganismen in Trinkwasser vorliegen.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Elektroporation zur Konservierung und/oder zum Garen von Lebensmitteln und/oder zur Vorbereitung zur Erleichterung eines nachfolgenden Verarbeitungsschrittes, insbesondere zur Verbesserung der Schneidbarkeit und/oder zur Vereinfachung der Feuchtigkeitsreduktion und/oder zur Verbesserung der Pressbarkeit und/oder Extrahierbarkeit und/oder Entsaftbarkeit und/oder Läuterbarkeit und/oder Filtrierbarkeit eines Lebensmittels erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders gut nutzen.
Messbeispiele:
Messbeispiel 1 : Es wird ein PEF-Aufbau analog der Nest/e-Anme/dung PCT / EP2012/063218 Beispiel 1 verwendet.
Anstelle des dort benutzten Generators wird der elektrische Messaufbau wie in Fig. 2 skizziert, verwendet, wobei UDC=50 kV, R=20 MQ, C=50 nF, PEF=Pulse electric field Elektroden, Gap=Funkenstrecke mit einem Elektrodenabstand von 20 mm betragen bzw. bedeuten.
Hat die Funkenstrecke nicht gezündet, so wird der Kondensator und die PEF-Kammer (auch ein Kondensator) über den Widerstand R bis auf eine Spannung von 25 kV aufgeladen. Ab 25 kV zündet die Funkenstrecke und die beiden Kondensatoren entladen sich mit einem Strom bis zu 60 A, wobei der hohe Entladungsstrom nur für einen Zeitraum von 1 ps fließt. Fällt die Entladespannung unter 3 kV, so erlischt die Funkentrecke und der Zyklus beginnt von Neuem. Die Behandlungsdauer in der Kammer beträgt 3 Monate.
Der Abtrag der Elektroden wird gravimetrisch charakterisiert, indem die Elektroden vor, nach der Betriebsdauer und nach Entfernung der Fouling-Schicht gewogen werden.
Messbeispiel 2: Durchschlagsfestigkeit
Die Durchschlagsfestigkeit wird nach der ASTM D149 bestimmt.
Messbeispiel 3: QCM-D
Die Quarz-Kristall-Mikrowaage mit Dissipation (QCM-D) ermöglicht es, die Adsorption von Biomolekülen im pg/crrF-Bereich auf Quarzkristalloberflächen (Sensoren) zu untersuchen. Das Messprinzip basiert hierbei auf der Frequenzänderung der Sensoren (akustischer Resonator) als Reaktion auf Interaktionen von Molekülen auf der Kristalloberfläche. Die zu analysierenden Schichten konnten auf die QCM-D Sensorkristalle aufgebracht werden und nachfolgend mit bovinem Serumalbumin (BSA) hinsichtlich der Ad- und Desorptionskinetiken untersucht werden. Die BSA-Konzentration in wässriger Lösung betrug 1 mg/ml mit 1 ,4 mmol/l Tris(hydroxymethyl)aminomethan Hydrochlorid und 0,9 g/l NaCI bei einem pH von 7.
Nach ca. 50 min wurde die wässrige BSA-Lösung durch deinoisiertes Wasser ersetzt. Eine beispielhafte Adsorptions- und Desorptionskinetik ist der Figur 3 zu entnehmen.
Ausführungs beispiele: Ausführungsbeispiel 1 (nicht erfindungsgemäß):
Als Elektrodenmaterial wurde Titan Grade 1 verwendet. Die Elektroden wurden ohne weitere Beschichtung eingesetzt.
Die Elektroden wurden nach Messbeispiel 1 im Langzeitbetrieb für 3 Monate getestet. Als flüssiges Lebensmittel wurde Stadtwasser verwendet. Als „Stadtwasser“ gilt im Zweifelsfall eine 0,9 Gew.-%ig NaCI-Lösung im Wasser.
Es wurde visuell ein deutlicher Abtrag der Elektroden festgestellt.
Die Bereiche der Elektroden, wo die höchsten Feldstärken einwirken, werden am stärksten erodiert.
Ausführungsbeispiel 2:
Beschreibung der Si3N4-Beschichtung
Als Elektrodenmaterial wird Titan Grade 1 verwendet.
Die Elektroden wurden wie folgt beschichtet:
Beschreibung der Si3N4-Beschichtung
Die Siliziumnitridbeschichtung wird durch Niederdruck-Sputtertechnologie abgeschieden. Der Reaktor hat eine Dimension von 0,5 m x 0,5 m*0,5 m. Es wurde ein Sputtermagnetron mit einem Durchmesser von 3 Zoll verwendet. Als Targetmaterial wird Silizium verwendet. Der Abstand zwischen Target und Substrat beträgt 5 cm. Zu Beginn wird der Reaktor auf einen Basisdruck von 1*10-5 mbar evakuiert und anschließend wird Stickstoff mit einem Fluss von 80 sccm in den Reaktor eingeleitet. Nach dem Zünden des Magnetrons liegt eine Self-Bias-Spannung von 300 V bei einer Plasmaleistung von 400 W an. Nach einer Sput- terzeit von 30 min ergibt sich eine Schichtdicke von ca. 1 .200 nm Si3N4.
Die XPS-Analyse der Beschichtung ergibt folgende atomare Zusammensetzung: N = 52,7%; Si = 43,5 %; O = 3,8 %, wobei vor Messbeginn ca. 10 nm Schicht durch Ar-Sputtern im XPS entfernt werden. Die abgeschiedene Beschichtung wies eine DK von 11 ,5 bei einer Frequenz von 1 MHz auf, der spezifische Widerstand betrug 1013-1014 Qm, die Durchschlagsfestigkeit 45 V/pm und die betrug Schichtdicke ca. 1200 nm.
Die Elektroden wurden nach Messbeispiel 1 im Langzeitbetrieb für 3 Monate getestet. Als flüssiges Lebensmittel wurde Stadtwasser verwendet.
Nach Langzeitbetrieb für 3 Monate wies die abgeschiedene Beschichtung eine DK von 14 bei einer Frequenz von 1 MHz, der spezifische Widerstand betrug 1012-1013 Qm, die Durchschlagsfestigkeit 45 V/pm und die Schichtdicke ca. 1 .200 nm.
Der Abtrag der Elektroden war im Rahmen der Messgenauigkeit von 1 mg nicht nachweisbar.
Visuell konnte ebenfalls kein Abtrag festgestellt werden.
Die Beschichtung erwies sich für einen dauerhaften Elektroporationseinsatz als geeignet.
Ausführungsbeispiel 3: BaTiO3 beschichtete PEF-Elektroden
Die Titanelektroden wurden mit einer 2 pm dicken, kristallinen Bariumtitanatbeschichtung, die von einem Bariumtitanattarget im Niederdruckplasma abgesputtert worden ist, versehen. Die Dielektrizitätskonstante dieser Beschichtung betrug für Frequenzen kleiner 1 Hz 2000 und für 1 MHz ca. 200. Die beschichteten Elektroden wurden, wie unter Messbeispiel 1 beschrieben, charakterisiert. Die Beschichtung erwies sich für einen Elektroporationseinsatz als nicht geeignet.
Ausführungsbeispiel 4: TiO2 beschichtete PEF-Elektroden
Die Titanelektroden wurden mit einer 2 pm dicken, kristallinen TiO2 Schicht besputtert. Die DK der Beschichtung betrug 70 bei einer Frequenz von 1 MHz. Werden die Elektroden nach dem Messbeispiel 1 charakterisiert, so wurde eine konservierende Wirkung gefunden. Jedoch nahm die isolierende Wirkung der TiO2-Beschichtung bereits nach 2 Stunden Betriebszeit ab, so dass sich die Stromstärke in der PEF-Kammer deutlich erhöht hat. Eine Messung des spezifischen elektrischen Widerstands ergab einen Wert im Bereich von 106 Qm. Die Beschichtung erwies sich für einen dauerhaften Elektroporationseinsatz als nicht geeignet.
Ausführungsbeispiel 5:
Beschreibung Abscheidung der Acrylsäureschichten des Antifoulingschicht Zusätzlich zum Ausführungsbeispiel 2 wurden auf Si4N3-Schichten plasmapolymere Acrylsäureschichten wie folgt abgeschieden:
Die plasmapolymeren Acrylsäureschichten (ppAA) werden mit Hilfe der Plasmapolymerisation von Acrylsäure im Niederdruck hergestellt. Hierzu wird ein 360 I Plasmareaktor auf einen Basisdruck von 5*10-3 mbar evakuiert und anschließend wird so viel Acrylsäure- dampf in den Reaktor gelassen, dass sich ein Druck von 0,03 mbar einstellt. Ein Hochfrequenzplasma (13.56 MHz) wird mit Hilfe einer Plasmaelektrode (35 x 35 cm), die 7 cm über dem Kammerboden angeordnet ist, gezündet. Die zu beschichtenden Titan-Elektroden werden 7 cm über der Plasmaelektrode auf einer Edelstahlplatte befestigt. Nach einer Prozesszeit von 160 s ergaben sich folgende Schichtdicken (auf der zum gepulsten elektri- sehen Feld zugewandten Öffnung der Elektrode) und folgende Kontaktwinkel.
Tabelle 2: Eigenschaften von ppAA-Schichten in Abhängigkeit von der Plasmaleistung
Der Langzeitbetrieb nach Messbeispiel 1 unter Verwendung von Milch als flüssiges Lebensmittel ergab bei Probe 1 und 2 ein visuell erfassbares Fouling auf der Elektrodenober- fläche. Dieses Fouling unterschied sich nicht wesentlich von dem Fouling, welches bei Verwendung einer Si4N3 beschichteten Ti-Elektrode ohne plasmapolymere Acrylsäurebeschichtung beobachtet wurde. Die plasmapolymere Acrylsäureschicht wurde unter Einfluss des wässrigen Mediums aufgelöst.
Die besten Anti-Fouling-Eigenschaften wurden bei Probe 3 beobachtet (95%ige Reduktion der Ablagerungen). Visuell konnte kein Fouling festgestellt werden. Geringfügige Ablagerungen wurden bei Probe 4 gefunden (80%ige Reduktion der Ablagerungen).

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder zur Elektroporation von Zellen, umfassend mindestens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine teilweise oder vollständig beschichtet ist, wobei die Beschichtung
- eine Dielektrizitätskonstante DK von 5 - 50, bevorzugt 7 - 40, weiter bevorzugt 10 - 30 bei Standardbedingungen und bei einer Frequenz von 1 MHz besitzt,
- einen spezifischen Widerstand von > 1010 Qm, bevorzugt > 1011 Qm, weiter bevorzugt > 1012 Qm bei Standardbedingungen und einer Frequenz von 1 MHz besitzt und
- über eine Durchschlagfestigkeit von > 20 V/pm, bevorzugt > 30 V/pm , weiter bevorzugt > 40 V/pm bei Standardbedingungen verfügt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Beschichtung der Elektrode wenigstens zwei Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, C, O, N, Ti, Zr, Ta, Sr, Zn, Nb, H, Mg und AI umfasst oder aus zwei oder mehr dieser Elemente besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung Titanat, Titanoxid, Zir- konat, Zirkoniumoxid, Siliziumoxid, Nitrid, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus amorphen Titandioxid, Rutil und Siliziumnitrid, Zirkondioxid und/oder Steatit umfasst oder daraus besteht.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine aus der Gasphase, bevorzugt in einem PVD- oder CVD-Verfahren, weiter bevorzugt in einem PE-CVD- oder Sputterverfahren abgeschiedene Beschichtung ist, wobei weiter bevorzugt die Abscheidung unter Niederdruckbedingungen erfolgt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung amorph ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Beschichtung eine Dielektrizitätskonstante DK von 5 - 30, bevorzugt 7 -30, weiter bevorzugt 8 - 25 und besonders bevorzugt 10 - 20 bei Standardbedingungen und einer Frequenz von 1 MHz besitzt.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung unter Arbeitsbedingungen nach drei Monaten einen spezifischen Widerstand > 109 Qm, bevorzugt > 1 O10 Qm, weiter bevorzugt > 1011 Qm bei Standardbedingungen und einer Frequenz von 1 MHz besitzt.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung unter Arbeitsbedingungen nach drei Monaten in Wasser bei 20 °C über eine Durchschlagfestigkeit von > 10 V/pm, bevorzugt 20 V/pm, weiter bevorzugt 30 V/pm bei Standardbedingungen verfügt.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke d an Stellen der Elektrode, an der die höchsten elektrischen Feldstärken auftreten zwischen 0,5 pm - 100 pm, bevorzugt 1 pm - 20 pm, weiter bevorzugt 1 pm - 10 pm, weiter bevorzugt 1 pm - 5 pm aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung auf der von der Elektrode weggerichteten Seite über eine Anti-Fouling-Schicht, bevorzugt in Form einer hydrophilen Beschichtung, weiter bevorzugt als PE-CVD-Beschichtung und/oder als Hydrogel verfügt, und/oder wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, dass eine fließfähige Masse, insbesondere eine Flüssigkeit zwischen den zwei Elektroden angeordnet wird und/oder wobei die Vorrichtung über eine Fördervorrichtung verfügt, um zu behandelndes Gut zwischen den Elektroden durchzuführen.
11 . Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Lebensmittel bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gemüse, insbesondere Kartoffeln, Süßkartoffeln, Rote Beete, Sellerie, Möhren, Kohl, Rüben, Kürbis, Wurzelpetersilie, Meerrettich, Rettich, Wasabi, Schwarzwurzel, Pastinake, Topinambur, Ingwer, Okra; Zuckerrohr, Rhabarber, Spargel, Fenchel, Bambussprossen, Quinoa, Maniok, Paprika, Chili, Tomaten, Zwiebelgemüse, insbesondere Gemüsezwiebel, Knoblauch, Porree, Schalotte, Bärlauch; Hülsenfrüchten; Kaffeekirschen; Kaffeebohnen; Bohnen, Kakaobohnen; Sojabohnen; insbesondere Kartoffeln, Süßkartoffeln, Rote Beete, Sellerie, Möhren, Kohl, Rüben, Kürbis, Wurzelpetersilie, Meerrettich, Rettich, Wasabi, Schwarzwurzel, Pastinake, Topinambur, Ingwer, Okra; Zuckerrohr, Rhabarber, Spargel, Fenchel, Bambussprossen, Quinoa, Maniok, Paprika, Chili, Tomaten, Zwiebelgemüse, insbesondere Gemüsezwiebel, Knoblauch, Porree, Schalotte, Bärlauch; Hülsenfrüchten; Kaffeekirschen; Kaffeebohnen; Bohnen, Kakaobohnen; Sojabohnen; Erbsen; Kichererbsen; Linsen; Lupinensamen; Speisepilze, insbesondere Champignons, Pfifferlinge, Steinpilze, Trüffel; Getreide, insbesondere Hafer, Weizen, Gerste, Reis, Mais; Früchten, insbesondere Weintrauben, Zitrusfrüchte, insbesondere Orangen, Limetten, Zitronen, Grapefruits, Kumquats, Mandarinen, Clementinen, Aprikosen, Pfirsiche, Nektarinen, Ananasfrüchte, Äpfel, Birnen, Kirschen, Granatäpfel, Quitten, Mangos, Sanddornfrüchte; Beeren, insbesondere Holunderbeeren, Brombeeren, Johannisbeeren, Himbeeren, Cranberries, Erdbeeren; Esskastanien; Oliven; Sonnenblumenkernen; Rapssamen; Walnüssen; Leinsamen; Hanfsamen; Pinien; Pistazien; Erdnüssen; Färberdistelsamen; Sheanüsse; Kürbiskernen; Saft, insbesondere Fruchtsäfte, insbesondere Fruchtsäfte der oben genannten Früchte; Trinkwasser; Zuckerwasser; Honig, Maische; Würze; proteinhaltigen Lebensmitteln, insbesondere milchhaltige Lebensmittel, Flüssigei, Algen, Insekten in den verschiedenen Entwicklungsstadien und Fleisch im Einwirkungsbereich der erzeugten gepulsten Felder ist.
12. Verwendung einer Vorrichtung nach einem dervorangehenden Ansprüche zur Elekt- roporation von Zellen und/oder zum Garen von Lebensmitteln und/oder zur Behandlung, insbesondere zur Pasteurisierung von Lebensmitteln und/oder zur Erleichterung eines nachfolgenden Verarbeitungsschrittes für Lebensmittel, insbesondere zur Verbesserung der Schneidbarkeit und/oder zur Vereinfachung der Feuchtigkeitsreduktion und/oder zur Verbesserung der Pressbarkeit, Extrahierbarkeit und/oder Entsaftbarkeit und/oder Läuterbarkeit und/oder Filtrierbarkeit.
13. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 1 1 , umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Elektrode, b) Beschichten der Elektrode mit einer oder mehrerer Schichten, wie in einem der Ansprüche 1- 10 definiert und c) Einfügen der beschichteten Elektrode in eine Vorrichtung zur Erzeugung gepulster elektrischer Felder.
14. Verfahren zur Elektroporation von Zellen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -10, b) Bereitstellen von Zellen und c) Einwirken von durch die Vorrichtung erzeugten gepulsten elektrischen Feldern auf die Zellen, so dass eine Elektroporation bewirkt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Elektroporation zur Konservierung und/oder zum Garen von Lebensmitteln und/oder zur Vorbereitung zur Erleichterung eines nachfol- genden Verarbeitungsschrittes, insbesondere zur Verbesserung der Schneidbarkeit und/oder zur Vereinfachung der Feuchtigkeitsreduktion und/oder zur Verbesserung der Pressbarkeit und/oder Extrahierbarkeit und/oder Entsaftbarkeit und/oder Läuterbarkeit und/oder Filtrierbarkeit eines Lebensmittels erfolgt.
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