Het principe van behandeling onder hoge hydrostatische druk is eenvoudig. Verpakte levensmiddelen worden in een reactor geplaatst, waarna de drukreactor wordt afgesloten. Vervolgens wordt door een pomp op zeer snelle wijze water in de reactor gepompt tot een welbepaalde druk wordt bereikt (bvb. 600 MPa). Na een behandelingstijd van 10 minuten of minder, wordt de druk ogenblikkelijk afgelaten, waarna de verpakkingen uit het vat worden verwijderd en een volgende behandeling kan worden opgestart. Naast het vooropgestelde drukniveau en de behandelingstijd is temperatuur een belangrijke procesvariabele.
Hoewel reeds heel wat hoogkwalitatieve, hoge druk behandelde levensmiddelen op de markt te vinden zijn (bvb. in de VS, Spanje, Japan, Frankrijk), verloopt de globale marktintroductie traag. In de literatuur wordt het onvolledig documenteren van procescondities tijdens een hoge druk behandeling als één van de oorzaken hiervoor beschreven.
De hydrostatische druk gebruikt in hoge druk behandeling is uniform en kan direct op één plaats geregistreerd worden, gebruikmakend van een hoge druk sensor. Hoge druk behandeling wordt echter gekenmerkt door temperatuursheterogeniteiten in de procesreactor door verschillen in compressieopwarming en warmtetransfer. Wanneer temperatuur een belangrijke procesparameter is om de procesimpact (bvb. vooropgestelde houdbaarheid, kwaliteit) te bereiken, kan niet-uniformiteit in temperatuur leiden tot niet-uniformiteit in procesimpact (d.w.z. verschillen in eigenschappen van producten van eenzelfde behandeling of binnen eenzelfde product). De levensmiddelenindustrie dient met andere woorden kennis te hebben van deze niet-uniforme temperatuursverdeling en de consequenties ervan voor elk behandeld product. Directe registratie van het temperatuursprofiel op verschillende plaatsen van een hoge druk reactor is vandaag technisch te complex zowel op piloot- als industriële schaal. Er is nood aan een andere methode die het eenvoudig documenteren van temperatuursverschillen in een hoge druk reactor mogelijk maakt.
Binnen dit kader was het objectief van deze doctoraatsthesis tweeledig: (i) de ontwikkeling van proteïne-gebaseerde, extrinsieke, geïsoleerde druk-temperatuur-tijd indicatoren (pTTIs) en (ii) de verificatie van het potentieel van deze pTTI’s als methode om de temperatuur uniformiteit van hoge druk reactoren in kaart te brengen. Een pTTI kan gedefinieerd worden als een klein, draadloos, druk- (p), temperatuur- (T), tijd- (t) gevoelig instrument waarvan de uitlezing na de behandeling snel en gemakkelijk kwantificeerbaar is. Het idee was dat door behandeling van temperatuursgevoelige indicatoren, bevestigd op verschillende plaatsen in een hoge druk reactor, de indicatoruitlezingen na behandeling op een eenvoudige wijze inzicht zouden verschaffen in de bestaande temperatuursverdeling in het hoge druk vat.
Hoge druk procescondities kunnen ingedeeld worden op basis van hun beoogde residuele microbiële lading: enerzijds hoge druk pasteurisatie met als doel inactivatie van vegetative cellen (400-600 MPa; initiële temperatuur 5-25 °C; 1-15 min) en anderzijds hoge druk sterilisatie met als doel inactivatie van sporen (HP-S: 500-800 MPa; procestemperatuur 90-120 °C; 1-10 min). Aangezien hoge druk behandelingscondities zo sterk kunnen verschillen en aangezien in indicatorontwikkeling de breedte van het toepassingsdomein en de procesparametergevoeligheid moet worden afgewogen, werden in dit werk vier indicatoren met een hoge temperatuursgevoeligheid onder specifieke hoge druk behandelingscondities ontwikkeld. Om dit te bereiken werd een vijf-staps, kinetiek-gebaseerde onderzoeksstrategie ontwikkeld waarin solvent engineering (d.w.z. doelmatig wijzigen van de solventcondities om de gewenste indicatorkarakteristiek te bekomen) werd gebruikt als centrale terugkoppelingsactie. Waar de eerste vier stappen de ontwikkeling van de indicatoren beschrijven, beschrijft de laatste stap hun gebruik om temperatuursheterogeniteiten te detecteren in verschillende toestellen op piloot- en industriële schaal. In deze context werden hoge druk toestellen met verschillende vatoriëntatie, drukgeneratiesysteem, vatvolume, enz. gekarakteriseerd onder verschillende procescondities. Significant verschillende indicatoruitlezingen werden waargenomen in alle geteste toestellen. Aangezien druk uniform is in hoge druk behandeling en tijd constant (batch proces), werden deze verschillen in indicatoruitlezing toegeschreven aan verschillen in temperatuursgeschiedenis. Op die manier werd inzicht verkregen in zones van lage en hoge temperatuur: wanneer de verandering van een doeleigenschap (d.w.z. veiligheid- of kwaliteitsattribuut) gekenmerkt wordt door een positieve temperatuursafhankelijkheid, zullen deze zones belangrijke staalnamezones zijn voor procesimpactevaluatie van respectievelijk veiligheids- en kwaliteitseigenschappen.
Dit werk toont aan (proof-of-principle) dat proteïne-gebaseerde sensoren een interessante methode kunnen zijn om temperatuur uniformiteit in hoge druk reactoren te documenteren.
De publieke verdediging van dit doctoraatswerk gaat door op dinsdag 14 december 2010 om 17.00u (locatie: Landbouwinstituut, Kasteelpark Arenberg 20, 3001 Heverlee, Jozef Heuts auditorium).