Modelling, diagnostics and experimental analysis of plasma assisted processes for material treatment

This work presents results from experimental investigations of several different atmospheric pressure plasmas applications, such as Metal Inert Gas (MIG) welding and Plasma Arc Cutting (PAC) and Welding (PAW) sources, as well as Inductively Coupled Plasma (ICP) torches. The main diagnostic tool that has been used is High Speed Imaging (HSI), often assisted by Schlieren imaging to analyse non-visible phenomena. Furthermore, starting from thermo-fluid-dynamic models developed by the University of Bologna group, such plasma processes have been studied also with new advanced models, focusing for instance on the interaction between a melting metal wire and a plasma, or considering non-equilibrium phenomena for diagnostics of plasma arcs. Additionally, the experimental diagnostic tools that have been developed for industrial thermal plasmas have been used also for the characterization of innovative low temperature atmospheric pressure non equilibrium plasmas, such as dielectric barrier discharges (DBD) and Plasma Jets. These sources are controlled by few kV voltage pulses with pulse rise time of few nanoseconds to avoid the formation of a plasma arc, with interesting applications in surface functionalization of thermosensitive materials. In order to investigate also bio-medical applications of thermal plasma, a self-developed quenching device has been connected to an ICP torch. Such device has allowed inactivation of several kinds of bacteria spread on petri dishes, by keeping the substrate temperature lower than 40 degrees, which is a strict requirement in order to allow the treatment of living tissues.

Atmospheric plasma processes for microbial inactivation: food applications and stress response in Listeria monocytogenes

This PhD thesis is focused on cold atmospheric plasma treatments (GP) for microbial inactivation in food applications. In fact GP represents a promising emerging technology alternative to the traditional methods for the decontamination of foods. The objectives of this work were to evaluate: - the effects of GP treatments on microbial inactivation in model systems and in real foods; - the stress response in L. monocytogenes following exposure to different GP treatments. As far as the first aspect, inactivation curves were obtained for some target pathogens, i.e. Listeria monocytogenes and Escherichia coli, by exposing microbial cells to GP generated with two different DBD equipments and processing conditions (exposure time, material of the electrodes). Concerning food applications, the effects of different GP treatments on the inactivation of natural microflora and Listeria monocytogenes, Salmonella Enteritidis and Escherichia coli on the surface of Fuji apples, soya sprouts and black pepper were evaluated. In particular the efficacy of the exposure to gas plasma was assessed immediately after treatments and during storage. Moreover, also possible changes in quality parameters such as colour, pH, Aw, moisture content, oxidation, polyphenol-oxidase activity, antioxidant activity were investigated. Since the lack of knowledge of cell targets of GP may limit its application, the possible mechanism of action of GP was studied against 2 strains of Listeria monocytogenes by evaluating modifications in the fatty acids of the cytoplasmic membrane (through GC/MS analysis) and metabolites detected by SPME-GC/MS and 1H-NMR analyses. Moreover, changes induced by different treatments on the expression of selected genes related to general stress response, virulence or to the metabolism were detected with Reverse Transcription-qPCR. In collaboration with the Scripps Research Institute (La Jolla, CA, USA) also proteomic profiles following gas plasma exposure were analysed through Multidimensional Protein Identification Technology (MudPIT) to evaluate possible changes in metabolic processes.

Uso del gas plasma per l'inattivazione di listeria monocytogenes in sistema modello e vegetali

Negli ultimi anni è aumentato l’interesse dell’industria verso lo sviluppo di tecnologie alternative ai trattamenti tradizionali degli alimenti. Tra le varie tecnologie non termiche troviamo il gas plasma. Il plasma è un gas ionizzato neutro, composto da diverse particelle. I principali agenti responsabili dell’azione battericida sembrano essere le specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto, causando danni alle cellule microbiche. Recentemente si sta studiando l’“acqua plasmata attivata”. L’obiettivo generale di questa tesi è stato quello di verificare se trattamenti al plasma di soluzioni saline (NaCl 0.9%) possano “attivarle” dotandole di attività battericida nei confronti di un ceppo di Listeria monocytogenes (ceppo 56 Ly) e di stabilire se il materiale con cui sono costruiti gli elettrodi di un generatore di plasma del tipo DBD, possa influenzare l’efficacia delle soluzioni trattate. Si sono pertanto effettuati trattamenti al plasma di soluzioni saline utilizzando elettrodi di differenti materiali: vetro, ottone, acciaio, argento; le soluzioni così ottenute sono state analizzate in termini chimici, e se ne è valutata l’azione decontaminante nei confronti di Listeria monocytogenes 56 Ly nello stesso sistema modello e, in via preliminare, in sistema reale rappresentato da carote julienne deliberatamente contaminate con L. monocytogenes. Dai risultati ottenuti si è visto che la sensibilità di L. monocytogenes 56Ly alle soluzioni acquose trattate al plasma è influenzato sia dal tipo di materiale dell’elettrodo, sia dal tempo di esposizione. L’acciaio si è rivelato il materiale più efficace. Per quanto concerne il sistema reale, il lavaggio con acqua plasmata per 60 minuti ha determinato un livello di inattivazione di circa 1 ciclo logaritmico analogamente a quanto ottenuto con la soluzione di ipoclorito. In conclusione, i risultati ottenuti hanno evidenziato una minore efficacia dei trattamenti al plasma quando applicati ai sistemi reali, ma comunque il gas plasma ha delle buone potenzialità per la decontaminazione prodotti ortofrutticoli.

Surface, Thermal and Antimicrobial Release Properties of Plasma-Treated Zein Films

The effects of dielectric barrier discharge plasma treatment on zein film containing thymol as an active ingredient were evaluated. The plasma discharge was optically characterized to identify the reactive species. A significant increase in the film roughness (p < 0.05) was observed due to the etching effect of DBD plasma, which was correlated with the increase in the diffusion rate of thymol in the food simulant. The diffusion of thymol from the zein film was measured in aqueous solution. The kinetics of thymol release followed the Fick’s law of diffusion as shown by the high correlation coefficients between experimental and theoretical data. No significant change (p > 0.05) was observed for the thermal properties of the antimicrobial films after DBD plasma treatment.

Characterization of polylactic acid films for food packaging as affected by dielectric barrier discharge atmospheric plasma

Dielectric barrier discharge (DBD) air plasma is a novel technique for in-package decontamination of food, but it has not been yet applied to the packaging material. Characterization of commercial polylactic acid (PLA) films was done after in-package DBD plasma treatment at different voltages and treatment times to evaluate its suitability as food packaging material. DBD plasma increased the roughness of PLA film mainly at the site in contact with high voltage electrode at both the voltage levels of 70 and 80 kV. DBD plasma treatments did not induce any change in the glass transition temperature, but significant increase in the initial degradation temperature and maximum degradation temperature was observed. DBD plasma treatment did not adversely affect the oxygen and water vapor permeability of PLA. A very limited overall migration was observed in different food simulants and was much below the regulatory limits. Industrial relevance: In-package DBD plasma is a novel and innovative approach for the decontamination of foods with potential industrial application. This paper assesses the suitability of PLA as food packaging material for cold plasma treatment. It characterizes the effect of DBD plasma on the packaging material when used for in-package decontamination of food. The work described in this research offers a promising alternative to classical methods used in fruit and vegetable industries where in-package DBD plasma can serve as an effective decontamination process and avoids any post-process recontamination or hazards from the package itself.

Physical characterization and numerical modeling of a WEST-like tokamak divertor plasma

Il presente elaborato è incentrato sulla modellizzazione del plasma di bordo nei dispositivi per la produzione di energia da fusione nucleare noti come tokamak. La tecnologia che nel corso di tutta la seconda metà del XX secolo fino ad oggi è stata sviluppata a questo fine deve necessariamente scontrarsi con alcuni limiti. Nei tokamak il confinamento del plasma è di tipo magnetico e vincola le particelle a muoversi di moto elicoidale all'interno del vessel, tuttavia il confinamento non risulta perfetto e parte dell'energia si scarica sulle pareti della camera, rischiando pertanto di fondere i materiali. Alcune strategie possono essere messe in atto per limitare questo problema, per esempio agendo sulla geometria del tokamak, oppure sulla fisica, inducendo nel plasma una data concentrazione di impurezze che ionizzino irraggiando parte dell'energia di plasma. Proprio tale meccanismo di perdita è stato simulato in un modello monodimensionale di plasma monofluido di bordo. I risultati del codice numerico relativo al modello dimostrano che per concentrazioni di impurezze crescenti è possibile diminuire in modo significativo flusso di calore e temperatura al divertore. Per di più risulta possibile controllare la posizione del fronte di irraggiamento per mezzo di parametri di controllo del plasma quali la pressione. Si osserva inoltre l'insorgere del cosiddetto fenomeno di biforcazione alle basse temperature di divertore, fenomeno in cui il plasma si comporta in modo instabile a causa di fenomeni fisici tipici delle basse energie ("detachment") e a seguito del quale può improvvisamente spegnersi (disruzione). Infine lo stesso modello è stato migliorato inserendo l'ipotesi di plasma bifluido. Anche per gli ioni viene osservato il fenomeno di biforcazione. I risultati numerici evidenziano le dinamiche dello scambio energetico fra le specie gettando le basi di una progettazione efficiente della chimica del plasma finalizzata al raffreddamento del divertore.

Trattamenti mediante tecnologie basate sul plasma di carote julienne

Prodotti di IV gamma a base di frutta e verdura minimamente trattati o pronti all'uso non possono essere considerati sicuri da un punto di vista microbiologico e sono stati spesso associati a casi di tossinfezione. Per tali episodi è stato evidenziato che la qualità dell'acqua utilizzata per il lavaggio è una fase critica. D'altra parte è noto che la disinfezione è una delle fasi di lavorazione più importanti per i prodotti minimamente trattati in quanto ha effetti diretti sulla qualità dei prodotti finiti, sulla sicurezza e la loro shelf-life. Tradizionalmente, l'industria di IV gamma ha impiegato i composti derivati del cloro per la fase di disinfezione in virtù della loro efficacia, semplicità d'uso e basso costo. Tuttavia vi è una diffusa tendenza ad eliminare i prodotti a base di cloro a causa soprattutto della preoccupazione in relazione ai rischi ambientali e sanitari per il consumatore associati alla formazione di sottoprodotti alogenati cancerogeni. Tra le varie tecnologie emergenti, proposte come alternative al cloro, il plasma ha presentato buone potenzialità in virtù delle specie chimiche che lo compongono, principalmente specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto, che sembrano essere responsabili di stress ossidativo alle cellule microbiche, con conseguenti danni per DNA, proteine e lipidi. L’obiettivo generale di questo elaborato finale è stato quello di valutare la possibilità di utilizzare la tecnologia del plasma per la decontaminazione superficiale di carote julienne. In particolare si sono presi in considerazione trattamenti diretti in cui il vegetale è stato esposto al plasma per differenti tempi compresi tra 5 e 40 minuti. Inoltre, si è utilizzo il plasma per il trattamento di acqua che è stata successivamente impiegata per il lavaggio delle carote julienne. L'efficacia di entrambe le modalità di trattamento è stata verificata nei confronti sia della microflora naturalmente contaminante le carote, sia di alcuni microrganismi patogeni che possono essere associati a tale vegetale: Listeria monocytogenes, Salmonella Enteritidis ed Escherichia coli.

Fingerprinting of complex mixtures with the use of high performance liquid chromatography, inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy and chemometrics

The molecular and metal profile fingerprints were obtained from a complex substance, Atractylis chinensis DC—a traditional Chinese medicine (TCM), with the use of the high performance liquid chromatography (HPLC) and inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) techniques. This substance was used in this work as an example of a complex biological material, which has found application as a TCM. Such TCM samples are traditionally processed by the Bran, Cut, Fried and Swill methods, and were collected from five provinces in China. The data matrices obtained from the two types of analysis produced two principal component biplots, which showed that the HPLC fingerprint data were discriminated on the basis of the methods for processing the raw TCM, while the metal analysis grouped according to the geographical origin. When the two data matrices were combined into a one two-way matrix, the resulting biplot showed a clear separation on the basis of the HPLC fingerprints. Importantly, within each different grouping the objects separated according to their geographical origin, and they ranked approximately in the same order in each group. This result suggested that by using such an approach, it is possible to derive improved characterisation of the complex TCM materials on the basis of the two kinds of analytical data. In addition, two supervised pattern recognition methods, K-nearest neighbors (KNNs) method, and linear discriminant analysis (LDA), were successfully applied to the individual data matrices—thus, supporting the PCA approach.

Multicomponent kinetic spectrophotometric determination of pefloxacin and norfloxacin in pharmaceutical preparations and human plasma samples with the aid of chemometrics

A spectrophotometric method for the simultaneous determination of the important pharmaceuticals, pefloxacin and its structurally similar metabolite, norfloxacin, is described for the first time. The analysis is based on the monitoring of a kinetic spectrophotometric reaction of the two analytes with potassium permanganate as the oxidant. The measurement of the reaction process followed the absorbance decrease of potassium permanganate at 526 nm, and the accompanying increase of the product, potassium manganate, at 608 nm. It was essential to use multivariate calibrations to overcome severe spectral overlaps and similarities in reaction kinetics. Calibration curves for the individual analytes showed linear relationships over the concentration ranges of 1.0–11.5 mg L−1 at 526 and 608 nm for pefloxacin, and 0.15–1.8 mg L−1 at 526 and 608 nm for norfloxacin. Various multivariate calibration models were applied, at the two analytical wavelengths, for the simultaneous prediction of the two analytes including classical least squares (CLS), principal component regression (PCR), partial least squares (PLS), radial basis function-artificial neural network (RBF-ANN) and principal component-radial basis function-artificial neural network (PC-RBF-ANN). PLS and PC-RBF-ANN calibrations with the data collected at 526 nm, were the preferred methods—%RPET not, vert, similar 5, and LODs for pefloxacin and norfloxacin of 0.36 and 0.06 mg L−1, respectively. Then, the proposed method was applied successfully for the simultaneous determination of pefloxacin and norfloxacin present in pharmaceutical and human plasma samples. The results compared well with those from the alternative analysis by HPLC.