Atmospheric Cold Plasma Treatment of Skim Milk for Enrofloxacin Reduction Using a Multiple Plasma Jet–Bubble Column Reactor

Melk die behandeld is met antibiotica voor een zieke koe, kan niet worden verkocht voor menselijke consumptie. Deze "afvalmelk" vormt een serieus probleem: als het aan kalveren wordt gevoerd, kan het bacteriën kweken die resistent zijn tegen toekomstige medicijnen, en als het wordt gedumpt, kan het het milieu vervuilen. De uitdaging is dat standaard verhittingmethoden, die bacteriën doden, de antibioticaresiduen niet betrouwbaar vernietigen. Wetenschappers zoeken naar een manier om de melk te reinigen zonder deze te koken, op zoek naar een methode die de medicijnmoleculen kan afbreken terwijl de schade aan de kwaliteit van de melk tot een minimum wordt beperkt. Een veelbelovende weg is atmosferische koude plasma, een aggregatietoestand die vaak de vierde aggregatietoestand wordt genoemd, die wordt gecreëerd door een gas te elektrificeren. In tegenstelling tot de plasma in een neonreclame of een blikseminslag, blijft deze versie koel genoeg om aan te raken. Het is gevuld met zeer reactieve deeltjes die chemische verbindingen kunnen aanvallen en uit elkaar kunnen breken, wat het een potentieel instrument maakt om verontreinigingen uit vloeistoffen te schrapen zonder de temperatuur te verhogen.

In een recente studie testten onderzoekers van de Shiraz Universiteit in Iran of deze koele, elektrisch geladen gas deze enrofloxacine, een veelvoorkomend antibioticum, uit magersmelk kon verwijderen. Ze bouwden een gespecialiseerd apparaat dat lijkt op een cluster van kleine glazen buisjes rond een centrale metalen staaf. Wanneer ze lucht door deze buisjes pompten en een hoogspanningsstroom toepasten, veranderde de lucht in een koud plasma. In plaats van dit plasma alleen over het oppervlak van de melk te blazen, lieten ze het direct door de vloeistof in een kolom bubbelen. Deze bubbelende actie zorgde ervoor dat de door elektriciteit gegenereerde reactieve deeltjes zich grondig met de melk mengden, waarbij ze het antibioticum van binnenuit aanvielen. Het team wilde zien of ze de machine konden afstemmen — door de snelheid van de lucht, de sterkte van de elektriciteit en de duur van de behandeling aan te passen — om de melk van haar antibioticum eigenschappen te strippen terwijl er zo min mogelijk schade aan de melk zelf werd toegebracht.

De resultaten toonden aan dat de methode opmerkelijk goed werkte bij het verwijderen van de kracht van het antibioticum. Onder de beste omstandigheden, die een specifieke spanning en een luchtstroomsnelheid van 700 milliliter per minuut involveerden, verminderde de behandeling het vermogen van het antibioticum om bacteriën te doden met 95 procent na slechts 20 minuten. Om dit te bevestigen, gebruikten de onderzoekers twee verschillende manieren om naar de melk te kijken. Eerst gebruikten ze een biologische test waarbij ze druppels van de behandelde melk op een plaat met bacteriën plaatsten; de bacteriën groeiden vrij waar het antibioticum was vernietigd. Ten tweede gebruikten ze een lasertechniek genaamd Raman-spectroscopie, die werkt als een moleculaire vingerafdrukscanner, om te zien of de werkelijke vorm van de enrofloxacinemoleculen was veranderd. Deze scanner toonde aan dat de medicijnmoleculen zelf met ongeveer 84 procent waren afgebroken. De nauwe overeenkomst tussen de biologische test en de moleculaire scan suggereerde dat het antibioticum niet alleen werd verborgen of gemaskeerd, maar chemisch werd gedemonteerd.

Echter, de studie onthulde ook dat dit krachtige reinigingsproces een prijs heeft voor de kwaliteit van de melk. Terwijl het plasma door de vloeistof bubbelde, richtte het zich niet alleen op het antibioticum; het reageerde ook met de natuurlijke ingrediënten van de melk. De melk werd merkbaar zuurder, waarbij de pH daalde van een neutrale 6,38 naar 5,53. De suiker in de melk, bekend als lactose, nam aanzienlijk af, van 56,9 gram per liter naar 47,3 gram per liter binnen de eerste vijf minuten van de behandeling. De melk werd ook dikker, waarbij de viscositeit steeg van 1,61 naar ongeveer 2,05 millipascal-seconden, en de totale hoeveelheid opgeloste stoffen daalde. Visueel veranderde de kleur van de melk, die een geelbruine tint kreeg. Deze bruining gebeurde omdat de reactieve deeltjes de suikers afbraken, die vervolgens reageerden met de melkeiwitten om nieuwe verbindingen te vormen, een proces dat vergelijkbaar is met hoe toast bruin wordt wanneer het wordt geroosterd, hoewel dit hier werd gedreven door de chemische activiteit van het plasma in plaats van door hitte.

De onderzoekers ontdekten dat de instellingen van de machine er sterk toe deden. Als de lucht te langzaam stroomde, genereerde het plasma niet genoeg reactieve deeltjes om de melk effectief te reinigen. Als de lucht te snel stroomde, bracht het gas te weinig tijd door in het elektrische veld om krachtig te worden, en werden de bellen te groot om goed met de melk te mengen. Op dezelfde manier maakte het verhogen van de elektrische spanning boven een bepaald punt het proces minder efficiënt. Hoewel een hogere spanning meer energie creëert, verwarmt het ook het gas en zorgt het ervoor dat de reactieve deeltjes elkaar vernietigen voordat ze het antibioticum kunnen bereiken. Het ideale punt was een gematigde spanning van 8,6 kilovolt, die de juiste balans van energie bood om het medicijn af te breken zonder de reactieve deeltjes te verspillen of het systeem te oververhitten.

Uiteindelijk demonstreert de studie dat atmosferische koude plasma een levensvatbare, niet-thermische manier is om antibioticumresiduen in melk te neutraliseren, wat een potentiële oplossing biedt voor het beheren van afvalmelk die momenteel moeilijk te verwerken is. De techniek vernietigde succesvol het grootste deel van de enrofloxacine, wat bewees dat de structuur van het medicijn werd veranderd en de biologische activiteit werd geëlimineerd. Toch betekenen de significante veranderingen in de chemie, textuur en kleur van de melk dat deze technologie niet simpelweg ingeschakeld kan worden zonder zorgvuldige aanpassing. De onderzoekers concludeerden dat hoewel de methode effectief is, toekomstig werk zich moet richten op het verfijnen van het proces om de verontreiniging te verwijderen terwijl de natuurlijke kwaliteiten van de melk behouden blijven, om te garanderen dat de oplossing voor het ene probleem niet de oorzaak wordt van een ander probleem.