Influence of humidity on total sterilisation effect of dielectric barrier discharge

Hlavním tématem této diplomové práce je studium vlivu vlhkosti na celkový sterilizační účinek dielektrického bariérového výboje. Sterilizace je proces, při kterém dochází k eliminaci všech forem života. Předložená diplomová práce se zabývá plazmovou sterilizací, což je jedna z metod, které vyhovují požadavkům na sterilizaci teplotně senzitivních materiálů a materiálů citlivých na chemické látky. Tato sterilizační metoda je účinná na široké spektrum prokaryotních i eukaryotních mikroorganismů. Působí na ně několika mechanismy založenými na účincích UV záření, aktivních částic a teploty. Pro opracování vzorků byl použit dielektrický bariérový výboj (DBD) pracující za atmosférického tlaku. Výboj byl generován v suchém a vlhkém vzduchu. Hustoty výkonů dodávaných do plazmatu byly 2 160 mW.cm-3, 2 279 mW.cm-3, 2 760 mW.cm-3 (pro suchý vzduch) a 2 326 mW.cm-3, 2 850 mW.cm-3 (pro vlhký vzduch). Vlhkosti vzduchu bylo dosaženo použitím promývací láhve naplněné vodou, přes kterou vzduch proudil do DBD reaktoru. Jako modelové mikroorganismy byly použity spory plísně Aspergillus niger. Nosným materiálem byl papír typu Whatman No. 1. Při srovnání vlhkého a suchého vzduchu za stejných podmínek byla prokázána vyšší sterilizační účinnost vlhkého vzduchu. Sterilizační účinek DBD výboje generovaného ve vzduchu byl porovnán s výsledky získanými při generaci plazmatu v argonu a dusíku. Za použití stejných podmínek byl nejvyšší sterilizační účinek pozorován u argonu, poté následoval vlhký vzduch, dusík a suchý vzduch. Bylo zjištěno, že hlavním inaktivačním mechanismem DBD při daných podmínkách jsou aktivní částice. Vliv teploty na inaktivaci mikroorganismů byl zcela zanedbatelný. Pomocí optické emisní spektroskopie (OES) byla provedena spektrální analýza plazmového výboje. Vzorky vystavené působení DBD byly analyzovány za pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM). Bylo sledováno poškození mikroorganismů vlivem plazmatu a účinek plazmatu na strukturu nosného materiálu.The main subject of this diploma thesis is the study of the effect of humidity on the total sterilization effect of the dielectric barrier discharge. Sterilization is a process which can eliminate all forms of life. The plasma sterilization is one of the methods that are suitable for sterilization of temperature and chemical sensitive materials. This sterilization method was proved to be effective on the wide spectrum of procaryotic and eucaryotic microorganisms. Basically, the main inactivation factors for cells exposed to plasma are heat, UV radiation and various reactive species. Dielectric barrier discharge (DBD) operating at atmospheric pressure was used for the sterilization of the samples. The discharge was generated in dry air and in humid air. The plasma power densities were 2 160 mW.cm-3, 2 279 mW.cm-3 and 2 760 mW.cm-3 (dry air) or 2 326 mW.cm-3 and 2 850 mW.cm-3 (humid air). Humidity of air was achieved using a wash bottle filled with water through which air flowed into the DBD reactor. Fungi spores of Aspergillus niger were used as model microorganisms. Whatman paper No. 1 was used as the carrying medium. When comparing sterilization efficiency of humid and dry air operating at the same conditions, the higher sterilization effect was observed in humid air. The sterilization effect of the DBD generated in air was compared with results obtained during plasma generation in argon and nitrogen. At the same conditions, the highest sterilization effect was observed in argon, followed by humid air, nitrogen and dry air. It was found out that in our experimental setup the active species are probably the main inactivation mechanism. The influence of temperature on the inactivation of microorganisms was completely negligible. The discharge parameters were studied by means of the optical emission spectroscopy (OES). Plasma treated samples were analyzed employing scanning electron microscopy (SEM). Damage of the microorganisms due to the effect of plasma as well as plasma effect on the structure of the carrying medium was evaluated.