Inovativna EKO plazemska obdelava semen
Zrnje, ki se uporablja za krmo živali, je pogosto onesnaženo z različnimi strupi, ki so produkt metabolizma mikroorganizmov. Če je koncentracija tovrstnih strupenih snovi prevelika, zrnje ni več primerno za krmo in ga je pogosto potrebno zavreči. S tem se dela velika gospodarska škoda, tako da raziskovalci po svetu iščejo metode za razgradnjo strupov, ne da bi sicer pomembno spremenili hranilno vrednost zrnja. Ena od metod je tudi kratkotrajna obdelava s termično neravnovesno plinsko plazmo. V tem prispevku opisujemo značilnosti plazemskega sistema, ki je primeren za hitro razgradnjo tovrstnih strupov na površini zrnja. Sistem je podjetje TRAC razvilo v okviru projekta, ki je naveden v zahvali tega članka.
- Uvod
Mikotoksini so rezultat sekundarne presnove nekaterih nitastih gliv in predstavljajo veliko nevarnost tako za ljudi kot za živali. Najpogostejši rodovi gliv, ki proizvajajo mikotoksine, so Aspergillus, Fusarium in Penicillium. Najmočnejši vpliv na zdravje živali in ljudi imajo mikotoksini, ki jih proizvajajo plesni iz rodov Aspergillus. Strupene snovi tovrstnih plesni imenujemo aflatoksini. Aflatoksini lahko vstopi v človeško ali živalsko prehranjevalno verigo tako neposredno z uživanjem okuženih pridelkov, na primer žit, oljnic, oreščkov ali začimb ali pa posredno s hranjenjem domačih živali z okuženimi pridelki, saj se toksini lahko prenesejo v živila kot so na primer mleko, jajca in meso. Aflatoksine tako včasih najdemo v mleku krav, hranjenih s kontaminirano krmo. Znanstveniki so odkrili, da aflatoksini povečajo tveganje za številne bolezni, kot so rak jeter, pljučni rak, ko smo izpostavljeni žitnemu prahu kontaminiranemu z AFB1 in rak prebavil zaradi uživanja kontaminirane hrane.
Aflatoksini so tako stabilni, da jih ni mogoče razgraditi s klasičnim prekuhavanjem ali celo avtoklaviranjem (prekuhavanje pri povišanem tlaku in temperaturi okoli 130 °C). Zaradi tega predstavlja razgradnja aflatoksinov tehnološko zahteven postopek.
Znanih je več možnih obdelav za razgradnjo aflatoksinov. Prva možnost je razgradnja z obsevanjem z uporabo ultravijolične svetlobe za obsevanje organskih snovi, ki so kontaminirane s toksini.
Naslednja možnost je uporaba kemikalij za delno razgradnjo organskega materiala, kar ni posebej primerno za uporabo v kmetijski praksi. Npr. uporaba amonijaka kot kemijskega reagenta.
Učinkovita razgradnja aflatoksinov poteka tudi z uporabo ozona. Širšo uporabo ozona v kmetijstvu omejuje visoka cena in okoljevarstveni predpisi.
Ključna pomanjkljivost vseh treh zgoraj navedenih tehnik za razgradnjo toksinov je visoka cena in neselektivnost. Naravne pomanjkljivosti vseh treh tehnik lahko vsaj omilimo z uporabo kombinacije obsevanja in kemijsko reaktivnih plinov. Takšno kombinacijo nudi neravnovesna plinska plazma.
- Plinska plazma
Plinska plazma je močan vir sevanja, ki omogoči hitro razgradnjo toksinov na površini obdelovancev. Plinsko plazmo pogosto opišemo kot četrto agregatno stanje snovi, poleg trdnega, tekočega in plinastega. Plazma je plin, v katerem je pomemben del molekul ioniziran. Ker gre za neravnovesno stanje plina, jo je mogoče vzdrževati le s sprotnim dovajanjem energije prostim elektronom. Vir energije za elektrone je spremenljivo električno polje. Elektroni se v polju pospešujejo, potem pa ob trkih z molekulami plina le te ionizirajo, disociirajo in vzbujajo najrazličnejša stanja. Polje mora biti dovolj močno, kar je težko izvedljivo znotraj sipkega materiala, na primer zrnja.
- Plazemski sistem
Enakomerno obdelavo zrnja s plinsko plazmo je možno doseči tako, da zrnje spustimo, da prosto pade skozi plazmo. Tovrstno napravo je podjetje TRAC razvilo in izdelalo v okviru projekta, ki je naveden v zahvali tega članka. Shema naprave je prikazana na sliki 1. V nadaljevanju je opisan postopek plazemske obdelave semen koruze:
Zrnje postopno puščamo v stekleni reaktor preko dozirnika. S tem omogočimo prosto padanje majhne količine zrnja skozi plinsko plazmo. Zrnje postopno doziramo, da pada skozi plazemski reaktor, in se nabira v spodnjem zalogovniku. Tovrstna obdelava je primerna za zrnje z razmeroma majhno količino toksinov. Postopek lahko večkrat ponovimo, če torej to zahteva povečana kontaminiranost zrnja.
Na sliki 2 prikazujemo zrnje koruze, ki prosto pada skozi steklen plazemski reaktor s slike 1. Količina doziranega semena v tem primeru je bila 100 g/s. Opaziti je dokaj enakomerno porazdelitev padajočega semena. Tovrstna porazdelitev je ugodna, saj omogoči enakomerno obdelavo. Kljub temu, da je temperatura elektronov v plazmi s slike 2 okoli 50.000 °C, se zrnje bistveno ne segreje, saj je čas padanja skozi plazmo manj kot 1 s.
Zrnja koruze smo namerno onesnažili s toksini, pri čemer smo na površino zrnja nanesli fumonizin B1 v koncentraciji 2000 µg/kg in fumonizin B2 v koncentraciji 350 µg/kg. Že en prelet koruze skozi reaktor na sliki 1 je omogočil razgradnjo slednjega, tako da je bila koncentracija manjša od detekcijske meje, ki je okoli 100 µg/kg. Za razgradnjo fumonizina B1 pod detekcijsko mejo pa so bili potrebni 4 preleti. Na tem mestu je potrebno omeniti, da je koncentracija 2000 µg/kg nekoliko pretirana, kar pomeni, da je sistem uporaben za večino praktičnih obdelav.
- Zaključek
Podjetje TRAC je skupaj s konzorcijskimi partnerji projekta razvilo sistem, ki je primeren za plazemsko obdelavo zrnja. Sistem sestoji iz zalogovnikov, dozirnika, plazemskega reaktorja, radiofrekvenčnega generatorja in vakuumske črpalke. Naprava s slike 3 je primerna za obdelavo do nekaj 100 g zrnja na sekundo.
Zahvala: To delo je podprl Evropski sklad za regionalni razvoj in Ministrstvo za izobraževanje, znanost in šport preko projekta “PLASMA SEED TREATMENT” [pogodba #C3330-18-952005].
Avtorji: Tomaž Rešetič, Andrej Zupančič, Ivan Hrovat, Matej Rešetič in Maja Lorenci
Slika 1. Shema plazemske naprave za obdelavo semen:
Slika 2. Fotografija zrnja, ki prosto pada skozi plinsko plazmo:
Slika 3. Plazemska naprava za obdelavo semen:
