Esteriliza- ¦ção de equipamentos e meio

5/11/2018 Esteriliza- ¦ção de equipamentos e meio - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/esteriliza-cao-de-equipamentos-e-meio 1/51

Fundamentos da Engenharia BioquímicaEscola de Química/UFRJ

Esterilização de Equipamentos e Meios

http://www.ufrj.br/




1) Conceitos

• Porque esterilizar? Eliminar Microrganismos?

• Esterilização: Processo físico ou químico que destrói ou inativatodas as formas de vida (incluindo formas vegetativas e

esporuladas) presentes em um material

Material estéril é totalmente isento de que qualquer organismo ativo

• Desinfecção: Processo menos rigoroso de eliminação de

microrganismos envolvendo usualmente o uso de um agentequímico, denominado desinfetante ou germicida, geralmentelíquido e à temperatura ambiente ou moderada.


http://www.ufrj.br/

http://www.ufrj.br/





1) Conceitos

• Desinfetante ou germicida: Agente químicocapaz de promover desinfecção;

• Antisséptico: Agente químico aplicávelem pessoas ou animais, comcapacidade de eliminarmicrorganismos patogênicos;

• Assepsia: Remoção de microrganismospatogênicos ou indesejados;

http://www.ufrj.br/

http://www.ufrj.br/





2) Tipos de agentes contaminantes

• Inibitórios:- Competitivos- Contaminante libera substâncias inibitórias

• Deletério

• Levam a destruição do produto

• Dificultam a separação e reduzem a pureza do produto

http://www.ufrj.br/





3) Forma de atuação dos agentes esterilizantes

http://www.ufrj.br/




Esterilização de Equipamentos e Meios3) Forma de atuação dos agentes esterilizantes

• Calor úmido: desnaturação irreversível das proteínas (essenciais parasobrevivência e multiplicação celular);

- Função da hidratação da célula

http://www.ufrj.br/






http://www.ufrj.br/






- Função da hidratação da célula

http://www.ufrj.br/






• Calor seco: oxidação dos constituintes químicos;

- Mais lenta e menos eficaz;- Nível de hidratação tende a diminuir: proteção às proteínas;

- Pode ocorrer também coagulação de proteínas;• Radiação ionizante;

- Radiações: alfa, beta, gama; raios X; raios catódicos, etc;- Alvo principal: DNA;- Excitação de grupos químicos: produção de radicais químicosaltamente reativos → quebra de fita de DNA: mutações;

http://www.ufrj.br/






• Irradiação por luz ultravioleta

- UV absorvida pelos ácidos nucleicos: lesões- 220 a 330 nm: região “abiótica”; - Ação esterilizante :produção de ligações cruzadasentre pirimidinas adjacentes namesma fita de DNA, formandodímeros.

http://www.ufrj.br/





• Agentes químicos

- Óxido de etileno: agente alquilante

- Glutaraldeído: age na superfície das célulasinterações glutaraldeído-proteína: reação com grupos

amina livres das proteínas da camada depeptideoglicana

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Glutaraldehyde_structure.png

http://www.ufrj.br/





• Agentes químicos

http://www.ufrj.br/




4) Tipos de agentes esterilizantes

4.1) Agentes Químicos

A) Germicidas químicos

- Agem em temperatura ambiente Maior tempo de contato

- Capacidade sanitizante


Propriedades físicas do material

Características químicas do ambiente

Tipo de microrganismoTempo X Concentração

http://www.ufrj.br/








http://www.ufrj.br/







- Agem em temperatura ambiente Maior tempo de contato

- Capacidade sanitizante


Propriedades físicas do material

Características químicas do ambiente

Tipo de microrganismoTempo X Concentração

http://www.ufrj.br/








http://www.ufrj.br/







- Alto nível de atividade germicida:

Soluções aquosas de glutaraldeído;Peróxido de hidrogênio 6 a 30%;Ácido peroxiacético + peróxido de hidrogênio (0,1% e 1%)Dióxido de cloro (ClO2) 0,5% - altamente corrosivoSolução de Formaldeído (6-8%) – efeito cancerígeno

Uso: Esterilização de equipamentos


http://www.ufrj.br/







- Nível intermediário de ação germicida:

Soluções hidroalcoólicas 70-90% etanol ou isopropanol;Solução aquosa de peróxido de hidrogênio 3 – 6%;Preparações fenólicas;Soluções com Iodo livre (40 a 50 ppm);

Uso: Desinfecção de áreas de laboratório, equipamentos e produção

- Nível baixo de ação germicida:Compostos quaternários de amônio (até 5%)

Uso: limpeza geral e manutenção


http://www.ufrj.br/






B) Agentes gasosos

- Não é o método de escolha em industrias de fermentação;

- Uso: assepsia de salas e laboratórios (vapores de formaldeido);

- Agentes gasosos principais:

Óxido de etileno: esterilização de artigos plásticos de laboratório e outrosmateriais;

Óxido de propileno: esterilização de alimentos;

Vapores de formaldeído e betapropiolactona: desinfecção de câmaras, salas eambientes.


http://www.ufrj.br/






Ciclo de desinfecção/esterilização química de um equipamento:

- Desmontagem do equipamento;

- Limpeza dos componentes: remoção de resíduos (uso de detergentes);

- Lavagem dos componentes com água: remoção dos detergentes utilizados;

- Montagem do equipamento e introdução da solução aquosa germicida;

- Drenagem da solução desinfetante;

- Remoção dos resíduos através da circulação de água ou outro fluido estéril;


http://www.ufrj.br/




4) Tipos de agentes esterilizantes4.2) Agentes Físicos

A) Calor seco

- Não se aplica para equipamentos;- Uso: filtros de ar, vidrarias, metais

e sólidos resistentes ao calor;

- Em fornos ou estufas (T > 150oC; t > 2 horas);

- Ausência de umidade transferência maior tempo maior probabilidadede calor lenta de formar esporos


http://www.ufrj.br/





4.2) Agentes Físicos

B) Calor úmido

B.1) Pressão atmosférica (até 100oC)

- Vapor fluente: 100oC, por 15-30 minNão é eficiente para esporos

- Pasteurização: TML < T < 100oC, por 15-30 minNão elimina todas os tipos de células;

Alternativa: UHT - leite


Temperatura Mínima Letal (TML): É a menor temperatura na qual observa-se oinício da destruição do microrganismo por morte, através da ação do calor. ATML é característica do microrganismo e do meio

http://www.ufrj.br/






B) Calor úmido

B.1) Pressão atmosférica (até 100oC)

- Tintalização: TML < Te < 100oC, por 15-30 min – 3 vezes consecutivasElimina esporos


Temperatura Mínima Letal (TML): É a menor temperatura na qual observa-se oinício da destruição do microrganismo por morte, através da ação do calor. ATML é característica do microrganismo e do meio

http://www.ufrj.br/






B) Calor úmido

B.2) Vapor saturado sob pressão (T > 100oC)

- Usualmente 121oC (1 atm) por 20 min


http://www.ufrj.br/




4) Tipos de agentes esterilizantes4.2) Agentes FísicosC) Radiação

C.1) Radiação não ionizante: Ultravioleta

- Usos: esterilizar materiais sólidos (vidrarias, utensílios metálicos, embalagens)

e câmara de fluxo laminar;- Não pode ser usado na presença de pessoas;- Exposição do material pelo tempo adequado;- Capacidade de penetração baixa: superfície e ar ao redor são esterilizados;

C.2) Radiação ionizante: raios alfa, beta, gama, raios X

- Feito em câmaras especiais;- Material é colocado em uma esteira que circula no interior da câmara de

irradiação;- Usos: esterilização de vidrarias, metais, alimentos, etc.


http://www.ufrj.br/




Materiais filtragens empregados:

- telas de asbesto – filtro Seitz- terras de diatomáceas – filtroBerkefeld

- porcelana – filtro Chamberland

- ésteres inertes de celulose –

filtro Millipore- fibras de vidro, discos de vidro,etc.



D) Filtração


http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e Meios5) Modos de Esterilização do Meio e do Equipamento

5.1) Esterilização do fermentador e do meio separadamente

Esteriliza-se o fermentador por radiação, calor úmido ou método químico;

- Calor úmido

5.2) Esterilização do fermentador e do meio conjuntamente

Injeção de vapordireta

Válvula aberta

Injeção de vapordireta até P=1 atm

Válvula fechada Válvula fechada

testerilização a P=1atm

Entrada de ar estéril

Resfriamento

Meio decultura estéril

http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e Meios5) Modos de Esterilização do Meio e do Equipamento


- Modo Descontínuo

A) Aquecimento B) Resfriamento

Agitação do meio é necessária!

http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e Meios5) Modos de Esterilização do Meio e do Equipamento


- Modo Descontínuo

• Fases do modo descontínuo:a) Aquecimento

b) Esterilizaçãoc) Resfriamento

• Vantagem: evita perigo decontaminação

• Desvantagens:

- T alta por longo período;- Consumo de vapor elevado;- Tempo morto;- Corrosão (meio em contato com o reator);

qe

q

http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e Meios5) Modos de Esterilização do Meio e do Equipamento


- Modo Contínuo 1o) Colocar em funcionamento

Vapor a 1 atm em todo o sistemaAr estéril no fermentador

2º) A esterilização do meio

http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e MeiosEsterilização de Equipamentos e Meios5) Modos de Esterilização do Meio e do Equipamento


- Modo Contínuo

Esquema de representação da variação da temperatura com o tempo

Vantagens do modo contínuo• Tempo em temperatura alta reduzido;• Vazão promove agitação;• Evita primeira etapa de cozimento de matérias-primas amiláceas;

• Dimensões pequenas: tubo pode ser constituído de ligas metálicasespeciais;• Economia de vapor e de água de resfriamento;

qe

q

http://www.ufrj.br/



qe

q

qe

q

http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e Meios6) Cinética de destruição térmica de microrganismos

A velocidade de destruição pelo calor úmido de microrganismos presentesem um dado meio, depende de vários fatores, a saber:

a) do microrganismo (gênero, espécie, linhagens, idade da cultura,existência ou não de esporos);

b) do meio (composição, pH, presença de sólidos em suspensão);

c) da temperatura;

http://www.ufrj.br/




6) Cinética de destruição térmica de microrganismos

6.1) Cinética de destruição

• Representação de um experimento com um microrganismo em um dadomeio submetido a uma temperatura constante.

• Destruição do microrganismo: reação de primeira ordem

N: número de microrganismos vivos existentes no meio após um tempo qk: constante de velocidade de destruição térmica do microrganismo (min-1);

• k depende de: tipo de microrganismo, meio de cultivo e da temperatura

N k d

dN

q

http://www.ufrj.br/





6.1) Cinética de destruição

• Se a Temperatura é constante:

No: número de microrganismos vivos existentes no meio antes daesterilização

N: número de microrganismos vivos existentes no meio após um tempo qk: constante de velocidade de destruição térmica do microrganismo (min-1);

0

0

ln N ln N k

k log N log N

2,3

q

q

Ln( N)

q

http://www.ufrj.br/





6.2) Tempo de redução decimal

• Tempo de redução decimal (D): Tempo necessário para reduzir onúmero de microrganismos a 1/10 do valor original

k D

303,2

http://www.ufrj.br/




6.3) Dependência de k com a temperatura

• Segundo a Equação de Arrhenius

E

k A exp RT

A: constante empírica;R: constante universal dos gasesT: temperatura absolutaE: energia aparente de ativação de destruição do mo (kcal/mol).

Para muitos microrganismos E esta em torno de 65 a 85 Kcal/mol.

http://www.ufrj.br/




6.4) Destruição dos nutrientes do meio como consequência da esterilização

Ek A exp

RT

Composto Kcal/molVitamina A 14,6Ácido fólico 16,8Vitamina C 23,1

Kcal/molMicrorganismos 65-85

• Reações indesejáveis

• Quanto maior Te, menor é a destruição de nutrientes

http://www.ufrj.br/




6.4) Destruição dos nutrientes do meio como consequência da esterilização

No: número de mos viáveis inicial;Nf: número de mos após a esterilização;θ1: tempo para reduzir o no. de mos de No para Nf na temperatura T1;

θ2: tempo para reduzir o no de mos de No para Nf na temperatura T2>T1;k1: constante de velocidade de destruição de mos à temperatura T1;k2: constante de velocidade de destruição de mos à temperatura T2;Emo: energia de ativação de destruição dos mos;S0: concentração inicial do nutriente;S

1: concentração final do nutriente após o tratamento em T

1;

S2: concentração final do nutriente após o tratamento em T2;kS1: constante de velocidade de destruição de nutrientes à temperatura T1;kS2: constante de velocidade de destruição de nutrientes à temperatura T2;ES: Energia de ativação de destruição dos nutrientes < Emo;

Exercício: Prove que S2 > S1 Entrega: 31/05

E ili ã d E i M i

http://www.ufrj.br/





6.5) Considerações sobre o cálculo do tempo de esterilização

T constante

1) Meios de fermentação não possuem apenas uma espécie demicrorganismo a ser destruída. Bacillus stearothermophilus esporulado

2) Escolhe-se o microrganismo de referência. k depende do meio e datemperatura.

N

N

k

0ln1

q

K = 1 min-1 (a 121°C) e E = 75 Kcal/mol

E ili ã d E i M i

http://www.ufrj.br/




6.5) Considerações sobre o cálculo do tempo de esterilização

T constante

3) Definição de esterilização - Ln (N0 /0) ?

Probabilidade de falha (P):Et = número total de operações de esterilização realizadas nas mesmas condições;Ef = numero de operações de esterilização que falharam, ou seja, não conduziram

a um meio estéril.P = E

f /E

t; multiplicando-se por 100, tem-se em percentagem;

Grau de esterilidade = N0/N

N

N

k

0ln1

q

Calcular o grau de esterilidade (No/N) para a uma esterilizaçãodescontínua, com eficiência h = 99,9999999999%

E ili ã d E i M i

http://www.ufrj.br/




6.6) Cálculo do tempo de esterilização – Processo descontínuo

Para calcular qe:Representação de T x q

N k

d

dN

q

)

ee

ek

R A

p

N

k

0ln

1q

E t ili ã d E i t M i

http://www.ufrj.br/




6.6) Cálculo do tempo de esterilização – Processo descontínuo

Para calcular qe:

1) Grau de esterilidade ou probabilidade de falha;2) Número de células vivas no meio (N0)

3) Temperatura mínima letal;4) Temperatura de esterilização;5) Curvas de aquecimento e resfriamento;6) Curva de destruição térmica;

Como resolver q d k

)ee

ek R A

p N

k

0ln1q


http://www.ufrj.br/




Tipo de transf. decalor

Perfil Temperatura - tempo Parâmetros

Vapor direto

Aquecimentoelétrico

Aquecimentoindireto com vapor

Resfriamento

indireto

0

aT T 1, 0

1 b

q q

)0T T 1, 0 a q

)NT T 1 b exp( a ) q

)e0T T 1 b exp( a ) q

(Hiperbólico)

(linear)

(exponencial)

(exponencial)

0 p

hs sa , b

MT C M

0 p

qaMT C

0 N

N

T TUAa , b

Mc T

0 e0

p e0

T Twc UAa 1 exp , b

M C wc T

h = Entalpia do vapor, relativa a temperatura domeio a esterilizar (kcal/kg);

s = Vazão mássica de vapor (kg/s, kg/min, kg/h);M = Massa inicial de meio (kg);T0 = Temperatura inicial (k);q = Taxa de transferência de calor (kcal/s);

U = coeficiente de transferência de calorglobal (kcal/(m2.h.oC));

A = área de transferência de calor (m2);TN = Temperatura da fonte de aquecimento (k);w = Vazão mássica do fluido refrigerante (kg/s, kg/min, kg/h);c´= calor específico do fluido refrigerante (kcal/(kg.oC));c = calor específico do meio (kcal/(kg.oC));Te0 = Temperatura de entrada do fluido refrigerante (k); = densidade do meio;C = capacidade calorífica do meio.

6.6) Cálculo do tempo de esterilização –

Processo descontínuo


http://www.ufrj.br/

http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e Meios6) Cinética de destruição térmica de microrganismos6.6) Cálculo do tempo de esterilização – Processo descontínuo

Como resolver

- Resolução analítica

- Resolução numérica Valores de θ (em A e R), obtém-se T; Pela relação k=f(T), obtém-se k; Obtém-se k=g(θ)

Resolve a integração

q d k


http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e Meios6) Cinética de destruição térmica de microrganismos6.6) Cálculo do tempo de esterilização – Processo descontínuo

Como resolver

- Resolução numérica Resolve a integração

q d k

12

)()(

x x

dx x f x f

n

x xh

b xa x

x f x f x f x f x f x f x f h

dx x f

n

n

nnn

b

a

0

0

123210

;

)()(4)(2...)(4)(2)(4)(3

)(


http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e Meios6) Cinética de destruição térmica de microrganismos6.6) Cálculo do tempo de esterilização – Processo contínuo

Para calcular qe:

1) Grau de esterilidade ou probabilidade de falha;2) Temperatura de esterilização;

3) Curva de destruição térmica;

N

N

k ee

0ln1

q


http://www.ufrj.br/



Esterilização de Equipamentos e Meios6) Cinética de destruição térmica de microrganismos6.6) Cálculo do tempo de esterilização – Processo contínuo

Para dimensionar o tubo de espera

Ve: volume de meio para encher o esterilizadord: diâmetro interno do tubo de esperau = velocidade do meio no tubo de esperaL = comprimento do tubo de esperam = viscosidade do meio na Te; = densidade do meio na Te;F = vazão volumétrica de meio no tubo de espera

e L

d

F

F d

d

q u

u

m

m

u

2

4

Re

4

Re

E t ili ã d E i m t M i

http://www.ufrj.br/



14- Trata-se de dimensionar uma esterilização descontínua de 200 m3 de mosto a 120 C,

efetuada no próprio biorreator, em que o processo fermentativo passar-se-á a 25,5 C.A constante de velocidade de destruição dos esporos do contaminante pelo calor é dada pelaequação descrita abaixo, onde R= 1,98 cal/g mol K (constante dos gases perfeitos) e T é atemperatura absoluta em K . K = 7,94 x 1038 exp (-68,7 x 103 /RT) (min-1)A temperatura mínima letal do contaminante (forma esporulada) é 100 C, e as tabelas deaquecimento e resfriamento do mosto do fermentador são as seguintes:


Considerando que o mosto inicial apresenta nível de contaminação de 2 x 105 esporos /ml e quesomente se admite uma possibilidade de falha no processo de esterilização em cada 20 dornasesterilizadas, informe:1) Qual o tempo de manutenção do mosto a temperatura de esterilização propriamente dita(120 C).2) Se a esterilização fosse processada em esterilizador contínuo a 120C e com as mesmasexigências de esterilidade, qual seria o comprimento da seção de espera (Diâmetro= 10 in),para assegurar uma vazão de 50 m3/h de mosto esterilizado? (Suponha não havercondensação de vapores no ejetor)


http://www.ufrj.br/



14- Trata-se de dimensionar uma esterilização descontínua de 200 m3 de mosto a 120 C, efetuada no próprio biorreator, em que oprocesso fermentativo passar-se-á a 25,5 C.A constante de velocidade de destruição dos esporos do contaminante pelo calor é dada pela equação descrita abaixo, onde R=1,98 cal/g mol K (constante dos gases perfeitos) e T é a temperatura absoluta em K . K = 7,94 x 1038 exp (-68,7 x 103 /RT)(min-1)A temperatura mínima letal do contaminante (forma esporulada) é 100 C, e as tabelas de aquecimento e resfriamento do mosto dofermentador são as seguintes:


Considerando que o mosto inicial apresenta nívelde contaminação de 2 x 105 esporos /ml e quesomente se admite uma possibilidade de falha noprocesso de esterilização em cada 20 dornasesterilizadas, informe:1) Qual o tempo de manutenção do mosto atemperatura de esterilização propriamente dita(120 C).2) Se a esterilização fosse processada em

esterilizador contínuo a 120C e com as mesmasexigências de esterilidade, qual seria ocomprimento da seção de espera (Diâmetro= 10in), para assegurar uma vazão de 50 m3/h demosto esterilizado? (Suponha não havercondensação de vapores no ejetor)

AQUECIMENTO RESFRIAMENTO

Tempo (min) Temperatura

(C) Tempo (min) Temperatura

(C)

80 100 0 120

81 102 1 118

82 103 2 116

83 105 3 114

84 106 4 112

85 108 5 109

86 109 6 106

87 111 7 104

88 112 8 102

89 113 9 101

90 115 10 100

91 116 20 77

92 118 45 40 92,5 120 60 25,5


http://www.ufrj.br/




AQUECIMENTO RESFRIAMENTO

Tempo (min) Temperatura (C) K(min-1) Tempo (min) Temperatura (C) K(min-1)

80 100 0,0317 0 120 3,6109

81 102 0,0521 1 118 2,2987

82 103 0,0667 2 116 1,4566

83 105 0,1087 3 114 0,9187

84 106 0,1384 4 112 0,5766

85 108 0,2239 5 109 0,2841

86 109 0,2841 6 106 0,1384

87 111 0,4560 7 104 0,0852

88 112 0,5766 8 102 0,0521

89 113 0,7282 9 101 0,0407

90 115 1,1575 10 100 0,031791 116 1,4566 20 77

92 118 2,2987 45 40

92,5 120 3,6109 60 25,5

http://www.ufrj.br/

Documents

Esteriliza- ¦ção de equipamentos e meio