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“CINÉTICA E INGENIERÍA DEL MEDIO DE ESTERILIZACIÓN”
La Paz B.C.Sur a Jueves 28 de Noviembre del 2013.
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA PAZ
Ingeniería Bioquímica INGENIERÍA DE BIORREACTORES
Docente: Ing. Jorge Humberto Silva Ojeda.
Alumnos: Arreola Machado José Bernardo,.
Calixto Heredia Lidda Mariam.Campuzano Gayzar Miguel Ángel. Villavicencio Velázquez Yozitlali.
8. INTRODUCCIÓN
Juega un papel importante para garantizar el éxito de muchas fermentaciones industriales .
La técnica más común para el medio de esterilización es a través de la destrucción de contaminantes microbianos .
Se puede lograr a través de una variedad de métodos que incluyen calor, productos químicos, irradiación, congelación, de cizallamiento, y las vibraciones sónicas.
La técnica mas utilizada es calor húmedo esto porque es una técnica simple, segura y económica.
8.1 CINÉTICA DE MUERTE TÉRMICA DE MICROORGANISMOS
8.1.1 Tasa de muerte
LogarítmicaSe puede expresar matemáticamente por la siguiente ecuación:
[1]
Donde:N= Concentración de organismos viables en número/mL.k= Constante de velocidad específica de muerte en minutos.t= Tiempo en minutos.
Integrando la ecuación 1 con la siguiente condición de frontera N= N0 y t= t0 tenemos:
[3]
El comportamiento de la muerte térmica de acuerdo con la figura 8.1 o la ecuación 3 es el más representativo para las células vegetativas. La pendiente de las curvas de la figura es numéricamente igual a la tasa de mortalidad específica constante. El valor Absoluto de la tasa de mortalidad específica es medida de la resistencia térmica de un organismo. Cuanto más pequeño es este valor el más resistente del organismo a la inactivación térmica.
Figura 8.1
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No logarítmica
Este tipo de comportamiento de muerte térmica es muy a menudo encontrado para las esporas bacterianas.
Hay una serie de explicaciones y modelos para tal comportamiento.
La secuencia de eventos de un modelo de la muerte como lo sugiere Prokop y Humphrey es un útil ya que expresa la cinética de muerte, con un número mínimo de parámetros cinéticos.
En este modelo se propone la inactivación de las esporas que se produzca de la manera siguiente:
Se propone que una espora resistente NR, se someten a la inactivación o la muerte al estado final ND. Sin embargo, la espora procede a la muerte a través de un estado intermedio sensible Ns.
Las ecuaciones diferenciales que describen este modelo son:
Donde:NR, NS y ND= La concentración de esporas resistentes, sensibles, y muertas, respectivamente, en el no/mL.
kR= Tasa de inactivación específica de esporas resistentes en min-1.
Ks= Tasa de inactivación específica de sensibles intermedia en min-1 y (t) es el tiempo en minutos.
La solución a estas ecuaciones diferenciales simultáneas es:
Donde:N= Concentración de células viables recuperable en cualquier momento o Ns + NR, no./ ml.
no=concentración inicial de células viables.
Si se grafica la relación que se muestra como la Ecuación 7 utilizando constantes cinéticas apropiadas, como se muestra en la Figura 8.2 que se obtendría.
Figura 8.2
8.1.2 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA CINÉTICA DE LA MUERTE
La teoría más frecuentemente empleado para tener en cuenta la dependencia temperatura de la tasa es la teoría de la velocidad de Arrhenius. Esta relación se expresa matemáticamente como:
K= A exp(-E/RT)
Donde:
K= Constante de tasa de mortalidad específica en minutos.
A= Factor de frecuencia en minutos.
E= Incremento de la energía de activación de la muerte en cal/mol.
R= Contante de los gases cal/mol °K.
T= Temperatura absoluta en °K.
Dependencia de la muerte microbiana de la temperatura.
Figura 8.3
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La relación de temperatura de la resistencia térmica se expresa habitualmente en términos de un "tiempo de reducción decimal" (DRT) y se muestra en la Figura 8.4.
Figura 8.4
El tiempo de reducción decimal se define como el tiempo necesario para reducir la población microbiana por un registro, o ciclo. Se tendrá en cuenta que se supone que la resistencia de los microorganismos para curar como se muestra en la figura 8.4 para ser linealmente relacionada con la temperatura en ° F.
Figura 8.4
Energía de activación
Una peculiar adecuadamente de la dependencia de la temperatura inactivación microbiana por calor húmedo se puede incorporar adecuadamente en el logro de ventajas del proceso. Esta es la energía de activación alta (E) asociado con muerte microbiana en comparación con la inactivación térmica de compuestos químicos. Tabla 8.2. Los valores decimales de las energías de activación sugieren un aumento gradual de la temperatura igual tendría un efecto dramático sobre la inactivación microbiana y la destrucción térmica de compuestos químicos.
La figura 8.5 muestra el gráfico de Arrhenius de la dependencia de la temperatura de la espora contra el de la vitamina. Se puede observar que a medida que se aumenta la temperatura, el aumento de la tasa de mortalidad específica para la B.
Figura 8.5
8.2.2 Esterilización por lotes
Consiste en pasar por 3 etapas (calentamiento, retención y enfriamiento) cierta cantidad de masa dentro de un recipiente el cual no tiene ni entrada ni salida de corriente, este proceso se lleva a cabo por un determinad tiempo a una temperatura.
Para evaluar el tiempo y las relaciones de temperatura, se empieza por reformular la ecuación 1 que presenta la cinética de muerte microbiana.
La constante de velocidad (K) durante la esterilización por lotes no es una constante. Esto se debe a las temperaturas medias durante el calentamiento y el cambio de refrigeración.
La forma integrada de la ecuación 2 que incorpora la dependencia de la temperatura de la ecuación de Arrhenius se convierte en:
El símbolo representa el criterio del diseño del proceso de esterilización
Para determinar se puede estimar suponiendo que la concentración inicial del contaminante es igual a (ml), el numero total de contaminantes por lote de caldo del fermentador seria .
Además se supone que la presencia de un solo contaminante haga fracasar en ultima instancia la fermentación. Es por eso que se asigna un nivel de probabilidad de éxito.
Generalmente se ha adoptado un riesgo de contaminación de una en mil, la cual indica que el valor de N será igual a 10^3 celulas viables.. Algunos otros valores típicos para el calculo de la son
=10^6/ml
𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑢𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑦 𝑢𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠.
El calentamiento, mantenimiento y porciones del ciclo de enfriamiento, todo ello contribuye a la reducción del contaminante microbiano. Por lo tanto el criterio de diseño, se compone de
= numero incial total de los contaminantes.= es el numero total de contaminantes dspues de calentar a la temperatura de esterilizacion= numero total de contaminantes despues de mantener a la temperatura de esterilizacion.N= numero total de contaminante tras el enfriamiento desde la temperatura de esterilizacion paa la temperatura de fermentacion.= respectivamente, el tiempo necesario para el calentamiento, mantenimiento y enfriamiento.
Cuantificando el perfil de temperatura ncluyen la viscosidad del medio, la cantidad de solidos en suspension, y la presencia de materiales insolubles tales como aceites vegetales.
El perfil de temperatura-tiempo durante la parte de enfriamiento del cilo de esterilizacion se lleva a cabo generalmente utilizando refrigrante ya sea en los serpntines de enfriamiento dentro del fermentador o en la chaqueta del fermentador
Esterilización continua
Es el método ideal de operación, porque a menudo resulta un proceso perfecto que ofrece muchas ventajas sobre los procesos discontinuos; se ahorra tiempo, vapor, electricidad y agua de enfriamiento. El control de calidad es mas fácil y el rendimiento del producto se puede mejorar al producir un medio estéril mas uniforme en sus propiedades.
En la sección de retención de un esterilizador continuo se mantendrá el tiempo y la temperatura correcta.
Pero cuando el medio fluye a través de un tubo redondo, que se mantiene dentro de esta sección de retención para diferentes longitudes de tiempo, para flujo laminar y turbulento la velocidad del fluido es una función de su posición radial dentro de la tubería.
