AULA 5 Esterilização de meios e equipamentos aula 2

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Esterilização de meio e equipamento CONJUNTAMENTE 
Modo descontínuo 
Aquecimento 
com 
vapor direto* 
Aquecimento 
elétrico 
Aquecimento 
com 
vapor 
indireto 
Resfriamento 
indireto 
O meio é agitado mecanicamente para assegurar a 
mesma T em todos os pontos do sistema 
* Acarreta diluição 
do meio (≈10-15%) 
Fases do modo descontínuo: 
I. aquecimento 
II. esterilização 
III. resfriamento 
q 
qe 
θe: t de esterilização 
Ti: T inicial 
Tm: T mínima 
letal (TML) 
Te: T esterilização 
Tf: T final do meio 
esterilizado = T de 
fermentação 
Algumas 
horas 
 Esterilização de meio e equipamento CONJUNTAMENTE 
Modo descontínuo 
 Esterilização de meio e equipamento SEPARADAMENTE 
Esteriliza-se o equipamento por radiação, calor úmido ou agentes químicos 
Agentes químicos 
Limpeza e desinfecção manual 
Desmontagem do equipamento 
Limpeza dos componentes: remoção de resíduos (uso de detergentes) 
Lavagem dos componentes com água: remoção dos detergentes 
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 
 Esterilização de meio e equipamento SEPARADAMENTE 
Esteriliza-se o equipamento por radiação, calor úmido ou agentes químicos 
Calor úmido 
Injeção de 
vapor direta 
Válvula aberta 
Injeção de 
vapor direta até 
p = 1 atm 
Válvula fechada Válvula fechada 
testerilização a 
p = 1 atm 
(≈20 min) 
Entrada de ar estéril 
Resfriamento Equipamento 
estéril 
 Esterilização de meio e equipamento SEPARADAMENTE 
Esteriliza-se o equipamento por radiação, calor úmido ou agentes químicos 
Agentes químicos 
CIP (clean in place) ou limpeza sem desmontagem 
 Esterilização de meio e equipamento SEPARADAMENTE 
Esterilização do meio 
Modo contínuo 
O meio, sob Te, percorre o 
tubo de retenção ou de 
espera (TE), dimensionado 
de modo que o t de 
residência do meio no tubo 
seja igual a θe 
B: bomba 
TC1 e TC2: trocadores de calor 
I: injetor de vapor 
T: termômetro 
P: manômetro 
V: válvula de redução de pressão 
Haverá 
diluição do 
meio (≈10-
15%) 
 Esterilização de meio e equipamento SEPARADAMENTE 
Esterilização do meio 
Modo contínuo 
qe 
θe: t de esterilização 
q 
Ti: T inicial 
Tm: T mínima 
letal (TML) 
Te: T esterilização 
Tf: T final do meio 
esterilizado = T de 
fermentação 
Alguns 
minutos 
 Esterilização de meio e equipamento SEPARADAMENTE 
Esterilização do meio 
Esterilização descontínua 
Menor perigo de contaminação 
Problemas de corrosão 
Decomposição de nutrientes (T 
alta por longo t) 
Consumo elevado de vapor e 
água 
Maior t ocioso do tanque de 
fermentação 
Esterilização contínua 
Maiores T 
Menor t de operação 
Menor decomposição de nutrientes 
Menor consumo de vapor e água 
Melhor controle de T 
Vazão promove agitação 
Dimensões pequenas: tubo pode ser 
constituído de ligas metálicas especiais 
Pode ser usada nos processos de 
cozimento e sacarificação de matérias-
primas amiláceas 
 A velocidade de destruição, através do calor úmido, dos micro-organismos 
presentes em um dado meio depende de vários fatores: 
Do micro-organismo 
gênero 
espécie 
linhagens 
idade da cultura 
existência ou não de 
esporos 
Do meio 
composição 
pH 
presença de sólidos 
em suspensão 
Da temperatura 
K 
T constante 
Ln N 
q (min) 
 Determinado micro-organismo, em suspensão em um dado meio, é mantido a T 
constante a maior do que TML 
 Como T > TML, então o número de micro-organismos vivos é uma função 
decrescente do tempo 
Então, do ponto de vista cinético, a destruição do micro-organismo se 
comporta como uma reação de 1ª ordem 
N: número de micro-organismos sobreviventes após 
exposição a uma temperatura ‘T’ por um tempo ‘q’ 
 
K: constante da taxa (velocidade) de destruição 
térmica do micro-organismo, medida em tempo-1 
𝑑𝑁
𝑑𝜃
= −𝐾𝑁 
↓K ↔ ↑resistência do micro-organismo 
𝑑𝑁
𝑑𝜃
= −𝐾𝑁 
Condições de contorno: 
 θ = 0 → N = N0 
 θ = θ → N = N 
integrando... 
 
𝑑𝑁
𝑁
= −𝐾𝜃
𝜃
0
𝑁
𝑁0
 𝐥𝐧
𝑵
𝑵𝟎
= −𝑲𝜽 
T = constante 
𝑵 = 𝑵𝟎𝒆
−𝑲𝜽 
N0: nº de micro-organismos 
no início da exposição à T, 
correspondente à θ = 0. 
K é uma função: 
 do micro-organismo 
 do meio 
 da temperatura 
 Tempo de redução decimal (D) 
 tempo necessário para reduzir o nº de micro-organismo a 1/10 do valor 
inicial 
 ou seja: para destruir 90% dos micro-organismos vivos existentes 
ln
𝑁
𝑁0
= −𝐾𝜃  N = 0,1N0 
 θ = D 
ln
0,1𝑁0
𝑁0
= −𝐾𝐷 ln 0,1 = −𝐾𝐷 
𝑫 =
𝟐, 𝟑𝟎𝟑
𝑲
 
T = constante 
D é uma função: 
 do micro-organismo 
 do meio 
 da temperatura 
 
 Ou seja: os mesmos 
fatores que afetam K 
 Tempo de redução decimal (D) 
Destruição térmica de esporos 
de Bacillus stearothermophilus 
a 105°C 
θ (min) N 
25 8,5.104 
50 3,5.104 
100 6,0.103 
200 2,0.102 
250 40 
ln
𝑁
𝑁0
= −𝐾𝜃 ln𝑁 = ln𝑁0 − 𝐾𝜃 
Por regressão linear: ln𝑁 = 12,1626−0,0341𝜃 
(r2 = 0,9998) 
 Neste caso (T=105°C): K = 0,0341 min-1 
 Se T = 121°C: K ≈ 3 min-1 
T 
influencia 
K... 
𝐷 =
2,303
𝐾
  Neste caso (T=105°C): D = 67,5 min 
Ou seja: à T = 105°C, 90% dos 
micro-organismos presentes 
no meio considerado serão 
destruídos em 67,5 min 
A: constante de Arrhenius (empírica) 
E: energia aparente de ativação de destruição (Kcal/mol de micro-organismos) 
R: constante dos gases perfeitos 
T: temperatura absoluta (K) 
 Dependência de K com a temperatura 
Equação de Arrhenius: 𝐾 = 𝐴 ∙ 𝑒−
𝐸
𝑅𝑇 
linearizando... 
𝐥𝐧𝑲 = 𝐥𝐧𝑨 −
𝑬
𝑹
𝟏
𝑻
 
 Dependência de K com a temperatura 
Determinação de E tendo as curvas de destruição térmica 
Conhecendo-se os valores de K para diferentes T´s: 
ln𝐾 = ln𝐴 −
𝐸
𝑅
1
𝑇
 
Por regressão linear: 
E = 68,7 kcal/mol 
Bacillus stearothermophilus 
Para muitos 
micro-organismos: 
65 < E < 85 
kcal/mol) 
 Destruição dos nutrientes do meio em função da esterilização 
aquecimento de um meio 
destruição de 
micro-organismos 
alterações em sua composição 
 decomposição de 
vitaminas 
 reações entre açúcares 
e proteínas 
 T escolhida para a esterilização do meio desempenha papel relevante 
↑Te ↔ ↓ destruição de nutrientes 
existentes neste meio 
Como 
assim?! 
 Destruição dos nutrientes do meio em função da esterilização 
Vitamina E (Kcal/mol) 
Vitamina A 14,6 
Ácido fólico 16,8 
Ácido ascórbico 23,1 
Álcool pantotenílico 21 
Cianocobalamina 23,1 
Cloridrato de tiamina 22 
Micro-organismo E (Kcal/mol) 
Bacillus 
stearothermophilus 
68,7 
Bacillus subtilis 76,0 
Clostridium botulinum 82,0 
Anaeróbico NCA 3679 72,4 
Menores valores de E 
 São mais sensíveis à ação de T 
 Ou seja: são mais termolábeis 
 Destruição dos nutrientes do meio em função da esterilização 
Inativação, por ação do calor, de tiamina 
contida em meios de cultivo 
Te (°C) θ (min) Perda de tiamina 
(%) 
100 843 99,9 
110 75 89 
120 7,6 27 
130 0,851 10 
140 0,107 3 
150 0,015 1 
+ 
p
re
se
rv
ad
a 
Esterilização HTST 
(high temperature short time) 
Melhores serão os 
resultados obtidos 
no bioprocesso 
Trabalho valendo ponto!!! 
Data da entrega: 23/05/2017 (terça-feira) 
Prove que, sob temperaturas mais elevadas, a destruição de nutrientes 
termossensíveis é reduzida (S2 > S1). 
Dados: 
• T1: temperatura de esterilização com tempo θ1 
• T2: temperatura de esterilização com tempo θ2 
• Si: concentração donutriente no meio esterilizado à temperatura Ti 
• Ki: constante de destruição térmica do micro-organismo à temperatura Ti 
• Ki’: constante de destruição térmica do nutriente à temperatura Ti 
• E: energia de ativação de destruição do micro-organismo 
• E’: energia de ativação de destruição do nutriente 
 
• T2 > T1 
• θ2 < θ1 
• E’ < E 
𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 
𝜃1
𝜃2
 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜
− 𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 𝑒 𝑛𝑢𝑡𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 
 Algumas considerações... 
os meios de fermentação não possuem uma única espécie de micro-
organismo a ser destruída 
desta forma, escolhe-se um micro-organismo de referência conhecido, 
altamente resistente ao calor 
 em geral: Bacillus stearothermophilus esporulado 
 lembrando que a esterilização é a operação que tem por finalidade destruir 
TODOS os micro-organismos vivos 
então: N = 0 no final da esterilização 
ln
𝑁
𝑁0
= −𝐾𝜃 𝜽 =
𝟏
𝑲
∙ 𝐥𝐧
𝑵𝟎
𝑵
 
N = 0 ??? 
Impossível de resolver a 
equação... 
 Definimos a probabilidade de falha (P) 
Seja: 
Et = nº total de operações de esterilização realizadas nas mesmas 
condições 
Ef = nº total de operações de esterilização que falharam, ou seja, que 
não conduziram a um meio estéril 
𝑷 =
𝑬𝒇
𝑬𝒕
 𝜽 =
𝟏
𝑲
∙ 𝐥𝐧
𝑵𝟎
𝑷
 
Se multiplicar 
por 100... 
𝑷 = % 
 Probabilidade de falha (P) 
Exemplo: 
P = 0,03 (ou 3%) 
Ou seja: 
A cada 100 reatores esterilizados, 3 não estão estéreis 
Se N0 = nº micro-organismos vivos em cada reator antes da 
esterilização 
Então: nº de micro-organismos vivos em 100 reatores será 
100.N0 
Se considerarmos que a condição necessária e suficiente para que 
falhe a esterilização de um reator seja que nele exista, após o 
tratamento térmico, 1 micro-organismo vivo 
Então: nº de micro-organismos vivos no final do tratamento 
térmico em 100 reatores será 3 
Ou seja: 1 em cada reator onde a esterilização falhou 
 Probabilidade de falha (P) 
Exemplo: 
𝜃 =
1
𝐾
∙ ln
𝑁0
𝑃
 
Então: 
𝜃 =
1
𝐾
∙ ln
100𝑁0
3
 =
1
𝐾
∙ ln
𝑁0
0,03
 
Exemplo numérico: um dado volume de meio a esterilizar contém 2,5.1010 
micro-organismos vivos; K = 3,4 min-1. 
Calcular θ para que: 
a) P = 10% 
𝜃 =
1
3,4
∙ ln
2,5. 1010 
0,1
= 
= 𝟕, 𝟕 𝒎𝒊𝒏 
b) P = 1% 
𝜃 =
1
3,4
∙ ln
2,5. 1010 
0,01
= 
= 𝟖, 𝟒 𝒎𝒊𝒏 
c) P = 0,1% 
𝜃 =
1
3,4
∙ ln
2,5. 1010 
0,1
= 
= 𝟗, 𝟏 𝒎𝒊𝒏 
 Outras definições 
𝐺𝑟𝑎𝑢 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 =
𝑁0
𝑁
 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 = η =
𝑁0 −𝑁
𝑁0
 
Calcular o grau de esterilidade (N0/N) para a uma esterilização 
descontínua, com eficiência η= 99,9999999999% 
𝑁0
𝑁
= 1012 
 Modo contínuo 
qe 
q 
 Tanto o aquecimento quanto o 
resfriamento são muito rápidos 
 O cálculo de θ se resume na aplicação 
da equação: 
𝜽 =
𝟏
𝑲
∙ 𝐥𝐧
𝑵𝟎
𝑷
 
 
 
 T (oC) 
Te 
TML 
Tamb 
qo q1 q2 q3 q (min) 
No 
qAquecimento qe 
qResfriamento 
No 
N1 < No N < N2 < N1 
N 
População contaminante 
se reduz de N1 para N2 
 
 
 
 T = cte 
 Modo descontínuo 
 Modo descontínuo 
 Para calcularmos θ precisamos conhecer: 
 N0 
 P 
 As curvas de aquecimento e resfriamento 
 TML 
 Te 
 A variação de K com T K1 
K2 
K3 
T1 
T2 
T3 
Ln N/N0 
q (min) 
T1 > T2 > T3 
ln
𝑁
𝑁0
= −𝐾𝜃 
ln𝐾 = ln𝐴 −
𝐸
𝑅
1
𝑇
 
(Arrhenius) 
 Modo descontínuo 
ln
𝑁
𝑁0
= −𝐾𝜃 
𝐾 = 𝐾(𝑇) 
𝑇 = 𝑇(𝜃) 
𝑲 = 𝑲(𝜽) 
q 
qe 
A 
Aquecimento: ln
𝑁𝑜
𝑁1
= 𝐴 𝐴 = 𝐾 ∙ 𝑑𝜃
𝜃1
𝜃0
 
T = Te = constante Esterilização: ln
𝑁1
𝑁2
= 𝐾𝑒𝜃𝑒 
Resfriamento: ln
𝑁2
𝑁
= 𝑅 𝑅 = 𝐾 ∙ 𝑑𝜃
𝜃3
𝜃2
 
R 
 Modo descontínuo 
 Só interessam os valores inicial e final de micro-organismos. Então: 
ln
𝑁0
𝑁1
∙
𝑁1
𝑁2
∙
𝑁2
𝑁
= 𝐾𝑒𝜃𝑒 + 𝐴 + 𝑅 
ln
𝑁0
𝑁
= 𝐾𝑒𝜃𝑒 + 𝐴 + 𝑅 
ln
𝑁0
𝑃
= 𝐾𝑒𝜃𝑒 + 𝐴 + 𝑅 
𝜽𝒆 =
𝟏
𝑲𝒆
∙ 𝐥𝐧
𝑵𝟎
𝑷
−
𝑨 + 𝑹
𝑲𝒆