OBPI letnji 2013 Test 3.pdf

  • View
    121

  • Download
    9

Embed Size (px)

DESCRIPTION

bioprocesno inzenjerstvo

Text of OBPI letnji 2013 Test 3.pdf

  • STERILIZACIJA Mikrobioloki procesi se po pravilu izvode pomou iste kulture na hranljivoj podlozi, uz obezbedjenje odgovarajuih fiziko-hemijskih prametara okoline. Ukoliko se u hranljivoj podlozi, koja se pravi od prirodnih sirovina, zadre sve kulture koje se inae u njoj u prirodnom ambijentu nalaze, tokom procesa e doi do njihovog rasta i razvoja. To se viestruko odraava na eljeni proces, pa se pored eljene kulture u sistemu mogu razviti i neeljene kulture kontaminanti koje dovode do sledeih pojava:

    1. U fermentacionoj tenosti (podlozi) se odvija paralelno rast vie mikroorganizama, pa dolazi do pada proizvodnosti

    2. Pri kontinualnim procesima moe doi do potpunog eliminaisanja eljenog proizvoda 3. Kontaminanti se mogu nai u finalnom proizvodu, to dovodi do smanjenja njegovog

    kvaliteta 4. Kontaminanti oteavaju izdvajanje finalnog proizvoda pri separaciji proizvoda 5. Kotaminanti mogu da razgrade finalni proizvod, na primer antibiotici 6. Kontaminacije bakterijskih populacija dovode do autolize elija

    Kontaminacija se moe spreiti na sledei nain:

    a) Upotrebom istih kultura (inokuluma) za pokretanje nekog mikrobiolokog procesa

    b) Sterilizacijom hranljive podloge c) Sterilizacijom opreme i bioreaktora d) Sterilizacijom svih komponenata koje se naknadno dodaju u bioreaktor e) Odravanjem sterilnih uslova tokom trajanja mikrobiolokog procesa

    Postoje primeri da se kontaminacija moe spreiti i odravanjem vrednosti pH na odredjenom nivou. Na primer pri proizvodnji piva se koristi hmelj koji sadri gorke materije koje, pored toga to daju pivu karakteristian ukus, deluju inhibitorno na rast bakterija. Najee korieni termini koji se odnose na inaktivaciju mikroorganizama: Sterilizacija postupak unitavanja ili inhibicije ivotnih aktivnosti bilo kojeg oblika ivota Dezinfekcija postupak unitavanja ivih organizama koji izazivaju razne bolesti i infekcije Antiseptik hemijsko jedinjenje koje se koristi za uniztavanje patogenih organizama, a koristi se za zatitu ljudi i ivotinja Dezinficijens opti izraz za hemijsko jedinjenje koje se upotrebljava za unitavanje nepoeljnih organizama Pasterizacija postupak kojim se termiki smanjuje broj mikroorganizama, odnosno unitavaju se ili inaktiviraju samo neke vrste mikroorganizama koji izazivaju kvarenje hrane. Postupak se sastoji u zagrevanju namirnica do temperature 62-80 oC, koje se na toj temperaturi zadravaju obino oko 30 min, a zatim naglo hlade do temperature uvanja. Delimina sterilizacija je termin koji se koristi umesto pasterizacije ili dezinfekcije, a predstavlja postupak kojim se smanjuje koncentracija mikroorganizama u nekoj sredini. Sterilna tehnika je obavljanje nekog mikrobiolokog procesa bez prisustva nepoeljnih mikroorganizama tj. kontaminanata. Osnovni principi sterilne tehnike su:

    1. hranljiva podloga se sterilie 2. sterilna podloga, ohladjena do temperature fermentacije, se inokulie sa proizvodnim

    mikroorganizmom

  • 3. sterilna podloga vie nije sterilna jer se u njoj nalaze proizvodni mikroorganizmi ali bez kontaminanata.

    Steriliu se:

    a) vrsti materijali, uredjaji i oprema, bioreaktori b) teni materijali (hranljive podloge) voda, teni finalni proizvodi c) gasovi, najee vazduh koji se uduvava u bioreaktor tokom procesa

    Metode sterilizacije Za proces sterilizacije se koriste sledee metode:

    (1) Razaranje strukture elija (destrukcija), pomou jakih oksidacionih sredstava (azotna, sumporna, hromsumporna kiselina ili toplotom (plamen)). Koristi se najee u laboratorijskim uslovima premda se i u industriji ponekad koriste razblaeni rastvori kiselina za pranje opreme i bioreaktora.

    (2) Unitenje ili inaktivacija mikroorganizma, tako da vie ne postoji mogunost njihovog razmnoavanja. Pri ovome spoljanje karakteristike elija mogu da ostanu u izvornom obliku. Inaktivacija se izvodi pomou: toplote ( suva pregrejan vazduh ili vlana vodena para), UV ili X zraka, ultrazvukom, ili pomou hemijskih jedinjenja (formaldehid, alkohol, hlor, etilenoksid... Deterdenti i dezinficijensi se koriste za pranje uredjaja i pratee opreme pre konane sterilizacije.

    (3) Uklanjanje mikroorganizama fizikim metodama, sterilizacija pomou filtracije. Ovaj postupak se koristi za gasove i tenosti koje su termolabilne (vitamini). Razlikuju se dva osnovna naina: a) apsolutna filtracija (filtri su kompaktni sa definisanim veliinama pora, pr. Filter za reversnu osmozu) i b) delimina filtracija koja se izvodi pomou filtera napunjenih vlaknima, ija sposobnost filtracije zavisi od reima pod kojima rade.

    Kinetika sterilizacije Sutina sterilizacije je u razgradnji nekih od sloenijih molekula elije koji su bitni i neophodni za vitalne ivotne funkcije, iji je krajnji efekat spreavanje razmnoavanja tj. poveanja koncentracije mikroorganizama u bioreaktoru. Brzina inaktivacije se moe opisati kinetikim modelima koji su analogni sa modelima za odvijanje hemijskih reakcija. Odumiranje populacije mikroorganizama pod dejstvom toplote ili nekim drugim nainom, je reakcija prvog reda i moe se objasniti na sledee naine:

    1. Pod dejstvom toplote se kljuni molekul (C) razlae na proizvode rekcije X, Y, Z prema jednaini

    ZYXC

    2. Pod uticajem pregrejanog vazduha se kljuno jedinjenje (C) inaktivira pomou O2 koji je u viku, pa je i ovo reakcija prvog reda

    ZYXOC 2

  • 3. Pod uticajem pregrejane vodene pare (vlana sterilizacija) kljuno jedinjenje (C) se razlae, sa vodom u viku, po reakciji prvog reda

    ZYXOHC 2 Brzina odvijanja reakcije odumiranja ili inaktivacije mikroorganizama se prati promene reaktanta (C) sa vremenom, pa je za: t=0 ; C=a t=t ; C=a-x gde je x inaktivirani deo kljunog organskog molekula nakon nekog vremena (t) Brzina nestajanja (C), ako se uzme u obzir da se radi o jednaini prvog reda, je:

    kCdtdC

    gde je k konstanta brzine inaktivacije mikroorganizama (vreme 1). Razdvajanjem promenljivih i integracijom, uz pretpostavku da je T=const:

    xaakt ln

    Poto je poznata koncentracija (C) na poetku (a), onda se merenjem (a-x) moe odrediti konstanta brzine inaktivacije mikroorganizama (k).

    Kostanta brzine reakcije (k) se menja sa temperaturom (T) po Arenijusovom zakonu, k=f(T), pa je:

  • RT

    Ea

    eAk gde je: A - konstanta karakteristina za mikroorganizam, sa jedinicama [vreme -1], Ea - energija aktivacije karakteristina za mikroorganizam, sa jedinicama [kJ/mol] R - gasna konstanta [kJ/mol K] Integrisani oblik prethodne jednaine je:

    RTE

    Ak a lnln Poto je koncentracija kljunog organskog molekula (C) u eliji, uglavnom konstantna, onda se kinetika sterilizacije moe izraziti preko broja mikroorganizama (N). Brzina odumiranja ili inaktivacije mikrorganizama se izraava saglasno jednaini:

    kNNNkdtdN )( `0

    gde je: N- broj preivelih elija nakon vremena t (broj/zapremina) No poetni broj mikroorganizama (broj/zapremina) N' - uniteni mikroorganizmi nakon vremena t (broj/zapremina) Ukoliko se uvedu poetni uslovi:

    t=0 N(0)=No t=t N(t)=Nt

    Onda je integrisani oblik prethodne jednaine:

    tNN

    kt 0ln odnosno u obliku:

    ktNN t

    0

    ln

    gde se nakon antilogaritmovanja prethodne jednaine, uz uslov T=const, dobija

    )(0

    ktt eNN

    Decimalno vreme odumiranja

  • U praksi se esto koristi termin decimalno vreme odumiranja i oznaava tD. Ono predstavlja vreme zadravanja na temperaturi sterilizacije (obino 121 oC) za koje se broj prisutnih mikroorganizama smanji na 1/10 od poetnog broja N0, odnosno to je vreme za koje se uniti 90% mikroorganizama od poetnog broja, pa se korienjem ve definisane jednaine i zamenom dobija:

    Dt kt

    N

    N

    NN

    101ln10lnln

    0

    0

    0

    odakle je:

    kkt D

    303.210ln U tabeli su date vrednosti k i tD za neke spore baktaerija Mikroorganizam k (min-1) tD (min ) Bacillus subtilis FS 5230 2.6-3.3 0.6-0.9 B. stearothermophilus FS 1518 0.77 3 Clostridium sporogenes PA 3679 1.3 1.8 Kao to je ve pokazano, veliine k i tD su medjusobno povezane i u isto vreme zavisne od temperature, pa se vrednosti predstavljne u gornjoj tabeli, odnose na temperaturu T=121 oC. Takodje je jasno da to je manja vrednost konstante brzine inaktivacije to je mikroorganizam otporniji i sterilizaciju je tee izvesti. Sterilizacija hranljivih podloga Sterilizacija hranljivih podloga se obino u praksi izvodi pomou toplote, pa se u praksi za projektovanje koristi prethodna analiza. Kako je ve pokazano broj preivelih elija nakon vremena t se izraunava po jednaini:

    )(0

    ktt eNN

    odakle se sredjivanjem dobija:

    )(

    0

    ktt eNN

    Obe jednaine se grafiki mogu prikazati grafiki u normalnom i logaritamskom obliku:

  • Sa dijagrama se moe uoiti i da se vrednosti Nt/No i ln(Nt/No) smanjuju eksponencijalno sa vremenom, odnosno da se broj aktivnih elija mikroorganizama smanjuje eksponencijalno sa vremenom. Iz zavisnosti ln(Nt/No) od t, se dobija prava linija a nagib prave linije predstavlja konstantu brzine inaktivacije mikroorganizama (-k). Drugi bitan zakljuak je da ako Nt0 onda treba t, odnosno za potpunu sterilizaciju je potrebno beskonano vreme, tj. ona se nikad ne ostvaruje u realnim uslovima. Takodje se moe zakljuiti da nakon odredjenog vremena Nt moe biti manje od 1; Nt
  • spora nego to se inaktivira, u sluaju (b) broj novoformiranih je jednak broju inaktiviranih i u sluaju (c) vea je brzina inaktivacije od brzine formiranja novih elija iz spora. Konstanta brzine inaktivacije ivih elija mikroorganizama (k), odnosno specifina brzina odumiranja se menja sa temperaturom sterilizacije po zakonitosti koja je data pomou prethodno ve date jednaine:

    RT

    Ea

    eAk iz koje se integracijom dobija jednaina:

    RTE