5. STERILEZÉS - wiki.estiem.bme.hu · Pécs Miklós: Vebi Biomérnökiműveletek. 5. előadás:...
Transcript of 5. STERILEZÉS - wiki.estiem.bme.hu · Pécs Miklós: Vebi Biomérnökiműveletek. 5. előadás:...
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1
5. STERILEZÉS
A mikrobák tenyésztésénél általában arra törekszünk, hogy a be-
rendezésben kizárólag a kiválasztott mikrobatörzs szaporodjon.
A környezet, azaz a fermentor, a tápoldat, minden anyag viszont
sokféle mikrobával szennyezett – ezeket a folyamat megkezdé-
se előtt el kell pusztítani – ez a sterilezés.
Sterilezés: adott rendszerben lévő összes mikroba elpusztítása
Aszeptikusság: a mikrobák távoltartása a rendszertől (csíramen-
tes állapot fenntartása)
aszeptikus működés = steril működés
Elszigetelés/izolálás: a mikrobáink távol tartása a környezettől
1
Fogalmak:
STERILEZÉS
A mikroorganizmusokat többféle módszerrel is elpusztíthatjuk,használhatunk fizikai módszereket, illetve kémiai anyagokat.
2
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 2
STERILEZÉS
Fizikai módszerek a hőkezelés, a szűrés, nagy energiájú besu-gárzás (UV, ). Ipari méretekben a hőkezelés a legkönnyebbenkivitelezhető eljárás, ezért az ipari gyakorlatban a sterilezésreáltalában gőzfűtést használnak.
Miért pusztulnak el a mikroorganizmusok magas hőmérsékleten?
Fehérjéik denaturálódnak
Membránszerkezeteik megolvadnak, elfolynak, felbomlanak
Emlékeztető: a mikrobák növekedése az optimális hőmérséklet felett lelassul, majd megáll, azután pusztulásba fordul.
3
Sterilezés hővel:
4
Száraz hő: a tárgyakat szárazon, levegőben hőkezeljük(150-160 fokon, ~2 órán keresztül)
Nedves hő: az anyagokat (víz)gőztérben hőkezeljük (120-122 fokon 20-30 percig). (Táp)oldatokat is lehet, túlnyo-más alatt. Ehhez a hőmérséklethez ~1,2 bar túlnyomástartozik (autokláv, kukta).
Pasztőrözés: maximum 100 C-os hőkezelés, amely csaka mikrobák vegetatív alakjait pusztítja el, a spórásokatnem (tej, sör pasztőrözése).
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 3
5
Állandó hőmérsékleten a hőpusztulás kinetikája elsőrendű:
N: élő csíraszám [db/térfogat]
k: hőpusztulási sebességi állandó [1/min]
A k értéke függ:
a hőmérséklettől (magasabb hőfokon nagyobb)
a mikroba fajtájától (a termofilek ellenállóbbak)
a vegetatív sejtek érzékenyebbek, mint a baktériumspórák
a közegtől
A hőpusztulási sebesség
dNkN
dt
6
Állandó k esetén (állandó hőmérsék-
leten) az egyenlet integrálható, mely-
nek megoldása:0
Nln k t
N 0
ktN N e
A hőpusztulási sebesség
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 4
7
A hőpusztulási sebességi állandó függ a hőmérséklettől:
Arrhénius egyenlet:
A: empirikus állandó
Ea: a hőpusztulás látszólagos aktiválási energiája [KJ/mol]
T: abszolút hőmérséklet [K]
A hőpusztulási sebesség
8
Az egyenlet féllogaritmusos
ábrázolásban egyenest ad.
Néhány pont meghatározá-
sával az egyenes felvehető,
és ennek alapján bármely
hőmérsékletre kiszámítha-
tó a k értéke.
A hőpusztulási sebesség
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 5
9
A hőpusztulási sebesség
Másik megközelítés: a tizedelési idő. Tízes alapú logaritmus ská-lán ábrázolva a pusztulást értelmezhető a 90%-os csíraszám-
csökkenéshez tartozó idő,avagy tizedelési idő. A kí-vánt mértékű elölés nagy-ságrendjével (tíz-hatvá-nyával) szorozva kaphatómeg a szükséges sterile-zési idő.
00
t tlog N log N
D
2 303,k
D
10
A k értéke függ a mikroba fajtájától és állapotától is.
A legellenállóbbak a baktériumspórák.
Az N0 megállapításánál a jelen lévő sokféle mikroba sejtjeit szá-molják meg együttesen (összcsíraszám). A méretezésnél nemveszik figyelembe az eltérő hőtűrést, hanem mindegyiket nagyonellenálló spórának tekintik, mint pl.:
Bacillus stearothermophilus Clostridium botulinum
a k és D értékekezekre ismertek
A hőpusztulási sebesség
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 6
11
A sejteket körülvevő közeg is befolyásolja a hőpusztulást:
Már enyhén savas közegben is gyorsabban pusztulnak, mint semleges pH-n. (a savanyúságok – ecetsavas, tejsavas közeg – tartósak, nem romlanak meg)
Tömény a cukoroldatokban (pl. melasz) lassabban pusztulnak a mikrobák, mint felhígított formában.
A hőpusztulási sebesség
A hőpusztulás valószínűségi értelmezése
12
Az exponenciális kifejezésből kitűnik, hogy a végső csíraszámsohasem éri el a nullát. Teljes sterilitáshoz végtelen hőkezelésiidő kellene. Ezért a sterilezést valószínűségi változóként kezelik:
P0 a valsége annak, hogy a sterilezés az adott tételnél sikerül
1-P0 a valsége annak, hogy a sterilezés az adott tételnél nem sikerül, a tétel fertőzött marad.
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 7
A hőpusztulás valószínűségi értelmezése
13
A teljes sterilitáshoz végtelen hőkezelési idő kellene. Ezért egyvégesen kicsi értéket választanak célértéknek. Pl. a biotechno-lógiai iparban a sterilezés kritériuma:
1-P0(t) = 10-2-10-4
Pl.: 1-P0(t) = 10-3 akkor 1-10-3 = 0,999 ezer sterilezésből egynem sikerül, azaz marad túlélő sejt a rendszerben.
A sterilezés kritériuma egyszersmind a végső csíraszámot (N)adja meg, mértékegysége: túlélő csíra/zárt egység. (Mindegy,hogy mekkora: ampulla ↔ konzerv ↔ fermentor)
A hőkezelési idő:
14
A hőkezelés idejét célszerű minél rövidebbre választani:
a kezelt rendszerben lévő biológiailag értékes anya-gok (vitaminok, fehérjék) kevésbé bomlanak el,
energetikailag is kedvezőbb.
Az összefüggésből látható, hogy a hőkezelési idő nem csaka k értékétől függ, hanem az N0 értékével is befolyásolható.Az anyagok mikrobiológiai szennyezettsége csökkenthetőaz általános higiénia javításával, illetve hűtéssel.
01 Nt ln
k N
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 8
15
A mikrobatípus és a kiin-dulási csíraszám hatása:
Azonos fertőzöttség mel-lett a spórák elpusztításá-hoz hosszabb idejű hőke-zelés szükséges.
Kisebb csíraszám lerövi-díti a sterilezési időt.
A hőpusztulási sebesség
Hagyományos élelmiszeripari autokláv
16
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 9
17
Ipari fermentor steril zárású szerelvényei
Konzervkészítmények sterilezése
18
Az élelmiszerek, konzervek hőkezeléses tartósításának alapvetőtechnológiai művelete abban áll, hogy a tartósítani kívánt élelmi-szert légmentesen fémdobozba, vagy üvegbe zárva, olyan hő-mérsékleten és annyi ideig hőkezeljük, amíg az élelmiszerbenlevő mikroorganizmusok el nem pusztulnak. A túlzott hőhatás azélelmiszer eredeti sajátságait (állomány, élvezeti érték, íz, stb.)is megváltoztatja, ezért a hőkezelési időt a biztonságos mini-mumra kell csökkenteni.
A hőközlés során a konzerveket kívülről valamilyen hőátadó kö-zeggel melegítjük. A felfűtés sohasem pillanatszerű, hanem ahőátadás mechanizmusától függő késéssel megy végbe. A me-legítés sebessége függ a töltet halmazállapotától, hővezetőké-pességétől, valamint a termék alakjától és méretétől.
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 10
Hidegpont
19
A termék kívülről befelé fokozatosan melegszik át, a közepén ta-
lálható a hidegpont, ahol a legalacsonyabb a hőmérséklet. Itt a
legnagyobb a hőfokkésés, felmelegítésnél ezt melegszik fel utol-
jára, lehűtésnél viszont ez hűl le legvégül. A sterilezést úgy kell
méretezni, hogy a hidegpontban is megfelelő legyen a hőkeze-
lés, ott is elpusztuljanak a mikroorganizmusok. A hidegpont he-
lye a hőtranszporttól függ. A hő behatolása (= hőpenetráció) két-
féle módon történhet: szilárd vagy pépes készítményeknél túl-
nyomórészt hővezetéssel, míg a folyadékokban a konvekciós
(áramlásos) hőtranszport a jellemző.
Hidegpont
20
a. Hővezetésnél minden irányból egyformán terjed a hő, így utol-jára a geometriai középpont melegszik fel.
b. Konvekciónál a függőleges falak mentén felmenő áramlásokalakulnak ki, ezek a tengelyben lefelé irányuló áramlást okoz-nak, ami a hidegpontot lefelé tolja.
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 11
A termék alakjának hatása
21
A hőpenetráció szempont-
jából a termék legkisebb
mérete, „vékonysága” szá-
mít, ez határozza meg a
hőterjedés úthosszát.
A termék méretének hatása
22
A hőkezelési görbéken is
jól látható, hogy minél na-
gyobb méretű a termék, an-
nál tovább tart a hő behato-
lása a hidegpontig.
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 12
Nyomásviszonyok, hatónyomás
23
A zárt csomagolású terméken belül és kívül kialakuló hőmérsék-letkülönbség miatt nyomáskülönbség is létrejön. Ez a hatónyo-más. A belső nyomás mindig nagyobb, mint a külső, mert a do-bozban maradt bezárt levegő nyomása hozzáadódik a belsőgőznyomáshoz. Ez feszíti a csomagolást, néha a doboz, vagyüveg szétrobbanását, deformálódását (bombásodás) esetlegzárásfelszakadást eredményezhet.
A maximális értékét a lehűtési szakaszban éri el, amikor a külsőnyomás már nulla, a belső forró anyag gőznyomása viszont mégnagy.
Nyomásviszonyok, hatónyomás
24
A hatónyomás csökkent-hető, ha:
- a konzerveket forrón, vagy vákuumban zár-ják le
- a hűtési szakaszban sűrített levegővel pó-tolják a külső gőznyo-mást.
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 13
Tápoldatok sterilezése
25
Ebben az esetben nem kis egységeket, hanem nagy mennyisé-
gű (1 – 100 m3) homogén folyadékot kell sterilizálni. A hőkezelés
menete hasonló, szakaszai a: - felfűtés, - hőntartás, - lehűtés.
Ezek megvalósítása kétféleképpen történhet:
szakaszos sterilezéssel: a tápoldatot a fermentorba töltik, és a
fermentor belső terét, a szerelvényeit és a táptalajt egyszerre
sterilezik.
folytonos sterilező berendezésben: a tápoldatot külön sterilező
rendszerben, nagy hőmérsékleten, rövid ideig hőkezelik, és a
gőzzel előzetesen üresen sterilezett fermentorba vezetik.
Szakaszos sterilezés
26
A szakaszos sterilezés méretezésénélkülön kell választani a három szakaszt.Az egy szakaszok végpontjához ren-deljük hozzá a maradék csíraszámokat(N0, N1, N2, Nvégső).
A három szakaszban együttesen kelleljutni a mért kiindulási csíraszámtól atervezett végső csíraszámig (általában10-3 élő csíra/fermentor)
0 0 1 2
1 2v v
N N N Nln ln ln ln
N N N N
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 14
Folytonos sterilezés
27
Nagy méretű fermentoroknál, ahol nagy tömegű tápoldatot kellsterilezni, nagyon megnő a felfűtés, és különösen a lehűtés idő-tartama. Az értékes üzemórák megtakarítása érdekében ezeknélkülön sterilezik az üres készüléket és tápoldatot. A folyadék ste-rilezése átfolyó rendszerben, folyamatosan történik. A folyamathárom szakasza nem időben, hanem térben követi egymást.
Gőzinjektoros megoldás
28
A csővezetékben áramló folyadékfelmelegítését direkt gőz beveze-tésével oldják meg. A lekonden-záló gőz pillanatszerűen felviszi ahőmérsékletet 130-140 fokra, anyomás ~4 barra emelkedik. Ahőntartást a hőszigetelt csőkígyó-ban eltöltött 1-2 perces idő jelenti.A lehűtés expanziós szelepen va-ló átlépéssel jön létre: a nyomásalól a folyadék vákuumtérbe lépát, felforr, és egy része elpárolog.Az elvont párolgáshő leviszi a hő-fokot ~80 fokra.
Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 5. előadás: Sterilezés
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 15
A folytonos sterilezés méretezése
29
A felfűtési és lehűtési szakasz sejt-
pusztító hatása a rövid idő miatt el-
hanyagolható, így állandó hőfokú
sterilezéssel számolhatunk. A ma-
gas hőmérséklet miatt igen rövid
hőntartási idő elegendő.