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Control de los Microorganismos.
Métodos Físicos y Químicos
Cátedras de Microbiología y Biotecnología. Departamento
de Tecnología de Alimentos y Biotecnología
Principios de Biotecnología / Microbiología General
Ingeniería Química / Licenciatura y Profesorado en Química
¿Por qué controlar el crecimiento?
El objetivo de controlar el crecimiento microbiano es reducir (o eliminar totalmente) la carga
microbiana o el número de microorganismos viables presentes en un material, alimento o en una
solución (dependiendo el caso).
- La presencia de los mismos puede generar efectos indeseables tanto sobre el objeto contaminado
como hacia aquel que lo manipula.
- Impedir o prevenir la transmisión de los mismos evitando infecciones y contaminaciones
protegiendo la integridad física de los seres vivos (salud pública).
- Impide trabajar con aquellos sistemas donde un microorganismo o grupo de ellos se adicione
intencionalmente y potencialmente al mismo con el objetivo de evaluar sus efectos; también en el
caso de que no sean necesarios los mismos (fines diagnóstico y de investigación).
Las medidas de control de los microorganismos son la descontaminación (sanitización), la
desinfección y la esterilización.
• Limpieza: eliminación de la suciedad y materia orgánica. Acción mecánica exclusiva. NO
necesariamente existe reducción de los MO.
• Descontaminación o sanitización: proceso parcial de eliminación de agentes contaminantes.
Remoción de materia orgánica y suciedad de los objetos con agua, detergente y acción mecánica.
Reducción cuantitativa del número de MO (proceso físico y químico).
• Antisepsia: control y reducción de la presencia de MO (potencialmente patógenos) sobre
superficies (en forma tópica) y aplicado específicamente a seres vivos (proceso químico).
• Desinfección: proceso de eliminación o reducción “selectiva” de la carga microbiana sobre
superficies inanimadas (proceso químico). NO elimina (todos) los endoesporos.
• Esterilización: acción física o química mediante la cual se logra la pérdida de la viabilidad o la
separación física (daño letal o muerte) de todos los microorganismos que contiene un objeto o
sustancia, y que se encuentran acondicionados de tal forma que no pueden contaminarse
nuevamente.
- Es un estado absoluto, no hay grados de esterilidad.
- Estrictamente, es la eliminación de células vegetativas, esporas y virus.
Estrategias de Control de los MO
Factores a considerar en la selección del método
•Microorganismos:
- Grado de muerte microbiana requerido
- Naturaleza microbiana (virus, bacterias, hongos, etc.)
•Instrumental
- Uso al que se destine
- Naturaleza del objeto a tratar
•Objeto inanimado o ser vivo
•Costo del procedimiento
•Facilidad/accesibilidad de la técnica
•Impacto medioambiental
Métodos Físicos
Procesos físicos:
•Calor:
Seco
Húmedo
•Radiaciones:
Ionizantes
No ionizantes
•Ultrasonidos
•Microondas
•Filtración
Pérdida de Viabilidad de los MO
Separación de los MO
Calor
• Utilizado universalmente en la práctica, ya que todos los MO son
susceptibles al mismo.
• Ventajas:
- Se aplica a gran variedad de materiales;
- Sencillo;
- Seguro (fácil control y aplicación);
- Económico
- Rápido;
- Eficaz;
• Mecanismo de acción
Desnaturalización de proteínas y del DNA
Fusión y desorganización de las membranas
Procesos oxidativos irreversibles
Uso de altas temperaturas para destruir los MO
1. Calor directo: flameado
2. Calor seco
3. Calor húmedo
4. Incineración
Pasteurización
Vapor Fluente
Tindalización
Esterilización (vapor bajo presión)
Esterilización comercial (canning)
• Esterilización por calor seco por contacto directo de la llama de un mechero de materiales inertes como ansas, agujas,
pipetas, varillas o bocas de balones de vidrio, tubos, entre otras.
Flameado
Flameado por calor seco generado por microondas
• Cuenta con un elemento central libre de asbesto, que utiliza el
calentamiento infrarrojo para producir 815⁰C.
• Esteriliza al instante (3-5 segundos) asas, instrumentos de borosilicato
o metal, bocas de pipetas y demás material utilizado en el laboratorio.
• El elemento de calentamiento está protegido por una cámara de acero
inoxidable perforada, para proteger al usuario contra un contacto
accidental.
• Evitan la aerosolización de los materiales presentes en las asas bacteriológicas.
• Pueden utilizarse dentro de las cabinas de seguridad biológica, a diferencia de los mecheros, ya
que estos alteran los flujos de aire y están contraindicados.
Ventajas sobre el flameado por llama
Calor Seco
• Penetración del aire caliente a los materiales. Requiere mayor tiempo de
esterilización, respecto al calor húmedo, debido a la baja penetración del calor.
• No es corrosivo para metales e instrumentos.
• Permite la esterilización de sustancias en polvo y no acuosas, y de sustancias
viscosas no volátiles.
• Produce desecación celular, efectos tóxicos por altos niveles de electrolitos.
• Acción oxidante del aire seco caliente que circula por convección forzada a través de los productos.
La muerte microbiana se produce como consecuencia de mecanismos de transferencia de energía y
oxidación
Mecanismo microbicida
Estufas de convección de aire
Temperatura Tiempos
180º 30´
170º 60´
160º 120´
150º 2h. 30´
140º 3h
120º > 6 h
natural
forzada Más usadas (mejor control de la temperatura)
Ciclo de esterilización de una estufa de esterilización Aplicaciones
◼ Textiles
◼ Material quirúrgico metálico no corrosible
◼ Materiales no alterables por el calor
◼ Vidrios
◼ Soluciones muy viscosas no volátiles
◼ complejos farmacológicos en polvo
◼ compuestos grasos, parafinas, aceites, etc.
Uso del equipo
• La cámara se debe encontrar en perfecto estado de limpieza.
• La distribución de la carga debe permitir la libre circulación del agente esterilizante en la cámara.
• Cada paquete debe quedar separado de los vecinos y no debe estar en contacto con las paredes, piso y techo del
esterilizador.
• La carga del esterilizador constituida preferentemente por materiales semejantes no debe superar el 80% de la capacidad
total de la cámara.
• El acondicionamiento y disposición de la carga se realiza teniendo en cuenta que el calor seco es un agente esterilizante de
masa.
• Durante el ciclo de esterilización no debe abrirse la puerta del esterilizador.
• Cuando el material a esterilizar sea mal conductor del calor (talco) éste debe disponerse en capa delgada en cantidad
necesaria para un solo uso.
Calor Húmedo
• Penetración del vapor de agua a los materiales a ser esterilizados. Gran rapidez
debido al elevado coeficiente de transferencia de calor del vapor (energía de
condensación).
• Dos modalidades: a presión atmosférica (vapor fluente) para sustancias
termolábiles (100ºC, 30 min) y a presión incrementada (el más usado y
eficiente).
• Es el método de elección siempre que sea aplicable.
• Aplicable a todos los materiales con excepción de:
- Aquellos que se quieran obtener secos;
- Que formen emulsiones con el agua;
- Que se corroan;
Mecanismo microbicida
Su efecto esterilizante se fundamenta en la acción del calor latente de vaporización que posee el agua transmitido por el
vapor saturado, a una presión superior a la normal, hacia los componentes celulares, produciendo desnaturalización y
coagulación proteica, ruptura de DNA y RNA y pérdida de material de bajo peso molecular, logrando así inactivación de
los microorganismos.
Con los esporos bacterianos, se observa una pérdida progresiva de los constituyentes celulares, entre ellos de ácido
dipicolínico y calcio, los cuales están involucrados en la resistencia a la desnaturalización térmica de las proteínas.
Tipos de Esterilizadores por vapor bajo presión
(autoclave)
Flujo de vapor a presión
pulsante (SFPP)
Por producción de vapor
In situ (tipo Chamberland)
(1 cámara)
Por remoción de aire
Desplazamiento por gravedad
El aire es removido por gravedad,
cuando entra el vapor en la cámara, el
aire frío que se encuentra en ella tiende
a salir por el conducto que se encuentra
en la parte inferior de la cámara. Este
proceso es muy lento y favorece la
permanencia de aire residual en la
cámara.
Esterilizador con ciclo prevacío
Tienen una bomba de vacío que retira
rápidamente todo el aire de la cámara, de
modo que el vapor se introduce a mayor
velocidad dentro de la cámara, mejorando
la eficiencia del autoclave al eliminar las
bolsas de aire e incrementar la velocidad
del proceso. Constituye un sistema mucho
más eficiente que otros.
Tiempos estimados: 132ºC por 4 min (1 o más ciclos)
Tiempos estimados: 121ºC por 15 ó 30 min
Uso frecuente en laboratorios
Menor aplicabilidad en industrias e
instituciones
Conocidos también como remoción dinámica de aire
Por introducción de una
corriente de vapor (2
cámaras)
Remoción rápida del aire por
introducción repetitiva y
alternada de una corriente de
vapor y pulso de presión por
encima de la presión
atmosférica.
Usados para materiales huecos, porosos, empaquetados fuertemente,
con aperturas huecas muy pequeñas, prótesis, etc.
Etapas de Funcionamiento del Autoclave
Puesta en Marcha Se cierran las puertas herméticamente para que la cámara quede sellada.
Expulsión de Aire
En esta fase se eliminara el aire contenido en la cámara y se favorecerá a la eliminación posterior del aire
dentro de los paquetes y de los contenedores. Para ello se inyecta vapor en la cámara y se activa el sistema de
vacío.
Preparación
Para la extracción del aire de los productos y de la cámara, se realiza una serie de fases (hasta cuatro) de
inyección de vapor (de recámara a cámara) seguidas de fases de vacío (prevacío), mediante el sistema de vacío,
para eliminar completamente el aire restante.
Calentamiento
Se introduce vapor en la cámara y en el interior de los contenedores, hasta alcanzar la temperatura y presión de
esterilización.
Esterilización
Se mantiene constante la temperatura y presión en la cámara durante el correspondiente tiempo de
esterilización.
Desvalorización El vapor de la cámara es eliminado por el sistema de vacío y se produce un descenso de la presión.
Secado
Se inicia un vacío final, profundo y duradero. Se mantiene el vapor en la recámara, para mantener caliente la
cámara y ayudar a secar el producto a fin de evitar todo tipo de recontaminación bacteriana durante el
transporte y el almacenamiento.
Igualación
Entrada de aire atmosférico a la cámara, a través de un filtro de aire estéril, para compensar la presión de la
cámara (que estaba en depresión) con la atmosférica. El vapor utilizado se condensa y se convierte en agua
transportándose a un depósito.
Finalización del Proceso Se liberan las puertas para que puedan ser abiertas.
Técnicas de esterilización Por lotes (o discontinua)
Todo el aire debe ser eliminado antes del ciclo de calentamiento, ya que
mezclas de aire y vapor a una presión determinada alcanzarán una
temperatura más baja que la del vapor puro a la misma presión. Al final
del tiempo de mantenimiento debe permitirse un tiempo adecuado de
enfriamiento durante el cual la presión debe descender lentamente. La
liberación brusca de la presión causa roturas o violento burbujeo y
derrame del contenido al hervir. Cuando se carguen montajes, como
fermentadores, se debe tener cuidado acerca del estado de las válvulas
y los cierres para permitir el acceso del vapor a los recipientes.
Se realiza en autoclave o en la misma cuba de
fermentación
Directo
Indirecto
In situ
Autoclaves
Vasijas relativamente pequeñas para la esterilización por vapor de
volúmenes de hasta unas decenas de litros, para fermentación a escala
de laboratorio y para la esterilización de fermentadores pequeños, y
(por extensión) para ciertos productos estériles en la industria.
Inyección de vapor a presión directamente en el
medio de fermentación (mosto)
Un fermentador grande tiene generalmente
adaptadas las tuberías y las válvulas necesarias
para la esterilización de la vasija y de las tuberías
de alimentación asociadas mediante inyección
directa del vapor. En algunos casos puede añadirse
al fermentador ya estéril el medio esterilizado
separadamente, pero también es posible
esterilizar el lote de medio in situ.
Si se utilizan inyecciones directas de vapor se debe
tener en cuenta el hecho de que entre 10 y 20 %
del volumen final serán debidos a condensación.
La eficiencia térmica de este proceso es alta, pero
la fuerte formación de espuma durante el
burbujeo y la viscosidad del medio puede limitar
la transferencia del calor.
Parámetros de las cinéticas de inactivación de diferentes MO
Técnicas de esterilización
Continua
Indirecto
Por lotes (o discontinua)
Se lleva a cabo indirectamente pasando vapor de agua a través
de una espiral de intercambio de calor o de una camisa. En
vasijas encamisadas, el área que existe de transferencia de
calor dependerá del diámetro del tanque y cuanto más grande
sea la vasija más lenta será la velocidad de calentamiento. Para
sistemas con espirales internos la relación área/volumen puede
permanecer más o menos constante cualquiera sea el tamaño
del reactor.
El calor en este procedimiento es menos eficiente que por
inyección directa y en ambos casos permanecen los problemas
de enfriamiento, generalmente conseguido mediante espirales.
Tratamiento térmico controlado en cuanto a
tiempo y temperatura mientras fluye
continuamente entre 2 equipos o estanques.
Ventajas sobre el sistema por lotes
• Tiempos más cortos y temperaturas más altas;
• Menor daño térmico del medio;
• Mejor control sobre el proceso;
• Mejor reproducibilidad;
• Equipo compacto;
• Menor mano de obra;
• Menor gasto de vapor.
Desventajas sobre el sistema por lotes
• Instalación más rígida en cuanto a cambios de condiciones de operación;
• Gran cuidado en el diseño, montaje y operación del sistema para mantener la esterilidad;
• Problemas de sobre (o sub) esterilización de ciertas zonas del líquido;
• No adecuado para instalaciones pequeñas (laboratorio, piloto).
Equipos de esterilización continua
El calentamiento se logra por
adición de vapor directamente
al medio, alcanzándose la
temperatura de esterilización
rápidamente (2-4 seg).
El tiempo de esterilización es
de 1-4 min.
El medio circula por la cañería y
luego de cumplido el tiempo se
enfría bruscamente por expansión
desde la presión de esterilización
dada por el vapor hasta una
presión cercana a la atmosférica.
Al caer la presión, el líquido ebulle y se recupera
el medio en su composición (volumen) casi
constante y simultáneamente, recuperar un vapor
de baja presión (que podría ser usado en tareas
de calefacción o precalentamiento).
El calentamiento indirecto
con intercambiadores de
calor es más rápido,
lográndose la temperatura
de esterilización en 20 s y
manteniéndola por 2-4 min.
Temperatura de 135ºC
Mayor T que la discontinua,
pero menor tiempo
Extremadamente eficiente
en la recuperación
energética (> 90%)
Se lo diseña como flujo
pistón y la longitud L
(tiempo de residencia) es
el parámetro más
relevante
Intercambiadores de calor por placas
Esterilización continua por
inyección directa de vapor
• Tratamiento con vapor de agua a ebullición a presión atmosférica (T=100 ºC).
• Usado en sustancias termolábiles que no admiten calentamientos superiores a
esta temperatura, ya que se degradan o alteran irreversiblemente.
• El modo de operación es trabajar en el autoclave con la válvula de seguridad
(espita) abierta por un tiempo no menor a 30 min.
Vapor fluente
Tindalización (esterilización fraccionada por vapor)
• Es una variante de la esterilización en vapor fluente (que ocurre a 100ºC).
• Protocolo estándar: Calentar a 80º C por 30 min, luego incubar el medio 24 h a 37º
C y repetir el ciclo por 3 a 5 días sucesivos. La temperatura elegida dependerá del
tipo de material/sustancia a esterilizar.
• También se puede usar el ciclo del vapor fluente (100ºC por 30-60 min).
• Para materiales que no resisten temperaturas altas (termolábiles o volátiles).
• No es muy utilizada y ha sido reemplazada por la filtración de membrana.
No todos los esporos germinan en
este tiempo de tratamiento, por lo
que no asegura su eliminación
completa.
Choque térmico
NO recomendada para la industria de conservas de
alimentos
USADA para esterilizar leche, suero o ciertos medios de
cultivo
Pasteurización
• proceso térmico realizado a líquidos (generalmente alimentos) con el objeto de reducir la carga microbiana
patógena que puedan contener, tales como bacterias, protozoos, mohos y levaduras.
• Alteración mínima de la estructura física, los componentes químicos y las propiedades organolépticas.
• NO destruye las esporas de los microorganismos, ni elimina todas las células de microorganismos termofílicos,
pero elimina del 97-99% de los MO patógenos presentes.
• Existen tres tipos de procesos bien diferenciados:
a) Pasteurización VAT o lenta ( a baja temperatura).
b) Pasteurización a altas temperaturas durante un breve periodo de tiempo (HTST - High Temperature/Short
Time).
c) El proceso a ultra-altas temperaturas (UHT - Ultra- High Temperature).
Proceso VAT
Calentamiento de grandes
volúmenes de leche en un
recipiente estanco a 63 ºC
durante 30 min y dejar
enfriar lentamente (24 h
hasta envasado). Usada
para leche para quesería.
Proceso HTST
Empleado en los líquidos a granel (leche,
zumos, cerveza, vino, sidra, etc.). Es el más
conveniente, ya que expone al alimento a altas
temperaturas y tiempos cortos (72ºC, 15 s)
seguido de rápido enfriamiento; se necesita
poco equipamiento industrial para poder
realizarlo.
Puede ser batch o continuo
Proceso UHT
Es de flujo continuo. Consiste en exponer
la leche durante un corto plazo (de 5 a 8
segundos) a una temperatura que oscila
entre 150 y 200 °C y seguido de un
rápido enfriamiento, no superior a 40 °C.
Se consigue la denominada “esterilidad
comercial”
Pasteurización
La acidez influye profundamente en las condiciones usadas con este método
Bebidas ácidas (como vinagre), vinos ácidos y con alto contenido de
alcohol: 55ºC
Vinos poco ácidos y alcohólico: 70ºC
Cerveza: Tratamiento más severo (calentamiento del producto
embotellado hasta 63ºC en 50 min y manteniendo 20 min a esta
temperatura).
Tratamiento
leve
Alcohol, taninos
y acidez
contribuyen a
disminuir la
intensidad del
tratamiento
Condiciones perjudiciales
para la viabilidad
microbiana
Procesos de tratamiento térmico
Perfiles de tiempo-temperatura para los procesos
térmicos
Influencia del proceso de tratamiento térmico
sobre la calidad de la leche
Esterilización comercial (canning o enlatado)
• Inactivación o inhibición de microorganismos (o sus esporas), evitando que
crezcan para eliminar las posibilidades de intoxicación por el alimento o
problemas de salud en las condiciones normales de almacenamiento y sin
refrigeración.
• Proceso mediante el cual los alimentos llenados y cerrados
herméticamente en latas u otro tipo de envases similares se someten a
tratamiento térmico a alta temperatura durante el tiempo suficiente para
reducir la población de microorganismos y reducir el riesgo de desarrollo
de toxinas por fermentación durante el almacenamiento a temperatura
ambiente.
• El proceso de esterilización más común es el dedicado a la reducción de
colonias de Clostridium botulinum, una bacteria capaz de formar esporas
de una toxina capaz de causar una intoxicación mortal conocida como
botulismo.
• Es el principal sistema aplicado a la conservación de alimentos a largo plazo
que, junto con el frío y la desecación, es uno de los tres grandes sistemas
de conservación.
Esterilización comercial (canning o enlatado)
• Es un método de preservación donde un alimento y su envase se esterilizan mediante la
aplicación de calor, en combinación con el pH, actividad de agua u otros agentes
químicos.
• El envase herméticamente sellado mantiene la esterilidad del alimento. Los envases
pueden ser contenedores de metal, vidrio, plástico, bolsas laminadas, cajas de cartón,
tetra pak, etc.
Se habla de esterilidad comercial porque el
tratamiento de esterilización es menos severo
que una esterilización total y absoluta, la cual
es difícilmente alcanzada ni necesaria, ya que
suele conllevar a generar alimentos de menor
calidad en cuanto a sus propiedades
organolépticas y nutricionales.
Solo ciertos esporos resistentes al calor
(aquellas provenientes de MO termófilos, pero
necesitan temperaturas elevadas para su
germinación
Combina calor, vacío
Desairado
Acondicionamiento
del producto
Por calentamiento o vacío
• Concentración de microorganismo;
• Actividad acuosa;
• En la formulación del producto encontramos la
naturaleza del medio y los ingredientes agregados.
El objetivo es inactivar las esporas de C. botulinum. Para
ello, para alimentos de acidez media o alcalinos, es
preciso garantizar en el alimento un mínimo tiempo de
tratamiento térmico. Esto se logra calentando a 121ºC
por 2,45 min, lo que garantiza una disminución del valor
D en 12 veces (conocido como 12D) y equivale a un Z =
10ºC.
Ventajas del canning
• El enlatado es un método de conservación muy seguro;
• De excelente trazabilidad;
• Permite la producción de alimentos nutritivos y estériles;
• Su duración puede prolongarse años;
• Amplia gama de productos;
• Adaptada a las cantidades (raciones) que se deseen;
• Envases reutilizables y reciclables;
• Moderna tecnología;
• Alimentos listos para usar o consumir con buenas propiedades sensoriales;
• Seguridad microbiológica;
• Ahorro debido a consumos energéticos reducidos (optimizados) y bajos costos de
empaque;
• El proceso puede optimizarse para lograr una alta calidad del producto mediante la
modificación de las condiciones del tratamiento térmico;
• Amplia regulación a través de más de 50 normas nacionales e internacionales.
Esterilizador hidrostático continuo para canning
• Esterilizador en continuo con sobrepresión para la estabilización térmica de los alimentos envasados en hojalata.
• El ciclo térmico está dividido en tres secciones:
- Calentamiento con sobrepresión, (normalmente 115°C y 0,5 atm o 121ºC y 1 atm);
- Parada/pre-refrigeración con sobrepresión 0,5 bar;
- Refrigeración con presión atmosférica.
• El sistema de transporte de los envases, en las secciones del esterilizador, está formado por una serie de barras cuyo movimiento es
obtenido mediante dos catenarias paralelas. El perfil especial de las barras permite sujetar y girar los envases garantizando un
intercambio térmico óptimo. La instalación puede ser configurada "a bote parado" o "a bote giratorio", según el producto y los
requisitos del cliente.
• El sistema de intercambio térmico utilizado, tanto para el calentamiento como la refrigeración, es la recirculación forzada del agua. Los
sistemas hidráulicos están formados por los elementos siguientes: bomba, filtro, intercambiador de calor y boquillas nebulizadoras.
• El ahorro energético es una de las ventajas fundamentales de esta instalación y está garantizado por las siguientes soluciones:
- Dispersión del calor minimizada mediante el sistema de columna hidrostática.
- Recuperación total de la condensación de vapor mediante el intercambio directo vapor/agua y agua/producto.
- Sección de parada/pre-refrigeración que transmite el calor de los envases en fase de salida a los envases en fase de entrada.
• El sistema de carga y descarga robotizado que controla la entrada y la salida de los envases de la instalación permite realizar las
operaciones de cambio del formato sin detener la instalación y sin intervenciones mecánicas.
• El panel eléctrico incluye también una sección dedicada a la potencia formada por una serie de inverters de accionamiento para todos
los motores, y otra sección dedicada a la lógica programable y la interfaz usuario.
• Esterilizador automático de funcionamiento continuo en el
que la presión (en forma de vapor) se introduce mediante
columnas de agua de una altura adecuada.
• Sistema abierto donde puede usarse vapor a una presión
superior a la atmosférica equilibrándolo con la presión
atmosférica.
• Está formado por 3 cámaras verticales comunicadas en su
parte inferior;
• La cámara de esterilización está cerrada y las otras 2
abiertas; al calentar la central genera vapor y la misma tiene
una cubierta resistente a la presión. Esta presión hace
ascender el nivel del líquido en las otras dos cámaras
alcanzándose un equilibrio, mientras que las latas penetran
en forma continua mediante una cinta transportadora.
• Las columnas tienen una altura de 11 m para 116ºC y 14
m para 121ºC.
• Tratan de 1000-6000 envases/h
• El tiempo de paso está entre 10 y 120 min
• Extremadamente eficientes en su ahorro energético
Precalentamiento
Refrigeración
Esterilización
Esterilizador rotatorio automático continuo Sterilmatic Sistema Hydrolock
Sistema autoclave de tambor y espiral Esterilizador de flama o Steriflame
Radiaciones
No ionizantes
• poca penetrabilidad (ideal para superficies poco porosas). También se utiliza en aire y agua;
• fácil manipulación y relativamente poco costosa;
• genera peróxidos y produce ceguera:
• Radiación UV (generada por una lámpara de vapor de Mercurio): Longitud de onda de mayor efecto bactericida es de
265 nm
• Mecanismo de acción: fundamentalmente sobre el DNA celular. Absorción fuerte de luz UV por las bases nitrogenadas
causando la formación de dímeros de timina, lo que altera la estructura 3D del DNA provocando defectos en la
replicación y transcripción. Finalmente, esto causa mutaciones irreversibles que llevan a la muerte celular.
Su eficiencia depende de:
Tipo de radiación
Tiempo de exposición
Dosis
MO
Ionizantes (producción de iones y electrones de alta energía)
• Rayos X y Gamma, siendo esta última más eficiente y segura (Fuente de Co60 y Cs137);
• Para elementos que no soportan el calor y la humedad (jeringas, catéter, materiales médicos, quirúrgicos y
de origen biológico: medicamentos, alimentos, plásticos)
• Altas medidas de seguridad y costo elevado.
• Gran penetrabilidad y rápida acción (segundos).
• Mecanismo de acción principal: Generación de radicales libres por ionización del agua (indirecto a la
ionización).
Radapertización (esterilización por radiaciones)
• Tratamiento de los alimentos con radiación ionizante hasta una dosis suficiente para reducir el nivel de
microorganismos hasta niveles de esterilidad, de tal manera que no se detecte prácticamente ningún
organismo (excepto virus) en el alimento tratado. Se consigue la esterilidad comercial del producto.
• La dosis usual está en el rango de 35 a 40 Kilograys.
Raditización
• Tratamiento de los alimentos con una dosis de radiación ionizante suficiente para reducir el nivel de
organismos patógenos no esporulados, incluyendo parásitos, hasta un nivel no detectable por cualquier
método.
• Eficaz en alimentos preenvasados, eliminando de este modo la contaminación cruzada.
• La dosis requerida es de 2 a 8 kGy.
Radicidación
• Tratamiento de los alimentos con una dosis de radiación ionizante suficiente para alargar la vida útil de
los alimentos mediante la reducción de los microorganismos (destrucción de los MO sin esterilizar).
• La dosis requerida es de 0.4 a 10 kGy.
Radurización
• Destrucción de MO causantes de alteraciones (aumenta la vida útil). Reducción del número de
microorganismos alterantes viables específicos. Similar a la pasteurización.
• La dosis requerida es de 0.75 a 2,5 kGy.
Alimento Objetivo Dosis (kGy12)
Dosis Bajas
Papas, cebolla, ajos.
Alargar el periodo de
almacenamiento por Inhibición de
brotes.
0,05 - 0,15
Frutas y verduras
(champiñones)
Mejorar las propiedades de
almacenamiento retrasando
la maduración
0,25 - 1,0
Frutas
Tratamiento de cuarentena a
través de la muerte y esterilización
de insectos.
0,2 - 0,7
Carne
Destrucción de parásitos
(Trichinella spiralis) para impedir la
transmisión al hombre por vía
alimentaría.
0,3 - 0,5
Dosis medias
Ciertas frutas y verduras
Mejorar las propiedades de
almacenaje reduciendo en más del
99% el número de bacterias,
hongos y levaduras.
(8) 1 - 3
Carne vacuna, pollos, pescados
Extender el período de
almacenamiento en refrigeración,
durante varios días y hasta
semanas, reduciendo el número de
microorganismos capaces de
crecer a bajas temperaturas.
1 - 5
Dosis altas
Carne
Esterilizar alimentos para permitir
un almacenamiento a largo plazo
sin refrigeración, destruyendo
microorganismos patógenos.
25 - 45
ESTERILIZACIÓN EN HORNO DE MICROONDAS
• Usado para ciertos materiales, especialmente para la esterilización de telas y de ciertos plásticos y material quirúrgico
• También empleado en alimentos para reducir carga microbiana
Vibraciones sónicas (ultrasonido)
Actúan sobre los organismos produciendo
efectos de cavitación y oxidación
• No garantiza esterilización aunque es apto para procesos de ruptura celular a escala de laboratorio
• Usado en combinación con otros procesos esterilizantes
Otros métodos Físicos (no esterilizantes)
• Frío: prevención de la putrefacción aunque poco germicida
• Desecación: no destruye las esporas
• Ebullición en agua: no sirve para la destrucción de gérmenes, esporas y ciertos virus
• Ebullición en aceites: 130ºC por 30 min
• Incineración: con mecheros tipo Bunsen, Mecker, Teclú. O con sistemas cerámicos Bacto incineradores. Usado
fundamentalmente para las ansas bacteriológicas.
- Rojo incipiente
- Flameado
Temperatura y tiempo
• En procesos donde el calor está involucrado: por encima de la T máxima de crecimiento, a >T, >efectos
celulares letales (muerte celular por destrucción de los constituyentes esenciales tales como enzimas,
membranas, ADN, etc.).
• Mecanismos: desnaturalización y/u oxidación
Cinética exponencial de desactivación
térmica de 1er orden
A mayor T, menor tiempo de exposición
al calor para lograr la misma reducción
en la carga microbiana
Nt: MO viables a un tiempo t
N0: MO viables iniciales
k: tasa de muerte (min-1)
t: tiempo de exposición al agente
Factores que influencian en la eficiencia de la esterilización por calor
Procesos interdependientes
Muerte térmica
Ley logarítmica
de primer orden
𝑑𝑁
𝑑𝑡
= −𝑘. 𝑁 𝑁 = 𝑁0 ∗ 𝑒−𝑘𝑡
k: constante cinética de destrucción térmica
Propia de cada microorganismo
Depende de la
temperatura a través de
la expresión de Arrhenius
𝑘 = 𝑘0 ∗ 𝑒−
𝐴𝐸
𝑅𝑇
Es posible estudiar más precisamente la inactivación por calor de un MO, a través de la determinación del tiempo en que
muere una fracción de la población inicial. Así, es posible definir el tiempo requerido para lograr una disminución
logarítmica de la población en 10 veces, denominándolo como tiempo de reducción decimal (D).
Este parámetro depende profundamente de la temperatura y presenta con él una relación exponencial.
AE: energía de activación
R: constante de los gases
T: temperatura absoluta
𝑘0: constante empírica
Efecto de la T en la viabilidad de una bacteria mesófila
Tiempo de reducción decimal (D) obtenido a tres T diferentes
A 70ºC D = 3 min
A 60ºC D = 12 min
A 50ºC D = 42 min.
Tiempo de reducción decimal (D)
es el tiempo necesario para reducir la densidad de una población
al 10% del original a una T determinada (disminución de 1 orden)
D=-1/k=-1/pendiente D= ln 10/k
n=log (No/N) Factor de Reducción
Relación exponencial entre D y T
Z: pendiente de la recta
Expresa la capacidad relativa
de resistencia al calor de la
población microbiana
Representa el incremento de
temperatura medido en grados
centígrados necesario para
reducir 10 veces el tiempo de
reducción decimal (D)
n, D y Z: parámetros característicos de inactivación térmica de
un MO bajo determinadas condiciones
Medida cuantitativa de la sensibilidad del MO al calor bajo
ciertas condiciones (representa un cambio de T)
Concentración inicial de células (inóculo) A mayor número de células, mayor es el período de calentamiento o
mayor la temperatura para lograr destrucción total.
Tipo de organismo Células de especies diferentes tienen diferente resistencia al calor.
Células de la misma especie pero diferente edad (del cultivo) también muestran resistencia
diferencial. Las más jóvenes son más susceptibles a la destrucción térmica.
A mayor Temperatura óptima de crecimiento y temperatura máxima, mayor resistencia al calor.
Estado fisiológico de los MO (a continuación).
Presencia de bacterias que forman grumos, secretan polímeros o poseen cápsulas son más
resistentes.
Resistencia relativa hacia el calor húmedo
Células vegetativas 1
Virus 1-5
Esporos de hongos y levaduras 2-10
Esporos de bacterias 3000000
Humedad
Del agente Esterilizante
Del material a esterilizar
De las estructuras de las células
Células vegetativas-50ºC (90% H2O)
Esporos de hongos-80ºC
Endosporas bacterianas-120-130ºC (1% H2O)
Estado Fisiológico de los MO
pH La muerte de los MO es más rápida a pH ácidos
Disminución del valor z al disminuir el pH
Menor ionización de especies y mayor eficiencia
del agente
Inhibición del crecimiento de los MO
• 3D para productos con pH<4.5 y para bacterias
termófilas en productos con pH>4.5;
• 5D para productos con pH>4.5 (C. sporogenes);
• 6D para productos de frutas (Byssochlamys fulva);
• 12D para destruir C. botulinum
Composición del medio de cultivo
Objetos secos: condiciones más enérgicas
• Concentraciones altas de azúcares, proteínas y/o grasas
disminuyen la penetración del calor y aumentan la
resistencia de los MO.
• Alta concentraciones de sales pueden incrementar o
reducir la resistencia al calor, dependiendo el MO.
• Más favorable es el medio para el crecimiento de un MO,
mayor será la resistencia que tendrán.
• Eliminar microorganismos y partículas en suspensión de una solución.
• Usado para esterilizar líquidos sensibles al calor y gases.
• Aplicación: líquidos biológicos, enzimas, vitaminas, antibióticos, azúcares, aceites, algunos
tipos de pomadas, soluciones oftálmicas, soluciones intravenosas, drogas diagnósticas,
radiofármacos, medios para cultivos celulares, aire, gases, etc.
• No retienen virus ni proteínas (ni tampoco micoplasmas dependiendo del diámetro de poro
de la membrana).
Filtración por membranas
Tipos de Filtros
Filtro de Profundidad
Filtro de Membrana
Filtro Nucleopore (huella de
nucleación)
• Lámina o tapete hecho de matrices dispuestas al azar de
fibras de papel, asbesto o vidrio solapadas entre sí.
• El atrapamiento ocurre dado el espesor de la estructura.
• Son muy porosos, por lo que se suelen usar como
prefiltros para partículas de mayor tamaño.
• El más utilizado en microbiología.
• Polímeros con elevada resistencia con poros diminutos
(acetato y nitrato de celulosa, por ej.)
• Funcionan como un tamiz, reteniendo las partículas en
la superficie del filtro.
• Control preciso del tamaño de poro según las
condiciones de polimerización.
• Tratamiento de películas muy finas de policarbonato
con radiación nuclear y fracturando la película con un
producto químico.
• Separación y concentración del MO del líquido en un
único plano en la superficie del filtro.
• Útil para el recuento de MO
De mayor tamaño a los MO a separar. De porcelana porosa, yeso, celulosa, amianto
(prácticamente en desuso)
Pressure Driven Devices Millex
Filters (33 mm)
MillexÔ Filters (4, 13, 25 mm)
Tamaño de poro: 0.1-0.22, 0.45, 0.8, 5.0
µm
SterivexTM Filter Units
Millex 50 mm Filter Capsules
Tamaño de poro 0.1-0.45µm
SteripakTM Filter Units
Filtros de membrana de fibra hueca
https://www.youtube.com/watch?v=gmGp
PwSfhK0
Filtros de membrana en espiral
Filtración esterilizante de aire
Absolutos
Fibrosos (o profundos)
Más usados y eficientes
De lana de vidrio (borosilicatos);
suelen usarse como pre-filtros
HEPA (High-Efficiency Particulate air)
ULPA (Ultra-low Penetration air)
Mallas de fibra de vidrio dispuestas al azar y con
diámetros entre 0,0001 (ULPA) y 0,1-20 µm (HEPA)
Diferentes grados de filtración
Fotocatalíticos
De TiO2
Funcionan con luz UV
Germicidas
Usado como último filtro
Definición de aire estéril: de acuerdo a la FDA se considera que el aire es estéril
cuando sólo 1 célula sobre 107 células de Brevundimonas diminuta (0,2-0,3 µm) pasan
1 cm2 de área filtrante. Esto corresponde a un valor de reducción logarítmica D de
7/cm2. Los filtros suelen esterilizarse con VPHP (peróxido de hidrógeno en fase
plasma-vapor).
Control de los procesos de esterilización de los Agentes Físicos
Todos los procesos deben controlarse para asegurarse de que han funcionado adecuadamente.
Existen indicadores físicos, químicos y biológicos que se colocan en cada carga de esterilización para asegurar de que eso
ocurra.
Físicos
Calor: Medidores de presión y termómetros calibrados adecuadamente para analizar las condiciones físicas dentro de las
cámaras. Termógrafos: registra la temperatura y el tiempo durante la cual se mantuvo
Radiación: Vigilancia de las lámparas para el caso de las radiaciones
Filtración: Cambio periódico de filtros y del sistema estanco.
Químicos
Cintas adhesivas que se pegan al material a esterilizar que cambia de color cuando el material ha sido sometido a una
determinada temperatura y/o presión. No son completamente confiables porque indican que se llegó a cierta
temperatura, pero no cuanto tiempo ella se mantuvo. Hay 2 tipos: punto a punto y progresivas, siendo estas últimas más
confiables.
Biológicos
• Preparaciones de una población específica de esporas de microorganismos, altamente resistente a un proceso de
esterilización determinado.
• Usualmente, para evaluar la eficiencia biológica de un tratamiento de calor, se utilizan preparaciones comerciales
dispuestas en ampollas conteniendo 104-106 esporas de Geobacillus stearothermophilus.
• Se deben colocar junto con la carga de esterilización en el lugar que se considera más difícil que llegue el vapor. Luego,
la ampolla es quebrada y las esporas son liberadas al medio de cultivo contenido en el mismo, incubándose por 24-48
horas. Sí el indicador contenido en el medio, cambia de color, entonces el proceso de esterilización no fue satisfactorio.
• Control directo por inoculación del material esterilizado.
Compuestos antimicrobianos (esterilización
química)
• Compuesto químico, natural o sintético, que mata o inhibe el
crecimiento de los microorganismos.
• Toxicidad selectiva (presente en algunos compuestos, aunque otros
no la tienen).
• El elegido depende de las características del MO que se quiera
combatir, condiciones medioambientales y sociales, entre otras.
Germistático: Sustancias que inhiben el desarrollo de las células
microbianas (muchas mueren, pero un cierto número queda en
estado latente
Germicida: Sustancias que matan ya sea manteniendo la integridad
celular o destruyendo las células vegetativas y los esporos;
conduciendo a la llamada esterilización química
Germicida (no lítico)
Germicida (lítico)
Agentes Químicos
Sustancias químicas capaces de destruir un germen
patógeno que debido a su alta toxicidad celular se aplican
solamente sobre tejido inanimado, es decir material inerte,
objetos, ambiente y superficies
Desinfectantes y/o esterilizantes
Alcoholes
Iodo
Surfactantes
Organo-mercuriales
Colorantes
ATB*
Cloro y Compuestos Clorados
Aldehídos
Óxido de Etileno/Propileno
Compuestos Fenólicos
Ácidos y Álcalis
Antisépticos
Son sustancias químicas capaces de destruir un germen patógeno,
que sí pueden aplicarse en tejido vivo, ya que son de baja toxicidad
, pero sólo localmente, de forma tópica, en piel y mucosas
EQ
EQ
EA
Líquido
Gas
Gas-Plasma
Según Espectro
de Acción
Alto
Intermedio
Bajo
Esporicidas
Aumento de
selectividad
EQ: estructura química
EA: estado de agregación
Características de un Germicida ideal
En el tiempo
Inocuidad para los animales y el hombre
Alto poder de penetración
Mecanismos de acción
Destrucción o alteración de estructuras celulares
Pared Celular
Inactivación de reacciones enzimáticas
Lisozima y otras enzimas
Membrana Plasmática Tensoactivos y Polimixina
Proteínas Etanol, Metales Pesados y otros precipitantes
Ácidos nucleicos Colorantes
Reacción con grupos –SH esenciales para formar S-S (Hg y
agentes oxidantes)
Combinación con el Fe de las Ferroenzimas (CN-; CO)
Bloqueo de enzimas con análogos de coenzimas:
sulfonamidas
Inhibición de la formación de la PC: Penicilina
Inhibición de la traducción: análogos de aa, cloranfenicol,
estreptomicina
Inhibición de la replicación y transcripción: análogos de
purinas y pirimidinas, algunos ATB
La alteración de una estructura celular
y/o una vía metabólica esencial, la célula
sufre autolisis (autodigestión)
Acción de
otras
enzimas
ARN-polimerasa
ÁCIDOS
NUCLEICOS
SÍNTESIS
PROTEÍNAS
ADN girasa
VÍAS METABÓLICAS
PARED CELULAR:
Peptidoglicano
MEMBRANA
Antisépticos
Desinfectantes y esterilizantes
Más usados en
industrias por su
poder
esterilizante
Agentes químicos más empleados
• DESINFECTANTES
- Alcohol
- Fenol
- Jabones
- Detergentes catiónicos
- Sol. cloradas
- Ácidos y álcalis
- Formaldehído
- Óxido de etileno
- Glutaraldehído 2%
• ANTISEPTICOS
- Alcohol etílico 70 %
- Clorhexidina
- Jabones
- Detergentes
- Sol. Yodadas
- Metales pesados
- Peróxido de Hidrógeno 3-6%
Ácidos y álcalis
• HCl
• H2SO4
• HNO3
• HF (+Mg2+)
• H2SO3 (SO2 y sales)
• H3BO3
• Ácido Perácetico
• Acético
• Propiónico
• Butírico
• Láctico
• Benzoico
• Sórbico
• NaOH e KOH
• Na2CO3 (caliente)
• Na3PO4 (caliente)
• CaO y Ca(OH)2 (desinfección pisos)
Efecto por acidez
Efecto Antiséptico
No debido a la acidez
SCFA
Inhibidores de G(+) y G(-)
También hongos y levaduras
Alta concentración de OH-
Agentes conservantes en alimentos
Inhibidores de hongos, levaduras y G(-)
Acción sobre las proteínas,
ácido nucleicos y
membranas (Cloración)
favoreciendo su acción
1-5 ppm de Cloro Libre
Esporicida; es uno de los más
utilizados en el laboratorio
Especies activas: HClO, Cl2 y
cloraminas
Óxido de Etileno
Características Mecanismo
de acción
Condiciones
de uso
Desventajas
ATB* y sus mecanismos de acción Se consideran agentes quimioterápicos
• Agentes antimicrobianos de
mayor toxicidad selectiva
• Ejercen su acción dentro del
organismo (pueden
utilizarse internamente)
para tratar ciertas
enfermedades
• Origen natural o sintético
Factores que afectan la acción de los agentes antimicrobianos
• Naturaleza de los MO a controlar
• Concentración de los microrganismos
• Tiempo de exposición
• Concentración o dosis del agente
• Temperatura
• Efecto Matriz
• Otros factores que intervienen en el acceso del desinfectante a los microorganismos
PRIONES (EJC)
ESPORAS BACTERIANAS (Bacillus spp., Clostridium spp.)
MICOBACTERIAS (Mycobacterium tuberculosis)
VIRUS PEQUEÑOS SIN ENVOLTURA (Poliovirus)
BACTERIAS GRAMNEGATIVAS (Pseudomonas spp.)
HONGOS (Aspergillus spp., Candida spp.)
VIRUS MEDIANOS SIN ENVOLTURA (Adenovirus)
BACTERIAS GRAMPOSITIVAS (Staphylococcus spp.)
VIRUS CON ENVOLTURA (HIV, VHB)
Relación
decreciente
de
resistencia
Naturaleza del MO a controlar
Naturaleza del MO a controlar
Fase del cultivo
Carga Microbiana
Tiempo de exposición
• Fenómeno gradual donde la mayoría sensibles
mueren rápidamente; luego, aquellas más
resistentes
• La curva de muerte suele seguir una inactivación de
primer orden aunque suele presentar desviaciones
Concentración
Como un MO no es susceptible a un agente en la misma
forma, tampoco presentan la misma tasa de muerte
(tiempo óptimo para cada concentración específica)
• Varía con el tipo de agente y con el MO
• Una misma concentración del agente puede producir
efectos diferentes en diferentes MO
Cn x t = K n y K son constantes; C: concentración del
germicida; t: tiempo
• Relación exponencial entre el tiempo y la concentración
de un germicida para la destrucción microbiana:
A > [agente], < t de destrucción aunque a medida que la
concentración aumenta, también lo hacen los efectos no
deseados.
Temperatura
• Generalmente, La eficiencia se
incrementa al aumentar la T, debido a
que las reacciones químicas que el
agente ejerce (mecanismo de acción)
son favorecidas por la temperatura;
• Ej: la acción del fenol se duplica cuando
aumenta la T en 10ºC por encima de la
Tópt de crecimiento del MO.
• Al incrementar la humedad, también
suele aumentar la eficacia de los
antimicrobianos, probablemente
debido a cambios en la constante
dieléctrica que estimular ciertas
interacciones no covalentes que
provocan una entrada más fácil de las
sustancias.
Humedad
Naturaleza del medio
• La presencia de macromoléculas
(proteínas principalmente), reduce y
ocasionalmente anula la acción de
ciertos antimicrobianos (sales de Hg,
Ag, oxidantes, Cl2, etc.).
• Combinación de las
proteínas con los agentes
• Efecto de protección celular
pH Afecta tanto a los MO como al agente antimicrobiano
A pH >7 hay aumento de la carga negativa de los MO, lo que afecta la [agente] sobre la célula
El pH determina el grado de disociación y la eficacia del agente químico. A menor
disociación, mayor permeabilidad y mayor efectividad
Sales
Tanto el pH como las sales
pueden aumentar o
disminuir la eficacia de un
antimicrobiano, siendo
ambos variables a diversos
factores
Aniónicos: más efectivos a pH ácidos y catiónicos: mejores a pH básicos
Influencia de la matriz
• Presencia de materia orgánica
• pH
• Actividad acuosa
• Humedad ambiente
• Formación de biofilms
Comunidades de MO que
crecen sobre una matriz de
EPS adheridos a tejidos vivos
y/o inertes
Diseño de un método de desinfección
• Patógeno
• Matriz
• Temperatura
• Concentración de uso
• Tiempo de contacto
• pH
• Formulación
Método de Desinfección
Valoración de la potencia de los compuestos antimicrobianos
• Coeficiente Fenólico (técnica oficial del AOAC)
• Método de los 5
• Método de la caja de Petri
A. Hoyo
B. Discos de papel
C. Oxford-Floray
Dos formas
Adicionando cantidades diferentes del AM frente a un medio previamente
sembrado con cierto MO (concentración definida) y observando si hay
desarrollo
Dejando en contacto el MO con la solución del antimicrobiano durante un
tiempo definido, para luego repicar una concentración conocida de las
mismas en un medio de cultivo fresco, incubando y observando si existe o no
desarrollo (más usada)
Coeficiente fenólico
• Da una medida de la actividad bactericida de un compuesto químico en relación con
la capacidad biocida del fenol.
• Es ahora en gran parte de interés histórico, aunque los principios en que se basa
todavía son usados.
• El método estandarizado para obtener el valor del coeficiente fenólico, es una
modificación de la técnica de dilución en tubo, en la cual se prepara una serie de
tubos conteniendo cada uno 5 ml de diferentes diluciones del desinfectante. A la vez
se prepara una segunda serie de tubos que contengan diferentes diluciones de fenol.
Cada tubo de las dos series se inocula con 0,5 ml de un cultivo de 24 h del
microorganismo utilizado como prueba o referencia. Todos ellos se colocan en un
baño termostático a 20ºC. A los 5, 10 y 15 min se recoge una cantidad alícuota de
cada tubo que se inocula en otro tubo que contenga medio de cultivo estéril. Estos
tubos inoculados se incuban durante 24-48 h y se observa el crecimiento del
microorganismo (aparición de turbidez).
• La mayor dilución del desinfectante que mate a los microorganismos en 10 min pero
no los mate en 5 min se divide por la dilución mayor de fenol que dé los mismos
resultados.
• El número obtenido es el coeficiente fenólico de ese desinfectante.
Técnica de difusión en placa con discos de papel
Pruebas de eficacia de antimicrobianos sobre superficies
In-use test
Material no poroso
Material Poroso
https://www.youtube.com/watch?v=bHq_LFlwdjs
1 2
3 4
Use-dilution Test
• Desinfección de superficies
• Tiempo de muerte sobre superficies
107
REQUERIMIENTOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS DISTINTOS MÉTODOS DE ESTERILIZACIÓN
108
Controles de Calidad de los Procesos de
Esterilización
• Fellows PJ. Food Processing Technology. Principles and Practice. Woodhead Publishing Series in Food
Science, Technology and Nutrition. Elsevier, EEUU, 1226 p.
• https://www.orbitaingenieria.com/es/team/fermentadores
• https://slideplayer.es/slide/5431959
• https://slideplayer.es/slide/13166020/
• https://pharmawiki.in/ppt-steam-sterilization-theory-and-equipment/
• https://seguridadbiologica.blogspot.com/2016/07/hipoclorito-de-sodio-como-agente.html
• http://odont.info/clasificacin-general-de-las-operaciones-de-membrana.html
• https://www.aigues.net/introduccion-a-las-membranas-i-tipos-de-filtracion/
• https://slideplayer.es/slide/11176941/
• http://segualimentari.blogspot.com/
• http://www.microinmuno.qb.fcen.uba.ar/Seminarioesterilizacion.htm
• Madigan y colaboradores. 2015. Brock. Biología de los Microorganismos, 14º edición, Pearson Education,
EEUU, 1042 p.
• Simonetta AC y colaboradores. 1984. Apuntes de la cátedra. Métodos Físicos y Químicos de control
microbiano.
• Smit G. 2003. Dairy Processing. Improving quality. Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC,
Cambridge, Inglaterra, 565 p.
• Spreer E. 2017. Milk and Dairy Product Technology. Marcel Dekker Inc, EEUU, 498 p.
Bibliografía

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11. Teoría Control F y Q de los MOs. Teoría. 2022.pdf

  • 1. Control de los Microorganismos. Métodos Físicos y Químicos Cátedras de Microbiología y Biotecnología. Departamento de Tecnología de Alimentos y Biotecnología Principios de Biotecnología / Microbiología General Ingeniería Química / Licenciatura y Profesorado en Química
  • 2. ¿Por qué controlar el crecimiento? El objetivo de controlar el crecimiento microbiano es reducir (o eliminar totalmente) la carga microbiana o el número de microorganismos viables presentes en un material, alimento o en una solución (dependiendo el caso). - La presencia de los mismos puede generar efectos indeseables tanto sobre el objeto contaminado como hacia aquel que lo manipula. - Impedir o prevenir la transmisión de los mismos evitando infecciones y contaminaciones protegiendo la integridad física de los seres vivos (salud pública). - Impide trabajar con aquellos sistemas donde un microorganismo o grupo de ellos se adicione intencionalmente y potencialmente al mismo con el objetivo de evaluar sus efectos; también en el caso de que no sean necesarios los mismos (fines diagnóstico y de investigación). Las medidas de control de los microorganismos son la descontaminación (sanitización), la desinfección y la esterilización.
  • 3. • Limpieza: eliminación de la suciedad y materia orgánica. Acción mecánica exclusiva. NO necesariamente existe reducción de los MO. • Descontaminación o sanitización: proceso parcial de eliminación de agentes contaminantes. Remoción de materia orgánica y suciedad de los objetos con agua, detergente y acción mecánica. Reducción cuantitativa del número de MO (proceso físico y químico). • Antisepsia: control y reducción de la presencia de MO (potencialmente patógenos) sobre superficies (en forma tópica) y aplicado específicamente a seres vivos (proceso químico). • Desinfección: proceso de eliminación o reducción “selectiva” de la carga microbiana sobre superficies inanimadas (proceso químico). NO elimina (todos) los endoesporos. • Esterilización: acción física o química mediante la cual se logra la pérdida de la viabilidad o la separación física (daño letal o muerte) de todos los microorganismos que contiene un objeto o sustancia, y que se encuentran acondicionados de tal forma que no pueden contaminarse nuevamente. - Es un estado absoluto, no hay grados de esterilidad. - Estrictamente, es la eliminación de células vegetativas, esporas y virus. Estrategias de Control de los MO
  • 4.
  • 5.
  • 6. Factores a considerar en la selección del método •Microorganismos: - Grado de muerte microbiana requerido - Naturaleza microbiana (virus, bacterias, hongos, etc.) •Instrumental - Uso al que se destine - Naturaleza del objeto a tratar •Objeto inanimado o ser vivo •Costo del procedimiento •Facilidad/accesibilidad de la técnica •Impacto medioambiental
  • 7. Métodos Físicos Procesos físicos: •Calor: Seco Húmedo •Radiaciones: Ionizantes No ionizantes •Ultrasonidos •Microondas •Filtración Pérdida de Viabilidad de los MO Separación de los MO
  • 8. Calor • Utilizado universalmente en la práctica, ya que todos los MO son susceptibles al mismo. • Ventajas: - Se aplica a gran variedad de materiales; - Sencillo; - Seguro (fácil control y aplicación); - Económico - Rápido; - Eficaz; • Mecanismo de acción Desnaturalización de proteínas y del DNA Fusión y desorganización de las membranas Procesos oxidativos irreversibles
  • 9. Uso de altas temperaturas para destruir los MO 1. Calor directo: flameado 2. Calor seco 3. Calor húmedo 4. Incineración Pasteurización Vapor Fluente Tindalización Esterilización (vapor bajo presión) Esterilización comercial (canning)
  • 10. • Esterilización por calor seco por contacto directo de la llama de un mechero de materiales inertes como ansas, agujas, pipetas, varillas o bocas de balones de vidrio, tubos, entre otras. Flameado
  • 11. Flameado por calor seco generado por microondas • Cuenta con un elemento central libre de asbesto, que utiliza el calentamiento infrarrojo para producir 815⁰C. • Esteriliza al instante (3-5 segundos) asas, instrumentos de borosilicato o metal, bocas de pipetas y demás material utilizado en el laboratorio. • El elemento de calentamiento está protegido por una cámara de acero inoxidable perforada, para proteger al usuario contra un contacto accidental. • Evitan la aerosolización de los materiales presentes en las asas bacteriológicas. • Pueden utilizarse dentro de las cabinas de seguridad biológica, a diferencia de los mecheros, ya que estos alteran los flujos de aire y están contraindicados. Ventajas sobre el flameado por llama
  • 12. Calor Seco • Penetración del aire caliente a los materiales. Requiere mayor tiempo de esterilización, respecto al calor húmedo, debido a la baja penetración del calor. • No es corrosivo para metales e instrumentos. • Permite la esterilización de sustancias en polvo y no acuosas, y de sustancias viscosas no volátiles. • Produce desecación celular, efectos tóxicos por altos niveles de electrolitos. • Acción oxidante del aire seco caliente que circula por convección forzada a través de los productos. La muerte microbiana se produce como consecuencia de mecanismos de transferencia de energía y oxidación Mecanismo microbicida
  • 13. Estufas de convección de aire Temperatura Tiempos 180º 30´ 170º 60´ 160º 120´ 150º 2h. 30´ 140º 3h 120º > 6 h natural forzada Más usadas (mejor control de la temperatura)
  • 14. Ciclo de esterilización de una estufa de esterilización Aplicaciones ◼ Textiles ◼ Material quirúrgico metálico no corrosible ◼ Materiales no alterables por el calor ◼ Vidrios ◼ Soluciones muy viscosas no volátiles ◼ complejos farmacológicos en polvo ◼ compuestos grasos, parafinas, aceites, etc. Uso del equipo • La cámara se debe encontrar en perfecto estado de limpieza. • La distribución de la carga debe permitir la libre circulación del agente esterilizante en la cámara. • Cada paquete debe quedar separado de los vecinos y no debe estar en contacto con las paredes, piso y techo del esterilizador. • La carga del esterilizador constituida preferentemente por materiales semejantes no debe superar el 80% de la capacidad total de la cámara. • El acondicionamiento y disposición de la carga se realiza teniendo en cuenta que el calor seco es un agente esterilizante de masa. • Durante el ciclo de esterilización no debe abrirse la puerta del esterilizador. • Cuando el material a esterilizar sea mal conductor del calor (talco) éste debe disponerse en capa delgada en cantidad necesaria para un solo uso.
  • 15. Calor Húmedo • Penetración del vapor de agua a los materiales a ser esterilizados. Gran rapidez debido al elevado coeficiente de transferencia de calor del vapor (energía de condensación). • Dos modalidades: a presión atmosférica (vapor fluente) para sustancias termolábiles (100ºC, 30 min) y a presión incrementada (el más usado y eficiente). • Es el método de elección siempre que sea aplicable. • Aplicable a todos los materiales con excepción de: - Aquellos que se quieran obtener secos; - Que formen emulsiones con el agua; - Que se corroan;
  • 16. Mecanismo microbicida Su efecto esterilizante se fundamenta en la acción del calor latente de vaporización que posee el agua transmitido por el vapor saturado, a una presión superior a la normal, hacia los componentes celulares, produciendo desnaturalización y coagulación proteica, ruptura de DNA y RNA y pérdida de material de bajo peso molecular, logrando así inactivación de los microorganismos. Con los esporos bacterianos, se observa una pérdida progresiva de los constituyentes celulares, entre ellos de ácido dipicolínico y calcio, los cuales están involucrados en la resistencia a la desnaturalización térmica de las proteínas.
  • 17. Tipos de Esterilizadores por vapor bajo presión (autoclave) Flujo de vapor a presión pulsante (SFPP) Por producción de vapor In situ (tipo Chamberland) (1 cámara) Por remoción de aire Desplazamiento por gravedad El aire es removido por gravedad, cuando entra el vapor en la cámara, el aire frío que se encuentra en ella tiende a salir por el conducto que se encuentra en la parte inferior de la cámara. Este proceso es muy lento y favorece la permanencia de aire residual en la cámara. Esterilizador con ciclo prevacío Tienen una bomba de vacío que retira rápidamente todo el aire de la cámara, de modo que el vapor se introduce a mayor velocidad dentro de la cámara, mejorando la eficiencia del autoclave al eliminar las bolsas de aire e incrementar la velocidad del proceso. Constituye un sistema mucho más eficiente que otros. Tiempos estimados: 132ºC por 4 min (1 o más ciclos) Tiempos estimados: 121ºC por 15 ó 30 min Uso frecuente en laboratorios Menor aplicabilidad en industrias e instituciones Conocidos también como remoción dinámica de aire Por introducción de una corriente de vapor (2 cámaras) Remoción rápida del aire por introducción repetitiva y alternada de una corriente de vapor y pulso de presión por encima de la presión atmosférica. Usados para materiales huecos, porosos, empaquetados fuertemente, con aperturas huecas muy pequeñas, prótesis, etc.
  • 18.
  • 19. Etapas de Funcionamiento del Autoclave Puesta en Marcha Se cierran las puertas herméticamente para que la cámara quede sellada. Expulsión de Aire En esta fase se eliminara el aire contenido en la cámara y se favorecerá a la eliminación posterior del aire dentro de los paquetes y de los contenedores. Para ello se inyecta vapor en la cámara y se activa el sistema de vacío. Preparación Para la extracción del aire de los productos y de la cámara, se realiza una serie de fases (hasta cuatro) de inyección de vapor (de recámara a cámara) seguidas de fases de vacío (prevacío), mediante el sistema de vacío, para eliminar completamente el aire restante. Calentamiento Se introduce vapor en la cámara y en el interior de los contenedores, hasta alcanzar la temperatura y presión de esterilización. Esterilización Se mantiene constante la temperatura y presión en la cámara durante el correspondiente tiempo de esterilización. Desvalorización El vapor de la cámara es eliminado por el sistema de vacío y se produce un descenso de la presión. Secado Se inicia un vacío final, profundo y duradero. Se mantiene el vapor en la recámara, para mantener caliente la cámara y ayudar a secar el producto a fin de evitar todo tipo de recontaminación bacteriana durante el transporte y el almacenamiento. Igualación Entrada de aire atmosférico a la cámara, a través de un filtro de aire estéril, para compensar la presión de la cámara (que estaba en depresión) con la atmosférica. El vapor utilizado se condensa y se convierte en agua transportándose a un depósito. Finalización del Proceso Se liberan las puertas para que puedan ser abiertas.
  • 20. Técnicas de esterilización Por lotes (o discontinua) Todo el aire debe ser eliminado antes del ciclo de calentamiento, ya que mezclas de aire y vapor a una presión determinada alcanzarán una temperatura más baja que la del vapor puro a la misma presión. Al final del tiempo de mantenimiento debe permitirse un tiempo adecuado de enfriamiento durante el cual la presión debe descender lentamente. La liberación brusca de la presión causa roturas o violento burbujeo y derrame del contenido al hervir. Cuando se carguen montajes, como fermentadores, se debe tener cuidado acerca del estado de las válvulas y los cierres para permitir el acceso del vapor a los recipientes. Se realiza en autoclave o en la misma cuba de fermentación Directo Indirecto In situ Autoclaves Vasijas relativamente pequeñas para la esterilización por vapor de volúmenes de hasta unas decenas de litros, para fermentación a escala de laboratorio y para la esterilización de fermentadores pequeños, y (por extensión) para ciertos productos estériles en la industria. Inyección de vapor a presión directamente en el medio de fermentación (mosto) Un fermentador grande tiene generalmente adaptadas las tuberías y las válvulas necesarias para la esterilización de la vasija y de las tuberías de alimentación asociadas mediante inyección directa del vapor. En algunos casos puede añadirse al fermentador ya estéril el medio esterilizado separadamente, pero también es posible esterilizar el lote de medio in situ. Si se utilizan inyecciones directas de vapor se debe tener en cuenta el hecho de que entre 10 y 20 % del volumen final serán debidos a condensación. La eficiencia térmica de este proceso es alta, pero la fuerte formación de espuma durante el burbujeo y la viscosidad del medio puede limitar la transferencia del calor.
  • 21.
  • 22.
  • 23.
  • 24. Parámetros de las cinéticas de inactivación de diferentes MO
  • 25. Técnicas de esterilización Continua Indirecto Por lotes (o discontinua) Se lleva a cabo indirectamente pasando vapor de agua a través de una espiral de intercambio de calor o de una camisa. En vasijas encamisadas, el área que existe de transferencia de calor dependerá del diámetro del tanque y cuanto más grande sea la vasija más lenta será la velocidad de calentamiento. Para sistemas con espirales internos la relación área/volumen puede permanecer más o menos constante cualquiera sea el tamaño del reactor. El calor en este procedimiento es menos eficiente que por inyección directa y en ambos casos permanecen los problemas de enfriamiento, generalmente conseguido mediante espirales. Tratamiento térmico controlado en cuanto a tiempo y temperatura mientras fluye continuamente entre 2 equipos o estanques. Ventajas sobre el sistema por lotes • Tiempos más cortos y temperaturas más altas; • Menor daño térmico del medio; • Mejor control sobre el proceso; • Mejor reproducibilidad; • Equipo compacto; • Menor mano de obra; • Menor gasto de vapor. Desventajas sobre el sistema por lotes • Instalación más rígida en cuanto a cambios de condiciones de operación; • Gran cuidado en el diseño, montaje y operación del sistema para mantener la esterilidad; • Problemas de sobre (o sub) esterilización de ciertas zonas del líquido; • No adecuado para instalaciones pequeñas (laboratorio, piloto).
  • 26. Equipos de esterilización continua El calentamiento se logra por adición de vapor directamente al medio, alcanzándose la temperatura de esterilización rápidamente (2-4 seg). El tiempo de esterilización es de 1-4 min. El medio circula por la cañería y luego de cumplido el tiempo se enfría bruscamente por expansión desde la presión de esterilización dada por el vapor hasta una presión cercana a la atmosférica. Al caer la presión, el líquido ebulle y se recupera el medio en su composición (volumen) casi constante y simultáneamente, recuperar un vapor de baja presión (que podría ser usado en tareas de calefacción o precalentamiento). El calentamiento indirecto con intercambiadores de calor es más rápido, lográndose la temperatura de esterilización en 20 s y manteniéndola por 2-4 min. Temperatura de 135ºC Mayor T que la discontinua, pero menor tiempo Extremadamente eficiente en la recuperación energética (> 90%) Se lo diseña como flujo pistón y la longitud L (tiempo de residencia) es el parámetro más relevante
  • 29. • Tratamiento con vapor de agua a ebullición a presión atmosférica (T=100 ºC). • Usado en sustancias termolábiles que no admiten calentamientos superiores a esta temperatura, ya que se degradan o alteran irreversiblemente. • El modo de operación es trabajar en el autoclave con la válvula de seguridad (espita) abierta por un tiempo no menor a 30 min. Vapor fluente
  • 30. Tindalización (esterilización fraccionada por vapor) • Es una variante de la esterilización en vapor fluente (que ocurre a 100ºC). • Protocolo estándar: Calentar a 80º C por 30 min, luego incubar el medio 24 h a 37º C y repetir el ciclo por 3 a 5 días sucesivos. La temperatura elegida dependerá del tipo de material/sustancia a esterilizar. • También se puede usar el ciclo del vapor fluente (100ºC por 30-60 min). • Para materiales que no resisten temperaturas altas (termolábiles o volátiles). • No es muy utilizada y ha sido reemplazada por la filtración de membrana. No todos los esporos germinan en este tiempo de tratamiento, por lo que no asegura su eliminación completa. Choque térmico NO recomendada para la industria de conservas de alimentos USADA para esterilizar leche, suero o ciertos medios de cultivo
  • 31. Pasteurización • proceso térmico realizado a líquidos (generalmente alimentos) con el objeto de reducir la carga microbiana patógena que puedan contener, tales como bacterias, protozoos, mohos y levaduras. • Alteración mínima de la estructura física, los componentes químicos y las propiedades organolépticas. • NO destruye las esporas de los microorganismos, ni elimina todas las células de microorganismos termofílicos, pero elimina del 97-99% de los MO patógenos presentes. • Existen tres tipos de procesos bien diferenciados: a) Pasteurización VAT o lenta ( a baja temperatura). b) Pasteurización a altas temperaturas durante un breve periodo de tiempo (HTST - High Temperature/Short Time). c) El proceso a ultra-altas temperaturas (UHT - Ultra- High Temperature). Proceso VAT Calentamiento de grandes volúmenes de leche en un recipiente estanco a 63 ºC durante 30 min y dejar enfriar lentamente (24 h hasta envasado). Usada para leche para quesería. Proceso HTST Empleado en los líquidos a granel (leche, zumos, cerveza, vino, sidra, etc.). Es el más conveniente, ya que expone al alimento a altas temperaturas y tiempos cortos (72ºC, 15 s) seguido de rápido enfriamiento; se necesita poco equipamiento industrial para poder realizarlo. Puede ser batch o continuo Proceso UHT Es de flujo continuo. Consiste en exponer la leche durante un corto plazo (de 5 a 8 segundos) a una temperatura que oscila entre 150 y 200 °C y seguido de un rápido enfriamiento, no superior a 40 °C. Se consigue la denominada “esterilidad comercial”
  • 32.
  • 33. Pasteurización La acidez influye profundamente en las condiciones usadas con este método Bebidas ácidas (como vinagre), vinos ácidos y con alto contenido de alcohol: 55ºC Vinos poco ácidos y alcohólico: 70ºC Cerveza: Tratamiento más severo (calentamiento del producto embotellado hasta 63ºC en 50 min y manteniendo 20 min a esta temperatura). Tratamiento leve Alcohol, taninos y acidez contribuyen a disminuir la intensidad del tratamiento Condiciones perjudiciales para la viabilidad microbiana
  • 34. Procesos de tratamiento térmico Perfiles de tiempo-temperatura para los procesos térmicos Influencia del proceso de tratamiento térmico sobre la calidad de la leche
  • 35. Esterilización comercial (canning o enlatado) • Inactivación o inhibición de microorganismos (o sus esporas), evitando que crezcan para eliminar las posibilidades de intoxicación por el alimento o problemas de salud en las condiciones normales de almacenamiento y sin refrigeración. • Proceso mediante el cual los alimentos llenados y cerrados herméticamente en latas u otro tipo de envases similares se someten a tratamiento térmico a alta temperatura durante el tiempo suficiente para reducir la población de microorganismos y reducir el riesgo de desarrollo de toxinas por fermentación durante el almacenamiento a temperatura ambiente. • El proceso de esterilización más común es el dedicado a la reducción de colonias de Clostridium botulinum, una bacteria capaz de formar esporas de una toxina capaz de causar una intoxicación mortal conocida como botulismo. • Es el principal sistema aplicado a la conservación de alimentos a largo plazo que, junto con el frío y la desecación, es uno de los tres grandes sistemas de conservación.
  • 36. Esterilización comercial (canning o enlatado) • Es un método de preservación donde un alimento y su envase se esterilizan mediante la aplicación de calor, en combinación con el pH, actividad de agua u otros agentes químicos. • El envase herméticamente sellado mantiene la esterilidad del alimento. Los envases pueden ser contenedores de metal, vidrio, plástico, bolsas laminadas, cajas de cartón, tetra pak, etc. Se habla de esterilidad comercial porque el tratamiento de esterilización es menos severo que una esterilización total y absoluta, la cual es difícilmente alcanzada ni necesaria, ya que suele conllevar a generar alimentos de menor calidad en cuanto a sus propiedades organolépticas y nutricionales. Solo ciertos esporos resistentes al calor (aquellas provenientes de MO termófilos, pero necesitan temperaturas elevadas para su germinación Combina calor, vacío
  • 37.
  • 39. • Concentración de microorganismo; • Actividad acuosa; • En la formulación del producto encontramos la naturaleza del medio y los ingredientes agregados. El objetivo es inactivar las esporas de C. botulinum. Para ello, para alimentos de acidez media o alcalinos, es preciso garantizar en el alimento un mínimo tiempo de tratamiento térmico. Esto se logra calentando a 121ºC por 2,45 min, lo que garantiza una disminución del valor D en 12 veces (conocido como 12D) y equivale a un Z = 10ºC.
  • 40.
  • 41. Ventajas del canning • El enlatado es un método de conservación muy seguro; • De excelente trazabilidad; • Permite la producción de alimentos nutritivos y estériles; • Su duración puede prolongarse años; • Amplia gama de productos; • Adaptada a las cantidades (raciones) que se deseen; • Envases reutilizables y reciclables; • Moderna tecnología; • Alimentos listos para usar o consumir con buenas propiedades sensoriales; • Seguridad microbiológica; • Ahorro debido a consumos energéticos reducidos (optimizados) y bajos costos de empaque; • El proceso puede optimizarse para lograr una alta calidad del producto mediante la modificación de las condiciones del tratamiento térmico; • Amplia regulación a través de más de 50 normas nacionales e internacionales.
  • 42. Esterilizador hidrostático continuo para canning • Esterilizador en continuo con sobrepresión para la estabilización térmica de los alimentos envasados en hojalata. • El ciclo térmico está dividido en tres secciones: - Calentamiento con sobrepresión, (normalmente 115°C y 0,5 atm o 121ºC y 1 atm); - Parada/pre-refrigeración con sobrepresión 0,5 bar; - Refrigeración con presión atmosférica. • El sistema de transporte de los envases, en las secciones del esterilizador, está formado por una serie de barras cuyo movimiento es obtenido mediante dos catenarias paralelas. El perfil especial de las barras permite sujetar y girar los envases garantizando un intercambio térmico óptimo. La instalación puede ser configurada "a bote parado" o "a bote giratorio", según el producto y los requisitos del cliente. • El sistema de intercambio térmico utilizado, tanto para el calentamiento como la refrigeración, es la recirculación forzada del agua. Los sistemas hidráulicos están formados por los elementos siguientes: bomba, filtro, intercambiador de calor y boquillas nebulizadoras. • El ahorro energético es una de las ventajas fundamentales de esta instalación y está garantizado por las siguientes soluciones: - Dispersión del calor minimizada mediante el sistema de columna hidrostática. - Recuperación total de la condensación de vapor mediante el intercambio directo vapor/agua y agua/producto. - Sección de parada/pre-refrigeración que transmite el calor de los envases en fase de salida a los envases en fase de entrada. • El sistema de carga y descarga robotizado que controla la entrada y la salida de los envases de la instalación permite realizar las operaciones de cambio del formato sin detener la instalación y sin intervenciones mecánicas. • El panel eléctrico incluye también una sección dedicada a la potencia formada por una serie de inverters de accionamiento para todos los motores, y otra sección dedicada a la lógica programable y la interfaz usuario.
  • 43. • Esterilizador automático de funcionamiento continuo en el que la presión (en forma de vapor) se introduce mediante columnas de agua de una altura adecuada. • Sistema abierto donde puede usarse vapor a una presión superior a la atmosférica equilibrándolo con la presión atmosférica. • Está formado por 3 cámaras verticales comunicadas en su parte inferior; • La cámara de esterilización está cerrada y las otras 2 abiertas; al calentar la central genera vapor y la misma tiene una cubierta resistente a la presión. Esta presión hace ascender el nivel del líquido en las otras dos cámaras alcanzándose un equilibrio, mientras que las latas penetran en forma continua mediante una cinta transportadora. • Las columnas tienen una altura de 11 m para 116ºC y 14 m para 121ºC. • Tratan de 1000-6000 envases/h • El tiempo de paso está entre 10 y 120 min • Extremadamente eficientes en su ahorro energético Precalentamiento Refrigeración Esterilización
  • 44. Esterilizador rotatorio automático continuo Sterilmatic Sistema Hydrolock Sistema autoclave de tambor y espiral Esterilizador de flama o Steriflame
  • 45. Radiaciones No ionizantes • poca penetrabilidad (ideal para superficies poco porosas). También se utiliza en aire y agua; • fácil manipulación y relativamente poco costosa; • genera peróxidos y produce ceguera: • Radiación UV (generada por una lámpara de vapor de Mercurio): Longitud de onda de mayor efecto bactericida es de 265 nm • Mecanismo de acción: fundamentalmente sobre el DNA celular. Absorción fuerte de luz UV por las bases nitrogenadas causando la formación de dímeros de timina, lo que altera la estructura 3D del DNA provocando defectos en la replicación y transcripción. Finalmente, esto causa mutaciones irreversibles que llevan a la muerte celular. Su eficiencia depende de: Tipo de radiación Tiempo de exposición Dosis MO
  • 46. Ionizantes (producción de iones y electrones de alta energía) • Rayos X y Gamma, siendo esta última más eficiente y segura (Fuente de Co60 y Cs137); • Para elementos que no soportan el calor y la humedad (jeringas, catéter, materiales médicos, quirúrgicos y de origen biológico: medicamentos, alimentos, plásticos) • Altas medidas de seguridad y costo elevado. • Gran penetrabilidad y rápida acción (segundos). • Mecanismo de acción principal: Generación de radicales libres por ionización del agua (indirecto a la ionización).
  • 47. Radapertización (esterilización por radiaciones) • Tratamiento de los alimentos con radiación ionizante hasta una dosis suficiente para reducir el nivel de microorganismos hasta niveles de esterilidad, de tal manera que no se detecte prácticamente ningún organismo (excepto virus) en el alimento tratado. Se consigue la esterilidad comercial del producto. • La dosis usual está en el rango de 35 a 40 Kilograys. Raditización • Tratamiento de los alimentos con una dosis de radiación ionizante suficiente para reducir el nivel de organismos patógenos no esporulados, incluyendo parásitos, hasta un nivel no detectable por cualquier método. • Eficaz en alimentos preenvasados, eliminando de este modo la contaminación cruzada. • La dosis requerida es de 2 a 8 kGy. Radicidación • Tratamiento de los alimentos con una dosis de radiación ionizante suficiente para alargar la vida útil de los alimentos mediante la reducción de los microorganismos (destrucción de los MO sin esterilizar). • La dosis requerida es de 0.4 a 10 kGy. Radurización • Destrucción de MO causantes de alteraciones (aumenta la vida útil). Reducción del número de microorganismos alterantes viables específicos. Similar a la pasteurización. • La dosis requerida es de 0.75 a 2,5 kGy.
  • 48. Alimento Objetivo Dosis (kGy12) Dosis Bajas Papas, cebolla, ajos. Alargar el periodo de almacenamiento por Inhibición de brotes. 0,05 - 0,15 Frutas y verduras (champiñones) Mejorar las propiedades de almacenamiento retrasando la maduración 0,25 - 1,0 Frutas Tratamiento de cuarentena a través de la muerte y esterilización de insectos. 0,2 - 0,7 Carne Destrucción de parásitos (Trichinella spiralis) para impedir la transmisión al hombre por vía alimentaría. 0,3 - 0,5 Dosis medias Ciertas frutas y verduras Mejorar las propiedades de almacenaje reduciendo en más del 99% el número de bacterias, hongos y levaduras. (8) 1 - 3 Carne vacuna, pollos, pescados Extender el período de almacenamiento en refrigeración, durante varios días y hasta semanas, reduciendo el número de microorganismos capaces de crecer a bajas temperaturas. 1 - 5 Dosis altas Carne Esterilizar alimentos para permitir un almacenamiento a largo plazo sin refrigeración, destruyendo microorganismos patógenos. 25 - 45
  • 49. ESTERILIZACIÓN EN HORNO DE MICROONDAS • Usado para ciertos materiales, especialmente para la esterilización de telas y de ciertos plásticos y material quirúrgico • También empleado en alimentos para reducir carga microbiana
  • 50. Vibraciones sónicas (ultrasonido) Actúan sobre los organismos produciendo efectos de cavitación y oxidación • No garantiza esterilización aunque es apto para procesos de ruptura celular a escala de laboratorio • Usado en combinación con otros procesos esterilizantes
  • 51. Otros métodos Físicos (no esterilizantes) • Frío: prevención de la putrefacción aunque poco germicida • Desecación: no destruye las esporas • Ebullición en agua: no sirve para la destrucción de gérmenes, esporas y ciertos virus • Ebullición en aceites: 130ºC por 30 min • Incineración: con mecheros tipo Bunsen, Mecker, Teclú. O con sistemas cerámicos Bacto incineradores. Usado fundamentalmente para las ansas bacteriológicas. - Rojo incipiente - Flameado
  • 52. Temperatura y tiempo • En procesos donde el calor está involucrado: por encima de la T máxima de crecimiento, a >T, >efectos celulares letales (muerte celular por destrucción de los constituyentes esenciales tales como enzimas, membranas, ADN, etc.). • Mecanismos: desnaturalización y/u oxidación Cinética exponencial de desactivación térmica de 1er orden A mayor T, menor tiempo de exposición al calor para lograr la misma reducción en la carga microbiana Nt: MO viables a un tiempo t N0: MO viables iniciales k: tasa de muerte (min-1) t: tiempo de exposición al agente Factores que influencian en la eficiencia de la esterilización por calor Procesos interdependientes
  • 53. Muerte térmica Ley logarítmica de primer orden 𝑑𝑁 𝑑𝑡 = −𝑘. 𝑁 𝑁 = 𝑁0 ∗ 𝑒−𝑘𝑡 k: constante cinética de destrucción térmica Propia de cada microorganismo Depende de la temperatura a través de la expresión de Arrhenius 𝑘 = 𝑘0 ∗ 𝑒− 𝐴𝐸 𝑅𝑇 Es posible estudiar más precisamente la inactivación por calor de un MO, a través de la determinación del tiempo en que muere una fracción de la población inicial. Así, es posible definir el tiempo requerido para lograr una disminución logarítmica de la población en 10 veces, denominándolo como tiempo de reducción decimal (D). Este parámetro depende profundamente de la temperatura y presenta con él una relación exponencial. AE: energía de activación R: constante de los gases T: temperatura absoluta 𝑘0: constante empírica
  • 54. Efecto de la T en la viabilidad de una bacteria mesófila Tiempo de reducción decimal (D) obtenido a tres T diferentes A 70ºC D = 3 min A 60ºC D = 12 min A 50ºC D = 42 min. Tiempo de reducción decimal (D) es el tiempo necesario para reducir la densidad de una población al 10% del original a una T determinada (disminución de 1 orden) D=-1/k=-1/pendiente D= ln 10/k n=log (No/N) Factor de Reducción
  • 55. Relación exponencial entre D y T Z: pendiente de la recta Expresa la capacidad relativa de resistencia al calor de la población microbiana Representa el incremento de temperatura medido en grados centígrados necesario para reducir 10 veces el tiempo de reducción decimal (D) n, D y Z: parámetros característicos de inactivación térmica de un MO bajo determinadas condiciones Medida cuantitativa de la sensibilidad del MO al calor bajo ciertas condiciones (representa un cambio de T)
  • 56. Concentración inicial de células (inóculo) A mayor número de células, mayor es el período de calentamiento o mayor la temperatura para lograr destrucción total. Tipo de organismo Células de especies diferentes tienen diferente resistencia al calor. Células de la misma especie pero diferente edad (del cultivo) también muestran resistencia diferencial. Las más jóvenes son más susceptibles a la destrucción térmica. A mayor Temperatura óptima de crecimiento y temperatura máxima, mayor resistencia al calor. Estado fisiológico de los MO (a continuación). Presencia de bacterias que forman grumos, secretan polímeros o poseen cápsulas son más resistentes. Resistencia relativa hacia el calor húmedo Células vegetativas 1 Virus 1-5 Esporos de hongos y levaduras 2-10 Esporos de bacterias 3000000
  • 57.
  • 58. Humedad Del agente Esterilizante Del material a esterilizar De las estructuras de las células Células vegetativas-50ºC (90% H2O) Esporos de hongos-80ºC Endosporas bacterianas-120-130ºC (1% H2O) Estado Fisiológico de los MO pH La muerte de los MO es más rápida a pH ácidos Disminución del valor z al disminuir el pH Menor ionización de especies y mayor eficiencia del agente Inhibición del crecimiento de los MO • 3D para productos con pH<4.5 y para bacterias termófilas en productos con pH>4.5; • 5D para productos con pH>4.5 (C. sporogenes); • 6D para productos de frutas (Byssochlamys fulva); • 12D para destruir C. botulinum Composición del medio de cultivo Objetos secos: condiciones más enérgicas • Concentraciones altas de azúcares, proteínas y/o grasas disminuyen la penetración del calor y aumentan la resistencia de los MO. • Alta concentraciones de sales pueden incrementar o reducir la resistencia al calor, dependiendo el MO. • Más favorable es el medio para el crecimiento de un MO, mayor será la resistencia que tendrán.
  • 59. • Eliminar microorganismos y partículas en suspensión de una solución. • Usado para esterilizar líquidos sensibles al calor y gases. • Aplicación: líquidos biológicos, enzimas, vitaminas, antibióticos, azúcares, aceites, algunos tipos de pomadas, soluciones oftálmicas, soluciones intravenosas, drogas diagnósticas, radiofármacos, medios para cultivos celulares, aire, gases, etc. • No retienen virus ni proteínas (ni tampoco micoplasmas dependiendo del diámetro de poro de la membrana). Filtración por membranas
  • 60. Tipos de Filtros Filtro de Profundidad Filtro de Membrana Filtro Nucleopore (huella de nucleación) • Lámina o tapete hecho de matrices dispuestas al azar de fibras de papel, asbesto o vidrio solapadas entre sí. • El atrapamiento ocurre dado el espesor de la estructura. • Son muy porosos, por lo que se suelen usar como prefiltros para partículas de mayor tamaño. • El más utilizado en microbiología. • Polímeros con elevada resistencia con poros diminutos (acetato y nitrato de celulosa, por ej.) • Funcionan como un tamiz, reteniendo las partículas en la superficie del filtro. • Control preciso del tamaño de poro según las condiciones de polimerización. • Tratamiento de películas muy finas de policarbonato con radiación nuclear y fracturando la película con un producto químico. • Separación y concentración del MO del líquido en un único plano en la superficie del filtro. • Útil para el recuento de MO De mayor tamaño a los MO a separar. De porcelana porosa, yeso, celulosa, amianto (prácticamente en desuso)
  • 61. Pressure Driven Devices Millex Filters (33 mm) MillexÔ Filters (4, 13, 25 mm) Tamaño de poro: 0.1-0.22, 0.45, 0.8, 5.0 µm SterivexTM Filter Units Millex 50 mm Filter Capsules Tamaño de poro 0.1-0.45µm SteripakTM Filter Units
  • 62.
  • 63.
  • 64.
  • 65. Filtros de membrana de fibra hueca https://www.youtube.com/watch?v=gmGp PwSfhK0 Filtros de membrana en espiral
  • 66. Filtración esterilizante de aire Absolutos Fibrosos (o profundos) Más usados y eficientes De lana de vidrio (borosilicatos); suelen usarse como pre-filtros HEPA (High-Efficiency Particulate air) ULPA (Ultra-low Penetration air) Mallas de fibra de vidrio dispuestas al azar y con diámetros entre 0,0001 (ULPA) y 0,1-20 µm (HEPA) Diferentes grados de filtración Fotocatalíticos De TiO2 Funcionan con luz UV Germicidas Usado como último filtro
  • 67.
  • 68. Definición de aire estéril: de acuerdo a la FDA se considera que el aire es estéril cuando sólo 1 célula sobre 107 células de Brevundimonas diminuta (0,2-0,3 µm) pasan 1 cm2 de área filtrante. Esto corresponde a un valor de reducción logarítmica D de 7/cm2. Los filtros suelen esterilizarse con VPHP (peróxido de hidrógeno en fase plasma-vapor).
  • 69. Control de los procesos de esterilización de los Agentes Físicos Todos los procesos deben controlarse para asegurarse de que han funcionado adecuadamente. Existen indicadores físicos, químicos y biológicos que se colocan en cada carga de esterilización para asegurar de que eso ocurra. Físicos Calor: Medidores de presión y termómetros calibrados adecuadamente para analizar las condiciones físicas dentro de las cámaras. Termógrafos: registra la temperatura y el tiempo durante la cual se mantuvo Radiación: Vigilancia de las lámparas para el caso de las radiaciones Filtración: Cambio periódico de filtros y del sistema estanco. Químicos Cintas adhesivas que se pegan al material a esterilizar que cambia de color cuando el material ha sido sometido a una determinada temperatura y/o presión. No son completamente confiables porque indican que se llegó a cierta temperatura, pero no cuanto tiempo ella se mantuvo. Hay 2 tipos: punto a punto y progresivas, siendo estas últimas más confiables.
  • 70. Biológicos • Preparaciones de una población específica de esporas de microorganismos, altamente resistente a un proceso de esterilización determinado. • Usualmente, para evaluar la eficiencia biológica de un tratamiento de calor, se utilizan preparaciones comerciales dispuestas en ampollas conteniendo 104-106 esporas de Geobacillus stearothermophilus. • Se deben colocar junto con la carga de esterilización en el lugar que se considera más difícil que llegue el vapor. Luego, la ampolla es quebrada y las esporas son liberadas al medio de cultivo contenido en el mismo, incubándose por 24-48 horas. Sí el indicador contenido en el medio, cambia de color, entonces el proceso de esterilización no fue satisfactorio. • Control directo por inoculación del material esterilizado.
  • 71. Compuestos antimicrobianos (esterilización química) • Compuesto químico, natural o sintético, que mata o inhibe el crecimiento de los microorganismos. • Toxicidad selectiva (presente en algunos compuestos, aunque otros no la tienen). • El elegido depende de las características del MO que se quiera combatir, condiciones medioambientales y sociales, entre otras.
  • 72. Germistático: Sustancias que inhiben el desarrollo de las células microbianas (muchas mueren, pero un cierto número queda en estado latente Germicida: Sustancias que matan ya sea manteniendo la integridad celular o destruyendo las células vegetativas y los esporos; conduciendo a la llamada esterilización química Germicida (no lítico) Germicida (lítico)
  • 73. Agentes Químicos Sustancias químicas capaces de destruir un germen patógeno que debido a su alta toxicidad celular se aplican solamente sobre tejido inanimado, es decir material inerte, objetos, ambiente y superficies Desinfectantes y/o esterilizantes Alcoholes Iodo Surfactantes Organo-mercuriales Colorantes ATB* Cloro y Compuestos Clorados Aldehídos Óxido de Etileno/Propileno Compuestos Fenólicos Ácidos y Álcalis Antisépticos Son sustancias químicas capaces de destruir un germen patógeno, que sí pueden aplicarse en tejido vivo, ya que son de baja toxicidad , pero sólo localmente, de forma tópica, en piel y mucosas EQ EQ EA Líquido Gas Gas-Plasma Según Espectro de Acción Alto Intermedio Bajo Esporicidas Aumento de selectividad EQ: estructura química EA: estado de agregación
  • 74. Características de un Germicida ideal En el tiempo Inocuidad para los animales y el hombre Alto poder de penetración
  • 75. Mecanismos de acción Destrucción o alteración de estructuras celulares Pared Celular Inactivación de reacciones enzimáticas Lisozima y otras enzimas Membrana Plasmática Tensoactivos y Polimixina Proteínas Etanol, Metales Pesados y otros precipitantes Ácidos nucleicos Colorantes Reacción con grupos –SH esenciales para formar S-S (Hg y agentes oxidantes) Combinación con el Fe de las Ferroenzimas (CN-; CO) Bloqueo de enzimas con análogos de coenzimas: sulfonamidas Inhibición de la formación de la PC: Penicilina Inhibición de la traducción: análogos de aa, cloranfenicol, estreptomicina Inhibición de la replicación y transcripción: análogos de purinas y pirimidinas, algunos ATB La alteración de una estructura celular y/o una vía metabólica esencial, la célula sufre autolisis (autodigestión) Acción de otras enzimas
  • 78. Desinfectantes y esterilizantes Más usados en industrias por su poder esterilizante
  • 79. Agentes químicos más empleados • DESINFECTANTES - Alcohol - Fenol - Jabones - Detergentes catiónicos - Sol. cloradas - Ácidos y álcalis - Formaldehído - Óxido de etileno - Glutaraldehído 2% • ANTISEPTICOS - Alcohol etílico 70 % - Clorhexidina - Jabones - Detergentes - Sol. Yodadas - Metales pesados - Peróxido de Hidrógeno 3-6%
  • 80.
  • 81.
  • 82.
  • 83.
  • 84. Ácidos y álcalis • HCl • H2SO4 • HNO3 • HF (+Mg2+) • H2SO3 (SO2 y sales) • H3BO3 • Ácido Perácetico • Acético • Propiónico • Butírico • Láctico • Benzoico • Sórbico • NaOH e KOH • Na2CO3 (caliente) • Na3PO4 (caliente) • CaO y Ca(OH)2 (desinfección pisos) Efecto por acidez Efecto Antiséptico No debido a la acidez SCFA Inhibidores de G(+) y G(-) También hongos y levaduras Alta concentración de OH- Agentes conservantes en alimentos Inhibidores de hongos, levaduras y G(-)
  • 85.
  • 86. Acción sobre las proteínas, ácido nucleicos y membranas (Cloración) favoreciendo su acción 1-5 ppm de Cloro Libre Esporicida; es uno de los más utilizados en el laboratorio Especies activas: HClO, Cl2 y cloraminas
  • 87.
  • 88. Óxido de Etileno Características Mecanismo de acción Condiciones de uso Desventajas
  • 89. ATB* y sus mecanismos de acción Se consideran agentes quimioterápicos • Agentes antimicrobianos de mayor toxicidad selectiva • Ejercen su acción dentro del organismo (pueden utilizarse internamente) para tratar ciertas enfermedades • Origen natural o sintético
  • 90. Factores que afectan la acción de los agentes antimicrobianos • Naturaleza de los MO a controlar • Concentración de los microrganismos • Tiempo de exposición • Concentración o dosis del agente • Temperatura • Efecto Matriz • Otros factores que intervienen en el acceso del desinfectante a los microorganismos
  • 91. PRIONES (EJC) ESPORAS BACTERIANAS (Bacillus spp., Clostridium spp.) MICOBACTERIAS (Mycobacterium tuberculosis) VIRUS PEQUEÑOS SIN ENVOLTURA (Poliovirus) BACTERIAS GRAMNEGATIVAS (Pseudomonas spp.) HONGOS (Aspergillus spp., Candida spp.) VIRUS MEDIANOS SIN ENVOLTURA (Adenovirus) BACTERIAS GRAMPOSITIVAS (Staphylococcus spp.) VIRUS CON ENVOLTURA (HIV, VHB) Relación decreciente de resistencia Naturaleza del MO a controlar
  • 92. Naturaleza del MO a controlar Fase del cultivo Carga Microbiana
  • 93. Tiempo de exposición • Fenómeno gradual donde la mayoría sensibles mueren rápidamente; luego, aquellas más resistentes • La curva de muerte suele seguir una inactivación de primer orden aunque suele presentar desviaciones Concentración Como un MO no es susceptible a un agente en la misma forma, tampoco presentan la misma tasa de muerte (tiempo óptimo para cada concentración específica) • Varía con el tipo de agente y con el MO • Una misma concentración del agente puede producir efectos diferentes en diferentes MO Cn x t = K n y K son constantes; C: concentración del germicida; t: tiempo • Relación exponencial entre el tiempo y la concentración de un germicida para la destrucción microbiana: A > [agente], < t de destrucción aunque a medida que la concentración aumenta, también lo hacen los efectos no deseados.
  • 94. Temperatura • Generalmente, La eficiencia se incrementa al aumentar la T, debido a que las reacciones químicas que el agente ejerce (mecanismo de acción) son favorecidas por la temperatura; • Ej: la acción del fenol se duplica cuando aumenta la T en 10ºC por encima de la Tópt de crecimiento del MO. • Al incrementar la humedad, también suele aumentar la eficacia de los antimicrobianos, probablemente debido a cambios en la constante dieléctrica que estimular ciertas interacciones no covalentes que provocan una entrada más fácil de las sustancias. Humedad Naturaleza del medio • La presencia de macromoléculas (proteínas principalmente), reduce y ocasionalmente anula la acción de ciertos antimicrobianos (sales de Hg, Ag, oxidantes, Cl2, etc.). • Combinación de las proteínas con los agentes • Efecto de protección celular
  • 95. pH Afecta tanto a los MO como al agente antimicrobiano A pH >7 hay aumento de la carga negativa de los MO, lo que afecta la [agente] sobre la célula El pH determina el grado de disociación y la eficacia del agente químico. A menor disociación, mayor permeabilidad y mayor efectividad Sales Tanto el pH como las sales pueden aumentar o disminuir la eficacia de un antimicrobiano, siendo ambos variables a diversos factores Aniónicos: más efectivos a pH ácidos y catiónicos: mejores a pH básicos
  • 96. Influencia de la matriz • Presencia de materia orgánica • pH • Actividad acuosa • Humedad ambiente • Formación de biofilms Comunidades de MO que crecen sobre una matriz de EPS adheridos a tejidos vivos y/o inertes
  • 97. Diseño de un método de desinfección • Patógeno • Matriz • Temperatura • Concentración de uso • Tiempo de contacto • pH • Formulación Método de Desinfección
  • 98. Valoración de la potencia de los compuestos antimicrobianos • Coeficiente Fenólico (técnica oficial del AOAC) • Método de los 5 • Método de la caja de Petri A. Hoyo B. Discos de papel C. Oxford-Floray Dos formas Adicionando cantidades diferentes del AM frente a un medio previamente sembrado con cierto MO (concentración definida) y observando si hay desarrollo Dejando en contacto el MO con la solución del antimicrobiano durante un tiempo definido, para luego repicar una concentración conocida de las mismas en un medio de cultivo fresco, incubando y observando si existe o no desarrollo (más usada)
  • 99. Coeficiente fenólico • Da una medida de la actividad bactericida de un compuesto químico en relación con la capacidad biocida del fenol. • Es ahora en gran parte de interés histórico, aunque los principios en que se basa todavía son usados. • El método estandarizado para obtener el valor del coeficiente fenólico, es una modificación de la técnica de dilución en tubo, en la cual se prepara una serie de tubos conteniendo cada uno 5 ml de diferentes diluciones del desinfectante. A la vez se prepara una segunda serie de tubos que contengan diferentes diluciones de fenol. Cada tubo de las dos series se inocula con 0,5 ml de un cultivo de 24 h del microorganismo utilizado como prueba o referencia. Todos ellos se colocan en un baño termostático a 20ºC. A los 5, 10 y 15 min se recoge una cantidad alícuota de cada tubo que se inocula en otro tubo que contenga medio de cultivo estéril. Estos tubos inoculados se incuban durante 24-48 h y se observa el crecimiento del microorganismo (aparición de turbidez). • La mayor dilución del desinfectante que mate a los microorganismos en 10 min pero no los mate en 5 min se divide por la dilución mayor de fenol que dé los mismos resultados. • El número obtenido es el coeficiente fenólico de ese desinfectante.
  • 100.
  • 101.
  • 102. Técnica de difusión en placa con discos de papel
  • 103. Pruebas de eficacia de antimicrobianos sobre superficies In-use test
  • 106. • Desinfección de superficies • Tiempo de muerte sobre superficies
  • 107. 107 REQUERIMIENTOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS DISTINTOS MÉTODOS DE ESTERILIZACIÓN
  • 108. 108 Controles de Calidad de los Procesos de Esterilización
  • 109. • Fellows PJ. Food Processing Technology. Principles and Practice. Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition. Elsevier, EEUU, 1226 p. • https://www.orbitaingenieria.com/es/team/fermentadores • https://slideplayer.es/slide/5431959 • https://slideplayer.es/slide/13166020/ • https://pharmawiki.in/ppt-steam-sterilization-theory-and-equipment/ • https://seguridadbiologica.blogspot.com/2016/07/hipoclorito-de-sodio-como-agente.html • http://odont.info/clasificacin-general-de-las-operaciones-de-membrana.html • https://www.aigues.net/introduccion-a-las-membranas-i-tipos-de-filtracion/ • https://slideplayer.es/slide/11176941/ • http://segualimentari.blogspot.com/ • http://www.microinmuno.qb.fcen.uba.ar/Seminarioesterilizacion.htm • Madigan y colaboradores. 2015. Brock. Biología de los Microorganismos, 14º edición, Pearson Education, EEUU, 1042 p. • Simonetta AC y colaboradores. 1984. Apuntes de la cátedra. Métodos Físicos y Químicos de control microbiano. • Smit G. 2003. Dairy Processing. Improving quality. Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, Cambridge, Inglaterra, 565 p. • Spreer E. 2017. Milk and Dairy Product Technology. Marcel Dekker Inc, EEUU, 498 p. Bibliografía