Clase de fisico quimica aplicada universidad nacional. esterilización.

1. Fisicoquímica
Aplicada
Curso de Esterilización y Productos Médicos
De la teoría a la práctica
2023

2. Principios de esterilización a bajas
temperaturas por radiación

3. Repasemos algunos conceptos útiles…
• Radiación: emisión de energía al espacio libre u otro medio (agua, aire,
gas, etc.), en forma de ondas o partículas.
• Onda electromagnética: Disturbio que se propaga a partir de una carga
eléctrica oscilante o acelerada, en forma de campos eléctricos y
magnéticos que viajan a la velocidad de la luz (3x108 m/s).
• Energía electromagnética: Energía transportada por una onda
electromagnética. Energía asociada a los campos eléctrico y magnético de
una onda.
• Espectro electromagnético: Rango de frecuencias (o longitudes de onda)
de la radiación electromagnética.
• Tipos de radiación de según su forma interacción con la materia:
– Radiacion Ionizante: Energía suficiente para liberar electrones de los átomos, producir
ionización y romper enlaces químicos en diferentes moléculas.
– Radiación No Ionizante: Su energía no es suficiente para liberar electrones de los
átomos ni romper enlaces químicos.

4. El fenómeno de la radiación es la propagación de energía en forma de ondas
electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio
material. Existen diferentes formas de radiación con propiedades y efectos
distintos.
• La radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X,
etc.) se llama radiación electromagnética, mientras que la llamada radiación corpuscular es la
radiación transmitida en forma de partículas subatómicas (partículas α, partículas β, neutrones,
etc.) que se mueven a gran velocidad, con apreciable transporte de energía.
• Las ondas electromagnéticas que componen la radiación electromagnética pueden ser representadas
como campos eléctricos (E) y magnéticos (B) autopropagados en forma de onda transversal.

6. Para tener en cuenta...
La frecuencia (ν) y la longitud de onda (λ) están relacionadas por la ecuación:
ν = c / λ
donde c es la velocidad de la luz (3x108 m/s), entonces la energía (E) es igual a:
E = hν
ν
ν
ν
Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización en el
medio que atraviesa (extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo), se
dice que es una radiación ionizante. En caso contrario se habla de radiación no
ionizante.
– El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u
ondulatoria.
– Son radiaciones ionizantes los rayos X, rayos γ, partículas α y parte del espectro de la radiación UV
entre otros.
– Las radiaciones como los rayos de luz visible, las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son
algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes.

7. • Las radiación no ionizante son radiaciones (ondas o partículas) que al incidir sobre la
materia biológica no poseen suficiente energía para provocar una ionización (que no son
capaces de “arrancar” electrones de los enlaces de las moléculas), sin embargo pueden
causar otros efectos térmicos como calor y fotoquímicas.
– Producen excitaciones electrónicas (salto en niveles de energía dentro del átomo).
– Luz ultravioleta de menor energía, la luz visible, luz láser, radiación infrarroja, microondas y las
ondas de radio.
• Las radiaciones ionizantes son aquellas radiaciones (ondas o partículas) de alta energía (de
alta frecuencia) con energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de
sus estados ligados de los átomos que forman a las molécula. O sea, tienen la capacidad de
romper los enlaces químicos y alterar la estructura molecular afectando la viabilidad
celular.
– Rayos gamma, rayos X y la luz ultravioleta de mayor energía.

8. • La radiación ultravioleta (UV) es la radiación electromagnética cuya longitud de
onda está comprendida aproximadamente entre los 100 y 400 nm.
• La esterilización ultravioleta es el proceso de destrucción de toda vida microbiana
por medio de radiación ultravioleta.
– Su alcance es más limitado, es poco penetrante. Se puede tratar aguas, aire o
superficies contaminadas biológicamente.
• La radiación UV afecta a las moléculas de ADN de las células debido a que
estimula la formación de dímeros de pirimidinas adyacentes que inducen errores
en la replicación y por lo tanto mutación o pérdida de la viabilidad de las células.

9. Metacrilato
Las radiaciones ionizantes:
Radiación electromagnética: este tipo de radiación está
formada por fotones con energía suficiente como para
ionizar la materia. Según su origen y su energía se
clasifican en rayos X y rayos γ.
Radiación corpuscular: incluye a las partículas α (núcleos
de helio), β (electrones y positrones de alta energía),
protones, neutrones y otras partículas que sólo se
producen por los rayos cósmicos o en aceleradores de
muy alta energía, como los piones o los muones.

10. Efecto biológico de la radiación ionizante:

11. Interacción entre la radiación ionizante – materia biológica:
• Directa: la radiación ionizante interacciona (es absorbida) con las macromoléculas biológicas
(proteínas, membranas biológicas, ácidos nucleicos), lo que trae daño en la estructura de las
mismas. El daño en el ADN (conlleva a mutaciones) puede llevar a la muerte celular.
• Indirecta: la radiación ionizante es absorbida por las moléculas de solvente (agua) que
rodean a las macromoléculas. Esto lleva a la generación de radicales libres que reaccionan
con los componentes macromoleculares (proteínas, membranas biológicas, ácidos
nucleicos), lo que trae daño en la estructura de las mismas. El daño en el ADN (conlleva a
mutaciones) puede llevar a la muerte celular.
Efecto directo
Efecto indirecto

12. Unidades de radiación:
El gray (símbolo: Gy) es una unidad derivada de la
dosis de radiación ionizante en el Sistema
Internacional de Unidades (SI). Se define como la
absorción de un julio de energía de radiación por
kilogramo de materia. Se utiliza como unidad de la
dosis absorbida de la cantidad de radiación que
mide la energía depositada por la radiación ionizante
en una unidad de masa de materia que se está
irradiando.

13. Condiciones del proceso
La radiaciones ionizantes (rayos X y radiación γ) tienen alto poder de penetración y se
emplean a gran escala o escala industrial por el costo de su generación y manipulación
(nivel de seguridad).
Ventajas de la radioesterilización:
• Atraviesa la materia con una alta capacidad de penetración en los materiales, lo cual ofrece
la gran ventaja de que se pueden esterilizar productos ya empaquetados como, por ejemplo,
productos médicos de un solo uso como jeringuillas y guantes quirúrgicos.
• Es un proceso rápido.
• La dosis no es muy elevada y no se produce ningún aumento de temperatura, con lo cual se
puede esterilizar materiales termosensibles como los plásticos, medicamentos y muestras
biológicas.
• Es flexible. Puede esterilizar productos en cualquier estado físico (gaseoso, líquido o sólido),
y de cualquier densidad, tamaño o grosor.
• El efecto esterilizante se puede controlar fácilmente y, además, es instantáneo y simultáneo
cuando se aplica a varios productos a la vez.
Tipo de materiales a esterilizar compatibles:
Se utiliza para esterilizar materiales farmacéuticos termolábiles (termosensibles); material
médico-quirúrgico (guantes de cirujano, suturas de nylon, jeringas desechables, agujas, bisturís,
catéteres, prótesis, etc).
Control del proceso: uso de bioindicador ⇒ Bacillus pumilus

14. Principios de esterilización a bajas
temperaturas por agentes
químicos

15. Reacciones REDOX (REDucción-OXidación)
• En las reacciones redox, los electrones son transferidos desde una
molécula, ion o átomo (agente reductor) a otra (agente oxidante).
• Las reacciones de oxidación y reducción SIEMPRE ocurren juntas.

16. ¿Qué es un radical?
• Un radical (antiguamente radical libre) es una especie química (orgánica o
inorgánica), caracterizada por poseer uno o más electrones desapareados.
• Se forma en el intermedio de reacciones químicas, a partir de la ruptura
homolítica de una molécula y, en general, es extremadamente inestable y, por
tanto, con gran poder reactivo y de vida media muy corta (salvo excepciones).

17. Interrelación de especies reactivas del oxígeno, nitrógeno y azufre

18. Factores ambientales
metales pesados
radiación UV – ionizante
xenobióticos
pesticidas
Factores bióticos
respuesta inflamatoria
infección con patógenos
mitógenos
Fuentes clásicas de especies reactivas en las células

19. Estrés oxidativo
Estado estacionario
del daño oxidativo
Generación
de especies
reactivas
ROS, RNS
RSS
Remoción
del daño
oxidativo
Funciones anormales
Enfermedad
Muerte celular
Antioxidantes Procesos de reparación y
recambio

20. Estrés oxidativo
• El estrés oxidativo es causado por un desbalance entre la producción de
especies reactivas del oxígeno/nitrógeno (y derivados) y la capacidad de un
sistema biológico de eliminar rápidamente los intermedios reactivos y/o reparar
el daño resultante.
• En términos generales, todas las formas de vida mantienen un entorno reductor
dentro de sus células. Este entorno reductor es preservado por las metabolitos y
enzimas que mantienen el estado reducido a través de un constante aporte de
energía metabólica.
• El desbalance en el estado normal redox pueden causar efectos tóxicos a través
del daño a componentes de la célula, como proteínas, los lípidos y el ADN.

21. Daño oxidativo
Especies
reactivas
Lípidos
ADN/ARN Proteínas
Clivaje de la cadena
Entrecruzamiento
Oxidación de purinas
Mutaciones
Inducción de
apoptosis
Peroxidación lipídica
Cambios en la
propiedades de
membranas
Generación de
compuestos tóxicos
como las RES
Ruptura de la cadena
peptídica
Carbonilación
Oxidación de cadenas
laterales
Pérdida de
funcionalidad
oxígeno (ROS)
nitrógeno (RNS)
azufre (RSS)

22. ¿Qué es un antioxidante?
• Un antioxidante es una molécula capaz de retardar o prevenir la oxidación
de otras moléculas.
• Los antioxidantes terminan las reacciones de oxidación quitando
intermedios radicales o reactivas e inhiben otras reacciones de oxidación
oxidándose ellos mismos.
• Debido a esto es que los antioxidantes son a menudo agentes reductores
tales como tioles o polifenoles.

24. • Esterilización por plasma de H2O2
– Una solución acuosa de H2O2 al 58% es vaporizada en el interior de una cámara hermética.
– Por medio de radiofrecuencia se generan campos eléctricos que provocan la aceleración de
electrones y otras partículas, que al colisionar, generan plasma.
– Estas colisiones inician reacciones que generan radicales libres: hidroxilos, hidroperoxidrilos,
peróxido activado, luz UV y otras especies activas
• Estos radicales libres, y otras especies de la nube de plasma, reaccionan con la
membrana celular, enzimas, ácidos nucleicos, anulando funciones vitales del M.O.
y provocando su muerte.
– El plasma descompone el peróxido en una nube de especies altamente excitadas que se
recombinan, convirtiendo el H2O2 en agua y oxígeno.
• Es uno de los métodos de esterilización a bajas temperaturas.

26. Esterilización por plasma de H2O2
• VENTAJAS: Rápido (50 min).
• No genera residuos tóxicos, solo H2O y O2 como productos finales.
• No hay necesidad de aireación.
• Fácilmente instable (no requiere conexión para aireación).
• Compatible con la mayoría del material de manejo hospitalario (Respetando la
integridad de los mismos).
• Limitaciones:
• Incompatibilidad con celulosa
• Restricciones para lúmenes largos

27. • Esterilización por óxido de etileno.
• Descubierto en 1859 (Wurtz) y se lo empleó inicialmente como fumigante y
pesticida y en 1937 fue patentado por sus propiedades bactericidas
– Es un gas tóxico, que presenta potenciales riesgos para la salud humana.
– Hoy en día es el método frío más empleado, pero su uso debe ser reducido a casos en donde se
lo pueda controlar de manera estricta
– Químicamente es un éter cíclico de estructura:
• Su principio de acción se basa en la capacidad de alquilación de
macromoléculas.
– Alquilación: Un sustituyente alquilo es un alcano que ha perdido un H. El término es
intencionalmente no específico para incluir muchas sustituciones posibles.
isopropilo metilo

28. • Óxido de etileno:
• En CNPT es un GAS
• Es incoloro y con olor similar al éter
• Elevada solubilidad (en agua y en la mayoría de solventes orgánicos)
• Más denso que el aire
• Olor perceptible por encima de 700 p.p.m.
• Es una molécula altamente reactiva:
– Reacciona con agua para dar etilenglicol.
– Con Cl- forma etilenclorhidrina.
• Tiene propiedades alquilantes, combinándose con distintos grupos químicos
como aminos, sulfhidrilo, carbonilo, etc.
• El agua es un catalizador fundamental ya que facilita la apertura del anillo del
óxido de etileno.
(CH2CH2)O + H2O → HO–CH2CH2–OH
H+

29. Óxido de etileno:
• Mecanismo de acción:
– El ETO tiene propiedades bactericida, fungicida, viricida y esporicida. Es muy inestable, por lo
que reacciona rápidamente con distintos grupos
– Funciona como agente alquilante en grupos –OH, -SH, -COOH y –NH2
• Estas reacciones llevan a la modificación química irreversible de proteínas,
membranas y ácidos nucleicos.
– Alteración del metabolismo microbiano.
• El ETO no ejerce acción sobre priones, y las esporas son las formas más
resistentes a su acción .

30. HEG: hidroxi-etil guanina
G C
Modificación de ADN por ETO:
DOI: 10.1002/em.22248

31. El ciclo básico de esterilización consiste de cinco etapas:
pre-acondicionamieneto y humidificación, introducción del gas, exposición,
evacuación, y lavados gaseosos.
• Desecho:
-Tecnologías de control de emisión: burbujeo en solución ácida y vertido del efluente al desagüe (EG).
-Emisión a los 4 vientos: cañerías de 7 m de altura por encima del nivel de edificación, construidas con
material inerte al gas.

32. Los beneficios alcanzados con este agente esterilizador, a partir de su eficacia, seguridad y
costo, hasta nuestros días no han podido ser superados por otros procedimientos y entran en
competencia con los riesgos para la salud e instalaciones que presenta esta sustancia, debido
fundamentalmente a los efectos cancerígenos registrados. Hasta la fecha, no se considera
perjudicial para el medio ambiente (se degrada en la atmósfera).

33. • Esterilización por vapor de formaldehído.
• El formaldehído (FA) en forma pura es incoloro, caracterizado por un olor acre
detectable a tan solo 1 ppm.
– Presenta el inconveniente como agente esterilizante (gas) que condensa sobre cualquier
superficie disponible, formando una película blanca delgada.
– Es muy soluble en agua, como también en alcohol y éter.
– Su punto de ebullición es -19 °C.
– En estado líquido, la solución de agua es estable hasta que alcanza concentraciones de 35-40%;
luego polimeriza espontáneamente.
• Su mecanismo de acción antimicrobiana se basa en reaccionar con proteínas,
ARN y ADN por alquilación de los mismos.
– Es un agente entrecruzantes de macromoléculas y estructuras celulares.
– Posee gran actividad mutagénica.
• Se emplea principalmente como un agente de esterilización superficial ya que, a
diferencia del ETO, no tiene una penetrabilidad marcada.

35. La mayoría de los equipos permite uso dual: como vapor de agua (Autoclave) o como
una combinación de vapor/FA (a presión sub-atmosférica y 55-80 °C)
1) Evacuación inicial de la cámara
2) Fase de precalentamiento (varios ciclos de entrada de vapor y vacío), que evita la polimerización del FA.
3) Esterilización: se da a presión sub-atmosférica y se dan varias inyecciones de FA, seguidas de
evacuaciones parciales lo que permite mantener la temperatura y la concentración de FA. Las inyecciones
sucesivas son necesarias porque el FA es muy inestable. La evacuación se da por introducción de vapor y
aire.
4) Luego el ciclo finaliza con la admisión de aire filtrado y restablecimiento de la presión atmosférica.
- Ciclos de esterilización largos
(mínimo 4h).
- Agente de esterilización
superficial (no tiene la capacidad
para esterilizar localizaciones
ocluidas en materiales plásticos
sellados).
- Se emplea para esterilizar
equipamiento médico sensible al
calor.

36. Principios de esterilización de
coloides y soluciones lábiles
(esterilización por filtración)

37. Filtración es el proceso unitario de separación de partículas de un fluido (gases
o líquidos) a través de un medio mecánico filtrante poroso (tamiz, criba,
cedazo o filtro) y un gradiente de presión.
La ecuación que describe el movimiento de
fluidos newtonianos a través de medios porosos,
fue formulada en 1856 por el geólogo Francés
D’Arcy:
donde la fuerza impulsora (F) que puede ser la
fuerza de gravedad, el empuje de una bomba de
presión o de succión, o la fuerza centrífuga,
mientras que la resistencia (R) es la suma de la
ofrecida por el medio filtrante y la torta de sólido
formada sobre el mismo.
donde:
v = velocidad superficial del líquido (flujo volumétrico por área de filtración)
k = permeabilidad del lecho
ΔP = caída de presión a través del lecho
l = profundidad del lecho filtrante
μ = viscosidad del fluido

38. A medida que avanza el proceso de filtración aumenta el espesor de la torta
(el retenido) por lo que la resistencia al paso de fluido es cada vez mayor,
pudiéndose llevar a cabo la operación de las siguientes formas:
– Filtración a presión constante: El caudal disminuye con el tiempo.
– Filtración a caudal constante: La presión aumenta al avanzar la filtración.
La elección del medio filtrante es función de diversos factores entre los que
cabe destacar los siguientes:
– Las propiedades del fluido, especialmente viscosidad, densidad y propiedades
corrosivas.
– La naturaleza del sólido: tamaño y forma de las partículas, distribución de
tamaños y características del relleno.
– La concentración de los sólidos en la suspensión a filtrar.
– La cantidad de material a tratar y su valor.
– Temperatura del medio a filtrar.
– Si el producto que interesa es el sólido, el fluido o ambos.
– Caudal de suspensión a tratar.
– Necesidad de lavado del sólido filtrado
– Método de filtración y precisión requerida.

39. Los filtros se puede clasificar según el grado de retención del medio filtrante:
• Filtros absolutos (o filtros de superficie): El régimen de retención es absoluta, siendo las
partículas retenidas y acumuladas en la superficie del medio filtrante.
– Filtros de membrana. Estos filtros son membranas porosas, con un grosor ligeramente superior a
0,1 mm, fabricadas de acetato de celulosa, nitrato de celulosa, policarbonato, fluoruro de polivinilo
u otros materiales sintéticos.
• Filtros de profundidad: las partículas de diferentes tamaños se separan principalmente por
deposición dentro de los canales del medio filtrante.
– Consisten en materiales fibrosos o granulados que se unen para formar una capa gruesa rellena de
canales tortuosos. Se fabrican con tierra de diatomeas, porcelana no vidriada, asbesto o materiales
similares. El régimen de retención es nominal y el medio filtrante puede presentar saturación con
liberación de partículas a retener.

40. La operativamente, la filtración se puede clasificar según el sentido del flujo
del fluido respecto al medio filtrante:
• Filtración perpendicular (o convencional): El flujo del fluido a filtrar es
perpendicular a la superficie filtrante. Todo el fluido cruza el medio filtrante.
• Filtración tangencial: El flujo del fluido a filtrar es tangencial a la superficie
filtrante. Una parte del fluido. Permite una operación continua y el reciclo.

41. La filtración se puede clasificar según el tamaño de las partículas a separar:
bacterias
Virus

43. Selección de filtro. Hay consideraciones para elegir el tipo de filtro para su aplicación:
• ¿Cuál es el sistema de filtración?
– Perpendicular o Tangencial
– Absoluto o de profundidad
• ¿Su aplicación es automática o manual?
• ¿Cuál es la compatibilidad química del filtro?
– Resistencia de la membrana al contacto de fluidos
• ¿Qué área de filtración efectiva se necesita para su filtración?
• ¿Qué tamaño de poro es el óptimo para el tratamiento?
• ¿Cuál es la resistencia mecánica (presión) del material filtrante? Cartucho de filtración tangencial
Filtros de
profundidad
Filtros absolutos - Filtración perpendicular

44. Compatibilidad química. La compatibilidad química con el fluido es una consideración
fundamental al seleccionar el material filtrante.
Para gases: Las membranas hidrófobas repelen
el agua lo que las hace ideales para gases (PTFE).

45. Condiciones del proceso
Membranas filtrantes:
• poros de 0,45 μm (o micras) ⇒ prefiltro
• poros de 0,2 μm (o micras) ⇒ esterilizante
Control del proceso: uso de bioindicador ⇒ Brevundimonas diminuta (0.3 μm)

46. Gracias por su atención.-