EB2 - Aula 8 - Esterilização

Prévia do material em texto

ENGENHARIA BIOQUÍMICA 2 (EB2)
Disciplina 107077 – Turma B – 2019/1 – Quarta-feira (14 – 18 h) – AT 10 sala 239
Profa. Dra. Fernanda Perpétua Casciatori
Departamento de Engenharia Química (DEQ)
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)
Esterilização em Bioprocessos
Fermentações comerciais:
milhares de litros de meio líquido e milhões de litros de ar.
Na maioria dos bioprocessos industriais:
meio e ar devem ser fornecidos livres de organismos contaminantes.
Métodos disponíveis para 
esterilização:
Tratamento químico
Exposição a radiações ultravioleta, gama e raios-X
Sonicação
Filtração
Aquecimento
Utilizados em larga escala
Esterilização em Bioprocessos
Fermentações comerciais:
milhares de litros de meio líquido e milhões de litros de ar.
Na maioria dos bioprocessos industriais:
meio e ar devem ser fornecidos livres de organismos contaminantes.
Métodos disponíveis para 
esterilização:
Tratamento químico
Exposição a radiações ultravioleta, gama e raios-X
Sonicação
Filtração
Aquecimento
Utilizados em larga escala
Esterilização:
Remoção de 
todas as 
formas de vida 
de um objeto 
ou material.
Desinfecção: 
Remoção ou 
destruição dos 
organismos 
vivos capazes 
de causar 
danos ou 
infecções.
Desinfectante ou 
germicida:
Agente 
químico capaz 
de promover 
desinfecção.
Antisséptico:
Agente químico 
aplicável em 
pessoas ou 
animais, com 
capacidade de 
eliminar 
microrganismos 
patogênicos.
Assepsia:
Remoção de 
microrganismos 
patogênicos ou 
indesejados.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Esterilização:
Remoção de 
todas as 
formas de vida 
de um objeto 
ou material.
Desinfecção: 
Remoção ou 
destruição dos 
organismos 
vivos capazes 
de causar 
danos ou 
infecções.
Desinfectante ou 
germicida:
Agente 
químico capaz 
de promover 
desinfecção.
Antisséptico:
Agente químico 
aplicável em 
pessoas ou 
animais, com 
capacidade de 
eliminar 
microrganismos 
patogênicos.
Assepsia:
Remoção de 
microrganismos 
patogênicos ou 
indesejados.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Esterilização:
Remoção de 
todas as 
formas de vida 
de um objeto 
ou material.
Desinfecção: 
Remoção ou 
destruição dos 
organismos 
vivos capazes 
de causar 
danos ou 
infecções.
Desinfectante ou 
germicida:
Agente 
químico capaz 
de promover 
desinfecção.
Antisséptico:
Agente químico 
aplicável em 
pessoas ou 
animais, com 
capacidade de 
eliminar 
microrganismos 
patogênicos.
Assepsia:
Remoção de 
microrganismos 
patogênicos ou 
indesejados.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Esterilização:
Remoção de 
todas as 
formas de vida 
de um objeto 
ou material.
Desinfecção: 
Remoção ou 
destruição dos 
organismos 
vivos capazes 
de causar 
danos ou 
infecções.
Desinfectante ou 
germicida:
Agente 
químico capaz 
de promover 
desinfecção.
Antisséptico:
Agente químico 
aplicável em 
pessoas ou 
animais, com 
capacidade de 
eliminar 
microrganismos 
patogênicos.
Assepsia:
Remoção de 
microrganismos 
patogênicos ou 
indesejados.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Esterilização:
Remoção de 
todas as 
formas de vida 
de um objeto 
ou material.
Desinfecção: 
Remoção ou 
destruição dos 
organismos 
vivos capazes 
de causar 
danos ou 
infecções.
Desinfectante ou 
germicida:
Agente 
químico capaz 
de promover 
desinfecção.
Antisséptico:
Agente químico 
aplicável em 
pessoas ou 
animais, com 
capacidade de 
eliminar 
microrganismos 
patogênicos.
Assepsia:
Remoção de 
microrganismos 
patogênicos ou 
indesejados.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Pasteurização:
Tratamento térmico (geralmente 
62°C por 30 min, seguido de 
resfriamento brusco) para 
redução drástica no número de 
microrganismos presentes em 
alimentos, normalmente leite, 
seus derivados e bebidas 
enlatadas ou engarrafadas.
Tindalização:
Processo de esterilização capaz de eliminar 
esporos altamente resistentes ao calor; consiste 
em manter, o material a 100°C por vários minutos, 
resfriá-lo a temperatura ambiente e incubá-lo por 
cerca de 24 h; o procedimento é repetido várias 
vezes; durante a incubação, os esporos passam à 
forma vegetativa, tornando-se susceptíveis à 
destruição durante o aquecimento seguinte.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Pasteurização:
Tratamento térmico (geralmente 
62°C por 30 min, seguido de 
resfriamento brusco) para 
redução drástica no número de 
microrganismos presentes em 
alimentos, normalmente leite, 
seus derivados e bebidas 
enlatadas ou engarrafadas.
Tindalização:
Processo de esterilização capaz de eliminar 
esporos altamente resistentes ao calor; consiste 
em manter, o material a 100°C por vários minutos, 
resfriá-lo a temperatura ambiente e incubá-lo por 
cerca de 24 h; o procedimento é repetido várias 
vezes; durante a incubação, os esporos passam à 
forma vegetativa, tornando-se susceptíveis à 
destruição durante o aquecimento seguinte.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Biocidas:
Agentes capazes de causar a 
morte de microrganismos.
Biostáticos:
Agentes capazes de impedir a reprodução de 
microrganismos, sem necessariamente matá-los.
Esterilização em Bioprocessos: termos técnicos
Esterilização de Meios de Fermentação por 
Aquecimento com Vapor
 Consideraremos os dois processos mais importantes de esterilização de meios em escala industrial, 
utilizando-se vapor como fluido de aquecimento:
 Processo descontínuo (também chamado processo de batelada);
 Processo contínuo.
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Meio líquido:
• Comumente esterilizado em 
batelada, dentro do próprio 
biorreator.
Formas de aquecimento do 
líquido:
• Introdução de vapor nas 
serpentinas ou camisa;
• Borbulhamento de vapor direto 
no meio;
• Aquecimento elétrico. 
Injeção de vapor direto:
• Diluição do meio pelo 
condensado;
• Adição de 10 a 20 % ao volume 
de líquido
• Alta qualidade do vapor (evitar 
a contaminação do meio por 
íons metálicos ou compostos 
orgânicos). 
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Meio líquido:
• Comumente esterilizado em 
batelada, dentro do próprio 
biorreator.
Formas de aquecimento do 
líquido:
• Introdução de vapor nas 
serpentinas ou camisa;
• Borbulhamento de vapor direto 
no meio;
• Aquecimento elétrico. 
Injeção de vapor direto:
• Diluição do meio pelo 
condensado;
• Adição de 10 a 20 % ao volume 
de líquido
• Alta qualidade do vapor (evitar 
a contaminação do meio por 
íons metálicos ou compostos 
orgânicos). 
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Meio líquido:
• Comumente esterilizado em 
batelada, dentro do próprio 
biorreator.
Formas de aquecimento do 
líquido:
• Introdução de vapor nas 
serpentinas ou camisa;
• Borbulhamento de vapor direto 
no meio;
• Aquecimento elétrico. 
Injeção de vapor direto:
• Diluição do meio pelo 
condensado;
• Adição de 10 a 20 % ao 
volume de líquido
• Alta qualidade do vapor (evitar 
a contaminação do meio por 
íons metálicos ou compostos 
orgânicos). 
O meio é agitado mecanicamente, a fim de assegurar a mesma temperatura em todos os pontos do sistema.
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Perfil típico de T (ºC) x t (h) para esterilização de líquidos em batelada.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Perfil típico de T (ºC) x t (h) para esterilização de líquidos em batelada.
➢ Dependendo da taxa de transferência de calor do 
vapor ou elemento elétrico, elevar a temperatura do 
meio em grandes fermentadores pode levar um 
significativo período de tempo.
➢ Uma vez que a temperatura de esterilização é 
alcançada, esta temperatura é mantida constante por
período de tempo thd.
➢ Depois, água de resfriamento é usada nas serpentinas 
ou camisa do fermentador para reduzir a temperatura 
do meio até a T(ºC) ideal para inoculação e operação.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
Esterilização de líquidos por calor embatelada
Perfil típico de T (ºC) x t (h) para esterilização de líquidos em batelada.
➢ Dependendo da taxa de transferência de calor do 
vapor ou elemento elétrico, elevar a temperatura do 
meio em grandes fermentadores pode levar um 
significativo período de tempo.
➢ Uma vez que a temperatura de esterilização é 
alcançada, esta temperatura é mantida constante por
período de tempo thd (tempo de retenção).
➢ Depois, água de resfriamento é usada nas serpentinas 
ou camisa do fermentador para reduzir a temperatura 
do meio até a T(ºC) ideal para inoculação e operação.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Perfil típico de T (ºC) x t (h) para esterilização de líquidos em batelada.
➢ Dependendo da taxa de transferência de calor do 
vapor ou elemento elétrico, elevar a temperatura do 
meio em grandes fermentadores pode levar um 
significativo período de tempo.
➢ Uma vez que a temperatura de esterilização é 
alcançada, esta temperatura é mantida constante por
período de tempo thd (tempo de retenção).
➢ Depois, água de resfriamento é usada nas serpentinas 
ou camisa do fermentador para reduzir a temperatura 
do meio até a T(ºC) ideal para inoculação e operação.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Variável de operação importante:
tempo necessário para atingir o nível desejado de 
destruição celular.
Além de destruir organismos contaminantes, a 
esterilização por calor também 
destrói nutrientes no meio.
Para minimizar essa perda, 
thd deve ser o mais curto possível!
A morte celular ocorre ao longo de todo o 
processo de esterilização em batelada, 
incluindo os períodos de aquecimento e 
resfriamento. 
thd pode ser reduzido considerando a 
destruição celular durante esses períodos.
Esterilização de líquidos por calor em batelada
N0: número de contaminantes presentes no meio cru;
N1: número de contaminantes ao final do período de aquecimento;
N2: número de contaminantes ao final do tempo de retenção (thd);
Nf: número de contaminantes ao final do resfriamento.
➢ Idealmente, Nf é zero!
➢ Contudo, esterilidade absoluta exigiria tempo infinito!
➢ Normalmente, o nível alvo de contaminação é expresso 
como uma fração de uma célula, relacionada à 
probabilidade de contaminação.
Ex.: Nf = 10
-3 
→ significa que aceitamos o risco de que 1 lote 
em 1000 não seja estéril no final do processo.
Redução do número de células viáveis durante a esterilização em batelada.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
tempo
Esterilização de líquidos por calor em batelada
N0: número de contaminantes presentes no meio cru;
N1: número de contaminantes ao final do período de aquecimento;
N2: número de contaminantes ao final do tempo de retenção (thd);
Nf: número de contaminantes ao final do resfriamento.
➢ Idealmente, Nf é zero!
➢ Contudo, esterilidade absoluta exigiria tempo infinito!
➢ Normalmente, o nível alvo de contaminação é expresso 
como uma fração de uma célula, relacionada à 
probabilidade de contaminação.
Ex.: Nf = 10
-3 
→ significa que aceitamos o risco de que 1 lote 
em 1000 não seja estéril no final do processo.
Redução do número de células viáveis durante a esterilização em batelada.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
tempo
Esterilização de líquidos por calor em batelada
N0: número de contaminantes presentes no meio cru;
N1: número de contaminantes ao final do período de aquecimento;
N2: número de contaminantes ao final do tempo de retenção (thd);
Nf: número de contaminantes ao final do resfriamento.
➢ Idealmente, Nf é zero!
➢ Contudo, esterilidade absoluta exigiria tempo infinito!
➢ Normalmente, o nível alvo de contaminação é expresso 
como uma fração de uma célula, relacionada à 
probabilidade de contaminação.
Ex.: Nf = 10
-3 
→ significa que aceitamos o risco de que 1 lote 
em 1000 não seja estéril no final do processo.
Redução do número de células viáveis durante a esterilização em batelada.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
tempo
Esterilização de líquidos por calor em batelada
N0: número de contaminantes presentes no meio cru;
N1: número de contaminantes ao final do período de aquecimento;
N2: número de contaminantes ao final do tempo de retenção (thd);
Nf: número de contaminantes ao final do resfriamento.
➢ Idealmente, Nf é zero!
➢ Contudo, esterilidade absoluta exigiria tempo infinito!
➢ Normalmente, o nível alvo de contaminação é expresso 
como uma fração de uma célula, relacionada à 
probabilidade de contaminação ou probabilidade de falha.
Ex.: Nf = 10
-3 
→ significa que aceitamos o risco de que 1 lote 
em 1000 não seja estéril no final do processo.
Redução do número de células viáveis durante a esterilização em batelada.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
tempo
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Redução do número de células viáveis durante a esterilização em batelada.
N0: número de contaminantes presentes no meio cru;
N1: número de contaminantes ao final do período de aquecimento;
N2: número de contaminantes ao final do tempo de retenção (thd);
Nf: número de contaminantes ao final do resfriamento.
➢ Idealmente, Nf é zero!
➢ Contudo, esterilidade absoluta exigiria tempo infinito!
➢ Normalmente, o nível alvo de contaminação é expresso 
como uma fração de uma célula, relacionada à 
probabilidade de contaminação ou probabilidade de falha.
Ex.: Nf = 10
-3 
→ significa que aceitamos o risco de que 1 lote 
em cada 1000 bateladas não seja estéril no final do processo.
Aquecimento
Retenção
Resfriamento
tempo
 Se N0 e Nf são conhecidos, é possível determinar o tempo de retenção requerido para reduzir o número de células
de N1 para N2 considerando a cinética de morte celular pelo calor.
 Seja a cinética de morte de 1ª ordem, em sistema fechado, com a morte celular sendo o único processo que afeta o 
número de células viáveis (N):
dN/dt = – kd N
 Essa equação aplica-se a cada fase do ciclo de esterilização em batelada: aquecimento, retenção e resfriamento.
 Contudo, como kd = f (T), a integração direta é válida apenas no trecho de T (ºC) constante (período de retenção), 
para o qual resulta: 
Esterilização de líquidos por calor em batelada
 Se N0 e Nf são conhecidos, é possível determinar o tempo de retenção requerido para reduzir o número de células
de N1 para N2 considerando a cinética de morte celular pelo calor.
 Seja a cinética de morte de 1ª ordem, em sistema fechado, com a morte celular sendo o único processo que afeta o 
número de células viáveis (N):
dN/dt = – kd N
 Essa equação aplica-se a cada fase do ciclo de esterilização em batelada: aquecimento, retenção e resfriamento.
 Contudo, como kd = f (T), a integração direta é válida apenas no trecho de T (ºC) constante (período de retenção), 
para o qual resulta: 
Esterilização de líquidos por calor em batelada
 Se N0 e Nf são conhecidos, é possível determinar o tempo de retenção requerido para reduzir o número de células
de N1 para N2 considerando a cinética de morte celular pelo calor.
 Seja a cinética de morte de 1ª ordem, em sistema fechado, com a morte celular sendo o único processo que afeta o 
número de células viáveis (N):
dN/dt = – kd N
 Essa equação aplica-se a cada fase do ciclo de esterilização em batelada: aquecimento, retenção e resfriamento.
 Contudo, como kd = f (T), a integração direta é válida apenas no trecho de T (ºC) constante (período de retenção), 
para o qual resulta: 
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Probabilidade de falha (Pf) de uma esterilização:
 Et = número total de operações de esterilização realizadas nas mesmas condições; Ef = número de operações de esterilização que falharam, isto é, que não conduziram a um meio 
esterilizado.
 A condição necessária e suficiente para que falhe a esterilização de uma partida de meio é que nele 
exista, após o tratamento térmico, pelo menos 1 microrganismo vivo.
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Probabilidade de falha (Pf) de uma esterilização:
 Suponhamos que uma dada esterilização apresente probabilidade de falha igual a 0,03 (ou 3 %).
 De 100 partidas de meio tratadas termicamente nas mesmas condições, serão obtidas 97 partidas 
esterilizadas e 3 partidas não esterilizadas.
 N0: nº de microrganismos vivos em cada partida de meio a esterilizar;
 100 x N0: total de microrganismos a eliminar nas 100 partidas.
 Das 100 partidas, 3 partidas não se encontravam esterilizadas após o tratamento térmico. 
 O número final de microrganismos vivos nas 100 partidas será, no mínimo, igual a 3 (1 em cada 
partida em que a esterilização falhou).
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Probabilidade de falha (Pf) de uma esterilização:
 Aplicando a equação linearizada da cinética de morte térmica a T(ºC) constante (k = constante):
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Exemplo 1. Probabilidade de falha
 Um dado volume de meio a esterilizar contém 2,5 x 1010 microrganismos vivos; o valor de k é 3,4 min-1.
 Calcular os tempos de esterilização para que as probabilidades de falha sejam iguais a 0,1 (ou 10 %), 
0,01 (ou 1 %) e 0,001 (ou 0,1 %).
 O cálculo de thd depende do conhecimento de N1 e N2, que são determinados considerando a extensão da morte
celular durante os períodos de aquecimento e resfriamento, quando a T (ºC) não é constante.
 kd depende da temperatura de acordo com a equação de Arrhenius: 
 Combinando as equações anteriores à de Arrhenius:
Para a fase de aquecimento: Para a fase de resfriamento:
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Perfis generalizados de T (ºC) x t (h) para os estágios de aquecimento e resfriamento de um ciclo de esterilização em batelada.
Temperatura do meio cru
Temperatura de fermentação
Aquecimento Resfriamento
Retenção
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Equações gerais para a T = f(t) durante o período de aquecimento de uma esterilização em batelada.
Método de transferência de calor Perfil tempo-temperatura 
Aquecimento
Aspersão direta de vapor
Aquecimento elétrico
Transferência de calor de vapor isotérmico
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Equações gerais para a T = f(t) durante o período de resfriamento de uma esterilização em batelada.
Método de transferência de calor Perfil tempo-temperatura 
Resfriamento
Transferência de calor para água de 
resfriamento não isotérmica 
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Área superficial para troca de calor
Calor específico do meio
Calor específico da água de resfriamento
Diferença de entalpia específica entre o vapor e o meio
Massa inicial de meio
Vazão mássica de vapor
Vazão mássica de água de resfriamento
Taxa de transferência de calor
Temperatura
Temperatura inicial do meio
Temperatura de entrada da água de resfriamento
Temperatura do vapor
Tempo
Coeficiente global de transferência de calor 
Esterilização de líquidos por calor em batelada
 A velocidade de destruição pelo "calor úmido" de microrganismos presentes em um dado meio depende de 
vários fatores:
 do microrganismo (gênero, espécie, linhagem; idade da cultura; 
existência ou não de esporos);
 do meio (composição, pH, presença de sólidos em suspensão);
 da temperatura.
 Para um determinado microrganismo em suspensão em um dado meio, 
a constante de morte kd passa a depender somente da temperatura, 
conforme a equação de Arrhenius.
Esterilização de líquidos por calor em batelada
 A velocidade de destruição pelo "calor úmido" de microrganismos presentes em um dado meio depende de 
vários fatores:
 do microrganismo (gênero, espécie, linhagem; idade da cultura; 
existência ou não de esporos);
 do meio (composição, pH, presença de sólidos em suspensão);
 da temperatura.
 Para um determinado microrganismo em suspensão em um dado meio, 
a constante de morte kd passa a depender somente da temperatura, 
conforme a equação de Arrhenius.
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Exemplo 2. Esterilização em batelada
 Os valores da tabela são obtidos de experimentos realizados com esporos de Bacillus stearothermophilus
suspensos em solução tampão de pH = 7,0 à temperatura de 105°C.
 Qual o número inicial de esporos presentes na solução?
 Qual o valor da constante de velocidade de destruição térmica do microrganismo?
Esterilização de líquidos por calor em batelada
 No estudo da destruição térmica de microrganismos, costuma-se definir um outro parâmetro: o tempo de redução 
decimal (D).
 Tempo necessário para reduzir o número de microrganismos a 1/10 do valor inicial (em outras palavras, para 
destruir 90% dos microrganismos vivos existentes).
 Fazendo N = 0,1N0, de acordo com a definição de tempo de redução decimal, t = D.
 Logo:
 No Exemplo 2, D = 67,5 min
 À temperatura de 105 °C, 90 % dos microrganismos presentes no meio considerado serão destruídos 
em 67,5 min.
Esterilização de líquidos por calor em batelada
Vantagens:
• Esterilização simultânea do meio e do fermentador, reduzindo assim os perigos de contaminação nas operações 
de transferência do meio para a dorna.
Desvantagens:
• Manutenção do meio em temperaturas acima de 100°C) por períodos longos, favorecendo o desenvolvimento 
de reações no meio com possíveis alterações indesejáveis em sua composição;
• Elevados consumos de vapor (no aquecimento) e de água (no resfriamento);
• Problemas de corrosão ocasionados pelo contato prolongado do fermentador com o meio aquecido;
• Tempo "não produtivo" relativamente elevado, uma vez que o fermentador é utilizado apenas como um tanque 
de esterilização durante o processo de destruição dos contaminantes.
Esterilização contínua de líquidos por calor
A esterilização contínua, particulamente o processo a alta temperatura por curto tempo de exposição, pode reduzir 
significativamente os danos aos nutrientes do meio, ainda atingindo altos níveis de destruição celular.
Outras vantagens são a economia de vapor e a ampliação de escala mais facilitada. 
• A quantidade de vapor necessária para a esterilização contínua é de 20 a 25 % daquela utilizada nos processos
em batelada. 
O tempo também é reduzido drasticamente porque o aquecimento e 
o resfriamento são praticamente instantâneos. 
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua por injeção contínua de vapor com resfriamento flash.
Meio cru
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Resfriador flash
Seção de retenção
Injeção de vapor
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua por injeção contínua de vapor com resfriamento flash.
Meio cru
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Resfriador flash
Seção de retenção
Injeção de vapor
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua por injeção contínua de vapor com resfriamento flash.
Meio cru
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Resfriador flash
Seção de retenção
Injeção de vapor
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
2) Vapor é injetado
diretamenteno meio até a 
T(ºC) de esterilização.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua por injeção contínua de vapor com resfriamento flash.
Meio cru
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Resfriador flash
Seção de retenção
Injeção de vapor
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
2) Vapor é injetado
diretamente no meio até a 
T(ºC) de esterilização.
3) O tempo de exposição a esta
temperatura depende do comprimento
do tubo na seção de retenção.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua por injeção contínua de vapor com resfriamento flash.
Meio cru
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Resfriador flash
Seção de retenção
Injeção de vapor
4) Depois de esterilizado, o meio é resfriado instantaneamente passando
através de uma válvula de expansão dentro de uma câmara de vácuo. 
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
2) Vapor é injetado
diretamente no meio até a 
T(ºC) de esterilização.
3) O tempo de exposição a esta
temperatura depende do comprimento
do tubo na seção de retenção.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua por injeção contínua de vapor com resfriamento flash.
Meio cru
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Resfriador flash
Seção de retenção
Injeção de vapor
4) Depois de esterilizado, o meio é resfriado instantaneamente passando
através de uma válvula de expansão dentro de uma câmara de vácuo. 
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
2) Vapor é injetado
diretamente no meio até a 
T(ºC) de esterilização.
3) O tempo de exposição a esta
temperatura depende do comprimento
do tubo na seção de retenção.
5) O resfriamento final ocorre no trocador de 
calor onde calor residual é usado para 
pré-aquecer o novo meio entrando. 
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua usando trocador de calor.
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Trocador 
de calor
Meio cru
Seção de retenção
Vapor
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua usando trocador de calor.
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Trocador 
de calor
Meio cru
Seção de retenção
Vapor
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua usando trocador de calor.
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Trocador 
de calor
Meio cru
Seção de retenção
Vapor
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
2) O meio pré-aquecido segue para outro trocador
de calor, com vapor como fluido de aquecimento; o 
meio atinge T(ºC) de esterilização.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua usando trocador de calor.
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Trocador 
de calor
Meio cru
Seção de retenção
Vapor
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
2) O meio pré-aquecido segue para outro trocador
de calor, com vapor como fluido de aquecimento; o 
meio atinge T(ºC) de esterilização.
3) O meio é mantido à 
T(ºC) de esterilização
por determinado tempo 
de retenção.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Equipamento de esterilização contínua usando trocador de calor.
Meio estéril
Fermentador
Trocador 
de calor
Trocador 
de calor
Meio cru
Seção de retenção
Vapor
1) Meio cru entrando no 
sistema é pré-aquecido pelo
meio estéril saindo do sistema
(trocador de calor). 
4) Ao sair da seção de retenção, o meio é 
resfriado até a T(ºC) de fermentação pela troca
de calor com novo meio entrando. 
2) O meio pré-aquecido segue para outro trocador
de calor, com vapor como fluido de aquecimento; o 
meio atinge T(ºC) de esterilização.
3) O meio é mantido à 
T(ºC) de esterilização
por determinado tempo 
de retenção.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Uma desvantagem associada à injeção de 
vapor é a diluição do meio pelo
condensado. 
• A formação de espuma pela injeção
direta de vapor também pode causar
problemas com a operação do 
resfriador flash cooler.
• Sistemas trocadores de calor são mais
caros para construir do que 
dispositivos de injeção de vapor.
• Incrustações das superfícies internas
reduzem a eficiência de troca de calor
entre as lavagens.
Injeção de vapor Trocador de calor
Esterilização contínua de líquidos por calor
Uma desvantagem associada à injeção de 
vapor é a diluição do meio pelo
condensado. 
• A formação de espuma pela injeção
direta de vapor também pode causar
problemas com a operação do 
resfriador flash cooler.
• Sistemas trocadores de calor são mais
caros para construir do que 
dispositivos de injeção de vapor.
• Incrustações das superfícies internas
reduzem a eficiência de troca de calor
entre as lavagens.
Injeção de vapor Trocador de calor
Esterilização contínua de líquidos por calor
Variação de temperatura com o tempo em esterilizadores contínuos; taxas de aquecimento e resfriamento muito 
mais rápidas do que em batelada; no projeto, morte celular fora do período de retenção pode ser ignorada.
tempo tempo
Retenção Retenção
Troca de calor
Troca de calor
Injeção de vapor
Resfriamento flash
Esterilização contínua de líquidos por calor
 Uma importante variável que afeta o desempenho de esterilizadores contínuos é a natureza do escoamento do 
fluido no sistema.
 Idealmente: todo o fluido entrando no equipamento em dado instante de tempo deveria permanecer o mesmo
tempo no esterilizador e sair do sistema ao mesmo tempo.
 Se isso não ocorre, não é possível ter pleno controle do tempo gasto no esterilizador por todas as porções de 
fluido. 
 Nenhuma mistura deve ocorrer nos tubos!
 Se o fluido mais perto da entrada do tubo mistura-se com uma porção
de fluido à sua frente, há risco de que contaminantes sejam transferidos
em direção à saída do esterilizador;
 Este tipo de escoamento, sem mistura e sem variação de velocidade
do fluido, é chamado plug-flow (escoamento pistonado).
Escoamento pistonado
Esterilização contínua de líquidos por calor
 O escoamento pistonado é um escoamento padrão ideal!
 Na realidade, diferentes porções de fluido nos tubos tem uma faixa de velocidades. 
 O escoamento tende a ser mais rápido através do centro do tubo do que próximo das paredes!
 No entanto, o escoamento pistonado é aproximado em tubos sujeitos a escoamentos turbulentos.
Tubo (escoamento interno)
Laminar: ReD < 2100 Turbulento: ReD > 10.000

=
Dv
ReD =
ρ v D
μ
Viscosidade cinemática
[=] m²/s
Viscosidade
[=] kg/(m.s)
Escoamento laminar Escoamento turbulento
Esterilização contínua de líquidos por calor
 Operação a altos números de Reynolds minimiza a mistura de fluido e a variação de velocidade.
 Desvios do comportamento de escoamento pistonado são caracterizados pelo grau de dispersão axial no sistema
(mistura ao longo do comprimento do tubo), um fator crítico afetando o projeto de esterilizadores contínuos.
 A importância relativa da dispersão axial e do escoamento pistonado na transferência de massa através do tubo é 
representada pelo número adimensional de Peclet:
velocidade média linear do fluido
coeficiente de dispersão axial
Plug-flow: Dz → 0, Pe → ∞ Tipicamente: 3 ≤ Pe ≤ 600
Esterilização 
contínua de 
líquidos por calor
 Coeficiente de dispersão axial 
(Dz):
Esterilização contínua de líquidos por calor
 Uma vez que o número de Peclet tenha sido calculado, o tempo de destruição celular no esterilizador pode ser 
relacionadoà constante específica de taxa de morte térmica (kd).
 Para tanto, define-se outro número adimensional: o número de Damköhler (Da):
constante específica de taxa de morte térmica
velocidade média linear do fluido
Esterilização contínua 
de líquidos por calor
➢ Destruição térmica de organismos 
contaminantes em função dos números de 
Peclet (Pe) e de Damköhler (Da)
▪ N1: Número de células viáveis entrando na 
seção de retenção do esterilizador;
▪ N2: número de células viáveis deixando a 
seção de retenção do esterilizador contínuo.
▪ Quanto menor o valor de N2/N1, maior é o 
nível de destruição celular.
Exemplo 3. Esterilização contínua
 Meio de cultivo com vazão de 2 m³/h deve ser esterilizado por troca de calor com vapor num esterilizador
contínuo. O líquido contém esporos bacterianos na concentração de 5 x 1012 por m³. 
 A energia de ativação e a constante de Arrhenius para a destruição térmica destes contaminantes são 283 kJ/mol e 
5,7 x 1039 h-1, respectivamente. A constante geral dos gases ideais vale R = 8,3144 J/K/mol.
 O risco de contaminação de um organismo sobreviver a cada 60 dias de operação é considerado aceitável.
 O tubo esterilizador tem um diâmetro interno de 0,1 m; o comprimento da seção de retenção é 24 m. 
 A densidade do meio é 1000 kg/m³ e sua viscosidade é 3,6 kg/m/h. 
 Que temperatura de esterilização é requerida?
Esterilização contínua de líquidos por calor
 Cálculo do tempo de esterilização por processo contínuo
 Aquecimento e resfriamento muito rápidos
 testerilização ≈ thd
Exemplo 4. Tempo de esterilização contínua
 Calcule o tempo necessário para esterilizar, em sistema contínuo, 100 m³ de um caldo de cultivo com 
concentração inicial de microrganismos vivos de 7,2 x 109 células/L, sendo o processo sujeito à 
probabilidade de falha de 0,1 %. 
 A constante de morte térmica na temperatura de esterilização vale 11,8 min-1.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Condições de operação típicas de esterilizadores contínuos:
• Vapor de aquecimento: vapor saturado com pressão de 6,8 a 8,5 atm;
• Bomba de recalque do mosto não esterilizado: centrífugas, rotativas ou de pistão;
• Diâmetro do tubo de espera: 4 a 12 polegadas (10 a 30 cm, aproximadamente);
• Tempo de enchimento do fermentador: não superior a 8 h;
• Velocidade do meio no tubo de espera: 3 a 60 cm/s, sendo mais utilizado o intervalo de 6 a 12 cm/s;
• Número de Reynolds no tubo de espera: 36.000 a 80.000;
• Temperatura de esterilização: 130 a 165°C.
Esterilização contínua de líquidos por calor
 Dimensionamento do tubo de retenção (ou de espera) na esterilização por processo contínuo
 V = volume de meio necessário para encher um fermentador;
 tc = tempo de carga do fermentador;
 ρ = densidade do meio à temperatura de esterilização;
 μ = viscosidade do meio à temperatura de esterilização;
 thd = tempo de esterilização no processo contínuo (tempo de residência do meio no tubo de 
retenção);
 Re = número de Reynolds no tubo de retenção;
 D = diâmetro interno do tubo de retenção;
 v = velocidade de meio no tubo de retenção;
 L = comprimento do tubo de retenção.
Esterilização contínua de líquidos por calor
 Dimensionamento do tubo de retenção (ou de espera) na esterilização por processo contínuo
 Os valores de V, tc, ρ, μ e thd são conhecidos.
 Re e v devem estar compreendidos nos intervalos 36.000 a 80.000 e 3 a 60 cm/s, respectivamente.
 Projeto do tubo de retenção: determinar D e L, considerando que D deve estar contido, 
aproximadamente, no intervalo 10 a 30 cm.
 Vazão de meio no tubo de retenção:
F =
V
tc
F = v A = v
π D²
4
D (D v) =
4 F
π
D2v =
4 F
π
(a)
Esterilização contínua de líquidos por calor
 Dimensionamento do tubo de retenção (ou de espera) na esterilização por processo contínuo
 Da definição de Reynolds:
 Combinando (a) e (b):
 Para cada valor de Reynolds, calcula-se D (diâmetro do tubo de retenção).
 Da expressão para F, obtém-se v (velocidade de escoamento no tubo de retenção).
 Aplicando v = L/thd, calcula-se o valor de L (comprimento do tubo de retenção).
Re =
ρ v D
μ
D v =
μ Re
ρ
D =
4 F
π
ρ
μ Re
(b)
 Considere a esterilização de um volume de meio de 100 m³, a ser carregado num fermentador 
durante 4 horas. A densidade do meio de cultivo é ρ = 1,06 g/cm³ e sua viscosidade é μ = 0,55 x 10-2
g/cm/s. Sabendo que o tempo de permanência no tubo de retenção deve ser de 3,5 minutos, 
dimensione possíveis configurações deste tubo. 
Exemplo 5. Dimensionamento do tubo de retenção
Esterilização contínua de líquidos por calor
Início de operação de uma esterilização contínua:
1) Injeta-se, em todo o sistema, incluído o fermentador, vapor a 1 atm
(aproximadamente 121ºC durante 2 h);
2) Injeta-se ar esterilizado no fermentador, de modo a nele se ter uma sobrepressão de 0,3 atm;
3) Regulam-se as condições de trabalho, utilizando-se água em vez do mosto;
4) Quando as condições estiverem ajustadas, começa-se a bombear o meio a ser esterilizado;
5) Eliminada toda a água existente na linha, abre-se o registro para o fermentador, 
que é então carregado com meio esterilizado.
Esterilização contínua de líquidos por calor
Vantagens do processo contínuo em relação ao descontínuo de esterilização:
T(ºC) mais elevadas e aquecimento e 
resfriamento rápidos resultam menor 
tempo de exposição em alta T(ºC), 
com menor destruição de nutrientes, 
levando a maiores rendimentos dos 
processos fermentativos.
Tubo de retenção de menores 
dimensões, pode ser construído com 
ligas especiais, evitando a 
contaminação metálica, que poderia 
prejudicar a fermentação.
Economia de vapor e de água de 
resfriamento em relação ao processo 
descontínuo, desde que o sistema 
esteja bem dimensionado (trocadores 
de calor e isolamento de tubulações).
As viabilidades técnica e econômica do processo contínuo dependem das dimensões e do regime de trabalho dos 
fermentadores da instalação industrial.
Obrigada e vamos ao exercício!
fernanda.casciatori@ufscar.br
DEQ/UFSCar