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7/23/2019 equipos farmaceuticos.pdf

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APLICACIN DE LA TERMODINMICA Y EL DISEO EN PROCESOINDUSTRIALES: EL CASO DE LA E STERILIZACINAPPLICATION OF THE THERMODYNAMICS AND THE DESIGN ININDUSTRIAL PROCESSES: THE CASE O F STERILIZAT1ON

u i s ERNESTO LFEREZ RIV S ]

N YIVE NIEVES PIMIENTO

IVN ANDRS SABATA T

JHON WILSON GARCA C 4

R S U M N

En la industria ensambladora de autoclaves en el mbito nacional aparecen

num erosos procesos en la cadena de p roduccin. En stos, el control de losprocesos trmicos se ha convertido en u na tarea crtica y fundam ental, yes de inters invest igar exhaust ivamente, en presen cia de tem peratura,tanto la reproduccin como la el im inacin de microorganismos. En talsentido, este artculo se centra en el pr oceso de la esterilizacin, por lo quedescribe sus conceptos tericos fundamen tales ms relevantes, as com olos subprocesos que ap arecen. Igualmente, se hace un estudio que partede la mod elacin matem tica y se centra en la experimentacin, orienta-da a la evalua cin de la efectividad del pro ceso, as com o en el anlisis,diseo y ejecucin de un protoco lo de validacin de ste. Las autoclava dasexperimentales se realizaron por triplicado y se registr automticamentelas temperatura s de d iecisis canales de m edicin; se calcul, en t iem poreal , el t iem po equivalente Fo) en cada u no de los canales y se real izsimultneamente un desafo con un indicador biolgico com binado con u nindicador qu mico. Los resultados experimen tales demostraron la efecti-vidad de los pro cesos estudiados, con los patrones de carga definidos, ascom o la configuracin de los ciclos del esterilizador. Com o perspectiva, seplantea extend er los resultados en los entornos hosp italarios.

1 Ingeniero Qumico Universidad Amrica. Especialista en Matemtica Aplicada a Sistemas Dinmicos UniversidadSergio Arboleda. Integrante del grupo de energas alternativas de la Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas.Correo electrnico: lea Iferezr@ud istrita I ed u .co2 Ingeniero Mecnico Universidad Pontificia Bolivariana Estudiante de Maestra en Ciencias Ambientales de la UniversidadJorge Tadeo Lozano. Correo electrnico: [email protected] Ingeniero Mecnico Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas. Correo electrnico: [email protected] Ingeniero Mecnico Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas. Correo electrnico: [email protected]


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LUIS ERNESTO ALFEREZ RIVAS NAYIVE NIEVES PIMIENTO IVN ANDRS SABATA T. JHON WILSON GARCA C.

Palabras claveTiempo equivalente, autoclave, purgadd,

i ilizacin, validacin, biondicadores, perfil detemperatura.

bstract

n the assembly industry of autoclaves t a

national level, a number of processes appear inthe chain of production. In them, the control ofthermal processes has become a critical and fun-

damental task, and is of interest to investigateexhaustively, in the presence of temperature, thereproduction as the elimination of microorganis-

msIn such sense, this article is centered in theprocess of sterilization, describing its fundamental

theoretical cpricepts as well as the sublirocs esthat appear. Likewise, a studY is conducted tht

springs from the mathematical modeling, and itis centered in the experimeritation orientecl,to the

evaluation of the effectiveness of the process, aswell as in the analysis, design and execution of a

protocol of validation of the sane one. The expe-

rimental autoclaves were automatically made bytriplicate, registering .automatically the temper-

tures of 16,channels of measurement; calculting ;

in real time, the equivalent time (Fo) in,each oneof the channels and taking place simultaneouslya challeng with a combind biologic al indicatorwith a chemical tracer. The experim ental results

demonstrated the effectiveness a the studied pa:-

cesses, with the patterns of defined Joad ; as wellas the configuration of the cycls of the sterilizer.

As a perspective, it is considered to extend theresults in the hospital environinents.

eywordsEquivalent time, sterilizer, bled, sterilization, va-lidation, biondicadores, profile of temperature.

1 INTRODUCCIN

Para el mundo de los microorganismos es funda-

mental el requerimiento de calor, ya que cierta .

cantidad d calor favorebe _u crec imiento y r

produccin, mientras que otra cantidad de calorfavorece su eliminacin. En la industria en la que

aplica la esterilizacin es de inters primordialtanto la reproduccin corno la eliminacin demicroorganismos, es ah donde radic la impor-tancia del control de los procesos trmicos. Latermodinmica es la herramienta rnediarite la

cual se puede disear y controlar los equipo s me-

diante los cuales los microorganismos .ge pueden

reproducir o eliminar, seg diversos requisitos

de calidad.

El calor es un concepto. complejo, pQr lo -que el

hombre trat de transformarlo en una variablede maydr simplicidd de manejo; encontrando lasiguiente ecuacin:

m-Cp dT

Donde Q calor

m = masa

Cp capacidad calorfica del material.

dT = diferencia de temperatura.-

De la ecuacin anterior la variable que se puedecontrolar fcilmnte es la temperatura; entonces,

la problemtica para reproducir o eliminar micro-

organismos se reduce a . controlar la temperatura.Esto conlfeva .a disear equipos adecuados a las

necesidades que tengamos, por ejemplo:


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1Proceso farmacutico Temperatura a : Tiempo requerido 1 Equipocontrolar

"Depende de PNOyiRefrigeradoies.1Refrigeracin 2.0 a 8_00C tipo 1 congeladores.,linicroorgansmo

Resultado trabajando :1con microorganismos

1Conservacin de laleida delmicroorga nimio

Desd. 25_0 a Depende del I Estufas de IReproduccin de_ microorganismo y 1. inicroor2anismos.150.0 'U ncubacinlosnutrientesIncubacin

,Tiempo nunimo 1 Eliminacin de1 1 5 1 i n im i 1 2 L O minutos o alcanzar

unFo=1L.microorganismos,. con1Autoclaves, hornos :1Ildeterminaosnumentes

nepo Mnimo 1Mnim a 250.0 I m ihora yo alcanzar.1Eliminacin de losIdesechos de losliniercior2anismos

IDespiroeenizacin Hornoslun Fp = 12

APLICACIN DE LA TERMODINMICA Y EL DISEO, EN PROCESOS INDUSTRIALES: EL CASO DE LA ESTE

A travs del tiempo, -cualquier equipo trmico va autoclave es un recipiente en el que se consiguea presentar desgaste y desviaciones con respecto exponer el material que se va a esterilizar a tem-a su diseo original, lo que puede ser riesgoso en peraturas superiores a la de ebullicin del agua,una industria que trabaja la esterilizacin ela- debido al aumento en la presin.boracin de medicamentos, frmacos, alimentosy esterilizacin de instrumentacin quirrgica) El proceso completo de esterilizacin en un auto-los cuales son afectados por el ptimo desempeo clave se compone de diferentes fases:de sus equipos.

Para resolver esta problemtica nace como alter-nativa la validacin de procesos, que medianteestudios peridicos de seis meses a un ao),garantiza que el comportamiento trmico de losequipos es adecuado para reproducir o eliminarmicroorganismos en los procesos de esteriliza-cin.

Todo este proceso es desarrollado, tanto del ma-terial como el de medios contaminados procesoesencial en todo laboratorio de cultivo in Vitro)

est dado por la esterilizacin, que se suele efec-tuar con calor hmedo en equipos denominadosautoclaves.

Fase de purgado: a medida que la resistencia

calienta el agua del fondo del caldern, se va pro-duciendo vapor que desplaza el aire, hacindolosalir por la vlvula de purgado que est abierta.Esta fase termina cuando se alcanza la tempera-tura de esterilizacin.

Fase de esterilizacin: una vez cerrada la vl-vula de purgado y alcanzada la temperatura deesterilizacin previamente seleccionada se iniciael proceso de esterilizacin.

Fase de descarga: terminado el proceso deesterilizacin, deja de funcionar la resistenciacalefactora, con lo que deja de producirse vapory la presin y temperatura del caldern empieza

El autoclave es un instrumento habitual en los a bajar poco a poco.laboratorios de cultivo in vitro. En esencia, un


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2 FIABILIDAD Y TRAZABILIDAD DE LOS : erificaciri de ls condiciones de operacin paraPROCESO S DE ESTERILIZACIN vitar daos en l equipo, en el proceso e, incluso,

en el operador [1].El objetivo de una instalacin productora de for-

mas industriales estriles e fabricar un producto Una particularidad importante es que estos sis-

libre de microorganismos capaces de reproducirse temas de control permiten el registro, en papel oen el propio producto o despus de suadministra -' en formato electrnico, de todos los parmetroscin a un paciente. - - de los ciclos ejecutados lo cual adems de ser un

requisito exigido por las regulaciones y las buenasPara lograr este objetivo la fabricacin de solu- prcticas de esterilizacin, riermit *la deteccin

ciones parenterales es tpicamente acompaada de posibles condiciones de fallo, an antes de quede una esterilizacin terminal o mediante 13 ro' ce.: ocurran. Otro aspecto importante en el control

samiento asptico; sin embargo, ambos procesos de los ciclos de esterilizacin, mediante vaportienen sus limitaciones. Los procesos de esterilil satu rad6, es que adems del tradicional controlzacin terminal no son aplicables a los productos mediante la combinacin tiempo temperatura estermosensibles por la degradacin que sufren, posible controlar por un parmetro denominadodebido a la accin del calor. Por otro lado, el pro- tiempo equivalente . Esta variante 'es de suma

cesamiento asptico ha estado histricamente importancia en los tiirocesos de -esterilizacin enasociado con fallos en la esterilidad y el retiro de los cuales_la carga es termolbil, pues evita unaproductos del mercado [2]. - exposicin -prolongada- al calor Este enfoque es

usualmente empleado .en .el caso de_lquidos;Independientemente del mtodQ utilizado,-.para

lograr la esterilidad de un producto-es indiscutible La esterilizacin, por vapor saturado es el me-

la importancia que tiene el equipamiento emplea- canismo mejor comprendido para la destruccin

do en este proceso, ocupando un lugar fundamen- de la vida microbiana. Es el mtodo preferido en

tal las autoclaves o esterilizadores. Es debido a equipos que puedan operar en el rango de 120 aesto que la calificacin de los equipos involucrados 135 ?C. Aunque an existen diferencias entre los

y la validacin de los procesos ejecutados en ellos especialistas, en cuanto al mecanismo de muerte

sean de sumo inters para garantizar la calidad a escala molecular hay un acuerdo universal

y la seguridad de los productos farmacuticos e acerca de lostres parmetros crticos que afectanindustriales. Adems, las regulaciones nacionales la esterilizacin: presin, temperatura y la tasae internacionales establecen que todos los pro- de fugas en tuberas y accesorios [5].cesos crticos deben ser validados y, validables,

haciendo marcado. nfasis en los procesos de Cuando una poblacin grande ,de clulas bacte-esterilizacin. nanas, esporas . o. virus son expuestos al vapor,

saturado a.una temperatura fija el nmero -de

Los esterilizadores modernos son diseados y sobrevivientes puede ser 'determinado como una.fabricados bajo estriptas.normas-y _cuentan ade- funcin del tiempo de exposicin a una- tempe-ms de los dispositivos de seguridad y de otras ratura y presin controladas. La temperatura

caractersticas 'que aseguran la fiabilidady traza- afecta dramticamente la tasa de muerte. Albilidad de los procesos, con unsistemade control aumentar la temperatura la resistencia de loscompletamente automatizado que se ocupa no slo microorganismos disminuye sensiblemente, por

de la ejecucin de todas y cada una de las etapas lo que en la misma unidad de tiempo se observade un ciclo de esterilizacin, sino tambin de la una acentuada disminucin de su poblacin.


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APLICACIN DE LA TERMODINMICA Y EL DISEO EN PROCESOS INDUSTRIALES: EL CASO DE LA ESTE

El efecto de la presin en la esterilizacin porcalor es evidenciada por las grandes diferencias

observadas en las temperaturas requeridas por laesterilizacin mediante 959-212-095-1 2003, So-

ciedad Cubana de Bioingeniera, artculo T_01112/4 calor seco y la esterilizacin mediante calorhmedo. La combinacin de temperatura con lapresin controlada tiene un efecto directo para lacalidad del vapor con el empleo de este mtodo.

Mientras que un proceso de calor seco ocurregeneralmente entre 160 y 180 C, un procesode calor hmedo ocurre a temperaturas mucho

menores, que varan desde 115 C hasta 135 C[1], [5]. Este fenmeno ha sido atribuido a quela presencia de agua disminuye la temperaturarequerida para desnaturalizar las protenas; sinembargo, en el caso del calor seco se requiereinicialmente un proceso de deshidratacin antesde que la temperatura alcance un valor suficiente

para producir la desnaturalizacin o coagulacinde las protenas, consecuentemente este es unproceso de oxidacin, con una cintica diferenteal proceso de calor hmedo [1], [3], [5].

En el enfoque cintico de la muerte microbianase asume frecuentemente que esta sigue un mo-delo similar a una reaccin qumica de primerorden. Se ha encontrado experimentalmente quela tasa de muerte, la cual es medida en trminosprcticos, como una tasa de supervivencia, tieneun comportamiento exponencial, en el cual laconstante de velocidad de reaccin k del paso ms

lento, es la que controla el proceso [1], [5], tal como

se muestra en la expresin (1):

V,e

donde:pcblacilm tnicrobilanaen cualquier instulte

N: .pob lac i f f i xrnicrobianak: constante develocidad de :reaccint 1tiempoe : base de los M g:atarnos neperianos

1

La caracterizacin y estudio de un pl'oceso deesterilizacin trmico requiere de la medicin

de los perfiles de temperatura, presin, fugas enaccesorios y tuberas; adems de un reto con unmicroorganismo, empleado como bioindicador,cuyos parmetros de resistencia al calor seanconocidos y cuantificables; estos parmetros sedenomihan D y Z.

El valor D, conocido tambin como tiempo dereduccin decimal, es una magnitud cuantitativadel ndice de muerte de los microorganismos. Sedefine como el tiempo requerido en minutos, a una

temperatura y presin especfica, para lograr unareduccin de un orden de magnitud, esto equivalea una reduccin del 90 de la poblacin micro-biana inicial [4], [6], [7]. El valor D permite unacomparacin directa de la resistencia al calor devarios microorganismos.

Un cambio en la temperatura o la presin afec-ta de forma significa la tasa de muerte de lasbacterias. Al aumentar la temperatura, el log Ddisminuye de forma lineal y esta dependencia sedefine a travs de Z y se expresa en C. El valor Zse define como el cambio de temperatura requeri-do para reducir el valor D en un orden de magni-tud, lo cual es igual a una reduccin del 90 delpropio valor D, [4], [6], [7].

El microorganismo, usualmente empleado comodesafo, es el B. stearothermophilus, ampliamente

conocido por su resistencia al calor. Los valoresms comunes de D varan entre 1,0 y 3,0 minutosa 121 C, mientras que el valor Z oscila entre 8 y13 C [1], [6], aunque recientemente el autor ha

empleado en estudios de validacin indicadoresbiolgicos con un valor Z = 30 C.

Una vez conocidos estos parmetros es posibledesarrollar un modelo matemtico que permitacalcular la capacidad de un proceso de esterili-zacin, para eliminar los microorganismos, entrminos de letalidad, segn la expresin (2):


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donde:E: tiempo tsuvniente tnitl)17: temperatura instantnea

temixratura base C(.7)Z: valor Zt: intervalo de tiempo (mit

LUIS ERNESTO ALFEREZ RIVAS -- NAYIVE NIEVES PIMIENTO - IVN ANDRS SABATA T. - JHON WILSON GARCA.

b s

=t2

- donde:1: letalidadT: temperatura instantnea

'Tb: temperatura base'Z: Imlor

r

La letalidad puede ser determinada en un instante dado, pero si se calcula la surnatoria de todaslas letalidades acumuladas, es decir, si se integra

como una funcin de la temperatura en el tiempo(L = f (T,t) ), entonces es posible calcular el tierrip o

equivalente F. La expresin (3)

3t u

Una solucin grfica de -esta ecuacin implicara

calcular el rea bajo la curva en un grfico detemperatura versus tiempo, segn se muestraen la figura 1.

Figura 1 El rea bajo la curva en un grfico de Tempera-tura vs. tiempo, equivale al tiempo equivalente valor F.No obstante la solcin nurica es la ms empleada.

El valor F es definido como el tiempo equivalente

durante el cual un producto ha sido som etido a

una tem peratura y a una p resin de e steriliza ,cin determ inada [4], [6], [7]. En el clculo . de F

se toman en consideracin distintos factores: la'temperatura instantnea en cualquier momento,la temperatura base, el valor Z y el intervalo detiempo. El concepto de tiempo equivalente hecesa-

riamente implica que este tiempo es diferente altiempo real [4], [6], [7]. La solucin de la ecuacin

3 se expresa en la forma siguiente:

En el caso particular de la esterilizacin por va-por saturado, la temperatura base (Tb) es igual

a 121 C y el valor Z es igual a 10 C, en ese casoel trmino F se denomina Fo

2 1 Protocolo de validacin

Para ejecutar el estudio se dise un protocolode.validacin en el cual se describen las pruebasnecesarias, as como la metodologa que se a se-guir en su ejecucin. Las fases de m ayor inte rs

que ab arcan este trabajo, fueron la s etapas decalificacin de la - operacin y de calificacin de l

desempeo.

El registro de los perfiles de temperatura fue rea-

lizado con un sistema de medicin de temperatura

industrial, formado por un indicador de terhpera-

tra tipo multipunto de marca Omega INC., dedoce canales para termorres istencias tipo RTD

Pt10 modelo RD250-12-PT-0/200C, con formato de

calibra cin No TE-145-06. La calibracin inicial,


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Tabla ten rina.m. con cmara. venda

CORRIDA TEMP ER ATER- . . renMINIMA MEDIA XMA1

1 122,7122.6

123,01229

123,41 : 2 3 .

La* roncal entm temperatura rabinum y roinimo,, luyo topetoIn krororom ~dio. .1.ION N. 05 e 24

minutos.

Los indicadores sometidos a la esterilizacin ylos empleados ,corno controles positivos fueron

incubados en las condiciones' recomendadas, 58C durante 48 horas.

Ninguno de los indicadores biolgicos sometidos

al proceso mostr evidencia de crecimiento; mien-

trasque los controles positivos evidenciaron uncambio de coloracin como signo del crecimiento

microbiano.

Los indicadores qumicos de barra mvil

la actividad inmediata de los ciclo al estar

la barra oscura en la posicin acepted .

4 DISCUSIN

Los resultados de la prueba de hermeticidad otambin llamada por la NTC 4954 como tasa de

fuga, indicaron que la cmara es henhtica, locual, aunque no -tiene marcada influencia en elcomportamiento trmico, es un aspecto de suma

importancia en la etapa de postratamiento pueses en sta en la cual generalmente se realiza un

pulso de vaco prolongado, para extraer la hu-medad residual, en los procesos de esterilizacinpara cargas slidas.

La tabla 'I indica que la cmara del esterilizador eshomognea pues las diferencias entre los valores

mnimos con respecto la media es inferior a 1C; de igual forma la-diferencia entre los valores

mximos y7 la -media_ es .menor que 1 C (NTC4954).

De qu se infiere que cualquier comportamientoanmalo del perfil de temperatura, en la carga, se

debe a la configuracin de sta y no al desempeo

del esterilizador. En la figiira 1 se observn lastres curvas correspondientes a las teMperaturas

mnimas, mximas y media durante todo el ciclo.

Durante las fases de pre y postratamiento los va-.

lores de temperatura se diferencian notablemen- te, lo cual es de esperar, debido a que los pulsos


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APLICACIN DE LA TERMODINMICA Y EL DISEO EN PROCESOS INDUSTRIALES: EL CASO DE LA ESTER

de inyeccin de vapor y de vaco no permiten el

establecimiento de condiciones estables. Una

vez que se inicia la fase de exposicin las varia-ciones de la presin del vapor saturado son muy

pequeas, lo que trae como consecuencia que las

temperaturas en todos los puntos de la cmaraestn prximas.

Se debe destacar que el sistema de control de esta

autoclave, por diseo del fabricante, asume siem-

pre 1C por encima del valor de consigna fijado,

como una garanta de que en un peor caso el punto

ms fro nunca estar por debajo de ste.

Las pruebas de desafo microbiolgico, ejecutadas

simultneamente, con el estudio de penetracinde calor, dieron corno resultado que los bioindica-

dores recibieron una cantidad de calor suficiente

para eliminar las esporas de B. stearothermoph-ilus brindando un criterio biolgico de la efecti-vidad del proceso de esterilizacin.

5 CONCLUSIONES

El control de las variables de temperatura, pre-sin y fugas en accesorios de un proceso de este-rilizacin garantiza que la ejecucin del ciclo se

efecte siempre de la misma forma, asegurandola consistencia, reproducibilidad y trazabilidadde los resultados. Este aspecto constituye un ele-mento fundamental en la obtencin de productos

farmacuticos e industriales.

Los estudios previos con la crara vaca demos-

traron que el sistema tiene un comportamientomuy homogneo durante la fase de exposicindel ciclo de esterilizacin, con diferencias infe-riores a 0.5 C, lo cual favorece el desempeo del

proceso.

La medicin y registro de los perfiles de tempera-

tura, durante la ejecucin del ciclo de esteriliza-

cin, as como el clculo simultneo de los valores

de Fo y el desafio microbiolgico con esporas de

B. Stearothermophilus constituyen un mtodoadecuado para demostrar la efectividad de los

patronamientos realizados a los instrumentos yaccesorios usados para la fabricacin y ensamblede esterilizadores a vapor saturado.

Los valores de Fo que se obtuvieron en cada unode los puntos estudiados, indicaron que el pro-ceso brind suficiente letalidad para eliminarlas formas de vida microbiana potencialmentepresentes en los materiales que conformaron elpatrn de carga.

REFERENC I S BIBLIOGRFIC S

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