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Tipo do documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso Embargado
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States
Título: Aspectos cinéticos e termodinâmicos da adesão microbiana e modelagem e otimização da higienização Clean in Place utilizando fluxo pulsado
Título(s) alternativo(s): Kinetic and thermodynamic aspects of microbial adhesion and modeling and optimization of clean in place hygienization using pulsed flow
Autor(es): Silva, Lucas Donizete
Primeiro orientador: Coutinho Filho, Ubirajara
Primeiro coorientador: Gedraite, Rubens
Segundo coorientador: Naves, Emiliane Andrade Araújo
Primeiro membro da banca: Coutinho Filho, Ubirajara
Segundo membro da banca: Gedraite, Rubens
Terceiro membro da banca: Naves, Emiliane Andrade Araújo
Quarto membro da banca: Vieira, Luiz Gustavo Martins
Quinto membro da banca: Bernardes, Patrícia Campos
Resumo: A higienização clean in place (CIP) é uma das técnicas mais empregadas na limpeza e sanitização de superfícies na indústria de alimentos e fármacos. No entanto, alguns pontos nas tubulações são desafiadores devido à geometria e à fluidodinâmica do escoamento. A busca por modelos e otimização do processo CIP é fundamental para qualidade e segurança microbiológica dos produtos. Nesse sentido, o objetivo do Capítulo 1 foi avaliar a multiplicação de Pseudomonas fluorescens (ATCC 13525) e Listeria innocua (ATCC 33090), estimar parâmetros cinéticos de crescimento, medir a hidrofobicidade das células e da superfície de aço inoxidável e verificar a presença de exopolissacarídeos (EPS). No capítulo 2 avaliou-se a higienização de cinco geometrias: trecho cilíndrico reto, ramificação em tê, curva 90º, expansão e redução de diâmetro, contaminadas com os dois microrganismos empregando fluxo constante de sanitizante. No capítulo 3, a sanitização foi aplicada com fluxo pulsado para avaliar o efeito do tempo, ondulação, período do pulso e concentração do agente químico. O comportamento da redução decimal de células foi modelado por meio da metodologia de Superfície Resposta (RMS) e a otimização feita pela técnica da desejabilidade. Além disso, investigou-se o comportamento fluidodinâmico no interior dessas geometrias. No capítulo 4 desenvolveu-se um modelo baseado em redes neurais artificiais (RNA) para sanitização de Listeria innocua com fluxo pulsado e determinou-se o ponto ótimo de operação. Foram utilizados cupons e tubos de aço inoxidável 304, polimento #4. Para determinar o crescimento das células foi realizado, periodicamente, a amostragem do leite e da superfície utilizando contagem de unidades formadoras de colônias (UFC) em placas. Os modelos cinéticos foram feitos pela estimação dos parâmetros. A hidrofobicidade e a termodinâmica de adesão foram determinadas por meio do ângulo de contato. A produção de EPS foi investigada por espectroscopia no infravermelho FTIR. Na higienização, uma linha de circulação foi contaminada com os microrganismos. Em seguida, as geometrias foram higienizadas e a amostragem realizada pela técnica de swab e o desempenho da higienização foi avaliado com base nas reduções decimais de células. O estudo fluidodinâmico foi realizado com software FLUENT versão Student e o consumo energético com sensor de corrente elétrica. Observou-se que sob refrigeração L. innocua apresentou uma fase lag e depois crescimento no número de células. Já P. fluorescens não apresentou crescimento e não houve avanço da adesão. Na temperatura ótima, L. innocua não apresentou fase lag e P. fluorescens apresentou uma fase lag. A adesão de L. innocua foi significativamente superior a P. fluorescens. L. innocua apresentou velocidade específica de crescimento superior a P. fluorescens. Além disso, o parâmetro da equação de Luedeking-Piret mostrou que a adesão é associada ao crescimento das células em ambos os microrganismos. A análise FTIR revelou que L. innocua não sintetizou EPS dentro do período de avaliação, já P. fluorescens produziu EPS desde 12 h. Ambas as espécies foram hidrofílicas, sendo L. innocua menos hidrofílica e mais favorável energeticamente à adesão. A redução decimal na sanitização tradicional mostrou que o trecho cilíndrico reto e a redução apresentaram os melhores níveis de higienização em detrimento da ramificação em tê, para os dois microrganismos, em função da formação de zonas de estagnação, observada na simulação fluidodinâmica. As variáveis do fluxo pulsado foram significativas na sanitização. A condição ótima demandou menor tempo de operação, economia de energia e de agente sanitizante. Por último, o modelo RNA foi capaz de ajustar com precisão aos dados experimentais e comparativamente, foi mais precisa do que as predições indicadas pela técnica RMS.
Abstract: Clean in place (CIP) is one of the most used techniques for cleaning and sanitizing surfaces in the food and pharmaceutical industry. However, some points in the pipes are complicated due to the geometry and fluid dynamics of the flow. The search for models and optimization of the CIP process is essential for the quality and microbiological safety of products. In this sense, the objective of Chapter 1 was to evaluate the multiplication of Pseudomonas fluorescens (ATCC 13525) and Listeria innocua (ATCC 33090), estimate kinetic parameters of growth, measure the hydrophobicity of cells and the surface of stainless steel and verify the presence of exopolysaccharides (EPS). In chapter 2, the geometry of five geometries was evaluated: straight cylindrical section, tee branching, 90º curve, expansion and diameter reduction, contaminated with the two microorganisms using a constant flow of sanitizer. In chapter 3, sanitization was applied with pulsed flow to evaluate the effect of time, ripple, pulse period and chemical agent concentration. The behavior of the decimal cell reduction was modeled using the Response Surface (RMS) methodology and the optimization was performed using the desirability technique. In addition, the fluid dynamic behavior within these geometries was investigated. In chapter 4, a model based on artificial neural networks (ANN) was developed for the sanitization of L. innocua with pulsed flow and the optimal point of operation was determined. 304 stainless steel tubes and tubes, #4 polish, were used. To determine cell growth, milk and surface priming were periodically performed using colony forming units (CFU) counts on plates. Kinetic models were made by parameter compliance. The hydrophobicity and thermodynamics of adhesion were determined by means of the contact angle. EPS production was investigated by FTIR infrared spectroscopy. In hygiene, a circulation line was contaminated with microorganisms. Then, the geometries were sanitized and the volunteer performed by the swab technique and the stabilization performance was evaluated based on the decimal reductions of cells. The fluid dynamic study was carried out with the FLUENT software Student version and the energy consumption with an electric current sensor It was observed that under refrigeration L. innocua presented a lag phase and then growth in the number of cells. P. fluorescens, on the other hand, did not show growth and there was no improvement in adherence. At optimal temperature, L. innocua did not show a lag phase and P. fluorescens showed a lag phase. Adherence of L. innocua was significantly higher than P. fluorescens. L. innocua showed a higher specific growth rate than P. fluorescens. Furthermore, the Luedeking-Piret equation parameter showed that adhesion is associated with cell growth in both microorganisms. FTIR analysis revealed that L. innocua did not synthesize EPS within the evaluation period, while P. fluorescens produced EPS from 12 h. Both species were hydrophilic, with L. innocua being less hydrophilic and energetically more favorable to adhesion. The decimal reduction in the traditional sanitization showed that the straight cylindrical section and the reduction presented the best levels of sanitization in detriment of the tee branching, for both microorganisms, due to the formation of stagnation zones, observed in the fluid dynamic simulation. Pulsed flow variables were significant in sanitization. The optimal condition required less operating time, saving energy and sanitizing agent. Lastly, the ANN model was able to accurately fit the experimental data and was comparatively more accurate than the predictions indicated by the RMS technique.
Palavras-chave: Adesão
Higienização
Fluidodinâmica
Otimização
Inteligência Artificial
Bactérias psicrotróficas
Leite
Segurança microbiológica
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Referência: SILVA, Lucas Donizete. Aspectos cinéticos e termodinâmicos da adesão microbiana e modelagem e otimização da higienização Clean in Place utilizando fluxo pulsado. 2023. 140 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.8034
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.8034
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37782
Data de defesa: 27-Fev-2023
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