Formación de biofilms en sistemas de filtración por membranas

Abstract

Inicialmente se presenta una introducción en donde se plantea un marco general de la actividad frutihortícola en el país relacionada a la producción de frutas de pepita (manzana y pera), junto con una breve descripción de los temas que se detallarán en los capítulos. En el Capítulo 1 se describe el aislamiento de microorganismos de módulos de ultrafiltración (UF) provenientes de una empresa productora y exportadora de jugo concentrado de manzana y pera. Se estudió la presencia de levaduras, mohos, bacterias lácticas y bacterias heterótrofas, mesófilas aerobias y/o anaerobias facultativas. Posteriormente se procedió al análisis de sus características de superficie, evaluándose la naturaleza química de la superficie celular. Además, se estableció la tasa de adhesión de cada una de las cepas aisladas sobre acero inoxidable y su correlación con la hidrofobicidad de la superficie celular a pH 4 (pH promedio del jugo de manzana). En el Capítulo 2 se presenta la adhesión y formación de biofilms mono y multiespecie. La habilidad de las levaduras residentes para colonizar los equipos de producción y formar biofilms en tiempos cortos determinaría una ventaja competitiva sobre otros microorganismos presentes en el sistema y les permitiría sobrevivir a los procedimientos de limpieza y desinfección. Debido a que la situación más frecuente en las industrias alimentarias es la formación de comunidades multiespecie sobre las superficies, y dado que las mismas están reguladas por diferentes relaciones inter e intra específicas, se planteó el estudio de biofilms mixtos levadura/bacteria. En el Capítulo 3 se plantean los ensayos realizados sobre membranas de UF del mismo material y con las mismas características y puntos de corte que las utilizadas en las industrias para la clarificación de jugos. Estos ensayos fueron efectuados en unidades de filtración por membrana de flujo transversal a escala laboratorio. Posteriormente se procedió al estudio de estrategias de control mediante secuencias de limpieza y desinfección en condiciones de flujo variable, utilizando soluciones de hipoclorito de sodio, desinfectante comúnmente empleado en las industrias alimentarias en general y jugueras en particular. En el Capítulo 4 se determinaron las propiedades viscoelásticas lineales de biofilms mixtos de Candida krusei, C.tropicalis, C.kefyr y Rhodotorula mucilaginosa, todas ellas aisladas de membranas de UF (Capítulo 1). Se analizaron diferencias en función de la concentración de jugo (6 y 12 °Brix), del tipo de jugo de fruta (manzana y pera) y de la hidrodinámica de los fluidos (estático y turbulento). Se realizaron análisis sobre la formación y composición de los biofilms además de la reología de los mismos. Los ensayos mencionados se efectuaron directamente sobre las superficies de acero inoxidable mediante el diseño en nuestro laboratorio de un adaptador universal para la fijación de distintas superficies de uso industrial y medición de las propiedades reológicas del biofilm sin distorsionarlo, los pocos estudios realizados involucran por lo general la remoción del biofilm, no existiendo prácticamente ensayos reológicos in situ. Por último, se presentan las Conclusiones generales y se adjunta además dos anexos: Anexo 1: Técnicas microscópicas y Anexo 2: Biofilms duales, donde se compilan las imágenes de SEM obtenidas a partir de los ensayos del Capítulo2.

First, an introduction is given with a framework of the fruit production of pome fruits (apple and pear) in Argentina, together with a brief summary of the main topics of each chapter. Chapter 1 includes a description of the microorganisms isolated from ultrafiltration (UF) modules used in a large-scale apple juice processing industry; the presence of yeasts, molds, lactic acid bacteria and heterotrophic, aerobic, mesophilic and / or facultative bacteria were studied. Afterwards, we analyzed the cell surface characteristics of the isolates through the evaluation of the chemical nature of its cell surface. Also, in the same chapter a description of the adhesion rate of each strain was done on stainless steel together with the correlation of the cell surface hydrophobicity at pH 4 (average pH of apple juice). Next, in Chapter 2 we present a study of mono and multi specie adhesion and biofilm formation. The ability of yeasts, common members of apple juice industries, to colonize manufacturing equipment and to form biofilms in short periods of times could render in a competitive advantage over other microorganisms present in the system, allowing them to survive cleaning and disinfection procedures. Due to the fact that the most common situation in food industries is the formation of multispecies biofilms, and because they are regulated by many inter and intra specific relations, is that we contemplated the formation of mixed yeast/bacteria biofilms. In Chapter 3 we carried out assays on UF membranes of the same material and molecular cut-off as the ones used for the clarification of apple juice. These tests were done on cross-flow filtration units at a laboratory scale. Subsequently, control strategies were analyzed using cleaning and disinfection sequences under variable flow conditions using solutions of sodium hypochlorite, the most commonly used disinfectant in food industries. In Chapter 4, lineal viscoelastic properties of mixed biofilms of Candida krusei, C.tropicalis, C.kefyr and Rhodotorula mucilaginosa (all of them isolated from UF membranes, Chapter 1) were measured. Differences were analyzed according to juice concentration (6 and 12 ° Brix), type of juice (apple and pear) and fluid hydrodynamics (static and turbulent). Analyzes were made on the formation and composition of the biofilms in addition to the rheology. The aforementioned tests were carried out directly on stainless steel; the disks with the biofilms on top were attached to the rheometer’s lower plate by means of a special ring designed ad hoc. Then the rheological properties of the biofilm were measured without disturbing it. Most studies usually involve the removal of the biofilm but only few do it in situ. Finally, General Conclusions are presented and two annexes: Annex 1: Microscopic techniques and Annex 2: Dual Biofilms, where the SEM images obtained from the tests of Chapter 2 are compiled.