La filtración de aire estéril en un fermentador protege el cultivo frente a microorganismos ambientales, bacteriófagos, partículas y otros contaminantes que podrían alterar el crecimiento microbiano, reducir el rendimiento de la fermentación o comprometer la calidad del producto.
La fermentación es un proceso metabólico en el que un organismo convierte un carbohidrato, como un almidón o un azúcar, en un alcohol o un ácido. La fermentación es un delicado equilibrio entre biología y control. Los microorganismos que impulsan el proceso solo prosperan en entornos limpios y cuidadosamente regulados, donde los contaminantes no deseados se mantienen completamente fuera.
El aire es un fluido de proceso indispensable para la fermentación enzimática, ya que permite y optimiza el metabolismo y el crecimiento del cultivo microbiano. El aire del fermentador debe estar libre de microorganismos no deseados transportados por el aire y de contaminación por bacteriófagos.
Por qué el aire estéril es esencial en la fermentación
Los biorreactores deben suministrar grandes volúmenes de oxígeno a los microbios, pero cualquier contaminación en el aire puede superar o estropear el cultivo. Es importante evitar la entrada de microorganismos ajenos procedentes del entorno, que podrían interrumpir el crecimiento y la multiplicación de los organismos seleccionados para la fermentación.
La contaminación afecta al rendimiento de la fermentación y compromete la calidad del producto. Este requisito es especialmente importante durante las etapas iniciales de siembra y propagación, en las que los cultivos microbianos iniciadores sensibles deben multiplicarse desde células individuales hasta alcanzar una masa celular definida y suficientemente grande que finalmente se transfiere a los fermentadores principales.
Los procesos de fermentación industrial a gran escala para productos producidos en masa requieren controles estrictos y un sistema de filtración avanzado para ayudar a los responsables de planta a mantener el control de calidad y la continuidad completa de la cadena de suministro.
Las recetas que se someten a fermentación utilizan aire comprimido para introducir oxígeno en los cultivos de levadura. El aire comprimido de los procesos de fermentación se filtra previamente y después se introduce en el fermentador a través del conducto de inyección de aire.
Qué se entiende por aire estéril
En las aplicaciones de filtración de procesos, «estéril» se refiere a «libre de bacterias vivas u otros microorganismos».
Los filtros estériles eliminan los microorganismos del aire comprimido y se utilizan en procesos y sistemas que requieren la máxima calidad del aire. El elemento filtrante estéril se utiliza para la filtración estéril altamente eficiente del aire comprimido, del aire de proceso y de los gases técnicos.
El medio filtrante garantiza una eliminación altamente eficiente de partículas submicrométricas de hasta 0,01 μm, incluidos los microorganismos, como las bacterias.
Para producir aire estéril, es necesario instalar un filtro estéril apropiado, por ejemplo, una carcasa de filtro SF con elemento filtrante VSF, para filtrar e interceptar las bacterias.
Es esencial que el aire situado en la entrada del filtro estéril esté adecuadamente prefiltrado aguas arriba y que toda la instalación se esterilice con regularidad.
Contaminantes que deben controlarse
Debido a contaminantes como partículas sólidas, humedad, hidrocarburos o bacterias, el aire comprimido o el gas utilizado en el proceso pueden dañar el producto y causar problemas de calidad y eficiencia.
Las aplicaciones de la industria de procesos requieren aire comprimido o gas en los que los contaminantes mencionados anteriormente se eliminen o se reduzcan hasta un nivel aceptable para aplicaciones específicas.
- Partículas sólidas.
- Humedad y condensación.
- Hidrocarburos.
- Bacterias.
- Microorganismos ambientales.
- Bacteriófagos.
- Biopelícula y suciedad en los filtros de aire y gas.
Las entradas al biorreactor, el agua, los nutrientes, los antiespumantes y los suplementos deben filtrarse antes de entrar para eliminar contaminantes ocultos que podrían interrumpir el cultivo.
Ubicación de los filtros en un fermentador
La filtración no se limita al conducto principal de entrada de aire. Un sistema de fermentación puede requerir varios puntos de filtración para mantener la esterilidad durante todo el ciclo de producción.
Entrada de aire de proceso
El aire comprimido se filtra antes de introducirse en el fermentador a través del conducto de inyección de aire. Este filtro debe retener bacterias, esporas, partículas y otros contaminantes presentes en el gas.
El aire estéril proporciona el oxígeno necesario para el metabolismo y el crecimiento de los microorganismos seleccionados, sin introducir organismos competidores o agentes que puedan alterar la fermentación.
Ventilación del fermentador
Dentro del recipiente, los filtros de ventilación estériles garantizan un intercambio de aire seguro, mientras que la filtración aséptica del vapor y del gas mantiene la integridad del biorreactor.
La ventilación permite gestionar el aire desplazado, los cambios de presión y los gases generados durante el proceso sin abrir el recipiente a la contaminación ambiental.
Agua, nutrientes y aditivos
Todas las entradas al biorreactor, el agua, los nutrientes, los antiespumantes o los suplementos deben filtrarse antes de su entrada para eliminar los contaminantes ocultos que podrían interrumpir el cultivo.
Nitrógeno de presurización
El nitrógeno utilizado para la presurización de los tanques debe estar libre de bacterias, pirógenos y cualquier otra partícula antes de entrar en contacto con el producto final.
Vapor y gases auxiliares
La filtración aséptica del vapor y del gas ayuda a mantener la integridad del biorreactor y a proteger las superficies y los fluidos que entran en contacto con el cultivo.
| Punto del proceso | Función de la filtración |
|---|---|
| Entrada de aire comprimido | Introducir oxígeno sin microorganismos ni partículas contaminantes |
| Ventilación del fermentador | Permitir el intercambio de aire y proteger el recipiente |
| Agua y nutrientes | Eliminar contaminantes antes de su entrada al biorreactor |
| Nitrógeno de presurización | Evitar que bacterias, pirógenos y partículas contacten con el producto |
| Vapor y gases auxiliares | Mantener la integridad aséptica del sistema |
Cómo se produce aire estéril
La producción de aire estéril comienza normalmente en un sistema de aire comprimido convencional con equipos estándar para el tratamiento del aire o del gas industrial comprimido.
En la industria de procesos, los requisitos de pureza del aire y del gas suelen ser más altos o, al menos, diferentes de los requisitos de pureza de las aplicaciones industriales estándar.
En un punto determinado se produce la transición de la filtración industrial a la filtración de procesos y, a partir de ese punto, se aplican materiales y procedimientos de filtración diferentes.
- Generación de aire comprimido o gas.
- Eliminación inicial de partículas, humedad e hidrocarburos.
- Prefiltración aguas arriba del filtro estéril.
- Filtración estéril del aire o del gas.
- Introducción controlada en el fermentador.
- Monitorización y pruebas de integridad.
- Esterilización periódica de la instalación.
La prefiltración es esencial porque reduce la carga contaminante que llega al elemento estéril. Sin una eliminación adecuada de partículas y humedad aguas arriba, el filtro final puede obstruirse, perder capacidad de flujo o quedar expuesto a condiciones fuera de sus límites validados.
Tipos de esterilización del filtro
La esterilización es necesaria porque las bacterias interceptadas pueden colonizar la superficie del medio filtrante y comenzar a crecer o migrar a través del medio filtrante.
Los dos tipos más comunes de esterilización son la esterilización in situ y la esterilización en autoclave.
Esterilización in situ - SIP
La esterilización in situ, o SIP, se realiza cuando el filtro o incluso segmentos más grandes de la instalación se esterilizan mediante un flujo de vapor que atraviesa toda la instalación del filtro.
Este procedimiento se realiza en una parte determinada de la instalación sin retirar ningún componente de ella.
Esterilización en autoclave
En la esterilización en autoclave, el elemento filtrante o, en algunos casos, la carcasa completa del filtro se retira de la instalación y se esteriliza en un autoclave.
El autoclave es un dispositivo utilizado para esterilizar productos sometiéndolos a vapor saturado de alta presión.
Filtros estériles para aire y gases
Los filtros esterilizados están fabricados con materiales que permiten la esterilización mediante vapor a alta temperatura.
El elemento de filtro estéril se utiliza para la filtración estéril altamente eficiente de aire comprimido, aire de proceso y gases técnicos.
Los filtros de espesor estériles P-SRF, así como los filtros de membrana ultrapolymem® y ultrateflomem®, satisfacen las más altas especificaciones de calidad y han demostrado sus características en millares de aplicaciones.
Debido a la constante inversión en investigación y desarrollo y en nuevas tecnologías de producción, es posible ofrecer una de las gamas más completas de productos para filtración de procesos de uso general, filtración de vapor, filtración estéril y ventilación estéril de tanques.
Las soluciones de filtración de Atlas Copco están diseñadas con materiales validados y de alta calidad que cumplen con las normas ISO 9001, FDA CFR Título 21 y UE 1935/2004.
Atlas Copco ofrece filtración avanzada de gases y líquidos para proteger los rendimientos y preparar los cultivos para la purificación posterior.
Filtros de ventilación estéril del tanque
La necesidad de dimensionar correctamente la filtración de ventilación del tanque es especialmente crítica en las aplicaciones que incluyen la esterilización del tanque.
Durante la esterilización, los cambios de temperatura, presión, humedad y flujo pueden someter al filtro a condiciones exigentes. Por este motivo, el diseño debe considerar el caudal, la superficie filtrante, la pérdida de carga, la compatibilidad con el vapor y las condiciones de operación.
Dentro del recipiente, los filtros de ventilación estériles garantizan un intercambio de aire seguro, mientras que la filtración aséptica del vapor y el gas mantiene la integridad del biorreactor.
Pruebas de integridad
El test de integridad del filtro utilizado en los sistemas de administración de gases de uso alimentario mide su capacidad para proporcionar esterilidad durante su uso.
La validación la lleva a cabo el fabricante del filtro mediante pruebas de desafío bacteriano, en las que se expone el filtro a altos niveles de células bacterianas por centímetro cuadrado.
Sin embargo, los filtros de gas pueden perder su integridad si se exponen a condiciones que estén fuera de sus límites validados.
Una vida útil más larga del filtro conlleva más pruebas rutinarias de integridad para garantizar su buen funcionamiento a lo largo del tiempo.
Métodos habituales
| Prueba | Método | Uso |
|---|---|---|
| Prueba de desafío bacteriano | Exposición a altos niveles de células bacterianas por centímetro cuadrado | Validación de la capacidad del filtro para proporcionar esterilidad |
| Escaneo con fotómetro de aerosol PAO/DEHS | Desafío con un aerosol de aceite polidispersado aguas arriba y escaneo de la cara aguas abajo | Prueba estándar de instalación y recalificación de HEPA en salas limpias y biocontención |
| Prueba DOP | Variante más antigua que utiliza aerosol DOP | Reemplazada en gran medida por PAO/DEHS debido a preocupaciones sobre la carcinogenicidad del DOP |
| Prueba de Intrusión de Agua WIT | Desafío del lado aguas arriba con agua a presión controlada y medición de la intrusión | Filtros HEPA hidrofóbicos en aplicaciones de autoclave |
| Decaimiento de presión | Presurización de la carcasa sellada y medición de la caída de presión a lo largo del tiempo | Comprobación rápida de instalación |
Prueba de Intrusión de Agua - WIT
El estándar para filtros HEPA hidrofóbicos de autoclave es la Prueba de Intrusión de Agua, o WIT: se aplica agua a presión definida en el lado aguas arriba y se mide la intrusión.
La WIT puede realizarse in situ con el filtro todavía instalado en la carcasa, lo cual constituye una ventaja importante en las instalaciones de contención.
Pruebas rápidas en línea
Los métodos tradicionales de prueba de integridad se desarrollaron de acuerdo con los procesos farmacéuticos. Aunque son fiables, cuando se aplican al ritmo rápido de la industria de bebidas presentan algunas desventajas.
La principal desventaja es que requieren mucho tiempo para preparar el filtro para la prueba y restablecer el sistema de filtración en el proceso.
El sistema de filtración HIGH FLOW BIO-X de Parker domnick hunter soluciona este problema, ya que admite caudales superiores a los de los filtros de membrana.
La prueba simula un test bacteriano aerosolizado en condiciones de alta carga. Cualquier aerosol que atraviese el filtro hacia el lado estéril es analizado por un contador láser de partículas, que detecta la presencia de cualquier contaminante y calcula un valor de porcentaje de penetración, en función del cual determina la aptitud del filtro sometido a prueba.
- Solución rápida: lleva a cabo la evaluación in situ de manera sencilla y muy rápida. El test para un filtro de 10 pulgadas dura 30 segundos.
- Solución precisa: Valairdata 3 garantiza la retención de todas las bacterias, esporas y virus presentes en el ambiente.
- Solución portátil: el peso ligero, el diseño portátil y la batería de larga duración permiten a los operarios realizar las pruebas in situ.
La portabilidad elimina el riesgo de dañar el filtro durante el recambio o la reinstalación mientras se transfiere el filtro de prueba a la estación de test.
Integridad, colonización y vida útil del filtro
A pesar de los procedimientos de limpieza minuciosos, las bacterias pueden crecer en el medio filtrante y alcanzar un producto o un proceso posterior.
Con el tiempo y las horas de uso, los filtros se obstruyen con contaminantes. Los medios internos sufren un estrés considerable y finalmente comienzan a funcionar por debajo de su rendimiento esperado.
La esterilización periódica evita que los microorganismos retenidos se conviertan en un reservorio activo, pero no elimina la necesidad de controlar la pérdida de carga, el estado físico del elemento filtrante y la integridad del sistema.
Los filtros de gas pueden perder su integridad cuando se exponen a condiciones que estén fuera de sus límites validados. Entre las condiciones críticas se encuentran la humedad, los productos químicos incompatibles, la presión, la temperatura, los ciclos de esterilización y una carga contaminante excesiva.
Dimensionamiento y condiciones de operación
Un filtro de ventilación o de entrada debe dimensionarse para el caudal requerido por el fermentador y para las variaciones que se producen durante el llenado, la aireación, la transferencia, la esterilización y la presurización.
La necesidad de un dimensionamiento adecuado de la filtración de ventilación del tanque es especialmente crítica en las aplicaciones que incluyen la esterilización del tanque.
Una superficie filtrante insuficiente puede aumentar la pérdida de carga y dificultar el suministro de aire o la compensación de presión. La humedad y los contaminantes aguas arriba pueden acelerar la obstrucción y reducir la vida útil.
El sistema debe contemplar la prefiltración, el drenaje de condensados, la compatibilidad de materiales, la esterilización periódica y el acceso para realizar las pruebas de integridad.
Filtración de gases en la industria alimentaria y de bebidas
La creciente demanda de productos frescos, naturales, bajos en grasas, sales, azúcares y conservantes ha llevado a la industria láctea a aumentar los procesos de llenado aséptico.
Sin embargo, la reducción de estos componentes incrementa el riesgo de reproducción de microorganismos nocivos.
En el llenado aséptico, el contenido microbiano del producto se estabiliza antes del envasado. Para ello, se recurre a métodos como la pasteurización y la filtración, o a una combinación de estos.
La utilización de aire comprimido y de otros gases es especialmente crítica, tanto para introducir la leche en su envase como para limpiar los recipientes.
La filtración estéril de los gases comprimidos es una consideración esencial en el marco del Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control, o HACCP, por sus siglas en inglés.
Los mismos principios se aplican a la elaboración de cerveza, la producción de vino, la industria láctea y otros procesos de alimentos y bebidas que utilizan aire, nitrógeno, vapor o gases técnicos en contacto directo o indirecto con el producto.
Control de calidad en procesos fermentativos
Todos estos elementos de la lista de verificación se utilizan en la fabricación de alimentos y bebidas, incluida la elaboración de cerveza y la elaboración de vino, para ayudar a que los productores tengan confianza en la calidad y consistencia de sus productos.
El uso de aire estéril es necesario en varios puntos durante los ciclos de producción.
Una vez establecido el proceso de fermentación para varios productos, como una mezcla de vino tinto, el siguiente paso es aumentar el volumen y la velocidad de producción para satisfacer la demanda de los clientes.
La ampliación de la producción no elimina la necesidad de control microbiológico. Al contrario, los mayores caudales, volúmenes de gas y tiempos de operación hacen más importante la selección correcta del filtro, la validación y la vigilancia del sistema.
Plan de mantenimiento recomendado
- Inspección visual de carcasas, conexiones, juntas y elementos filtrantes.
- Control de la pérdida de carga y de los transmisores de presión diferencial.
- Prueba de integridad después de la instalación.
- Prueba de integridad después de cualquier intervención de servicio.
- Pruebas rutinarias con la frecuencia definida por el proceso y por la validación.
- Esterilización periódica del filtro y de los segmentos correspondientes de la instalación.
- Registro de ciclos de esterilización, caudal, presión, temperatura y resultados de las pruebas.
- Reemplazo cuando la caída de presión exceda el límite de diseño.
- Reemplazo cuando falle la prueba de integridad.
- Reemplazo conforme al cronograma validado de la instalación.
En los sistemas de filtrado de gases estériles se diseñan soluciones destinadas a alargar la vida útil del filtro. De este modo, se responde a la necesidad de eficiencia del proceso y de reducción de los costes operativos.
Normas y referencias aplicables
- ISO 14644-3: salas limpias y entornos controlados asociados; métodos de prueba, incluida la instalación HEPA y la prueba de fugas.
- EN 1822 / ISO 29463: filtros de aire de alta eficiencia EPA, HEPA y ULPA; clasificación, ensayo de rendimiento y marcado.
- ASHRAE 52.2: método de ensayo de dispositivos generales de limpieza del aire de ventilación.
- CDC/NIH BMBL: requisitos HEPA para instalaciones BSL-3 y BSL-4.
- Manual de Bioseguridad en el Laboratorio de la OMS: guía internacional de ventilación de biocontención.
- IEST RP-CC001 / RP-CC034: prácticas recomendadas para la clasificación HEPA/ULPA y las pruebas de fugas.
- ISO 9001: sistemas de gestión de la calidad.
- FDA CFR Título 21: requisitos aplicables a materiales y procesos relacionados con alimentos y productos regulados.
- UE 1935/2004: materiales destinados a entrar en contacto con alimentos.
Preguntas frecuentes
¿La filtración de aire es lo mismo que la esterilización?
No exactamente. La filtración estéril retiene microorganismos; no los elimina. La esterilización se consigue mediante un tratamiento validado, como el vapor, mientras que el filtro actúa como barrera de separación.
En un fermentador, el filtro estéril protege el cultivo al impedir la entrada de microorganismos durante la aireación y la ventilación. En los sistemas que emplean esterilización in situ, el filtro y los segmentos correspondientes de la instalación se esterilizan con flujo de vapor.
¿Por qué es necesaria la prefiltración?
Es esencial que el aire situado en la entrada del filtro estéril esté adecuadamente prefiltrado aguas arriba. La prefiltración reduce la carga de partículas, humedad, hidrocarburos y otros contaminantes que podrían obstruir el filtro final o afectar a su integridad.
¿Por qué puede contaminarse un filtro estéril?
Las bacterias interceptadas pueden colonizar la superficie del medio filtrante y comenzar a crecer o migrar a través del medio filtrante. Por esta razón, la instalación completa debe esterilizarse con regularidad y el filtro debe someterse a pruebas de integridad.
¿Qué ocurre cuando el filtro se obstruye?
Con el tiempo y las horas de uso, los filtros se tapan con contaminantes. La obstrucción aumenta la pérdida de carga, reduce el caudal disponible y puede impedir que el fermentador reciba el volumen de aire necesario para mantener el cultivo.
¿Qué gases deben filtrarse?
El aire comprimido utilizado para introducir oxígeno en los cultivos de levadura debe filtrarse antes de entrar en el fermentador. El nitrógeno utilizado para la presurización de los tanques debe estar libre de bacterias, pirógenos y cualquier otra partícula antes de entrar en contacto con el producto final.
¿Por qué es crítica la filtración de ventilación?
Los filtros de ventilación estériles garantizan un intercambio de aire seguro dentro del recipiente. El dimensionamiento correcto es especialmente crítico cuando el tanque se esteriliza, ya que el sistema debe soportar los cambios de presión, humedad, temperatura y caudal asociados con el ciclo.
¿Cuándo debe comprobarse la integridad del filtro?
La prueba debe realizarse después de la instalación, después de cualquier servicio y con una frecuencia rutinaria definida por la validación del proceso. Una vida útil más larga del filtro conlleva más pruebas rutinarias de integridad para garantizar su buen funcionamiento a lo largo del tiempo.
¿Qué ventajas ofrece una prueba portátil in situ?
El peso ligero, el diseño portátil y la batería de larga duración permiten a los operarios realizar las pruebas in situ. Esto elimina el riesgo de dañar el filtro durante el recambio o la reinstalación mientras se transfiere el filtro de prueba a una estación de test.
Prueba de punto de burbuja (BPT) en la industria farmacéutica | Explicación de las pruebas de integridad de filtros #farmacia
Aplicación correcta del sistema de filtración
La fermentación requiere una integración coherente entre el suministro de aire, la filtración, la esterilización, la ventilación, la monitorización y el mantenimiento.
El aire comprimido de proceso debe prefiltrarse y después pasar por un filtro estéril validado antes de introducirse en el fermentador. Las entradas de agua, nutrientes, antiespumantes y suplementos deben recibir un tratamiento compatible con los requisitos microbiológicos del cultivo.
Dentro del recipiente, los filtros de ventilación estériles deben permitir el intercambio de aire sin comprometer la barrera aséptica. El nitrógeno y los demás gases técnicos deben filtrarse antes de entrar en contacto con el producto final.
La esterilización periódica evita que los microorganismos retenidos se conviertan en un reservorio de contaminación, mientras que las pruebas de integridad permiten verificar que el sistema conserva su capacidad de retención.
El control de la pérdida de carga, la inspección de los componentes, el cumplimiento de los límites validados y el reemplazo oportuno del filtro completan la estrategia de protección del fermentador.
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