{"id":18814,"date":"2020-01-01T05:02:51","date_gmt":"2020-01-01T11:02:51","guid":{"rendered":"https:\/\/dellait.com\/?p=18814"},"modified":"2021-12-02T15:39:31","modified_gmt":"2021-12-02T21:39:31","slug":"formacion-de-biofilms-en-membranas-de-separacion-de-lacteos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/dellait.com\/es\/formacion-de-biofilms-en-membranas-de-separacion-de-lacteos\/","title":{"rendered":"Formaci\u00f3n de biofilms en membranas de separaci\u00f3n de l\u00e1cteos"},"content":{"rendered":"

Nuria Garc\u00eda <\/strong><\/p>\n

Introducci\u00f3n<\/h2>\n

El uso de procesos de separaci\u00f3n por membrana permite la concentraci\u00f3n y el fraccionamiento de los componentes del suero para obtener valiosos ingredientes para alimentos y otras aplicaciones<\/strong>. Es por esto que los fabricantes emplean diferentes t\u00e9cnicas de separaci\u00f3n con membranas que incluyen ultrafiltraci\u00f3n (UF), microfiltraci\u00f3n (MF), nanofiltraci\u00f3n (NF) y \u00f3smosis inversa (OI), para separar los componentes del suero y crear productos seg\u00fan las especificaciones exactas del usuario final16<\/sup>.<\/p>\n

Los diferentes productos obtenidos del suero como el suero en polvo, el concentrado de prote\u00edna, el aislado de prote\u00edna, las fracciones de prote\u00edna, el hidrolizado de prote\u00edna, el suero con contenido de lactosa reducido y el suero desmineralizado o con contenido reducido en minerales, se logran variando los niveles de prote\u00edna, minerales y lactosa, as\u00ed como diversas propiedades funcionales20<\/sup>. El valor del producto aumenta al aumentar la concentraci\u00f3n de prote\u00ednas. La principal diferencia entre las membranas de MF, UF, NF y OI es su selectividad<\/strong>.<\/p>\n

El factor de retenci\u00f3n es una medida de la capacidad de la membrana para separar componentes de la soluci\u00f3n de alimentaci\u00f3n, ya que refleja la selectividad de la membrana25<\/sup>.<\/p>\n

El tama\u00f1o de los poros (determinado por la estructura del material de la membrana) definir\u00e1 qu\u00e9 mol\u00e9culas se retienen y qu\u00e9 mol\u00e9culas fluyen a trav\u00e9s de ella<\/strong>. Asimismo a medida que el l\u00edmite molecular se reduce, la presi\u00f3n operativa necesaria es mayor.<\/p>\n

Las membranas se pueden fabricar con materiales cer\u00e1micos o polim\u00e9ricos semipermeables<\/strong>. En las membranas tubulares de cer\u00e1mica inorg\u00e1nica el tama\u00f1o de los poros es muy uniforme, adem\u00e1s tienen una buena selectividad y son muy resistentes a la temperatura y a los productos qu\u00edmicos25<\/sup>. De esta forma, son f\u00e1ciles de limpiar y su vida \u00fatil es de m\u00e1s de 10 a\u00f1os, sin embargo, son de 3 a 10 veces m\u00e1s caras que las membranas polim\u00e9ricas org\u00e1nicas enrolladas en espiral, pues se comercializan en un rango limitado de tama\u00f1os de poros y normalmente solo se usan para MF y, en algunos casos, procesos de UF10<\/sup>.<\/p>\n

Las membranas polim\u00e9ricas enrolladas en espiral constan de varias capas de materiales de membrana enrolladas alrededor de un tubo de permeado, siendo uno de los materiales m\u00e1s comunes debido a su \u00e1rea de superficie m\u00e1s grande, espacio limitado, alta densidad de empaquetado, altos flujos de permeado y menor coste de reemplazo<\/strong>. Algunas de sus desventajas son una vida \u00fatil limitada, susceptibles de ensuciamiento y limpieza dif\u00edcil, pues requieren un pretratamiento extenso y resultan menos adecuadas para soluciones de alimentaci\u00f3n viscosas, tolerancias limitadas de pH y temperatura para la limpieza y el funcionamiento25<\/sup>.<\/p>\n

El problema del ensuciamiento<\/h2>\n

En unas condiciones ideales de separaci\u00f3n, se permitir\u00eda el flujo continuo del l\u00edquido a la presi\u00f3n aplicada. Sin embargo, el rendimiento de la membrana se ve comprometido por el ensuciamiento o la acumulaci\u00f3n de macromol\u00e9culas adsorbidas, geles y part\u00edculas depositadas sobre o en la superficie de la membrana, lo que causa polarizaci\u00f3n de la concentraci\u00f3n y afecta a su selectividad<\/strong>. Para controlar el ensuciamiento y reducir el problema del bloqueo de los poros, la filtraci\u00f3n se realiza a mayores velocidades de flujo cruzado y baja presi\u00f3n transmembrana24<\/sup>.<\/p>\n

Por lo tanto, el ensuciamiento es un problema cr\u00edtico en la tecnolog\u00eda de filtraci\u00f3n por membranas<\/strong>, especialmente en membranas polim\u00e9ricas que son relativamente hidr\u00f3fobas y facilitan la adhesi\u00f3n de prote\u00ednas en comparaci\u00f3n con las membranas cer\u00e1micas2<\/sup>. El ensuciamiento en general tiene un efecto significativamente perjudicial sobre la eficiencia de los procesos de separaci\u00f3n, lo que provoca una disminuci\u00f3n del flujo, una ca\u00edda de la presi\u00f3n, un aumento de la energ\u00eda de bombeo requerida (y del coste asociado), una vida \u00fatil m\u00e1s corta de la membrana, y de esta manera una composici\u00f3n y calidad del producto inconsistentes.<\/p>\n

El suero<\/a> es el subproducto l\u00edquido obtenido tras los procesos de elaboraci\u00f3n de queso y case\u00edna y est\u00e1 compuesto principalmente por agua (93\/100g), lactosa y prote\u00ednas. Con frecuencia se usa la OI en las concentraci\u00f3n de suero para reducir los vol\u00famenes y aumentar el contenido de s\u00f3lidos antes del transporte o procesamiento posterior. La OI es una t\u00e9cnica de separaci\u00f3n mediante la aplicaci\u00f3n de presi\u00f3n en la que se emplea una membrana que tiene tama\u00f1os de poro de menos de 0.001 micras para separar los diferentes componentes de una mezcla l\u00edquida.<\/p>\n

La bioincrustaci\u00f3n, incrustaci\u00f3n biol\u00f3gica, o acumulaci\u00f3n de part\u00edculas en suspensi\u00f3n, es uno de los problemas cr\u00edticos de la tecnolog\u00eda de filtraci\u00f3n por membranas<\/strong>22<\/sup>, ya que tiene un efecto significativamente perjudicial en la eficiencia de los procesos de separaci\u00f3n, lo que causa una disminuci\u00f3n del flujo, una ca\u00edda de presi\u00f3n, una vida \u00fatil m\u00e1s corta de la membrana y una composici\u00f3n y calidad inconsistentes del producto. Los biofilms juegan un papel importante en la bioincrustaci\u00f3n, pero en la industria lechera, el principal motivo de preocupaci\u00f3n es la proliferaci\u00f3n de bacterias<\/a> pat\u00f3genas en los biofilms, que contribuyen a la contaminaci\u00f3n del producto con bacterias potencialmente pat\u00f3genas representando una posible amenaza para la salud p\u00fablica<\/strong>.<\/p>\n

La composici\u00f3n y textura de la superficie de la membrana tendr\u00e1 un impacto en la adhesi\u00f3n inicial de las bacterias. Los factores que pueden afectar al desarrollo de biofilms son la fuente de carbono, temperatura, producci\u00f3n de exopolisac\u00e1ridos, limpieza y desinfecci\u00f3n ineficaces y la hidrodin\u00e1mica del sistema de distribuci\u00f3n de fluidos8<\/sup>.<\/p>\n

El problema de los biofilms en las membranas de filtraci\u00f3n<\/h2>\n

A trav\u00e9s de la naturaleza, las bacterias prosperan predominantemente en comunidades multicelulares o biofilms adheridas a superficies e incrustadas en una matriz autoproducida de sustancias polim\u00e9ricas extracelulares28<\/sup> (SPE). Esta es una elecci\u00f3n de estilo de vida no trivial y tiene grandes consecuencias para la fisiolog\u00eda celular y la supervivencia24<\/sup>. En muchas industrias, los biofilms son perjudiciales y causan corrosi\u00f3n, obstrucciones de tuber\u00edas, fallos en los equipos, apariencia, olores desagradables y deterioro del producto e infecciones, generando altos costes de limpieza y mantenimiento9<\/sup>.<\/p>\n

De esta manera los biofilms desempe\u00f1an un papel importante en la bioincrustaci\u00f3n de la membrana y contribuyen a la contaminaci\u00f3n del producto con bacterias potencialmente pat\u00f3genas que podr\u00edan amenazar a la salud p\u00fablica<\/strong>. Para restaurar el flujo, los procesos de separaci\u00f3n con membrana deben detenerse despu\u00e9s de haber estado funcionando continuamente durante al menos 20 horas y aplicar la limpieza CIP (cleaning in place<\/em>).<\/p>\n

Bajo este orden de ideas, los biofilms son bien conocidos por su resistencia a los agentes de limpieza y biocidas<\/strong>. Dentro de estos, las c\u00e9lulas bacterianas que se encuentran en las capas m\u00e1s profundas est\u00e1n protegidas de las sustancias t\u00f3xicas y tienen un mejor acceso a los nutrientes. La amplia distribuci\u00f3n y la importancia de los biofilms ha hecho que se dediquen considerables esfuerzos a desarrollar materiales que eviten la adhesi\u00f3n bacteriana, adem\u00e1s de nuevos agentes de limpieza o estrategias para eliminar los biofilms persistentes.<\/p>\n

El conocimiento de la estructura de los biofilms y su formaci\u00f3n se ha ampliado notablemente en la \u00faltima d\u00e9cada, pero incluso a pesar de todos los mecanismos moleculares, gen\u00e9ticos y modelos matem\u00e1ticos que se han estudiado en detalle3<\/sup>, muchas industrias luchan por erradicar este problema. En los sistemas de filtraci\u00f3n de la industria lechera quedaban por abordar algunas cuestiones:<\/p>\n

    \n
  • si el uso de cultivos de iniciaci\u00f3n que producen exopolisac\u00e1ridos,\u00a0 durante la elaboraci\u00f3n del queso mejorar\u00eda la formaci\u00f3n de biofilms en las membranas de procesamiento del suero, gracias a la presencia de estos pol\u00edmeros que actuar\u00edan como un \u201cpegamento\u201d.<\/li>\n
  • si las SPE producidas por los organismos que normalmente viven en esas membranas tendr\u00edan un efecto sobre la uni\u00f3n inicial de las c\u00e9lulas a la membrana o, m\u00e1s bien, apoyar\u00edan la cohesi\u00f3n c\u00e9lula-c\u00e9lula o ambas situaciones.<\/li>\n
  • si podr\u00eda existir una estrategia para reducir la formaci\u00f3n de biofilms en las membranas de filtraci\u00f3n de productos lecheros dirigidas a las SPE bacterianas que mantienen unidas las c\u00e9lulas.<\/li>\n<\/ul>\n

    La estructura de un biofilm no es uniforme en el tiempo ni en el espacio<\/strong>28<\/sup>. Es importante estudiar las interacciones entre las bacterias y las superficies, en un entorno espec\u00edfico de procesamiento de alimentos para proporcionar medidas m\u00e1s efectivas para prevenir la formaci\u00f3n de biofilms y para su eliminaci\u00f3n29<\/sup>. Comprender el mecanismo de uni\u00f3n bacteriana es fundamental en el desarrollo de tecnolog\u00edas anti-bioincrustaci\u00f3n para sistemas de membranas<\/strong>.<\/p>\n

    Mecanismos de adhesi\u00f3n bacteriana<\/h2>\n

    La conditioning layer<\/em> es la base sobre la que crece un biofilm<\/strong>. La uni\u00f3n de una c\u00e9lula a un sustrato se denomina adhesi\u00f3n y la uni\u00f3n de c\u00e9lula a c\u00e9lula se denomina cohesi\u00f3n. Los mecanismos detr\u00e1s de estas formas de uni\u00f3n, en \u00faltima instancia, determinan las propiedades adhesivas y cohesivas que mostrar\u00e1 un biofilm<\/strong>9<\/sup>. La adhesi\u00f3n hace referencia al estado en el que dos cuerpos diferentes se mantienen juntos mediante un contacto interfacial \u00edntimo, de modo que la fuerza mec\u00e1nica o el trabajo se pueden transferir a trav\u00e9s de la interfaz30<\/sup>. Las fuerzas que mantienen unidas las dos fases pueden ser fuerzas de van der Waals, enlaces qu\u00edmicos o atracci\u00f3n electrost\u00e1tica.<\/p>\n

    Los biofilms se crean cuando las c\u00e9lulas bacterianas se adhieren a una superficie y se desarrollan siguiendo diferentes etapas de maduraci\u00f3n a medida que crecen las bacterias23<\/sup>. La primera fase de la adhesi\u00f3n bacteriana implica interacciones fisicoqu\u00edmicas, dando lugar interacciones moleculares y celulares26<\/sup>. M\u00faltiples factores influyen en la adhesi\u00f3n de las c\u00e9lulas a un sustrato, incluidos factores ambientales como la disponibilidad de nutrientes, las condiciones del flujo o las caracter\u00edsticas de la superficie de los microorganismos y del sustrato<\/strong>21<\/sup>.<\/p>\n

    Caracter\u00edsticas de la superficie de la c\u00e9lula\/sustrato<\/h3>\n

    En la uni\u00f3n inicial de las c\u00e9lulas bacterianas a las superficies se producen ciertas interacciones fisicoqu\u00edmicas entre las mismas y el sustrato que se describen por la teor\u00eda extendida de Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek27<\/sup>. Tales fuerzas incluyen las interacciones de Lifshitz-van der Waal, \u00e1cido\/base y electrost\u00e1ticas.<\/p>\n

    Se ha observado que las c\u00e9lulas hidr\u00f3fobas se adhieren en mayor medida que las c\u00e9lulas hidr\u00f3filas a discos de poliestireno en un agitador rotatorio<\/strong>27<\/sup>. Primero, se observ\u00f3 que la extensi\u00f3n de la colonizaci\u00f3n microbiana parece aumentar a medida que aumenta la rugosidad de la superficie, porque en este caso el \u00e1rea de la superficie es mayor, las c\u00e9lulas adheridas est\u00e1n protegidas de las fuerzas de cizallamiento y tienen m\u00e1s tiempo para realizar la uni\u00f3n inicial4<\/sup>. Para los biomateriales se deben considerar las caracter\u00edsticas b\u00e1sicas de la superficie, como la rugosidad, la configuraci\u00f3n f\u00edsica, la hidrofobicidad o incluso la composici\u00f3n qu\u00edmica<\/strong>1<\/sup>.<\/p>\n

    Existen evidencias que muestran que la adhesi\u00f3n microbiana depende en gran medida de las propiedades hidrof\u00f3bicas-hidrof\u00edlicas de las superficies con las que interact\u00faan las bacterias<\/strong>17<\/sup>. En la actualidad es com\u00fanmente aceptado que las membranas con superficies lisas, hidr\u00f3filas y el\u00e9ctricamente neutras son menos propensas a la bioincrustaci\u00f3n que las superficies rugosas, hidr\u00f3fobas y cargadas18<\/sup>.<\/p>\n

    Es por ello, que los fabricantes de membranas aplican recubrimientos de materiales hidr\u00f3filos a la superficie de las membranas para reducir la incrustaci\u00f3n biol\u00f3gica. La membrana de poliamida de la OI tiene un \u00e1ngulo de contacto de 55 \u00b1 1.8 a pH neutro13<\/sup> y est\u00e1 recubierta para aumentar la hidrofilicidad de la superficie, sin embargo, Hassan et al<\/em>. observaron que menos del 50% de la superficie de una nueva membrana estaba cubierta por esta capa hidrof\u00edlica11<\/sup>.<\/p>\n

    Los ap\u00e9ndices f\u00edsicos de algunas bacterias (flagelos, fimbrias y pili) pueden estimular la adhesi\u00f3n irreversible a una superficie<\/strong>5<\/sup>. Otras bacterias sin dichos ap\u00e9ndices expresan adhesinas en la pared celular que desempe\u00f1an un papel en la colonizaci\u00f3n del hu\u00e9sped-microbio15<\/sup>.<\/p>\n

    Biopol\u00edmeros como adhesivos<\/h3>\n

    Algunas bacterias grampositivas y gramnegativas pueden producir biopol\u00edmeros, en forma de c\u00e1psulas y capas mucosas, que forman el glucoc\u00e1liz<\/strong>. La c\u00e1psula es una capa de polisac\u00e1ridos bien definida adherida a las c\u00e9lulas, mientras que la mucosa es una capa desorganizada de polisac\u00e1ridos ubicada fuera de las c\u00e9lulas bacterianas. La presencia de estas dos estructuras no es exclusiva19<\/sup>.<\/p>\n

    Los biofilms est\u00e1n compuestos principalmente por c\u00e9lulas microbianas y SPE<\/strong>. Despu\u00e9s de la primera uni\u00f3n, se produce un fortalecimiento de los enlaces que a menudo implica la formaci\u00f3n de puentes polim\u00e9ricos entre el organismo y la superficie. Estos pol\u00edmeros \u201cpegajosos\u201d forman la red de la matriz y proporcionan estabilidad mec\u00e1nica al biofilm9<\/sup>. Los SPE representan el 50-90% del carbono org\u00e1nico total de los biofilms6<\/sup>. Los cient\u00edficos han descubierto que los SPE de los biofilms est\u00e1n compuestos por exopolisac\u00e1ridos, glicoprote\u00ednas, glicol\u00edpidos y e-DNA (ADN ambiental)7<\/sup>.<\/p>\n

    Se han propuesto siete categor\u00edas de SPE: estructural, de sorci\u00f3n, tensioactivo, activo, informativo, redox-activo y SPE nutritivo7<\/sup>.<\/p>\n

      \n
    • Los SPE estructurales son polisac\u00e1ridos neutros que act\u00faan como un componente arquitect\u00f3nico en la matriz, facilitan la retenci\u00f3n de agua y nutrientes y brindan protecci\u00f3n.<\/li>\n
    • Los SPE de sorci\u00f3n son pol\u00edmeros cargados que se unen a otras mol\u00e9culas cargadas involucradas en las interacciones entre la superficie y la c\u00e9lula.<\/li>\n
    • Los SPE tensioactivos son mol\u00e9culas con un comportamiento anfif\u00edlico que tienen diferentes estructuras qu\u00edmicas y propiedades superficiales. Estas mol\u00e9culas est\u00e1n involucradas en la formaci\u00f3n de biofilms y algunas de ellas tienen propiedades antibacterianas o antif\u00fangicas.<\/li>\n
    • El grupo SPE activo incluye prote\u00ednas y enzimas extracelulares necesarias para la formaci\u00f3n y arquitectura de los biofilms.<\/li>\n<\/ul>\n

      Los adhesivos son sustancias que act\u00faan como puentes entre las superficies y ayudan a que se peguen<\/strong>. Para una uni\u00f3n adhesiva fuerte, es necesario el establecimiento de un contacto molecular \u00edntimo. Un adhesivo ideal tendr\u00e1 un \u00e1ngulo de contacto de cero o casi cero, baja viscosidad y podr\u00e1 extenderse sobre la superficie y ayudar al desplazamiento del aire atrapado y de otras part\u00edculas que puedan estar presentes<\/strong>14<\/sup>. Las secreciones adhesivas se producen en organismos vivos acu\u00e1ticos y terrestres con diferentes funciones. La gran diversidad de estos biopol\u00edmeros adhesivos as\u00ed como su gran complejidad hacen que su caracterizaci\u00f3n sea una tarea dif\u00edcil y, a menudo, se necesita una combinaci\u00f3n de t\u00e9cnicas qu\u00edmicas y moleculares cl\u00e1sicas12<\/sup>.<\/p>\n

      Conclusi\u00f3n<\/h2>\n

      La formaci\u00f3n de biofilms microbianos en los equipos de procesamiento de leche es un fen\u00f3meno inevitable que contin\u00faa desafiando a los fabricantes y plantea problemas de calidad y seguridad<\/strong>. Durante d\u00e9cadas se han realizado investigaciones exhaustivas sobre biofilms en condiciones espec\u00edficas, sin embargo, a menudo las conclusiones no se pueden generalizar debido a la heterogeneidad de los diferentes entornos. Por esta raz\u00f3n, las estrategias de control dependen de la naturaleza de los microorganismos en un ambiente en particular y la peculiaridad de las superficies que contienen los biofilms.<\/p>\n

      Referencias<\/strong><\/p>\n

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