Effect of temperature-time on sterilization process for a jacketed bioreactor system: Application of a Ratkowsky Nonlinear Model

• Autores: Jessica Montero Zamora, Iray Mata Araya, Manuel Enrique Molina Córdoba, Francisco Aguilar Cascante
• Localización: Ingeniería: Revista de la Universidad de Costa Rica, ISSN-e 2215-2652, ISSN 1409-2441, Vol. 28, Nº. 2, 2018, págs. 63-76
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Efecto de la relación temperatura-tiempo en el proceso de esterilización para biorreactores enchaquetados: Aplicación de un modelo no lineal de Ratkowsky
• Enlaces
  • Texto completo
• Resumen
  • español

    La esterilización con vapor húmedo es una técnica ampliamente utilizada en diferentes procesos biotecnológicos, entre ellos, el crecimiento de microorganismos en biorreactor, proceso que requiere condiciones asépticas. En la presente investigación, se estudió la relación entre letalidad y tasa de muerte del Bacillus cereus en un biorreactor enchaquetado de 7 litros, utilizando melaza como fuente de carbono. El proceso de esterilización fue realizado en una autoclave industrial con registros de temperatura en tiempo real colocados dentro del punto frío del biorreactor con el fin de cuantificar la letalidad acumulada. El análisis de los datos experimentales dio como resultado un gráfico de contorno que permite predecir el resultado de la esterilización en términos de unidades formadoras de colonias (UFC). El caso en estudio muestra que existe un intervalo entre los 16 – 20 minutos a una temperatura cercana a los 123 °C donde es posible eliminar en su totalidad el microorganismo contaminante. La superficie de respuesta demuestra que existe una relación no lineal entre las variables tiempo y temperatura, involucradas en el tratamiento térmico. Se observó una correlación positiva al utilizar el modelo matemático no lineal de Ratkowsky con un coeficiente de 0,971 y valores de α = 11,04 y β = -1,49 para la parametrización del modelo no lineal. Con los resultados obtenidos es posible predecir el valor de UFC presentes en el medio de cultivo para un valor determinado de F_0, lo cual puede ser de amplio interés en procesos de esterilización industrial, con el fin de ahorrar tiempo y costos de operación.

    Palabras clave: Bioingeniería, fermentación, autoclavar, transferencia de calor, aséptico.

  • English

    Steam sterilization is a technique widely implemented in different biotechnological processes, among them the growth of microorganisms in bioreactors, which require initial aseptic conditions. In the present paper, it was studied the relationship between the lethality and the death rate of Bacillus cereus grown in 7 liter jacked stirred tank bioreactors was examined, where sugar cane molasses was utilized as the main culture medium. The sterilization process was tested with an industrial autoclave within data loggers in bioreactors, which measure the temperature in the cold point to quantify the accumulated lethality. Through data analysis a contour plot allows a graphical prediction of the microbiological sterilization results in terms of colony forming units (CFU). The case study shows that there is range between 16 and 20 minutes, approaching 123 °C, with a null presence of contaminant microorganisms. The surface chart demonstrates the existing non-linear relationship between the variables temperature and time involved. A positive correlation was observed using Ratkowsky mathematical model with a 0,971 correlation coefficient and the estimated value of α = 11,04 and β = -1,49 for the non-lineal model of parameterization. With these results, it is possible to predict the CFU based on  data. This could provide an interesting base for future sterilization practices and a methodology as a starting point for sterilization trials in industry and save time and costs.