Mecanismos de Formação do Rouge

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1 A Influência da Limpeza Crítica e Passivação da Superfície no Desempenho de Componentes e Equipamentos de Aços Inoxidáveis Utilizados nos Sistemas de Água Purificada Mecanismos de corrosão do aço inox em sistemas de água purificada Em soluções ácidas: (H + ) é reduzido a gás hidrogênio (H 2 ) Reação de Oxidação: Fe 0 Fe e - Reação de Redução: 2H + + 2e - H 2 Reação Global: Fe 0 + 2H + Fe 2+ + H Em soluções neutras ou básicas, Oxigênio dissolvido (O 2 ) é reduzido a Hidróxido (OH - ) Podemos também expressar: 2Fe 0 + 4H 2 O 2FeO(OH) + 3H 2 Reação de Oxidação: Fe 0 Fe e - Reação de Redução: ½O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - Reação Global: Fe 0 + ½O 2 + H 2 O Fe OH - Oxidação do Óxido Ferroso Hidratado para Óxido Férrico (Fe 2 O 3 ) que produz a cor avermelhada (ROUGE) 2FeO(OH)3 Fe 2 O 3 + 3H 2 O A Natureza do Rouge Depósitos de óxido de ferro encontrados em sistemas de água purificada nas cores alaranjado, vermelho, azul ou preto. Mecanismos de Formação do Rouge Aço inox tipo 316L austenítico Cr (16-18%), Ni (10-14%), Mo (2-3%), Fe (64-69%) Exposição à água purificada WFI (altamente corrosiva) Para manter a esterilidade, os sistemas operam à elevadas temperaturas (aumenta o poder de corrosão) 74 75

2 Rouge Óxido de Ferro (Fe 2 O 3 ) Estado de Oxidação (Alto) +3 Uma vez formada, a corrosão do aço inox austenítico é contínua e progressiva Em contato com outros átomos de ferro leva estes a um estado de oxidação mais alto (mecanismos de corrosão auto-catalítica) levando à corrosão e destruição de toda superfície (Fe em aço inox 2/3 da liga) A Influência do Rouge em Sistemas de Água Purificada Rouge emana destas superfícies deixando pequenos pits por baixo (oposto do senso comum de sanitariedade e prevenção contra contaminação bacteriológica) Degrada a superfície aumentando a rugosidade Resulta em excursões bacteriais frequentes Favorece a formação de biofilme Aumenta o tempo e o consumo de sanitizantes Altera a eficácia dos produtos Por ser uma corrosão catalítica, o rouge cresce 5 a 10 vezes em volume com relação ao ferro metálico Gera milhares de partículas que vão circular no meio Rouge prejudica o equilibrio dinâmico da criação da camada passiva. Óxido de Cromo (Cr 2 O 3 ) nos aços inoxidáveis austeníticos Muda a relação de Cr/Fe de 1,1 a 2,2 para 0,25 a 0,30 Durante o Rouging ocorre o que chamamos de DEPASSIVAÇÃO Camada de Óxido de Cromo Óxido de Ferro O CONTRÁRIO DA PASSIVAÇÃO Camada Passiva Perfeita S = 1,5... 2,5 nm Cr/Fe > 1,5... 2,5 sem cor, transparente Típica Camada de Rouge S = nm Cr/Fe ~ 0, ,35 avermelhado, amarronzado, azulado 80 81

3 Depassivação do aço inoxidável A camada passiva começa a corroer quando a água purificada reage com a superfície do sistema Rouge começa Oxidação e subsequente rouge inicia como resultado da reação da água purificada com a superfície. Solução Corte Transversal do Aço Inox Corte Transversal do Aço Inox Lugar perfeito para cultura de Biofilme Rouge cria um recife de corais virtual para acúmulo de nutrientes e crescimento de microrganismos. Efeitos do Rouge e Biofilme Bactérias Plantônicas eventualmente floculam na água e podem ancorar na superfície. Corte Transversal do Aço Inox Corte Transversal do Aço Inox Limpeza Química e Passivação Remediação começa com uma sistemática bem definida de Limpeza e Repassivação Corte Transversal do Aço Inox A Importância da Limpeza Química e Passivação em Sistemas de Água Purificada Ambientes críticos e corrosivos. Formação efetiva da camada passiva. Maior resistência à corrosão (menor formação de Rouge). Superfícies extremamente limpas (pureza dos produtos). Garantia contínua do sistema pela ausência de impurezas e contaminantes gerados na superfície de contato

4 Programa de Passivação Preventiva Controlando a inércia da Depassivação (Sistemas em uso) Não apenas a limpeza e passivação inicial devem ser realizadas, mas a manutenção periódica a longo prazo do sistema é imperativa. Muitos sistemas que contêm particularmente um meio corrosivo, por exemplo, WFI, Vapor Puro, devem ser repassivados quimicamente em um esquema periódico bem planejado para prevenir problemas a longo prazo 88 A passivação química estabelece uma dinâmica progressiva na formação de um filme de Cr 2 O 3 protetivo e resistente à corrosão Deve ser notado que a própria camada passiva é um estado eletroquímico / eletrodinâmico de mínima corrosão por definição Este ainda é o estado dinâmico saudável contínuo que fornecerá um bom grau de resistência à corrosão com o uso normal na indústria Farmacêutica/Biotecnológica 89 Dicas - Os estágios de um Programa de Limpeza e Passivação 1 Estágio: Mapeamento correto do sistema quanto a Isométrico e Fluxograma e conhecimento claro da operação. 2 Estágio: Identificação dos pontos críticos que podem possibilitar a corrosão prematura. 3 Estágio: Sistemática para monitoramento regular dos P.C. 01 Visita anual para controle e monitoramento da 4 Estágio: Procedimento viável para Limpeza e Passivação, bem como sua periodicidade. Utilizar a Norma ASTM A Estágio: Sistemática para utilização de produtos químicos consistentes que não alterem a integridade do sistema. Normalmente se utilizam Quelantes complexos. 6 Estágio: Plano de inspeção sistemático para verificação dos resultados dos trabalhos realizados. 7 Estágio: Documentação consistente dos resultados para posterior validação. Depassivação Bactérias Plantônicas Bactérias constituem uma forma de vida muito bem sucedida. Bactérias estão sempre presentes em sistemas de água purificada e flutuam livremente pela tubulação. Sozinhas são pouco resistentes aos processos atuais de sanitização por isso desenvolvem estratégias de sobrevivência que incluem: Mecanismos de aderência na superfície Se desenvolver em ambientes limitadores de nutrientes (oligotrophs) Se agregar em colônias para permitir crescimento exponencial Desenvolver mecanismos de proteção contra biocidas 92 93

5 Fontes de Contaminação Bacterial em um Sistema de Água Purificada Contaminação cruzada na própria água Entrada de ar Sifonagem de retorno Reparos / alterações no sistema Destilador / Osmose Reversa Trocador de Calor Bombas Tubulações, acessórios Soluções de sanitização O próprio homem 94 Fatores secundários importantes quando na presença de nutrientes Temperatura ambiente da água Velocidade de vazão da água Concentração de material inorgânico ph Estagnação da água Materiais de construção de superfície Grau de corrosão de superfície Grau de esforço de cisalhamento sobre a superfície Grau de fluxo na superfície 95 Portanto sob determinadas condições, os microorganismos se aderem, interagem com as superfícies e iniciam o crescimento celular. Essa multiplicação dá origem à colônias e quando a massa celular é suficiente para agregar nutrientes, resíduos e outros microorganismos está formado o BIOFILME Foto mostrando Biofilme em uma superfície 98 99

6 Biofilme Definição: Biofilmes são complexos ecossistemas microbiológicos embebidos em uma matriz de polímeros orgânicos extracelulares de natureza polissacarídea ou proteica, também conhecida como glicocalix, aderidos a uma superfície que contém partículas de proteínas, lipídios, fosfolipídios, carboidratos, sais minerais e vitaminas, entre outros, que formam uma espécie de lodo debaixo do qual, os microorganismos continuam a crescer, formando um cultivo puro ou uma associação com outros organismos. 100 Portanto o caminho para atender o fornecimento constante de Água Purificada dentro dos padrões prédeterminados da indústria farmacêutica chama-se PREVENÇÃO 101 Limpeza / Sanitização A cada 180 ± 30 dias (Programa de Manutenção de Limpeza Preventiva) Após resultado microbiológico acima do limite Após qualquer ocorrência que cause parada no loop de recirculação por um intervalo de tempo superior a 24 horas Após qualquer manutenção ou modificação na linha de recirculação 102 Fatores que contribuem para uma Higienização Eficiente (HE) (Limpeza / Sanitização) ) em Sistemas de Água Purificada HE = Energia Química X Energia Mecânica X Energia Térmica X Tempo Método de Limpeza Grau de nutrientes aderidos à superfície Qualidade dos Produtos utilizados na Limpeza e Desinfecção Configuração construtiva Nível de corrosão (rouge) na superfície Natureza da superfície 103 Os nutrientes aderem às superfícies em função de: 1. Superfícies rugosas obtidas tipicamente de processos de acabamentos mecânicos 2. Poros, reentrâncias e microfissuras 3. Ação de forças de Ligação Eletrostática = Energia de Adesão 104 Um microorganismo pode aderir a uma superfície de três formas: Adesão direta à superfície Adesão aos nutrientes que estão aderidos à superfície Incorporação à massa de nutrientes aderidos Em superfícies limpas, a primeira forma predomina, enquanto em locais onde grande quantidade de sujeira está acumulada, possivelmente ocorrem os dois últimos mecanismos 105

7 Higienização Eficiente HE = Energia Química X Energia Mecânica X Energia Térmica X Tempo Fatores que influenciam a Higienização Eficiente: Método de Limpeza Grau dos Resíduos aderidos à superfície Qualidade dos Produtos utilizados na Limpeza e Desinfecção Configuração construtiva Nível de contaminação Natureza da Superfície de Contato Natureza da Superfície Influência do tipo de acabamento no desempenho da higienização Quanto menor a rugosidade melhores são os resultados da higienização Influência do eletropolimento na higienização eficiente Quanto menor a rugosidade melhores são os resultados da higienização. LIMPEZA EFEITO DO ACABAMENTO DE SUPERFÍCIE SOBRE O TEMPO DE MICROFOTO EM MEV MOSTRANDO MICROORGANISMOS ALOJADOS NOS MICROSULCOS DE UMA SUPERFÍCIE LIXADA MECANICAMENTE MICROBIANA COMPARAÇÃO ESQUEMÁTICA DA MICRORUGOSIDADE DE UMA CÉLULA Influência do Eletropolimento na Higienização Eficiente Produtos utilizados na Limpeza / Sanitização A ação mecânica (CIP) em conjunção com agentes de limpeza é o meio mais eficiente para prevenção de microorganismos em sistemas de água purificada. O uso correto de sanitizantes pode destruir organismos e minimizar a formação de Biofilme. 110 Dica: o uso incorreto pode colaborar para o início da contaminação 111

8 A Importância da Passivação Preventiva em Sistemas de Água Purificada no Dia a Dia da Higienização e Sanitização! Formação efetiva da camada passiva Maior resistência à corrosão (menor formação de Rouge) Garantia contínua do sistema pela minimização de impurezas e contaminantes gerados na superfície de contato Otimização da limpeza e sanitização preventiva Por vários motivos infelizmente a PREVENÇÃO é deixada para o 2 Plano. Portanto por conseqüência lógica mais cedo ou tarde a contaminação microbiológica vai aparecer! E por conseqüência natural o BIOFILME! Nestes casos o Remédio chama-se REMEDIAÇÃO!!! Para iniciar um processo de REMEDIAÇÃO precisamos conhecer bem o que vamos remediar... e aí é que reside o PROBLEMA!!!! Tentar REMEDIAR BIOFILME = LOTERIA Vamos entender porque!!!!! Fases do desenvolvimento do Biofilme 1. Condição da superfície 2. Adesão de bactéria pioneira 3. Formação de lodo 4. Colonização secundária

9 Biofilme de Função Completa O Biofilme maduro é como um tecido vivo na superfície da tubulação. É uma comunidade metabolicamente cooperativa e complexa com diferentes espécies. Quando o filme cresce e se estende da zona inativa da parede do tubo até a zona de vazão turbulenta, células se desagregam e podem iniciar colonização no curso da tubulação Evolução Bacterial Bactérias do Biofilme X Microorganismos de Livre Flutuação Bioquímica diferenciada (união das várias espécies) 40% das proteínas da parede celular são diferentes Chemotaxis, movimento de organismos em resposta ao gradiente químico (nutriente) Bactérias (Pseudomonas aeruginosa) desenvolvem um flagellum (calda móvel) para se direcionar à superfície Parede da célula hidrofóbica - afinidade à superfície Produção de polímero extracelular auto proteção substância lodosa - Glicocalix 120 Biofilme e sua Auto Proteção Alta resistência à biocidas em função de: Secreção pelas bactérias de um lodo aderente Escudo protetivo Limitação de difusão relativo à células flutuantes Pseudomonas aeruginosa 150 a 3000 vezes mais resistente aos biocidas, relativo aos primos microorganismos flutuantes 121 Conclusões As bactérias constituem uma muito bem sucedida forma de vida. Em sua evolução, elas desenvolveram estratégias bem sucedidas para sobrevivência que inclui agregação às superfícies e desenvolvimento de biofilmes protetivos onde elas se comportam muito diferentes das bactérias de livre flutuação. Suas estratégias bem sucedidas torna DIFÍCIL o controle do desenvolvimento de biofilme em sistemas de água purificada Então qual é a solução? Como combater o Biofilme?

10 Não há uma resposta fácil! Como já dissemos aqui, uma vez que o Biofilme se instala no sistema de água purificada, eliminá-lo ou combater o seu crescimento passa a ser uma grande loteria. Em função do exposto, devemos desenvolver um plano de trabalho consistente como segue: 1ª Fase Inspeção minuciosa e mapeamento. Mapeamento correto do sistema, inspeção minuciosa em toda extensão do loop e conhecimento claro da operação. 2ª Fase Identificar os possíveis pontos críticos para o desenvolvimento e crescimento de Biofilme 3ª Fase Sistemática para monitorar e inspecionar estes pontos críticos a fim de identificar melhor a sua localização ª Fase Entendimento de fatores primários e secundários que estejam colaborando para o desenvolvimento do Biofilme 5ª Fase Desenvolver um procedimento viável de Limpeza Química de múltiplos estágios 6ª Fase Utilização de produtos químicos que se possível não alterem a integridade do sistema 7ª Fase Plano de acompanhamento sistemático para verificação dos resultados obtidos 8ª Fase Documentação consistente dos trabalhos realizados para posterior validação 126 Dicas - Nivelamento da Superfície Superfícies mais lisas retardam a agregação de bactérias A lisura da superfície não afeta significativamente a quantidade total de Biofilme que irá agregar Até hoje nunca foi encontrada uma superfície que seja capaz de impedir a agregação de bactérias Em superfícies eletropolidas o Biofilme se forma a uma velocidade menor que em superfícies lixadas mecanicamente 127 Tamanho da bactéria comparado com a rugosidade da superfície Dicas - Nivelamento da Superfície O número máximo de bactérias por cm 2 em superfícies eletropolidas deve ser menor por ter menos área de contato se comparadas com superfícies lixadas mecanicamente Superfícies eletropolidas têm menos Biocorrosão Células com parede hidrofóbica agregam na mesma velocidade independente da rugosidade ou lisura da superfície

11 Dicas - Velocidade de Vazão Alta velocidade de vazão não remove nem previne formação de Biofilme Alta velocidade de vazão pode alterar e retardar o crescimento do Biofilme Alta velocidade de vazão permite que nos sistemas se desenvolvam variedades de bactérias filamentosas (como Pseudomonas) com seus exopolímeros aderentes Na região não turbulenta do fluxo (subcamada lamelar) as forças de cisalhamento são medíocres para deslocar um microorganismo Espessura do Biofilme e Velocidade de Vazão Dicas - Nutrientes limitados Limitando os nutrientes limita-se o crescimento de bactérias Mesmo baixos níveis de nutrientes (água purificada) é suficiente para reprodução e formação do Biofilme Tecnologia atual não é capaz de reduzir a zero o nível de nutrientes em sistemas de água purificada 132 Dicas - Nutrientes limitados Quantidades muito pequenas de oxigênio sustentarão crescimento bacterial Bactérias se revertem à respiração anaeróbica, assim uma farta população pode existir em sistemas de água purificada Embora não podemos matar as bactérias de fome, água purificada (osmose / destilação) pobre em nutrientes sustenta menos Biofilme 133 Dicas - Limpeza e Sanitização do Biofilme Biocidas químicos oxidantes Cloro Dióxido de cloro Ozônio Peróxido Biocidas químicos não oxidantes Quaternários Formaldeído Tratamento físico Calor (aquecimento do sistema 95 C 100min.) 134 Dicas - Detecção e Contagem de Bactérias Modo clássico contagem em placa Pode subestimar o número total de bactérias presentes Amostras de água coletam apenas bactérias de livre flutuação Uma contagem baixa em placa não significa que as bactérias não estão presentes, já que 99% das bactérias em sistemas de água ficam agregadas à superfície da tubulação 135

12 Dicas - Detecção e Contagem de Bactérias A sanitização pode ser ineficiente para romper o Biofilme e não descartar para água as bactérias, porém elas permanecem lá Durante o fluxo pode haver desprendimento em grande quantidade de bactérias (Biofilme Completo), que pode então explicar dia a dia resultados com flutuações e alta contagem ocasional Dicas - Resistência ao Biocida Bactérias associadas aos Biofilmes são muito mais difíceis de matar e remover das superfícies do que microorganimos plantônicos Bactérias em um Biofilme podem resistir aos biocidas porque são protegidos no lodo Pseudomonas aeruginosa 150 a 3000 vezes mais resistente aos biocidas, relativo aos primos microorganismos flutuantes Dicas Recobertura do Biofilme A Recobertura do Biofilme pode ser devido a um ou a todos os seguintes fatores: O biofilme remanescente contém suficientes organismos viáveis. Além disso, a recobertura de biofilme após sanitização por choque é mais rápida que o acúmulo inicial em uma tubulação limpa. O biofilme residual na superfície torna-a mais rugosa que a tubulação limpa. A rugosidade do depósito pode oferecer uma superfície mais aderente a qual adsorve mais células microbiais e outros compostos da água. 138 Dicas Recobertura do Biofilme O biocida preferencialmente remove polímeros extracelulares e não células de biofilme, além disso deixa as células de biofilme mais expostas aos nutrientes quando cessa a sanitização. Organismos sobreviventes rapidamente criam mais lodo (polímeros extracelulares) como uma resposta protetiva à irritação pelo biocida. Há seleção para organismos menos suscetíveis aos reagentes de sanitização. Estes são geralmente os organismos que produzem excessivas quantidades de lodo como Pseudomonas. 139 Como podemos concluir literalmente e praticamente a melhor estratégia para impedir a contaminação em Sistemas de Água Purificada... Chama-se PREVENÇÃO!!! Dica O início da PREVENÇÃO é monitorar e impedir que a DEPASSIVAÇÃO se desenvolva no Sistema

13 COMO? Tendo um Programa Preventivo Sistemático de PASSIVAÇÃO VAMOS CONCLUIR Passivação Não Remove Contaminação Microbiológica e muito menos Biofilme Depassivação é o início do processo para o aparecimento de problemas de contaminação. Um Plano Sistemático de Passivação é o melhor caminho para impedir a Depassivação. Por conseqüência natural minimiza as possibilidades de aparecimento da Contaminação Microbiológica e do Biofilme