Mecanismos de Formação do Rouge

(1)

70

A Influência da Limpeza Crítica e

Passivação

da Superfície no

Desempenho de Componentes e

Equipamentos de Aços

Inoxidáveis Utilizados nos

Sistemas de Água Purificada

71

Em soluções ácidas: (H

+

) é reduzido a gás

hidrogênio (H

₂

)

–Reação de Oxidação: Fe0 _Fe2+_{+ 2e} -–Reação de Redução: 2H+_{+ 2e}- _H 2↑ –Reação Global: Fe0_{+ 2H}+ _Fe2+_{+ H} 2↑

Mecanismos de corrosão do aço inox

em sistemas de água purificada

72

Em soluções neutras ou básicas, Oxigênio

dissolvido (O

₂

) é reduzido a Hidróxido (OH

-

₎

–Reação de Oxidação: Fe0 _Fe2+_{+ 2e} -–Reação de Redução: ½O₂+ H₂O + 2e- _2OH -–Reação Global: Fe0_{+ ½O}

2+ H2O Fe2++ 2OH

-73

Podemos também expressar:

2Fe

0

_{+ 4H}

2

O 2FeO(OH) + 3H

2

↑

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

74

A Natureza do Rouge

Depósitos de óxido de ferro encontrados em sistemas

de água purificada nas cores alaranjado, vermelho, azul ou preto. 75

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)

(2)

76

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)

77

Rouge emana destas

superfícies deixando

pequenos pits por baixo

(oposto do senso comum

de sanitariedade e

prevenção contra

contaminação

bacteriológica)

A Influência do Rouge em

Sistemas de Água Purificada

78

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

79

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 (Cr₂O₃) nos aços inoxidáveis austeníticos

80

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

81 S = 1,5 ... 2,5 nm Cr/Fe > 1,5 ... 2,5 sem cor, transparente S = 10 ... 1000 nm Cr/Fe ~ 0,25 ... 0,35 avermelhado, amarronzado, azulado Típica Camada de Rouge Camada Passiva Perfeita

(3)

82

Depassivação

do aço inoxidável

A camada passiva começa a corroer quando a água

purificada reage com a superfície do sistema

Corte Transversal do Aço Inox

Solução

83

Rouge

começa

Oxidação e subsequente rouge inicia como

resultado da reação da água purificada com a superfície.

84

Lugar perfeito para cultura de Biofilme

Rouge cria um recife de corais virtual para acúmulo

de nutrientes e crescimento de microrganismos.

85

Efeitos do

Efeitos do Rouge

Rouge e Biofilme

e Biofilme

Bactérias Plantônicas eventualmente floculam na

água e podem ancorar na superfície.

86

Limpeza Química e

Passivação

Remediação começa com uma sistemática bem

definida de Limpeza e Repassivação

87

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)

88

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

89

A passivação química estabelece uma dinâmica

progressiva na formação de um filme de Cr₂O₃ 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

90

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

Depassivação. ₉₁

4° Estágio:

Procedimento viável para Limpeza e Passivação, bem como sua periodicidade. Utilizar a Norma ASTM A380.

5° 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.

92

Bactérias

Bactérias Plantônicas

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:

93

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

(5)

94

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 95

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

96

Portanto sob determinadas condições, os

microorganismos se aderem, interagem com as

superfícies e iniciam o crescimento celular.

97

Essa multiplicação dá origem à colônias e

quando a massa celular é suficiente para

agregar nutrientes, resíduos e outros

microorganismos está formado o

BIOFILME

98 99

(6)

100

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.

101

Portanto o caminho para atender o

fornecimento constante de Água

Purificada dentro dos padrões

pré-determinados da indústria farmacêutica

chama-se

PREVENÇÃO

102

Limpeza /

Limpeza / Sanitização

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

103

Fatores que contribuem para uma

Higienização

HigienizaçãoEficiente (HE) (Limpeza / Eficiente (HE) (Limpeza / Sanitização

Sanitização) em Sistemas de Água Purificada) em Sistemas de Água Purificada

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

HE = Energia Química X Energia Mecânica X Energia Térmica X Tempo

104

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

1 + 2 + 3 = Energia de Adesão

105

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

(7)

106

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

107

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 108 Quanto menor a rugosidade melhores são os resultados da higienização.

EFEITO DO ACABAMENTO DE SUPERFÍCIE SOBRE O TEMPO DE LIMPEZA

COMPARAÇÃO ESQUEMÁTICA DA MICRORUGOSIDADE DE UMA CÉLULA MICROBIANA

109

MICROFOTO EM MEV MOSTRANDO MICROORGANISMOS ALOJADOS NOS MICROSULCOS DE UMA SUPERFÍCIE LIXADA MECANICAMENTE

110

Influência do Eletropolimento na Higienização

Eficiente

111

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.

Dica:o uso incorreto pode colaborar para o início da contaminação

(8)

112

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

113

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!

114

Nestes casos o Remédio

chama-se

REMEDIAÇÃO!!!

115

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!!!!!

116

Fases do desenvolvimento do

Biofilme

1.

Condição da superfície

2.

Adesão de bactéria pioneira

3.

Formação de lodo

4.

Colonização secundária

(9)

118

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.

119

120

Evolução

Evolução Bacterial

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

121

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

122

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

123

Então qual é a solução?

Como combater o Biofilme?

(10)

124

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.

125

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.

126

–4ª 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

127

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 128

Tamanho da

bactéria

comparado

com a

rugosidade

da superfície

129

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

Dicas

(11)

130

Dicas

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

131

Espessura

do Biofilme e

Velocidade

de Vazão

132

Dicas

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

133

Dicas

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

134

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.)

135

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

(12)

136

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

-

Detecção e Contagem de

Bactérias

137

Dicas

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

138

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.

139

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.