Branża Mleczarska 100 Firm

Forum Mleczarskie Biznes 3/2020 (40)

dr inż. Katarzyna Godlewska

Higiena:

Wykrywanie biofilmu w instalacjach CIP i na powierzchniach

© fm

Biofilm, choć niewidoczny może mieć duże znaczenie gospodarcze. Ze względu na swoją specyfikę zasiedla powierzchnie kontaktujące się z żywnością, zmniejsza światło rurociągów, a poprzez swoją strukturę gąbczastą może kumulować w sobie mikroorganizmy chorobotwórcze, co z kolei może wpływać na bezpieczeństwo wyrobów mleczarskich. W niniejszym artykule zostaną przybliżone zagadnienia związane z biofilmem w mleczarniach, w tym sposoby jego usuwania.


Biofilm to wyspecjalizowane, złożone struktury żywych komórek drobnoustrojów – zazwyczaj bakterii – zanurzonych w śluzowej otoczce (hydrożelu). Tworzy się prawie wszędzie tam, gdzie jest możliwość wystąpienia bardzo dużo komórek drobnoustrojów oraz są dostępne składniki odżywcze. Biofilm jest żywym tworem składającym się z różnych komórek drobnoustrojów połączonych polimerami pozakomórkowymi, które umożliwiają wzajemną komunikację i ochronę przed niekorzystnymi wpływami środowiska, w tym niekorzystnym wartościom pH, siłom ścinającym (działanie mechaniczne na biofilm) czy biocydom.

Biofilm to społeczność drobnoustrojów zamkniętych w ochronnej osłonie ich metabolitów pozakomórkowych w tym substancji polimerowych (EPS), lipopolisacharydów (LPS), a także osadów nieorganicznych, które znacząco wpływają na wzrost. Same organizmy żywe stanowią od 4 do 24% masy biofilmu. Biofilmy odpowiadają za biokorozję i biostarzenie powierzchni kolonizowanych. Infrastruktura biofilmu składa się z różnych kolonii bakteryjnych, EPS, kanałów przepływowych oraz bardzo skomplikowanych systemów komunikacji wewnętrznej. Pojedyncze bakterie tworzące biofilm mogą należeć do tego samego lub różnych gatunków. Również preferencje oddechowe mogą mieć różne – w jednym biofilmie mogą występować zarówno bakterie tlenowe jak i beztlenowe – umiejscawiają się tylko w różnych miejscach/częściach biofilmu, by zapewnić sobie dogodne warunki bytowania. Wraz z bakteriami, biofilmy mogą również tworzyć inne drobnoustroje tj. pierwotniaki, glony i grzyby, które wspólnie tworzą wzajemnie złożone środowisko (Yu J.at all, 2010).

Na przestrzeni lat 2015-2020 liczba zakładów, które wyraziły chęć do diagnozowania i usuwania biofilmów wzrosła z 20 do 70%.

Warunkiem powstania biofilmu jest ciągły kontakt z wodą lub innym wilgotnym środowiskiem. Może on tworzyć się prawie na każdej powierzchni i na różnych materiałach. Na rys. 1. pokazano przykładowy biofilm. Wyraźnie widać struktury żelowe pomiędzy komórkami. Struktury te mają kluczowe znaczenie dla utrzymania biofilmu. Komórki mikroorganizmów zgromadzone w biofilmie są bardziej odporne na działanie czynników zewnętrznych niż te same, pozostające w postaci planktonu. Odporność ta wynika ze specyficznej struktury biofilmu. Głównym jej powodem jest otoczenie komórek biofilmu lepkim polimerem (EPS), który ogranicza dyfuzję substancji przeciwustrojowych do wnętrza biofilmu.

© fm

Drobnoustroje wykazują silne „potrzeby” kolonizacyjne w stosunku do wszelkich powierzchni – również wykorzystywanych przemysłowo. Biofilmy – jeśli im się to umożliwi – chętnie rosną na wszelkiego rodzaju powierzchniach produkcyjnych i przemysłowych. Potrafią zaburzyć przepływ cieczy w rurociągach, skutecznie zanieczyścić powierzchnie produkcyjne, wspomagają – a często i rozpoczynają – korozję materiałów.

Jak powstaje biofilm? Na czystą sterylnie powierzchnię opada odrobina pary wodnej wraz z niewielką ilością składników odżywczych i po upływie kilku minut, godzin lub dni mikroorganizmy zaczynają organizować specyficzny ekosystem luźno powiązanych komórek zanurzonych w polisacharydowym śluzie produkowanym przez drobnoustroje kolonizujące, a służącym do ochrony mieszkańców siedliska oraz komunikacji na poziomie ładunków elektrycznych. Biofilmy mogą się tworzyć na twardych podłożach pozostających w kontakcie z wilgocią, powierzchniach delikatnych tkanek w żywych organizmach (żyły), w cieczach (szczególnie stojących) na granicy z powietrzem. Cykl tworzenia się biofilmu pokazano na rys. 1.

Etap pierwszy (rys. 1 pkt 1) to etap przywierania drobnoustrojów do powierzchni. Nazywany jest adhezją odwracalną, gdyż powstający biofilm na tym etapie jest nietrwały i może być łatwo usunięty.

Następnie komórki zaczynają szybko produkować śluz oraz namnażać się (rys. 1 pkt 2). Ta faza to adhezja nieodwracalna. Na tym etapie polimery wytwarzane przez drobnoustroje wraz z wiciami komórek wytwarzają coś w rodzaju siatki i kleju, dzięki czemu jest możliwe przyklejenie się komórek nawet do idealnie gładkich powierzchni.

Etap trzeci (rys. 1 pkt 3) to etap formowania tzw. grzyba. „Grzyb” powstaje po to, by chronić komórki młode, które są głębiej – u podstawy, oraz by łatwiej zdobywać pożywienie. Można powiedzieć, że „grzyb” to rodzaj „wysięgnika” po pokarm. W niektórych komórkach dochodzi do aktywacji lub hamowania ekspresji niektórych genów. Zmiany aktywności genów prowadzą do dojrzewania biofilmu i wystąpienia cech fenotypowych – zależnie od warunków i potrzeb tworzącej się społeczności drobnoustrojów.

W kolejnej fazie – czwartej – rozwoju biofilmu (rys. 1 pkt 4) śluzu i komórek już jest tak dużo, że pojawiają się trudności z dopływem pokarmu do niższych warstw i podstawy. Wtedy tworzą się pęknięcia zwane porami lub „pilami”, które umożliwiają przepływ mas cieczy i zawieszonych w niej pokarmów przez powstałe otwory, co umożliwia odżywianie się wszystkich organizmów. Ten etap nazywa się fazą dojrzałą biofilmu. Komórki dostosowują się do ograniczonych zasobów tlenu, wzrasta aktywność metabolizmu beztlenowego. Obecność tej fazy biofilmu w rurach wodociągowych może skutkować nieakceptowalnym zapachem wody. Ostatnia, piąta faza rozwoju (rys. 1 pkt 5) występuje wtedy, gdy „grzyb” jest tak duży, że poszczególne jego kawałki odrywają się i próbują przywierać w kolejnym miejscu do podłoża. Gdy taki „kawałek grzyba” przyczepi się do podłoża następuje rozwój biofilmu w kolejnym miejscu od fazy trzeciej. W zakładzie spożywczym ten etap jest szczególnie niebezpieczny, gdyż może dojść do uwolnienia dużej ilości drobnoustrojów do środowiska wodnego, a przez to potencjalnie do produktu. Może to stwarzać ryzyko naniesienia również organizmów patogennych na produkt.

Dojrzały „grzyb” w fazie piątej może przy dostatku substancji odżywczych egzystować miesiące.

Faza pierwsza zazwyczaj trwa kilka sekund (przywieranie pojedynczych komórek do powierzchni). Faza druga potrzebuje od kilku sekund do kilku godzin. Faza trzecia – czyli formowania „grzyba” liczona jest od kilkunastu godzin do kilku dni. Faza czwarta – to też kilkanaście godzin do kilku dni. Dojrzały „grzyb” w fazie piątej może przy dostatku substancji odżywczych egzystować miesiącami.

© fm

Podstawową „strukturę” biofilmu tworzą drobnoustroje, które mają zdolność do tworzenia śluzu. Zazwyczaj są to takie bakterie jak: Legionella pneumophila, Escherichia coli, Pseudomonas spp., Lactobacillus spp., Gluconobacter spp., Pectinatus spp., Pediococcus spp i Mycobacterium spp. Z ww. drobnoustrojów w zakładach mleczarskich mogą występować co najmniej Legionella pneumophila, Escherichia coli, Pseudomonas spp., Lactobacillus spp. i Mycobacterium spp.. Jest więc potencjalna możliwość stworzenia „matrycy”, w którą wnikną inne drobnoustroje – w tym też i chorobotwórcze. Obecnie, zgodnie z aktualnym stanem wiedzy, ponad 99% bakterii na Ziemi wykazuje zdolność do tworzenia biofilmu. Ze względu na utrudniony dostęp diagnostyczny (szacowanie stopnie zużycia i korozji) szczególnym ryzykiem ekonomicznym i ekologicznym obciążone są wszelkiego rodzaju rurociągi – np. naftociągi, gazociągi i wodociągi.


Powstawaniu biofilmu sprzyja obecność tzw. martwych przestrzeni, czyli zakończeń, lub wypustek rurociągów, gdzie przepływ jest okresowo zahamowany lub zmniejszony, co sprzyja kolonizacji tych miejsc przez bakterie. Miejsca te czasem tworzy się celem instalacji w nich urządzeń pomiarowych, zaworów, co powoduje, że nie ma w nich „zwykłego” przepływu, mogą być zastoiny wody, co sprzyja namnażaniu się zanieczyszczeń i tworzeniu biofilmu. W martwych przestrzeniach może też występować środowisko tlenowe, a w przypadku rurociągów (np. naftowych) gromadzą się tam woda i składniki odżywcze. MIC sprzyja środowisko wodne, obecność SRB (bakterii redukujących siarczyny) oraz obecność CO2 i H2S. Naprzemienne narażenie beztlenowe i tlenowe może powodować poważną korozję (Wen J., 2017).

Szacuje się, że biofilmy są odpowiedzialne za około 60% wszystkich infekcji wywołanych przez drobnoustroje. W medycynie również uwzględnia się wpływ środków dezynfekujących, antybiotyków i stosowanych czynników fizycznych wyjaławiających na biofilm, gdyż stanowi on barierę ochronną dla tworzących go drobnoustrojów. Opracowano wiele metod fizycznych, chemicznych i leczniczych niszczących go, lecz nie zawsze są one skuteczne.

W przemyśle spożywczym biofilmy stają się przyczyną wielu chorób przenoszonych poprzez żywność. W badaniach mikrobiologicznych biofilmów w przemyśle spożywczym wykrywano bakterie z rodzajów: Escherichia spp., Staphylococcus spp., Lactobacillus spp., Streptococcus spp., Bacillus spp. i Yersinia spp. (Ainsworth R. 2004).

W przemyśle mleczarskim prawie wszystkie powierzchnie są wilgotne, więc mleko i jego przetwory są idealną pożywką dla drobnoustrojów ze względu na zawartość wody oraz składników odżywczych.

© fm

Z biofilmem najlepiej jest walczyć poprzez niedopuszczanie do jego rozwoju i wzrostu oraz usuwanie zanim wejdzie w fazę wzrostu „grzyba”. Jeśli struktury biofilmu są już duże, trudno jest usunąć je całkowicie, gdyż biofilm „broni się” chroniąc komórki, które są przy samym podłożu. Najlepszą zatem metodą jest szybkie usuwanie zanieczyszczeń po procesie produkcyjnym, niepozwalające na wzrost biofilmu.

Przy nieprawidłowo przeprowadzonych zabiegach mycia i dezynfekcji – lub w razie ich braku – drobnoustroje chorobotwórcze w biofilmie pozostają i mogą przenieść się na kolejną porcję żywności (surowiec, półprodukt, wyrób gotowy) zanieczyszczając ją. Dotyczy to każdej powierzchni w zakładzie, która ma kontakt ze składnikami odżywczymi oraz przez długi okres pozostaje wilgotna. W zakładzie mleczarskim dotyczy to zarówno wnętrza instalacji (rurociągów), wnętrza maszyn i urządzeń jak i powierzchni otwartych.

Wyróżnia się kilka metod ograniczenia negatywnego wpływu mikroorganizmów na podłoże, m.in. stosowanie biocydów (substancji zwalczających drobnoustroje), powłok ochronnych, utrzymanie podłoża w czystości, czy też korzystanie z nowych metod inżynierii materiałowej, takich jak modyfikowane hartowanie lub modyfikowane azotowanie.

Brak odpowiedniej higieny w zakładzie, niedokładne i zbyt rzadkie mycie może powodować rozwój biofilmów. Uwzględniając, że w zakładach mleczarskich mogą pojawiać się różne patogeny związane z chorobami krów mlecznych, dodatkami, środowiskiem produkcyjnym, zanieczyszczenia wnoszone wraz z pracownikami, to wniknięcie ich w biofilm powoduje, że tworzy się swoista „puszka Pandory”. Przy nieprawidłowo przeprowadzonych zabiegach mycia i dezynfekcji – lub ich braku – drobnoustroje chorobotwórcze w biofilmie pozostają i mogą przenieść się na kolejną porcję żywności (surowiec, półprodukt, wyrób gotowy) zanieczyszczając ją.

W celu minimalizacji zagrożeń mikrobiologicznych stosuje się też powłoki utrudniające przyczepianie się biofilmu. Do takich należy pokrywanie wnętrz przewodów jonami srebra oraz jonów żelazawych. Podobne działanie mają też jony miedzi. W badaniach rur wykazano najniższe kolonizowanie biofilmem rur miedzianych, a najwyższe na stali nierdzewnej i stali cynkowanej. Jeśli chodzi o tworzywa sztuczne podobne wyniki do miedzi uzyskał chlorowany polichlorek winylu, a polibuten i polietylen uzyskały wyniki podobne do stali. W przypadku rurociągów znaczenie ma nie tylko materiał stosowany na rury, ale też używany do połączeń, gdyż użycie w instalacji złączek, kolanek, odprowadzeń itp. z materiałów sprzyjających wzrostowi biofilmu powodować może zwiększony wzrost również w częściach pierwotnie odpornych. Udowodniono, że szczególnie korzystne warunki dla rozwoju mikroorganizmów występują na takich elementach instalacyjnych jak rury giętkie i węże oraz na różnego typu materiałach, takich jak powłoki, folie oraz materiały uszczelniające i kleje (Simoes L.C, Simoes M., 2013).

Jak dobrze zwalczyć biofilm?

Aby zapewnić odpowiednie środowisko produkcji żywności należy wiedzieć, czy w instalacjach i na powierzchniach kontaktujących się z produktem jest biofilm, czy nie. Jeśli występuje, to należy usunąć go i dbać o to by się nie odnawiał. Z danych dostawcy środków chemicznych na przestrzeni lat 2015-2020 liczba zakładów, które wyraziły chęć do diagnozowania i usuwania biofilmów wzrosła z 20 do 70%. Jeden z dostawców profesjonalnej chemii przemysłowej proponuje następującą sekwencję działań, pokazaną na rys. 2. Swoim klientom dostarcza środki oraz know-how jak użyć te środki, by zminimalizować problem. Częstotliwość takich działań zależy od rodzaju instalacji/powierzchni, materiałów, z których jest wykonana, rodzaju pojawiających się zabrudzeń spożywczych, higieny zakładu; może się wahać, od raz na kwartał do raz na rok.

Postępowanie rozpoczyna się od audytu technicznego, który ma na celu wyeliminowanie innych przyczyn zanieczyszczania produkowanej żywności. W czasie takiego audytu zwraca się uwagę na martwe przestrzenie w instalacji, nieprawidłowo wykonane spawy, wżery w instalacji, źle dobrane materiały/łączenia/urządzenia w linii, średnice rur, wydajności pomp, stężenie używanych środków chemicznych, stan przyłączy oraz jakość używanej wody.

Procedura detekcji zależna jest od tego, czy biofilm diagnozowany jest na powierzchniach płaskich, czy w rurociągach. W obu przypadkach przeprowadzane jest dokładne mycie „standardowe”. Po czym podaje się roztwór tzw. aktywatora, a następnie, po spłukaniu, nanosi się reaktor pełniący funkcję „wywoływacza”. Reakcja ma charakter barwny i wynik zależy od uzyskanego koloru. Na powierzchniach płaskich wynik jest widoczny na badanej powierzchni. W diagnozie rurociągów bada się popłuczyny i ocenia wzrost drobnoustrojów w nich po kilku dobach. Potwierdzenie obecności biofilmu skutkuje wdrożeniem do mycia preparatów enzymatycznych, które oprócz standardowo używanych enzymów do usuwania białek, węglowodanów lub tłuszczów, zawierają też specyficzny enzym polisacharydazę pozwalającą na niszczenie matriksu biofilmu, a przez to na umożliwienie środkom myjącym i dezynfekującym skutecznego działania.

Środki czyszczące na bazie enzymów mają neutralne pH, zapewniają bezpieczeństwo personelu i chroniąc sprzęt produkcyjny przed korozją. Enzymy są w 100% naturalne i łatwo ulegają biodegradacji. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy nie każda firma dostarczająca środki do mycia i dezynfekcji ma w swojej ofercie enzymy i wsparcie klienta w ich użyciu. Wspomnieć należy, że efektem „ubocznym” przeprowadzenia profesjonalnego usuwania biofilmów jest okresowe podniesienie się liczby drobnoustrojów w oznaczeniach, co wynika z tego, że naruszenie matriksu biofilmu powoduje czasowe uwalnianie zawartych w nim drobnoustrojów. Stan ten jest przejściowy i potem następuje przez pewien czas okres stabilnej czystości produkcyjnej wolnej od biofilmów. Zestawienie najczęściej używanych metod dezynfekcji rurociągów zakładowych przedstawiono w tabeli.

Ze względów higienicznych konieczne jest płukanie instalacji rurociągów po okresach bez używania. Fragmenty instalacji, z których korzysta się rzadko lub przez krótki czasie, powinny być po wykorzystaniu odizolowane oraz przepłukane, przed ponownym wprowadzeniem ich do eksploatacji. Przewody niewykorzystywane należy odłączyć od instalacji rurociągowej, celem zapobiegania zanieczyszczenia działającej części. Odpowiedzialnym za zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania i eksploatacji instalacji wodociągowej jest właściciel lub zarządca budynku, czyli prowadzący zakład mleczarski (Cunliffe D, 2011).

Literatura:

  1. Ainsworth R, ed. (2004) Safe piped water. Geneva, World Health Organization.
  2. Cunliffe D. at all (2011) Bezpieczeństwo wodne w budynkach. Główny Inspektor Sanitarny, Warszawa, tłumaczenie z WHO.
  3. Godlewska K. (2019) Biofilm w instalacji wodnej w praktyce zakładu mięsnego. Gospodarka Mięsna 12/2019.
  4. Kersia (2019) Materiały reklamowe preparatów zwalczających biofilm.
  5. Kołwzan B. (2011) Analiza zjawiska biofilmu – warunki jego powstawania i funkcjonowania. Ochrona środowiska, vol. 33, nr 4, str. 3-14.
  6. Pietrzyk A., Papciak D (2017) Wpływ technologii oczyszczania wody na proces kształtowania biofilmu na wybranych materiałach instalacyjnych, JCEEA, t. XXXIV, z. 64 (2/II/17), kwiecień-czerwiec 2017, str. 131-142.
  7. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady 852/04 z 29.04.2004 dotyczące higieny środków spożywczych (z późniejszymi zmianami).
  8. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady 2073/05 z dnia 15.12.2005 w sprawie kryteriów mikrobiologicznych (z późniejszymi zmianami).
  9. Strona internetowa: http://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/id3269,korozyjnosc-wody-wodociagowej-a-material-instalacji, pobranie 2019.10.01.
  10. Szczotko M. (2007) Biofilm – krótka charakterystyka obrostów mikrobiologicznych związanych z instalacjami wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Roczn. PZH 2007, 58, nr 4, str. 667-675.
  11. Yu J., Kim D., Lee T. (2010) Microbial diversity in biofilms on water distribution pipes of different materials, Water Sci Technol 61 (1): str. 163-171.
  12. WHO (World Health Organization) (2012) A toolkit for monitoring and evaluating household water treatment and safe storage programmes. Geneva, WHO.
  13. Wen J., (2017) Investigation of Microbiologically Influenced Corrosion (MIC) by Sulfate Reducing Bacteria (SRB) Biofilms and Its Mitigation Using Enhanced Biocides, PHD dystertation on Department of Chemical and Biomolecular Engineering and the Russ College of Engineering and Technology of Ohio University.
  14. Żakowska Z., Stobińska H. (red.) (2000) Mikrobiologia i higiena w przemyśle spożywczym. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź.
copyright
Nathusius Investments Sp. z o.o. © 2008-2021
02-920 Warszawa
ul. Powsińska 23/6
tel.: 22 642 43 12, fax: 22 642 36 25

Serwis www.forummleczarskie.pl wykorzystuje ciasteczka (ang. cookies) w celu gromadzenia informacji, które pozwalają lepiej adaptować stronę do potrzeb i preferencji Czytelników oraz budować statystyki dotyczące oglądalności. Cookies można wyłączyć w każdej chwili w ustawieniach przeglądarki internetowej. Brak takiej zmiany oznacza możliwość zapisu w pamięci urządzenia. Więcej informacji znajdą Państwo w Polityce prywatności. Zamknij