Woda lodowa – problemy z utrzymaniem czystości mikrobiologicznej

01 maja 2016 r.

Woda lodowa w zakładzie mleczarskim jest czynnikiem chłodzącym przeponowo w wymiennikach ciepła surowce mleczarskie w trakcie produkcji wyrobów mleczarskich. Jej jakość fizykochemiczna i mikrobiologiczna może mieć wpływ w sporadycznych przypadkach na jakość wyrobu mleczarskiego.

Zanieczyszczenia mikrobiologiczne wody lodowej

Woda lodowa w zakładzie mleczarskim jest czynnikiem chłodzącym przeponowo w wymiennikach ciepła surowce mleczarskie w trakcie produkcji wyrobów mleczarskich. Jej jakość fizykochemiczna i mikrobiologiczna może mieć wpływ w sporadycznych przypadkach na jakość wyrobu mleczarskiego. Z reguły ciśnienie surowca (np. mleko, serwatka) tak się dobiera, aby było ono zawsze wyższe niż ciśnienie wody lodowej, co gwarantuje, że woda lodowa nie przedostanie się do surowca lub wyrobu mleczarskiego przez uszkodzony wymiennik ciepła.

Woda uzupełniająca zbiornik wody lodowej powinna spełniać normę higieniczną jak dla wody wodociągowej używanej w przemyśle spożywczym zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 13 listopada 2015 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DZ.U. z 2015 r., poz. 1989) i pobierana jest zwykle z zakładowej instalacji wody wodociągowej. Niestety nawet gdy wyniki badania parametrów fizykochemicznych i mikrobiologicznych wody dostarczonej z sieci wodociągowej wykazują zgodność jakości wody z obowiązującymi normami, nie wyklucza to możliwości występowania zagrożeń tj. korozja, wytrącanie się osadów w układzie wody lodowej. Zgodnie z wyżej wymienionym rozporządzeniem woda powinna spełniać podstawowe wymagania mikrobiologiczne (tabela 1, tabela 2):

Tabela 1. Wymagania mikrobiologiczne, jakim powinna odpowiadać woda

Tabela 2. Wymagania mikrobiologiczne, jakim powinna odpowiadać woda w cysternach, zbiornikach magazynujących wodę w środkach transportu lądowego lub wodnego

Skład fizykochemiczny lodowej wody obiegowej zmienia się nieznacznie w stosunku do wody uzupełniającej na skutek procesów odparowania, odgazowania (CO₂), częściowego wytrącenia węglanu wapnia (CaCO₃), wytrąceń związków żelaza i manganu, natleniania wody, ewentualnego przedostawania się z układów mycia kwasów lub zasad  itp.

Fotografia 1. Przykład układu wody lodowej

Jednocześnie stan wody może się pogarszać jakościowo ze względu na zanieczyszczenia głównie organiczne, które przechodzą z mleka i produktów mlecznych chłodzonych tą wodą wskutek przebić i pęknięć wymienników ciepła (nieszczelności). Gdy dochodzi do takiego zanieczyszczenia woda nabiera mlecznobiałej barwy i staje się mętna. W takich warunkach rozwijają się bakterie pływające w wodzie lodowej jako plankton oraz jako przytwierdzający się do elementów konstrukcyjnych zbiornika i rurociągów biofilm. Generalnie drobnoustroje w środowisku naturalnym rzadko występują w postaci pojedynczych rozproszonych komórek czyli tzw. planktonu, a raczej wykazują tendencje do przylegania do powierzchni stałych, stąd biofilm (zwany błoną biologiczną) jest częstym zjawiskiem pojawiającym się w układach wody lodowej.

Jednocześnie nie należy zapominać o pozytywnych aspektach obecności mikroorganizmów w wodzie, do których zaliczamy zjawisko samooczyszczania wód. Polega ono na mineralizacji materii organicznej w obecności tlenu przez mikroorganizmy i dzieli się na dwie fazy:

• hydrolityczny rozkład związków wielkocząsteczkowych (białka, cukry) oraz ich utlenienie z wydzieleniem dwutlenku węgla i wody.
• utlenienie mineralnych produktów biodegradacji np. utlenienie amoniaku do azotanów (III) i dalej do azotanów (V).

Miarą ilości tlenu, który w określonym czasie zostaje zużyty przez drobnoustroje na mineralizację, jest wskaźnik BZT (biochemiczne zapotrzebowanie tlenu) i wyraża się go w mg O₂/l.

Mechanizm powstawania biofilmu i jego charakterystyka

Biofilm, nazywany często błoną biologiczną, jest wielokomórkowym tworem złożonym z jednego lub wielu gatunków drobnoustrojów (bakterie, grzyby, glony lub pierwotniaki) umiejscowionym w masie zewnątrzkomórkowych polimerów, wykazujących zdolność do adhezji do powierzchni oraz do siebie nawzajem. Komórki mikroorganizmów wchodzących w skład biofilmu charakteryzują się specjalizacją do pełnienia różnych funkcji i wykazują odmienne cechy niż komórki żyjące w postaci wolnej. Dlatego też biofilm może funkcjonować w warunkach, w których przetrwanie pojedynczych komórek byłoby trudne, a w wielu przypadkach nawet niemożliwe. Przykłady biofilmów występujących w instalacjach technologicznych przedstawiają fotografie 2 i 3.

Rysunek 1. Schemat procesu tworzenia dojrzałej postaci biofilmu.

Powstawanie biofilmu jest procesem wielostopniowym i wyróżniamy następujące etapy (rysunek 1):

• adhezja odwracalna (asocjacja); w tym etapie drobnoustroje zasiedlają powierzchnię dzięki oddziaływaniu sił fizycznych, lecz łatwo mogą wrócić do toni wodnej, komórki łatwo usunąć za pomocą środków fizycznych i chemicznych.
• adhezja nieodwracalna; trwałe przytwierdzenie do powierzchni (na odległość mniejszą niż 1,5 nm) – zachodzi wytworzenie specyficznych wiązań, podstawową rolę w tym procesie odgrywają polimery zewnątrzkomórkowe (EPS),
• tworzenie mikrokolonii i wzmożona synteza polimerów zewnątrzkomórkowych (ESP), etap silnego namnażania komórek unieruchomionych w matrycy biofilmu,
• dojrzała postać biofilmu; funkcjonowanie dojrzałej postaci biofilmu jest zróżnicowane metabolicznie np. ze względu na brak dostępu tlenu lub jego ograniczony dostęp wzrasta aktywność beztlenowych szlaków metabolicznych (desulfurikacji, denitryfikacji i fermentacji, zahamowaniu ulega też synteza niektórych enzymów oraz toksyn, postać ta charakteryzuje się obecnością grubej warstwy polimerów zewnątrzkomórkowych (EPS), do którego adsorbowane są substancje mineralne, związki organiczne i komórki innych drobnoustrojów,
• dyspersja i migracja komórek z biofilmu; w tym etapie biofilm osiąga krytyczną grubość i stopniowo przestaje utrzymywać istniejącą formę, z peryferyjnej części biofilmu następuje migracja komórek do otoczenia.

Wyróżniamy trzy podstawowe typy budowy błon biologicznych tworzących biofilm – płaski (dwuwymiarowy) oraz tzw. model grzyba. W silnym strumieniu wody biofilm przybiera postać rozciągniętych pasków, natomiast model tzw. grzyba występuje w środowisku o wolnym przepływie.

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech biofilmu jest pozakomórkowa substancja polimeryczna (EPS), w której skład wchodzą polisacharydy, białka, kwasy nukleinowe, surfaktanty, lipidy oraz woda. Główną funkcją EPS jest zaopatrywanie mikroorganizmów w substancje odżywcze i tlen oraz wydalanie produktów przemiany materii, dzięki wielu kanałom, w jaki jest on wyposażony. EPS tworzy doskonałą barierę ochronną zwiększającą tolerancję na działanie czynników przeciwmikrobiologicznych.

Fotografia 2. Przykład silnie rozwiniętej błony biologicznej w układzie chłodzenia.

Fotografia 3. Zdjęcie powierzchni filtra siatkowego silnie obłożonego biofilmem

Dezynfekcja wody lodowej

Istnieje wiele sposobów dezynfekcji wody pitnej, z których większość będzie nieskuteczna w przypadku wody lodowej. Zastosowany biocyd powinien z jednej strony niszczyć luźno pływający plankton bakteryjny, jak też powinien degradować warstwę, biofilmu, co jest już znacznie trudniejsze.

Poprzez kontakt wody lodowej z warstwą osadu nawet czysta „sterylna” woda ulegnie zanieczyszczeniu. Stąd też biocyd powinien posiadać dobre właściwości biobójcze w danych warunkach temperatury i natlenienia wody przy danym pH. Każdy dodany do wody lodowej biocyd zużywa się w reakcji z istniejącą zawiesiną mikrobiologiczną (mikroflorą zawieszoną w formie planktonu) oraz z osadzonym na ścianach biofilmem i należy go uzupełniać lub ciągle dozować. Niestety dobór biocydu jest niezwykle trudny i powinien być dobrany w odniesieniu do danego układu w tym stopniu jego zanieczyszczenia.

Najbardziej popularny do dezynfekcji wody lodowej jest podchloryn sodu, lecz jest to obecnie produkt niepolecany przede wszystkim ze względu na działanie korozyjnie na materiały konstrukcyjne układu oraz dlatego, że zawsze występują produkty uboczne tj. chloraminy i trihalometany. Alternatywnie do podchlorynu lepiej sprawdzają się biocydy, stanowiące mieszaniny substancji czynnych, które ze względu na odmienny dla każdego ze składników mechanizm działania na mikroorganizmy pozwalają skutecznie i sumarycznie przy niższej dawce je eliminować. Najlepszym biocydem do układu wody lodowej jest dwutlenek chloru, który jest niezwykle aktywny do biofilmów świeżo wytworzonych w szerokim spektrum odczynu pH. Grube biofilmy w postaci żelowatych mat mikrobiologicznych wymagają długiego czasu do ich rozłożenia tą metodą.

Dwutlenek chloru to biocyd utleniający oraz trucizna metaboliczna, czyli mikroorganizmy zostają zabite poprzez zakłócenie procesów metabolicznych. Wysoka skuteczność biobójcza oraz szereg zalet, m.in. brak korozji, brak nieprzyjemnych zapachów i niszczenie wszelkich form mikroorganizmów tym zarodników, bakterii i wirusów, przemawia za stosowaniem dwutlenku chloru do dezynfekcji wody lodowej.

Podsumowanie

Wszechobecne mikroorganizmy bytują w każdym środowisku zatem także w wodzie. Woda wodociągowa, służąca jako medium chłodnicze w układach wody lodowej, może nastręczać szereg problemów wywołanych przez obecność w niej mikroflory. Mikroorganizmy chętniej łączą się w zgrupowania i tworzą biofilmy niż występują w formie wolnopływającej. Problem występowania biofilmu w przemyśle spożywczym i jego niepożądane skutki wymuszają podjęcie działań, mających ma celu przeciwdziałanie rozwojowi biofilmów. Skutecznym i polecanym środkiem do dezynfekcji wody lodowej jest dwutlenek chloru, dzięki czemu można utrzymać jakość mikrobiologiczną wody lodowej bez występowania niepożądanych efektów ubocznych np. korozja materiałów konstrukcyjnych.

mgr inż. Anna Piotrzkowska
Przedsiębiorstwo MARCOR Jan Marjanowski