Hygienic Processing

Induktionsphase: Anhaftung eines Films/Produktansatz an Oberfl., Primäradhesion + Konditionierung der Oberflaeche => Aufbau einer EPS-Matrix

→ einzelne MO setzen sich zunächst fest: durch überwiegend passive Vorgänge

Durch eine prozessbedingte Umwaelzung des Fluiden hat man: Diffusion von Naehrstoffen, konvektiver Transport, Sedimentation oder von MO an die Oberflaeche. 

Chemotaxis: Bewegung durch Flagellen, Naehrstoffgradient

Thermophoresis: T°-Gradient induziert freie Bewegung zur günstigste T°

Adsorption bevorzugt auf hydrophoben Materialien

Wachstumsphase: Schichten + Kontakt + Kommunikation zwischen Zellen → soziales Verhalten durch aktive Vorgänge (≠ planctonische Lebensform):

Flagellen: zum Bewegen im Medium

Adhesine: Pili, Mannose-sensitiv, zum Andocken

Fimbriae: Oberflächenproteine zur Zell-Zell-Kontakt

→ die Zellen regen einander zur Vermehrung und Bildung einer Mikrokolonie an (Ausbildung von Flagellen & Absonderung von Fimbriae)

Die Zellen bilden um sich herum eine EPS (= Exopolysaccharide) => Effekt auf Versorgung, Verteilung, Schutz, Inaktivierung von MO. 

Stationäre Phase/Plateau [Sekunden]: Biofim wächst, immer dicker, wodurch Sauerstoff-, Nähstoff- und Stoffwechselproduktgradiente entstehen, welche das Nebeneinander-/Koexistieren verschiedener Arten von MO begünstigt
→ Symbiose: Einstellen eines neuen ökologschen Gleichgewichts der Population

→ Erosionsmechanismen durch Strömungen → Rekontamination des Milieus (z.B. Stücke von Biofilm abreist und sich in der Anlage verteilt)

Absterbephase: Reduktion der Keimzahl im Biofilm, durch Erosion und freischwimmende Lebensweise, aber kommt zur Neubildung von Biofimen woanders!

Konsequenzen:

•  „aktive“ Kommunikation zwischen MO (Quorum Sensing)

→ Änderung der Genexpression der MO im Vgl. zu frei suspendierten MO!

• deutlich erhöhte Resistenz ggü. antimikrobiellen Wirkstoffen
• Rekontamination der behandelten LM

Grenzschichtphänomen:

- Schlecht: Produktansatzbildung bei Membransystemen, Verdampfern und Erhitzern

→ Biofilmbildung extrem verstärkt, da der Produkansatz sehr gutes Nährmedium für MO + gute Haftfläche

zusätzlich: an der Grenzschicht von Membranen setzen sich oft MO fest und beginnen zu wachsen

- Gut: turbulente Strömung

Wenn nicht, Rohre von Wärmetauchern/Kühlwassersystemen weisen an der Außenseite laminarer Strömungsgeschwindigkeit auf → MO können sich leichter an Oberfläche festsetzen (evtl. begünstigtes Wachstum durch Temperaturoptimum) 

→ Lösungsalternative: Antimikrobielle sterile Oberflächen!

Deutlich erhöhte Resistenz ggü. antimikrobiellen Wirkstoffen wie Desinfektionsmitteln und Antibiotika durch:

• Diffusionslimitierung: Verlängerung der erforderlichen Einwirkzeit

• Wesentlich höhere Keimdichte als in freier Suspension: steigt die Kommunikationsfähigkeit u. Stoffwechselprodukt-Konzentration

• Stoffwechselruhende Zellen in der Teife aufgrund Nährstoffmangel und zu hohe Stoffwechselprodukte: keine Vermehrung/Zellteilung => Antibiotika unwirksam!

• Aktivierung von passiven Genabschnitten durch Stoffwechselprod. der Nachbarn (Quorum Sensing): verstärkt Bildung von Antibiotika-abbauende Substanzen (zB. Penicillin)

• Schutzwirkung der EPS

:= Unerwünschte Ablagerung von MO und biologischem Material an der Oberfläche der Anlagen

GMP = Good Manufacturing Practise

=> Richtlinien zur Qualitätssicherung der Produktionsabläufe und -umgebung in der Produktion von Arzneimitteln und Wirkstoffen, sowie LM. In der pharmazeutischen Herstellung spielt die Qualitätssicherung eine zentrale Rolle, da hier Qualitätsabweichungen direkte Auswirkungen auf die Gesundheit der Verbraucher haben können, teilweise auch bei Lebensmittelindustrie. 

• Gewährleistung der Produktqualität
• Erfüllung der für die Vermarktung verbindlichen Anforderungen der Gesundheitsbehörden 

HACCP = Hazard Analysis Critical Control Points (Gefahrenanalyse und kritische Kontrollpunkte)

=> ist ein Qualitätswerkzeug, das für Produktion von und Umgang mit Lebensmitteln konzipiert wurde. Es ist klar strukturiert und auf präventive Maßnahmen ausgerichtet.

Das Konzept dient der Vermeidung von Gefahren im Zusammenhang mit Lebensmitteln, die zu einer Erkrankung oder Verletzung von Konsumenten führen können.

Ziel: Höhere Sicherheit in der LM-Produktion durch Minimierung der Fehlereintrittswahrscheinlichkeit & Schutz der Verbraucher durch einheitlichen hygienischen Standard 

Alle inneren Oberflaechen einer Anlage müssen von den R+D-Lösungen erreicht werden, dafür müssen die Anlagen gemaeß Hygienic Desing konstruiert werden und Werkstoffe gemaeß Hygienic Design gewaehlt werden. So dass man die Anlage ohne Zerlegen im Produktionszustand reinigien bzw. sterilisieren kann (keine Totraeume). 

Ein kritischer Kontrollpunkt ist ein Punkt, Schritt oder eine Prozedur im gesamten Lebensmittelherstellungsprozess, an dem Kontrollen möglich sind, um eine Gefährdung durch das Lebensmittel zu verhindern, zu eliminieren oder auf ein erträgliches Maß zu reduzieren.

• Silberionen

=> Schaedigung zellulaerer Membranen und Veraenderung von Proteinstrukturen

=> Binden unspez. an die Oberflaeche der Viren

=> Binden von Thiolgruppen bei Protein & Basenpaaren d. DNA 

Nachteil: Antimikrobielle Wirkung haelt nur kurz an, da Silberionen sehr reaktiv und in Lösung instabil sind. 

=> Kombi mit Zitronensaeure oder UV-A sowie UV-C Strahlung zur Stabilisierung von Silberionen

• Hot bubble column evaporator (HBCE)

Kontinuierliche Produktion heißer Gasblasen, die in die Flüssigphase eingefüllt werden, und durch die Hitze der Gasbläschen kann man die Viren thermisch inaktivieren. 

Besonders gut für die Trinkwasserdesinfektion & Wasseraufbereitung. 

• Silica gel desiccator – Lufttrockner
• Air Flow Meter – Kontrolle der Luftstrom => selbe Menge an Gasblasen in die Flüssigphase einführen
• Gas heater – Heizspirale => Luft auf gewünschte Temperatur heizen 
• Gasblasen/Gasphase => 1-3 mm, > 60 °C in Lösung und 150 °C bei Einlass

Die Proteinhülle denaturiert bei 60 °C => viele Viren lassen sich bei diesem Temperatur inaktivieren. 

Besondere: Nicht die gesamte Lösung wird aufgeheizt, sondern die Lösung (Flüssigphase) bleibt konstant auf ca. 47 °C (thermisch nicht belastet), aber trotzdem kann man die Viren thermisch inaktivieren, da die Viren sich an die aufsteigenden Gasphasen (Grenzschicht zw. Gas- und Flüssigphase) anlagern und diese Grenzschicht ist besonders heiß (> 60 °C). Durch diese Anlagerung und thermische Belastung werden die Viren inaktiviert. 

Vorteil: Ohne die Lösung aufzuheizen kann man die Viren inaktivieren

Allgemeine Probleme/Limitierungen bei Erhitzen von stickigen Gütern:

• Wärmeleitung von außen in den Kern bei Erhitzung => braucht länger gewünschte Temperatur zu erreichen und von Kern nach außen bei Abkühlung (braucht länger abzukühlen) => höhere Wartezeiten => entsprechend mehr Wärmelast aus das Produkt

=> diese sind die Geschwindigkeitslimitierende Schritten

• Wärmeleitfähigkeit & Wärmekapazität des Produkts (=> abhängig davon kann das Produkt viel Wärme oder weniger Wärme aufnehmen & Rand/Kern des Produkts wird unt. erhitzt)

Kennzahlen: 

Biot-Zahl => Wenn man sehr viel Waerme heranführt, aber die Waermeleitfaehigkeit des Produkts gering ist, dann hat man eine hohe Biot-Zahl aber nicht unbedingt beschleunigendes Erhitzen 

Fourier-Zahl => die Waermekapazitaet & die Waermeleitfaehigkeit des Produkts stehen miteinander im Konkurrez; Waerme, die sofort aufgenommen und gespeichert wird, kann nicht weitergeleitet werden, dann kommt es zur einer starken Erhitzung der Wandzone, bevor man Überschusswaerme freigegeben wird, die in die tiefere Schichten eindringen können

Wo viel Wasser vorhanden ist, kann es schneller heiß werden (hot spot) und wo wenig Wasser vorhanden ist, kann es langsamer heiß oder weniger heiß werden (cold spot) => nicht stark erhitzt wie die Bereiche, die heißer geworden sind. Dies ist sehr stark von Produkt und Produktzusammensetzung abhängig.

Ursachen von hot und cold spots:

• Inhomogene Feldverteilung im Behandlungsraum
• Inhomogene Feldverteilung im Lebensmittel, abhängig von Größe, Form, Schüttdicke und dielektrischen Eigenschaften des Produktes sowie von der äußeren Feldverteilung => Abklingen der Feldstaerke von außen nach innen
• Örtlich inhomogene dielektrische und/oder kalorische Eigenschaften des Lebensmittels, z.B. durch verschiedene Aggregatzustände, freies bzw. gebundenes Wasser, inhomogene Wasserverteilung

Beispiel mit Kartoffel: Je größer die Kugeln sind, umso mehr werden sie von außen erhitzt. Bei kleineren Kugeln wird innen zuerst warm (stärkere Erhitzung), während bei größeren Kugeln der Wand zuerst warm wird => hot/cold spots

Konservenhertellung = Autoklavensterilisation: Sterilisation nach dem Füllen von unsterile LM in unsterilem Packmittel verschlossen, altes Prinzip der Appertisation (Hitzekonservierung) im Glas/Drucktopf
→ häufig Produktschädigung durch Überprozessierung und T°-Gradient von Aussen nach Innen (wo es am wenigsten thermisch belastet wird)

•Aseptische LM-Herstellung: getrennte Sterilisation des Füllguts und der verpackung vor dem Abfüllen mi rekontaminationsfreiem Verschliessen unter aseptischen Bedingungen (Abfüllbereich) → Inhaltstoff-Schonung u. homogene Behandlung mit hohen Keimreduktionsraten

Lebensmittel ist dabei der elektrische Leiter. Diese wird an Elektroden angeschlossen, die in einem bestimmten Abstand zueinander liegen und an die eine Spannung angelegt wird. 

Durch das Lebensmittel fließt ein Strom. Dabei wird das LM heiß. Man nutzt den elektrischen Widerstand des jeweiligen Produktes, wie heiß es wird. 

Ohm’sche Erhitzen kann nur das Aufheizen beeinflussen, das Abkühlen muss konventionell stattfinden. 

Mechanismus: Stromfluss direkt durch das Produkt, abhängig von der Leitfähigkeit bzw. von elektrischem Widerstand der einzelnen Komponenten => Gleichmäßigkeit wie bei MV-Erhitzung schwer vorhersagbar. Experimentelle Validierung ist in jedem Fall erforderlich. 

Die gewünschte Entkeimung von Trockenstoffen oder Oberflächen (wie Packstoffe) wird nur mit einer bestimmten Bestrhalungsdosis von einigen Grays erreicht. Es sind die Energieeinheiten (in J), die pro Masse (kg) des zu behandelnden Stoffes absorbiert werden. Je höher die Dosis, je schneller/besser werden Keime inaktiviert. Dabei sollen die Aromen/sensorischen Eigenschaften und anderen wertgebenden Inhaltstoffen nicht zu sehr beschädigt werden (wie die Oxidation von Fette, Carotinverluste).

Die Dosis wird besonders bei Gewürze, die eine sehr hohe Anfangskeimzahl beweisen, entschieden, je:

• Ausgangskeimbelastung
• zu abtötende Keimarten => unterschiedliche resistenzen auf 
• erwünschte Sterilisationssicherheit (Dmin)
• Qualitätsanforderungen
• Dauer der danach erwarteten Lagerung
• Absorptionsfähigkeit/Durchdringungsvermögen des Materials (wie bei Mikrowellen), abhängig von der Dichte des Stoffes: die Eindring-/Wirkungstiefe ist dabei höher bei Gamma- als bei Elektronenstrahlen.

eV ist Abkürzung für die Energieeinheit Elektronenvolt. 1 eV gibt die Energie wieder, die 1 Elektron aufnimmt, wenn es mit 1 Volt beschleunigt wird. Wenn die elektriche Spannung hoch ist, werden die Elektronen mit mehr Energie angeregt.

1 eV = 1,602.10^-19 J

Herstellen eines aseptischen/monoseptischen Zustands zur sicheren Benutzung und dessen Aufrecherhaltung.

→ Verlängert die Haltbarkeit durch Stabilisierung (verhindert MO- und Enzymatischen Verderb!)

+ Gewünscht: gleichzeitige 

- Wertstofferhaltung, dabei auch physiologisch verfügbar, biotische Wirkstoffe noch wirksam

- sensorische Eigenschaften erhalten (Genussfaktor, Aroma, Mundgefühl, Struktur und Aussehen ansprechend), dabei bedarfsgerechte Anwendungsform

- Umweltverträglich (Wasserverbrauch, Emissionen)

• Rekontamination über Packstoff/Luft/Wasser
• enzymatische Stoffumsaetze (Enzyme der MO wurden nicht inaktiviert)
• chemische Stoffumsaetze, z.B. Oxidation => geschmackliche Veraenderung
• physikalische Vorgaenge, z.B. Phasentrennung bei Emulsionen

(i) Lineare Skala für die Abtötungskurve im Verlauf einer Inaktivierung: ungeeignet für Keimzahl-Abnahme, denn es gibt zuerst eine exponentielle Abnahme der Anzahl an MO, aber die Inaktivierung wird immer langsamer bis man nicht mehr unterscheiden kann, ob noch 100, 10 oder 1 Keim am leben bleiben. 

(ii) Semilogarithmische Auftragung: stellt die Restwahrscheinlichkeit, dass es ein paar MO bleiben, besser dar.

• Erwünschter Effekt: (B*) Abtötung von MO, Sporen, Enzyminaktivierung

• Unerwünschter Effekt: (C*) Vitaminschädigung (allgem. wertvolle Inhaltstoffe), Farbveränderung (allgem. sensorische Eingenschaften)

→ vgl. Zeit-T°-Diagramm: höhere Temperatur bei niedrigerer Prozessdauer ist produktschonender, ohne den Entkeimungseffekt zu beeinträchtigen. Die Optimierung wird durch unterschidliche Steigungen der Isoeffektlinien für erw. & unerw. Effekte ermöglicht.

Bsp: UHT 150°C, 10s statt konventionnelle Sterilisierung 121°C, 3min (Vitaminschaedigung und Farbaenderung viel mehr größer bei konventionellen)

• Pasteurisation: kurzfristig bis zu einem Kerntemperatur von 100 Grad. Nach der Pasteurisation wird die meisten hitzeempfindlichen MO, wie Hefe oder Schimmelpilze abgetötet. Es bleiben aber einige Bakterien und Sporen erhalten. Deshalb sind pasteurisierte LM nicht keimfrei und nur beschränkt haltbar. 
• Autoklavieren: LM wird bei 121 ˚C (250 F) und 2 bar Überdruck für 20 min behandelt => wirksamer gegen resistente Keime, wie z.B. Sporen.

• Konservenherstellung => LM wird unsteril verpackt, dann pasteurisiert oder autoklaviert
• Aseptische Lebensmittelverpackung => LM und Verpackung werden getrennt sterilisiert & rekontaminationsfreie Verpackung unter aseptischen Bedingungen

D-Wert: Dezimale Reduktionszeit ist die Zeit, die gebraucht wird, um 90% der Keime zu reduzieren (1 log). 

D-Wert wird mittels Inaktivierungskurve berechnet => Zeit messen, die benötigt wird, 90% der Keime zu inaktiveren.

• UV-C-Strahlung (100-280 nm) => Veraenderungen in der DNA (Absorptionsmaximum von Thymin, 254 nm => Dimerisierung von Thymin => kein Ablesen der DNA möglich)

für Luftentkeimung

• Pulsed Light: intensive sehr kurze Lichtimpulse mit hoher Intensitaet im UV-Bereich => Schaedigung der DNA (inaktiviert sowohl vegetative MO als auch Sporen) 

für Oberflaechenentkeimung

• IR-Strahlung => Entkeimung durch entstandene trockene Hitze (780 nm - 1000 µm) - Strahlung wandelt sich auf der Oberflaeche in Waerme um, haengt von der Absorptionsmaximum des Materials der Oberflaeche ab

nur möglich, wenn Oberflaeche hitzestabil ist

• Peressigsaeure

=> ist effektiver als H2O2 bei RT, gegen Bakterien/Pilze/Sporen, meistens bei CIP oder bei Packstoffentkeimung bei niedrigen T für hitzelabile Sachen

Nachteil: Toxische Rückstaende (Essigsaeure), instabil, stark korrosive Wirkung auf Oberflaechen

• Wasserstoffperoxid H2O2

=> haeufiger eingesetzt bei Packstoffentkeimung, hohe Effektivitaet gegen alle MO, Aktivitaet steigt mit höhere T, keine toxische Rückstaende (bei Peressigsaeure bleibt Essigsaeure zurück), muss nur durch Heißluft getrocknet werden 

• Formaldehyd 

für vegetative Bakterien/Pilze/Viren 

Nachteil: giftiges, kanzerogenes Potential des Aldehyds, hohe T und Luftfeuchtigkeit für Sporeninaktivierung (schaedigende Wirkung auf elektronische Bauteile)

• Plasma 

Flüssige H2O2: 

• Tauchbad
• Aufsprühen von H2O2 => optimal: möglichst kleine und auf Oberflaeche gut verteilte Tropfen 

H2O2 muss wieder entfernt werden (durch Heißuft trocknen => H2O2 verdampf bei Trocknung). 

Gasförmige H2O2: 

• Kondensationsverfahren
• Wasserstoffperoxiddampf

• Schutz der Zellen vor UV-C durch: Verklumpung (schützt innenliegende Zellen), Staub und Schmutz, Schattenbildung (Abschirmung vor Strahlung)
• Abstand der Strahler zur Oberflaeche hat einen Einfluss => Je größer die Distanz, desto schlechter die Abtötung, desto weniger die übertragene Energie, desto weniger Strahlerleistung
• Winkel der einfallenden Strahlung => senkrecht: Strahlungintensitaet am größten, je flacher der Winkel, desto niedriger ist die Intensitaet 
• Luftfeuchtigkeit - je größer die Luchtfeuchtigkeit, desto weniger hat UV-C einen Effekt
• kein Durchdringen von festen Körper

Wasserstoffperoxid-Dampf (VHP):

• 30%iges H2O2 wird verdampft
• bei Einhaltung korrekter Parameter tritt keine Kondensation auf => H2O2 ist komplett in der Gasphase, schlaegt sich nicht auf Oberflaeche nieder und durch Belüftung kann es rückstandsfrei entfernt werden 
• MAK ist einzuhalten (max. Arbeitskonz.) 

Zyklusverlauf von VHP: 

1.Phase: Entfeuchtung

=> da H2O2 besonders gut bei niedrigeren Luftfeuchten wirkt

2. Phase: Konditionierung

• H2O2 wird mit hohen Einspritzrate in den Raum eingeleitet
• rel. Luftfeuchtigkeit steigt dadurch leicht an (durch Verdampfen von H2O2)
• gute Verteilung von H2O2 im Raum wichtig

3. Phase: Dekontamination 

• geringfügig Einspritzen von H2O2 => H2O2-Konzentration konstant halten, da durch die Inaktivierung ein Teil von H2O2 verbracuht wird 

4. Phase: Belüftung 

• schlagartige Abnahme der H2O2-Konz., da Belüftung mit steriler Luft
• Abnahme der relativen Luftfeuchtigkeit, da sterile Luft sehr trocken ist
• MAK wird gewaehrleistet (Maximale Arbeitskonzentration)

Kondensationsproblem: 

Wenn H2O2 nicht gleichmaeßig im Raum verteilt ist, dann würde im Raum Konzentrationsmaxima an best. Orten geben, die vlt. die Saettigungslinie überschreiten und damit es zu einer Kondensation kommt. Hohe MAK hat gesundheitsschaedliches Potential. 

Testverfahren zur Sterilisierung von Packstoffen:

1. Verpackung künstlich mit dem geeigneten Testkeim (der resistenteste je nach betrachtete Entkeimungstechnik, und je Produkt: hier bakterielle Sporen für haltbare Produkte wie Sterilmilch) verkeimen, etwa 10⁶ KbE/Gebinde

2. Behandlung der Verpackung in der Testanlage (bei unbekannter Reaktionskinetik) oder direkt in der Abfüllanlage (aber man will die Anlage nicht kontaminieren)

3. Überlebende Keime detektieren

4. Inaktivierungserfolg berechnen, indem man schätzt, wie viele KbE/Gebinde übrig bleiben! Dann Anfangskeimzahl/Endkeimzahl = Keimreduktion (min. 4 Log?)