Hygienic Processing

• Dürchführung

1. Reinigen und Sterilisieren von Bauteil und Referenzrohr
2. Definierte Verschmutzung mit relevanter Testlösung (z.B. Reales oder Testprodukt und Sporen, Bacillus stearothermophilus var. calidolactis)
3. Bestimmen der Ausgangskeimzahl
4. Trocknen (trockener Schmutz ist eine höhere Herausforderung: „worst case“))
5. Vorspülen mit kaltem Wasser (10-15 °C, 1 min), Probenahme
6. Reinigung mit 1%iger Reinigungslösung bei 63 ± 2 °C, 10 min
7. Nachspülen mit kaltem Wasser (10-15 °C, 1 min), Probenahme
8. Ausgießen der Bauteile mit Nährboden
9. Bebrütung 24 h bei 58 °C
10. Auswertung nach Keimzahl und Verfärbung des Nährbodens auf dem Bauteil

• Auswertung (3 mögliche Ergebnisse)

a) Vorhanden sein von Restverschmutzungen
b) Kein sichtbarer Schmutz, aber Nährbodenverfärbung (d.h. Koloniewachstum)
c) keine Verfärbung, kein Wachstum

• Reproduzierbarkeit der Tests
• Schnell und preiswert, nur dann entwicklungsbegleitende Beurteilung der Konstruktion möglich
• Methode allgemein zugänglich, d.h. publiziert und nachvollziehbar 
• Methode möglichst vielseitig, d.h. verwendbar für Bauteile verschiedener Größen und ganze Anlagen
• Einfach von geeigneten Labors durchzuführen (Beschaffung Rohstoffe, Testkeime, Vorbereitung, Durchführung, Entsorgung)
• Zusätzliche Einflüsse auf das Ergebnis bekannt und möglichst gering

• Reinigungseignung

Eignung einer Anlage, von Schmutz befreit zu werden

• Hygienische Anlagen der Klasse I

Anlagen, die an Ort und Stelle gereinigt und ohne jegliche Demontage sterilsiert 
werden können (Cleaning-in-place, CIP)

• Hygienische Anlagen der Klasse II

Anlagen, die nach einer Demontage gereinigt und nach der Montage sterilisiert 
werden können

• Aseptische Anlagen

Hygienische Anlagen, die inline mit Hilfe von Dampf sterilisierbar sind (SIP) 
zusätzlich ein Eindringen von Mikroorganismen verhindern, d.h. im laufenden 
Betrieb keine Rekontamination zulassen.

- Good Manufacturing Practise (GMP, u.a. GxP)
- HACCP Hazard Analysis and Critical Control Points
- Process Analytical Technology (PAT)

• Der umweltfreundliche Prozess führt zu mehr Sicherheit am Arbeitsplatz, da keine toxischen Rückstände.
• Kurze Zykluszeiten inklusive Absaugung (da keine Kondensation) ermöglichen höhere Verfügbarkeit von Isolatoren, Schleusen und sonstigen Räumen 
• Gute Materialverträglichkeit
• VHP® ist ein validierbares und weltweit anerkanntes Verfahren
• In der Isolator- und RABS-Technik ist die Begasung mit H2O2 das am meisten eingesetzte Dekontaminationsverfahren. 
• Für Labor- und Reinräume wird H2O2- vermehrt als Ersatz von Formalin oder manueller Wischdesinfektion verwendet. 

• Isolatoren in Produktion, F&E und QS
• Biologische Sicherheitswerkbänke
• Temperaturempfindliche Güter
– elektro. Artikel
– Verpackungen von Wirkstoffen
• HEPA Filter in Anlagen
• Räume aller Art
– Materialschleusen, 
– OP- und Reinräume, Labore
– Dekontaminationskammern, Behälter, Autoklaven

1. Ermittlung der Prozessparameter für einen biologisch effektiven H2O2-Prozesses 
2. Einstellung eines für das Raumvolumen optimalen Prozesses unterhalb der Sättigungslinie, da
• Materialangriff wird durch H2O2 – Kondensat stark erhöht
• H2O2-Kondensation führt zu sehr langer Absaugungszeit
• Gefahr von Gasmangel in Raumbereichen wegen ungleichmäßiger H2O2 Konzentration / Verteilung
3. Gleichmäßige Gasverteilung
4. Ermittlung der erforderlichen Entgasungszeit

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• Prozessparameter Feuchte, Temperatur, Luftstrom, Druck, Einspritzrate u. Zeit müssen autom. überwacht werden. 
• Anreicherung der VHP-Konzentration bis zum biologisch erforderlichen Niveau (0,3-2mg/L bei ca. 22°C) 
• Erreichung aller Oberflächen im zu begasenden Raum
• Stabilität der VHP Konzentration während der Sterilisation
• Vermeidung von Kondensation wegen:
– H2O2-Nebel schwieriger zu verteilen als in Gasphase
– Gefahr von Gasmangel in Teilen des Isolators wegen ungleichmäßiger H2O2 Konzentration / Verteilung
– H2O2-Kondensation führt zu langer Absaugungszeit
– Materialangriff wird durch H2O2 – Kondensat stark erhöht

• Alternative zu Formaldehyd, ETO u. Peressigsäure

– effektives Dekontaminationsverfahren (Tabelle Mikroorganismen)
– Reduzierung von DNA
– geringere Materialbelastung im Vergleich zu obigen Verfahren

• Keine sichtbaren oder toxischen Rückstände

– Aufspaltung in Wasser H2O und Sauerstoff O2
– Abgabe über Dach zulässig (kein Grenzwert für H2O2
in TA-Luft)

• Schneller Prozess 

– kurze D-Werte, H2O2
ist nicht stabil, kurze Entgasungszeit
– gute Ausnutzung der Isolatoren, Räume etc.
– Dekontamination von Gütern im Durchlauf möglich 

• Trockener“ Prozess

– Isolatoroberflächen und Materialien in Schleusen bleiben trocken
– deshalb gute Materialverträglichkeit und
– Begasung elektrischer u. elektronischer Geräte zulässig

• Prozess bei Raumtemperatur

– keine Temperaturbelastung von Geräten, Materialien oder verpackten 
pharmazeutischen Wirkstoffen

• Prozess bei Unter-, Über- oder Atmosphärendruck

– Anpassung an Anwendungsanforderungen möglich
– Gasdichte aber nicht dampfsterilisierbare Behälter möglich

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• Belag

• Schleimiger, joghurtähnlicher Belag im rücklaufseitigen Wärmetauscher im Temperaturbereich 45-60°C
• Hauptkomponente Protein
• leicht ablösbar
• vor allem im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit
• Effektverstärkung durch
- thermisches Vorbehandeln der Milch („Thermisieren“: kontinuierliche Erhitzung im  Durchfluss auf 57- 68 °C mit einer Heißhaltezeit von längstens 30 s)
- höhere Lagertemperaturen vor dem Erhitzen

• Keimart

• Überwiegend hitzeresistente Streptokokken

• Reinigen in kürzeren Abständen (mechanisch, chemisch)
• Austausch von nicht reinigbaren Teilen (z.B. Katheder)
• In konkreten therapeutischen Situationen oder präventiv:

- Einsatz von Stoffen, welche die Kommunikation von MO
 unterbinden.
- Einsatz von Phagen

• Antibiofilm-Beschichtung (Furanone, ähnlich Homoserinlactone: bewirken Abbau des Rezeptorproteins CepR))
• Hemmung der Adhäsion (Pili)
•  Hemmung der EPS-Bildung: EPS-Depolymerase
  
  

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• Diffusionslimitierung: Verlängerung der erforderlichen Einwirkzeit
• Wesentlich höhere Keimdichte als in freier Suspension
• Schutzwirkung von EPS (Exo-Polysacchariden)
• Stoffwechselruhende Zellen in der Tiefe des Biofilms aufgrund von Nährstoffmangel: keine Vermehrung, d.h. Antibiotika unwirksam, da keine Zellteilung
• Aktivierung von passiven Genabschnitten durch Stoffwechselprodukte der Nachbarn: verstärkt Bildung von z.B beta-Lactamasen

• Biofilmdicke = f(Zeit)
•  Entstehen eines dichten, teilporösen Haufwerks (20 % aus Mikroorganismen)
• Ablösen und Freisetzung von Mikroorganismen und Biofilmteilen durch Strömungskräfte
• Gradienten in der Nährstoff- und Sauerstoffversorgung: Einstellen eines neuen ökologischen Gleichgewichts der Population
• Gradienten in der Konzentration abgegebener Stoffwechselprodukte
• erhöhte Resistenz gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen

• Strömungsgeschwindigkeit w 

Massentransportvorgänge unterstützt durch konvektiven Austausch zwischen 
Hauptströmung und Oberfläche; abhängig von Dicke der laminaren Unterschicht 
und Scherkräften: Wandschubspannung = f(w); Reibung entlang der Wand.

• Temperatur
  

Milieuvariable für das Wachstum von MOs

• Konzentration der Mikroorganismen
  bestimmt Primäradhäsion der Mikroorganismen und Dauer der Anlaufphase

• Verfügbarkeit von Nähr- bzw. Präsenz von Hemmstoffen
  bestimmt Vermehrungsfähigkeit der Mikroorganismen

• Oberflächenbeschaffenheit
  Belegung der sauberen Oberfläche = f(Material, Rauigkeit, elektrochemisches 
  Potenzial); für die Anlagerung ist diese unterste Schicht maßgebend, das weitere 
  Wachstum des Films erfolgt als Resultat zwischen kohäsiven Kräften innerhalb des 
  Films im Wettbewerb mit erosiven Strömungskräften an der Oberfläche des Films

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• Konditionierung der Oberfläche (überwiegend passive Vorgänge)

• Diffusion
• Konvektiver Transport
• Sedimentation
• Thermophoresis
• Chemotaxis
• Adsorption (bevorzugt auf hydrophoben Materialien)

• Biofilmwachstum (z.T. aktive Vorgänge aus Sicht der Mikroorganismen)

• Pili: Adhesine (Typ I Pili: mannose-sensitive adhesins)
 Flagellen (Type IV Pili: flagella mediated motility)
• Fimbriae (Oberflächenproteine, Aggregationsmaterial, Zell-Zell-Kontakt)
Mutanten: surface attachment deficient, sad; ClpP-deficient
• Bildung von Exopolysacchariden (EPS, Glycocalix): Matrix mit Effekt auf Versorgung

Auf organischen Oberflächen (gewollt bzw. mit positivem Effekt)

• Darmwand, Pansen--> Stoffwechsel, Darmpassage von Nährstoffen
• Pflanzenwurzeln -->Schutz vor dem Eindringen pathogener Keime
• Abwasserreaktoren
• Essigsäurefermentation -->Stoffumsatz mit immobilisierten Zellen
• Käseoberflächen
  

Auf technischen oder organischen Oberflächen (ungewollt, mit Negativ-Effekten)

• Zähne -->Zerstörung des Trägermaterials
• Katheter, Protesen, AUgenlinsen
• Wasserversorgungssysteme
• Erhitzer, Verdampfer, Filter
• Schiffsrümpfe--> Reibungswiderstand

1. Reinigbare und sterilisierbare Anlage gemäß der Prinzipien des `Hygienic Design´
2. Erfolgreiche Reinigung (d.h. Entfernung von Produktresten und echtem Schmutz vor Produktionsbeginn)
3. Erfolgreiche Inaktivierung der Mikroorganismen durch Sterilisation/Desinfektion bei der Behandlung der Anlage bzw. des Produkts
4. Aufrechterhalten des theoretisch erreichten Zustands der Aseptik durch Mittel der Sterilprozesstechnik, (d.h. Verhinderung einer Rekontamination im laufenden Prozess)
5. Sichere Produktion „keimfreier“, aseptischer Produkte (sofern dies angestrebt wird)

• Mikrobiell kontaminierte Rohstoffe
• Mikrobielle Kontamination im Prozess bzw. aus der Umgebung (Luft, Wasser, Menschen) mit vegetativen und/oder sporenbildenden Mikroorganismen
• Rekontamination nach der eigentlichen Behandlung (Luft, Wasser, Packstoff) Typische Mikrobiota erlauben oft eine Zuordnung der in Frage kommenden Re-Kontaminationsquelle.
• Enzymatische Stoffumsätze (Endogene bzw. mikrobiell erzeugte Enzyme)
• Chemische Stoffumsätze (z.B. Oxidation)
• Physikalische Vorgänge (z.B. Phasentrennung)

• Trocknen im Schatten
• Dörren in der Sonne
• Einsalzen
• Räuchern
• Einlegen in Salzlake
• Eindicken in Zuckerwasser
• Spontane alkoholische Fermentation
• Spontane Milchsäure- oder Essigsäurefermentation
• Versiegeln von Früchten mit heißem Pech ( Kandieren)

• Sicher (nicht pathogen, toxinfrei, nicht unbedingt keimfrei)
• Haltbar, lagerfähig
• Wertstoffe erhalten und physiologisch verfügbar
• (Biotische) Wirkstoffe trotz Einwirkung von Prozessstress wirksam erhalten (viele Therapeutika sind heute biogenen Ursprungs und somit z.B. thermisch labil)
• LM: Sensorisch ansprechend gestaltet (Geschmack, Aroma, Mundgefühl, Struktur, Aussehen)
• Bedarfsgerecht (Verabreichungs- bzw. Dosierform)
• Umweltverträglich

• Basic Concept

--> To use different antimicrobial factors together (multi hurdle preservation) instead 
of a single antimicrobial factor (single hurdle preservation).

• Consequence of Concept

--> Product stabilisation with a lower overall impact on product quality. The 
products are more "Natural“ and "Fresh", thus minimally processed.

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• Autoklavensterilisation (Konservenherstellung)

• Füllgut wird unsteril verpackt und verschlossen 

• Verschlossene Verpackung wird autoklaviert 

(z.B. bei 121 °C; 12 D Konzept)

• Häufig Produktschädigung durch starke thermische Belastung

• Finale Autoklavensterilisation ist der Normalfall in der Pharmatechnik 

gemäß DAB

• Aseptische Lebensmittel- bzw. Pharmaproduktion

• Füllgut und Verpackung werden getrennt voneinander sterilisiert
• Rekontaminationsfreie Verpackung unter aseptischen Bedingungen
(über längere Produktionsphasen hinweg)
• Hohe mikrobiologische Anforderungen an die Verpackung bei extrem 
hohem Anlagendurchsatz (5 log-Abtötung des jeweiligen Testkeims) 
• Verschiedenste Arten von Verpackungen (Folien, Form- bzw. 
Tiefziehverfahren, Blasverfahren, vorgefertigte Packungen)

1. Dazu muss die Anlage reinigbar, d.h. nach hygienischen Kriterien konstruiert sein (CIP: Cleaning in Place) („Don´t try to sterilise dirt“).
2. Der aseptische Bereich einer Füllanlage und dessen Peripherie müssen durch Sterilisation vor Produktionsstart keimfrei gemacht werden (SIP: Sterilisation in Place)
3. Das Produkt muss vor der Zufuhr in den aseptischen Bereich einer Abfüllanlage frei sein 
   von jeglichen während der Lagerung unter Normal-bedingungen („ambient“) 
   vermehrungsfähigen Mikroorganismen.
4. Das Packmittel muss keimfrei sein bzw. gemacht werden.
5. Reinfektionen müssen grundsätzlich ausgeschlossen werden
   

• Viele Wirkstoffe können nicht oral dargereicht werden, da die Wirkstoffe im Verdauungstrakt zerstört würden bzw. die Resorptionseigenschaften schlecht wären. 
• Alternative Darreichungsarten sind: 

– Intravenöse Injektionen oder Infusionen 
– Intramuskuläre Injektionen
– Inhalation

• Probleme mit Injektionen/Inhalationen

– Mikroorganismen können Infektionen hervorrufen, da die natürlichen 
Schutzmechanismen des Körpers umgangen werden (Magensäure, kontrollierte 
Resorption im Darmtrakt)
– Partikel in Injektionslösungen können die feinen Kapillaren blockieren und zur 
Mikronekrose führen

• Konsequenzen:

– Darreichungsformen zur Injektion müssen partikelfrei und steril sein.

- Hygienic Design, Reinigbarkeit der Anlagen 
- Erfolgreiche Reinigung vor einer Desinfektion
- Bewusstsein beim Personal um Gesetze der Wahrscheinlichkeit (der Inaktivierung von MO)
- Gebäudliche Voraussetzungen
- Einhaltung der Grundsätze von GMP

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• Schutz der Zellen vor der Strahlung durch:
– Verklumpung
– Staub und Schmutz
– „Schattenbildung“
• Abstand Oberfläche-Strahler hat großen Einfluss
– Je größer die Distanz, desto schlechter ist die Abtötung
• Winkel der einfallenden Strahlung
– Bei parallel einfallenden Strahlen nimmt die Strahlungsintensität auf 
geneigten Flächen ab. 
• Einfluss der Luftfeuchtigkeit
– Mit steigender Luftfeuchtigkeit nimmt die Wirkung von UV-C-Strahlung ab. 
• Keine Entkeimung an Hinterschneidungen in der Verpackung

Wellenlängenbereich: 10 bis 280 nm

 250-260 nm => Absorptionsmaxium

Wirkmechanismus:
Veränderungen in der DNA. Es können nicht alle Zellen abgetötet werden: Sind alle pathogenen Keime 
abgetötet?

- Zur Oberflächenentkeimung als neues Verfahren zu werten 
- Vierte Zustandsform der Materie 
- Atmosphärendruckplasma mit kaskadierter dielektrischer Barriereentladung kostengünstiger als Niederdruckplasma 
- großflächig anwendbar

• Hohe Geruchsbelästigung 
• Starke korrosive Wirkung
• Dampf sehr leicht flüchtig
• Flammpunkt bei 56 °C (im Vergleich: H2O2 bei 107 °C)
• Instabil 

--> hohe Unfallgefahr

- H2O2 + Essigsäure => Gleichgewichtsmischung 
- Farblose, beißend riechende und stark hautverätzende Flüssigkeit
- Starkes Oxidationsmittel
- Bei Raumtemperatur effektiver als H2O2
- Zerfällt in Bestandteile Sauerstoff, Essigsäure, Wasser, Wasserstoffperoxid; 

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Höhere Effektivität des Wasserstoffperoxiddampfes durch höhere Konzentration während der Behandlung