Teil 1 - 10


L. H.
Diese Lernkarten behandeln die hygienische Verarbeitung von Produkten auf Universitätsniveau. Sie konzentrieren sich auf die Inaktivierung von Mikroorganismen, die Bedeutung von Biofilmen, deren Bildung und Bekämpfung sowie die Sterilisation mit Wasserstoffperoxid. Besonders relevant sind die Prozesse und Mechanismen der Biofilmbildung, die Auswirkungen auf die Produktqualität und die Maßnahmen zur Vermeidung von Verunreinigungen. Diese Lernkarten sind ideal für Studierende und Fachkräfte in der Lebensmittel- und Pharmaziebranche, die sich mit Hygiene und Sterilisation vertraut machen müssen.
Karten
120
Lernende
2
Sprache
Deutsch
Kategorie
Biologie
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
07.10.2014 / 07.10.2014

Lernkarten

Strömungs- und Konzentrationsprofile bei turbulenter und laminarer Strömung

 

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Berechnungsbeispiel: 
Welche Temperatur herrscht nach 10 min Brühzeit in der Mitte eines Knödels?

Wassertemperatur: 95 °C
Temperatur Knödel: 18 °C
Durchmesser Knödel: 5 cm

Wärmeübergangskoeffizient:
alpha = 380 W/(m².K)
Stoffwerte der Knödel: 
lambda = 0,48 W/(m*K)
r = 920 kg/m³
cP = 2,9 kJ/(kg*K)

 

 

  1. Stoffwerte sammeln, nachschlagen oder begründete Annahmen treffen
  2. Wärmeleitzahl a [m²/s] ermitteln
  3. Fourier-Zahl ermitteln
  4. Biot-Zahl ermitteln
  5.  Richtiges Grigull-Diagramm auswählen und Wert ablesen
  6. Nach gesuchter Temperatur auflösen und berechnen

Temperatur-Zeit-Profile für flüssige Güter in unterschiedlichen Durchfluss-Erhitzungsverfahren

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Erhitzen: Verfahrens- und Apparateoptionen

 

  •  Getrenntes Erhitzen von Produkt und Verpackung
    • direkt (Dampfinjektion, Dampfdiffusion)
    • indirekt (Plattenapparat, Röhrenapparat, Schabewärmetauscher)
  • Gemeinsames Erhitzen von Produkt und Verpackung
    • diskontinuierlich (Dampfkessel)
    • kontinuierlich (hydrostatischer Sterilisator, Rotationsautoklav)
  • Mikrowellenerhitzung

Herausforderungen und Limitierungen der etablierten Technologien bei der Behandlung von trockenen, pulverförmigen Produkten

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Wirkung von Strahlen auf MOs

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Maßeinheiten

Was ist 1 eV

1 eV ist die Energie, die ein Elektron aufnimmt, wenn es mit einem Volt beschleunigt wird

 

1 eV = 1,602 • 10^-19 J = 1 Nm = 1 Ws

 

 

UV-Strahlen

  • Allgemeines
  • Nachteile
  • ZUlassung

 

  • Allgemeines
    • 100-280nm
    • 260 nm am effektivsten, Absorptionsmaximum MO Nukleinsäuren
  • Nachteile
    • Geringe Energie => geringe Eindringtiefe => nur auf der Oberfläche anwendbar
    • Längere Behandlung => Spaltung von Vitaminen, sensorische und ernährungsphysiologische 
      Veränderungen
  • Zulassung UV-Bestrahlung in der BRD im Lebensmittelbereich: 
    • Trinkwasser in dünner Schicht 
    • Oberfläche von Obst- und Gemüseerzeugnissen
    • Hartkäse während der Lagerung

Hitzebehandlung trockener Güter

 

genaue Kenntnis nötig bezüglich:

• mikrobiologischer Beschaffenheit
• relativer Feuchtigkeit des zu inaktivierenden Produktes
• entsprechend anzuwendender Erhitzungsparameter (Temperatur, Zeit)
• Produktverhaltens bei diesen Erhitzungsparametern

Eine exakte Einhaltung dieser Parameter ist für eine erfolgreiche thermische Inaktivierung trockener Güter ohne Schädigung des Produktes essenziell. 

 

Einfluss der Partikelgröße auf die Absorption von Mikrowellenenergie

 

Übertragung von Mikrowellenenergie:
Elektromagnetisches Wechselfeld
-->Wassermoleküle als Dipole versuchen  sich auszurichten
-->Durch häufige Rotation im Wechselfeld  entsteht Wärme im Produkt

Trockene Staubpartikel im µm-Bereich sind zu klein, um von Mikrowellen effektiv erhitzt zu werden; 

 

Entkeimungsmaßnahmen

 

  • Hitzesterilisation
    • Feuchte Hitze
      • gesättigter Dampf
      • Überhitzter Dampf
    • Trockene Hitze
      • Heißluft
      • IR
  • Kalte Sterilisation
    • CHemisch
      • Ozon
      • Ethylenoxid
      • H2O2
    • Bestrahlung
      • gamma-Strahlen
      • UV
      • Elektronenstrahlen
    • Hochdruck

Inaktivierung von Mikroorganismen in trockenen Produkten

Ziele

• Reduzierung der Keimbelastung
• Erhalt von Aroma und Geschmack
• Keine negative Beeinflussung des optischen  Erscheinungsbildes (Größe, Form), speziell bei Kräutern
• Prozessierbarkeit (Fließverhalten, Dosiermöglichkeiten) 

Intensität von unerwünschten Produktveränderungen in Abhängigkeit von der Wasseraktivität

 

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HACCP (Hazard Analysis of Critical Control Points) 
Gefährdungsanalyse kritischer Lenkungspunkte

 

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HACCP: Ziele und Hintergründe

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Process Analytical Technology (PAT)

PAT is a system for design, analysis and control of manufacturing processes, based on continuous monitoring/rapid measurements of critical quality and performance attributes of raw material, intermediates and products.

Tools/Drivers:

  • Reaction optimization
  • Process characterization
  • Mechanistic/kinetic studies

Elemente eines Qualitätsmanagementsystems

 

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Aufgaben und Stufen der Qualitätskontrolle

• Sicherstellen der Umwandlung des Rohproduktes in ein qualitativ einwandfreies Endprodukt mit minimaler Fehlerquote
• Sie kann die Qualität des Ausgangsproduktes bestenfalls gewährleisten, aber nicht verbessern.

Weitere GxP-Felder

Abkürzungen

  • GLP
  • GCP
  • GAMP
  • GEP
  • GACP

 

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GMP: Good Manufacturing Practice - Schwerpunkte

 

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Durchführung und Auswertung von EHEDG-Reinigungstests

  • 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

 

Anforderungen an Testmethoden zur Feststellung der CIP-/SIP-Fähigkeit

• 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

Definionen der EHEDG (European Hygienic Equipment Design Group)

 

  • 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.

ABkürzungen

GMP

HACCP

PAT

 

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

 

Zusammenfassung VHP

Die Dekontamination mit verdampftem Wasserstoffperoxid findet immer mehr Anwendung in Forschung & Entwicklung sowie der pharmazeutischen Produktion. Gründe dafür sind:

• 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. 

Anwendungen von VHP

• 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

Ziele der Zyklusentwicklung

 

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

Process of VHP®-Cycle Developmen

 

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Anforderungen für einen optimalen und validierbaren VHP®-Prozess

 

• 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

EIgenschaften von VHP

  • 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

 

Vaporized Hydrogen Peroxide “VHP®”-Prozess

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Beobachtungen zur Biofilmbildung im Pasteur

 

  • 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

Maßnahmen gegen Biofilme

 

  • 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

 

Nährstoffversorgung von Mikroorganismen in Biofilmen

 

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Ursachen für hohe Resistenz von Mikroorganismen in Biofilmen gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen

 

  • 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

 

Stufen und Folgen der Ansiedlung von Mikroorganismen in Biofilmen

 

  • 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

Einflussfaktoren auf die Biofilmbildung

 

  • 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

 

Zeitlicher Verlauf der Biofilm- bzw. Ansatzbildung

 

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Vorgänge und Mechanismen bei der Biofilmbildung

  • Konditionierung der Oberfläche
  • Biofilmwachstum

 

  • 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

Biofilme: Auftreten und Bedeutung

 

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

Étudier