Hygienic Processing
Teil 1 - 10
Teil 1 - 10
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
l
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
l
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
Food Process Engineering/Technology: Fields of Research
- Inactivation/Removal of microorganisms/Aseptic technology
- Food Microstructure Engineering
- Protein technology and Separation Technologies
- Bioprocess Engineering
- Processing Technologies for Biofunctional Ingredients
Wege zum Erreichen des Zustands „aseptisch und steril“
- Hierarchie der Zusammenhänge -
- Reinigbare und sterilisierbare Anlage gemäß der Prinzipien des `Hygienic Design´
- Erfolgreiche Reinigung (d.h. Entfernung von Produktresten und echtem Schmutz vor Produktionsbeginn)
- Erfolgreiche Inaktivierung der Mikroorganismen durch Sterilisation/Desinfektion bei der Behandlung der Anlage bzw. des Produkts
- Aufrechterhalten des theoretisch erreichten Zustands der Aseptik durch Mittel der Sterilprozesstechnik, (d.h. Verhinderung einer Rekontamination im laufenden Prozess)
- Sichere Produktion „keimfreier“, aseptischer Produkte (sofern dies angestrebt wird)
Haltbarkeitslimitierende Ursachen bei biotischen Rohstoffen
• 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)
frühere Möglichkeiten zur Haltbarmachung von Lebensmitteln
• 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)
Ziele moderner Lebensmittel- und Pharmatechnologie
• 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
Hurdle Technology Rationale
- 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.
Haltbarkeit: Einfluss der Lagertemperatur
l
Verfahren zur Herstellung von haltbaren Produkten
- 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)
Die Säulen der aseptischen Prozesstechnik
- Dazu muss die Anlage reinigbar, d.h. nach hygienischen Kriterien konstruiert sein (CIP: Cleaning in Place) („Don´t try to sterilise dirt“).
- Der aseptische Bereich einer Füllanlage und dessen Peripherie müssen durch Sterilisation vor Produktionsstart keimfrei gemacht werden (SIP: Sterilisation in Place)
- 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. - Das Packmittel muss keimfrei sein bzw. gemacht werden.
- Reinfektionen müssen grundsätzlich ausgeschlossen werden
Spezielle Umstände und Arten steriler Arzneiformen
- 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.
Voraussetzungen für Aseptik und Steriltechnik
- 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
Aufbau einer antibakteriellen Oberfläche
l
Keiminaktivierung mit IR-Strahlung
- Verlauf der Inaktivierung -
l
Grenzen der UV-C-Entkeimung
• 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
Physikalische Methoden zur Oberflächenentkeimung
Inaktivierung von Mikroorganismen mit UV-C-Strahlung
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?
CHemische Verfahren zur Entkeimung von Verpackungen: Entkeimung mit Plasma
- Zur Oberflächenentkeimung als neues Verfahren zu werten
- Vierte Zustandsform der Materie
- Atmosphärendruckplasma mit kaskadierter dielektrischer Barriereentladung kostengünstiger als Niederdruckplasma
- großflächig anwendbar
Peressigsäure
Nachteile
• Hohe Geruchsbelästigung
• Starke korrosive Wirkung
• Dampf sehr leicht flüchtig
• Flammpunkt bei 56 °C (im Vergleich: H2O2 bei 107 °C)
• Instabil
--> hohe Unfallgefahr
Peressigsäure
Allgemeines
- H2O2 + Essigsäure => Gleichgewichtsmischung
- Farblose, beißend riechende und stark hautverätzende Flüssigkeit
- Starkes Oxidationsmittel
- Bei Raumtemperatur effektiver als H2O2
- Zerfällt in Bestandteile Sauerstoff, Essigsäure, Wasser, Wasserstoffperoxid;
Zyklusverlauf eines VHP-Prozesses
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Wasserstoffperoxiddampf (HPV) und vernebeltes Wasserstoffperoxid (aHP) im Vergleich
Was ist warum besser?
Höhere Effektivität des Wasserstoffperoxiddampfes durch höhere Konzentration während der Behandlung
-
- 1 / 120
-
Flashcards
Thermal Inactivation: Heating regimes and borderlines of equal effects (iso-effect lines)
l
Heating systems: Processing options
- Heating of the product after filling into the package
- Discontinuous Tradtitional autoclave
- Continuous Hydrostatic sterilisator Rotary autoclave
--> High heat load on the product due to long heating-up and cooling down ramps, low level of heat recovery
- Separate heating of the product before filling
- Direct Steam injection into the product Product infusion into a steam chamber
- Indirect Plate or tubular heat exchanger Scraped surface heat exchanger
--> Low heat load on the product due to rapid heating-up and rapid cooling down, high level of heat recovery
Conditions depend on the most resistant single strain in the micro-population:
Establishing temperatur/time-combinations
l
Thermische Inaktivierung in einem Produkt mit hoher Wasseraktivität
Erhitzungsregimes und Linien gleichen Effekts (Isoeffektlinien)
- Pasteurisation
- Alle Temperatur-Zeit-Kombinationen links der Sporeninaktivierungslinie für pathogene kroorganismen,
unabhängig vom Temperaturniveau
- Alle Temperatur-Zeit-Kombinationen links der Sporeninaktivierungslinie für pathogene kroorganismen,
- Sterilisation
- Alle Temperatur-Zeit-Kombinationen rechts der SPoreninaktivierungslinie, Unabhängig vom Temperaturniveau
Die Lage dieser Grenzlinien hängt von vielen Faktoren ab, die Grenze von steril zu unsteril wird jedoch immer von der jeweiligen hitzeresistenten SPorenbildung ab
Weibull-Modell zur Beschreibung
des Inaktivierungsverhaltens von Mikroorganismen
l
Berechnung des z-Wertes bei bekannter Aktivierungsenergie Ea
l
Ermittlung von k am Beispiel einer Reaktion 1. Ordnung
l
Darstellungen exponentieller Inaktivierungsverläufe
linear + Halblogarithmisch
l
Reaktionsgeschwindigkeit – Definition und Einflussgrößen
- Als Maß für den zeitlichen Ablauf einer Reaktion dient die Reaktionsgeschwindigkeit k, die gleich der Konzentrationsänderung dC in der Zeit dt ist:
- beeinflussende Größen
- Zeit
- Temperatur
- Druck
- Konzentration der Reaktionspartner
- Katalysatoren
- pH-Wert
- Aw-Wert
- Verteilung der Reaktionspartner
Abtötung „sämtlicher“ Mikroorganismen ?
- Verkeimungslevel und erzielbare Sterilitätsquote
Die Keimzahl muss um 4 log reduziert werden, wenn es bei einer Ausgangsverkeimung von 1
Keim/Verpackungseinheit das Ziel ist, eine Insterilitätsquote von 1 pro 10.000 Packungen zu
erzielen.
- Nachweisverfahren
• Direkter Nachweis: Um mit 95 %iger Sicherheit eine Defektrate von 1:10.000 festzustellen,
wären 30.000 Verpackungen zu untersuchen
• Indirekter Nachweis: Untersuchung der Entkeimungswirkung des eingesetzten Verfahrens und
Ableitung von reaktionskinetischer Berechnungsmethoden
Ziele, Objekte und Einflussfaktoren in der Aseptik- und Sterilprozesstechnik
- Ziele
- Inaktivierung bzw. Entfernung der Verderbniserreger von Produkt, Umgebung oder Oberfläche
- Inaktivierung von orgininären und mikrobiellen Enzymen, um Lagerstabilität zu gewährleisten
- Organismen
- Bakterien
- Hefen
- Schimmelpilze
- Viren und Phagen
- Einflussfaktoren
- Organismen: Anzahl, Spezies, Resistenz etc.
- Umwelt: Substrat, pH-Wert, Osmotischer Druck, Nährstoffe etc.
- Art des Prozesses: Thermisch, Hochdruck, Strahlung, Filtration etc.
- Prozessparameter: Temperatur, Druck, Haltezeit etc.
- Zusammensetzung des Mediums: Nährstoffgehalt, pH, osmot. Druck, Wasseraktivität etc.
Zusammenfassung PEF
- Stand der Technologie
- PEF als Sterilisationsverfahren für Lebensmittel
- Grenzen der Anwendung
- Alternative Anwendung
- Stand der Technologie
– Anlagen im Produktionsmaßstab existieren.
– PEF-behandelte Lebensmittel sind noch nicht auf dem Markt.
- PEF als Sterilisationsverfahren für Lebensmittel
– Vegetative Keime und Hefen können abgetötet werden.
– Eine Sterilisation bei moderaten Temperaturen ist nicht möglich.
– Enzyme werden nur zum Teil inaktiviert.
- Grenzen der Anwendung
– Zu behandelnde Produkte müssen pumpfähig sein, schwierig bei stark leitenden
Produkten und bei Gaseinschlüssen.
– Für frisches Fleisch und Fisch nicht geeignet.
– Partikelgröße limitiert (kleiner als Elektrodenabstand).
- Alternative Anwendung
– Permeabilisierung von pflanzlichen Zellmembranen zum Zweck der
Ausbeutesteigerung oder von mikrobiellen Zellen zum Transfer von Genmaterial.
Die Hauptmechanismen der MO-Inaktivierung durch PEF
- Elektro-Osmose
- Gerichteter Fluss von Elektrolyten in der Nähe einer geladenen Fläche in einer Membranpore unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes (die Flussgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Feldstärke; Größenordnung bei PEF: rund 1 m/s)
- Elektropolation
- Bildung und Vergrößerung von Poren in Membranen bei Überschreiten der kritischen Feldstärke
- Membranüberhitzung durch Joule‘sche Erwärmung:
- Der Fluss elektrischen Stroms durch ein leitendes Medium führt zu einer Erwärmung; Überschlagsrechnung: die Membranerwärmung bei E = 500 V/cm und t = 0,01 s beträgt etwa 26 K, die Erwärmung des Umgebungsmediums rund 0,8 K; nur sehr schwacher Einfluss dieses Effektes
- Der Fluss elektrischen Stroms durch ein leitendes Medium führt zu einer Erwärmung; Überschlagsrechnung: die Membranerwärmung bei E = 500 V/cm und t = 0,01 s beträgt etwa 26 K, die Erwärmung des Umgebungsmediums rund 0,8 K; nur sehr schwacher Einfluss dieses Effektes
Zusammenfassung HPP
- Stand der Technologie
- Ultrahochdruck als Pasteurisationsverfahren für Lebensmittel
- Strukturbildung durch Druckanwendung
- Stand der Technologie
– Anlagen im Produktionsmaßstab existieren.
– Hochdruckprodukte (hochpreisig, Nischenprodukte) sind auf dem Markt.
- Ultrahochdruck als Pasteurisationsverfahren für Lebensmittel
– Pathogene Keime können bei Raumtemperatur abgetötet werden.
– Sporen bleiben mehr oder weniger unberührt.
– Eine Sterilisation bei moderaten Temperaturen ist nicht möglich.
– Enzyme werden zum Teil oder vollständig inaktiviert.
– Farb- und Aromastoffe bleiben erhalten (wenige Ausnahmen).
- Strukturbildung durch Druckanwendung
– neue Strukturen (Partikel, Gele) lassen sich durch Denaturierung von
Proteinen erzeugen
– Verfahrensalternativen entstehen: Bsp. Hochdruck-Weichkäse
Hochdruckeinfluss auf biologische Systeme
l
Druckinaktivierung von Mikroorganismen
- Druckinaktivierung von E.coli in Milch bei 400 MPa in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur
- Allerdings: Der
Inaktivierungseffekt ist bei Sporenbildnern vergleichsweise gering Eine Sterilisation durch UHP ist daher kaum bzw. nur im Zusammenspiel mit Milieufaktoren (pH, EtOH, Ionenstärke) möglich
Hochdruck und Proteine
l
Welche Bindungen sind betroffen? (Druck)
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Eigenschaften des Hochdruckverfahrens
- Hydrostatischer Druck
im großtechnischen Maßstab zwischen 300 und 700 MPa,im Labor- bzw. Pilotmaßstab bis 1000 MPa (explorativ zum Teil noch höher)
- Isostatisches Prinzip: kein Druckgradient
--> Effekt unabhängig von Form und Stückigkeit des Produktes
- Prinzip von Le Chatelier: durch Druck beschleunigt werden Reaktionen, die mit einer Volumenverringerung einhergehen
-->kein Einfluss auf kovalente Bindungen
-->Erhalt von Vitaminen, Farbe, Aroma (meistens)
- „kaltes“ Verfahren
-->keine Bildung von Maillard-Produkten
-->keine maßgebliche thermische Schädigung von Inhaltsstoffen
Hochleistungsschwebstofffilter - Aufbau
- FIltermaterial
- Glasfaserpapier ca. 1 mm dick
- Aus Glasfasern im Durchmesserbereich 0,1-1µm
- Glasfasern bilden ein Wirrfaservlies
- Filterelement
- Rahmenkonstruktion
- Plissiertes Glasfaserpapierpaket
- Maximale Oberfläche (= Filterfläche)
- Bei minimaler Grundfläche
Wasserintrusionstest
für hydrophobe Materialien, Sterilgas- / Sterilluftfilter
• Umspülung der Unfiltratseite mit Wasser
• Wasser fließt nicht durch die Poren der
hydrophoben Membran
• Anlegen eines Drucks an der Unfiltratseite
• Wasser wird in die Membran gedrückt
• Wasser durchströmt Membran ab bestimmtem
(Benetzungs-) Druck
• Intrusionsdruck als Funktion der Hydrophobizität
und Porengrößenverteilung
• Fehlstellen lassen Wasser in flüssiger Form durch
den Filter treten
Luftdiffusion / Druckhaltetest
- Ermittlung der Gesamtporosität des Filters
- Keine direkte Korrelation zu Bakterienrückhaltung
(allerdings vorteilhaft bei Vergleich ein-/doppellagige Filter mit gleichem Bubble
Point)
- Abhängigkeit von
- Membran
- Benetzungsmedium
- Testgas
- Filterfläche
- Dicke der selektiven Schicht
- Temperatur
- Genauigkeit steigt mit zunehmender Filterfläche
- Geringe Filterfläche → geringe Diffusion
- Fehlerquellen
- Unvollständige Benetzung
- Temperatur (Diffusions- und Henrykonstante, Gasdichte)
Druckhaltetest
Alternative Variante des Gasdiffusionstests
• Anlegen eines Drucks an der Unfiltratseite
• Nach Erreichen des Drucks werden die Leitungen abgesperrt
• Ermittlung der Druckabnahme als Funktion der Zeit dP/dt an der Unfiltratseite
Vorteile
- Durchführung an der Unfiltratseite auch nach Sterilisation des Filters
- Keine Manipulation der Filtratseite
Gasdiffusions-(Forward Flow)-Test
Vollständige Benetzung der Membran
Anlegen eines Differenzdrucks (ca. 80 % des Bubble Points)
Gasdiffusion durch Flüssigkeitsschicht in den Poren
Ermittlung des Diffusionsstroms
--> Höhere Empfindlichkeit bei kleinen Fehlstellen
--> Für größere Filtersysteme geeignet
Bubble Point Test
- Genauigkeit sinkt mit zunehmender Filterfläche
- Abhängigkeit von
- Membran
- Benetzungsmedium
- Testgas
- Umgebungsfaktoren
- Temperatur
- Fehlerquellen
- Unvollständige Benetzung
- Temperatur (Oberflächenspannung)
Integritätstests für Sterilfilter
- direkte Methode
- Bakterienretentionstest: Gemäß ASTM-(American Society for Testing Material)-Methode F838-834 die zuverlässigste Methode, Testkeim Brevundimonas diminuta (Beaufschlagung mit N = 107 /cm2 => steriles Filtrat)
- Berücksichtigung von Filtrationszeit, Transmembrandruck, Fließgeschwindigkeit, Temperatur, Gesamtkeimzahl
- indirekte Methoden
- Kapillardrucktest (Bubble-point-Test)
- Diffusionstest (Druckbeaufschlagung bei ca. 80 % des Bubble points
- Druckhaltetest (Druckverlust aufgrund von Gasdiffusion)
- Wasserintrusionstest (Eindringen von Wasser in hydrophobe Gasfilter) vor (meist per Zertifikat des Herstellers) und nach der Produktion
Validierung von (Steril-)Filtern
= Dokumentierte Beweisführung
→ hoher Grad an Sicherheit, dass spezifischer Prozess durchwegs ein (steriles)
Produkt produziert, das den zuvor festgelegten (Qualitäts-)Anforderungen
entspricht
Untersuchungen im Rahmen der Filtervalidierung:
• Ermittlung von aus dem Filter extrahierbaren Substanzen
• Ermittlung der chemischen Kompatibilität
• Mikrobiologische Untersuchungen
• Integritätstests
unter Berücksichtigung produkt- und prozessspezifischer Parameter
(z.B. Durchfluss/Differenzdruck,thermischeBelastbarkeit/Sterilsierbarkeit)
Membrane filtration
- Prozess
- Vorteile
- Nachteile
- Prozess
- • Reverse Osmosis: “sterile”
• Ultrafiltration: Retention of smaller virus, bacteriophage, pyrogenes
• Microfiltration: Virus, thin bacteria cells can penetrate depending on
the pore size
- • Reverse Osmosis: “sterile”
- Vorteile
- • Surface effect (not in the filter depth)
• Continuous process
• High permeation, flux
• Adsorption of soluble substances and liquid is lo
- • Surface effect (not in the filter depth)
- Nachteile
- • Deposit formation, blocking of the membrane
• Bacteria can grow through the membrane
--> depending on operation cycle time
- • Deposit formation, blocking of the membrane
Membranfiltration - Partikelabtrennung
l
Depth/Biocide filtration
- Prozess
- Vorteile
- Nachteile
- Prozess
- Adsorption in the filter material and/or
- Release of the active substance
--> inactivation of microorganisms - Selective removal
- Second layer adsorbs the redundant active substance
- Vorteile
- Selective retention of particles by adsorption
- High load of bacteria and dirt possible
- Gentle product treatment
- Nachteile
- Discontinuous process
- Low permeation
- Adsorption of soluble substances and liquid
- Durchwachsen von Mikroorganismen
- Verblockung der Filter → geringe Standzeiten
High retention airfilter – Separation characteristics
- Not the smallest particle is the one with the highest level of passage
- Filter layout according to acceptable size of MPPS (Most Penetrating Particle Size)
- MPPS depends on fibre characteristics, air velocity, temperature,
Partikelretention und Haftkraft
l
Hochleistungsschwebstofffilter - Anforderungen
Notwendige Abscheideleistung:
- Klasse 10.000 erfordert mindestens Filterklasse EU 14, d.h. Abscheidewahrscheinlichkeit für ein Partikel der Grösse 0,1 µm beträgt 99,99% => HEPA-Filter (high efficiency-particular airfilter)
- Hochleistungsschwebstoff-Filter erreichen bei Partikelgrössen von 0,1 µm problemlos Abscheidewahrscheinlichkeiten von 99,999999%, d.h. von 100 Mio. Partikeln dringt nur ein Partikel durch den Filter
Kaskadierung von Filtern führt zur weiteren Steigerung der Abscheideleistung (Gesamtabscheidegrad der Kaskade = Produkt der Einzelabscheidegrade der Filter)
Eigenschaften von pharmazeutischen Reinräumen
- Klare Definition von Reinheitsklassen in Bezug auf zulässige Partikelzahlen in der Luft (in Ruhe bzw. in Bewegung)
- Filtration der Luft entsprechend der unterschiedlichen Reinheitsklassen
- Aufrechterhaltung von definierten Bedingungen (Partikelzahl, Keimzahl, Temperatur, Feuchte)
- Druckstufung zwischen Bereichen unterschiedlicher Reinheitsklassen (i.d.R. ansteigender Druck in Richtung höherer Reinheitsklassen; u.U. komplexere Druckkaskaden bei toxischen Produkten)
- Klar definierter Personal- und Materialfluss mit definierten Schleusen und Übergabebereichen
- Glatte, leicht zu reinigende Oberflächen
Abtrennung unterschiedlicher Mikroorganismengruppen
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Tiefenfiltration - Abscheidemechanismen
• Sterische Rückhaltung im Inneren der Filtermatrix aufgrund der Partikelgröße
• Adsorption der Keime/Partikel an Filterfasern (v.a. durch elektrostatische und elektrokinetische Wechselwirkungen):
--> Retentionseffekt nicht nur abh. von der Größe, sondern ebenso abhängig von Filtermaterial und Oberflächeneigenschaften (Ladung, Hydrophobizität) der Keime/Partikel
Arten der Sterilfiltration
- Tiefenfiltration
- Membranfiltration
--> Filter als physikalische Barriere für Mikroorganismen
Anforderungen an Sterilfilter
- Hohe Abscheide- und Durchflussleistung
- Kompatibilität von Filter und Medium (physikalisch/chemisch)
- Optimierung adsorptiver Wechselwirkungen
- Vermeidung extrahierbarer Substanzen
- Thermische, mechanische und chemische Stabilität ( Reinigung, Sterilisierung)
Types of sterile pharmaceutical products
- Type 1 Terminal Sterilisation: If possible, preparation is executed under controlled conditions with subsequent terminal sterilisation by heat in an autoclave.
- Type 2 Sterile Filtration: Sometimes the final solution cannot be sterilised by heat (thermal sensible substances);
- Sterility of solutions is ensured filtration through a sterile filter (0,1µm pore size)
- Bottles and stoppers are sterilised by heat
- Type 3 Aseptic processing: Some complex substances (e.g. protein solutions)
For food products, the same considerations apply, however, the decision how to
design the process, is more driven by efficiency and energy consumption as criteria
cannot be sterilised by heat or by filtration due to sensitivity and/or size of the
molecules
- Solution components are handled under aseptic conditions
- Bottles and stoppers are sterilised by heat
Definition und Anwendungsgebiete der Sterilfiltratio
Ausschluss/Entfernen von (bestimmten oder sämtlichen) Mikroorganismen aus
- Luft/Gasen
- Raumatmosphären
- Abfüllbereich
- „Isolatoren“
- ganze Produktionsbereiche
- Lebensmitteln
- Hitzesensitiven Nährböden und „Servicemedien“
- Pharmazeutischen Flüssigkeiten
mittels Filtrationsprozess
„Kaltsterilisation“ als Alternative zu
- Inaktivieren/Abtöten
- Wachstumsinhibierung/-verlangsamung
