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.
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Langue
Allemand
Catégorie
Biologie
Niveau
Université
Créé / Mis à jour
07.10.2014 / 07.10.2014

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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 -

  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)

 

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

 

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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

  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

 

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

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Keiminaktivierung mit IR-Strahlung
- Verlauf der Inaktivierung -

 

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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 

Einsatz von Wasserstoffperoxid zur Raumdesinfektion

  • Wasserstoffperoxiddampf (VHP = vaporized hydrogen peroxide)

- 30 %iges H2O2 wird verdampft
- Kondensatbildung an Oberflächen ist zu vermeiden! 

  • Wasserstoffperoxidaerosol
    • - Vernebelung 5%iger H2O2 Lösung mit Silberionen- Kleine elektrisch geladene Partikel (8 – 12 µm) haften an Partikel in der Luft und an Oberflächen 
    • Bei beiden Verfahren muss das Wasserstoffperoxid nach der Behandlung 
      entfernt werden 
      Während der Behandlungszeit darf der Raum nicht betreten werden 

Einflussfaktoren des verkeimten Materials auf die Inaktivierungswirkung von gasförmigen H2O2

- Rauigkeit
- Hydrophobizität

 

Variabilität der Packstoffentkeimung bedingt durch präferierte Kondensation an hydrophilen Partikeln

 

  • Hydrophile Sporen werden bevorzugt vom Kondensat benetzt, bevor die hydrophobe Packstoffoberfläche benetzt wird
  • Die H2O2-Konzentration im Kondensat ist aufgrund der höheren Siedetemperatur höher als im Gas oder der verdampften Lösung

Einfluss der Packstofftemperatur auf die Keiminaktivierung

 

Verbesserung der Inaktivierungswirkung, wenn die Taupunkt-Temperatur des Entkeimungsgases unterschritten wird. Es kommt dann zur Kondensation des H2O2-Gases

  • Packstofftemperatur oberhalb der Taupunkttemperatur: Keine Kondensation
  • Packstofftemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur: Kondensation

verschiedene EInfluss auf das Inaktivieren von Bacillus-Sporen mit dampfförmigem H2O2

  • Einfluss des Wasserstoffperoxidgehalts
    • Mit steigendem Wasserstoffperoxidgehalt im Gas findet eine schnellere Inaktivierung statt
  • Einfluss der Temperatur
    • Mit steigender Behandlungstemperatur findet eine schnellere Inaktivierung statt
  • Einfluss des Wassergehalts
    • Je feuchter das H2O2/Luft-Gemisch bei gleicher H2O2-Konzentration, desto unwirksamer ist das Entkeimen!

Erklärungsansatz für den Tailing-Effekt: Verklumpung der Zellen

 

  • Mit zunehmend verbesserter Verteilung der Sporen auf der Oberfläche steigt die Absterbegeschwindigkeit und der Inaktivierungserfolg
  • Hohe Animpfdichte setzt die Wirkung von gasförmigem H2O2 herab Verklumpung

 

INaktivierung von SPoren durch H2O2

  • Fenton-Reaktion
  • Haber-Weiss-Reaktion

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AUfbau von SPoren (Zecihnung)

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Inaktivierung von Mikroorganismen durch H2O2

  • Inaktivierung vegetativer Mikroorganismen:

• Radikalbildung, Strangbrüche in der DNA

  • Inaktivierung bakterieller Sporen mit flüssigem H2O2 : 

• Erste Auskeimphase und Abbau der Sporenrinde 
• Keine zweite Auskeimphase, kein Beginn des metabolischen Stoffwechsels 
• Schädigung der inneren Sporenmembran in der Diskussion 

  • Inaktivierung bakterieller Sporen mit gasförmigem H2O2 : 

• Gasförmiges H2O2 dringt tiefer in Proteinstruktur ein
• Keine Oxidation von Aminosäuren 
• Zersetzung von bestimmten Proteinen

--> Keine vollständige Klärung des Inaktivierungsmechanismus bakterieller Sporen durch flüssiges und gasförmiges H2O2

Aufsprühen von Wasserstoffperoxid auf Packmitteloberfläche

 

Trotz unvollständiger Benetzung vollständige Entkeimung der Oberfläche 
---> Hypothese: verdampftes H2O2 wirkt aus Gasphase  heraus ebenso effektiv 
---> Plan: Neues Verfahren durch Einsatz von H2O2 in Form feuchter Gasatmosphäre ohne Kondensation bei höherer Temperatur und vorgewärmten Packmitteln

 

Einsatz von flüssigem Wasserstoffperoxid im Sprühverfahren 
(System SIG COMBIBLOCK)

 

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Temperaturabhängigkeit der keimabtötenden Wirkung von H2O2
gegenüber G. stearothermophilus Sporen bei 20 – 80 °C

 

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CHemische Verfahren zur Entkeimung von Verpackungen: Wasserstoffperoxid

  • Häufiger Einsatz zur Packstoffentkeimung:
    • Hohe Aktivität gegen alle Mikroorganismen, keine Resistenzbildung
    • Einsatz von Lösungen bis 35 % in der Lebensmittelindustrie
    • Aktivität steigt mit höheren Temperaturen

-->Flüssig

  • Tauchbad
  • Aufsprühen, Verdüsen

-->Bei beiden Verfahren muss das H2O2 wieder entfernt werden (maximal erlaubter Rückstand im Gebinde: 0,5 ppm)

-->Dampfförmiges Wasserstoffperoxid

  • Kondensationsverfahren 
  • H2O2 muss entfernt werden
  • Wasserstoffperoxiddampf, H2O2–haltige Heißluft

 

Entkeimungsverfahren für Verpackungen

 

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Testkeime / Testverfahren

 

Es wird jeweils der für das eingesetzte Entkeimungsverfahren resistenteste Vertreter als 
Testkeim eingesetzt.

Trockene Hitze: Sporen von Geobacillus stearotheromphilus (früher: subtilis)
Feuchte Hitze: Sporen von Geobacillus stearothermophilus o. Clostridium sporogenes
UV-Bestrahlung: Konidiosporen von Aspergillus niger
Wasserstoffperoxid: Sporen von Bacillus subtilis
Peressigsäure: Sporen von Bacillus subtilis
Gamma-Strahlung: Sporen von Bacillus pumilis

 

Testverfahren:
Verpackungen werden künstlich verkeimt (etwa 106 KBE/Gebinde)
Behandlung der Verpackungen in einer Testanlage (bei unbekannter 
 Reaktionskinetik) oder direkt in der Abfüllanlage
Überlebende Keime werden detektiert
Inaktivierungserfolg kann berechnet werden

 

 

Indikatormikroorganismen

 

Pasteurisierte Produkte: Vegetative Bakterien
Saure Produkte: Schimmelpilze / Hefen
Haltbare Produkte: Bakterielle Sporen

 

 

  • Verkeimungslevel und erzielbare Sterilitätsquote (SAL: Sterility Assurance Level)
  • Nachweisverfahren

• 1 kbE / Becher          --> jede Verpackung ist unsteril
• 0,1 kbE / Becher       --> jede 10te Verpackung ist unsteril
• 10-4 kbE / Becher     --> jede 10.000ste Verpackung ist unsteril

--> DIe Keimzahl muss um  5 log reduziert werden, wenn es bei einer AUsgangsverkeimung von 1 Keim/Volumeneinheit 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 zu untersuchen, sind 30.000 Verpackungen zu untersuchen
  • Indirekter Nachweis: Untersuchung der Entkeimungswirkung des eingesetzten Verfahrens (Reaktionskinetik und daraus ableitbare Berechnung)

 

Verfahren zur Verpackung von haltbaren Lebensmitteln

 

  • • Konservenherstellung

– Lebensmittel wird unsteril verpackt und verschlossen 
– Verschlossene Verpackung wird autoklaviert (121 °C; 12 D Konzept)
– Häufig Produktschädigung durch starke thermische Belastung

  • • Aseptische Lebensmittelproduktion

– Lebensmittel und Verpackung werden getrennt voneinander sterilisiert
– Rekontaminationsfreie Verpackung unter aseptischen Bedingungen
– Hohe mikrobiologische Anforderungen an die Verpackung bei extrem hohem Anlagendurchsatz
– Schonenderes Erhitzungsverfahren des LM möglich
– Geringerer Energieverbrauch
– Verschiedenste Arten von Verpackungen

 

Aspekte und Kriterien zur Auswahl eines Entkeimungsverfahrens

 

  • Lebensmittel

pH-Wert
pasteurisiert
UHT-erhitzt
Geforderte Haltbarkeit
Transport- und Lagerbedingungen

  • Verpackung

pH-Wert
pasteurisiert
UHT-erhitzt
Geforderte Haltbarkeit
Transport- und Lagerbedingungen

  • Entkeimungsverfahren

Gesetzliche Anforderungen
Leistungsfähigkeit
Grenzen in der Wirksamkeit
Rückstände?

 

Log-lineare Inaktivierung von Geobacillus stearothermophilus

Probleme

 

1. Extrapolation: Hoher Einsatz an Testkeimen in Labor 
2. Auswertemodell bei nicht-log-linearem Verlauf: 
- Berücksichtigung von Mischpopulationen
- Analytische Genauigkeit der mikrobiologischen Analytik (Kolonienbildung auf Agar;  Exaktheit bei mehrstufigen Verdünnungsreihen)
3. Qualität der Datenbasis bei nicht-idealem Aufheizverhalten im Experiment

 

Étudier