Hygienic Processing Teil 5

• 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

• Hohe Abscheide- und Durchflussleistung
• Kompatibilität von Filter und Medium (physikalisch/chemisch) 
  • Optimierung adsorptiver Wechselwirkungen
  • Vermeidung extrahierbarer Substanzen
• Thermische, mechanische und chemische Stabilität ( Reinigung, Sterilisierung)

• Tiefenfiltration
• Membranfiltration

--> Filter als physikalische Barriere für Mikroorganismen

• 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

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• 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

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)

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• 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,

• 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
    

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• Prozess
  • • Reverse Osmosis: “sterile”
    • Ultrafiltration: Retention of smaller virus, bacteriophage, pyrogenes
    • Microfiltration: Virus, thin bacteria cells can penetrate depending on 
    the pore size
    
• Vorteile
  • • Surface effect (not in the filter depth)
    • Continuous process 
    • High permeation, flux
    • Adsorption of soluble substances and liquid is lo
• Nachteile
  • • Deposit formation, blocking of the membrane 
    • Bacteria can grow through the membrane 
    --> depending on operation cycle time

= 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)

• 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

• Genauigkeit sinkt mit zunehmender Filterfläche
• Abhängigkeit von
  • Membran
  • Benetzungsmedium
  • Testgas
  • Umgebungsfaktoren
  • Temperatur
• Fehlerquellen
  • Unvollständige Benetzung
  • Temperatur (Oberflächenspannung)

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

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

• 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)

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

• 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