Dry Sterilization Process

Der Name Dry Sterilisation Process, DSP, bezeichnet ein bestimmtes trockenaseptisches Sterilisationsverfahren, das beispielsweise in der Lebensmittelindustrie bei der kaltaseptischen Abfüllung von Getränken (Säfte, Wasser, UHT-Milch,...) in Kunststoffflaschen aus PET oder HDPE als auch in der pharmazeutischen Industrie Anwendung findet.

Bei kaltaseptischer Abfüllung wird ein steriles oder keimarmes Produkt in Flaschen abgefüllt, ohne anschließend zur Haltbarmachung noch einmal erhitzt zu werden. Die Flaschen müssen deshalb vor der Abfüllung sterilisiert werden, um eine Wiederverkeimung des sterilen Produkts auf diesem Wege zu vermeiden. Durch die Temperaturempfindlichkeit der Kunststoffmaterialien bedingt darf der Sterilisationsvorgang die Flaschen nicht erhitzen und es kommen deshalb chemische Sterilisationsverfahren zum Einsatz. Der Dry Sterilisation Process verwendet eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung mit einer Konzentration von 30 bis 35 Prozent, um die Keimabtötung zu erzielen.

Die zu sterilisierenden Flaschen werden zunächst in eine Sterilisationskammer eingebracht. Die Sterilisationskammer ist als Vakuumgefäß ausgebildet und wird mittels Vakuumpumpen bis in den Grobvakuumbereich hinein evakuiert. Nun wird eine abgemessene Menge Wasserstoffperoxidlösung in einer Verdampfungseinrichtung verdampft. Durch eine Verbindung der Verdampfungseinrichtung mit der evakuierten Sterilisationskammer strömt der Dampf aufgrund der Druckdifferenz zwischen Verdampfungseinrichtung und evakuierter Sterilisationskammer in diese hinein. Der Dampf expandiert stark beim Einströmen in die evakuierte Sterilisationskammer, unterkühlt dabei und kondensiert augenblicklich. Der so entstehende Kondensatfilm überzieht alle Oberflächen innerhalb der Sterilisationskammer, alle Flaschenoberflächen, innen wie außen, als auch sämtliche inneren Oberflächen der Sterilisationskammer.

Die bei der Kondensation freiwerdende Verdampfungswärme erhitzt den entstandenen Kondensatbelag derart, dass das darin enthaltene Wasserstoffperoxid größtenteils dissoziiert. Dabei entstehen Radikale, insbesondere atomarer Sauerstoff, die die an den Oberflächen anhaftenden Mikroorganismen in Sekundenbruchteilen noch während des Kondensationsvorganges abtöten. Im Vergleich zu anderen Sterilisationsverfahren erfolgt die Keimabtötung instantan und es ist keine Einwirkzeit oder Haltezeit nötig.

Unmittelbar nach der Beendigung des Kondensationsvorganges werden Dampf und Kondensat durch Druckverringerung auf unter 1hPa mittels Vakuumpumpen aus der Sterilisationskammer entfernt. Dabei verdampft der auf den Oberflächen aufliegende Kondensatfilm sobald der sinkende Druck in der Sterilisationskammer unter den Dampfdruck des Kondensats fällt. Das Wiederverdampfen des Kondensats bewirkt eine Trocknung der Oberflächen und vollständige Entfernung des Wasserstoffperoxids.

Zur Entnahme der sterilisierten Flaschen muss die evakuierte Sterilisationskammer auf Atmosphärendruck geflutet werden. Hierzu wird sterile Luft verwendet, um eine Wiederverkeimung der nun sterilen Flaschen durch unsterile Luft zu vermeiden.

Das Verfahren benötigt eine Prozesszeit von 6 Sekunden. Gemessen an den bei Wasserstoffperoxid-Verfahren üblicherweise verwendeten Referenzkeimen, Endosporen verschiedener Stämme von Bacillus subtilis und Bacillus stearothermophilus, erreicht der Dry Sterilisation Process sowohl in Count Reduction Tests als auch in End Point Tests Abtötungsraten von 10⁶...10⁸ ("log6"..."log8"), bzw. Keimreduktionen auf unter 10^-6...10^-8 der Ausgangskeimzahl.

Die sterilisierten Gegenstände verlassen die Sterilisationskammer in vollständig trockenem Zustand. Nur die äußerste Oberflächenschicht der Gegenstände wird während des Sterilisationsvorganges leicht erwärmt (10 °C...15°C ). Das Verfahren ist für alle Anwendungen gut geeignet in denen thermolabile Gegenstände sterilisiert werden müssen, in denen sehr hohe Abtötungsraten gefordert sind und die kurze Durchlaufzeiten benötigen.

NB 1: Zur Beschreibung der Leistung eines Sterilisationsverfahrens werden leider im üblichen Sprachgebrauch gleichbedeutend die Formulierungen "die Keimreduktion beträgt log6", " die Keimabtötung beträgt log6" oder auch "die Abtötungsrate beträgt log6" verwendet. Dies ist nicht nur unpräzise sondern mathematisch streng genommen sogar unsinnig. Diese verbreiteten Ausdrucksweisen resultieren aus einer unkorrekten Verwendung des mathematischen Ausdruckes log 10⁶ = 6.

NB 2: Bei den Begriffen Abtötungsrate, Keimreduktion und Überlebenswahrscheinlichkeit handelt es sich um Wahrscheinlichkeitsaussagen im statistischen Sinn. Sie können durch die folgenden zwei Beispiele verdeutlicht werden, die statistisch gleichwertig sind:

Beispiel 1: In einem Versuch wird ein mit 10⁷ Keimen behaftetes Objekt mit einem Verfahren sterilisert, das eine Keimreduktion um 6 Größenordnungen (10⁶ oder "log6") erreicht, d.h. bei dem die Überlebenswahrscheinlichkeit für die Keime 10^-6 beträgt. Gemittelt über eine statistisch signifikante Anzahl solcher Versuche überleben dann 10⁷ / 10⁶ = 10 oder 10⁷ * 10^-6 = 10 Keime pro Objekt.

Beispiel 2: In einem Versuch werden mit jeweils 10 Keimen behaftete Objekte mit einem Verfahren sterilisiert, das eine Keimreduktion um 6 Größenordnungen (10⁶ oder "log6") erreicht, d.h. bei dem die Überlebenswahrscheinlichkeit für die Keime 10^-6 beträgt. Wenn eine statistisch signifikante Anzahl solcher Objekte sterilisiert wird, beträgt die Anzahl der auf den Objekten überlebenden Keime 10 / 10⁶ = 10^-5 oder 10 * 10^-6 = 10^-5, was bedeutet, daß jeweils ein überlebender Keim pro 10⁵ = 100.000 Objekte angetroffen wird.

NB 3: Streng genommen ist es auch falsch, von "überlebenden Keimen" zu sprechen. Das wesentliche Problem ist nicht unbedingt die Anwesenheit einiger Keime, sondern deren Fähigkeit zu kurzen Zellteilungsyklen, was zu einem zeitlich exponentiellen Anwachsen der Keimzahl führt. Bei einer großen Anzahl vorhandener Keime kann dann die von diesen erzeugte Menge an Stoffwechselprodukten, die teilweise höchst toxisch sind, zu Vergiftungserscheinungen unterschiedlichster Art führen. Das eigentliche Problem sind daher "vermehrungsfähige Keime". Um deren Anzahl zu bestimmen, werden beispielsweise nach einem Sterilisationsvorgang die Oberflächen des sterilisierten Gegenstandes mit einer Pufferlösung abgewaschen und alle in dieser Lösung befindlichen Keime kultiviert. Enthielt die Pufferlösung "vermehrungsfähige Keime" so bilden diese durch ihre exponentielle Vermehrung nach einigen Tagen makroskopische Kolonien auf dem Nährboden. Jede dieser Kolonien stammt nun, unkorrekt ausgedrückt, von einem vermehrungsfähigen Keim ab. Exakt ausgedrückt stammt jede dieser Kolonien von einer "koloniebildenden Einheit", KBE, ab (engl.: colony forming unit, cfu).