S t e r i l i z a c e. Inženýrství farmaceutických výrob. Co je sterilizace a k čemu slouží

13.11.2014

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav organické technologie

Co je sterilizace a k čemu slouží • Usmrcení všech mikroorganismů a jejich spór schopných v daných podmínkách růst a rozmnožovat se • Využití v biotechnologickém průmyslu • Fermentační procesy

Sterilizace

• Farmaceutický průmysl  výroba různých lékových forem  jejich ochrana před poškozením mikroorganismy • Potravinářský průmysl  konzervace tekutin (mléko, pivo, šťávy)  prodloužení jejich trvanlivosti

Inženýrství farmaceutických výrob

• Využití v medicíně  zamezení šíření infekce ve zdravotnických zařízeních • Sterilizace operačních sálů • Sterilizace lékařských nástrojů • Sterilizace medicínského odpadu

Různé způsoby sterilizace

Sterilizace teplem  Řídí se exponenciálním zákonem

• Působením tepla

 účinnost sterilizace na teplotě a času

 Tepelná destrukce mikroorganismů při určité teplotě se řídí kinetickou rovnicí 1.řádu

dn  kn dt

• Mechanickými metodami (filtrace, centrifugování, ultrazvukem) • Zářením (UV, RTG, g)



Počáteční podmínky t = 0, n = n0

n = n0exp(-kt)

 Absolutní sterilizace teplem není možná

• Chemickými prostředky (plazmová sterilizace)

 Provádí se sterilizace do určitého stupně (např. mléko < 30 000 cizorodých buněk v 1 ml)  Aktivační energie úhynu mikroorganismů je 200 – 500 KJ/mol  Spóry jsou podstatně odolnější vůči teplu než živé buňky

● Nejširší uplatnění má sterilizace teplem

1

 ekonomické důvody  nedochází ke kontaminaci sterilizovaného materiálu chemickými prostředky

1

110°C

50°C

n n0

10-2 10-4

n n0

55°C 60°C

 Fermentace  zákony života

 Sterilizace  zákony smrti 0

10-4

115°C

10-8

120°C t [min]

10

t [min]

0

100

Obrázek 1: Časová závislost poklesu živých organismů (vlevo) a jejich spór (vpravo) při různé teplotě sterilizace

Sterilizace teplem – praktické provedení

Sterilizace teplem – praktické provedení

• Diskontinuální sterilizace

! ! Při sterilizaci teplem je nutné zabránit poškození některých materiálů: • autoklávy - působením vodní páry (obr.1)

Obrázek 1

• teplotně citlivé materiály (guma,vata, papír apod.) • speciálně upravené povrchy • lepené plochy

• suchým teplem (obr.2)

• silikonová těsnění • sálavým teplem

Obrázek 2 Tabulka I: Typické podmínky sterilizace

• Velká zařízení se sterilizují parou

Sterilizace sálavým teplem

Sterilizace parou

• Inaktivace spór – periodický ohřev na teplotu ničení a ryclé ochlazení (tyndalizace) • Kontinuální sterilizace • tepelná expozice v trubkovém sterilizátoru

Tlak [kPa]

Teplota [°C]

Čas [min.]

Teplota [°C]

Čas [min.]

98

121

15

140

180

137

126

10

160

120

196

134

3

170

60

• filtrace přes vláknitý materiál (skelná vlákna)

1

13.11.2014

Sterilizace teplem – diskontinuální uspořádání

Sterilizace teplem – diskontinuální uspořádání

• Pro časovou závislost koncentrace živých cizorodých organismů platí rovnice :

 Nepřímý ohřev parou (exponenciální časový profil) a

T = T0[1+b exp(-at)]

dn  n  k 0 exp(  E / RT (t )) dt

Reakční prostor

kn A mc p

b

T0  Th Th

Nepřímý parní ohřev

• Protože je teplota funkcí času (závisí na způsobu ohřevu daného systému)   t

ln

k n0  exp(  E / RT (t ))dt nk 0

 Přímé rozptylování páry (hyperbolický časový profil)

at   T  T0 1  1   1  bt  

• Časový profil teploty závisí na způsobu ohřevu

a

hm p

b

mTc p

mp

(mp – průtok páry s entalpií h)

m

• Zanedbáme-li ztráty tepla do okolí, lze formulovat následující vztahy :  Elektrický ohřev (lineární časový profil)

T = T0(1 + at) ;

Reakční prostor s rozptýlenou parou

a  příkon tepla

a = Q/(mT0cp)

Sterilizace teplem – tuhá fáze

 Dosazení časového profilu + numerická integrace časové závislosti „dn/dt“

Sterilizace teplem – tuhá fáze

• Důležitá aplikace sterilizace • výroba různých lékových forem a při výrobě potravin (konzervace) • nutno minimalizovat množství živých mikroorganismů

 Proces sterilizace vyžaduje, aby každý bod objemu sterilizovaného objektu byl při dané teplotě exponován požadovaný minimální čas    Stanovení času nutného k dosažení předepsané teploty ve středu koule (pro r=0)

• Řešení Fourierovy rovnice vedení tepla pro daný geometrický tvar sterilovaného objektu s konkrétními počátečnémi a okrajovými podmínkami

 Tvar rovnice pro tenkou vrstvu



(x – souřadnice napříč deskou)

 Tvar rovnice pro kulovité částice



(r – radiální souřadnice - vzdálenost od středu)

c p

T  T  2 t x 2

1

n   d n 2 T 0, t   T1  2T1  T0   1 exp    c R2 n 1 p 

T  T0 T1  T0

T 1   T  c p   2 r2  t r r  r 

0

 t   cp  R2

0

r/R

t   

 Počet živých mikroorganismů   (dvojný integrál přes objem tělesa a časový interval sterilizace)

1

Obrázek 3: Časové a teplotní profily v kulovité částici při jejím ohřevu z teploty T0 na teplotu T1

Sterilizace teplem – tuhá fáze

Sterilizace v kontinuálním uspořádání – tepelná expozice  Kontinuální sterilizaci lze zajistit tepelnou expozicí, nebo filtrací

 Nevýhody jednorázové sterilizace  Časová náročnost procesu – dlouhá doba ohřevu a chladnutí  Tepelná destrukce ostatních žádoucích komponent – bílkovin a vitaminů

Tepelná expozice • široká volba mezi účinkem teploty a dobou působení tepla • účinnost sterilizátoru závisí na době zdržení tekutiny v zóně vysoké teploty

 Destrukce těchto látek probíhá podle stejné kinetiky jako sterilizace mikroorganismů Hmotnostní bilance živých mikroorganismů o koncentraci „n“ v trubkovém sterilizátoru • Tyto nežádoucí pochody lze potlačit krátkodobou sterilizací při vyšší teplotě (HTST) • Nevýhoda – tento postup lze aplikovat jen pro tenké vrstvy

w

n n  2n   Dz 2 x t x

Tabulka II: Aktivační energie sterilizace a dalších procesů

Proces

Aktivační energie [kJ/mol]

Sterilizace

200 – 500

Reakce proteinů s aldehydy

131

Destrukce vitaminu B2 (riboflavin)

99

Denaturace peroxinazy

99

Destrukce vitaminu B1

88



w

........přičemž platí :

n k d n t



n  2n  k d n  Dz 2 x x

w – střední rychlost proudění tekutiny x – axiální souřadnice

Dz – koeficient axiální disperze k d – rychlostní konstanta úhynu mikroorganismů

2

13.11.2014

Sterilizace v kontinuálním uspořádání – tepelná expozice

Sterilizace v kontinuálním uspořádání – filtrace  Sterilizace aeračních medií

 Řešení bilanční rovnice pro malé hodnoty axiální disperze Dz (přibližně pro pístový tok)

 nejčastěji se týká filtrace vzduchu

 D2  nL  exp   Da  a  n0 Pe  

10-12

n n0

 prakticky se provádí přes vláknité filtry (ze skelných vláken)  Účinnost filtru E :

 Damköhlerovo „Da“ a Pecletovo „Pe“ číslo jsou definovány vztahy:

10-15

Da 

kd L w

Pe 

E = (n0 – n) / n0

wL Dz

50

100

Da

Obrázek 4: Vliv hodnot Damköhlerova a Pecletova kriteria na pokles mikroorganismů při sterilizaci v průtočném uspořádání

„n0“ - koncentrace živých mikroorganismů před filtrem

 Výhody ve srovnání s ostatními druhy sterilizace

L – délka potrubí sterilizátoru

10-18

poměr počtu zachycených částic k počtu částic vstupujících na filtr

 nízké provozní náklady

 Pro Pe  , tj. ideální pístový tok, bude mít sterilizátor nejmenší rozměry (může být použito nejkratší potrubí).

Další způsoby sterilizace

 vysoká filtrační účinnost  bezproblémový kontinuální provoz  nízký hydrodynamický odpor (ve srovnání s membránovými filtry)

Plazmová sterilizace

 Ultrafialové záření  = 2,3 – 3,3 . 10-7m

 Plazmová sterilizace – princip zařízení pro studenou plazmovou sterilizaci

 lze použít účinně k likvidaci mikroorganismů ve vzduchu pracovišť  stejně účinné je použití i jiných druhů záření RTG, g, nebo ultrazvuku  vysoká cenová náročnost

1. Vznik volných radikálů • evakuace sterilizační komory a nástřik roztoku H2O2 • odpaření H2O2 – páry zahalí vložené předměty • snižení tlaku ve sterilizační komoře • vytvoření nízkoteplotní plazmy (35°C) např. elektrickým polem • plazma štěpí molekuly H2O2 na volné radikály HO* a HO2*

 Chemické dezinfekční prostředky  ke sterilizaci zařízení, nástrojů a vody  nejčastěji používané chemické dezinfekční prostředky • chloramin, kyselina peroctová, persteril, etylenoxid  použití je omezeno bezpečnostní hladinou koncentrace v produktech  odstraňování těchto prostředků z produktů fermentace je velmi obtížné

2. Průběh vlastní sterilizace • volné radikály se slučují s molekulami živé hmoty a výsledkem je likvidace mikroorganismů, jejich obalu nebo inaktivace mikroorganismů

 Plazmová sterilizace

3. Ukončení sterilizace • nespotřebované volné radikály zreagují navzájem • filtrace páry, rozklad zbytků oxidačního činidla na kyslík a vodu

 nejnovější a nejspolehlivější metoda sterilizace nástrojů  nehodí se pro materiály na bázi celulozy a tekutin  využívá se zejména ve zdravotnictví  název je zavádějící nejedná se přímo o sterilizaci plazmou  plazma je jen prostředek k vytvoření reaktivních částic, díky kterým dochází k vlastní sterilizaci

Výsledek ► ► sterilní předměty + netoxický odpad t.j voda a kyslík

Plazmový sterilizátor fy Steripak s.r.o.

VPHP – Vapour Phase Hydrogen Peroxide

VPHP – Vapour Phase Hydrogen Peroxide

• Dekontaminační a dezinfekční proces využívající jako účinné agens páry peroxidu vodíku • H2O2 (g) se rozkládá na volné radikály •OH a •OOH dle rovnice: 𝐻2 𝑂2 → 2 ∙ 𝑂𝐻 𝐻2 𝑂2 + ∙ 𝑂𝐻 →∙ 𝑂𝑂𝐻 + 𝐻2 𝑂 ∙ 𝑂𝑂𝐻 + 𝐻2 𝑂2 → 𝐻2 𝑂 +∙ 𝑂𝐻 + 𝑂2 ∙ 𝑂𝑂𝐻 +∙ 𝑂𝐻 𝑛𝑒𝑏𝑜 ∙ 𝑂𝑂𝐻 → 𝐻2 𝑂 𝑛𝑒𝑏𝑜 𝐻2 𝑂2 + 𝑂2

• Organické látky a bioaktivní látky snadno reagují s těmito senzitivními radikály • Použitelný v medicíně (dezinfekce operačních sálů, JIP, sterilizace lékařských nástrojů,…) • Ve farmaceutickém průmyslu - Izolátory, 17

• Vysoká baktericidnost, degradace chemických agens • Ideální dekontaminační činidlo • cenová přijatelnost • snadná a bezpečná manipulace • rychlá účinnost • materiálová odolnost ( kompatibilita) • schopnost dekontaminace velkých prostorů a budov

18

3

13.11.2014

VPHP – Vapour Phase Hydrogen Peroxide

Frakcionovaná sterilizace • sterilizace roztoků a materiálů

Dekontaminace prostředí může být: • neplánovaná (biologické, či chemické havárie) • plánovaná(př. operační sály)



• používá se v případech, kdy by vyšší teplota poškodila kvalitu materiálu, kterou potřebujeme uchovat (denaturace nebo rozpad účinných látek…)

Při navrhování jakéhokoli aseptického prostoru nutné vybírat vhodné materiály, které jsou kompatibilní s dekontaminačním činidlem.

• horká pára (100°C) po dobu cca 30min, opakování minimálně 3x s intervalem 18-24hod • zaručí se tak zničení bakteriálních spor (během mezičasu vyklíčí, pak jsou zničeny, atd)

19

Sterilizace – shrnutí

Tyndalizace • druh frakcionované sterilace • John Tyndall, 1877 • použití: termolabilní roztoky bílkovin (velmi často léčiva v tekuté formě) • 56-58°C, 30-60min, 3 dny po sobě • v dnešní době nahrazováno filtrací (nehrozí denaturace) – termolabilní roztoky (vakcíny, séra, tekutá léčiva) se sterilizují filtrací, např. přes nitrocelulózový filtr (alternativa tyndalizace)

 ÚČEL:

Zabránit kontaminaci technologického procesu, zařízení a finálních produktů nežádoucími mikroorganismy.

 PRINCIP:

Usmrcení nežádoucích mikroorganiosmů a jejich spór, schopných v daných podmínkách růst a rozmnožovat se.

 METODY STERILIZACE – VÝHODY – NEVÝHODY

1.

Sterilizace teplem  Nevýhody

 Výhody • široké uplatnění • ekonomicky přijatelná řešení • nedochází ke kontaminaci

Sterilizace – shrnutí

• časová náročnost procesu • nutná ochrana materiálů citlivých na teplo • možná destrukce žádaných složek systému teplem

Sterilizace – shrnutí 2.

 Výhody • nízké provozní náklady • kontinuální provoz • vysoká účinnost filtrace

Filtrace

 Nevýhody • omezené použití – vláknité filtry • vysoký hydrodynamický odpor při použití membránových filtrů

Odstřeďováním a ultrazvukem  Výhody • odstraňuje nežádoucí destruktivní vlivy tepelné sterilizace

3.

Mechanické metody

 Nevýhody • omezené možnosti použití • vyžaduje speciální zařízení • ekonomicky nákladnější

Zářením UV, RTG, g.

 Výhody • moderní vysoce účinné metody - všestranné použití

4.

 Nevýhody • drahá a technologicky náročná zařízení

Chemickými prostředky + plazmová sterilizace

 Výhody • velmi účinné metody • široký sortiment dezinfekčních chemických prostředků • plazmová sterilizace probíhá při nízké teplotě (35°C) a vlhkosti, nehrozí poškození teplem nebo korozí

 Nevýhody • omezení bezpečnostní hladinou chemických látek v produktech • plazmová technologie je drahá, nevhodná pro látky na bázi celulozy a materiály které jsou narušovány oxidačními činidly

4

13.11.2014

Závěr – Různá provedení sterilizátorů pro různá použití

Horkovzdušný sterilizátor

Baktericidní UV svítidla

Parní vertikální sterilizační systém

Plazmový sterilizátor

Parní sterilizátor - autokláv

Deskový průtokový pastér tekutin

5