Decontamination of pharmaceutical isolators with vaporized hydrogen peroxide : characterization of influencing factors and optimization of machine design

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URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-5740
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2011/574/

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SWD-Schlagwörter:		Dekontamination , Wasserstoffperoxid , Bioindikator , Bacillus stearothermophilus , Spore , Kondensation
Freie Schlagwörter (Deutsch):		D-Wert , Pharmazeutischer Isolator , VPHP , Spaltgängigkeit , Mikrobiologische Inaktivierung
Freie Schlagwörter (Englisch):		D-value , Pharmaceutical isolator , VPHP , gap pentetration , micorbial inactivation
Institut:		Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie
Fakultät:		Fakultät Naturwissenschaften
DDC-Sachgruppe:		Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart:		Dissertation
Hauptberichter:		Kottke, Volker Prof. Dr.
Sprache:		Englisch
Tag der mündlichen Prüfung:		29.06.2010
Erstellungsjahr:		2010
Publikationsdatum:		17.02.2011
Lizenz:		Dieser Inhalt ist unter einer Creative Commons-Lizenz lizenziert.
Kurzfassung auf Englisch:		In the pharmaceutical industry sterile drugs, which can not be terminally sterilized, have to be prepared and handled under aseptic conditions. The application of isolator technology with physical separation of the process from the environment and the operator is commonly used. Prior to the aseptic processing, the inner isolator surfaces have to be treated with a sterilant to reduce the microbial contamination to a defined acceptable level. Today vaporized hydrogen peroxide (VPHP) is most commonly used for this purpose. Different parameters like hydrogen peroxide concentration, humidity, and condensation have an influence onto the microbicidal activity of the decontamination cycle. Also isolator design factors (e.g. material of construction, geometrical structure) can impact the inactivation results. The objective of the presented thesis was to investigate the mode of action of the VPHP and the relationship between different influencing cycle parameters in order to develop a recommendation for optimum decontamination conditions. An additional goal was to analyze the impact of different construction materials, surface finish and geometrical structures onto the inactivation efficiency of the sterilant to improve the design of aseptic processing machines regarding VPHP decontamination. For the studies an pharmaceutical isolator connected to a VPHP generator was used. Standard decontamination cycles with varying combinations of hydrogen peroxide and water concentration, cycle time and condensation levels were developed. Biological indicators (BIs) with defined initial spore population of Geobacillus stearothermophilus were exposed to the different VPHP cycles. By determination of inactivation kinetics for the microbial test challenge, the sporicidal activity for each set of cycle conditions was evaluated. The applied microbial methods were Most Probable Number (MPN) technique as well as the determination of decimal reduction times (D-values). BIs were not only tested when openly exposed to the sterilizing atmosphere, but also inside of defined gaps to challenge the penetration capability of the VPHP into small lumens under diffusive conditions. Different construction materials were inoculated with defined spore populations to investigate the resistance behaviour of the spores on varying surfaces. Supplementary the physico-chemical characteristics of the respective materials were analyzed in detail to draw conclusions regarding correlation of surface quality and inactivation properties. The results demonstrate that the decisive factor for a successful decontamination is the overall microscopic interaction with the bioburden on the surface. It is shown, that the microcondensation in the sub-visible range is effective for good inactivation performance and that further condensation in the visible range does not enhance the microbicidal activity. The data illustrate that the microbial inactivation is accelerated by increasing hydrogen peroxide concentration. An H2O2 level of 800 ppm ensures a sufficient deposition of sterilant onto the surface and results in excellent and reproducible kill. For sterilant levels > 800 ppm no further improvement in inactivation is detectable. It is shown that for openly exposed BIs a lower H2O2 level (400 ppm) can be compensated by higher humidity. The elevated water content in the decontamination atmosphere promotes the sterilant deposition. The higher the hydrogen peroxide level is, the more independent from humidity becomes the inactivation effect. For H2O2 levels of 800 ppm, the microbicidal activity of the VPHP is found to be independent from the water concentration. In contrast to the openly exposed BIs, for the inactivation of spores exposed under diffusive conditions inside of gaps, a lower hydrogen peroxide level can not be compensated by higher humidity. Solely the hydrogen peroxide concentration and the overall cycle duration are able to influence the decontamination success inside of the trenches. It is demonstrated that in principle complex structures can be decontaminated by the means of VPHP but the penetration capability is limited. The inactivation is impeded with decreasing gap cross section and with increasing gap depth. It is shown that different construction materials and surface textures have an impact onto the resistance behaviour of spores towards VPHP.
Kurzfassung auf Deutsch:		In der pharmazeutischen Industrie müssen sterile Medikamente, die nicht terminal sterilisierbar sind, unter aseptischen Bedingungen gefertigt werden. Hierfür können Isolatorsysteme, die den Verarbeitungsprozess mittels physikalischer Barrieren von der Umgebung und dem Bediener trennen, verwendet werden. Bevor ein aseptischer Prozess durchgeführt werden kann, müssen die inneren Oberflächen des Isolators mit einem Sterilisationsmittel behandelt werden, um die mikrobielle Kontamination auf ein definiertes akzeptables Niveau zu reduzieren. Für diesen Zweck wird am häufigsten verdampftes Wasserstoffperoxid verwendet (Vaporized Hydrogen Peroxide, VPHP). Unterschiedliche Zyklusparameter wie die H2O2-Konzentration, Feuchtigkeit und Kondensation haben einen Einfuss auf die mikrobizide Aktivität des Dekontaminationszyklus. Darüber hinaus beeinflussen auch Designfaktoren des Isolators (z.B. Konstruktionsmaterial, geometrischer Aufbau) die Inaktivierungsergebnisse. Die Zielsetzung der vorliegenden Dissertation war es, den Wirkmechanismus des VPHP zu untersuchen, um eine Empfehlung für optimale Dekontaminationsbedingungen zu entwickeln. Darüber hinaus sollte der Einfluss von unterschiedlichen Konstruktionsmaterialien und Oberflächengüten sowie von geometrischen Strukturen auf die Inaktivierungsleistung des VPHP hin zu untersuchen. Für die Untersuchungen wurde ein pharmazeutischer Isolator mit VPHP-Generator verwendet. Es wurden standardisierte Dekontaminationszyklen mit verschiedenen Peroxid- und Wasserkonzentrationen sowie Zykluszeiten entwickelt. Bioindikatoren (BIs) mit definierten Ausgangspopulationen von Geobacillus stearothermophilus Sporen wurden während der verschiedenen Dekontaminationszyklen exponiert. Über die Bestimmung von Inaktivierungskinetiken für die Test-Mikroorganismen konnte die sporizide Wirksamkeit jeder Kombination von Zyklusbedingungen ermittelt werden. Die verwendeten mikrobiologischen Methoden waren die ?Most Probable Number? MPN- sowie die D-Wert-Bestimmung. Die BIs wurden im Isolator nicht nur offen exponiert getestet, sondern auch exponiert innerhalb von Spalten. Dabei sollte das Eindringverhalten des VPHP in kleine Öffnungen untersucht werden. Verschiedene Konstruktionsmaterialien wurden mit definierten Ausgangspopulationen von Sporen beimpft, um das Resistenzverhalten der Mikroorganismen auf unterschiedlichen Oberflächen zu prüfen. Zusätzlich wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften der jeweiligen Materialien untersucht, um Rückschlüsse auf eine Korrelation von Oberflächencharakteristika und dem Resistenzverhalten der Sporen zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass mehrere Zyklusparameter die sporizide Aktivität des VPHP beeinflussen. Der entscheidende Faktor für eine erfolgreiche Dekontamination ist die mikroskopische Wechselwirkung des Sterilisationsmittels mit den Keimen auf der Oberfläche. Es wird aufgezeigt, dass die Mikrokondensation im nicht-sichtbaren Bereich entscheidend ist für eine zufriedenstellende Inaktivierungsleistung und dass darüber hinausgehende Kondensation im sichtbaren Bereich keine weitere Verbesserung der mikrobiziden Aktivität mit sich bringt. Die Daten veranschaulichen, dass die mikrobielle Inaktivierung mit steigender Wasserstoffperoxidkonzentration beschleunigt wird. Eine H2O2-Konzentration von 800 ppm stellt eine ausreichende Deposition von Sterilisationsmittel auf den Oberflächen sicher und resultiert in exzellenter und reproduzierbarer Abtötung. Für Konzentrationen > 800 ppm, kann keine weitere Verbesserung der Inaktivierung beobachtet werden. Es wird gezeigt, dass für offen exponierte Bioindikatoren eine niedrigere H2O2-Konzentration (400 ppm) durch einen höheren Feuchtigkeitslevel ausgeglichen werden kann. Der erhöhte Wassergehalt in der Dekontaminations-Atmosphäre begünstigt den Niederschlag des Dekontaminationsmittels. Je höher die H2O2-Konzentration ist, desto unabhängiger wird der Inaktivierungserfolg vom Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre. Für H2O2-Konzentrationen von 800 ppm ist die mikrobizide Wirksamkeit unabhängig von der Wasserkonzentration. Bei Indikatoren, die innerhalb von Spalten exponiert sind, kann eine mangelnde H2O2-Konzentration nicht durch eine höhere Feuchtigkeit kompensiert werden. Innerhalb der Spalten können ausschließlich die Höhe der H2O2-Konzentration sowie die Dauer des Zyklus den Dekontaminationserfolg beeinflussen. Es wird gezeigt, dass auch komplexe Strukturen mit VPHP dekontaminiert werden können, das Eindringverhalten jedoch limitiert ist. Mit sinkendem Spaltquerschnitt und mit zunehmender Tiefe der Spalten wird die Inaktivierung zunehmend erschwert. Es werden Materialien mit guter und schlechter Dekontaminationscharakteristik identifiziert und Ursachen für das ungleiche Verhalten ermittelt.

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