Sterilisationsprozesse überprüfen

Keimreduktion sensorisch abgebildet

Zur Validierung und Parametrisierung der Sterilisationswirkung von gasförmigem H2O2 kann ein kalorimetrischer Gassensor in Kombination mit einem Sporen-basierten Biosensor die Keimreduktion zeitnah und parametrisch erfassen.

Bild 1: Schematische Darstellung des kalorimetrischen Gassensors. Differenzanordnung zweier Widerstandsmäander aus Platin als Temperatursensoren, Passivierung gegen­über den harschen Prozessbedingungen während der Sterilisation mittels z. B. dem Photo­resist SU-8. Katalysator zur Zersetzung von Wasserstoffperoxid wie z. B. MnO2. Der rechte Temperatursensor erfasst die Gastemperatur, der linke Temperatursensor erfasst Gas- und Reaktionstemperatur; die Differenz bildet das Sensorsignal in Abhängigkeit der H2O2-Konzentration. © © Schöning/FH Aachen

Sterile Produkte findet man in vielen Bereichen des alltäglichen Gebrauchs. Vor allem im Gesundheits- und Lebensmittelsektor besitzen diese einen hohen Stellenwert: Einerseits geht es darum, Gesundheitsrisiken von der Bevölkerung abzuwenden, andererseits darum, eine möglichst lange Haltbarkeit der Produkte (Lebensmittel) zu gewährleisten.

In den vergangenen Jahren hat sich für die Verarbeitung von thermisch sensiblen Produkten die aseptische Abfüllung etabliert. Hierbei wird das Packmittel (z. B. Verbundverpackung, Flaschen) getrennt vom Lebensmittel sterilisiert. Für den Sterilisationsprozess der Packmittel wird zunehmend auf Wasserstoffperoxid (H2O2) als Sterilisationsmedium gesetzt; dies kann entweder in der Flüssig- oder in der Gasphase appliziert werden. Für die Sterilisation mit gasförmigem H2Owird dieses einem Trägerluftstrom zugeführt und als Aerosol in einem speziellen Verdampfer bei Gastemperaturen bis 300 °C verdampft und unmittelbar in das Packmittel eingeleitet. Das gasförmige Sterilisationsmedium erreicht hierbei H2O2-Konzentrationen bis 10 Vol.-%. Die erhöhte Gastemperatur und die H2O2-Konzentration ermöglichen eine erfolgreiche Sterilisation innerhalb einer kurzen Expositionsdauer von wenigen Sekunden. Nach diesem Prozessschritt wird sterile Heißluft zur Eliminierung des H2Oeingesetzt, um eine Produktkontamination mit der Chemikalie zu vermeiden. Weiterhin zerfällt Wasserstoffperoxid zu den umweltfreundlichen Endprodukten Wasserdampf und Sauerstoff.

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Die Validierung des Sterilisationsprozesses erfolgt derzeit in der Industrie mittels zeit- und kostenintensiven mikrobiologischen Challenge-Tests (End-Punkt- und Keimreduktions-Test). Um den Prozess zeitnah und parametrisch erfassen zu können, wurden jetzt Gassensoren basierend auf dem kalorimetrischen Sensorprinzip entwickelt.

Online-Erfassung mit kalorimetrischem Gassensor

Kalorimetrische Gassensoren sind insbesondere aus der Grubentechnik zur Detektion von brennbaren Gasen unter Tage bekannt. Das Grundprinzip des Sensors basiert auf der katalytischen Umsetzung eines Analyten, im vorliegenden Beispiel ist dies das Wasserstoffperoxid. Bei der katalytischen Umsetzung von H2Ozerfällt dieses in Wasserdampf und Sauerstoff unter Abgabe der Reaktionsenthalpie (ΔHr). In einer Differenzanordnung (s. Bild 1 oben) kann die Gastemperatur mit einem speziell passivierten Temperatursensor (passives Sensorelement) und dem aktiven Sensorelement, bei dem die katalytische Umsetzung stattfindet, erfasst werden. Die resultierende Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den beiden Sensorelementen korreliert mit den umgesetzten H2O2-Molekülen (n) und somit mit der vorherrschenden Konzentration, wie in folgender Gleichung dargestellt [1]:

ΔT ∝ n (–ΔHr).

Bild 2a: Dünnschicht-Gassensoren auf flexiblem Polyimid (Dicke 25 µm) nach Herstellung ohne Katalysator. © Schöning/FH Aachen

Zur Detektion von H2O2-Gas wurden, basierend auf diesem Sensorprinzip, verschiedene Gassensoren mittels Dünn- und Dickschichttechnologien entwickelt und hinsichtlich der Anwendung in aseptisch arbeitenden Abfüllanlagen optimiert. Als Katalysator für die Umsetzung von Wasserstoffperoxid wurden Manganoxid (MnO2), Platin (Pt) und Palladium (Pd) charakterisiert und je nach Anwendung eingesetzt. Für die Anpassung des Gassensors an industrielle Prozesse wurde dieser auf verschiedenen Trägermaterialien, wie Silizium, Glas oder Polyimid, hergestellt. Insbesondere der Polyimid-basierte und somit flexible Gassensor (s. Bild 2) eröffnet die Möglichkeit, die H2O2-Konzentration innerhalb von Verpackungen zu erfassen. Die Ankopplung des Gassensors an eine eigens entwickelte, drahtlose Auswerteeinheit kann zur online-Erfassung innerhalb der Prozesskette beim aseptischen Abfüllen genutzt werden [2].

Bild 2b:Dünnschicht-Gassensoren auf flexiblem Polyimid: Sensoransicht mit MnO2 als Katalysator auf der rechten Sensorseite. © Schöning/FH Aachen

Eine exemplarische Messkurve des kalorimetrischen Gassensors auf Polyimid ist in Bild 3a gezeigt. Im oberen Bereich des Diagramms sind die Temperaturen der beiden Sensorelemente (aktiv und passiv) aufgeführt. Im unteren Bereich findet sich die vorherrschende H2O2-Konzentration (gestrichelt, blaue Kurve) und die Temperaturdifferenz der beiden Sensorsignale. Neben den Vorteilen eines flexiblen Gassensors zur Implementierung in Verpackungen und Anlagen konnte mit diesem Sensoraufbau eine Gaskonzentration bis zu einer unteren Nachweisgrenze von 0,15 Vol.-% nachgewiesen werden [3]. In Bild 3b ist die dazugehörige Kalibrierkurve des Sensors gezeigt, diese weist ein lineares Sensorverhalten im H2O2-Konzentrationsbereich von 0,15 Vol.-% bis 8 Vol.-% auf. Mit dem kalorimetrischen Gassensor können so industrielle Sterilisationsprozesse unmittelbar eingefahren und überwacht werden [4].

Sporen-basierter Biosensor in der Entwicklung

Bild 3a: Exemplarische Messkurve eines kalorimetrischen H2O2-Gassensors auf einem Polyimid-Substrat. Der obere Bereich zeigt die Erfassung der Temperaturparameter (aktiv und passiv), der untere Bereich zeigt die Temperaturdifferenz als Sensor­signal und die vorliegende H2O2-Konzentration im Bereich von 0,15 Vol.-% bis 8 Vol.-%. © © Schöning/FH Aachen

Neben der Erfassung und Parametrisierung der vorliegenden H2O2-Konzentration wird im industriellen Umfeld eine Validierung mittels mikrobiologischer Verfahren gefordert. In weiteren Forschungsarbeiten wird derzeit ein Sporen-basierter Biosensor entwickelt, um eine unmittelbare Aussage über den Zustand von mikrobiologischen Testorganismen (Sporen) zu treffen [5]. Hier besteht, neben dem Sensordesign, eine wesentliche Herausforderung in der Ankopplung der mikrobiologischen Testorganismen an die Sensoroberfläche: Es muss sichergestellt sein, dass die Sporen nicht prozessbedingt während des Sterilisationsprozesses von der Sensoroberfläche abgelöst werden, sondern die Interaktion mit dem Sterilisationsmedium sensorisch erfasst werden kann [6]. In Bild 4 ist die Kombination des Sporen-basierten Biosensors mit dem kalorimetrischen Gassensor auf einer gemeinsamen Chip-Plattform gezeigt. Diese besteht im oberen Teil aus einer Differenzanordnung von Elektrodenstrukturen, die auf einer Seite mit Sporen des Typs Bacillus atrophaeus immobilisiert sind. Im unteren Teil ist der kalorimetrische Gassensor ausgeführt. 

Bild 3b: Die Kalibrierkurve des Sensors weist ein lineares Verhalten im untersuchten Konzentrationsbereich auf. © © Schöning/FH Aachen

Die Charakterisierung der mikrobiologischen Sporen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigt eine morphologische Veränderung aufgrund der Interaktion mit dem Sterilisationsmedium (Bild 4, rechte Seite). Bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenstrukturen bildet sich ein elektrisches Feld aus, mit dem diese morphologische Veränderung als Impedanz-Änderung messbar wird. Eine Matrix zur Abbildung der Sterilisationswirkung mit den beiden Sensoren (kalorimetrischer Gassensor und Sporen-basierter Biosensor) sowie der konventionell eingesetzten mikrobiologischen Methode (Abtötungsrate), konnte erstmals in Ref. [5] gezeigt werden.

Fazit

Zur Validierung und Parametrisierung der Sterilisationswirkung von gasförmigem H2Obildet der kalorimetrische Gassensor im industriellen Einsatz einen wesentlichen Vorteil, da mit diesem Sensor die Gaskonzentration innerhalb des Prozesses direkt messbar wird. Eine drahtlose Schnittstelle der Sensormodule ermöglicht die Anbindung im Sinne von Industrie 4.0. Kombiniert man den kalorimetrischen Gassensor mit dem Sporen-basierten Biosensor, wird die sensorische Abbildung des Sterilisationsprozesses erheblich erweitert. 

Zur weiteren Etablierung und Industrialisierung der Sensorik werden für zukünftige Projekte Kooperationen mit Unternehmen gesucht.

Danksagung
Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung der folgenden Projekte: „EfficientSterile“, gefördert durch Mittel der Europäischen Union und dem Land NRW im Rahmen des Programms EFRE.NRW 2014-2020; „SteriSens“, gefördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms FHprofUnt; „ImpediPack“, gefördert mit Mitteln des BMBF im Rahmen des Programms IngenieurNachwuchs 2013.

AUTOREN

Jan Oberländer1
Farnoosh Vahidpour1
Julio Arreola1
Torsten Wagner1
Michael J. Schöning1,2

1Institut für Nano- und Biotechnologien, FH Aachen University of Applied Sciences, Campus Jülich

2Institute of Complex Systems Bioelectronics (ICS-8), Forschungszentrum Jülich

___

Literatur

  1. Oberländer, P. Kirchner, M. Keusgen, M. J. Schöning, Electrochim. Acta 2015, 183, 130 – 136. DOI: 10.1016/j.electacta.2015.06.126.
  2. Kirchner, J. Oberländer, H.-P. Suso, G. Rysstad, M. Keusgen, M. J. Schöning, Phys. Status Solidi A 2013, 210 (5), 877 – 883. DOI: 10.1002/pssa.201200920.
  3. Vahidpour, J. Oberländer, M. J. Schöning, Phys. Status Solidi A 2018, 215 (15), 1800044 (1–7). DOI: 10.1002/pssa.201800044.
  4. Kirchner, J. Oberländer, H.-P. Suso, G. Rysstad, M. Keusgen, M. J. Schöning, Food Control 2013, 31 (2), 530 – 538. DOI: 10.1016/j.foodcont.2012.11.048.
  5. Oberländer, M. Mayer, A. Greeff, M. Keusgen, M. J. Schöning, Biosens. Bioelectron. 2018, 104, 87 – 94. DOI: 10.1016/j.bios.2017.12.045.
  6. Arreola, M. Keusgen, M. J. Schöning, Electrochim. Acta 2019, 302, 394 – 401. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.01.148.
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