Sterilisation

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Apparat zur Sterilisierung der Operationsinstrumente im Verwaltungsgebäude der Schweiz. Kranken- und Hilfsanstalt, 1914–1918 ⓘ

Groß-Sterilisationsanlage (1956) ⓘ

Mit Sterilisation, Sterilisierung und Entkeimung bezeichnet man Verfahren, durch die Materialien und Gegenstände von lebenden Mikroorganismen einschließlich ihrer Ruhestadien (z. B. Sporen) befreit werden. Den damit erreichten Zustand der Materialien und Gegenstände bezeichnet man als „steril“. ⓘ

Die ebenfalls an Stelle von „steril“ verwendete Bezeichnung „keimfrei“ ist nicht präzise genug ausgedrückt, weil es sich bei der Sterilisation nicht nur um die Entfernung oder Abtötung von bestimmten Entwicklungsstadien der Mikroorganismen, nämlich Keimen, handelt, sondern um die Entfernung oder Abtötung aller Mikroorganismen in jedem Entwicklungsstadium. Die Bezeichnung „keimfrei“ hängt zusammen mit der falschen Bezeichnung „Keim“ für Mikroorganismen in jedem Entwicklungsstadium. ⓘ

Bei der Sterilisation von Materialien (z. B. Lebensmittel, Pharmazeutika, Lösungen), medizinischen Instrumenten, Implantaten, Gegenständen, Verpackungen, Geräten (z. B. Endoskope) und Gefäßen (z. B. zur Kultur von Mikroorganismen) werden (im Idealfall) alle enthaltenen oder anhaftenden Mikroorganismen einschließlich deren Dauerformen (beispielsweise Sporen) abgetötet sowie Viren, Prionen (infektiöse Proteine), Plasmide und andere DNA-Fragmente zerstört. ⓘ

In der Praxis gelingt eine vollständige Sterilisation nicht mit 100%iger Sicherheit. Es wird deshalb eine Reduktion der Anzahl an vermehrungsfähigen Mikroorganismen um einen je nach Anwendungsbereich bestimmten Faktor (in Zehnerpotenzen) gefordert oder eine bestimmte Wahrscheinlichkeit der vollständigen Sterilisation. Zum Beispiel wird gefordert, dass der Restgehalt an vermehrungsfähigen Mikroorganismen in einer Einheit des Sterilisierguts höchstens 10⁻⁶ beträgt, das heißt: In einer Million gleichbehandelten Einheiten des Sterilisierguts darf nur ein vermehrungsfähiger Mikroorganismus enthalten sein. ⓘ

Die Sterilisation erfolgt durch physikalische (thermisch, Bestrahlung) oder chemische Verfahren. ⓘ

In der technischen Abgrenzung zur Desinfektion wird bei der Sterilisation in der Regel eine um eine Zehnerpotenz höhere Wahrscheinlichkeit der vollständigen Sterilisation gefordert. ⓘ

Unter Sterilisation versteht man ein Verfahren, das alle Formen von Leben (insbesondere Mikroorganismen wie Pilze, Bakterien, Sporen und einzellige eukaryotische Organismen) und andere biologische Agenzien wie Prionen, die sich in oder auf einer bestimmten Oberfläche, einem Objekt oder einer Flüssigkeit befinden, entfernt, abtötet oder inaktiviert. Die Sterilisation kann auf verschiedene Weise erreicht werden, z. B. durch Hitze, Chemikalien, Bestrahlung, Hochdruck und Filtration. Die Sterilisation unterscheidet sich von der Desinfektion, Desinfizierung und Pasteurisierung dadurch, dass diese Methoden alle Formen von Leben und biologischen Agenzien eher reduzieren als eliminieren. Nach der Sterilisation wird ein Objekt als steril oder aseptisch bezeichnet. ⓘ

Organismen, die auf einer Agarplatte wachsen ⓘ

Anwendungen

Lebensmittel

Einer der ersten Schritte auf dem Weg zu einer modernen Sterilisation wurde von Nicolas Appert unternommen, der entdeckte, dass die Anwendung von Wärme über einen angemessenen Zeitraum den Verfall von Lebensmitteln und verschiedenen Flüssigkeiten verlangsamt und sie so für einen sicheren Verzehr über einen längeren Zeitraum als üblich konserviert. Die Konservierung von Lebensmitteln ist eine Erweiterung desselben Prinzips und hat dazu beigetragen, lebensmittelbedingte Krankheiten ("Lebensmittelvergiftungen") zu reduzieren. Andere Methoden zur Sterilisierung von Lebensmitteln sind die Bestrahlung von Lebensmitteln und die Hochdruckbehandlung (Pascalisierung). ⓘ

Medizin und Chirurgie

Joseph Lister, ein Pionier der antiseptischen Chirurgie. ⓘ

Apparat zur Sterilisierung chirurgischer Instrumente (1914-1918) ⓘ

Im Allgemeinen müssen chirurgische Instrumente und Medikamente, die in einen bereits aseptischen Teil des Körpers gelangen (z. B. in den Blutkreislauf oder durch die Haut), steril sein. Beispiele für solche Instrumente sind Skalpelle, Injektionsnadeln und künstliche Herzschrittmacher. Dies ist auch bei der Herstellung von parenteralen Arzneimitteln unerlässlich. ⓘ

Die Zubereitung von injizierbaren Medikamenten und intravenösen Lösungen für die Flüssigkeitsersatztherapie erfordert nicht nur Sterilität, sondern auch gut konzipierte Behälter, um das Eindringen von Fremdkörpern nach der ersten Sterilisation des Produkts zu verhindern. ⓘ

Die meisten medizinischen und chirurgischen Geräte, die in Gesundheitseinrichtungen verwendet werden, bestehen aus Materialien, die dampfsterilisiert werden können. Seit 1950 gibt es jedoch immer mehr medizinische Geräte und Instrumente aus Materialien (z. B. Kunststoffen), die bei niedrigen Temperaturen sterilisiert werden müssen. Ethylenoxidgas wird seit den 1950er Jahren für hitze- und feuchtigkeitsempfindliche Medizinprodukte verwendet. In den letzten 15 Jahren wurde eine Reihe neuer Niedrigtemperatur-Sterilisationssysteme (z. B. verdampftes Wasserstoffperoxid, Peressigsäure-Tauchverfahren, Ozon) entwickelt, die zur Sterilisation von Medizinprodukten eingesetzt werden. ⓘ

Raumfahrzeuge

Es gibt strenge internationale Vorschriften zum Schutz der Kontamination von Körpern des Sonnensystems durch biologisches Material von der Erde. Die Standards variieren je nach Art der Mission und ihres Ziels; je wahrscheinlicher ein Planet als bewohnbar gilt, desto strenger sind die Anforderungen. ⓘ

Viele Komponenten von Instrumenten, die auf Raumfahrzeugen verwendet werden, können sehr hohen Temperaturen nicht standhalten, so dass Techniken, die keine übermäßigen Temperaturen erfordern, als toleriert gelten, einschließlich Erhitzung auf mindestens 120 °C (248 °F), chemische Sterilisation, Oxidation, Ultraviolett und Bestrahlung. ⓘ

Quantifizierung

Das Ziel der Sterilisation ist die Reduzierung der ursprünglich vorhandenen Mikroorganismen oder anderer potenzieller Krankheitserreger. Der Grad der Sterilisation wird üblicherweise durch ein Vielfaches der dezimalen Reduktionszeit oder des D-Werts ausgedrückt, der die Zeit angibt, die benötigt wird, um die ursprüngliche Anzahl $N_{0}$ auf ein Zehntel ($10^{-1}$) des ursprünglichen Wertes zu reduzieren. Dann ist die Anzahl der Mikroorganismen $N$ nach der Sterilisationszeit $t$ gegeben durch:

${\frac {N}{N_{0}}}=10^{\left(-{\frac {t}{D}}\right)}$.

Der D-Wert ist eine Funktion der Sterilisationsbedingungen und variiert je nach Art der Mikroorganismen, Temperatur, Wasseraktivität, pH-Wert usw. Bei der Dampfsterilisation (siehe unten) wird üblicherweise die Temperatur in Grad Celsius als Index angegeben. ⓘ

Theoretisch ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelner Mikroorganismus überlebt, nie gleich Null. Um dies zu kompensieren, wird häufig die Overkill-Methode angewendet. Bei der Overkill-Methode wird die Sterilisation länger durchgeführt, als es zur Abtötung der auf oder in dem zu sterilisierenden Gut vorhandenen Keime erforderlich ist. Dadurch wird ein Sterilitätssicherungsniveau (SAL) erreicht, das der Wahrscheinlichkeit einer nicht sterilen Einheit entspricht. ⓘ

Für Anwendungen mit hohem Risiko, wie medizinische Geräte und Injektionen, wird von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) ein Sterilitätssicherungsgrad von mindestens 10-6 gefordert. ⓘ

Wärme

Dampf

Bei der Dampfsterilisation, auch bekannt als Sterilisation mit feuchter Hitze, wird erhitzter gesättigter Dampf unter Druck verwendet, um Mikroorganismen durch Denaturierung von Makromolekülen, vor allem Proteinen, zu inaktivieren oder abzutöten. Diese Methode ist ein schnelleres Verfahren als die Sterilisation mit trockener Hitze. Die Dampfsterilisation wird in einem Autoklaven durchgeführt, der auch als Konverter oder Dampfsterilisator bezeichnet wird. Das Produkt wird in die Autoklavenkammer gelegt, die dann versiegelt und mit unter Druck stehendem Dampf für eine bestimmte Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Dampfsterilisationszyklen können entweder als Vorvakuum- oder als Schwerkraftverdrängungszyklen kategorisiert werden. Schwerkraftverdrängungszyklen nutzen die geringere Dichte des eingespritzten Dampfes, um kühlere, dichtere Luft aus dem Kammerablauf zu drücken.[1] Im Vergleich dazu wird bei Vorvakuum-Zyklen ein Vakuum in der Kammer erzeugt, um kühle, trockene Luft zu entfernen, bevor gesättigter Dampf eingespritzt wird, was zu einer schnelleren Aufheizung und kürzeren Zykluszeiten führt. Typische Dampfsterilisationszyklen dauern zwischen 3 und 30 Minuten bei 121-134 °C (250-273 °F) und 100 kPa (15 psi), doch können je nach der Keimbelastung des zu sterilisierenden Gegenstands, seiner Beständigkeit (D-Wert) gegenüber der Dampfsterilisation, der Hitzetoleranz des Gegenstands und dem erforderlichen Sterilitätssicherungsgrad Anpassungen vorgenommen werden. Nach Abschluss eines Zyklus müssen die Flüssigkeiten in einem Druckautoklaven langsam abgekühlt werden, um ein Überkochen zu vermeiden, wenn der Druck abgelassen wird. Dies kann erreicht werden, indem man den Druck in der Sterilisationskammer allmählich abbaut und die Flüssigkeiten unter Unterdruck verdampfen lässt, während der Inhalt abgekühlt wird. ⓘ

Eine ordnungsgemäße Behandlung im Autoklaven inaktiviert alle resistenten bakteriellen Sporen sowie Pilze, Bakterien und Viren, aber es ist nicht zu erwarten, dass alle Prionen eliminiert werden, da sie unterschiedlich resistent sind. Zur Prionenabtötung geben verschiedene Empfehlungen 121-132 °C (250-270 °F) für 60 Minuten oder 134 °C (273 °F) für mindestens 18 Minuten an. Das 263K-Scrapie-Prion wird durch solche Sterilisationsverfahren relativ schnell inaktiviert; andere Scrapie-Stämme sowie Stämme der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CKD) und der bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) sind jedoch resistenter. In einem Versuch mit Mäusen wurde gezeigt, dass die 18-minütige Erhitzung von BSE-positivem Hirngewebe auf 134-138 °C die Prioneninfektiosität nur um 2,5 log verringert. ⓘ

Die meisten Autoklaven verfügen über Messgeräte und Diagramme, die Informationen aufzeichnen oder anzeigen, insbesondere Temperatur und Druck in Abhängigkeit von der Zeit. Die Informationen werden überprüft, um sicherzustellen, dass die für die Sterilisation erforderlichen Bedingungen eingehalten wurden. Vor dem Autoklavieren werden häufig Indikatorstreifen auf die Verpackungen der Produkte geklebt, und einige Verpackungen enthalten Indikatoren. Der Indikator ändert seine Farbe, wenn er dem Dampf ausgesetzt wird, und liefert so eine visuelle Bestätigung. ⓘ

Biologische Indikatoren können auch verwendet werden, um die Leistung des Autoklaven unabhängig zu bestätigen. Im Handel sind einfache biologische Indikatorgeräte erhältlich, die auf mikrobiellen Sporen basieren. Die meisten enthalten Sporen der hitzebeständigen Mikrobe Geobacillus stearothermophilus (früher Bacillus stearothermophilus), die extrem widerstandsfähig gegen Dampfsterilisation ist. Biologische Indikatoren können in Form von Glasfläschchen mit Sporen und flüssigen Medien oder in Form von Sporen auf Papierstreifen in Pergaminhüllen vorliegen. Diese Indikatoren werden an Stellen angebracht, die der Dampf nur schwer erreichen kann, um zu überprüfen, ob der Dampf dorthin vordringt. ⓘ

Beim Autoklavieren ist die Reinigung von entscheidender Bedeutung. Biologische Fremdstoffe oder Schmutz können die Organismen vor dem Eindringen des Dampfes schützen. Eine ordnungsgemäße Reinigung kann durch physisches Schrubben, Beschallung, Ultraschall oder gepulste Luft erreicht werden. ⓘ

Das Druckgaren und Konservieren ist mit dem Autoklavieren vergleichbar und macht Lebensmittel bei korrekter Durchführung steril. ⓘ

Für die Sterilisation von Abfallstoffen, die hauptsächlich aus Flüssigkeit bestehen, kann ein speziell angefertigtes Dekontaminationssystem für Abwässer verwendet werden. Diese Geräte können mit einer Vielzahl von Sterilisationsmitteln arbeiten, wobei die Verwendung von Wärme über Dampf am gebräuchlichsten ist. ⓘ

Autoklav ⓘ

Die Luft im Inneren des Autoklaven wird dabei vollständig durch Wasserdampf ersetzt. Die tatsächliche Dauer eines Sterilisationsvorganges hängt von verschiedenen technischen Ausführungen der Autoklaven ab, wie Größe, Heizleistung, Vakuumpumpen und weiteren technischen Faktoren. Die Autoklaven fallen unter die Druckgeräterichtlinie und Medizinproduktegesetz bzw. Medizinprodukte-Betreiberverordnung und bedürfen daher einer ständigen technischen Überwachung und Sicherheitskontrolle. ⓘ

Hitzeresistenz ⓘ

Resistenzstufe	Organismus/Krankheitserreger	Temperatur (°C)	Zeit (min)
I	Pathogene Streptokokken, Listerien, Polioviren	61,5	30
II	die meisten vegetativen Bakterien, Hefen, Schimmelpilze, alle Viren außer Hepatitis-B	80	30
III	Hepatitis-B-Viren, die meisten Pilzsporen	100	5–30
IV	Bacillus-anthracis-Sporen	105	5
V	Bacillus-stearothermophilus-Sporen	121	15
VI	Prionen	132	60

Trocken

Sterilisator mit trockener Hitze

Trockene Hitze war die erste Methode der Sterilisation und ist ein längerer Prozess als die Sterilisation mit feuchter Hitze. Die Zerstörung von Mikroorganismen durch trockene Hitze ist ein allmähliches Phänomen. Je länger sie den tödlichen Temperaturen ausgesetzt sind, desto größer ist die Zahl der abgetöteten Mikroorganismen. Durch Zwangsbelüftung mit heißer Luft kann die Geschwindigkeit, mit der die Wärme auf einen Organismus übertragen wird, erhöht und die zum Erreichen der Sterilität erforderliche Temperatur und Zeitdauer verringert werden. Bei höheren Temperaturen sind kürzere Expositionszeiten erforderlich, um die Organismen abzutöten. Dadurch können hitzebedingte Schäden an Lebensmitteln verringert werden.

Die Standardeinstellung für einen Heißluftofen beträgt mindestens zwei Stunden bei 160 °C (320 °F). Bei einer Schnellmethode wird die Luft für 6 Minuten bei unverpackten Gegenständen und für 12 Minuten bei verpackten Gegenständen auf 190 °C (374 °F) erhitzt. Trockene Hitze hat den Vorteil, dass sie bei Pulvern und anderen hitzestabilen Gegenständen angewendet werden kann, die von Dampf nachteilig beeinflusst werden (z. B. führt sie nicht zum Rosten von Stahlgegenständen). ⓘ

Abflammen

Das Beflammen wird in mikrobiologischen Labors bei Impfösen und geraden Drähten zum Streuen eingesetzt. Wenn man die Schleife in der Flamme eines Bunsenbrenners oder Alkoholbrenners lässt, bis sie rot glüht, wird sichergestellt, dass alle infektiösen Erreger inaktiviert werden. Dies wird üblicherweise für kleine Metall- oder Glasobjekte verwendet, nicht aber für große Objekte (siehe Verbrennung unten). Während der anfänglichen Erhitzung kann jedoch infektiöses Material von der Oberfläche des Drahtes versprüht werden, bevor es abgetötet wird, wodurch nahe gelegene Oberflächen und Gegenstände kontaminiert werden. Daher wurden spezielle Heizgeräte entwickelt, die die Impfschleife mit einem beheizten Käfig umgeben und so sicherstellen, dass das versprühte Material den Bereich nicht weiter kontaminiert. Ein weiteres Problem ist, dass Gasflammen Kohlenstoff oder andere Rückstände auf dem Objekt hinterlassen können, wenn das Objekt nicht ausreichend erhitzt wird. Eine Variante des Abflammens besteht darin, das Objekt in eine 70 %ige oder höher konzentrierte Ethanollösung zu tauchen und es dann kurz an eine Bunsenbrennerflamme zu halten. Das Ethanol entzündet sich und brennt schnell ab, wobei weniger Rückstände zurückbleiben als bei einer Gasflamme. ⓘ

Verbrennung

Die Verbrennung ist ein Verfahren der Abfallbehandlung, bei dem die in den Abfällen enthaltenen organischen Stoffe verbrannt werden. Bei dieser Methode werden auch alle Organismen zu Asche verbrannt. Sie wird eingesetzt, um medizinische und andere biologisch gefährliche Abfälle zu sterilisieren, bevor sie zusammen mit nicht gefährlichen Abfällen entsorgt werden. Bakterienverbrennungsanlagen sind Mini-Öfen, in denen Mikroorganismen, die sich auf einer Impföse oder einem Draht befinden, verbrannt und abgetötet werden. ⓘ

Tyndallisierung

Die Tyndallisierung, benannt nach John Tyndall, ist ein veraltetes und langwieriges Verfahren zur Verringerung der Aktivität sporulierender Bakterien, die durch eine einfache Methode mit kochendem Wasser zurückbleiben. Bei diesem Verfahren wird das Wasser eine Zeit lang (in der Regel 20 Minuten) bei atmosphärischem Druck gekocht, dann abgekühlt, einen Tag lang bebrütet und der Vorgang insgesamt drei- bis viermal wiederholt. Die Inkubationszeiten dienen dazu, den hitzeresistenten Sporen, die die vorangegangene Kochperiode überlebt haben, die Möglichkeit zu geben, zu keimen und das hitzeempfindliche vegetative (wachsende) Stadium zu bilden, das durch den nächsten Kochschritt abgetötet werden kann. Dies ist wirksam, da viele Sporen durch den Hitzeschock zum Wachstum angeregt werden. Das Verfahren funktioniert nur bei Medien, die das Bakterienwachstum unterstützen können, und sterilisiert keine nicht-nutritiven Substrate wie Wasser. Die Tyndallisierung ist auch gegen Prionen unwirksam. ⓘ

Glasperlen-Sterilisatoren

Glasperlensterilisatoren funktionieren durch Erhitzen von Glasperlen auf 250 °C (482 °F). Die Instrumente werden dann schnell in diese Glasperlen getaucht, die das Objekt erhitzen und gleichzeitig Verunreinigungen von der Oberfläche abkratzen. Glasperlensterilisatoren waren früher eine gängige Sterilisationsmethode, die sowohl in Zahnarztpraxen als auch in biologischen Labors eingesetzt wurde. Seit 1997 sind sie jedoch von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) und den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) nicht mehr als Sterilisatoren zugelassen. In europäischen und israelischen Zahnarztpraxen sind sie nach wie vor beliebt, obwohl es keine aktuellen evidenzbasierten Richtlinien für die Verwendung dieses Sterilisators gibt. ⓘ

Chemische Sterilisation

EO – mit Ethylenoxid sterilisiert, Einwegmaterial ⓘ

EO – mit Ethylenoxid sterilisiert, Einwegmaterial ⓘ

Mit „Trockenantiseptik“ bezeichnet man eine nicht scharf definierte Gruppe von Sterilisationsverfahren. Die Abtötung erfolgt mit Gasen, die auf die trockenen, zu sterilisierenden Gegenstände einwirken. Gassterilisation erfolgt beispielsweise mit Formaldehyd, Ethylenoxid, Ozon oder Wasserstoffperoxid. ⓘ

Sie kommt vielfach in der kaltantiseptischen Abfüllung von Lebensmitteln, insbesondere Getränken, zur Anwendung: Die zu sterilisierenden Objekte, meist Kunststoffflaschen aus PET oder HDPE, werden vor ihrer Befüllung zunächst mit abtötenden Chemikalien, wie insbesondere Peressigsäureprodukten, ausgewaschen (Nassantiseptik); daraufhin erfolgt eine weitere Abtötung von Mikroorganismen mit Gasen, vorzugsweise mittels gasförmig zugeführtem Wasserstoffperoxid. Die zu sterilisierenden Oberflächen sind, im Gegensatz zur Nassantiseptik, nach der Sterilisation trocken, was einen erheblichen Vorteil darstellt. Apparativer Aufwand und Betriebskosten sind bei Trockenantiseptik in der Regel geringer als bei Nassantiseptik. Jedoch sind die Verfahren technisch schwieriger zu beherrschen und erfordern deutlich mehr Know-how. ⓘ

Siehe hierzu beispielsweise die Wasserstoffperoxid-Sterilisation, ein trockenantiseptisches Sterilisationsverfahren, das selbst an extrem resistenten Endosporen eine Reduktion der Überlebenden von weit über 10⁶ in Sekundenbruchteilen bewirkt, jedoch im Vakuum. ⓘ

Chemiclav ⓘ

Auch Chemikalien werden für die Sterilisation verwendet. Erhitzung ist ein zuverlässiges Mittel, um Gegenstände von allen übertragbaren Erregern zu befreien, aber nicht immer geeignet, wenn hitzeempfindliche Materialien wie biologische Materialien, Glasfasern, Elektronik und viele Kunststoffe dadurch beschädigt werden. In diesen Fällen können Chemikalien, entweder in gasförmiger oder flüssiger Form, als Sterilisationsmittel verwendet werden. Bei der Verwendung gasförmiger und flüssiger chemischer Sterilisationsmittel wird zwar das Problem der Hitzeschäden vermieden, doch müssen die Anwender sicherstellen, dass das zu sterilisierende Gut mit dem verwendeten Sterilisationsmittel chemisch verträglich ist und dass das Sterilisationsmittel alle zu sterilisierenden Oberflächen erreichen kann (in der Regel kann es die Verpackung nicht durchdringen). Darüber hinaus stellt die Verwendung chemischer Sterilisationsmittel neue Herausforderungen an die Sicherheit am Arbeitsplatz, da die Eigenschaften, die Chemikalien zu wirksamen Sterilisationsmitteln machen, sie in der Regel für den Menschen schädlich machen. Das Verfahren zur Entfernung von Sterilisationsmittelrückständen von den sterilisierten Materialien hängt von der verwendeten Chemikalie und dem Verfahren ab. ⓘ

Ethylenoxid

Die Gasbehandlung mit Ethylenoxid (EO, EtO) ist eine der gebräuchlichsten Methoden zum Sterilisieren, Pasteurisieren oder Desinfizieren von Gegenständen, da es mit vielen Materialien kompatibel ist. Es wird auch zur Behandlung von Gegenständen verwendet, die empfindlich auf andere Methoden wie Strahlung (Gammastrahlung, Elektronenstrahl, Röntgen), Hitze (feucht oder trocken) oder andere Chemikalien reagieren. Die Ethylenoxid-Behandlung ist die am weitesten verbreitete chemische Sterilisationsmethode, die für etwa 70 % aller Sterilisationen und für über 50 % aller medizinischen Einwegprodukte verwendet wird. ⓘ

Die Ethylenoxidbehandlung wird im Allgemeinen bei 30 bis 60 °C (86 bis 140 °F) mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 30 % und einer Gaskonzentration zwischen 200 und 800 mg/l durchgeführt. In der Regel dauert der Prozess mehrere Stunden. Ethylenoxid ist hochwirksam, da es alle porösen Materialien durchdringt und auch einige Kunststoffe und Folien durchdringen kann. Ethylenoxid tötet alle bekannten Mikroorganismen wie Bakterien (einschließlich Sporen), Viren und Pilze (einschließlich Hefen und Schimmelpilze) ab und ist auch bei wiederholter Anwendung mit fast allen Materialien kompatibel. Es ist entflammbar, giftig und krebserregend, allerdings nur dann, wenn es nicht gemäß den veröffentlichten Anforderungen verwendet wird, und es wird von einigen gesundheitsschädlichen Auswirkungen berichtet. Ethylenoxid-Sterilisatoren und -Prozesse erfordern nach der Installation des Sterilisators, nach größeren Reparaturen oder Prozessänderungen eine biologische Validierung. ⓘ

Das herkömmliche Verfahren besteht aus einer Vorkonditionierungsphase (in einem separaten Raum oder einer Zelle), einer Aufbereitungsphase (meist in einem Vakuumbehälter und manchmal in einem Druckbehälter) und einer Belüftungsphase (in einem separaten Raum oder einer Zelle), um EO-Rückstände und niedrigere Nebenprodukte wie Ethylenchlorhydrin (EC oder ECH) und, von geringerer Bedeutung, Ethylenglykol (EG) zu entfernen. Für einige Produkte gibt es auch ein alternatives Verfahren, das so genannte All-in-one-Verfahren, bei dem alle drei Phasen in einem Vakuum- oder Druckbehälter durchgeführt werden. Diese letztere Option kann eine schnellere Gesamtverarbeitungszeit und eine schnellere Rückstandsabfuhr ermöglichen. ⓘ

Die gängigste EO-Verarbeitungsmethode ist die Gaskammermethode. Um Größenvorteile zu erzielen, wird EO traditionell durch Füllen einer großen Kammer mit einer Kombination aus gasförmigem EO entweder als reines EO oder mit anderen Gasen als Verdünnungsmittel geliefert; zu den Verdünnungsmitteln gehören Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW) und Kohlendioxid. ⓘ

Ethylenoxid wird von den Herstellern medizinischer Geräte immer noch häufig verwendet. Da EO bei Konzentrationen von über 3 % explosiv ist, wurde EO traditionell mit einem inerten Trägergas wie FCKW oder HFCKW geliefert. Die Verwendung von FCKW oder HFCKW als Trägergas wurde aufgrund von Bedenken hinsichtlich des Ozonabbaus verboten. Diese halogenierten Kohlenwasserstoffe werden aufgrund von Vorschriften und der hohen Kosten der Mischungen durch Systeme mit 100 % EO ersetzt. In Krankenhäusern verwenden die meisten EO-Sterilisatoren Einwegkartuschen, da diese bequemer und einfacher zu handhaben sind als die früheren Gasflaschen mit EO-Mischungen. ⓘ

Es ist wichtig, die von der Regierung festgelegten Grenzwerte für EO-Rückstände in und/oder auf verarbeiteten Produkten, die Exposition des Bedieners nach der Verarbeitung, während der Lagerung und Handhabung von EO-Gasflaschen sowie die bei der Verwendung von EO entstehenden Umweltemissionen einzuhalten. ⓘ

Die U.S. Occupational Safety and Health Administration (OSHA) hat den zulässigen Expositionsgrenzwert (PEL) auf 1 ppm - berechnet als achtstündiger zeitlich gewichteter Durchschnitt (TWA) - und 5 ppm als 15-Minuten-Exkursionsgrenzwert (EL) festgelegt. Der vom National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) festgelegte Grenzwert für die unmittelbare Gefahr für Leben und Gesundheit (IDLH) für EO liegt bei 800 ppm. Die Geruchsschwelle liegt bei etwa 500 ppm, d. h. EO ist erst dann wahrnehmbar, wenn die Konzentrationen deutlich über dem OSHA PEL liegen. Daher empfiehlt die OSHA den Einsatz kontinuierlicher Gasüberwachungssysteme zum Schutz von Arbeitnehmern, die EO bei der Verarbeitung verwenden. ⓘ

Stickstoffdioxid

Stickstoffdioxid (NO₂) ist ein schnelles und wirksames Sterilisationsmittel, das gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen eingesetzt werden kann, darunter gängige Bakterien, Viren und Sporen. Die einzigartigen physikalischen Eigenschaften von NO₂-Gas ermöglichen die Dispersion des Sterilisators in einer geschlossenen Umgebung bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck. Der Mechanismus für die Abtötung ist der Abbau der DNA im Sporenkern durch Nitrierung des Phosphatgerüsts, wodurch der exponierte Organismus bei der Absorption von NO₂ getötet wird. Dieser Abbau findet schon bei sehr geringen Konzentrationen des Gases statt. NO₂ hat auf Meereshöhe einen Siedepunkt von 21 °C (70 °F), was bei Umgebungstemperatur zu einem relativ hohen Sättigungsdampfdruck führt. Aus diesem Grund kann flüssiges NO₂ als geeignete Quelle für das Sterilisiergas verwendet werden. Flüssiges NO₂ wird häufig unter dem Namen seines Dimers, Distickstofftetroxid (N₂O₄), bezeichnet. Die niedrige Konzentration, die erforderlich ist, und der hohe Dampfdruck sorgen dafür, dass sich auf den zu sterilisierenden Geräten keine Kondensation bildet. Dies bedeutet, dass unmittelbar nach dem Sterilisationszyklus keine Belüftung der Geräte erforderlich ist. NO₂ ist außerdem weniger korrosiv als andere Sterilisationsgase und mit den meisten medizinischen Materialien und Klebstoffen kompatibel. ⓘ

Der resistenteste Organismus (MRO) bei der Sterilisation mit NO₂-Gas ist die Spore von Geobacillus stearothermophilus, die sowohl bei der Dampf- als auch bei der Wasserstoffperoxid-Sterilisation die gleiche MRO ist. Die Sporenform von G. stearothermophilus wurde im Laufe der Jahre als biologischer Indikator bei Sterilisationsanwendungen gut charakterisiert. Die mikrobielle Inaktivierung von G. stearothermophilus mit NO₂-Gas verläuft schnell und log-linear, wie es für andere Sterilisationsverfahren typisch ist. Noxilizer, Inc. hat diese Technologie kommerzialisiert, um in seiner Anlage in Baltimore, Maryland (USA), Vertragssterilisationsdienste für medizinische Geräte anzubieten. Dies wurde im Labor von Noxilizer in mehreren Studien nachgewiesen und wird durch veröffentlichte Berichte anderer Labors bestätigt. Die gleichen Eigenschaften ermöglichen auch eine schnellere Entfernung des Sterilisiermittels und der Restgase durch Belüftung der geschlossenen Umgebung. Die Kombination aus schneller Abtötung und einfacher Entfernung des Gases ermöglicht kürzere Gesamtzykluszeiten während des Sterilisations- (oder Dekontaminations-) Prozesses und ein geringeres Maß an Sterilisationsmittelrückständen als bei anderen Sterilisationsmethoden. Eniware, LLC hat einen tragbaren, stromlosen Sterilisator entwickelt, der weder Strom noch Wärme oder Wasser benötigt. Das 25-Liter-Gerät ermöglicht die Sterilisation von chirurgischen Instrumenten für chirurgische Teams in entlegenen Gebieten, in Gesundheitszentren auf der ganzen Welt mit unterbrochener oder fehlender Stromversorgung sowie in der Katastrophenhilfe und in humanitären Krisensituationen. Der vierstündige Zyklus verwendet eine Ampulle zur einmaligen Gaserzeugung und einen Einwegwäscher zur Entfernung von Stickstoffdioxidgas. ⓘ

Ozon

Ozon wird in der Industrie zur Sterilisierung von Wasser und Luft sowie als Desinfektionsmittel für Oberflächen eingesetzt. Es hat den Vorteil, dass es die meisten organischen Stoffe oxidieren kann. Andererseits ist es ein giftiges und instabiles Gas, das vor Ort hergestellt werden muss, so dass es in vielen Bereichen nicht praktikabel ist. ⓘ

Ozon bietet als Sterilisiergas viele Vorteile. Aufgrund seiner starken oxidierenden Eigenschaften (E=2,076 vs SHE) ist Ozon ein sehr effizientes Sterilisiermittel, das eine Vielzahl von Krankheitserregern, einschließlich Prionen, zerstören kann, ohne dass gefährliche Chemikalien eingesetzt werden müssen, da das Ozon im Sterilisator aus medizinischem Sauerstoff erzeugt wird. Die hohe Reaktivität von Ozon bedeutet, dass überschüssiges Ozon durch einen einfachen Katalysator zerstört werden kann, der es in Sauerstoff umwandelt, wodurch die Zykluszeit relativ kurz ist. Der Nachteil der Verwendung von Ozon ist, dass das Gas sehr reaktiv und sehr gefährlich ist. Der NIOSH-Grenzwert für die unmittelbare Gefahr für Leben und Gesundheit (IDLH) für Ozon liegt bei 5 ppm und damit 160 Mal niedriger als der IDLH-Wert von 800 ppm für Ethylenoxid. NIOSH und OSHA haben den PEL-Wert für Ozon auf 0,1 ppm festgelegt, berechnet als zeitlich gewichteter Acht-Stunden-Mittelwert. Die Hersteller von Sterilisiergasen statten ihre Produkte mit zahlreichen Sicherheitsmerkmalen aus, doch ist es ratsam, die Exposition gegenüber Ozon kontinuierlich zu überwachen, um im Falle eines Lecks eine schnelle Warnung auszusprechen. Monitore zur Bestimmung der Ozonbelastung am Arbeitsplatz sind im Handel erhältlich. ⓘ

Glutaraldehyd und Formaldehyd

Glutaraldehyd und Formaldehydlösungen (auch als Fixiermittel verwendet) sind anerkannte flüssige Sterilisationsmittel, sofern die Einwirkungszeit ausreichend lang ist. Um alle Sporen in einer klaren Flüssigkeit abzutöten, kann es bei Glutaraldehyd bis zu 22 Stunden dauern, bei Formaldehyd sogar noch länger. Das Vorhandensein von festen Partikeln kann die erforderliche Zeit verlängern oder die Behandlung unwirksam machen. Die Sterilisation von Gewebeblöcken kann aufgrund der Zeit, die das Fixiermittel benötigt, um einzudringen, wesentlich länger dauern. Glutaraldehyd und Formaldehyd sind flüchtig und sowohl bei Hautkontakt als auch beim Einatmen giftig. Glutaraldehyd hat eine kurze Haltbarkeit (<2 Wochen) und ist teuer. Formaldehyd ist billiger und wesentlich länger haltbar, wenn man etwas Methanol hinzufügt, um die Polymerisation zu Paraformaldehyd zu verhindern, ist aber wesentlich flüchtiger. Formaldehyd wird auch als gasförmiges Sterilisationsmittel verwendet; in diesem Fall wird es vor Ort durch Depolymerisation von festem Paraformaldehyd hergestellt. Viele Impfstoffe, wie z. B. der Original-Polioimpfstoff von Salk, werden mit Formaldehyd sterilisiert. ⓘ

Wasserstoffsuperoxyd

Wasserstoffperoxid, sowohl in flüssiger Form als auch als verdampftes Wasserstoffperoxid (VHP), ist ein weiteres chemisches Sterilisationsmittel. Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel, das eine Vielzahl von Krankheitserregern abtöten kann. Wasserstoffperoxid wird zur Sterilisation von hitze- oder temperaturempfindlichen Gegenständen, wie z. B. starren Endoskopen, verwendet. In der medizinischen Sterilisation wird Wasserstoffperoxid in höheren Konzentrationen verwendet, die von etwa 35 % bis zu 90 % reichen. Der größte Vorteil von Wasserstoffperoxid als Sterilisationsmittel ist die kurze Zykluszeit. Während die Zykluszeit für Ethylenoxid 10 bis 15 Stunden betragen kann, haben einige moderne Wasserstoffperoxid-Sterilisatoren eine Zykluszeit von nur 28 Minuten. ⓘ

Zu den Nachteilen von Wasserstoffperoxid gehören die Materialverträglichkeit, die geringere Penetrationsfähigkeit und die Gesundheitsrisiken für den Anwender. Zellulosehaltige Produkte, wie z. B. Papier, können mit VHP nicht sterilisiert werden, und Produkte, die Nylon enthalten, können spröde werden. Die Durchdringungsfähigkeit von Wasserstoffperoxid ist nicht so gut wie die von Ethylenoxid, so dass die Länge und der Durchmesser des Lumens von Gegenständen, die effektiv sterilisiert werden können, begrenzt sind. Wasserstoffperoxid ist ein primärer Reizstoff, und der Kontakt der flüssigen Lösung mit der Haut führt je nach Konzentration und Kontaktzeit zu Bleichungen oder Geschwüren. Es ist relativ ungiftig, wenn es auf niedrige Konzentrationen verdünnt wird, ist aber bei hohen Konzentrationen (> 10 % w/w) ein gefährliches Oxidationsmittel. Die Dämpfe sind ebenfalls gefährlich und wirken sich vor allem auf die Augen und das Atmungssystem aus. Selbst kurzfristige Expositionen können gefährlich sein, und NIOSH hat den IDLH-Wert auf 75 ppm festgelegt, weniger als ein Zehntel des IDLH-Wertes für Ethylenoxid (800 ppm). Eine längere Exposition gegenüber niedrigeren Konzentrationen kann zu dauerhaften Lungenschäden führen, weshalb die OSHA den zulässigen Grenzwert für die Exposition auf 1,0 ppm festgesetzt hat, berechnet als achtstündiger zeitgewichteter Durchschnitt. Die Hersteller von Sterilisatoren bemühen sich sehr, ihre Produkte durch eine sorgfältige Konstruktion und zahlreiche Sicherheitsmerkmale sicher zu machen. Dennoch gibt es immer noch Expositionen am Arbeitsplatz gegenüber Wasserstoffperoxid aus Gassterilisatoren, die in der MAUDE-Datenbank der FDA dokumentiert sind. Bei der Verwendung jeglicher Art von Gassterilisatoren sollten umsichtige Arbeitspraktiken eine gute Belüftung, eine kontinuierliche Gasüberwachung für Wasserstoffperoxid sowie gute Arbeitspraktiken und Schulungen beinhalten. ⓘ

Verdampftes Wasserstoffperoxid (VHP) wird zur Sterilisierung großer geschlossener und versiegelter Bereiche, wie z. B. ganzer Räume und Flugzeuginnenräume, verwendet. ⓘ

Obwohl es giftig ist, zerfällt VHP in kurzer Zeit zu Wasser und Sauerstoff. ⓘ

Peressigsäure

Peressigsäure (0,2 %) ist ein von der FDA anerkanntes Sterilisationsmittel für die Sterilisation medizinischer Geräte wie z. B. Endoskope. Peressigsäure, die auch als Peroxyessigsäure bekannt ist, ist eine chemische Verbindung, die häufig in Desinfektionsmitteln wie Desinfektionsmitteln verwendet wird. Sie wird in der Regel durch die Reaktion von Essigsäure und Wasserstoffperoxid unter Verwendung eines Säurekatalysators hergestellt. Peressigsäure wird nie in unstabilisierten Lösungen verkauft, weshalb sie als umweltfreundlich gilt. Peressigsäure ist eine farblose Flüssigkeit und hat die Summenformel C₂H₄O₃ oder CH3COOOH. In jüngster Zeit wird Peressigsäure in der ganzen Welt eingesetzt, da immer mehr Menschen Oberflächen durch Begasung dekontaminieren, um das Risiko von Covid-19 und anderen Krankheiten zu verringern. ⓘ

Möglichkeiten der chemischen Sterilisierung von Prionen

Prionen sind sehr widerstandsfähig gegenüber chemischer Sterilisation. Es hat sich gezeigt, dass die Behandlung mit Aldehyden wie Formaldehyd die Resistenz der Prionen sogar noch erhöht. Wasserstoffperoxid (3 %) für eine Stunde hat sich als unwirksam erwiesen, da es die Kontamination um weniger als 3 logs (10-3) reduziert. Auch Jod, Formaldehyd, Glutaraldehyd und Peressigsäure bestehen diesen Test (einstündige Behandlung) nicht. Nur Chlor, Phenolverbindungen, Guanidiniumthiocyanat und Natriumhydroxid reduzieren den Prionenspiegel um mehr als 4 logs; Chlor (zu korrosiv für bestimmte Gegenstände) und Natriumhydroxid sind am beständigsten. Viele Studien haben die Wirksamkeit von Natriumhydroxid belegt. ⓘ

Sterilisation durch Strahlung

Die Sterilisation kann durch elektromagnetische Strahlung wie ultraviolettes Licht, Röntgen- und Gammastrahlen oder durch die Bestrahlung mit subatomaren Teilchen wie Elektronenstrahlen erfolgen. Elektromagnetische oder partikuläre Strahlung kann energiereich genug sein, um Atome oder Moleküle zu ionisieren (ionisierende Strahlung), oder weniger energiereich (nicht-ionisierende Strahlung). ⓘ

Sterilisation durch nicht-ionisierende Strahlung

Die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV, aus einer keimtötenden Lampe) ist nützlich für die Sterilisation von Oberflächen und einigen transparenten Gegenständen. Viele Gegenstände, die für sichtbares Licht durchlässig sind, absorbieren UV. UV-Bestrahlung wird routinemäßig verwendet, um das Innere von biologischen Sicherheitswerkbänken zwischen den Einsätzen zu sterilisieren, ist aber in schattigen Bereichen unwirksam, einschließlich Bereichen unter Schmutz (der nach längerer Bestrahlung polymerisiert werden kann, so dass er sehr schwer zu entfernen ist). Auch einige Kunststoffe, wie z. B. Polystyrolschaum, werden bei längerer Bestrahlung beschädigt. ⓘ

Sterilisation mit ionisierender Strahlung

Veranschaulichung der Effizienz der verschiedenen Strahlungstechnologien (Elektronenstrahl, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen) ⓘ

Die Sicherheit von Bestrahlungsanlagen wird von der Internationalen Atomenergiebehörde der Vereinten Nationen geregelt und von den verschiedenen nationalen Nuclear Regulatory Commissions (NRC) überwacht. Die in der Vergangenheit aufgetretenen Unfälle mit Strahlenbelastung werden von der Behörde dokumentiert und gründlich analysiert, um die Ursachen und Verbesserungsmöglichkeiten zu ermitteln. Diese Verbesserungen werden dann für die Nachrüstung bestehender Anlagen und für künftige Planungen vorgeschrieben. ⓘ

Gammastrahlung ist sehr durchdringend und wird häufig zur Sterilisation von medizinischem Einwegmaterial wie Spritzen, Nadeln, Kanülen und Infusionsbesteck sowie von Lebensmitteln eingesetzt. Sie wird von einem Radioisotop, in der Regel Kobalt-60 (⁶⁰Co) oder Cäsium-137 (¹³⁷Cs), emittiert, die Photonenenergien von bis zu 1,3 bzw. 0,66 MeV haben. ⓘ

Der Einsatz eines Radioisotops erfordert eine Abschirmung, um die Sicherheit des Bedienpersonals während des Einsatzes und der Lagerung zu gewährleisten. Bei den meisten Konstruktionen wird das Radioisotop in ein mit Wasser gefülltes Quellenlagerbecken abgesenkt, das die Strahlung absorbiert und dem Wartungspersonal den Zugang zum Strahlenschutz ermöglicht. Bei einer Variante bleibt das Radioisotop ständig unter Wasser und das zu bestrahlende Produkt wird in hermetisch verschlossenen Glocken in das Wasser abgesenkt; bei diesen Ausführungen ist keine weitere Abschirmung erforderlich. Andere, seltener verwendete Konstruktionen verwenden eine trockene Lagerung mit beweglichen Abschirmungen, die die Strahlungswerte in Bereichen der Bestrahlungskammer reduzieren. Ein Zwischenfall in Decatur, Georgia, USA, bei dem wasserlösliches Cäsium-137 in das Lagerbecken der Strahlenquelle gelangte und ein Eingreifen der NRC erforderlich machte, führte dazu, dass die Verwendung dieses Radioisotops fast vollständig zugunsten des teureren, nicht wasserlöslichen Kobalt-60 aufgegeben wurde. Kobalt-60-Gamma-Photonen haben etwa die doppelte Energie und damit eine größere Reichweite als die von Cäsium-137 erzeugte Strahlung. ⓘ

Die Elektronenstrahlbehandlung wird ebenfalls häufig zur Sterilisation eingesetzt. Elektronenstrahlen arbeiten mit einer On-Off-Technologie und bieten eine viel höhere Dosisleistung als Gamma- oder Röntgenstrahlen. Aufgrund der höheren Dosisleistung ist eine kürzere Bestrahlungszeit erforderlich, wodurch eine mögliche Schädigung der Polymere reduziert wird. Da Elektronen eine Ladung tragen, sind Elektronenstrahlen weniger durchdringend als Gammastrahlen und Röntgenstrahlen. Die Anlagen sind auf umfangreiche Betonabschirmungen angewiesen, um die Mitarbeiter und die Umwelt vor der Strahlenbelastung zu schützen. ⓘ

Hochenergetische Röntgenstrahlen (erzeugt durch Bremsstrahlung) ermöglichen die Bestrahlung von großen Paketen und Palettenladungen mit medizinischen Geräten. Sie sind ausreichend durchdringend, um mehrere Palettenladungen von Verpackungen mit geringer Dichte mit sehr guten Dosisgleichmäßigkeitsverhältnissen zu behandeln. Für die Röntgensterilisation ist kein chemisches oder radioaktives Material erforderlich: Hochenergetische Röntgenstrahlen werden mit hoher Intensität von einem Röntgengenerator erzeugt, der bei Nichtgebrauch keine Abschirmung benötigt. Röntgenstrahlen werden durch den Beschuss eines dichten Materials (Target) wie Tantal oder Wolfram mit hochenergetischen Elektronen in einem Prozess erzeugt, der als Bremsstrahlungskonversion bekannt ist. Diese Systeme sind energieineffizient, da sie für das gleiche Ergebnis viel mehr elektrische Energie benötigen als andere Systeme. ⓘ

Die Bestrahlung mit Röntgen-, Gammastrahlen oder Elektronen macht Materialien nicht radioaktiv, da die verwendete Energie zu gering ist. Im Allgemeinen ist eine Energie von mindestens 10 MeV erforderlich, um Radioaktivität in einem Material zu erzeugen. Neutronen und sehr energiereiche Teilchen können Materialien radioaktiv machen, haben aber eine gute Durchdringung, während Teilchen mit geringerer Energie (außer Neutronen) Materialien nicht radioaktiv machen können, aber eine schlechtere Durchdringung haben. ⓘ

Die Sterilisierung durch Bestrahlung mit Gammastrahlen kann jedoch die Materialeigenschaften beeinträchtigen. ⓘ

Die Bestrahlung wird vom United States Postal Service zur Sterilisierung von Postsendungen in der Region Washington, D.C., eingesetzt. Einige Lebensmittel (z. B. Gewürze und Hackfleisch) werden durch Bestrahlung sterilisiert. ⓘ

Subatomare Teilchen können mehr oder weniger durchdringend sein und je nach Art der Teilchen durch ein Radioisotop oder ein Gerät erzeugt werden. ⓘ

Sterile Filtration

Flüssigkeiten, die durch Hitze, Bestrahlung oder chemische Sterilisation beschädigt würden, wie z. B. Medikamentenlösungen, können durch Mikrofiltration mit Membranfiltern sterilisiert werden. Diese Methode wird häufig für hitzelabile Arzneimittel und Proteinlösungen bei der Verarbeitung von Arzneimitteln eingesetzt. Ein Mikrofilter mit einer Porengröße von normalerweise 0,22 µm entfernt Mikroorganismen wirksam. Es hat sich jedoch gezeigt, dass einige Staphylokokkenarten flexibel genug sind, um 0,22-µm-Filter zu durchdringen. Bei der Verarbeitung von Biologika müssen Viren entfernt oder inaktiviert werden, was den Einsatz von Nanofiltern mit einer kleineren Porengröße (20-50 nm) erfordert. Kleinere Porengrößen verringern die Durchflussrate, so dass zum Erreichen eines höheren Gesamtdurchsatzes oder zur Vermeidung einer vorzeitigen Verstopfung Vorfilter zum Schutz kleinporiger Membranfilter eingesetzt werden können. Tangentialstromfiltration (TFF) und alternierende Tangentialstromfiltration (ATF) verringern ebenfalls die Ansammlung von Partikeln und Verstopfungen. ⓘ

Membranfilter, die in Produktionsprozessen eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus Materialien wie gemischtem Zelluloseester oder Polyethersulfon (PES). Die Filtrationsgeräte und die Filter selbst können als vorsterilisierte Einwegeinheiten in versiegelten Verpackungen gekauft werden oder müssen vom Benutzer sterilisiert werden, im Allgemeinen durch Autoklavieren bei einer Temperatur, die die empfindlichen Filtermembranen nicht beschädigt. Um die ordnungsgemäße Funktion des Filters zu gewährleisten, werden die Membranfilter nach dem Gebrauch und manchmal auch vor dem Gebrauch einem Integritätstest unterzogen. Der zerstörungsfreie Integritätstest stellt sicher, dass der Filter unbeschädigt ist, und ist eine gesetzliche Vorschrift. In der Regel wird die Sterilfiltration von Arzneimitteln in einem Reinraum durchgeführt, um eine Kontamination zu verhindern. ⓘ

Bei der Sterilfiltration werden die Mikroorganismen aus dem Sterilisiergut durch Filtration abgeschieden. Als Filter werden meistens Membranen mit einem Porendurchmesser von 0,22 µm verwendet. Allerdings kann es sinnvoll sein, kleinere Porendurchmesser, etwa 0,1 µm, zu verwenden. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn man zur Herstellung naturnaher bakterieller Kulturmedien Standortwasser wie Meerwasser von den natürlich vorkommenden Bakterien befreien möchte, um es für gezielte Wachstumsexperimente mit bestimmten Bakterienkulturen einzusetzen. Denn Bakterien aus natürlichen, nährstoffarmen Habitaten, wie Böden und Gewässer, sind oft mit Durchmessern von unter 0,22 µm wesentlich kleiner als die in nährstoffreicheren Materialien vorkommenden mit Durchmessern von etwa 0,5 µm. ⓘ

Bei der Filtration können nur kleine Moleküle die Membran passieren, größere Partikel wie Bakterien werden zurückgehalten. Bakterien der Gattung Mycoplasma passieren allerdings die Membran, weil sie wegen Fehlens einer Zellwand verformbar sind. Auch sehr dünne Spirochaeten, also fadenförmige Bakterien, können sozusagen der Länge nach die Poren der Filtermembran passieren. Sterilfiltration wird oftmals zur Sterilisierung hitzeempfindlicher Lösungen, beispielsweise serumhaltiger Gewebekulturlösungen, eingesetzt. Hauptanwendungen sind die Sterilfiltration von wässrigen Lösungen, hitzeempfindlichen Nährlösungen, Vitaminlösungen, Seren, Virusimpfstoffen, Plasmafraktionen und Proteinlösungen. Nach erfolgter Sterilfiltration ist nach europäischem Arzneibuch auf ausreichende Integrität des Filters mit Hilfe des Bubble-Point-Tests zu prüfen. ⓘ

Bewahrung der Sterilität

Eine Kürette in steriler Verpackung. ⓘ

Sterilisierte Instrumente können bis zum Gebrauch in einer versiegelten Verpackung aufbewahrt werden, um sie in diesem Zustand zu halten. ⓘ

Aseptische Technik ist die Aufrechterhaltung der Sterilität während der Verfahren. ⓘ

Siehe auch

• Antibakterielle Seife
• Asepsis
• Aseptische Verarbeitung
• Kontaminationskontrolle
• Elektronenbestrahlung
• Verpackung von Lebensmitteln
• Konservierung von Lebensmitteln
• Lebensmittelsicherheit
• Spaulding-Klassifizierung
• Überwachung von Sterilisiergas ⓘ

Andere Referenzen

• WHO - Leitlinien zur Infektionskontrolle bei transmissiblen spongiformen Enzephalopathien. Abgerufen am 10. Juli 2010
• Ninemeier J. Technisches Handbuch für die Zentralversorgung (6. Auflage). International Association of Healthcare Central Service Materiel Management. Archiviert vom Original am 2020-08-07. Abgerufen am 2018-04-22.
• Kontrolle von Mikroben
• Raju GK, Cooney CL (1993). "Medien- und Luftsterilisation". In Stephanopoulos G (ed.). Biotechnology, 2E, Vol. 3, Bioprocessing. Weinheim: Wiley-VCH. pp. 157-84. ISBN 3-527-28313-7.
• Innovative Technologien für die Biofunktionalisierung und Endsterilisation von Medizinprodukten
• Sterilisation von Flüssigkeiten, Feststoffen, Abfällen in Entsorgungsbeuteln und gefährlichen biologischen Substanzen
• Pharmazeutische Filtration - Das Management der Organismusentfernung, Meltzer TH, Jornitz MW, PDA/DHI 1998
• "Association for Advancement of Medical Instrumentation ANSI/AAMI ST41-Ehylene Oxyde Sterilization in Healthcare facilities: Sicherheit und Effektivität. Arlington, VA: Verein zur Förderung medizinischer Instrumente; 2000. ISBN 1-57020-420-9
• "US Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration.29 CFR 1910.1020. Zugang zu den Krankenakten der Mitarbeiter.". 26. Oktober 2007.
• Perioperative Standards und empfohlene Praktiken, AORN 2013, ISBN 978-1-888460-77-3 ⓘ

Thermische Sterilisation

Für die Sterilisation durch Erhitzen ist die Absterbe-Kinetik von Mikroorganismen von Bedeutung. Das Absterben in einer Mikroorganismen-Population ähnelt dem Zerfall radioaktiver Elemente insofern, als die Anzahl der Überlebenden bei sich nicht vermehrenden Mikroorganismen exponentiell mit der Zeit abnimmt (so wie die Anzahl der noch nicht zerfallenen Atome eines radioaktiven Elements). In jeder Zeiteinheit ist der Anteil der abgestorbenen Individuen einer Population gleich. ⓘ

12D-Konzept

Bei der Hitzesterilisation von Dosenkonserven wird oft das sogenannte 12D-Konzept angewendet. Dabei nimmt man an, dass je Portion (Dose) vor der Sterilisation nicht mehr als etwa 10⁶ Bakterienendosporen (die hitzeresistentesten Lebensformen) enthalten sind, und dass die Portionen mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 × 10⁶ steril sein sollen (das bedeutet, unter einer Million Portionen soll nur eine Portion noch lebende Mikroorganismen enthalten, der Mikroorganismengehalt je Portion soll also 10⁻⁶ sein). Dann ist also der Gehalt an Endosporen durch das Erhitzen um 12 Zehnerpotenzen zu vermindern. Die bei der Temperatur T erforderliche Erhitzungsdauer t_T ist also

$t_{T}=12D_{T}$

Zur Wahl des Werts für D_T: In der Praxis liegen im Sterilisiergut fast immer Mischpopulationen vor, deren Komponenten verschiedene D_T-Werte besitzen. Da weiterhin in der Praxis die Mikroorganismengehalte über eine große Anzahl von Zehnerpotenzen vermindert werden müssen, muss die Erhitzungsdauer mit dem höchsten D_T-Wert derjenigen Mikroorganismen berechnet werden, die in einer nicht zu vernachlässigenden Konzentration enthalten sind, auch wenn der Gehalt an deutlich hitzeempfindlicheren Mikroorganismen, also mit deutlich niedrigerem D_T, wesentlich höher ist. Beispiel: Angenommen, der Gehalt an Mikroorganismen mit einem D_T = 1,0 ist 10⁶, der an Mikroorganismen mit einem D_T = 2,0 ist 10¹. Dann sind für die Verminderung auf einen Gehalt von jeweils 10⁻⁶ die zugehörigen Erhitzungszeiten t_T für die einzelnen Gruppen 12 × 1,0 = 12 min und 7 × 2,0 = 14 min. Obwohl der Gehalt an hitzeempfindlicheren Mikroorganismen (D_T = 1,0) hunderttausendmal höher ist als der der doppelt hitzeresistenteren (D_T = 2,0), muss dennoch der F-Wert mit dem D-Wert der hitzeresistenteren Mikroorganismen berechnet werden, da sonst nicht die gewünschte Wahrscheinlichkeit der Sterilität erreicht wird. ⓘ

C-Wert

Wichtig in diesem Zusammenhang ist noch der C-Wert (cooking). Es gilt C(z) = t X 10^((T-RT)/z), wobei z der z-Wert, t die Zeit in Minuten, T die Behandlungstemperatur, RT die Referenztemperatur und C der Kochwert in Minuten ist. ⓘ

Erhitzen im trockenen Zustand: Heißluftsterilisation

Heißluftsterilisator ⓘ

Dampfsterilisator ⓘ

• Das Ausglühen von metallischen Gegenständen durch Rotglut, etwa 500 °C, ist gebräuchlich bei mikrobiologischen Laborarbeiten.
• Das Abflammen (Flambieren) ist ein kurzes Ziehen des Gegenstandes durch eine Flamme.
• Heißluftsterilisation für Glas, Metalle, Porzellan („backen“), bei
  • 180 °C mindestens 30 min,
  • 170 °C mindestens 60 min,
  • 160 °C mindestens 120 min.

Geräte, die hierfür benutzt werden:

• Heißluft-Sterilisationsschrank für diskontinuierliche Sterilisation
• Heißluft-Sterilisationstunnel für kontinuierliche Sterilisation
  • konventionelle Heizung, 240 bis 320 °C
  • eingedüste Heißluft, 300 bis 400 °C
  • Laminar-Flow-Heißluft ⓘ

Fraktionierte Sterilisation

Die Fraktionierte Sterilisation wird nach dem irischen Physiker John Tyndall auch Tyndallisation benannt. Sie kann nur bei einem Sterilisiergut verwendet werden, in dem hitzeresistente Stadien der darin vorhandenen Mikroorganismen (z. B. Bakterienendosporen) auskeimen können. Das Sterilisiergut wird an mehreren aufeinander folgenden Tagen jeweils auf etwa 100 °C erhitzt und dazwischen bei Raumtemperatur gelagert. Bei der Zwischenlagerung sollen die durch das Erhitzen nicht abgetöteten Sporen auskeimen und die dadurch entstandenen, nicht hitzeresistenten Mikroorganismen-Stadien sollen beim Erhitzen am nächsten Tag abgetötet werden. Die Prozedur muss wiederholt werden, damit sichergestellt wird, dass alle Sporen auskeimen und gegebenenfalls zwischen zwei Erhitzungen eventuell neu gebildete Sporen ebenfalls wieder auskeimen und abgetötet werden. ⓘ

Physikalische Sterilisation

Hochdrucksterilisation

Die Hochdrucksterilisation beruht auf dem Zerstören von Organismen durch hohen Druck. ⓘ

Strahlensterilisation

Sterilisation mit Ionisierender Strahlung: entweder mit UV-, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung (hauptsächlich radioaktive ⁶⁰Co-Quellen) oder Elektronenbeschuss (Elektronenstrahlsterilisation; Strahlenergie zwischen 3 und 12 MeV, typische Dosis 25 kGy). Bei der industriellen Auftragssterilisation (z. B. von medizinischen Einwegartikeln) werden Gamma- oder Elektronenbestrahlung in größerem Umfang eingesetzt. ⓘ

Plasmasterilisation

Die sterilisierende Wirkung von Plasmen ist wissenschaftlich in einer Vielzahl von Untersuchungen prinzipiell nachgewiesen. Dies gilt für Niederdruckentladungen angeregt durch Hochfrequenz oder Mikrowellen bis hin zu Normaldruckentladungen. ⓘ

Die sterilisierende Wirkung ist dabei einerseits auf die im Plasma generierte UV-Strahlung andererseits auf die Bildung chemisch aggressiver Stoffe (freie Radikale) sowie den Beschuss der Mikroorganismen mit Ionen zurückzuführen. Trotz der prinzipiellen Eignung sind in der Realität (z. B. Auftragssterilisation, Praxen, Lebensmittelindustrie) Plasma-basierte Sterilisationsverfahren noch wenig verbreitet. In Krankenhäusern hat die Plasmasterilisation die Gassterilisation weitgehend abgelöst. ⓘ

Entsprechende kommerzielle Systeme, die zur Sterilisation von medizinischen Gerätschaften eingesetzt werden und Plasmageneratoren enthalten, verwenden als Reagenzien dampfförmiges Wasserstoffperoxid oder Peressigsäure, so dass die Sterilisationswirkung in nennenswertem Umfang auf an sich mikrobizide Gase zurückgeführt werden kann. In der Lebensmittelindustrie werden aktuell vermehrt Plasmageräte entwickelt, die in der Lage sind, bei Atmosphärendruck zu sterilisieren, z. B. Verpackungsfolien aus Kunststoff. ⓘ

Bei der Sterilisation von Oberflächen mittels Plasma ist zu beachten, dass die Oberfläche aktiviert wird und gegebenenfalls nach dem Vorgang veränderte Eigenschaften aufweist. Dies ist besonders im Zusammenhang mit der Biokompatibilität von Implantaten relevant. Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass die freien Radikale auch Polymere wie Klebstoffe zersetzen können. Entsprechende Materialkompatibilitätsuntersuchungen sind daher unabdingbar. ⓘ