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Ethylenoxidsterilisationsprozesses

Es ist von Vorteil, den Ethylenoxidsterilisationsprozess (EO- oder EtO-Verfahren) zu kennen, wenn die verschiedenen Sterilisationsoptionen abgewogen werden. Mit einer genaueren Kenntnis des Verfahrens können nicht notwendige Produkttests vermieden werden oder erforderliche Änderungen am Produkt erkannt werden, bevor eine Sterilisation mittels EO durchgeführt werden kann. Die folgenden Informationen – auch wenn diese generischer Natur sind – wurden zusammengestellt, um grundlegende Informationen über den Ethylenoxidsterilisationsprozess zu liefern.

Der EO-Sterilisationsprozess wird von der Gesundheitsbranche seit den frühen 1940er-Jahren eingesetzt, um medizinische Produkte zu sterilisieren (Griffith and Hall – 1940, 1943)1. Auch wenn die Verfahren nicht so gut gesteuert werden konnten wie heute, ist der Aufbau des Verfahrens den frühen Prozessentwürfen noch immer sehr ähnlich. Diese Ähnlichkeiten sind der Natur des Gases selbst geschuldet.

Einfach, aber effektiv

In seiner reinen Form (100 Prozent) ist der Dampf von Ethylenoxid brennbar und explosiv, wenn er mit nur 3 Volumenprozent Luft gemischt wird.2 Um das Gas sicher als Industriesterilisationsmittel zu verwenden, wurde der Prozess so entwickelt, dass die Zyklusphasen auf eine Art und Weise durchgeführt werden, dass das Verfahren zu keinem Zeitpunkt einen unsicheren Zustand erreicht. Der Prozess wird in einfacher Form wie folgt beschrieben:

In einer vakuumdichten Kammer wird ein anfängliches Vakuum initiiert, um die Luft zu entfernen und eine unsichere Mischung zu verhindern, wenn das EO eingeleitet wird. Nach Abschluss des Vakuums wird Feuchtigkeit, meistens in Form von Dampf, in die Kammer geleitet, um die Feuchtigkeit zu ersetzen, die während der ersten Vakuumsphase verloren geht.

Als nächstes wird Ethylenoxidgas bis zu einer zuvor festgelegten Konzentration eingeleitet. Die Konzentration wird so festgelegt, dass ein angemessener Sterilisationsprozess sichergestellt werden kann. Nachdem das Produkt dem EO für eine kontrollierte und zuvor festgelegte Zeitdauer ausgesetzt wurde, werden mehrere Wäschen durchgeführt, um das EO aus der Kammer zu entfernen. Eine Wäsche besteht aus dem Erzeugen eines Vakuums, gefolgt von einer Druckbeaufschlagung mit Inertgas, im Normalfall Stickstoff. Die Vakuumierungs- und Druckbeaufschlagungsverfahren werden einige Male wiederholt, bis die Atmosphäre in der Kammer unter der Entflammbarkeitsgrenze von 3 % EO liegt.

Ein einfaches EO-Verfahren im Detail

1. Vorkonditionierung der Atmosphäre

Die meisten EO-Sterilisationsprozesse beginnen mit der Konditionierung der zu sterilisierenden Produkte außerhalb der Sterilisationskammer. Die Vorkonditionierung wird im Normalfall in einem Raum durchgeführt, der speziell dafür entwickelt wurde, Produkte, bevor diese in die Kammer gebracht werden, zu erwärmen und zu befeuchten, bis eine stabile innere Temperatur und Feuchtigkeit erreicht wird. So kann sichergestellt werden, dass der Sterilisationsprozess – unabhängig von externen Einflüssen, wie beispielsweise unterschiedlichen Klimabedingungen – reproduzierbar ist.

Zu bedenkende Punkte:
  • Denken Sie daran, dass das Produkt zwischen 12 und 72 Stunden lang erwärmt und befeuchtet werden muss. Die Integrität der Verpackung und deren Vermögen, Vorkonditionierungsbedingungen von Sollwerten von 47 °C (118 °F) und 65 Prozent relativer Feuchtigkeit auszuhalten, müssen berücksichtigt werden. Die Stärke und Stabilität der Verpackung in dieser rauen Umgebung müssen insbesondere beachtet werden.
  • Sobald die Vorkonditionierung abgeschlossen ist, werden die Produkte in eine geheizte Kammer gegeben, die dafür entwickelt wurde, während des Sterilisationsprozesses extremem Druck standzuhalten.

2. Erste Vakuumierung

Um den 100%igen Ethylenoxidprozess sicher durchzuführen, müssen mindestens 97 Prozent der Luft aus der Kammer entfernt werden. Heute sind die zwei häufigsten Möglichkeiten (1) das Erzeugen eines tiefen Vakuums oder (2) das Durchführen mehrerer Teilvakua, gefolgt von einer Reihe an Stickstoffeinleitungen. Diese Kombination, wenn sie ausreichend oft wiederholt wird, reinigt (entfernt) die Luft und ermöglicht das sichere Durchführen des Verfahrens.

Zu bedenkende Punkte:
  • Die Geschwindigkeit des ersten Vakuums wird so gewählt und gesteuert, dass das Produkt die Druckänderungen aushalten kann. Die Vakuumierungsgeschwindigkeit wird so gewählt, dass die Integrität der Verpackung aufrechterhalten wird und die Luft aus der Verpackung austreten kann, ohne dass die Integrität der Versiegelung Schaden nimmt. So kann sichergestellt werden, dass die Sterilitätsbarriere der Verpackung und somit auch des Produkts aufrechterhalten wird, wenn der Prozess abgeschlossen ist.
  • Der negative Druck (das Vakuum), der während des Prozesses aufgebaut werden kann, wird durch die Druckempfindlichkeit des Produkts vorgegeben. Einige Geräte und/oder Komponenten sind nicht dafür ausgelegt, tiefe Vakua und/oder hohen Druck auszuhalten. Wenn diese dennoch dem extremen Druck ausgesetzt werden, der für ein tiefes Vakuum oder einen 100%igen EO-Prozess erforderlich ist, dann können die Verpackung und das Produkt Schaden nehmen.
  • Bei diesen druckempfindlichen Produkten werden flache Vakua oder ein leichter Stickstoffzyklus eingesetzt. Bei einem leichten Stickstoffzyklus wird zunächst ein flaches Vakuum erzeugt, gefolgt von einer Stickstoffeinleitung. Die Kombination aus Vakuum und Stickstoffeinleitung wird Stickstoffwäsche genannt. Dieser Vorgang wird mehrere Male wiederholt (mehrere Stickstoffwäschen), um eine angemessene Entfernung der Luft aus dem Behälter sicherzustellen.
  • Auch wenn dieses Verfahren die Integrität der Verpackung nicht so sehr beansprucht, ist ein 100%iger EO-Prozess einem leichten Stickstoffzyklus vorzuziehen. Durch das Durchführen zusätzlicher Wäschen, die aus Sicherheitsgründen erforderlich sind, wird das Gesamtverfahren länger. So wird die Markteinführung von Produkten verzögert und durch die längere Sterilisationszeit entstehen zusätzliche Kosten, sofern ein Sterilisationsservice verwendet wird.

3. Befeuchtung

Eine vollkommene Inaktivierung der Mikroorganismen mithilfe von Ethylenoxid kann erreicht werden, wenn die Sterilisationsbedingungen in der Kammer erreicht werden. Die vier aktiven Bestandteile für ein erfolgreiches Verfahren sind:

  • Wärme
  • Feuchtigkeit
  • Gaskonzentration
  • Zeit

Während der Vorkonditionierung wurden Wärme und Feuchtigkeit zum Produkt hinzugefügt, um eine zuvor festgelegte bzw. stabile Umgebung zu schaffen. Wenn die Phase der ersten Vakuumierung durchgeführt wird, verliert das Produkt eine bedeutende Menge an Feuchtigkeit. Diese Feuchtigkeit muss vor der Einleitung des Ethylenoxids ersetzt werden. Dies wird in Form von Dampfeinleitungen erreicht. Die Menge des einzuleitenden Dampfes wird errechnet, um eine zuvor festgelegte relative Feuchtigkeit zu erreichen.3 Nach der Einleitung des Dampfes verweilt das Produkt so lange darin, bis die während der Vakuumierungsphase verlorengegangene Feuchtigkeit ersetzt wurde.

Zu bedenkende Punkte:
  • Während der Befeuchtungsphase des Prozesses wird das Produkt erhöhter Feuchtigkeit und Wärme ausgesetzt. Achten Sie bei der Auswahl der Verpackung darauf, dass diese für den Prozess geeignet ist.
  • Das Feuchtigkeitsniveau wird vom Wissenschaftler festgelegt, der den Prozess entwirft. Die Feuchtigkeit muss für Sterilisationszwecke ein angemessenes Niveau erreichen. Auch muss darauf geachtet werden, dass eine Überhitzung vermieden wird, wenn Dampf eingeleitet wird. Es ist äußerst wichtig, alle Temperaturbegrenzungen vor der Verfahrensentwicklung zu kennen. Sofern erforderlich kann der Wissenschaftler die Parameter des Zyklus eines bestehenden Verfahrens anpassen, um die Produktempfindlichkeit gegenüber Wärme zu kompensieren. Die Anpassung kann in einem längeren Gesamtverfahren resultieren.

4. Gaseinleitung und Gasverweildauer

Nach der Befeuchtungsphase wird flüssiges Ethylenoxid zunächst erhitzt, bis es gasförmig wird. Dieses Gas wird in die Kammer eingeleitet. Die Menge an Gas bzw. die Gaskonzentration3 hängt von zwei primären Faktoren ab, die während der Planung des Zyklus berücksichtigt werden müssen.

Der wichtigste Faktor ist die Sicherstellung, dass die Mindestgaskonzentration, die erforderlich ist, um die Sterilität des Produkts zu gewährleisten, erreicht wird. Diese Mindestkonzentration muss gegen den zweiten Faktor abgewogen werden: Wie viel Gas darf maximal eingeleitet werden, damit keine Probleme aufgrund von zu hohen EO-Rückständen nach der Sterilisation entstehen.

Nach der Einleitung des Gases wird die Expositionsphase durchgeführt. In dieser Phase wird das Produkt für eine zuvor festgelegte Zeitdauer Wärme, relativer Feuchtigkeit und Gas ausgesetzt. Als Faustregel kann man davon ausgehen: Je schwieriger die Sterilisation eines Produkts ist, desto länger ist die Expositionsdauer. Die Dauer der Exposition wird vom Wissenschaftler, der das Verfahren entwirft, nach einer gründlichen Analyse des Produkts, der Beladungskonfiguration und des gewünschten Sterilisationsgrads festgelegt. Gegebenenfalls sind Laborexperimente vor der Validierung erforderlich.

Zu bedenkende Punkte:
  • Die Zeit, die für die Expositionsphase des Prozesses aufgewendet wird, ist abhängig von der Fähigkeit des Gases, alle Teile des Produktes zu durchringen und dieses somit zu sterilisieren. Eine genaue Abwägung der Sterilisationsmethode hinsichtlich der Beschaffenheit des Produkts führt zu einem optimierten Sterilisationsverfahren. So können Zeit und Kosten des Prozesses reduziert werden.

5. Gasreinigung und Lufteinlass nach der Exposition

Nach der Exposition muss das gesamte Gas aus der Kammer entfernt werden, damit das EO-Niveau unter die Entflammbarkeitsgrenze des Gases fällt (3 Prozent bei 30.000 ppm). Dies wird durch mehrere aufeinanderfolgende Zyklen an Vakua und Stickstoffeinleitungen (Stickstoffwäschen) erreicht.

Der maximale Druck für die Wäschen wird vom Wissenschaftler, der den Prozess entwirft, festgelegt, um sicherzustellen, dass die Produkte, die während der Expositionsphase des Prozesses möglicherweise weicher geworden sind, nicht beschädigt werden. Eine ausreichende Anzahl an Wäschen wird durchgeführt, um Rückstände am Produkt zu minimieren und eine sichere Handhabung des Produkts nach der Verarbeitung zu ermöglichen.

Zu bedenkende Punkte:
  • Die Wäschen nach der Exposition sind den Wäschen während der ersten Vakuumierung während des leichten Stickstoffzyklus mit flachen Vakua sehr ähnlich. Bei einem 100%igen EO-Prozess ist das Verfahren ähnlich, es werden jedoch tiefere Vakua verwendet.

6. Erwärmte Belüftung

Um die Verweildauer im Behälter zu verkürzen, werden Produkte nach der Sterilisation häufig zur Entfernung restlicher Gase in einen erwärmten Raum gebracht. Die Temperatur in diesen Räumen ist erhöht und die ausgegasten Rückstände werden permanent aus dem Raum entfernt und gewaschen. Die Belüftungsräume helfen dabei, aerogenes EO zu kontrollieren und die Rückstände im Produkt zu reduzieren. Nach der Belüftung werden die Produkte bis zur weiteren Verwendung eingelagert.

Zu bedenkende Punkte:
  • Die zusätzliche Belüftung und die zusätzliche Wärme beschleunigen den Ausgasungsprozess. Die zur Reinigung der Produkte erforderliche Zeit wird durch die Zusammensetzung des Produktmaterials und die geplante Verwendung des Produkts (Blutkontakt, Kontakt mit Schleimhäuten, Einsatzort usw.) bestimmt. Von der Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI) werden demnächst neue Richtlinien veröffentlicht, die die Norm ISO 10993-74, die momentan in den USA und auf internationalen Märkten der Standard ist, erweitern.

Literaturangaben

  1. Griffith and Hall, L.A. 1940, Sterilization Process. US Patent No. 2, 189,947. Griffith and Hall, L.A. 1943, Sterilization Process, US Patent No. re. 22,284
  2. 1984 Flammability Data on EO-N2-Air Mixtures at 1 Atmosphere, Danbury, CT, Union Carbide, 1984
  3. AAMI TIR No. 15 – 1997. Ethylene Oxide Sterilization Equipment, Process Considerations, and Pertinent Calculations
  4. ISO 10993-7, Biologische Beurteilung von Medizinprodukten – Teil 7: Ethylenoxid- Sterilisationsrückstände, International Organization of Standardization, 2008