DE2249190A1

DE2249190A1 - Verfahren zur massensterilisation

Info

Publication number: DE2249190A1
Application number: DE2249190A
Authority: DE
Inventors: Samuel V Nablo
Original assignee: Energy Sciences Inc
Current assignee: Energy Sciences Inc
Priority date: 1971-10-04
Filing date: 1972-10-04
Publication date: 1973-04-12
Also published as: SE385539B; IT986850B; DE2249190C3; GB1361300A; DE2249190B2; CA963984A; FR2155980B1; US3779706A; SU603321A3; JPS5235236B2; FR2155980A1; JPS4848263A

Description

Verfahren zur Massensterilisation

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Massensterilisation mit einem selektiven Abtöten in einer Substanz lebensfähiger Mikroorganismen und dergleichen durch impulsförmige Elektronenstrahlen, ohne eine wesentliche chemische und physikalische Beeinträchtigung bei der Substanz hervorzurufen.

Die Erfindung erschließt neue Arten des Sterilisierens und
Haltbarmachens von Substanzen, wobei das Abtöten oder die
Inaktivierung von schädlichen oder unangenehmen Mikroorganismen ohne Verursachung nennenswerter Beeinträchtigung oder
anderer gesundheitsschädlicher Wirkungen in der Grund- oder Trägersubstanz gesteuert werden kann, eingeschlossen Bakterien, Viren, Hefepilze, Schimmelpilze, Enzyme und eine Anzahl
strahlungsempfindlicher Chemikalien und proteinreicher
Stoffe wie Blutserum.

Früher wurde eine physikalische Sterilisation oder eine
andere Behandlung von Erzeugnissen durch die Verwendung von Strahlung aus Hochenergiemaschinen oder aus Radioisotopen-

309815/11U

quellen wie Kobalt 60 in verringerter Dosisleistung bewirkt, wie z. B. beschrieben in IAEA Veröffentlichung STl/PUB/157, Wien, Österreich, 1967 vom Verfahrenssymposium im Juni 1967 in Budapest über "Radiosterilization of Medical Products". Im Pail von Radioisotopenquellen liegen die wegen der pro Einheitsvolumen der Quelle möglichen begrenzten Strahlungsintensität (spezifische Aktivität) aus großen Quellen von industriellem Interesse verfügbaren Dosis—

2 ¹^ leistungen in einem typischen Bereich von 10 bis 10 Rad pro Sekunde. Für die gewöhnliche Behandlung zur Inaktivierung von Mikroflora werden Pegel von ungefähr 10^ rad und zur Sterilisation werden Pegel von über 10 rad verwendet, wobei diese Beträge Behandlungsperioden in der Größenordnung von Stunden anzeigen, die gegenwärtig in solchen Anlagen benutzt werden, wie z. B* bei der Abschlußsterilisation von einigen medizinischen Waren.

Wegen der mit maschineller Erzeugung von Röntgenstrahlungsquellen verbundenen Umwirksamkeit haben diese Systeme keine weitverbreitete wirtschaftliche Anwendung zur Sterilisation erlangt, wohingegen größere Verfahre!Wirksamkeit durch direkte Verwendung von Elektronenstrahlen erzielt werden kann, Industrielle Elektronenstrahlbeschleuniger (sowohl die der Gleichstrom- als auch der impulsformigen linearen Art) können Dosisleistungen über begrenzte Felder in der Größenordnung von 10' rad/s hervorrufen. Trotz ihrer augenscheinlichen Verbesserung in der Verfahrensleistung und der großen wirtschaftlichen Vorteile einer Verarbeitung bei Raumtemperatur, hat eine solche Betriebsanlage jedoch für industrielle Sterilisation oder ähnliche Verarbeitung nur begrenzte Anwendung gefunden, was auf den in der verarbeiteten Substanz angetroffenen gesundheitsschädlichen Wirkungen beruht. Solche Wirkungen erstrecken sich von schweren organoleptischen Veränderungen in Lebensmitteln, Denatu-

- 3 30981 5/11U

2249T90

rierung von Protein, chemischer Änderung von Kohlehydraten, Hydrolyse von gleichwertigen Lösungen, Entfärbung von Zellulose und anderen natürlichen Produkten bis hin zu anderen nachteiligen Wirkungen.

Eine Sterilisation von Waren durch solche bekannten Techniken hat oft gesundheitsschädliche physikalische Veränderungen in der Ware wie Vernetzung von plastischen Filmen, Abbau eines adhäsiven Belags und eine Entfärbung hervorgerufen.

In den US-PS 2 429 217, 2 807 551, 2 456 909, 2 617 953 und 2 796 545 sind Hochgeschwindigkeits-Breitband-Elektronenstrahlen mit Bestrahlungsperioden von weniger als 10" Sekunden einschließende Behandlungstechniken beschrieben. Diese Geräte befähigen zur Erzeugung intensiver Elektronenstrahlen unbekannter Qualität (Energieverteilung) im allgemeinen über große Flächen und bei Energien von bis zu sechs Millionen Elektronenvolt. Praktische Durchführungen mit geringer analytischer Untermauerung wurden beschrieben,, und es wurde geschlossen, daß die keimtötenden und materiellen Besonderheiten des Verfahrens solange nur wenig durch eine sich wiederholende Behandlung beeinflußt wurden, als die Einzelperiode einer Bestrahlungsaussetzung kurz gehalten wird. Diese Pionierarbeit erlangte jedoch keine wirtschaftliche Bedeutung, möglicherweise unter anderen Gründen wegen der innewohnenden, sich an einem Punkt konzentrierenden Beeinträchtigung chemischer und physikalischer Eigenschaften der behandelten Substanzen.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde jedoch entdeckt, daß es möglich ist, lebensfähige Mikroorganismen und Krankheitserreger und dergleichen in einer großen Auswahl von Substanzen ohne Beeinträchtigung der physikalischen und chemischen Struktur und der Eigenschaften

309815/1UA

— It —

solcher Substanzen durch Verwendung impulsförmiger Elektronenstrahlen mit gesteuertem Wellenband mit ziemlich kritisch eingestellten Strahlungsdosen und -leistungen wirkungsvoll abzutöten.

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein neues und verbessertes Verfahren der Elektronenstrahlsterilisation oder -bestrahlung zu sohaffen, das nicht die vorher erwähnten Nachteile aufweist, sondern ohne Beeinträchtigung der bestrahlten Substanzstruktur wirksam ist. Weiter soll auch eine neuartige Elektronenstrahltechnik von allgemeinerer Anwendbarkeit geschaffen werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine zu sterilisierende Substanz in einem vorher bestimmten Dereich gelagert wird, der impulsförmige im wesentlichen einwellige Elektronenstrahlen erzeugt und auf diesen Bereich im wesentlichen einheitlich gerichtet werden, um die Substanz zu bestrahlen, und der schließlich die Impulse der Elektronenstrahlenergie eingestellt werden, um eine Bestrahlungsdosis von einem Wert innerhalb des Bereiche von ungefähr wenigen zehntel bis zu mehreren Megarad und mit einer

7 Dosisleistung größer als ungefähr 10' Rad pro Sekunde zu erzeugen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung finden sioh in\den Unteransprüchen, wobei die Substanz zumindest eines der aus Blut, Lebensmitteln, pharmazeutischen, kosmetischen und Zellulose enthaltenden Erzeugnissen bestehenden Produkte enthält.

In Übereinstimmung mit der Erfindung können Apparate von der Art verwendet werden, wie in der USA-Anmeldung Ser.No. 31 530 vom 2>i„ April 1970 und in der DT-AS 2 141 376 und in

30981 5/ 1 UA

"Observations of Magnetically Self-Focusing Electron Streams", S. V. tfablo, Appl. Phys. Lett. 8, tto_t 1, 18 (1966), und "The Generation and Diagnosis of Pulsed RelatlvisiLo

1 O

Electron Beams Above ±0 Watt S¹J S. E. Graybill und S, V. Nablo, IEEE Trans. Nuc. Sei. NS-14, No. 3*782, (1967), mit ziemlich kritisch eingestellten und gesteuerten, kleinflächigen, impulsförmigen Elektronenstrahlen hoher Stromdichte (wie von hohem Stromunterschied) und folgerichtig sehr hoher Dosisleistungen, um diese neuen Ergebnisse zu zeitigen» Im Hinblick auf die bekannten und veröffentlichten Besonderheiten von solchen gesteuerten ElektronenStrahlgeneratoren wird es nicht für notwendig gehalten, diese Generatoren hier zu erläutern, da die Erfindung sich eher mit der neuen und unentdeckten Anwendung dieser Geräteart befaßt, die innerhalb gewisser neuer Einstellungen beschrieben wird, um solche Ergebnisse zu erhalten.

Während für die Zwecke der Erfindung, wie später noch erläutert wird, beträchtliche überschüssige Dosisleistungen

7 ^N

von 10' Rad pro Sekunde mit Bestrahlungsdosen von wenigen zehntel bis zu mehreren Megarad für im wesentlichen einwellige, kurzzeitige Elektronenstrahlen hoher intensität erforderlich sind, die Einzelimpulsdosen für ein 5ö-Hanosekunden-System mit z. B. hier verwendeten typischen Dosisleistungen in der Größenordnung von 4 χ IO ^ rad/s erzeugen. Genaue Versuche über die Widerstandskraft von Mikroorganismen ergaben jedoch eine abtötende Wirksamkeit bei Dosisleistungen bis zu ΙΟ* rad/s, z. B# bei anaerob!sehen Sporenbiidnern, aerobischen Sporenbildnern, vegetativen Bakterien, Hefepilzen, Viren, Enzymen, Schimmelpilzen und dergleichen. Vergleichende Studien über vegetative Bakterien und Sporenbildner (bazillus, pumilus und subtilis, mlkrococcus radlodurans und streptococcus faecius) für herkömmliehe, einwellige Elektronenstrahlbehandlungstechnik, wie zuvor erwähnt,

- 6 309815/1144

(bei 10 ^J rad/s) ergaben äquivalente Abtötungsergebnisse und zeigten, daß die Widerstandskraft dieser Mikroorganismen ganz unempfindlich gegenüber der Behandlungsdauer ist, da ihr überleben vielmehr durch die pro Einheitsmasse empfangene integrierte Dosis oder Energie¹ bestimmt wird.

Im Falle einiger Verfahrensanwendungen wurden gesteigerte Wirkungen mit impulsförmigen hohen Dosisleistungen nach der Erfindung beobachtet, wie z. B. bei der Enzyminaktivierung» Eine Inaktivierung des Enzyms Phosphatase in Vollmilch nach der Erfindung wird wieder vorteilhaft mit den herkömmlichen Strahlungsbehandlungstechniken verglichen* In diesem Fall wurde eine sehr große Verminderung bei organoleptlschen und Farbänderungen beobachtet, da die Vollmilch, die als das strahlungsempfindlichste Lebensmittel bekannt ist, keine nachweisbare Veränderung in diesen Eigenschaften bei impulsformigen einwelligen Elektronenstrahlbehandlungspegeln zur Sterilisation zeigt (2 Megarad bei 10 * rad/s). Ähnliche Vergleichsergebnisse wurden bei der Inaktivierung der Enzyme Katalase L und Lysozym erhalten.

Diese unerwarteten Ergebnisse als die Reaktion eines tierisohen proteinreichen Produkts führten zu Studien bei anderen strahlungsempfindlichen Strukturen, solchen wie die oberflächenaktiven, keimtötenden quaternären Ammoniummittel, als deren Beispiel das Alkalyldimethylbenzyl-Ammoniumchlorid gilt. Vergleichende Studien Über die durch Strahlung hervorgerufene Beeinträchtigung in dieser Verbindung bei hohen und niedrigen Dosisleistungen wurden durchgeführt. Elektronenbestrahlungen mit einem 2,2 MeV Elektronenstrahl, einer festgesetzten Impulsdauer von 30 Nanosekunden und integrierten Einzelimpulsdosen von 76O und

309815/1144

1500 Kilorad wurden bei 5 ml Aliquote unter Raumtemperatur durchgeführt. Die Studien wurden unter Verwendung von ähnlichen zuvor beschriebenen Apparaten mit Dosisleistungen im Bereich von 10 * rad/s durchgeführt. Gesamtprobenstärken unter 1 g/cm wurden verwendet, die eine ausreichend einheitliche Bestrahlung für diese Anwendung erlauben; d.h» Einheitsdosen für die Vorder- und Rückflächen bei Verwendung ungerichteter Bestrahlung. Die Bestrahlungen mit einem niedrigen Co -Pegel wurden bei einer festgesetzten Dosisleistung von 100 rad/s wieder bei Raumtemperatur und bei integrierten Pegeln von 800 und 3000 Kilorad durchgeführt. Diese Pegel wurden gewählt, da Letalitätsstudien gezeigt haben, daß die 1500 Kilorad-Zahl für die Sterilisationsanwendung mit dem impulsformigen Elektronenstrahl angemessen ist, obwohl auch Versuche bei höheren Pegeln durchgeführt wurden« Eine ultraviolette Spektroskop isch-e Auswertung der Substanz wurde benutzt, um den Beeinträchtigungsgrad bei der aktiven Benzylammoniumgruppe zu bestimmenj und die Struktur in den für das Benzylaramonium charakteristischen Bereichen von 2000-2200 % und 2500-2800 A* demonstrierte deutlich eine ernsthafte Beeinträchtigung bei einer Bestrahlung mit niedriger Dosisleistung (Co ) und eine vernachlässigbare Veränderung bei einer (Elektronenstrahl) Behandlung mit hohen Dosisleistungen nach der Erfindung.

Ebenso überzeugende Ergebnisse wurden für Behandlungspegel mit drei Megarad erhalten. Es wurde keine Veränderung in der wirksamen Inhibitionszone (Standard ATCC-Methode) bei den Elektronen unterworfenen Kontrollproben (l3|5 mm) beobachtet, während eine starke Herabsetzung der bakteriostatischen Aktivität bei den Kobalt unterworfenen Proben (7 mm) beobachtet wurde.

309815/1 1U

Die mit der Elektronenstrahlbehandlung hoher Dosisleistung nach der Erfindung verbundene herabgesetzte chemische Beeinträchtigung bestätigt darüber hinaus die Ergebnisse anderer Experimente, insbesondere mit Proteinen« Es ergibt sich, daß die schnelle Vernichtung der während der Strahlungsimpulse oder -stoße gebildeten freien Radikale sekundäre schädliche Wirkungen bei dem System verbessert (tatsächlich eliminieren kann), während jene primären schädlichen Einflußmechanismen unverändert bleiben, die die keimtötende Wirkung herabsetzen. Die im Zusammenhang mit vegetativen Bakterien, aeroben Sporenbildnern, Enzymen und Viren beschriebenen ausführlichen Letalltätsstudien haben diese letztere Wirkung bestätigt; d.h. daß die erforderliehe Dosis für eine Verringerung der Mikroorganiemuepopulation um einen Faktor 10 sich nur wenig mit der Dosisleistung ändert in einigen Fällen wurde ein Abfall festgestellt· Die Strahlungsempfindlichkeit von Bakterien und Mikroflora hängt bekanntermassen sehr von der Umgebung, besonders der Sauerstoffverfügbarkeit ab. Aus diesem Grunde wurden parallele Vergleichsstudien durchgeführt.

Gestützt auf diese Ergebnisse wurde die Wirkung der Techniken nach der Erfindung auf die verschiedenen Anteile humaner Blutplasmaproteine untersucht. Plasmaproteine und seine Anteile werden für diagnostische und therapeutische Zwecke seit vielen Jahren verwendet· Da diese gewöhnlich parenteral angewendet werden, ist eine sterile Bereitstellung erforderlich. Herkömmliche Methoden für Proteinsterilisation sind nicht vollständig zufriedenstellend, was auf einen Verlust von Proteinen und ihrer relativen Unwirksamkeit bei einer Verhinderung von Virusverseuchung beruht. Die Anwendung der vorliegenden Elektronenstrahlsterilisation für "kalte" Behandlung von Proteinen kann die gegenwärtig mit den herkömmlichen verwendeten Filtrationstechniken verbunden Verluste ausschalten. Ergebnisse aus vergleichenden Untersuchungen von humanem Fibrinogen

- 9 309815/11Ai

und humanem Plasma zeigten, daß eine bedeutende Verminderung in der Zerstörung von gerinnbarem Protein in diesen Blutanteilen durch das Verfahren nach der Erfindung (10 rad/s) erzlehlbar ist, wenn mit einem Behandlungspegel von 100 rad/s für Co verglichen wird.

Ähnliehe Studien wurden bei komplexen molekularen Strukturen von medizinischem und wirtschaftlichem Interesse durchgeführt. Insulin wurde einer gleichen Behandlung mit ähnlichen Ergehnissen unterworfen und wird als ein repräsentatives injizierbares Medikament auf Proteinbasis betrachtet. Ähnliche Ergebnisse für vergleichbare Behandlungsstudien bei wirtschaftlich verfügbarem Schweineinsulin wurden bei Verwendung der durch Jod 125 — bezeichnet als Radioimmum-Probentechnik zur Bestimmung des Bestrahlungsgrades - eingeleiteten Inaktivierung erhalten. Prokain-Chlorhydrat (Novocain) wurde auch bei Sterilisationspegeln nach der Verfahrenstechnik der Erfindung untersucht, wobei kein erlittener Verfall festgestellt wurde„ Dieser Stoff stellt eine wichtige Grundlage für eine Anzahl von injizierbaren Medikamenten in weitverbreiteter täglicher Verwendung dar. Ähnliche injizierbare Medikamente, die wegen ihrer Anfälligkeit gegenüber Hydrolyse (solche wie Thiopentothal-Natrium, Pentabarbitol-Natrium, Penicillin, usw.) nicht hitzesterilisiert werden können und die gekühlt werden müssen, um ihre Lagerungzeit auszudehnen, können ebenfalls erfolgreich durch die hier erschlossene hohe Dosisleistungstechnik behandelt werden.

Damit erschließt die Erfindung ein Verfahren, wodurch hitze- oder hydrolyseempfindliche Stoffe ohne physikalisch-chemische Beeinträchtigung der behandelten Verbindung schnell sterilisiert werden können,,

Obgleich das Verfahren in einer Anwendung für Sterilisation und Haltbarmachung von verschiedenen Substanzen einschließ-

303815/1144

- ίο -

lieh Lebensmitteln und pharmazeutischen Erzeugnissen beschrieben wurde, ist es nich allein für diese Fälle beschränkt, da die Bearbeitung von Stoffen mit Einzelimpulsen hoher Dosisleistung, die anderenfalls gegenüber physikalisch-chemischer Beeinträchtigung empfindlich sind, eine praktische Technik für ihre Sterilisation oder Pasteurisation (Radappertisation oder Radurisatlon) bietet« Bei der letzteren Anwendung z.B. erlaubt die herabgesetzte Empfindlichkeit von tierischem Protein naoh dem Verfahren die erhöhte Lagerungszeit von Fleischwaren ohne ein Gefrieren über mehrere Monate hinaus; z.B. bei einer Lagerung von 3 C und einem Behandlungspegel von 0,5 Megarad. Die Radappertisation von Vollmilch, veredelten Molkereiprodukten und anderen Lebensmitteln ist mit der gesteigerten Enzyminaktivierung (und entsprechender Letalität der Bakterien und Mikroflora) möglich, was an Phosphatase und Katalase demonstriert wurde. .Bei seiner Anwendung braucht man darüber hinaus nicht auf "Sensibilisatoren" zurückzugreifen, um die wirksame Dosis herabzusetzen (wegen organoleptischer Effekte); solche Sensibilisatoren beeinflussen ein Gefrieren, Chemikalien, Antibiotika, chemische Produkte zum Haltbarmachen, usw.

Weitere Abwandlungen sind dem mit dieser Technik vertrauten Fachmann möglich und werden als innerhalb des Wesens und des Umfangs der Erfindung liegend betrachtet.

Patentansprüche!

309815/1144

- li -

Claims

Patentansprüche

1, Verfahren zur Massensterilisation mit einem selektiven

^töten in einer Substanz befindlicher lebensfähiger Mikroorganismen und dergleichen durch impulsförmige Elektronenstrahlen, ohne eine wesentliche chemische und physikalische Beeinträchtigung bei der Substanz hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zu sterilisierende Substanz in einem vorherbestimmten Bereich gelagert wird, das impulsfÖrmige im wesentlichen einwellige Elektronenstrahlen erzeugt und auf diesen Bereich im wesentlichen einheitlich gerichtet werden, um die Substanz zu bestrahlen, und daß schließlich die Impulse der Elektronenstrahlenergie eingestellt werden, um eine Bestrahlungsdosis von einem Wert innerhalb des Bereichs von ungefähr wenigen zehntel bis zu mehreren Megarad und mit einer Dosisi ι
pro Sekunde zu erzeugen.

7 rad und mit einer Dosisleistung größer als ungefähr 10 rad
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Elektronenstrahlenergie auf einen überschüssigen Wert von ungefähr 1 MeV eingestellt wird,
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosisleistung zwischen ungefähr 1 und 4,5 Megarad eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz zumindest eines der aus Blut, Lebensmitteln, pharmazeutischen, kosmetischen und Zellulose enthaltenden Erzeugnissen bestehenden Produkte enthält.

Hd/llo - 25 078 ..- -'.""

309815-/1144