DE2249190C3

DE2249190C3 - Verfahren zur Massensterilisation

Info

Publication number: DE2249190C3
Application number: DE2249190A
Authority: DE
Inventors: Samuel V. Lexington Mass. Nablo (V.St.A.)
Original assignee: Energy Sciences Inc Burlington Mass (vsta)
Current assignee: Energy Sciences Inc Burlington Mass (vsta)
Priority date: 1971-10-04
Filing date: 1972-10-04
Publication date: 1978-08-31
Also published as: DE2249190B2; CA963984A; US3779706A; FR2155980B1; FR2155980A1; SU603321A3; JPS4848263A; JPS5235236B2; SE385539B; GB1361300A; DE2249190A1; IT986850B

Description

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 Sterilisiere ns und Haltbarmachen 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 Radioisotcpenquellen wie Kobalt 60 in verringerter Dosisleistung bewirkt, wie z. B. beschrieben in IAEA Veröffentlichung STI/PUB/157, Wien, Österreich, 1967 vom Verfahrenssymposium im Juni 1967 in Budapest über »Radiosterilization of Medical Products«. Im Fall von Radioisotopenquellen liegen die wegen der pro Einheitsvolumen der Quelle möglichen begrenzten Strahlungsintensität (spezifische Aktivität) aus großen Quellen von industriellem Interesse verfügbaren Dosisleistungen in einem typischen Bereich von 10' bis 10' rad pro Sekunde. Für die gewöhnliche Behandlung zur Inaktivierung von Mikrofltira werden Pegel von ungefähr K)¹ rad und zur Sterilisation werden Pegel von über 10⁶ 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 Unwirksamkeit haben diese Systeme keine weitverbreitete wirtschaf t-

H) liehe Anwendung zur Sterilisation erlangt, wohingegen größere Verfahrenswirksamkeit durch direkte Verwendung von Elektronenstrahlen erzielt werden kann. Industrielle Elektronenstrahlbeschleuniger (sowohl die der Gleichstrom- als auch der impulsföimi-

n gen linearen Art) können Dosisleistungen über begrenzte Felder in der Größenordnung von 10⁷ rad/s hervorrufen. Trotz ihrer augenscheinlichen Verbesserung in der Verfahrensleistung und der großen wirtschaftlichen Vorteile einer Verarbeitung bei Raum-

i»i temperatur, 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 Wirkun-

*"> gen erstrecken sich von schweren organoleptischen Veränderungen in Lebensmitteln, Denaturierung von Protein, chemischer Änderung von Kohlehydraten, Hydrolyse von gleichwertigen Lösungen, Entfärbung von Zellulose und anderen natürlichen Produkten bis

tu 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

Γ) und eine Entfärbung hervorgerufen.

In den US-PS 2429217, 2807551, 2456909, 2617953 und 2796545 sind Hochgeschwindigkeits-Breitband-Eiektronenstrahlen mit Bestrahlungsperioden von weniger als 10 ⁴ 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

■r, Durchführungen mit geringer analytischer Untermauerung wurden beschrieben, und es wurde geschlossen, daß die keimtötenden und materiellen Besonderheiten des Verfahrens so lange nur wenig durch eine sich wiederholende Behandlung beeinflußt wür-

w den, 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

bo und dergleichen in einer großen Auswahl von Substanzen ohne Beeinträchtigung der physikalischen und chemischen Struktur und der Eigenschaften solcher Substanzen durch Verwendung impulsförmiger Elektronenstrahlen mit gesteuertem Wellenband mit

t,5 ziemlich kritisch eingestellten Strahlungsdosen und -leistungen wirkungsvoll abzutöten.

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein neues und verbessertes Verfahren der Elek-

tronenstrahlslerilisation oder -bestrahlung zu schaffen, das nicht die vorher erwähnten Nachteile aufweist, sondern ohne Beeinträchtigung der bestrahlten Substanzstruktur wirksam ist. Weiter soll auch eine neuartige Elektronenstrahltechnik von allgemeinerer ^r> Anwendbarkeit geschaffen werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf eine zu sterilisierende Substanz impulsf örmige im wesentlichen einwellige Elektronenstrahlen im wesentlichen einheitlich gerichtet werden, und daß die ι Impulse der Elektronenstrahlenergie eingestellt werden, um eine Bestrahlungsdosis von wenigen Zehntel bis zu mehreren Megarad und mit einer Dosisleistung größer als 10⁷ rad pro Sekunde zu erzeugen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung finden sich '· "> in den Unteranspriichen, wobei als zu sterilisierende Substanz zumindest eines der aus Blut, Lebensmitteln, pharmazeutischen, kosmetischen und Zellulose enthaltenden Erzeugnissen bestehenden Produkte bestrahlt werden kann. -'«

In Übereinstimmung mit der Erfindung können Apparate von der Art verwendet werden, wie in der USA-Anmeldung Ser.No. 31 530 vom 24. April 1970 und in der DT-AS 2 141 376 und in »Oberservations of Magnetically Self-Focusing Electron Streams«, S. -~> V. Nablo, Appl. Phys. Lett. 8, No. 1, 18 (1966), und »The Generation and Diagnosis of Pulsed Relativistic Electron Beams Above K)¹" Watts«, S. E. Graybill und S. V. Nablo, IEEE Trans. Nuc. Sei. NS-14, No. 3,782, (1967), mit ziemlich kritisch cinge- s< > stellten 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 veröffentlich- f> ten Besonderheiten von solchen gesteuerten Elektroncnstrahlgeneraioren 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 -in gewisser neuer Einstellungen beschrieben wird, um solche Ergebnisse zu erhalten.

Während für die Zwecke der Erfindung, wie später noch erläutert wird, beträchtliche überschüssige Dosisleistungen von IU⁷ rad pro Sekunde mit Bestrah- -r> lungsdosen von wenigen Zehntel bis zu mehreren Megarad für im wesentlichen einwellige, kurzzeitige Elektronenstrahlen hoher Intensität erforderlich sind, die Einzelimpulsdosen für ein 50-Nanosekunden-System mit z. B. hier verwendeten typischen Dosislei- ">o stungen in der Größenordnung von 4 X 10" rad/s erzeugen. Genaue Versuche über die Widerstandskraft von Mikroorganismen ergaben jedoch eine abtötende Wirksamkeit bei Dosisleistungen bis zu 10^ls rad/s, z. B. bei anaerobischen Sporenbildnern, aerobischen Sporenbildnern, vegetativen Bakterien, Hefepilzen, Viren, Enzymen, Schimmelpilzen und dergleichen. Vergleichende Studien über vegetative Bakterien und Sporenbildner (bazillus, pumilus undsubti-Ms, mikrococcus radiodurans und streptococcus t>o faecius) für herkömmliche, einwellige Elektronenstrahlbehandlungstechnik, wie zuvor erwähnt (bei 10" 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 Energie 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 organoleptischen und Farbänderungen beobachtet, da die Vollmilch, die als das strahlungsempfindlichste Lebensmittel bekannt ist, keine nachweisbare Veränderung in diesen Eigenschaften bei impulsförmigen einwelligen Elektronenstrahlbehandlungspegeln zur Sterilisation zeigt (2 Megarad bei 10¹³ rad/s). Ähnliche Vergleichsergebnisse wurden bei der Inaktivierung der Enzyme Katalase L und Lysozym erhalten.

Diese unerwarteten Ergebnisse als die Reaktion eines tierischen proteinreichen Produkts führten zu Studien bei anderen strahlungsempfindlichen Strukturen, solchen wie die oberflächenaktiven, keimtötenden quaternären Ammoniummittef, 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 760 und 1500 Kilorad wuden bei 5 ml Aliquote unter Raumtemperatur durchgeführt. Die Studien wurden unter Verwendung von ähnlichen zuvor beschriebenen Apparaten mit Dosisleistungen im Bereich von H)" rad/s durchgeführt. Gesamtprobenstärken unter 1 g/cm² wurden verwendet, die eine ausreichend einheitliche Bestrahlung für diese Anwendung erlauben; d. h. Einheitsdosen für die Vorder- und Rückfiächen 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-ZahJ für die Sterilisationsanwendung mit dem impulsförmigen Elektronenstrahl angemessen ist, obwohl auch Versuche bei höheren Pegeln durchgeführt wurden. Eine ultraviolette spektroskopische Auswertung der Substanz wurde benutzt, um den Beeinträchtigungsgrad bei der aktiven Benzylammoniumgruppe zu bestimmen; und die Struktur in den für das Benzylammonium charakteristischen Bereichen von 2000-2200 A 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 (13,5 mm) beobachtet, während eine starke Herabsetzung der bakteriostatischen Aktivität bei den Kobalt unterworfenen Proben (7 mm) beobachtet wurde.

Die mit der Elektronenstrahlbehandlung hoher Dosisleistung nach der Erfindung verbundene herabgesetzte chemische Beeinträchtigung bestätigt dar-

über 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 Letalitätsstudien haben diese letztere Wirkung bestätigt; d. h. daß die erforderliche Dosis für eine Verringerung der Mikroorganismuspopulation 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 Sauerstoff verfügbarkeit 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 Virusversevichung beruht. Die Anwendung der vorliegenden Elektronenstrahlsterilisation für »kalte« Behandlung von Proteinen kann die gegenwärtig mit den herkömmlichen verwendeten Filtrationstechniken verbundenen Verluste ausschalten. Ergebnisse aus vergleichenden Untersuchungen von humanem Fibrinogen und humanem Plasma zeigten, daß eine bedeutende Verminderung in der Zerstörung von gerinnbarem Protein in diesen Blutanteilen durch das Verfahren nach der Erfindung (10¹³ rad/s) erzielbar ist, wenn mit einem Behandlungspegel von 100 rad/s für Co⁶⁰ verglichen wird.

Ahnliche Studien wurden bei komplexen molekularen Strukturen von medizinischem und wirtschaftlichem Interesse durchgeführt. Insulin wurde einer gleichen Behandlung mit ähnlichen Ergebnissen unterworfen und wird als ein repräsentatives injizierbares Medikament auf Proteinbasis betrachtet. Ahnliche Ergebnisse für vergleichbare Behandlungsstudien bei wirtschaftlich verfügbarem Schweineinsulin wurden bei Verwendung der durch Jod 125 - bezeichnet als

Radi' rnuium-Probentechnik zur Bestimmung des Bestrablungsgrades - eingeleiteten Inaktivierung erhalten. Prokain-ChJorhydrat (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 Lagerungszeit auszudehnen, können ebenfalls erfolgreich durch die hier erschlossene hohe Dosisleistungstechnik behandelt werden.

Damit erschließt die Erfindung ein Verfahren, wodurch hitze- oder hydrolyseempfindüche 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 einschließlich Lebensmitteln und phar mazeutischen Erzeugnissen beschrieben wurde, ist es nicht 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 Radurisation) bietet. Bei der letzteren Anwendung z. B. erlaubt die herabgesetzte Empfindlichkeit von tierischem Protein nach 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.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Massensterilisation mit einem selektiven Abtöten 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 auf eine zu sterilisierende Substanz impulsförmige im wesentlichen einwellige Elektronenstrahlen im wesentlichen einheitlich gerichtet werden, und daß die Impulse der Elektronenstrahlenergie eingestellt werden, um eine Bestrahlungsdosis von wenigen Zehntel bis zu mehreren Megarad und mit einer Dosisleistung größer als 10⁷ rad pro Sekunde zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlenergie auf einen überschussigen Wert von 1 MeV eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsdosis zwischen 1 und 4,5 Megarad eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zu sterilisierende Substanz zumindest eines der aus Blut, Lebensmitteln, pharmazeutischen, kosmetischen und Zellulose enthaltenden Erzeugnissen bestehenden Produkte bestrahlt wird.