Filtrationslösungen zur sicheren Abtrennung von wärmeresistenten, acidophilen Bakterien
Übersicht
Trinkfertiger Tee, Fruchtsäfte und Fruchtgetränke, kohlensäurehaltige Softdrinks und andere alkoholfreie Getränke unterliegen aufgrund von wärmeresistenten, acidophilen Bakteriensporen (TAB) der Gefahr von mikrobiellem Verderb. Die thermoacidophilen Sporen gelangen durch den Kontakt mit landwirtschaftlichen Rohstoffen, bei der Fruchtsaftproduktion oder durch Kontamination von Getränkezusatzstoffe wie z.B. Süßstoffe, Saft- und Teekonzentrate oder Geschmacksstoffe, Essenzen und Farbstoffe aus natürlichen Extrakten in das Getränk. Die TAB-Sporen (thermoacidophile Bakterien) stammen von verschiedenen Bakterien der Gattung Alicyclobacillus, darunter A. acidoterrestris, A. acidocaldarius, A. herbarius, A. acidophilus und weitere. Gelangen sie in eine für die Keimung und das Wachstum geeignete Flüssigkeit, führt das beim Endprodukt zu einer Qualitätsminderung, hauptsächlich durch Fremdaromen und abweichende Geschmacksnoten.
Leider bleibt ein Befall in der Regel unerkannt, da die TAB-Organismen beim Wachstum keine Gase erzeugen und das Problem erst auffällt, wenn Beschwerden der Kunden eintreffen. Die Sporen sind überaus resistent gegenüber Wärmebehandlung, UV-Strahlen, Desinfektionsmitteln und extremen pH-Werten. Daher bieten häufig nicht einmal die üblichen Konservierungsmethoden für Getränke, wie die Pasteurisierung, ausreichend Schutz vor den Sporen.
Um die Sporen zu bekämpfen, müsste das Produkt einer überaus gründlichen und intensiven Wärmebehandlung unterzogen werden, was aber negative Auswirkungen auf Geschmack, Farbe und Nährwert hat und dazu noch kosten- und energieintensiv ist. Bakterien der Gattung Alicyclobacillus sind zwar nicht gesundheitsschädlich, verursachen aber ernste wirtschaftliche Schäden für Getränkehersteller. Sobald sie einmal in den Produktionsbereich gelangt sind, sind sie nur schwer zu kontrollieren. Daher müssen Lieferanten mitunter bereits bei den Ausgangsprodukten sporenfreie Ware garantieren. Eine ideale Lösung für dieses Problem ist der Einsatz geeigneter Filtrationstechnik, mit der die Sporen aus den Ausgangsprodukten bzw. den Endprodukten entfernt werden können.
Die Herausforderung
Betrachten wir das Beispiel eines Getränkeherstellers, der verschiedene trinkfertige Tees herstellt. Der Hersteller ist eine weit verbreitete nationale Marke, der jährlich5 Millionen Liter (1,32 million US gallons) an seine Kunden ausliefert Der Hersteller gewinnt Tee aus Teeblättern unterschiedlicher Herkunftsquellen. Immer wieder wurden im produzierten Tee TAB-Sporen festgestellt, die das Endprodukt negativ beeinträchtigten und zum Ausschuss der betroffenen Charge führten. Bei einem Endproduktwert von 85.000 USD je Charge war der finanzielle Schaden groß – eine Lösung musste gefunden werden. Dem Kunden schwebte eine integritätstestfähige Filtrationslösung vor, die die im Anwendungsbericht erreichte Qualität liefert und Produktverluste ausschließt.
Die Lösung
Pall MEMBRAcart XL II Membranfilterkerzen (0,45 µm) und ein Palltronic® Compact Star Integritätstestgerät sollten die Beseitigung von TAB-Sporen ermöglichen und die Filterleistung überwachen. Nach dem Aufgießen der Teeblätter mit heißem Wasser wird der gewonnene Tee mit einem Crossflow Mikrofiltrationssystem geklärt und anschließend abgekühlt. Danach folgt die endgültige Membranfiltration zur Entfernung der TAB-Sporen. Die filtrierte Charge wird auf die Einhaltung der Qualitätsanforderungen untersucht und gelangt nach erfolgreichem Bestehen zu weiteren Verarbeitungsschritten wie der Zugabe von Zutaten, dem Mischen, der Pasteurisierung und der Abfüllung.
Die Produktfamilie der MEMBRAcart XL II Filter wird in der Getränkeindustrie umfassend genutzt und sorgt dort für eine zuverlässige Beseitigung von Mikroorganismen, die ein Verderben der Produkte verursachen würden. Insbesondere die Option von MEMBRAcart XL II mit 0,45 µm filtert nachgewiesenermaßen nicht nur die Schadorganismen SerratiaMarcescens1, sondern auch TAB-Sporen2. Umfassende Laboruntersuchungen zur Wirksamkeit gegen Mikroorganismen ergaben, dass diese Filter TAB-Sporen in verschiedenen untersuchten Flüssigkeiten und bei festgelegten Testbedingungen vollständig zurückhalten konnten. Bei einer Beaufschlagung von 105 bis 106 Sporen von A. Acidoterrestris je cm2 Filterfläche erreichte die 0,45 PES-Membran (Polyethersulfon) einen Log-Reduktionswert (LRV, log reduction value) von über 7 bei einer angesäuerten Flüssigkeit (Apfelsaft) und über 7,8 bei einer hochviskosen Flüssigkeit (Maissirup). Dabei sollte erwähnt werden, dass der Einsatz von mikrobiologischen Filtern mit soliden Kontrollmechanismen und Dokumentation ergänzt werden sollte, da eine Rückhalterate in µm selbst keine Garantie für die gewünschten Ergebnisse ist.
Im Fall des Teeherstellers erfüllten die MEMBRAcart XL II Filter ihre Aufgabe zuverlässig, sodass im Tee keinerlei TAB-Sporen nachgewiesen wurden. Nach dem Filtern wird jede Charge mithilfe einer mikrobiologischen Zellkultur auf vegetative TAB-Zellen und Sporen3 untersucht. Die Filter können wiederholt im Steaming-in-Place-Verfahren (SIP) vor Ort dampfsterilisiert und mit heißem Wasser gereinigt werden, ohne Einbußen bei Robustheit und Filterleistung. Beim Getränkehersteller werden die Filter vor dem ersten Gebrauch dampfsterilisiert, üblicherweise für 121 Minuten bei 250 °C (20 °F). Nach der Luftkühlung beginnt die Filtration.
Am Ende jeder Charge werden die Filter mit kaltem Wasser gespült, erneut dampfsterilisiert und abgekühlt und warten anschließend im Filtergehäuse unter Kohlenstoffdioxiddruck auf den nächsten Einsatz. Vor jeder neuen Verwendung werden die Filter zunächst vor Ort dampfsterilisiert und abgekühlt. Durch diese Vorgehensweise erreicht der Teegetränkehersteller bei dieser Anwendung bis zu 320 Dampfzyklen. Die Filter können typischerweise bis zu vier Monate lang eingesetzt werden und leisten dabei einen Durchsatz von 140.000 Litern (37.000 US-Gallonen) Tee je Filterkerze mit 76,2 cm (30 in.).
Die extrem hohe Lebensdauer senkt die betrieblichen Ausgaben für Filtration, wie etwa für Wechselfilter, Wasser, Reinigungschemikalien sowie Personal, und verringert Ausfallzeiten. Um festzustellen, ob die Leistung der Filtermembran auch den Erwartungen entspricht, wird jede Charge vor und nach der Filtration mit einem Palltronic Compact Star Integritätstestgerät geprüft. Pall Compact Star ist ein tragbares, einfach zu bedienendes Gerät, das nach dem Prinzip des Druckabfall-Integritätstests arbeitet. Die Ergebnisse können zu Dokumentationszwecken ausgedruckt oder heruntergeladen werden.
Qualitätsüberwachung im Hinblick auf Kontamination mit TAB-Sporen
Angesichts immer größerer und komplexerer Verfahren nimmt das Risiko wirtschaftlicher Verluste durch Qualitätsmängel für die Hersteller zu. Robuste Hochleistungs-Filtrationstechnik sorgt für die gewünschten Ergebnisse – integrierte Mechanismen zur Qualitätssicherung an kritischen Kontrollpunkten im Verfahren sind aber dennoch unerlässlich. Jeder Verfahrensschritt, von der Annahme der Rohstoffe bis hin zur Endverpackung und zur Handhabung von Hilfsflüssigkeiten (wie etwa Wasser), birgt ein Risiko für unerwünschte Kontamination mit Mikroorganismen.
Das GeneDisc® RealTime PCR System (Polymerase-Kettenreaktion) ist eine schnelle, zuverlässige und einfach anzuwendende Methode zur Erkennung und Identifizierung von TAB-Bakterien mit hoher Sensitivität, die innerhalb von Stunden Ergebnisse liefert. Mit diesem schnellen Prüfgerät verringert sich nicht nur die Zeit bis zum Versand der Produkte, sondern es erlaubt auch die Überwachung von Prozessen zur Diagnose und Vermeidung von Problemen an kritischen Kontrollpunkten.
Die Vorteile
Dank MEMBRAcart XL II und Palltronic Compact Star konnte der Teegetränkehersteller seine Ziele erreichen und dabei die folgenden Vorteile realisieren:
- Schutz der eigenen Marke durch konstant TAB-freie Produktion mit validierter Filtrationsleistung
- Bessere Produktausbeute, da keine Chargen mehr wegen TAB-Befall entsorgt werden müssen
- Schutz von Geschmack und Geruch des Produkts
- Geringe betriebliche Ausgaben für Filtration dank hoher Lebensdauer
- Überwachung, Sicherstellung und Dokumentation der Filterleistung durch einen einfachen Integritätstest
Fußnoten
- Technischer Bericht von Pall FBTPD1006 Rev. 2: „Mikrobiologische Filtrationsleistung von MEMBRAcart XL II Endfilterkerzen mit 0,45 µm“
- Technischer Bericht von Pall FBTPD1017: „Beseitigung von TAB-Sporen mit MEMBRAcart XL II Filterkerzen mit 0,45 µm“
- Pall bietet das GeneDisc Echtzeit-PCR-System für die Erkennung von TAB-Sporen an. Fragen Sie auch zusätzliche Informationen an wie etwa das Pall Technikbulletin FBTBGDTABEN „Neuartiges molekularbiologisches Test- und Probenvorbereitungsverfahren zur Detektion von Alicyclobacillus in Fruchtsaftkonzentraten und Stoffen des Abfüllprozesses“.
Über Pall Corporation
Die Pall Corporation ist weltweit führend im Bereich Filtration, Separation und Reinigung und erfüllt die anspruchsvollen Anforderungen der Kunden aus der Life Sciences-Branche und der Industrie an das Fluidmanagement. Gemeinsam mit unseren Kunden arbeiten wir an der Modernisierung von Technologien in den Bereichen Gesundheit, Sicherheit und Umwelt. Pall Food and Beverage bietet Produkte und Services zur Sicherung der Produktqualität und Prozesszuverlässigkeit in der Lebensmittel- und Getränkebranche. Unsere Lösungen tragen auch zum Verbraucherschutz, zur Senkung der Betriebskosten und zur Abfallminimierung bei.