Die Zukunft der mikrobiellen Kontaminationstests: schnell und in Echtzeit

Wie Pharmaunternehmen mit Online-Überwachung die Wassersicherheit gewährleisten und Keimbelastung bekämpfen

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18 Apr, 2025

Areen Kalantari, Thornton

Im Bereich der pharmazeutischen Herstellung ist die Reinheit des Wassers von größter Bedeutung. Mikrobielle Kontamination oder Keimbelastung stellt eine erhebliche Bedrohung sowohl für die Gesundheit der Verbraucher als auch für den Ruf der Pharmaunternehmen dar. Herkömmliche mikrobielle Testmethoden sind oft zeitaufwändig, fehleranfällig und arbeitsintensiv. Das Aufkommen von mikrobiellen Echtzeit-Analysatoren bietet eine vielversprechende Lösung für diese Herausforderungen und revolutioniert die Art und Weise, wie Pharmahersteller an die Kontrolle der Keimbelastung herangehen.

Die mikrobielle Kontamination, im Zusammenhang mit pharmazeutischen Wässern auch als Keimbelastung bezeichnet, bezieht sich auf die Anzahl und Art der in einer Wasserprobe vorhandenen lebensfähigen Mikroorganismen, einschließlich Bakterien und Pilze. Eine solche Kontamination ist ein großes Problem für Pharmaunternehmen, da eine mikrobielle Kontamination die Sicherheit und Wirksamkeit von Arzneimitteln beeinträchtigen kann. Pharmazeutische Wässer müssen strenge Reinheitsstandards erfüllen , die von den Aufsichtsbehörden festgelegt wurden, da sie als kritische Komponente bei der Herstellung von Medikamenten dienen. Daher sind strenge mikrobielle Tests unerlässlich, um die Reinheit des Wassers zu gewährleisten und sowohl die Gesundheit der Patienten als auch die Integrität der pharmazeutischen Herstellungsprozesse zu schützen.

Die Gefahren von Keimbelastung in pharmazeutischen Wässern

Die Risiken, die mit der mikrobiellen Kontamination von pharmazeutischen Wässern verbunden sind, können nicht hoch genug eingeschätzt werden. Verunreinigtes Wasser stellt eine direkte Bedrohung für die Gesundheit der Verbraucher dar, insbesondere für Personen mit geschwächtem Immunsystem oder solche, die sich kritischen Behandlungen unterziehen. Die Einnahme von oder der Kontakt mit Wasser, das mit pathogenen Mikroorganismen kontaminiert ist, kann zu schweren gesundheitlichen Komplikationen wie Blutbahninfektionen, Magen-Darm-Erkrankungen und anderen lebensbedrohlichen Zuständen führen.

Für viele Pharmaunternehmen können die Auswirkungen der Wasserverschmutzung in Bezug auf finanzielle Schäden und Reputationsschäden ebenso verheerend sein. Die Pharmaindustrie schätzt, dass die Kosten eines einzelnen Rückrufs je nach Schwere und Umfang des Problems zwischen Hunderttausenden und Millionen von Dollar liegen können. Ein solcher Vorfall kann den Ruf eines Unternehmens durch die Erosion des Verbrauchervertrauens und eine lang anhaltende negative Markenassoziation beeinträchtigen.

In einer Zeit, in der sich Informationen schnell über soziale Medien und Online-Plattformen verbreiten, kann negative Publicity zu erheblichen Rückgängen bei Verkäufen, Aktienkursen und Anlegervertrauen führen.

Für Pharmamarken steht unglaublich viel auf dem Spiel: Das Gleichgewicht zwischen der Aufrechterhaltung der betrieblichen Effizienz und der Einhaltung der höchsten Standards der Wasserqualität ist für den nachhaltigen Erfolg unerlässlich.

Traditionelle Testmethoden zur Überwachung mikrobieller Grenzwerte

Die Geschichte der mikrobiellen Tests lässt sich bis ins späte 19. Jahrhundert zurückverfolgen, als das Gebiet der Mikrobiologie aufkeimte. Pioniere wie Louis Pasteur, Julius Petri und Robert Koch legten den Grundstein für das Verständnis der Rolle von Mikroorganismen bei Gesundheit und Krankheit. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als die pharmazeutische Industrie zu wachsen begann und die Herstellung von Arzneimitteln komplexer wurde, wurde der Bedarf an zuverlässigen Methoden zum Nachweis mikrobieller Kontaminationen in Produkten, einschließlich Wasser, deutlich.

Die ersten Keimbelastungszählungstests stützten sich hauptsächlich auf direkte Beobachtungs- und Kultivierungstechniken. Erst Mitte des 20. Jahrhunderts wurden standardisierte Methoden zur Quantifizierung von Mikroorganismen im Wasser entwickelt, die zur Etablierung der ersten Arzneibuchrichtlinien führten. In den Vereinigten Staaten begann das United States Pharmacopeia (USP), akzeptable mikrobielle Grenzwerte und Testmethoden für pharmazeutische Produkte zu skizzieren und betonte die Bedeutung der Qualitätskontrolle des für die Herstellung verwendeten Wassers.

Zählung der Platten

Bei der direkten Plattenzählung werden Wasserproben gesammelt, in einem Labor kultiviert und die Kolonien, die sich über mehrere Tage bilden, gezählt. Obwohl diese Techniken gängige Praxis sind, weisen sie erhebliche Einschränkungen auf:

Zeitaufwändig: Die Plattenzählung ist ein arbeitsintensiver Prozess, der in der Regel 5-7 Tage benötigt, um Ergebnisse zu erzielen.

Subjektiv: Die Zählung von Kolonien kann subjektiv und anfällig für menschliche Fehler sein, da die Inkubationsbedingungen manuell gezählt und variiert werden.

Eingeschränkte Sensitivität und Spezifität: Die Plattenzählung ist möglicherweise nicht empfindlich genug, um geringe Kontaminationsgrade zu erkennen. Darüber hinaus liefert die Plattenzählung nur eine Momentaufnahme des Verschmutzungsgrads zu einem bestimmten Zeitpunkt und keine kontinuierliche Sicht auf die Wasserqualität.

Membran-Filtration

Die Membranfiltration wurde Mitte des 20. Jahrhunderts populär, insbesondere für die Prüfung größerer Wassermengen. Bei dieser Technik werden Wasserproben durch einen Filter geleitet, dessen Poren klein genug sind, um Mikroorganismen einzufangen (typischerweise 0,45 μm Durchmesser). Der Filter wird dann auf ein Kulturmedium gelegt und inkubiert, ähnlich wie bei der Plattenzählmethode. Daher ist die Membranfiltration mit ähnlichen Nachteilen konfrontiert:

Langwieriger Prozess: Die Membranfiltration kann zeitaufwändig sein, insbesondere wenn große Wassermengen getestet werden.

Fehleranfällig: Das Verfahren erfordert eine sorgfältige Handhabung und kann empfindlich auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Wasserprobe reagieren, was das mikrobielle Wachstum hemmen kann. Darüber hinaus bleiben Mikroorganismen, die vorhanden, aber nicht kultivierbar sind, unentdeckt, was zu potenziellen Lücken in der Überwachung und möglichem Überwachsen gefährlicher koloniebildender Einheiten führt.

Während traditionelle Methoden zur mikrobiellen Belastungsprüfung seit vielen Jahren als wichtige Instrumente dienen, sind sie mit erheblichen Einschränkungen verbunden, die die Wasserqualität und damit die Patientensicherheit gefährden können. Beide genannten Techniken beruhen speziell auf der Zählung von koloniebildenden Einheiten (KBE), was Zeit benötigt, damit die Mikroben zu Kolonien heranwachsen, die physisch gezählt werden können. Daher sind diese Techniken ressourcenintensiv, erfordern viel Zeit und Arbeit für die Probenentnahme, -verarbeitung und -analyse und liefern nur eine Momentaufnahme der mikrobiellen Konzentrationen zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sie bieten daher keine kontinuierliche Überwachung der Wasserqualität. In einer Branche, in der Kontaminationsereignisse schnell auftreten und unmittelbare Folgen haben können, kann diese Verzögerung bei der Erzielung von Ergebnissen besonders problematisch sein.

Darüber hinaus lassen sich nicht alle Mikroorganismen einfach im Labor kultivieren, so dass einige Krankheitserreger unentdeckt bleiben können. Diese Selektivität kann zu einer Unterschätzung der gesamten mikrobiellen Belastung führen, da einige in der Probe vorhandene Mikroorganismen möglicherweise nicht in der Lage sind, auf dem gewählten Medium zu wachsen.

Hier kommen kontinuierliche mikrobielle Echtzeit-Analysatoren ins Spiel, die eine moderne Lösung für die Herausforderungen herkömmlicher Methoden darstellen. Diese fortschrittlichen Systeme ermöglichen den sofortigen Nachweis mikrobieller Kontaminationen und ermöglichen ein proaktives Eingreifen.

Die mikrobielle Echtzeitdetektion, wie sie in Analysatoren wie unserem 7000RMS verwendet wird, beruht auf zwei etablierten optischen Messtechniken: der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) und der Mie-Streuung. Diese Techniken arbeiten zusammen, um Mikroorganismen in hochreinen Wässern, wie sie in der pharmazeutischen Produktion verwendet werden, nachzuweisen und zu quantifizieren.

So funktioniert der Prozess:

Die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) steht im Mittelpunkt, indem sie die natürliche Fluoreszenz von mikrobiellen Metaboliten wie NADH und Riboflavin nutzt. Wenn der 405-nm-Laser im Analysator das durch ihn fließende Wasser beleuchtet, absorbieren diese Metaboliten das Licht und gehen in einen angeregten Zustand über. Wenn sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, geben sie Energie in Form von Fluoreszenzlicht ab, das dann von einer Fotodiode im 7000RMS eingefangen wird.

Die Mie-Streuung ergänzt diesen Prozess, indem sie misst, wie Licht mit den Mikroorganismen selbst interagiert. Wenn das Laserlicht das Wasser durchdringt, streuen eventuell vorhandene Mikroorganismen das Licht. Ein Detektor zeichnet auf, wie das Licht gestreut wird, und gibt wichtige Informationen über die Größe und Menge der Teilchen preis. Der 7000RMS synthetisiert Daten sowohl von den Fluoreszenz- als auch von den Streudetektoren. Wenn beide Signale nach bestimmten Kriterien übereinstimmen, identifiziert der Analysator einen einzelnen Mikroorganismus als Autofluoreszenzeinheit (AFU). Die Ergebnisse werden live auf einer benutzerfreundlichen Touchscreen-Oberfläche angezeigt und bieten einen klaren und unmittelbaren Einblick in die Wasserqualität.

Auf einer grundlegenden Ebene ist die AFU-Zählung wie das sofortige Aufnehmen eines lebendigen und detaillierten Fotos, während die CFU-Zählung wie das Warten auf das Rendern einer grundlegenden und hohlen Skizze ist. Diese Echtzeitfähigkeit ist für die pharmazeutische Industrie, in der eine schnelle Erkennung von Kontaminationen von entscheidender Bedeutung ist, von entscheidender Bedeutung.

Darüber hinaus ermöglicht die AFU eine direkte Zählmethode zur Zählung einzelner Zellen, im Gegensatz zur KBE-Zählung, bei der nur die Population einer gesamten Kolonie geschätzt wird. Nachfolgende AFU-Messungen können direkt in der Prozessumgebung durchgeführt werden, wodurch das Kontaminationsrisiko im Zusammenhang mit herkömmlichen Probenahmemethoden reduziert wird. Dieses In-situ-Monitoring bietet kontinuierliche Einblicke in die Wasserqualität und bietet einen dynamischen Überblick über die mikrobielle Aktivität

Vorteile der kontinuierlichen Wasseruntersuchung

Geschwindigkeit	Stetig	Direkte Messungen	Verbesserte Empfindlichkeit	Sofortige Maßnahmen
Mit Ergebnissen im Zwei-Sekunden-Takt ermöglicht die Echtzeitüberwachung eine schnelle Erkennung von Verunreinigungen. Während die Plattenzählung 5-7 Tage dauern kann, erfasst der 7000RMS 216.000+ Messungen im gleichen Zeitraum.	Im Gegensatz zu statischen Plattenzählungen, die zu einem einzigen Zeitpunkt eine Momentaufnahme liefern, analysiert das 7000RMS kontinuierlich den Wasserfluss und ermöglicht so eine proaktive Trenderkennung und frühzeitiges Eingreifen.	Fortschrittliche optische Messtechnik zählt einzelne Mikroorganismen und ist nicht auf Wachstum angewiesen, wodurch die Varianzen eliminiert werden, die bei Plattenmethoden durch die Koloniebildung entstehen.	Das 7000RMS ist in der Lage, Mikroorganismen bis zu einer Größe von 0,3 μm zu erkennen. Der Analysator zeigt auch lebensfähige, aber nicht kultivierbare (VBNC) Bakterien auf – Mikroorganismen, die bei herkömmlichen Methoden möglicherweise übersehen werden.	Die Trenddaten des 7000RMS helfen bei der Bestimmung, wann eine Desinfektion des Wassersystems erforderlich ist, und ermöglichen eine schnelle Reaktion auf Kontaminationen. Dieser proaktive Ansatz ermöglicht es, das Risiko der Freisetzung von kontaminiertem Wasser zu verringern und gleichzeitig die Häufigkeit der Desinfektion zu optimieren.

Wie die Online-Wasserüberwachung die Einhaltung von Pharmavorschriften unterstützt

In der Pharmaindustrie ist die mikrobielle Überwachung von gereinigtem Wasser, Reinstwasser und Wasser für Injektionszwecke nicht nur eine gute Praxis der Qualitätskontrolle. Es ist eine behördliche Anforderung. Die von der United States Pharmacopeia (USP) festgelegten Standards schreiben die Bedingungen vor, unter denen mikrobielle Kontamination getestet werden muss.

Zum Beispiel umreißt USP <61> Anforderungen an mikrobielle Grenzwerte, legt akzeptable Mengen an Mikroorganismen in nicht sterilen Produkten fest und betont die Bedeutung der Wasserqualität. USP <62> beschreibt Verfahren zum Nachweis spezifischer Krankheitserreger, einschließlich E. coli, Salmonellen und Pseudomonas aeruginosa, in sterilisiertem Wasser. Darüber hinaus hat USP <1231> über Wasser für pharmazeutische Zwecke der USP konsequent die kontinuierliche Online-Überwachung von pharmazeutischen Wässern befürwortet. Dieser Ansatz stellt sicher, dass historische In-Prozess-Daten gesammelt werden, was eine effektive Steuerung der Wassersysteme ermöglicht und die Wasserproduktion aufrechterhält, die akzeptablen Qualitätsstandards entspricht.

Der 7000RMS entspricht der USP <1223>, die die Validierung alternativer Methoden fördert, die Vorteile in Bezug auf Genauigkeit und Empfindlichkeit aufweisen. Es hält sich auch an die von der FDA und EMA veröffentlichten Richtlinien für alternative mikrobiologische Messmethoden, um die Einhaltung gesetzlicher Standards zu gewährleisten und gleichzeitig den Überwachungsprozess zu verbessern.

Die Zukunft der Prüfung der Keimbelastung in pharmazeutischem Wasser liegt in der Einführung von mikrobiellen Echtzeit-Analysatoren. Diese fortschrittlichen Technologien bieten einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie Pharmaunternehmen an die mikrobiologische Kontaminationskontrolle herangehen können, und ermöglichen einen proaktiveren, datengesteuerten Ansatz.

Durch den Einsatz von mikrobiellen Echtzeit-Analysatoren können Pharmaunternehmen nicht nur die Sicherheit und Qualität ihrer Produkte gewährleisten, sondern auch ihr Engagement für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften unter Beweis stellen.

Die Fortschritte bei mikrobiellen Tests, die durch das 7000RMS veranschaulicht werden, stellen sicher, dass Pharmahersteller sichere und wirksame Produkte liefern können, die sowohl die Gesundheit der Patienten als auch ihre eigene betriebliche Integrität in einem zunehmend anspruchsvollen regulatorischen Umfeld schützen.

Da sich die Branche weiter entwickelt, wird die Echtzeitüberwachung von größter Bedeutung sein, um die höchsten Standards der Wasserqualität aufrechtzuerhalten, Risiken für die Gesundheit der Verbraucher zu reduzieren und den Ruf der Marke zu schützen.

Mikrobielle Echtzeitüberwachung von pharmazeutischen Wässern in Echtzeit

Das 7000RMS™ von METTLER TOLEDO Thornton ist ein Online-Analysator für die Echtzeitmessung der mikrobiellen Kontamination (Keimbelastung) in pharmazeutischem Wasser. Die laserbasierte Technologie ermöglicht den sofortigen Nachweis und die Quantifizierung von Mikroorganismen direkt aus der Wasserprobe und überwindet die Einschränkungen zeitaufwändiger wachstumsbasierter Methoden.

Areen Kalantari

Globaler Spezialist für Pharmasegmente

Areen Kalantari hat einen B.S. in Bio-/Chemieingenieurwesen und einen Master of Business Administration (MBA) in International Business. Er verfügt über Erfahrung sowohl in biotechnologischen Anwendungen als auch in pharmazeutischen Wässern. Areen war zuvor als Produktmanager für pH-, gelösten Sauerstoff und CO2 tätig und arbeitete mit globalen Pharma- und Biotech-Kunden zusammen, um effektive SOPs zu implementieren und Personal für ihre Zellkultur- und Fermentationsprozesse zu schulen. Areen ist stimmberechtigtes Mitglied des Normenausschusses der American Society of Mechanical Engineers – Bioprocess Equipment (ASME-BPE). Er trägt zur Untergruppe Prozessinstrumentierung bei, um bei der Umsetzung von Standards für die Bioprozess- und Pharmaindustrie zu helfen, wobei er sich auf Leitfähigkeit, pH-Wert, TOC und verschiedene andere Prozesstechnologien konzentriert. In seiner derzeitigen Funktion unterstützt er den globalen Markt für pharmazeutische Wassersysteme und die USP-regulatorischen Aspekte von WFI- und PW-Systemen in Bezug auf die erforderlichen Tests.