background image

 

 

Modelling the inactivation of Bacillus 

subtilis spores by ethylene oxide processing

Gisela Cristina Mendes

 

Teresa Ribeiro da Silva Brandão

 

 

Cristina Luisa Miranda Silva

 

CBQF - Centro de Biotecnologia e Química Fina

Escola Superior de Biotecnologia

Universidade Católica Portuguesa,

Rua Dr. António Bernardino de Almeida

4200-072 Porto, Portugal

This study was supported by Bastos Viegas, S.A.

background image

 

 

ETHYLENE OXIDE IS CURRENTLY A 

DOMINANT STERILIZATION AGENT USED 

IN MEDICAL DEVICES INDUSTRY

 

EO sterilization consumption for 

medical devices

0

20

40

60

80

100

70

's

80

's

90

's

No

wa

da

ys

Decade

%

background image

 

 

Advantages / Disadvantages

Advantages

Effectiveness  Diffusivity

Bactericidal, fungicidal and virucidal properties 

Compatibility with most materials

Process flexibility

 

Low temperature sterilization

background image

 

 

Disadvantages

 Toxicity of the sterilizing agent

 Process complexity

 Process cost

 Processing time

Advantages / Disadvantages

background image

 

 

Objectives

Understanding the full dynamics of the sterilization allows 

design optimization / efficient control of the process - 

Parametric release

Screen the most significant

variables on B. subtilis 

inactivation by EO sterilization

Model the inactivation kinetics

of B. subtilis, including 

the variables’ effects

Provide a method of 

integrating lethality

background image

 

 

Modelling microorganisms inactivation 

Experimental design

Bacillus subtilis, var. niger or Bacillus atrophaeus spores (ATCC 

9372) inoculated in strips (biological indicators, BIs)

Matrix: Drapes

Temperature and humidity sensors

EO sensor (

Infrared analyser in the sterilizer chamber headspace

)

 

Sterilization cycles

background image

 

 

Modelling microorganisms inactivation

 

- Conditions defined according to the 2

3

 factorial design - 

Sterilization cycles

 - Target exposure conditions –

 

40 and 60 ºC 50 and 90 %RH

250 and 1000 

mg(EO)/L

background image

 

 

Modelling microorganisms inactivation

Survival curves construction 
   1

st

 order kinetics

     Gompertz model

Gompertz  function  has  the  ability  of  modelling 
both  linear  and  asymmetrical  sigmoidal data 

(

)

+

λ

=





1

t

A

e

k

exp

exp

A

N

N

log

max

0

0

N

log

t.

k

N

log

+

=

background image

 

 

Inactivation of B. subtilis spores by EO sterilization 

- Conditions defined according to the 2

3

 factorial design - 

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

U (s)

lo

g

 (

N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

1000

2000 3000 4000 5000 6000 7000

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

2000

4000

6000

8000

10000 12000 14000

U (s)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

500

1000

1500 2000 2500 3000 3500

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

300

600

900

1200

1500

1800

U (s)

lo

(N

/N

0

)

Legend
⁰        Experimental data 
___   Fitted Gompertz model 

___

   Predicted data 

- - -   Upper and lower limits of predicted data (considering the 

maximum fluctuations of temperature and EO concentration)

T=60 °C; EO=233 mg/L; 
RH=63 % 

T=44 °C; EO=257 mg/L; 

RH=86 % 

T=34 °C; EO=222 mg/L; 

RH=60 % 

T=40 °C; EO=980 mg/L; 
RH=90 %

 

T=59 °C; EO=266 mg/L; 

RH=85 %

T=33 °C; EO=940 mg/L; 

RH=61 %

T=59 °C; EO=1004 mg/L; 

RH=98 %

background image

 

 

Data analysis

The 

non-linear  regression  analysis

 was  carried  in 

Statistica©  6.0  software  (StatSoft,  USA),  using  the  Levenberg-
Marquardt algorithm to minimize the sum of the squares of the 
differences between the predicted and experimental values. 

background image

 

 

Data analysis

The experimental inactivation data were successfully fitted with 
the Gompertz model
:

    - High precision of k

max

 and 

λ

 estimates, since low errors were   

      attained (SHW

95%

);

    - Residuals randomness and normality;
    - Coefficient of determination (R

2

>0.98);

background image

 

 

Data analysis and planning future work

The analysis of variance (ANOVA) allowed to identify the most 
significant parameters affecting B. subtilis inactivation - 
temperature and EO concentration    

Additional experiments considering intermediate conditions of 
these parameters were defined in order to model their effects 
and combined effects on the lethality (runs 9 to 15)

background image

 

 

Inactivation of B. subtilis spores by EO sterilization at 

the additional experimental conditions

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

1000

2000

3000

4000

U (s)

lo

g

 (

N

/N

0

)

Legend

⁰        Experimental data 

___   Fitted Gompertz model 

Run   9 to Run 15

background image

 

 

Estimated  k

max

 and  l  parameters  of  B.  subtilis  inactivation  at  the 

temperature, EO concentration and relative humidity conditions tested

background image

 

 

EO concentration influence on k

max

 and 

λ

k

max

 = 3.22x10

-6

[EO] + 2.74x10

-4

k

max

 = 4.25x10

-6

[EO] + 2.18x10-3

k

max

 = 4.46x10

-6

[EO] + 3.53x10

-3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

500

1000

1500

[EO] (mg/L)

k

m

a

x

 x

 1

0

(s

-1

)

37.0 ºC

50.5 ºC

60.0 ºC

λ  

= -88.076ln[EO] + 853.05

λ

 = -229.66ln[EO] + 1733.7

λ

 = -446.4ln[EO] + 3570.8

0

200

400

600

800

1000

1200

0

200

400

600

800

1000

1200

[EO] (mg/L)

λ 

(s

)

38.0 ºC

50.5 ºC

60.0 ºC

Influence of EO concentration on k

max

 

at 

37.0

50.5

 e 

60.0

 °C 

Influence of EO concentration on 

λ

 at 

38.0

50.5

 and 

60.0

 °C 

background image

 

 

T influence on parameters 

a

k

/

b

k

 and 

a

λ

/

b

λ

a

k

 = 1.42x10

-4

T - 4.96x10

-3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0

10

20

30

40

50

60

70

T (ºC)

a

k

 x

 1

0

3

 (

s

-1

)

b

= 5.54x10

-8

T + 1.25x10

-6

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0

10

20

30

40

50

60

70

T (ºC)

b

k

 x

 1

0

6

 (

L

m

g

-1

s

-1

)

a

λ

 = 16.34T - 1063.61

-500

-400

-300

-200

-100

0

0

20

40

60

80

T (ºC)

a

λ

 (

s

)

b

λ

 = -124.74T + 8227.00

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0

20

40

60

80

T (ºC)

b

λ

 (

s)

Influence of T on 

a

k

 e 

b

k

 parameters

Influence of T on 

a

k

 

b

k

 parameters

background image

 

 

Data analysis

T and EO concentration have a negative effect on 

λ

 and a 

positive effect on k

max

:

      - Higher temperatures and EO concentration imply narrow   
        shoulder times and higher inactivation rates;
      - Lower inactivation rates and more evident shoulder phases   
  
        were observed at the lowest temperature and EO   
        concentration; 

background image

 

 

Mathematical model resulting from the integration 

of  the  T  and  EO  concentration  parameters  for 

lethality calculation of the EO sterilization process

[ ]



×









×

+

×

+





×

×

=



7.5

-

e

EO

6

10

1.25

T

8

10

5.54

3

10

4.96

T

4

10

1.42

exp

7.5)exp

(

0

N

N

log

[ ]

+









×

+

×

+





×

×

×

1

U

3

10

8.23

T

2

10

1.25

)

EO

ln(

3

10

1.06

T

1

10

1.63

background image

 

 

Inactivation of B. subtilis spores by EO sterilization 

- Conditions defined according to the 2

3

 factorial design - 

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

U (s)

lo

g

 (

N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

1000

2000 3000 4000 5000 6000 7000

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

2000

4000

6000

8000

10000 12000 14000

U (s)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

500

1000

1500 2000 2500 3000 3500

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

U (s)

lo

(N

/N

0

)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0

300

600

900

1200

1500

1800

U (s)

lo

(N

/N

0

)

Legend
⁰        Experimental data 
___   Fitted Gompertz model 

___

   Predicted data 

- - -   Upper and lower limits of predicted data (considering the 

maximum fluctuations of temperature and EO concentration)

T=60 °C; EO=233 mg/L; 
RH=63 % 

T=44 °C; EO=257 mg/L; 

RH=86 % 

T=34 °C; EO=222 mg/L; 

RH=60 % 

T=40 °C; EO=980 mg/L; 
RH=90 %

 

T=59 °C; EO=266 mg/L; 

RH=85 %

T=33 °C; EO=940 mg/L; 

RH=61 %

T=59 °C; EO=1004 mg/L; 

RH=98 %

background image

 

 

In conclusion

[ ]



×









×

+

×

+





×

×

=



7.5

-

e

EO

6

10

1.25

T

8

10

5.54

3

10

4.96

T

4

10

1.42

exp

7.5)exp

(

0

N

N

log

A mathematical inactivation model expressed only in terms of the 
relevant   process   variables   (T   and   EO   concentration)   was  
achieved. 

The conventional design of EO sterilization cycles usually involves 
a significant amount of experimental work, which is time 
consuming and also expensive. The results of this work are 
certainly a contribution for an efficient controldesign and 
optimization of the EO sterilization process.

[ ]

+









×

+

×

+





×

×

×

1

U

3

10

8.23

T

2

10

1.25

)

EO

ln(

3

10

1.06

T

1

10

1.63

background image

 

 

Thanks’

background image

 

 


Document Outline