Waarom pasteuriseren en steriliseren?

In de natuur voorkomende micro-organismen zijn ongelooflijk divers en bestaan uit zowel nuttige als schadelijke soorten. In de medische wereld en bij de productie van voedsel kunnen de schadelijke soorten een grote negatieve impact hebben, soms zelf met dodelijke afloop. Om dit te voorkomen wordt, afhankelijk van de toepassing, pasteurisatie en/of sterilisatie toegepast. Pasteurisatie en sterilisatie zijn gebaseerd op hetzelfde principe maar hebben een verschillend einddoel.

Sterilisatie en pasteurisatie: het belangrijkste verschil

Pasteurisatie is een thermisch proces waarbij het aantal aanwezige micro-organismen door verhitting aanzienlijk wordt verminderd. Het doel hiervan is om het aantal organismen dusdanig te verminderen dat het zeer onwaarschijnlijk wordt dat ze nog ziektes kunnen veroorzaken, terwijl de gewenste eigenschappen (o.a. smaak, textuur en vitaminegehalte) van het product worden behouden.

Sterilisatie heeft daarentegen tot doel alle micro-organismen in voedsel, vloeitstoffen en op medische instrumenten te doden. Dit proces verandert daardoor bij voedselproducten onvermijdelijk de eigenschappen ervan. Ondanks dit nadeel wordt sterilisatie toch veelvuldig toegepast omdat het vaak de enige manier is om levensmiddelen voor een aantal jaren goed te kunnen houden.

Sterilisatie Autoclaaf medischAutoclaaf voor sterilisatie van
medische instrumenten

De D-waarde

De D-waarde verwijst naar de decimale reductietijd. Dit wordt gedefinieerd als de vereiste tijd waarop iets op een bepaalde temperatuur moet zijn om het aantal micro-organismen tot een tiende van hun beginwaarde te verminderen (ofwel één decimaal). Dit betekent dus dat 90% van de eerder aanwezige micro-organismen zijn gedood.

Voorafgaand aan sterilisatie of pasteurisatie kan er een enorm aantal micro-organismen aanwezig zijn in een gegeven monster. Zo talrijk zelfs dat hun aantal in de regel wordt uitgedrukt in machten van tien om een groot aantal nullen te voorkomen, bijvoorbeeld:

100 wordt geschreven als 10 tot de 2de macht, 102
1.000 wordt geschreven als 10 tot de 3de macht, 103
1.000.000 wordt geschreven als 10 tot de 6e macht, 106

Vernietiging van micro-organismen begint al bij opvallend lage temperaturen: bijvoorbeeld bij 65°C. Om de initiële hoeveelheid met 1 decimaal te verminderen moet het voedselmonster voor een bepaalde tijd aan een temperatuur van 65°C moeten worden blootgesteld, bijvoorbeeld 20 minuten. Als het monster oorspronkelijk 106 micro-organismen (1.000.000) bevatte zou hun aantal in dit voorbeeld na 20 minuten met factor 10  verminderd zijn tot 105 (100.000). Als dit proces wordt herhaald, waarbij het monster dus nog eens 20 minuten lang aan 65°C wordt blootgesteld, zou het aantal micro-organismen opnieuw met factor 10 tot 104 (10.000) verminderd zijn. Dit betekent dat het aantal organismen nu met factor 100 verminderd is ten opzichte van het initële aantal. Uit het bovenstaande voorbeeld kan gesteld worden dat de betreffende micro-organismen een D-waarde van D=20 bij 65°C hebben. Dit kan korter uitgedrukt worden als D65C=20.

Pasteurisatie voedselVoorbeelden van voedingswaren
die gepasteuriseerd worden

Met behulp van de bovenstaande redenering (de vermindering van micro-organismen tot een tiende voor elke periode D) is het onmiddellijk duidelijk dat het niet mogelijk is om volledige eliminatie van de micro-organismen te bereiken. Laten we er bij wijze van voorbeeeld vanuit gaan dat we in ons productieproces met één micro-organisme in elk pakket beginnen en dat we de decimale reductietijd D 6 keer toepassen. Dit betekent dat we elk pakket gedurende Dx6 minuten constant aan de relevante temperatuur blootstellen. Na D minuten wordt het aantal micro-organismen verminderd tot een tiende, na 2xD minuten tot een honderdste, tot we uiteindelijk na 6xD minuten het aantal verminderd hebben tot een miljoenste van de initële hoeveelheid; dit kan worden uitgelegd door te stellen dat er van een miljoen pakketten nog één pakket het initiële micro-organisme bevat. Tijdens een sterilisatieproces past men dit proces doorgaans zo'n 12 keer toe, wat betekent dat slechts één pakket op een biljoen (1012) niet steriel zou zijn.

Concluderend: als de D-waarde en de mate van reductie in micro-organismen bij een bepaalde temperatuur bekend zijn (bijvoorbeeld met 106 of 6 D reducties) dan kan de blootstellingstijd berekend worden door D met 6 te vermenigvuldigen.

Voor degenen die bekend zijn met logaritmische vergelijkingen, als:
a = initële aantal micro-organismen
b = het gewenste aantal micro-organismen aan het einde van het proces
D = de tijd die nodig is om bij een gegeven temperatuur het aantal micro-organismen met één decimaal te verminderen
t = duur van het gehele proces
dan volgt de formule
t = D (log a - log b)
waarbij (log a - log b) het aantal decimale reducties is.

Om het geheel nog iets complexer te maken introduceren we de Z-waarde.

D-waarde berekening sterilisatieGrafische weergave D- en Z-Waarde

De Z-waarde

Men kan zich afvragen: wat gebeurt er als de temperatuur wordt verhoogd? Het korte antwoord is dat het aantal micro-organismen dat per minuut wordt vernietigd toeneemt. Voor het complete antwoord willen we natuurlijk weten met hoeveel dit toeneemt. Het is mogelijk de benodigde temperatuurstijging om de D-waarde met een factor 10 te verminderen (in ons voorbeeld, van 20 minuten tot 2 minuten) experimenteel te bepalen. Deze temperatuurverhoging wordt de Z-waarde genoemd en wordt uitgedrukt in °C.

De Z-waarde is dus de temperatuurverandering die een 10-voudige verandering in de D-waarde tot gevolg zal hebben. De Z-waarde wordt gemeten in °C.

Op basis van bovenstaand kan geconcluderrd worden dat veranderingen in temperatuur de thermische vernietiging van micro-organismen sterk beïnvloed.

F of P waarden: Sterilisatie- en pasteurisatiewaarden

In het algemeen zijn procesoperators enkel geïnteresseerd in de volgende informatie: bij welke temperatuur en hoe lang moet een proces worden uitgevoerd? In de industrie vraagt men gewoonlijk naar de F- of P-waarde vragen op een bepaalde temperatuur. Bij sterilisatieprocessen komen we vaak  een specifieke waarde van F tegen, bekend als F0 (F-nul). Dit is het aantal minuten van equivalente sterilisatie bij 121,11°C. (ofwel 250°F). Wanneer een andere temperatuur wordt gebruikt wordt dit normaal gesproken vermeld na het symbool F, bijvoorbeeld als F110 of F135. In de praktijk is de F-waarde doorgaans ingesteld op 12D waarden. Voor pasteurisatieprocessen moet men eigenlijk de P-waarde noemen, maar in plaats daarvan wordt vaak de F-waarde gebruikt

sterildisk softwareVoorbeeld van temperatuurverloop
tijdens een pasteurisatieproces

De F-waarde (of P-waarde) is dus de duur (in minuten) van het gehele sterilisatie- of pasteurisatieproces bij een bepaalde temperatuur.

Bij pasteuriseringstoepassingen, vooral bij dranken, komt men ook de afkorting PU tegen (Pasteurisation Units).

Één PU wordt gedefinieerd als blotstelling van een product aan 60°C gedurende 1 minuut.

In de praktijk zullen daadwerkelijke processen nooit geheel overeenkomen met de theorie: de temperatuur kan niet onmiddellijk stijgen tot de doelwaarde, zal nooit helemaal constant blijven over de gehele procestijd, en zal na afronding niet direct dalen naar de omgevingstemperatuur. Bekijk het typische procesverloop in het hiernaast afgebeelde diagram zie hoe de waarde F0 (121.11°C) geleidelijk verandert. Het proces wordt uitgevoerd met Z = 10.

Zoals u ziet begint de F0 te veranderen vanaf het moment dat de temperatuur ongeveer 100°C bereikt en constant blijft wanneer het weer onder 100°C komt. Merk hierbij op dat we een waarde krijgen voor F0 ondanks dat het proces nooit daadwerkelijk 121.11°C bereikt. Dit is mogelijk dankzij het effect van de Z-waarde, die het mogelijk maakt om gelijkwaardige thermische processen te berekenen.

Softwareprogramma's die automatisch gegevens analyseren van sterilisatie- en pasteurisatieprocessen vereisen het vooraf instellen van een aantal parameters:

  • De referentietemperatuur T (in het algemeen is dit 121,11°C voor sterilisatie en 60°C voor pasteurisatie)
  • De Z-waarde (de temperatuurverandering in °C die nodig is om de decimale reductietijd met een factor 10 te veranderen) die nodig is zodat de software rekening kan houden met het feit dat het proces niet uitgevoerd wordt op één constante temperatuur.

De software berekent automatisch de waarde voor F (of P voor pasteurisatie) die is gedefinieerd voor de temperatuur T. Indien nodig kan er een drempelwaarde worden ingevoerd voor de temperatuur waaronder de bijdrage aan de F (of P) waarde wordt genegeerd.

Men kan bovengenoemde ook uitdrukken in sterilisatie- (SU) of pasteurisatie-eenheden (PU), aangezien één eenheid effectief een minuut blootstelling aan een nominale temperatuur T inhoudt. Daarom is een waarde van F0 = 5,5 minuten gelijk aan 5,5 SU (bij 121,11°C), en staan 20 PU gelijk aan het 20 minuten lang blootstellen van het product aan de referentietemperatuur (normaal 60°C).

De referentietemperatuur, Z-waarde en de procesduurparameters (als u de PU of SU wilt gebruiken) zijn afhankelijk van het type micro-organisme dat u wilt vernietigen.

Time °C F0 Time °C F0 Time °C F0

13.25.50

28.38

0

13.43.02 109.95 0 14.01.31 110.06 1.27

13.26.50

28.65

0

13.44.06 110.06 0 14.02.36 110.10 1.35

13.27.50

26.64

0

13.45.10 110.24 0.01 14.03.42 109.96 1.44

13.28.50

26.99

0

13.46.15 110.43 0.02 14.04.47 109.77 1.52

13.29.51

26.72

0

13.47.20 110.39 0.1 14.05.53 99.94 1.60

13.30.51

26.31

0

13.48.26 110.39 0.18 14.06.57 74.48 1.61

13.31.51

26.25

0

13.49.31 110.01 0.27 14.07.59 73.81 1.61

13.32.52

26.84

0

13.50.36 110.29 0.37 14.09.02 30.36 1.61

13.33.52

28.5

0

13.51.42 110.06 0.46 14.10.02 30.35 1.61

13.34.52

31.4

0

13.52.47 110.10 0.55 14.11.02 30.32 1.61

13.35.53

35.84

0

13.53.53 109.96 0.64 14.12.03 30.25 1.61

13.36.53

41.71

0

13.54.58 109.77 0.72 14.13.03 31.3 1.61

13.37.54

48.64

0

13.56.04 99.94 0.81 14.14.03 30.77 1.61

13.38.55

56.25

0

13.57.09 74.48 0.91 14.15.04 30.6 1.61

13.39.56

63.55

0

13.58.15 73.81 1 14.16.04 30.4 1.61

13.40.58

71.66

0

13.59.20 30.36 1.09 14.17.05 30.31 1.61

13.42.00

79.96

0

14.00.26 30.35 1.18 14.18.05 30.15 2.01

 Tabel 1. Voorbeeld tijd/temperatuurmetingen tijdens een
pasteurisatieproces met veranderende F0-waarde

Technische aspecten van temperatuurmetingen

Waar moeten metingen worden genomen?

Sterilisatie- en pasteuriseringsapparaten bevatten compartimenten van verschillende omvang en inhoud. De praktijk leert dat de temperatuurverdeling binnen deze compartimenten niet altijd uniform is. Het is zaak om de temperatuurverdeling in dergelijke ruimtes in kaart te brengen en kritische zones te identificeren. Op basis van de resultaten kan het proces zo af worden gestemd dat het zelfs op de zwakste punten effectief is. Het is verstandig om niet enkel te vertrouwen op de thermometer die bij de apparatuur wordt geleverd. Hoewel deze metingen doorgaans nauwkeurig zijn kan het meetpunt zich in een thermisch gunstige zone van het compartiment bevinden. Naast het in kaart brengen van de ruimte dienen er metingen in de kern van het te steriliseren of pasteuriseren product te worden gemaakt, aangezien dit normaal gesproken pas als laatste de gewenste temperatuur bereikt. Als de kern de correcte temperatuur heeft bereikt kan men er doorgaans vanuit gaan dat de rest van het product ook zover is.

Welk effect kan het type proces hebben?

De waarden van F of P zullen verschillen naargelang het milieu waarin de processen worden uitgevoerd, voornamelijk omdat de tijd die het nodig heeft om de kern van het product te verhogen tot de gewenste temperatuur afhankelijk is van het type proces. Bijvoorbeeld bij stoomsterilisatie komen de bovenstaande waarden, evenals de referentietemperatuur, niet overeen met die voor warmluizen of microgolfprocessen. De magnetron sterilisatie produceert in het bijzonder geen gelijkmatige temperatuurverdeling.

Welk type instrument moet worden gebruikt?

In principe kan met elk gekalibreerd instrument een geldige meting uitgevoerd worden. Het instrument kan gebaseerd zijn op thermokoppel-, thermistor- of RTD-sensoren. Gebruik indien mogelijk miniatuur dataloggers die in (de kern van) het product kunnen worden geplaatst of waarvan de probes kunnen worden geplaatst in het te controleren product. Voor (online) real-time monitoring, waarbij u het temperatuurprofiel in real-time kunt bekijken, kunt u klein uitgevoerde draadloze data loggers gebruiken. Deze laten u de metingen zien op het moment dat ze worden gedaan in plaats van na afloop van het proces.

SterilDisk datalogger sterilisatie pasteurisatieSterilDisk
miniatuur datalogger
t.b.v. procesvalidatie