Development and optimization of an industrial-oriented biomedical sterilization process by supercritical carbon dioxide

This thesis investigates an innovative sterilization method using supercritical carbon dioxide (sc-CO₂) with hydrogen peroxide as an additive. The goal is to develop a technology applicable in medical environments where specific sterility standards are required. A preliminary phase was conducted to establish a solid microbiological foundation for working reproducibly and optimally with Bacillus atrophaeus spores, known for their high resistance to chemical agents. This initial work ensured reliable handling, accurate enumeration, and standardized experimental conditions. The research then proceeded in two phases. In the first phase, a Design of Experiments (DoE) approach was applied to characterize the inactivation of spores in direct sc-CO₂ treatment. This systematic study identified temperature, hydrogen peroxide concentration, treatment duration, and internal fluid agitation as key influencing factors, while pressure played a secondary role. The findings from this phase guided the second phase of the study, which focused on sterilization in an industrial-oriented process where the product is contained in an innovative packaging that allows the passage of carbon dioxide and additives. In the second phase, inactivation kinetics were analyzed to assess the impact of pressure and treatment duration in this more complex configuration. The results showed that pressure became a dominant factor, as the bag system introduced significant resistance due to fluid exchange limitations. Higher pressures and longer exposure times were necessary to achieve effective sterilization. These findings lay the groundwork for further studies aimed at refining the process and evaluating its applicability to real medical devices. A deeper investigation into the operating conditions of the new process, packaging optimization, and the use of real matrices, such as personal protective equipment, is planned to enhance process efficiency and evaluate its effects on different materials.

Questa tesi esplora un metodo innovativo di sterilizzazione basato sull’uso di anidride carbonica supercritica (sc-CO₂) con acqua ossigenata come additivo, con l’obiettivo di sviluppare una tecnologia applicabile in contesti medico-industriali che richiedono specifici standard di sterilità. Il lavoro è stato articolato in tre fasi principali. In un primo momento, è stata condotta un’analisi preliminare per stabilire solide basi microbiologiche, garantendo una gestione riproducibile ed efficace delle spore di Bacillus atrophaeus, utilizzate come indicatori per la loro elevata resistenza agli agenti chimici. Successivamente, è stato studiato l’effetto del trattamento diretto con sc-CO₂ sulle spore, utilizzando un approccio basato sul Design of Experiments (DoE). Questa analisi ha permesso di identificare i parametri chiave che influenzano l’efficacia del processo, evidenziando il ruolo determinante di temperatura, concentrazione di acqua ossigenata, durata del trattamento e agitazione del fluido, mentre la pressione si è rivelata meno rilevante sull’esito della deattivazione. I risultati di questa prima fase hanno guidato la gestione della seconda, incentrata sulla sterilizzazione di spore contenute in innovativi sacchetti che permettono il passaggio dell’anidride carbonica e dell’additivo. Qui, le cinetiche di inattivazione hanno mostrato che, a differenza dei test in sc-CO₂ diretta, la pressione assume un ruolo primario, probabilmente a causa delle difficoltà di circolazione del fluido nel sistema di ingresso e uscita del sacchetto. Per ottenere una riduzione significativa della carica batterica, si è reso necessario aumentare sia la pressione che la durata del trattamento. Questi risultati forniscono una base solida per futuri sviluppi della tecnologia, con l’obiettivo di ottimizzare il processo e testarlo su dispositivi medici reali, ampliandone le potenziali applicazioni nel settore sanitario. A tal fine, è previsto uno studio più approfondito delle condizioni operative del nuovo processo, dell’ottimizzazione del packaging e dell’impiego di matrici reali, come i dispositivi di protezione individuale, per valutarne l’efficacia e l’impatto su diversi materiali.