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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sterilisieren von Oberflächen von
in einer Sterilisationskammer befindlichen Gegenständen, bei
welchem eine fest abgemessene Menge einer Wasserstoffperoxid enthaltenden
wässrigen
Lösung
in wenigstens einem Verdampfer vollständig verdampft und das aus Wasserdampf
und Wasserstoffperoxiddampf bestehende Dampfgemisch schlagartig
in die zuvor evakuierte Sterilisationskammer derart geleitet wird,
dass das Dampfgemisch auf den Oberflächen sofort einen Kondensatbelag
bildet, der unverzüglich
durch erneutes Evakuieren der Sterilisationskammer abgepumpt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind durch die
DE 100 42 416 A1 Stand
der Technik. Bei dem bekannten, sehr gut funktionierenden Verfahren
ist über
den Verdampfer sowie über
die Zuführung
der wässrigen
Lösung
zu dem Verdampfer nichts Näheres
gesagt. Es gibt dort allerdings ein zwischen dem Verdampfer und
der Sterilisationskammer angeordnetes Ventil. Dieses Ventil hat
die Funktion, dass die Dampferzeugung im Verdampfer bereits beginnen
kann, bevor das Dampfgemisch benötigt
wird. Das entstehende Dampfgemisch wird zurückgehalten und mindestens teilweise
im Verdampfer zwischengespeichert. Erst wenn das Dampfgemisch benötigt wird,
wird dieses Ventil geöffnet
und das Dampfgemisch kann in die Sterilisationskammer expandieren.
Die Zwischenspeicherung ist problematisch, da sich Wasserstoffperoxid
unter Einwirkung von hohen Temperaturen mit der Zeit thermisch zersetzt.
Damit es nicht zu einer unerwünschten
Konzentrationsabnahme des Wasserstoffperoxids kommt, muss die Temperatur
im Verdampfer begrenzt werden. Außerdem muss verhindert werden, dass
das Dampfgemisch während
der Speicherung bereits wieder kondensiert. Durch die begrenzte Temperatur
und durch den vor dem geschlossenen Ventil entstehenden Druck des
Dampfgemisches, ist der Wirkungsgrad des Verdampfers nicht sehr
gut.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das bekannte Verfahren und
die bekannte Vorrichtung zu verbessern und insbesondere den Wirkungsgrad
des Verfahrens zu steigern.
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Die
Aufgabe wird beim Verfahren dadurch gelöst, dass das Dampfgemisch aus
der wässrigen Lösung unmittelbar
vor bzw. bei seinem Einströmen in
die Sterilisationskammer schlagartig erzeugt wird. Die Vorrichtung
beansprucht die zugehörigen
Mittel.
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Bei
der Erfindung ist ein Verdampfer direkt, ohne Zwischenschaltung
langer Leitungen oder Ventile an eine Sterilisationskammer angeschlossen.
Die wässrige
Lösung
wird schlagartig in den Verdampfer gedrückt und von diesem instantan
verdampft. Dies hat den Vorteil, dass das Dampfgemisch genau dann erzeugt
wird, wenn es gebraucht wird. Jegliche Zwischenspeicherung mit ihren
Problemen entfällt.
Hierdurch kann die Temperatur im Verdampfer höher sein, ohne dass die Gefahr
eines thermischen Zerfalls des Wasserstoffperoxids besteht. Des
Weiteren wird durch das Dampfgemisch kein hoher Gegendruck im Verdampfer
aufgebaut, da das Dampfgemisch sofort in die Sterilisationskammer
expandieren kann. Somit steigt der Wirkungsgrad des Verfahrens und
insbesondere des Verdampfers beträchtlich.
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Wie
in
DE 100 42 416 A1 beschrieben,
arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren
ebenfalls ohne Trägergasstrom.
Es wird eine bestimmte Flüssigkeitsmenge
einer Wasserstoffperoxid in einer definierten Konzentration enthaltenden
wässrigen
Lösung
vollständig
verdampft, so dass eine definierte Dampfmenge mit gleicher Wasserstoffperoxidkonzentration
entsteht. Die Sterilisationskammer und der Verdampfer werden zuvor
evakuiert, so dass das schlagartig erzeugte Dampfgemisch genauso schlagartig
wieder expandiert und sich in der Sterilisationskammer verteilt.
Durch die nahezu adiabatische Expansion wird das Dampfgemisch so
stark abgekühlt,
dass es sich sofort als Kondensatbelag an allen zugänglichen
Oberflächen
in der Sterilisationskammer niederschlägt. Während des Kondensierens wird
die Verdampfungsenthalpie des Wasserstoffperoxids und des Wassers
wieder frei. Durch die schlagartige Kondensation kann diese Wärmemenge
nicht direkt durch Wärmeleitung über die
Oberflächen
abgeführt
werden und erhitzt somit das Kondensat. Die Erwärmung des wieder aus einer
wässrigen
Wasserstoffperoxidlösung
bestehenden Kondensatbelags führt
zu einer Aktivierung des Wasserstoffperoxids durch Dissoziation.
Hierdurch werden alle an den Oberflächen befindliche Keime sofort
abgetötet.
Die aus der Verdampfungsenthalpie freiwerdende Wärmemenge ist groß bezogen
auf die Flüssigkeitsmenge
der wässrigen
Lösung
und kann somit eine starke Temperaturerhöhung derselben bewirken. Wie
schon im oben genannten Stand der Technik beschrieben, ist es ausreichend,
wenn der Kondensatbelag sehr dünn
ist. Dadurch ist die freiwerdende Wärmemenge äußerst gering bezogen auf die
Masse der zu sterilisierenden Gegenstände und führt nur zu einer geringen Temperaturerhöhung der
sterilisierten Oberflächen.
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Versuche
haben gezeigt, dass sich die Dicke des Kondensatbelages weiter reduzieren
lässt,
ohne dass die Sterilisationswirkung abnimmt. Selbst mit dem bloßen Auge
nicht mehr sichtbare Kondensatbeläge erzielen ein sehr gutes
Sterilisationsergebnis. Die Anmelderin vermutet, dass hier eine „Mikro-Kondensation" stattfindet, bei
der ein so dünner
und feiner Kondensatbelag entsteht, dass er mit dem bloßen Auge
nicht mehr zu erkennen ist. Es wird vermutet, dass die ablaufenden
Sterilisationsvorgänge
dieselben sind. Ein Vorteil einer reduzierten Dicke des Kondensatbelages
ist ein geringerer Verbrauch an Wasserstoffperoxid enthaltender,
wässriger
Lösung. Neben
einem geringeren Rohstoffeinsatz ermöglicht dieser eine kleinere
und damit energiesparendere Baugröße bei Verdampfer und Vakuumpumpeinrichtung.
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Unmittelbar
nach der Kondensation des Dampfgemisches wird die Sterilisationskammer
erneut evakuiert. Hierbei wird der Druck in der Sterilisationskammer
unter den Dampfdruck des Wassers und des Wasserstoffperoxids gesenkt,
so dass der Kondensatbelag wieder verdampft und als Dampfgemisch
abgepumpt werden kann. Auf Grund der sehr geringen Schichtdicke
des Kondensatbelages wird verhindert, dass es beim Wiederverdampfen
zu Vereisungserscheinungen kommt.
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Es
hat sich gezeigt, dass ein Abwarten einer Verweilzeit des Kondensatbelages
auf den Oberflächen
zu keiner deutlichen Verbesserung der Sterilisationswirkung führt. Dies
liegt darin begründet,
dass das Abtöten
der Keime genau in dem Moment des schlagartigen Kondensierens erfolgt.
Wird eine Erhöhung
der Sterilisationswirkung gefordert, so wäre vorzugsweise der Vorgang
des Verdampfens und Kondensierens insgesamt zu wiederholen.
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Die
treibende Kraft für
die adiabatische Expansion des Dampfgemisches in die Sterilisationskammer
ist das Druckgefälle.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ohne Zwischenspeicherung des Dampfgemisches ist dieses Druckgefälle im Wesentlichen
während
des Verdampfungsvorgangs konstant. Die Höhe des Druckgefälles wird
hier nahezu ausschließlich
durch den Dampfdruck bei der gegebenen Verdampfertemperatur bestimmt.
Da hier wesentlich höhere
Verdampfertemperaturen als beim bekannten Verfahren zulässig sind,
lassen sich Druckdifferenzen erreichen, bei denen der Dampfdruck
mehr als 700 mbar über
dem Restdruck in der Sterilisationskammer liegt.
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Ein
Verdampfer für
die vorliegende Erfindung sollte bauartbedingt folgende Merkmale
aufweisen: Er sollte Kanäle
für die
wässrige
Lösung
und das Dampfgemisch aufweisen, wobei diese Kanäle eine zum sofortigen und
vollständigen
Verdampfen der wässrigen
Lösung
ausreichende Länge
besitzen sollen. Die Kanäle
sollten sich in Richtung zur Sterilisationskammer hin erweitern,
um Raum für
das expandierende Dampfgemisch zu schaffen. Die optimalen Abmaße der Kanäle kann
der Fachmann leicht durch einfache Vorversuche gemäß der zu
verdampfenden Menge der wässrigen
Lösung
bestimmen. Außerdem sollte
der Verdampfer schnell beheizbar sein, aus gut wärmeleitfähigem Material bestehen und
so massiv ausgelegt sein, dass seine Masse ein Mehrfaches der Wärmemenge
speichern kann, die für
einen vollständigen
Verdampfungsvorgang der vorgegebenen Menge der wässrigen Lösung erforderlich ist. Gut
geeignet ist beispielsweise ein massiver Aluminiumzylinder. Es ist
darauf zu achten, dass die Oberflächen des Verdampfers, die mit
dem Dampfgemisch in Berührung
kommen, passiviert sind, denn eine Zersetzung des Wasserstoffperoxids
erfolgt nicht nur rein thermisch, sondern auch durch den Kontakt
des Dampfgemisches mit Verunreinigungs- und Legierungsbestandteilen
des Materials der Wandung, insbesondere Schwermetall-Ionen. Eine
Passivierung lässt
sich beispielsweise durch eine möglichst
geschlossene Oxidschicht an der Oberfläche erreichen.
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Damit
der Verdampfer die wässrige
Lösung überhaupt
schlagartig verdampfen kann, muss diese selbstverständlich mindestens
ebenso schlagartig zu Beginn des Verfahrens in den Verdampfer befördert werden.
Hierzu kann eine Pumpe, beispielsweise eine Kolbenpumpe, vorgesehen
sein, die eine vorher abgemessene Menge der wässrigen Lösung in den Verdampfer presst.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, eine größere Menge
der wässrigen
Lösung
unter Druck zu setzen, beispielsweise in einem Druckbehälter und dann
die für
einen Sterilisationsvorgang benötigte Menge
durch das kurzzeitige Öffnen
eines Ventils schlagartig in den Verdampfer schießen zu lassen.
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Eine
dritte Möglichkeit
besteht darin, die abgemessene Menge der wässrigen Lösung gemeinsam mit einer definierten
Menge eines Treibgases in einem Behälter unter Druck zu setzen,
und dann bei Öffnen
eines Ventils die wässrige
Lösung
durch Expansion des Treibgases schlagartig in den Verdampfer drücken zu
lassen. Sollte sich hierbei das Treibgas mit dem im Verdampfer entstehenden
Dampfgemisch vermischen, beeinträchtigt
dies das Verfahren nicht, da die Treibgasmenge sehr klein im Vergleich zu
der entstehenden Dampfgemischmenge ist. Als Treibgas sind im Prinzip
alle unschädlichen
Gase denkbar, auch Druckluft, wobei hier auf vollständige Ölfreiheit
zu achten ist, um nicht durch Öl
das Wasserstoffperoxid zu zersetzen. Eine einfache praktische Lösung besteht
in der Verwendung von Stickstoff aus einer Vorratsflasche. Das Treibgas
braucht auch nicht steril zu sein, da es im Verdampfer durch das
Dampfgemisch automatisch mitsterilisiert wird.
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Keinesfalls
ist das Treibgas mit einem, bei anderen Verfahren üblicherweise
verwendeten Trägergas
vergleichbar. Ein Trägergas
dient als Transportgasstrom für
das Wasserstoffperoxid enthaltende Dampfgemisch zu den zu sterilisierenden
Oberflächen
und liegt somit in einer viel größeren Menge
als das Dampfgemisch selbst vor. Außerdem sind das Trägergas und
das Wasserstoffperoxid enthaltende Dampfgemisch schon vor Eintritt
in die Sterilisationskammer gemischt und treten somit gleichzeitig
ein. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
dagegen, liegt das Treibgas als „Gasdruckpolster" hinter oder über der
wässrigen
Lösung
vor und transportiert diese wie ein Kolben in den Verdampfer. Nach
dem schlagartigen Verdampfen ist der größte Teil des Dampfgemisches
bereits in die Sterilisationskammer hineinexpandiert, da sich bekanntermäßen beim
Verdampfen einer Flüssigkeit
das Volumen bezogen auf die Masse sehr stark vergrößert. Eine
gegebene Menge eines Treibgases, die ausreichend groß ist, um
die Menge der wässrigen
Lösung
in den Verdampfer zu transportieren, kann gar nicht mehr in der
Lage sein, irgendeine nennenswerte Wirkung auf die aus dieser wässrigen
Lösung
entstandene Dampfgemischmenge auszuüben.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels.
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Es
zeigen:
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1 eine
Sektion einer Maschinenanlage mit einem Druckbehälter, einem Verdampfer und
einer Sterilisationskammer,
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2 in
gegenüber 1 vergrößerter Darstellung
einen Axialschnitt durch einen für
die Erfindung geeigneten Verdampfer,
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3 einen
Schnitt längs
der Schnittfläche III-III
der 2,
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4 eine
schematisch dargestellte Kolbenpumpe.
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Die
sehr schematisch dargestellte Maschinenanlage nach 1 enthält einen
Druckbehälter 1, einen
Verdampfer 2 und eine Sterilisationskammer 3. In
der Sterilisationskammer 3 befinden sich Gegenstände 4,
deren Oberflächen 5 sterilisiert
werden sollen. Es kann sich hierbei beispielsweise um PET-Flaschen
handeln.
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Zunächst wird
eine definierte Menge einer Wasserstoffperoxid enthaltenden wässrigen
Lösung beispielsweise
mit einem Wasserstoffperoxid-Anteil von 50 Gewichtsprozent, in Richtung
W aus einem nicht dargestellten Vorratstank über eine nicht dargestellte
Dosierpumpe und ein Ventil 6 einem Druckbehälter 1 zugeführt. Das
Ventil 7 zwischen dem Druckbehälter 1 und dem Verdampfer 2 bleibt
noch geschlossen. Daraufhin wird über das Ventil 8 der Druckbehälter 1 in
Richtung T durch ein Treibgas mit einem definierten Druck beaufschlagt.
Als Treibgas eignet sich beispielsweise ölfreie Druckluft oder Stickstoff
aus einer Vorratsflasche. Der Druck des Treibgases kann in einem
weiten Bereich variieren, abhängig
von der konkreten konstruktiven Ausgestaltung, etwa zwischen 2 und
20 bar.
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Nach
Füllung
des Druckbehälters 1 sind
beide Ventile 6 und 8 geschlossen und es befindet
sich eine abgemessene Menge wässriger
Lösung 9 und eine
definierte Menge eines Treibgases 10 im Druckbehälter 1.
Der Dichteunterschied bewirkt, dass das Treibgas 10 ein
Gaspolster oberhalb der wässrigen Lösung 9 bildet.
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Über eine
geeignete Vakuumpumpe 11 bzw. über einen aus mehreren Pumpen
bestehenden Pumpstand werden die Sterilisationskammer 3 und der
Verdampfer 2 bis zurück
zum Ventil 7 evakuiert. Das Abgas wird in Richtung A über nicht
dargestellte Abgaseinrichtungen entsorgt. Bei Erreichen des benötigten Druckniveaus
P1 in der Sterilisationskammer 3 wird das Ventil 12 geschlossen.
Nach dem Evakuieren herrscht in der Sterilisationskammer 3 typischerweise
nur noch ein Druck von unter 100 mbar. Der Verdampfer 2 wird über eine
Heizwendel 13 beheizt.
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Nun
wird das Ventil 7 geöffnet.
Durch den hohen Druck des Treibgases 10 wird die wässrige Lösung 9 schlagartig über ein
im Boden 14 des Druckbehälters 1 befindliches
Anschlussrohr 15 in Richtung V in den Verdampfer 2 gedrückt. Dort
wird die wässrige
Lösung 9 durch
die herrschende Temperatur instantan vollständig verdampft. Das entstehende Dampfgemisch
hat im Wesentlichen dieselbe Konzentration wie die wässrige Lösung 9 und
hat auf Grund der hohen Temperatur im Verdampfer 2 einen Dampfdruck
weit oberhalb des Druckniveuas P1. Durch dieses Druckgefälle getrieben,
wird das Dampfgemisch augenblicklich über die Verbindung 16 und
ein Verteilerrohr 17 in die Sterilisationskammer 3 hinein
expandieren. Auf Grund der hohen Geschwindigkeit verläuft die
Expansion des Dampfgemisches nahezu adiabatisch und verursacht eine starke
Abkühlung
des Dampfgemisches unter seinen Taupunkt. Deshalb kondensiert das
Dampfgemisch sofort als Kondensatbelag an allen erreichbaren Oberflächen 5 und
entfaltet dabei seine sterilisierende Wirkung. Da die bei der Expansion
entstehende Strömung
durch ein Druckgefälle
induziert ist, werden auch schwer zugängliche Oberflächen 5,
beispielsweise das Innere von Flaschen, durch das Dampfgemisch erreicht.
Nach dem Einströmen
wird das Ventil 7 wieder geschlossen und das Ventil 12 wieder
geöffnet.
Das Kondensat wird über
die Pumpe 11 abgepumpt. Dabei bewirkt das Absenken des
Druckes in der Sterilisationskammer 3 unter den Dampfdruck
von Wasserstoffperoxid ein Verdampfen des auf den Oberflächen 5 verteilten
Kondensatbelages. Nach dem Abpumpen des Kondensates wird die Sterilisationskammer 3 über ein
Ventil 18 in Richtung S mit Sterilluft geflutet. Der Sterilisationsvorgang
ist damit beendet.
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Der
Einström-
und Kondensationsvorgang geschieht in Bruchteilen von Sekunden.
Er kann beispielsweise nur 0,4 bis 0,8 Sekunden benötigen. Auf Grund
dieser kurzen Zeit werden die Vorgänge als „schlagartig" und „instantan" bezeichnet, obwohl
es sich bei allen Vorgängen
natürlich
um Zeitspannen handelt, die jeweils eine gewisse – wenn auch
nur extrem kurze – Zeit
andauern. Es wird also zum Beispiel wohl bereits ein erster Teil
des Dampfgemisches in die Sterilisationskammer 3 expandieren,
während der
letzte Teil der wässrigen
Lösung 9 noch
im Verdampfer 2 verdampft. Desweiteren kommt es während der
kurzen Zeitspanne, die sich der Kondensatbelag auf den Oberflächen befindet,
zu einer Konzentrationserhöhung
des Wasserstoffperoxids im Kondensatbelag. Die Anmelderin vermutet,
dass folgende Vorgänge
bei der Kondensatbelagbildung ablaufen: Während der kurzen Zeitspanne
in der sich der Kondensatbelag bildet, steigt in der auskondensierten
Flüssigkeit
die Temperatur an. Mit steigender Belagtemperatur beginnen die beiden
Komponenten des Kondensatzbelages – nämlich Wasser und Wasserstoffperoxid – bereits
abzudampfen. Da die Abdampfrate des Wassers auf Grund des geringeren Siedepunktes
stets deutlich größer als
diejenige des Wasserstoffperoxids ist, kommt es zu einer Aufkonzentration
von- Wasserstoffperoxid im Kondensatbelag. Diese Aufkonzentration
scheint mitverantwortlich für
die sehr gute Sterilisationswirkung des Verfahrens zu sein.
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Die
Druckhöhe
des Treibgases 10 richtet sich nach Auslegung und Strömungswiderstand
des Anschlussrohres 15 und des Ventils 7. Bei
Drücken bis
20 bar und einem Volumen, das nicht sehr weit über dem Volumen der wässrigen
Lösung 9 liegt,
ist die Verdünnung
des Dampfgemisches vernachlässigbar.
So könnte
beispielsweise bei 5 bar Treibgasdruck das Treibgasvolumen 10 gut
fünfmal
so groß sein
wie das Volumen der wässrigen
Lösung 9.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die im
Druckbehälter 1 befindliche Menge
der wässrigen
Lösung 9 größer zu bemessen als
für einen
Sterilisationsvorgang benötigt.
Hierbei kann man ein extrem schnell schaltbares Ventil 7 verwenden,
welches die Verbindung zum Verdampfer 2 nur eine extrem
kurze Zeitspanne von höchstens
wenigen Zehntelsekunden öffnet
und so eine definierte Menge der wässrigen Lösung 9 in den Verdampfer 2 einschießen lässt. Man
dosiert also die Menge über die Öffnungszeit
des Ventils 7 und verhindert dadurch ein Eindringen von
Treibgas 10 in den Verdampfer 2.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in 4 dargestellt.
Anstatt des Druckbehälters 1 ist hier
eine Kolbenpumpe 28 vorgesehen. Der Kolbenpumpe 28 wird
die wässrige
Lösung 9 wiederum über ein
Ventil 6 zugeführt.
Um die wässrige
Lösung 9 schlagartig
durch das Anschlussrohr 15 und das Ventil 7 in
den Verdampfer 2 zu drücken,
kann im Innern der Kolbenpumpe 28 ein beweglicher, beispielsweise durch
eine mechanische Kraft 29 angetriebener Kolben 30 angeordnet
sein.
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Der
in den 2 und 3 dargestellte Verdampfer 2 besteht
im Wesentlichen aus einem gut wärmeleitenden
massiven Zylinder 19, der durch beheizbare Stirnwände 20 und 21 verschlossen
ist. Er besitzt eine Reihe von Kanälen 22, die ein gefaltetes Röhrensystem
ergeben, in welchem die wässrige
Lösung
beim Hindurchfließen
vollständig
verdampft und dabei die Konzentration an Wasserstoffperoxid beibehält. Die
Umkehrstellen 23 der Kanäle 22 bilden Strömungswiderstände, die
verhindern, dass beim Verdampfen der wässrigen Lösung 9 entstehende Dampfblasen
noch unverdampfte Flüssigkeit
durch ihre schnelle Expansion bis in die Verbindung 16 hinein
mitreißen.
Wie ersichtlich, vergrößern sich
die Querschnitte der Kanäle 22 jeweils
an den Umkehrstellen 23, was zu einem Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeiten
führt.
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Außen ist
in den Zylinder 10 eine Wendelnut 24 eingearbeitet,
in welcher die bereits erwähnte Heizwendel 13 für ein elektrisches
Beheizen eingelegt ist. Ein formschlüssiges Einpressen der Heizwendel 13 in
die Wendelnut 24 ergibt einen sehr guten Wärmeübergang
an den Zylinder 19.
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In
der Stirnwand 20 ist für
das Zuführen
der wässrigen
Lösung
eine mittige Zuführöffnung 25 vorgesehen,
von der aus sich die Kanäle 22 erstrecken. Wie
insbesondere aus 3 ersichtlich, ist für das Dampfgemisch,
entsprechend der Anzahl der Kanäle 22,
eine Vielzahl von Abführöffnungen 26 vorgesehen,
durch welche der überhitzte
Dampf in Strömungsrichtung
D durch die Verbindung 16 und das hier nicht mehr dargestellte
Verteilerrohr 17 in die nachgeordnete Sterilisationskammer 3 strömt.
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Der
Verdampfer 2 insgesamt ist von einer geeigneten Isolation 27 umschlossen.
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Mit
dem beschriebenen Verdampfer 2, ist es möglich, eine
abgemessene Menge wässriger
Lösung 9 vollständig und
schlagartig zu verdampfen und dabei die Wasserstoffperoxidkonzentration
der wässrigen
Lösung 9 im
entstehenden Dampfgemisch im Wesentlichen beizubehalten.