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Die
Erfindung betrifft einen Verdampfer für Sterilisationsmittel, vorzugsweise
Wasserstoffperoxid, zur Sterilisation von Füllmaschinen und/oder Packungen,
mit einer Verdampferkammer, einer Zuführung für flüssiges Sterilisationsmittel,
einem Anschluss für
die Zuführung
eines Trägergases.
und einer Abgabeöffnung
zur Abgabe eines Gemischs aus Trägergas
und verdampftem Sterilisationsmittel.
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Aus
der Praxis sind bereits entsprechende Verdampfer bekannt. Bei diesen
ist die Verdampferkammer als Rohrstück ausgebildet, das von außen über eine
elektrische Heizung mit einem Heizwiderstand temperiert werden kann
und das in seinem Inneren einen oder mehrere sogenannte Drallkörper aufweist.
Die Drallkörper
bilden mit der Innenseite des Rohrstücks schraubenförmige Strömungskanäle und sorgen
so gegenüber
einer Pfropfenströmung
für einen
besseren Wärmeübergang
zwischen Rohrstück
und Trägergas.
Ferner wird eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung
des Sterilisationsmittels am Austritt des Verdampfers erzielt.
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Die
bekannten Verdampfer sind Füllmaschinen
zum Abfüllen
von Lebensmitteln in Behälter
zugeordnet, wobei es sich bei den Behältern um Glasflaschen, Kunststoffflaschen
etwa aus PET, Dosen aus Blech oder, vorzugsweise, Mehrschichtverbundpackungen
handeln kann. Als Mehrschichtverbundpackungen ausgebildete Getränkepackungen
sind in vielfacher Ausfertigung als Flachgiebel- oder Schräggiebelverbundpackungen
bekannt. Sie finden vornehmlich auf dem Gebiet der Flüssigkeitsverpackung im
Zusammenhang mit Kalt-, Kalt-Steril-,
Heiß-
und aseptischer Füllung
Verwendung.
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Bei
derartigen Füllprozessen
ist in der Regel zunächst
eine Sterilisierung der Füllmaschine und/oder
der Packung an sich erforderlich, wozu vorwiegend ein Gemisch aus
einem Trägergas
und einer verdampften, wässerigen
Wasserstoffperoxid-Lösung
verwendet wird.
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Die
bekannten Verdampfer weisen eine Reihe von Nachteilen auf. So besitzen
sie eine hohe Wärmeträgheit und
erreichen ihre Betriebstemperatur nur langsam. Ferner sind die Verdampfer
kostenintensiv in der Herstellung und nur mit einem erhöhten Aufwand
zu reinigen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten
und zuvor näher beschriebenen
Verdampfer so auszugestalten und weiterzubilden, dass die aus dem
Stand der Technik bekannten Nachteile verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verdampfer für Sterilisationsmittel mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass
in der Verdampferkammer ein Festbett aus einem leitfähigen Material
vorgesehen ist und dass die Verdampferkammer im Bereich des Festbetts
wenigstens teilweise von einer Induktionsspule umschlossen ist.
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Die
Induktionsspule wird mit Wechselstrom beaufschlagt, wobei vorzugsweise
eine entsprechende Leistungsregelung vorgesehen ist. Die stromdurchflossene
Spule erzeugt ein Magnetfeld und induziert in an sich bekannter
Weise einen Strom in dem Festbett. Da das Festbett dem induzierten Strom
einen Widerstand entgegensetzt, kommt es zur Erwärmung des Festbetts. Die Wärme entsteht letztlich
sofort und unmittelbar im Festbett selbst und muss nicht durch konvektiven
Wärmetransport und/oder
Wärmeleitung
dorthin geleitet werden.
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Das
Festbett kann grundsätzlich
ein beliebiges, leitfähiges,
bei Betriebstemperatur festes Material wie einen leitfähigen Kunststoff
und bedarfsweise zusätzliche,
nicht leitfähige
Materialien aufweisen. Die leitfähige
Komponente des Festbetts sollten zudem einen Mindestwiderstand aufweisen,
um überhaupt
auf hinreichend hohe Temperaturen erwärmt werden zu können. Die
leitfähige
Komponente sollte auch einen ausreichenden Anteil am Festbett ausmachen,
damit genügend
Wärme für eine zügige Verdampfung
entsteht. Damit das Festbett kostengünstig und Widerstandsfähig gegenüber den
für die
Verdampfung erforderlichen Temperaturen ist, besteht das Festbett
vorzugsweise vollständig
oder wenigstens teilweise aus Metall. Ein rein metallisches Festbett
ist jedoch grundsätzlich
bevorzugt.
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Auf
Drallkörper
kann vollständig
verzichtet werden. Einerseits kann das Festbett so ausgestaltet sein,
dass eine hohe Turbulenz und damit ein guter Wärmeübergang vom Festbett auf das
Trägermedium
erfolgt. Ferner stellt das Festbett eine große beheizte Oberfläche für den Wärmeübergang
zur Verfügung.
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Als
Trägermedium
wird entweder Luft, sterilisierte Luft, Stickstoff oder ein anderes
inertes Gas oder Gasgemisch verwendet.
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Bei
dem Verdampfer kann das noch flüssige Sterilisationsmittel
beispielsweise direkt auf das Festbett aufgebracht werden. Das Festbett
weist dabei vorzugsweise eine hohe Wärmekapazität auf, so dass das aufgebrachte
Sterilisationsmittel in kürzester
Zeit, insbesondere unmittelbar, verdampft.
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Neben
den vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeübertragung
und Verdampfung des Sterilisationsmittels liegt ein weiterer Vorteil
des Verdampfers darin, dass der Verdampfer leicht zu reinigen ist.
Zur Reinigung ist es in der Regel ausreichend, das Festbett zu entnehmen
und durch ein neues zu ersetzen. Das ausgetauschte Festbett kann anschließend einer
separaten Reinigung unterzogen und anschließend wiederverwendet werden.
Längere Stillstandszeiten
können
so vermieden werden.
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Gemäß einer
Lehre der Erfindung kann das Festbett aus einer Vielzahl von Feststoffpartikeln
gebildet sein. Dies erleichtert das Reinigen des Festbetts, da bei
einem einteiligen Festbett auch Zwischenräume desselben gereinigt werden
müssen.
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Vorzugsweise
handelt es sich um Feststoffpartikel in Kugelform, deren gleichmäßige Oberfläche besonders
leicht zu reinigen ist. Ferner erlauben kugelförmige Feststoffpartikel ohne
weiteres die Ausbildung von gleichmäßigen und demnach auch gleichmäßig durchströmten Festbetten.
Zudem kann so eine hohe Packungsdichte und daher ein guter Wärmeübergang
erzielt werden.
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Eine
Verbesserung der Wärmeübertragung wird
nach einer weiteren Lehre der Erfindung dadurch erzielt, dass die
Feststoffpartikel in einem Betriebszustand des Verdampfers ein fluidisiertes
Wirbelbett bilden. Das Festbett dehnt sich dann infolge der Trägergasströmung in
an sich bekannter Weise aus und nimmt Eigenschaften eines Fluids
an. Auch hier sind kugelförmige
Feststoffpartikel bevorzugt, um den Abrieb der Feststoffpartikel
zu verringern.
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Die
Begriffe Festbett und Wirbelbett schließen sich vorliegend nicht aus,
da der Verdampfer, selbst wenn er in einem Betriebszustand ein Wirbelbett
aufweist, außerhalb
des Betriebs (kein Trägergasvolumenstrom)
ein Festbett aufweist.
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Das
Festbett kann leicht in die Verdampferkammer eingebracht und wieder
herausgenommen werden, wenn in der Schwerkraftrichtung unterhalb des
Festbetts ein Rostelement vorgesehen ist, auf dem das Festbett ruht.
Bei dem Rostelement handelt es sich beispielsweise um ein Maschengewebe,
ein Lochblech oder ähnliches.
Die Öffnungen
des Rostelements können
kreisförmig
oder geschlitzt sein und sind kleiner als die Durchmesser der Feststoffpartikel.
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Das
Rostelement ist vorzugsweise aus einem nicht leitfähigen Material
gefertigt. Auf diese Weise können
Beschädigungen
des Verdampfers und der elektrischen Bauteile wie etwa eines für die Spannungsversorgung
eingesetzten HF-Generators sicher vermieden werden.
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Um
den Wärmeeintrag
zu erhöhen
und/oder um für
eine gleichmäßige Wärmeverteilung
zu sorgen, kann vorgesehen sein, dass die Verdampferkammer über die
Höhe des
Festbetts von der Induktionsspule umschlossen ist.
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Wird
das Festbett als Wirbelbett betrieben, so kann es ferner zweckmäßig sein,
wenn die Verdampferkammer über
die Höhe
des Wirbelbetts von der Induktionsspule umschlossen ist. Im Wirbelbett kann
dann ohne weiteres eine gleichmäßige Betriebstemperatur
aufrechterhalten werden.
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Nach
einer weiteren Lehre der Erfindung ist der Zuführung für Sterilisationsmittel, dem
Anschluss für
die Zuführung
von Trägergas
und der Abgabeöffnung
zur Abgabe des Gemischs aus Sterilisationsmittel und Trägergas jeweils
eine lösbare
Verbindung zugeordnet. So ist der Ausbau des Verdampfers einfacher
möglich
und ein verunreinigtes Festbett kann ohne weiteres gegen ein gereinigtes
Festbett ausgetauscht werden.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Verdampferkammer als separates Bauteil ausgebildet und mit dem übrigen Verdampfer über lösbare Verbindungen
verbindbar ist. Auch hier ist ein einfacher Austausch des Festbetts
möglich.
Ferner kann auch die Verdampferkammer als solche ausgetauscht werden,
wenn dies erforderlich sein sollte.
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Zur
Verringerung des Wärmeverlusts
und für eine
einfachere Ausgestaltung des Verdampfers kann die Verdampferkammer
aus einem nicht leitfähigen
Material gefertigt sein. Die Verdampferkammer wird so nicht zusätzlich erwärmt. Dies
wirkt sich zwar negativ auf die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende
Oberfläche
aus. Das Festbett stellt aber bereits eine sehr große Oberfläche für den Wärmeaustausch
zur Verfügung.
Zudem kommt es so zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung
in der Verdampferkammer.
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Weiter
bevorzugt kann es sein, wenn das Festbett zumindest teilweise eine
katalytisch aktiven Komponente aufweist, die zu einer katalytischen
Umsetzung des Sterilisationsmittels zu Radikalen führt. Vorzugsweise
wird auf diese Weise Wasserstoffperoxid umgesetzt, wobei Hydroxylradikale
frei werden. Grundsätzlich
können
aber auch organische und anorganische Persäuren sowie vergleichbare chemische
Verbindungen als Sterilisationsmittel in Frage kommen. Die entstehenden
Radikale sind hinsichtlich der anschließenden Sterilisation besonders
reaktiv und führen
zu für
Mensch und Maschine unbedenklichen Reaktionsprodukten.
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Die
katalytisch aktive Komponente kann Palladium, Iridium, Rhodium,
Rhutenium, Mangandioxid und/oder eine Legierung aus diesen sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verdampfers
im Längsschnitt und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verdampfers
im Längsschnitt.
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Verdampfers 1, der im Wesentlichen durch ein Rohrstück mit kreisrundem
Querschnitt gebildet wird. Er könnte
aber durchaus auch einen anderen Querschnitte aufweisen.
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Der
Verdampfer 1 weist eine Verdampferkammer 2 auf,
in der die eigentliche Verdampfung des Sterilisationsmittels erfolgt.
Das Sterilisationsmittel wird in flüssiger Form über eine
seitliche Zuführung 3 zugeführt. Am
unteren Ende des dargestellten Verdampfers 1 ist ein Anschluss 4 für die Zuführung eines
Trägergases,
während
am oberen Ende des Verdampfers 1 eine Abgabeöffnung 5 zur
Abgabe des Gemischs aus Trägergas
und Sterilisationsmittel vorgesehen ist.
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In
der Verdampferkammer 2 ist ein Festbett 6 aus
einzelnen kugelförmigen
Feststoffpartikeln 7 vorgesehen, die auf einem Rostelement 8 ruhen
und von unten mit einem Trägergas
angeströmt
werden können.
Kurz unterhalb des Festbetts 6 endet die Zuführung 3 in
einer Art Düsenelement
oder Zerstäuberelement.
Die Zuführung
ist für
die Verwendung von Wasserstoffperoxid ausgebildet.
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Auch
wenn dies nicht in einer separaten Darstellung veranschaulicht ist,
kann die Zuführung
alternativ auch bis in das Festbett hinein ragen. Dann kommt es
zu einem unmittelbaren Kontakt zwischen dem Sterilisationsmittel
und den Feststoffpartikeln. Ferner kann ggf. eine Randgängigkeit
vermieden werden. Reicht die Zuführung
allerdings zu weit in das Festbett hinein, können sich am unteren Rand des
Festbetts für
die Verdampfung verhältnismäßig unwirksame
Bereiche ausbilden, wodurch sich die Effizienz des Verdampfers verringert.
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Das
zugeführte
Sterilisationsmittel gelangt auch infolge der Trägergasströmung 9 in Kontakt
mit dem Festbett, das von einer um das Rohrstück des Verdampfers 1 herum
angeordneten Induktionsspule 10 induktiv angewärmt werden
kann. Infolge des Kontakts zwischen dem noch flüssig zugeführten Sterilisationsmittels
und dem aufgewärmten
Festbett 6 verdampft das Sterilisationsmittel nahezu spontan. Das
verdampfte Sterilisationsmittel wird anschließend von der Trägergasströmung 9 mitgerissen
und als Trägergas/Sterilisationsmittel-Gemisch
aus der Abgabeöffnung 5 ausgetragen.
Von der Abgabeöffnung
wird das genannte Gemisch zu den zu sterilisierenden Oberflächen geleitet.
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Im
in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines Verdampfers 1 ist
die Induktionsspule 10 leicht beabstandet zur Verdampferkammer 2 angeordnet.
Dies ist möglich,
da ein guter thermischer Kontakt hier zwischen Verdampferkammer 2 und
Induktionsspule 10 nicht von Bedeutung ist. Grundsätzlich kann
die Induktionsspule 10 aber auch im direkten Kontakt zu
der Außenwandung
der Verdampferkammer 2 angeordnet sein.
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Die
Abgabeöffnung 5,
die Zuführung 3 und der
Anschluss 4 weisen lösbare
Verbindungen 11, 11', 11'' in Form von Flanschen auf. Es
könnten
aber auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte, lösbare Verbindungen
vorgesehen sein.
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Nicht
dargestellt sind die Anschlüsse
für das Trägergas,
das Trägergas/Sterilisationsmittel-Gemisch
und das Sterilisationsmittel. Diese können von einem Fachmann ohne
weiteres ergänzt
und bedarfsweise mit einem Gebläse, einem
Vorratsspeicher bzw. Leitelementen versehen werden, ohne dass hier
eine weitere Diskussion erforderlich wäre.
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Bei
dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
eines Verdampfers 1' ist
die Verdampferkammer 2' oben
und unten mit einer lösbaren
Verbindung 12, 12' in
Form von Flanschen versehen, so dass anstelle des gesamten Verdampfers 1 auch
lediglich die Verdampferkammer 2' zusammen mit dem Rostelement 8 und
dem Festbett 6 entnommen werden kann.
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Ferner
ist aus der 2 ersichtlich, dass die Induktionsspule 10' auch die Verdampferkammer 2' weit oberhalb
des Festbetts 6 umschließt. Der Durchmesser der Verdampferkammer 2 und
die Durchmesser der kugelförmigen
Feststoffpartikel 7 sind ferner derart aufeinander und
auf einen Volumenstrombereich des Trägergasestroms 9 abgestimmt,
dass sich in einem Betriebszustand – bei entsprechendem Trägergasvolumenstrom – ein Wirbelbett
bzw. eine Wirbelschicht ausbildet. Das Wirbelbett reicht dann im Wesentlichen
bis zu dem oberen Ende der Induktionsspule 10'.
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Der
Trägergasstrom 9 muss
keineswegs immer von unten nach oben gerichtet sei, auch wenn dies
in den dargestellten Ausführungsbeispielen
bevorzugt ist. Grundsätzlich
kann der Trägergasstrom 9 auch
von oben nach unten gerichtet sein, wobei auch die Zuführung 3 für das Sterilisationsmittel
oberhalb des Festbetts 6 enden kann. Letztlich sind aber
die Anordnung der Zuführung 3 für das Sterilisationsmittel
und die Richtung des Trägergasstroms 9 unabhängig voneinander
und frei wählbar.
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Es
ist auch möglich,
den Verdampfer 1, 1' in einer
liegenden Position zu betreiben, in der die Verdampferkammer 2, 2' und der Trägergasstrom 9 horizontal
verlaufen.