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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermisch-chemischen
Sterilisation von sehr großen Oberflächen, vor
allen Dingen Steriltanks in der Getränke- und Milchindustrie,
mittels chemischer Aktivierung von lebensmittelgerechtem Niederdruck-Wasserdampf.
Dadurch sollen die zu sterilisierenden Tankflächen durch
eine 100%-ige Benetzung mit Desinfektionsmittel, und durch eine Aufheizung
der besonders gefährdeten Bereiche auf knapp 100°C
sicher sterilisiert werden. Anschließend erfolgt eine prozessinterne
Entfernung aller Desinfektionsmittelreste. Bei optimaler Prozessintegration kann
so eine Verkürzung der Dämpfzeiten von 75% erreicht
werden, bei verbesserter Sterilisationssicherheit.
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In
der Lebensmittelindustrie werden auch noch heutzutage, solche Flächen,
bei denen ein hoher Grad der Sterilisation erreicht werden muss,
dabei sind besonders Lagertanks für sterile Lebensmittel
genannt, mit gesättigtem Wasserdampf behandelt. Je nach
Dampferzeugungsanlage werden dabei Temperaturen zwischen 110°C
und 150°C erreicht. Gesättigter Dampf wird deshalb
verwendet, weil dieser durch die Enthalpie der Kondensation, sehr
große Energiemengen an die Oberflächen abgibt.
Durch die Dampfbehandlung werden die Oberflächen aufgeheizt
und eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten. So erfolgt
eine rein thermische Sterilisation der Oberflächen.
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Um
die Größenordnung des Dampfverbrauches zu sehen,
sei die Sterilisation eines 150 000 Liter Steriltanks, mit Wandungen
aus 2 mm Edelstahl, in der Fruchtsaft- oder Molkereiindustrie angeführt. Nach
Beginn der Dämpfung hat das ablaufende Kondensat nach etwa
1 Stunde die maximale Temperatur von 95°C. Diese Temperatur
wird durch fortgesetztes Dämpfen für weitere zwei
Stunden gehalten. Der Dampfverbrauch liegt dabei, je nach Anlage
und Dampftemperatur, bei 2–4 Tonnen/Stunde, also für die
Sterilisation eines Tanks bei 6–12 Tonnen.
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Auch
bei der Sterilisation von Oberflächen in anderen Bereichen
der Lebensmittelindustrie, wir z. B. bei Zerlegebändern,
Anlagen und Maschinen in der Fleischindustrie u. ä., werden
sehr große Mengen Dampf eingesetzt, um die erforderliche
Reduktion der Keimzahl zu gewährleisten.
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Es
hat sehr viele Versuche gegeben, eine chemische Sterilisation der
oben angeführten Produktionsbereiche zu erreichen. Ein
solches Verfahren wäre vom Zeitaufwand ungleich vorteilhafter,
wesentlich preiswerter und materialschonender. Leider hat bisher
noch kein rein chemisches Verfahren eine 100% wirksame Sterilisation
erreicht. In den nachfolgenden Erläuterungen ist mit einer
Sterilisation ein Keimzahlreduzierung von min. 107 gemeint,
mit einer Desinfektion eine Keimzahlreduzierung von 105.
Bei diesen Versuchen wurden verschiedene Desinfektionsmittel benutzt,
wie z. B. Chlor, Peressigsäure, halogenierte Carbonsäuren
und kurzkettige Fettsäuren. Die Anwendung dieser Desinfektionsmittel
erfolgte in der Regel kalt (10–15°C), da sie sich
bei höheren Temperaturen, entweder korrosiv verhalten,
gesundheitsschädliche Dämpfe bilden oder unwirksam
werden. Andere Chemikalien, wie z. B. Aldehyde, haben eine zu lange
Einwirkzeit um im Sprühverfahren zu wirken. Wieder andere
Desinfektionsmittel wie z. B. Alkohole benötigen im Sprühverfahren
zu hohe Konzentrationen und sind daher nicht wirtschaftlich.
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Die
Gründe für das Versagen der chemischen Sterilisation
sei anhand der Sterilisationsversuche an einem 150 000 Liter-Tank
für Fruchtsaft erklärt. Wie schon erwähnt,
werden die wirksamsten chemischen Desinfektionsmittel (Chlor, Peressigsäure)
aus materialtechnischen Gründen kalt angewendet. Dabei
werden die Chemikalien über den integrierten Sprühkopf
zur Reinigung im Tank, nach der alkalischen und sauren Reinigung,
zirkulierend im Tank versprüht. Die Zirkulationszeiten
betragen dabei, je nach Desinfektionsmittel zwischen 30 und 90 Minuten.
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Der
wichtigste Grund dafür, dass keine sterilisierende Wirkung
auftritt, ist, dass keine 100-ige Benetzung der Oberfläche
stattfindet. Während die Wandungen des Tanks unproblematisch
sind, sind Ausbuchtungen und Armaturen, wie z. B. Probenahmeventile,
das Mannloch samt Dichtung, KZE-Armatur und der Klarablauf nicht
zu 100% zu benetzen, da diese im Sprühschatten liegen.
Die Folge ist bewiesenermaßen, dass diese nicht benetzten
Partien Keime enthalten, und das einzufüllende Produkt
infizieren.
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Der
zweite Grund, dass keine Sterilität erreicht wird, ist,
dass der Gasraum des Tanks nicht ausreichend erreicht wird. In diesem
Gasraum befinden sich sehr viele Mikroorganismen, wie z. B. Sporen
von Schimmelpilzen, aber auch sehr resistente Bakterien und Hefen.
Zwar bilden sich, beim Versprühen von Desinfektionsmitteln
unter Druck durch den Sprühkopf, Aerosole, aber nicht in
der Menge wie sie für eine Sterilisation des Gasraumes
nötig wären. Eine Infektion des einzufüllenden
Produktes ist daher sehr wahrscheinlich.
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Der
dritte Grund für die Nichtwirksamkeit von chemischen Desinfektionsmitteln
im Anwendungsfall ist, die hohe Oberflächenspannung der
Lösungen. Eine chlorhaltige Desinfektionslösung
hat eine Konzentration von max. 0,5% eine Lösung von Peressigsäure
sogar nur 750 ppm. Bei derart niedrigen Konzentrationen ist die
Oberflächenspannung von etwa 70 N/m zu hoch um in alle
Rautiefen der Wandungen einzudringen. Hinzu kommt, dass die Wandungen nach
den vorhergegangen Reinigungsvorgängen schon nass und benetzt
ist, so dass die Desinfektionsmittellösung das Spülwasser
erst verdrängen muss, bevor sie sterilisierend wirken könnte.
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Ein
weiterer großer Nachteil in der Anwendung von chemischen
Desinfektionsmitteln, ist die obligatorische Nachspülung.
Laut Lebensmittelgesetz ist bei Anwendung von chemischen Substanzen eine
Nachspülung mit Wasser unbedingt erforderlich. Bei Verwendung
von normalem, also unsterilem Frischwasser würde man den
Tank erneut verkeimen. Es ist also nötig diese Spülungen
mit Sterilwasser durchzuführen. Durch die hohen Kosten
bei der Herstellung von Sterilwasser, sind die wirtschaftlichen
Vorteile der chemischen Desinfektion nicht mehr vorhanden.
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Der
letzte Grund für das Ausbleiben der Sterilisation mit chemischen
Desinfektionsmitteln, ist die stärker werdende Resistenz
der Mikroorganismen gegen chemische Wirkstoffe. Fakt ist, dass es
keinen 100%-ig universell wirkenden Desinfektionswirkstoff mehr
gibt. Waren vor 50 Jahren noch keine resistenten Keime gegen oxidative
Desinfektionswirkstoffe bekannt, so gibt es heute eine ganze Reihe
von Viren und auch Bakterien, die eine Resistenz gegen Desinfektionsmittel
in hohen Konzentrationen aufweisen.
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Aber
auch die thermische Sterilisierung von Oberflächen ist
nicht so sicher, wie sie in Fachbüchern dargestellt wird.
Verderbniserreger wie Bacillus stearothermophilus und Clostridium
sporogenes, mit D121,1°C-Werten
zwischen 300 und 400 und extrem wärmetolerante Sporen von
Schimmelpilzen u. ä., werden in Zukunft die Verfahren der
Sterilisation von Oberflächen von anderen Faktoren, als
der alleinigen Hitzeeinwirkung, abhängig machen.
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Die
meisten Mikroorganismen zeigen aber ihre Resistenz immer nur gegen
einen Faktor einer nachhaltigen Desinfektion und Sterilisation.
So sind die Sporen vieler thermophiler Mikroorganismen zwar widerstandsfähig
gegen Hitze, gegen chemische oder oxidative Desinfektionsmittel,
oder auch gegen den abrupten Wechsel des pH-Wertes, aber recht anfällig.
Und andersherum sind viele, chemisch beständige Bakterien
sehr empfindlich gegen Hitze, und beginnen bereits bei Temperaturen
von 45°C abzusterben.
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Nun
sind aber für andere Bereiche verschiedene Verfahren zur
Oberflächenentkeimung bekannt. Vor allen Dingen seien dabei
die verschiedenen Verfahren die auf dem Prinzip des VHP, des Vaporized Hydrogen
Peroxid beruhen, genannt. Das Verfahren der Verdampfung von Wasserstoffperoxid-Lösung
ist in vielen Patentschriften, unter anderem
DE 10 2006 036 462 A1 ,
beschrieben. Dabei wird aus einer 35–50%-igen Wasserstoffperoxid-Lösung
unter teilweiser Verwendung von Katalysatoren, ein Dampf zur Sterilisation
erzeugt. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Packmittelentkeimung
in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Die Verwendung von VHP
für die beschriebenen Anforderungen, für die die
vorliegende Erfindung konzipiert ist, ist aus prozesstechnischen
Gründen nicht geeignet. Zum einen werden bei diesem Verfahren
möglichst niedrige Temperaturen angestrebt, damit die verwendeten Packmittel
keine thermischen Verformungen erleiden. Die thermische Komponente,
die die vorliegende Erfindung ausmacht ist bei diesen Verfahren
nicht gegeben. Außerdem wäre es nicht möglich,
in einem Tank der 250.000 Liter Volumen hat, derartig viel VHP zu
erzeugen, um eine 100%-ige Benetzung zu gewährleisten.
Da bei der Sterilisation mit VHP Luft als Trägergas verwendet
wird, ist eine Sterilisation des Gasraumes im Tank auch nicht mehr
gegeben. Weiterhin wird auch bei der Packmittelsterilisation darauf
geachtet, möglichst wenig Kondensat zu erzeugen. Die Vorteile
der Kondensatspülung wären bei der Anwendung dieses
Verfahrens nicht mehr gegeben. Und nicht zuletzt ist die gefährliche
Brennbarkeit von Wasserstoffperoxid-Dampf in der erzeugten Konzentration,
ungeeignet für die Verwendung bei derart großen
Oberflächen. Selbst wenn ausschließlich Wasserstoffperoxid
als Desinfektionsmittel im vorliegenden Verfahren benutzt wird,
ist die maximale Konzentration bei max. 5 Gew-%, bei der Verwendung
von VHP liegt diese bei 35–50 Gew-%. In der Umkehrung kann
man daher auch sagen, dass das Verfahren in vorliegender Erfindung
nicht für die Einsatzbereich von VHP geeignet ist.
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In
den Patenschriften
DE
600 06 142 T2 und
DE
600 33 802 T2 werden Verfahren aus der Biotechnologie beschrieben,
die die Mikrokondensation zum Erreichen einer 100%-igen Benetzung
benutzen. Bei diesem Verfahren wird ein Trägergas eingesetzt, dass
die Mischung aus Dampf und Desinfektionsmittel zu den zu sterilisierenden
Oberflächen bringt. Dieses zirkulierende Trägergas
ist auch Kern der Wirksamkeit der Verfahren. Weiterhin besitzen
die Apparate, die in den Verfahren enthalten sind, eigene Verdampfer,
die einen Dampf erzeugen, der das Desinfektionsmittel enthält.
Bei diesen Verfahren wird, wie bei der Desinfektion von Packmitteln,
möglichst kalter Dampf benötigt, um eine thermische
Beanspruchung der Anlagenteile zu vermeiden. Daher sind diese Verfahren
für die Anforderungen der vorliegenden Erfindung nicht
geeignet.
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In
Patentschrift
DE 40
90 663 C2 wird ein Verfahren beschriebenen, bei dem flüssiges
Desinfektionsmittel mit einer speziellen Apparatur in feinste Tröpfchen
zerlegt wird, und anschließend in einem Raum versprüht
wird. Dieses System nutzt Wasserdampf lediglich vor der eigentlichen
Desinfektion zur Befeuchtung des Raumes. Eine thermische Komponente
ist auch bei diesem System nicht vorhanden. Außerdem ist
der konstruktive Aufbau dieses Verfahrens nicht geeignet zum Einbau
in einen Lebensmitteltank.
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In
Patentschrift
DE 195
47 650 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem chemische
Desinfektionsmittel in einen handelsüblichen Dampfreiniger
gebracht werden, die nach Verdampfung für einen Sterilisationseffekt
auf Oberflächen sorgen sollen. Dieses Verfahren ist ebenfalls
nicht für die Einsatzzwecke der vorliegenden Erfindung
geeignet, da auch hier nur eine sehr geringe thermische Wirkung erzeugt
wird, und auch nicht genug Desinfektionsmitteldampf erzeugt werden
kann. Weiterhin ist bei diesem Verfahren, aus technischen Gründen,
lediglich eine maximale Konzentration von einem Prozent des Desinfektionsmittels
zulässig, was für die vorliegende Erfindung keinesfalls
ausreicht.
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Die
vorliegende Erfindung zeigt eine Methode, bei der sowohl die unbedingt
erforderlichen sterilisierenden, thermischen Eigenschaften von gesättigtem
Wasserdampf, als auch die wirksamen chemischen keimreduzierenden
Eigenschaften verschiedener Desinfektionsmittel genutzt werden soll.
Die Kombination dieser Eigenschaften schafft eine neue Sterilisationsmethode
für die Lebensmittelindustrie, die nachfolgend beschrieben
werden soll:
Ein gesättigter Wasserdampfstrom wird
durch Rohrleitungen zum sog. Verwirbelungsreaktor geführt. Der
Reaktor besteht aus einem gewellten Rohr, dessen Durchmesser 4–6-mal
größer ist, als die dampfführende Rohrleitung.
Diese Rohrleitung ist über eine Reduzierung mit dem Verwirbelungsreaktor
verbunden.
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In
dem Verwirbelungsreaktor sind zwei oder mehrere kleine Rohrleitungen
spiralförmig verlegt, so dass die Länge der kleinen
Rohrleitungen ein Vielfaches der Länge des Verwirbelungsreaktors
entspricht. An einem Ende der kleinen Rohrleitungen innerhalb des
Reaktors sind spezielle Hochdruck-Bündeldüsen
verschraubt. Das andere Ende dieser kleinen Rohrleitungen ist mit
je einem Doppelnippel verbunden, der in der Hülle des Reaktors
verschweißt ist. Die anderen Seiten der Doppelnippels,
die außerhalb des Reaktors sind, sind über Schlauchleitungen mit
je einer Hochdruckpumpe verbunden. Am anderen Ende des Reaktors
wird der Durchmesser über Reduzierungen wieder auf den
Durchmesser der dampfführenden Rohrleitung gebracht.
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Beim
Sterilisationsvorgang geschieht grundsätzlich folgendes:
Der Strom mit gesättigtem Wasserdampf läuft durch
den Verwirbelungsreaktor und heizt diesen und die darin befindlichen
Rohrleitungen bis knapp auf Dampftemperatur auf. Gleichzeitig wird der
Dampf durch den größeren Querschnitt des Reaktors
abgebremst. In diese Phase mit der geringeren Geschwindigkeit wird
durch die Hochleistungs-Bündeldüsen, mit sehr
hohem Druck, ein Desinfektionsmittel in dem Dampf vernebelt. Diese Feinsttröpfchen
werden nun vom Wasserdampf mitgerissen und gehen im Rahmen des thermodynamischen
Gleichgewichtes teilweise in Dampf über. Durch den, sich
wieder verkleinernden Querschnitt, werden sowohl der Dampf als auch
die sich befindenden Feinsttröpfchen beschleunigt und mit
dieser Geschwindigkeit durch die Rohrleitung auf die zu desinfizierende
Oberfläche gebracht. Durch die geringe Größe
der Feinsttröpfchen verlassen diese den Dampf nicht, und
gelangen überall dorthin, wo auch der Dampf hingelangt.
Durch die Erhitzung des Desinfektionsmittels, wird die Grenzflächenspannung
der Tröpfchen derart gesenkt, dass auch feinere Rautiefen
mit dem Desinfektionsmittel gefüllt werden. Daher kann
man von einer 100%-igen Desinfektionsmittelbenetzung der zu sterilisierenden
Oberfläche sprechen.
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Neben
der Funktion der Apparatur beinhaltet die vorliegende Erfindung
weitere Faktoren.
- a.) Unmittelbar nach Ende
der Vernebelung des Desinfektionsmittels in den Dampf, wird der Dampf
weiter in den Tank oder auf die Oberfläche gebracht, damit
das reine Kondensat eventuelle Rückstände des
Desinfektionsmittels entfernt. Daher wird ab jetzt von dem Vorgang
der „Kondensatspülung” gesprochen.
- b.) Ziel der Verwendung von Wasserdampf ist ausdrücklich
nicht nur die Verteilung des Desinfektionsmittels, sondern unabdingbar
auch die thermische Wirkung zu Sterilisationszwecken.
- c.) Ein wichtiges Kriterium zur optimalen Sterilisation, ist
die Erhitzung des Desinfektionsmittels vor der Zerstäubung.
Diese Erhitzung verhindert, dass sich die Feinsttröpfchen
untereinander wieder verbinden. Weiterhin wird durch die Temperatur,
die Oberflächenspannung des reinen Desinfektionsmittels
derart gesenkt, dass ein Eindringen in alle Rautiefen der Oberfläche
gegeben ist.
- d.) Durch die Verwendung von zwei oder mehreren Hochdruckpumpen,
können mehrere Desinfektionsmittel, ohne Veränderungen
am System, gleichzeitig verwendet werden, was eine Anpassung an
unterschiedliche Betriebsfälle möglich macht.
- e.) Als Desinfektionsmittel können solche chemischen
Substanzen verwendet werden, die bei der hohen Temperatur eine keimabtötende
Wirkung haben, und für das zu behandelnde Material geeignet
sind. Solche Substanzen sind zum Beispiel:
• organische
Säuren, wie z. B. Milchsäure, Ameisensäure,
Glykolsäure, kurzkettige Fettsäuren u. ä.
• Alkohole,
wie z. B. Ethanol, Isopropanol u. ä.
• oxidativ
wirkende Substanzen wie z. B. Peressigsäure und Wasserstoffperoxid
• Biguanide
- f.) Der Druck in den Hochdruckpumpen ist einstellbar und kann
auf jeden Dampfdruck des Wasserdampfes und jedes Desinfektionsmittel
eingestellt werden. Der Druckbereich liegt zwischen 8 und 40 bar.
- g.) Das Verfahren, sowie die dazugehörige Apparatur
sind sowohl als mobile, als auch als stationäre Ausführung
zu fertigen.
- h.) Das Verfahren benutzt ausschließlich die Dampfanlage
des einzusetzenden Betriebes und hat keine sonstige Wärmezufuhr.
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Grundsätzlich
müssen bei der Betrachtung der Eignung der verschiedenen
Verfahrensweisen, die besonderen Anforderungen der Sterilisation
von Oberflächen in der Lebensmittelindustrie betrachtet werden.
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Bei
der Verwendung von VHP zur Packmittelsterilisation erfolgt eine
Oberflächensterilisation von nahezu keimfreien Oberflächen.
Die benutzten Materialien werden entweder unter hygienisch einwandfreien
Bedingungen hergestellt und verpackt, wie das Verbundmaterial für
Getränkekartons, oder kurz vor der eigentlichen Sterilisation
produziert, wie das bei PET-Behältnissen der Fall ist.
Da diese Materialien bis zur Abfüllung, weder mit Wasser
noch mit einer Kohlenhydratquelle in Berührung kommen,
ist das Potential für Verkeimungen sehr gering. Dasselbe
gilt auch für die beschriebenen Sterilisationen von Reinräumen
in der Biotechnologie. Auch hier ist das Potential für
Verkeimungen, durch die Aufrechterhaltung von hohen Hygienestandards
vor der eigentlichen Sterilisation, sehr gering.
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Produktions-
und Lagerflächen in der Lebensmittelindustrie sind in dieser
Beziehung deutlich gefährdeter. Durch die ständige
Keimbelastung, die in der Natur jeden Lebensmittels ist, reichen
die beschriebenen Verfahren bei weitem nicht aus. VHP wird bei den
angegebenen, kurzen Wirkzeiten keine ausreichende Keimzahlreduktion
bewirken, dasselbe gilt für die aufgezeigten Verfahren
der Reinraumsterilisation. Denn auch in worst-case-Szenarien, die
beispielsweise die Bildung von Biofilmen in einem Produktionssystem
für Lebensmittel betreffen, muss nach der Sterilisation
eine Keimzahlreduktion gegeben sein, die sowohl Gesundheitsgefahren
als auch Gefahren für das Produkt sicher ausschließen.
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Die
thermische Wirkung bei der Sterilisation, gerade bei gefährdeten
Bereichen, wir Ein- und Ausläufe oder Ausbuchtungen in
Tanks, ist bei der vorliegenden Erfindung von funktionsentscheidender
Bedeutung.
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Ein
weiterer Schwachpunkt bei den beschriebenen Verfahren ist die Art
des verwendeten Sterilisationsmittels. Es wird immer Wasserstoffperoxid
genannt, die Möglichkeit für andere Desinfektionsmittel
lassen sich diese Schriften aber offen. Und genau hier liegt eine
große Gefahr. Man geht immer davon aus, dass sich Wasserstoffperoxid
grundsätzlich in Wasser und Sauerstoff zersetzt, Erfahrungen in
der Praxis haben aber gezeigt, dass Wasserstoffperoxid aber sehr
viel stabiler ist, als angenommen. Man kann also nicht automatisch
davon ausgehen, dass man keine Rückstände mehr
auf der zu sterilisierenden Oberfläche hat. Gesetzlich
vorgesehen für so einen Fall ist eine obligatorische Nachspülung. Wenn
also schon Wasserstoffperoxid Rückstände hinterlässt,
ist die Gefahr sehr groß, dass stabilere Substanzen sehr
viel mehr Rückstände hinterlassen. In so einem
Fall muss eine Spülung mit Wasser erfolgen. Um die Keimfreiheit
weiter garantieren zu können, muss dabei Sterilwasser verwendet
werden, was wiederum Gefahren für das Produkt haben kann und
auch nicht sehr wirtschaftlich ist.
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Hier
liegt ein weiterer großer Vorteil in der vorliegenden Erfindung.
Wasserdampf ist in jedem Lebensmittelbetrieb quasi unbegrenzt vorhanden. Durch
die, zur Erreichung des thermischen Effektes, nötige Dampfmenge
wird steriles Kondensat im Überfluss erzeugt. Durch niedrige
Oberflächenspannung des heißen Kondensates werden
Desinfektionsmittelreste sicher ausgespült. Es kann daher
quasi jedes Desinfektionsmittel benutzt werden, dass bei den Temperaturen
eine keimzahlreduzierende Wirkung zeigt.
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Aus
diesem Grund sollen nachfolgend Kriterien genannt werden, die die
vorliegende Erfindung ausdrücklich von anderen Verfahren
unterscheidet:
- a.) Das Verfahren benutzt kein
weiteres Trägergas, wie Luft oder Edelgase, zum Transport
oder Erreichen des Sterilisationszweckes. Im Gegenteil, eine zusätzliche
Einleitung von Luft oder anderen Gasen würde zu einer Abkühlung
führen, was die thermischen Effekte reduziert.
- b.) Das vorliegende Verfahren benutzt keinen Katalysator zur
Aktivierung des Desinfektionsmittels, sondern nur thermische Effekte.
- c.) Das Verfahren benutzt keinerlei Vakuum- oder Unterdruckeffekte.
- d.) Da die Siedetemperatur der meisten Desinfektionsmittel (z.
B.
- Milchsäure, 80%-ig = 122°C, Wasserstoffperoxid, rein
= 150°C) unter der des Niederdruck-Wasserdampfes (z. B.
0,2 bar Überdruck = 118°C) liegt, liegt eine Verdampfung
des Desinfektionsmittels nur innerhalb thermodynamischer Gleichgewichte.
- e.) Das Verfahren ist ausschließlich für die
Lebensmittelindustrie konzipiert. Es werden daher nur solche Desinfektionsmittel
empfohlen, die ungiftig, produktschonend und vor allen Dingen ungefährlich
für die Beschäftigten im Arbeitsbereich sind.
Das Verfahren ist daher ausdrücklich nicht geeignet für
die Verwendung von Formaldehyd (Formalin), anderen Aldeyden, Chlor
usw..
- f.) Da die Bildung von Kondensat unabdingbar mit der Wirkung
des Verfahrens verbunden ist, ist das Verfahren für Produktionsprozesse,
wo die Bildung von Kondensat unerwünscht ist, wie z. B.
bei der Packmitteldesinfektion oder der Desinfektion von Reinräumen,
nicht geeignet. Weiterhin ist das Verfahren für die Desinfektion
von Gebinden nicht geeignet, wie z. B. die Desinfektion von PET-Flaschen
bei kaltaseptischer Abfüllung.
- g.) Das Verfahren ist konzipiert für die mikrobiologischen
Belastungen in der Lebensmittelindustrie. Es besteht daher keine
automatische Übertragbarkeit des Verfahrens in andere Industriezweige, wie
z. B. der Biotechnologie, der Pharmaindustrie u. a..
- h.) Das verfahren ist auch für die Sterilisation von offenen
Anlagenteilen geeignet, insofern die MAK-Werte für die
Beschäftigten nicht überschritten werden.
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Die
praktische Funktionsweise des vorliegenden Verfahrens soll nun anhand
seiner Einsatzmöglichkeiten erklärt werden:
Bei
der Sterilisation eines 150 000 Liter Steriltanks, z. B. in der
Fruchtsaft oder Molkereiindustrie wird wie folgt vorgegangen. Nach
einer gründlichen Reinigung des Tanks mit, am Besten alkalischer
und saurer Reinigung, wird die Apparatur an den Anschlüssen
des Verwirbelungsreaktors an der einen Seite mit der betrieblichen
Dampfleitung verbunden. An der Ausgangsseite wird über
eine Verzweigung, sowohl ein Anschluss der in den oberen Teil des
Tanks führt, z. B. die Reinigungsleitung, als auch ein
Anschluss der in den unteren Teil des Tanks führt, z. B.
der Klarablauf, hergestellt. Der Anschluss kann durch Schläuche
oder auch flexiblen Rohrleitungen geschehen. Nun wird für
etwa 10 Minuten reiner Dampf durch die Apparatur in den Tank geleitet.
Dabei heizen sich sowohl der Reaktor, mit den, sich darin befindlichen
Desinfektionsmittelleitungen, als auch der Tank auf. Nach dieser
Zeit werden die Hochdruckpumpen eingeschaltet und zerstäuben
das Desinfektionsmittel in den Reaktor, welches dann in den Tank kommt.
Je nach Desinfektionsmittel und Pumpeneinstellung erfolgt die Zerstäubung
für 4–5 Minuten. Nach dem Abstellen der Pumpen
wird weiter reiner Dampf eingeleitet, um die Kondensatspülung
zu beginnen. Die Dampfeinleitung wird für weitere 20 Minuten
fortgesetzt, danach wird der Tank nach gewohnten Verfahren abgekühlt.
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Bei
diesem Verfahren geschieht physikalisch-chemisch gesehen Folgendes
im Inneren des Tanks.
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Die
Vorheizphase bewirkt im Verwirbelungsreaktor, dass die Desinfektionslösungen
eine derart hohe Temperatur erreicht, dass die gebildeten Feinsttröpfchen
nicht mehr „aneinander kleben”. Weiterhin wird
die Oberflächenspannung durch die hohe Temperatur stark
gesenkt.
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Innerhalb
des Tanks werden durch die Vorheizphase die Tankwandungen und auch
der Luftraum erwärmt. Die erwärmte Luft dehnt
sich aus und beginnt durch die Kondensatabläufe abzugehen.
Die Erwärmung der Tankwandungen und auch der Gasphase hat
den Sinn, dass der desinfektionsmitteltragende Wasserdampfstrom
nicht schlagartig kondensiert, sondern eine langsame Benetzung und
Verdrängung des Restwassers an der Tankwandung stattfindet.
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Durch
den größeren Querschnitt des Verwirbelungsreaktors
im Vergleich zur dampfführenden Leitung, hat der Dampf
innerhalb des Reaktors eine geringere Geschwindigkeit. Das zerstäubte
Desinfektionsmittel kann sich in diesem Bereich besonders gut verteilen.
Dabei werden alle beschriebenen Effekte erreicht. Durch den wieder
kleineren werdenden Rohrquerschnitt am Ausgang, wird sowohl der Dampf
als auch das mitgeführte Desinfektionsmittel wieder beschleunigt.
Im Tank verwirbelt sowohl der Dampf als auch das Desinfektionsmittel.
Durch die Dampfgeschwindigkeit treffen die Feinsttröpfchen des
Desinfektionsmittel auf die Tankwandung, unterlaufen die, von der
vorherigen Reinigung zurückgebliebene, Restflüssigkeit
und benetzen die gesamte Oberfläche vollständig.
Durch die ständige Verwirbelung des Dampfes im Tank, ist
auch nach Abstellen der Hochdruckpumpen ein weiterer Kontakt des
Desinfektionsmittels gegeben. So ist nicht die reine Zerstäubungszeit
als Sterilisationszeit zu verstehen, denn diese ist 3–4
länger. Durch die weitere Zufuhr von reinem Dampf, nimmt
die Konzentration des Desinfektionsmittels aber beständig
ab. Nach Ende der Zerstäubung wird noch etwa 50% der gesamten Sterilisationszeit
weiter gedämpft. Dieses geschieht aus 3 Gründen:
Zum
ersten ist dabei die thermische Komponente des Sterilisationsverfahrens
genannt. Die mikrobiologisch bedenklichen Bereiche in einem Tank,
befinden sich oben im Bereich und dem Sprühschatten des Sprühkopfes,
und im unteren Teil, wo Ausbuchtungen wie das Mannloch, Klarablauf,
Probenahmeventile usw., eine nachhaltige Sterilisation erschweren. Dadurch,
dass das vorliegende Verfahren den Dampf sowohl oben als auch von
unten in den Tank einleitet, werden die empfindlichen Bereiche stark
erhitzt. Bei Beobachtungen mit einer Wärmebild-Kamera,
konnten in diesen Bereichen schon nach sehr kurzen Dämpfzeiten,
Materialtemperaturen von über 100°C gemessen werden.
Die Temperaturen an den Tankwandungen gingen etwa in der Mitte des
Tanks, wo wir eine 100%-ige Benetzung des Desinfektionsmittels erreichen,
nicht über 45°C hinaus. Auf diese Weise zeigt
das Verfahren seine optimale Wirkung durch die Kombination der physikalischen
Verfahrensweisen.
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Zum
zweiten ist die Sterilisation des Gasraumes im Tank, ein wichtiger
Grund zur weiteren Dampfeinleitung nach der Desinfektionsmittelzerstäubung.
Aufgrund seiner höheren Dichte verdrängt der reine
Wasserdampf die, im Tank befindliche Luft vollständig.
So ist eine 100%-ige Wirkung des Desinfektionsmittels in der Gasphase
nicht unbedingt erforderlich. Die enthaltene Luft wird komplett
entfernt und durch den Dampf ersetzt. Aus diesem Grund muss auch
unbedingt auf ein weiteres Trägergas verzichtet werden,
da dieses den beschriebenen Effekt einschränken würde.
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Der
dritte Grund für die weitere Dampfeinleitung ist die erforderliche
Spülung mit Kondensat. Wie schon erwähnt, sind
laut Lebensmittelgesetz, Rückstände der Desinfektionsmittel
unbedingt zu entfernen. Das Verfahren benutzt dafür das
entstehende Kondensat, dass eine 100-ige Entfernung aller Desinfektionsmittelrückstände
entfernt.
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Nach
diesen Maßnahmen ist der Tank, nach Einsatz des vorliegenden
Verfahrens, steril, im Sinne der Definition.
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Wie
schon erwähnt ist der thermische Effekt durch die Dampfeinleitung
unabdingbar für das Verfahren. Durch die längerfristige
Wärmeeinwirkung werden in den Mikroorganismen, bzw. deren
Sporen, die Enzymaktivitäten derart herabgesetzt, dass
keine Vermehrung dieser mehr erfolgen kann. Aber auch Toxine, die
durch verschiedene Mikroorganismen gebildet werden, werden durch
Wärmeeinwirkung neutralisiert. So ist z. B. das Toxin von
Clostridium botulinum, dessen letale Dosis bei 0,1 μg liegt,
bei 85°C in 5 min komplett neutralisiert. Es ist daher
wichtig, sowohl auf der Oberfläche, als auch im Gasraum eine
bestimmte Temperatur zu erreichen, um diese bestimmten Eigenschaften
zu nutzen.
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Aus
diesem Grund wird auch reiner Dampf als Medium verwendet. Durch
die frei werdende Energie, die bei der Kondensation vom Dampf an
die Umgebung abgegeben wird, ist die Wärmeübertragung
ungleich höher als bei der Verwendung von trockener Heißluft.
So ist z. B, für die Abtötung von Salmonella typhi
eine Abtötungszeit von 7200 Sekunden bei 100°C
nötig, wohingegen bei feuchter Hitze durch Dampf, bereits
20 Sekunden bei 65°C genügen. Jede Einbringung
von zusätzlichen Gasen bei der Sterilisation würde
die eigentliche Sterilisationswirkung herabsetzen. Auch aus diesem
Grund soll auf ein weiteres Trägergas bei der Sterilisation
verzichtet werden.
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Abschließend
sollen noch einmal die Vorteile, die das vorliegende Verfahren im
Vergleich zum Stand der Technik hat, aufgeführt werden:
- a. Dampfeinsparung von bis zu 75%
- b. Abwassereinsparung um bis zu 75%
- c. Verkürzung der Dämpf- und Abkühlzeiten
um bis zu 70%
- d. Erhöhte mikrobiologische Sicherheit durch die Kombination
der Wirkmechanismen
- e. Rückstandsfreie Produktionsoberflächen
- f. Vollständige biologische Abbaubarkeit der chemischen
Rückstände
- g. Keine Notwendigkeit einer Sterilwasserspülung
- h. Uneingeschränkte Automatisierbarkeit und Steuerbarkeit
- i. Uneingeschränkte Prozessintegration.
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1: Verwirbelungsreaktor
- 1
- Dampfeinlass
- 2
- Querschnittsvergrößerung
zur Senkung der Dampfgeschwindigkeit
- 3
- Desinfektionsmittelleitungen
innerhalb des Reaktors
- 4
- Hochleistungs-Bündeldüsen
- 5
- Leitungen
zu den Hochdruckpumpen
- 6
- Querschnittsreduzierung
zur Erhöhung der Dampfgeschwindigkeit
- 7
- Desinfektionsmittelauslass
- 8
- Reaktorfläche
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2: Systemaufbau
- 9
- Dampfstrom
am Systemeintritt
- 10
- Systemsteuerung
(z. B. SPS)
- 11
- Sterilisationsmittelzuleitung
- 12
- Hochdruckpumpen
- 13
- Verwirbelungsreaktor
(1)
- 14
- Sterilisationsmittelstrom
am Systemaustritt
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3: Prozessintegration der Vorrichtung
- 15
- Dampfstrom
- 16
- Betriebsinternes
Rohrleitungssystem
- 17
- Zuführleitung
Sterilisationsmittel
- 18
- Rohrleitungssystem
zur zu sterilisierenden Oberfläche (z. B. Steriltank)
- 19
- Sterilisationsmittelströme
- 20
- Einleitungsstellen
zur zu sterilisierenden Oberfläche (z. B. Sprühkopf
im Tank und Klarablauf am Tank)
- 21
- Vorrichtung
zur chemischen Dampfaktivierung (2)
- 22
- Zu
sterilisierende Oberfläche (z. B. Steriltank)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006036462
A1 [0014]
- - DE 60006142 T2 [0015]
- - DE 60033802 T2 [0015]
- - DE 4090663 C2 [0016]
- - DE 19547650 A1 [0017]