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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sterilisieren von Wasser mit einem chemischen Sterilisationsmittel.
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Stand der Technik
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Bei der Herstellung und Abfüllung von Getränken ist auf die Verwendung von sterilem Wasser zu achten. Das verwendete Wasser sollte insbesondere möglichst frei von Bakterien, Sporen und Hefen sein. Eine Sterilisation kann durch physikalische Verfahren wie beispielsweise Erhitzen oder durch Bestrahlen mit ionisierender Strahlung erfolgen, wobei diese physikalischen Verfahren sowohl für feste Körper als auch für Flüssigkeiten eingesetzt werden. Bei der Kaltsterilisation mit einem chemischen Sterilisationsmittel wie etwa bakterienabtötende Gasen können zu sterilisierende Gegenstände, beispielsweise Lebens- oder Genussmittel, in einer Kammer angeordnet und mit den sterilisierend wirkenden Gasen behandelt werden.
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Hinsichtlich der physikalischen Verfahren ist anzumerken, dass ein Erhitzen von Flüssigkeiten einen hohen Aufwand von thermischer Energie erfordert. In Bezug auf die chemischen Verfahren ist es nachteilig, dass diese Verfahren zur Sterilisierung von Oberflächen bei festen Körpern gut anwendbar sind, dass jedoch bei der Verwendung mit Flüssigkeiten wie etwa Wasser das Ausgasen des im Wasser gelösten Sterilisierungsgases langwierig ist oder nur unzureichend erfolgen kann.
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Angesichts dieser Nachteile des Stands der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der eine Kaltsterilisation von Wasser effizient durchgeführt werden kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Sterilisieren von Wasser, mit den folgenden Schritten:
Einbringen eines chemischen Sterilisationsmittels in einen ersten Anteil von zu sterilisierendem Wasser, wobei eine erste Lösung aus sterilisiertem Wasser und dem chemischen Sterilisationsmittel entsteht;
Rektifizieren der ersten Lösung mit sterilem Gas, insbesondere mit Sterilluft, zum Abtrennen zumindest eines Teils des chemischen Sterilisationsmittels aus der ersten Lösung; und
Einbringen des abgetrennten chemischen Sterilisationsmittels in einen zweiten Teil von zu sterilisierendem Wasser, wobei eine zweite Lösung aus sterilisiertem Wasser und dem chemischen Sterilisationsmittel entsteht.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein chemisches Sterilisationsmittel, wie etwa Chlordioxid oder Ozon, beispielsweise in einen Behälter mit dem zu sterilisierenden Wasser eingebracht. Nach einer vorgegebenen Einwirkungsdauer wird die Lösung aus sterilisiertem Wasser und dem chemischen Sterilisationsmittel in einem Rektifikationsprozess mittels einem sterilen Gas wie etwa Sterilluft getrennt. Das sterile Gas kann das gasförmige chemische Sterilisationsmitel desorbieren. Danach wird die Mischung aus der Sterilluft mit dem abgetrennten Teil des chemischen Sterilisationsmittels beispielsweise in einen weiteren Behälter mit einem zweiten Teil von zu sterilisierendem Wasser eingebracht, wobei dann ein erneuter Sterilisierungsvorgang erfolgen kann. Vorteilhaft ist insbesondere, dass durch das Rektifizieren und Abtrennen eine weitere Verwendung des chemischen Sterilisationsmittels erfolgen kann. Nach der erfolgten zweiten Sterilisation kann eine erneute Rektifikation durchgeführt werden, um daraufhin in einem weiteren Behälter, beispielsweise wieder in dem ersten, das zurückgewonnene chemische Sterilisationsmittel erneut einzusetzen.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Schritt des Rektifizierens ein einmaliges oder mehrmaliges Durchführen der Lösung durch eine Rektifikationskolonne im Gegenstrom mit dem sterilen Gas umfassen kann. Die Rektifikation in einer Rektifikationskolonne im Gegenstrom stellt ein effizientes Trennverfahren zum Trennen des sterilisierten Wassers und des chemischen Sterilisationsmittels dar. Die Rektifikation kann dabei in einer oder mehreren Stufen ablaufen.
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Das Verfahren kann die folgenden weiteren Schritte umfassen: Ableiten des abgetrennten chemischen Sterilisationsmittels aus der Rektifikationskolonne; und Ableiten des sterilisierten Wassers aus der Rektifikationskolonne. Auf diese Weise können die getrennten Bestandteile der weiteren Verarbeitung zugeführt werden, insbesondere kann das sterilisierte Wasser zur Getränkeherstellung eingesetzt werden.
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Eine Weiterbildung besteht darin, dass die folgenden weiteren Schritte ausgeführt werden können: Einleiten des ersten Anteils von zu sterilisierendem Wasser in einen ersten Behälter, wobei das Einbringen des chemischen Sterilisationsmittel in den ersten Anteil von zu sterilisierendem Wasser das Einbringen des chemischen Sterilisationsmittel in den ersten Behälter umfasst; und Einleiten des zweiten Anteils von zu sterilisierendem Wasser in einen zweiten Behälter, wobei das Einbringen des abgetrennten chemischen Sterilisationsmittels in den zweiten Anteil von zu sterilisierendem Wasser das Einbringen des abgetrennten chemischen Sterilisationsmittels in den zweiten Behälter umfasst. Auf diese Weise kann das aus einer ersten Sterilisation im ersten Behälter zurückgewonnene Sterilisationsmittel in einem zweiten Behälter für eine zweite Sterilisation verwendet werden.
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Alternativ dazu kann das Verfahren gemäß einer anderen Weiterbildung die folgenden Schritte aufweisen: Einleiten des ersten Anteils von zu sterilisierendem Wasser in einen Behälter, wobei das Einbringen des chemischen Sterilisationsmittels in den ersten Anteil von zu sterilisierendem Wasser das Einbringen des chemischen Sterilisationsmittels in den Behälter umfasst; Ausleiten der ersten Lösung aus sterilisiertem Wasser und dem chemischen Sterilisationsmittel aus dem Behälter; und Einleiten des zweiten Anteils von zu sterilisierendem Wasser in den Behälter, wobei das Einbringen des abgetrennten chemischen Sterilisationsmittels in den zweiten Anteil von zu sterilisierendem Wasser das Einbringen des abgetrennten chemischen Sterilisationsmittels in den Behälter umfasst. Gemäß dieser Weiterbildung wird lediglich ein Behälter verwendet. Das aus einem ersten Sterilisationsprozess zurückgewonnene Sterilisationsmittel wird im gleichen Behälter für einen anderen Anteil von zu sterilisierendem Wasser eingesetzt.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer der genannten Weiterbildung wird dem zweiten Teil von zu sterilisierendem Wasser eine zusätzliche Menge von chemischem Sterilisationsmittel zugeführt. Auf diese Weise werden Verluste an chemischen Sterilisationsmitteln wieder zugeführt, wodurch ein Nachdosieren erfolgt. Diese Verluste im Konzentrationsbereich der erlaubten Grenzwerte können insbesondere durch zurückbleibende Anteile von chemischem Sterilisationsmittel im sterilisierten Wasser bedingt sein oder auch durch Ausgasen bzw. Entweichen aus dem bzw. den Behältern oder der Rektifikationsanlage.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung könne die Verfahrensschritte kontinuierlich und/oder gleichzeitig durchgeführt werden, oder die Verfahrensschritte können diskontinuierlich und/oder nacheinander durchgeführt werden. Falls die Verfahrensschritte diskontinuierlich durchgeführt werden, handelt es sich um einen sogenannten „Batch-” Verarbeitungsmodus, wobei ein bestimmtes Volumen von zu sterilisierendem Wasser behandelt wird und das gewonnene sterilisierte Wasser abgefüllt wird bevor der nächste Anteil eingefüllt wird. Beim kontinuierlichen Prozess werden die Verfahrensschritte so durchgeführt, dass ein beständiger Zufluss und Abfluss erfolgt.
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Das Verfahren kann den weiteren Schritt des Messens der Konzentration des chemischen Sterilisationsmittels im abgetrennten Teil des chemischen Sterilisationsmittels und/oder in der ersten Lösung und/oder in der zweiten Lösung umfassen. Auf diese Weise kann die Wirksamkeit der chemischen Sterilisation (Kaltsterilisation) überprüft werden.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zum Sterilisieren von Wasser, wobei die Vorrichtung umfasst:
einen ersten und einen zweiten Behälter zum Aufnehmen eines ersten bzw. eines zweiten Anteils von zu sterilisierendem Wasser;
Mittel zum Einbringen eines chemischen Sterilisationsmittels in den ersten Behälter, wodurch eine erste Lösung aus sterilisiertem Wasser und dem chemischen Sterilisationsmittel herstellbar ist;
eine Rektifikationskolonne zum Rektifizieren der ersten Lösung mit einem sterilen Gas, insbesondere mit Sterilluft, wodurch zumindest ein Teil des chemischen Sterilisationsmittels aus der ersten Lösung abtrennbar ist; und
Mittel zum Einbringen des abgetrennten chemischen Sterilisationsmittels in den zweiten Behälter.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und entsprechend gelten die oben genannten Vorteile im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch für die Vorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dadurch weitergebildet werden, dass weiterhin Mittel zum Messen einer Konzentration des chemischen Sterilisationsmittels im abgetrennten Teil des chemischen Sterilisationsmittels und/oder in der ersten Lösung und/oder in der zweiten Losung vorgesehen sind.
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Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass weiterhin Mittel zum Zudosieren von chemischem Sterilisationsmittel in den zweiten Behälter vorgesehen sein können.
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Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
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Zeichnungen
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1 stellt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
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Ausführungsformen
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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Vorrichtung 100 zum Sterilisieren von Wasser umfasst einen ersten Behälter 10, einen zweiten Behälter 20 und eine Rektifikationskolonne 30. Dem Behälter 10 werden über einen Einlass 11 zu sterilisierendes Wasser (H2O), sowie über einen Einlass 12 ein chemisches Sterilisierungsmittel, in diesem Fall Chlordioxid (ClO2), zugeführt. Nach einer gewissen vorgegebenen Einwirkungsdauer wird mittels einer Pumpe 15 die Mischung aus Wasser und Chlordioxid, welche nunmehr eine reduzierte Zahl von Bakterien enthält, über einen Einlass 31 dem in der Rektifikationskolonne 30 ablaufenden Rektifikationsprozess zugeführt. Im Gegenstrom wird von unten Sterilluft über den Einlass 33 in die Rektifikationskolonne 30 eingeführt. Die Sterilluft nimmt das ausgasende Chlordioxid in einem Desorptionsprozess auf und das Gemisch aus Luft und Chlordioxid wird über den Auslass 34 wieder abgeführt. Weiterhin wird über den Auslass 32 das sterilisierte Wasser abgeführt. Das abgeführte Gemisch aus Luft und Chlordioxid wird über den Einlass 22 dem zweiten Behälter 20 zugeführt, in dem sich zu sterilisierendes Wasser befindet, welches über den Einlass 21 zugeführt wurde. Auch hier wird nach einer gewissen Einwirkungsdauer das Gemisch aus sterilisiertem Wasser und dem Chlordioxid über den Auslass 23 wieder abgeführt. Dieses Gemisch kann wiederum der Rektifikationskolonne 30 oder auch einer anderen Rektifikationskolonne zugeführt werden, und schließlich kann das zurückgewonnene Chlordioxid wieder in dem ersten Behälter 10 zum Einsatz kommen.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, um mit minimalem Einsatz von thermischer Energie und unter Verwendung eines chemischen Mittels die Sterilisation von Brauchwasser durchzuführen. Hierfür wird das Wasser unter Zusatz eines chemischen Sterilisationsmittels beispielsweise in einem Batchprozess sterilisiert. Dieser Vorgang ist somit chemischer und nicht physikalischer Natur, wie es etwa bei der thermischen Behandlung der Fall ist. Nach erfolgter Entkeimung wird die Chemie-Wasser-Lösung durch einen Rektifikationsprozess mit dem Desorptionsmittel Sterilluft getrennt. Anschließend wird die Luft-Chemie-Mischung in einen weiteren Behälter (wahlweise eine zweite Rektifikationssäule) mit Wasser geführt. Dort erfolgt der erneute mischungsabhängige Lösungs- und Sterilisationsvorgang. Ist dieser abgeschlossen, kann das chemische Mittel beispielsweise wieder thermodynamisch entfernt werden. Verluste an chemischen Sterilisationsmittel sind durch Nachdosieren ausgleichbar.
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Damit das Verfahren effizient durchgeführt werden kann, werden an das chemische Mittel und an die resultierende Chemie-Wasser-Lösung bestimme Anforderungen gestellt werden. Insbesondere ist es erforderlich, dass das chemische Mittel in Wasser sterilisierend wirkt. Weiterhin sollte sich das chemische Mittel in Wasser lösen lassen, die temperaturabhängige Flüchtigkeit des chemischen Mittels in Wasser sollte größer 1 sein, und das chemische Mittel soll vorzugsweise nicht mit Sterilluft reagieren.
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Die genannten Anforderungen werden beispielhaft von der Substanz Chlordioxid oder auch von Ozon als chemisches Sterilisationsmittel erfüllt.
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In einem ersten Behälter wird nicht steriles Wasser vorgelegt. In dieses Wasser wird Chlordioxid gasförmig (bei einer Temperatur von T > 14°C) eingeleitet. Dabei erfolgt dann durch die Reaktion mit dem Chlordioxid eine entsprechende chemische Umsetzung von organischem Material im Wasser. Nach einer bestimmten Reaktionszeit ist dieser Sterilisationsvorgang abgeschlossen.
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Basierend auf dem einfachen Vergleich der Dampfdrücke weist Chlordioxid in Wasser bei ca. 10°C eine Flüchtigkeit von etwa 80 auf, was bedeutet, dass bezogen auf ein System bestehend aus einem flüchtigen und einer gasseitigen Phase im Gleichgewichtszustand gasseitig eine 80 mal so hohe Konzentration an Chlordioxid vorliegt. Somit ist dieser Stoff flüchtig und kann durch einen Desorptionsprozess zurückgewonnen werden. Hierfür wird die Losung aus Chlordioxid und Sterilwasser über eine Rektifikationskolonne gepumpt. Im Gegenstrom wird Inertgas wie etwa Sterilluft geführt. Zwischen Gas und Flüssigkeit stellt sich ein Gleichgewicht ein, und der Gehalt an Chlordioxid im Wasser kann so auf den geforderten gesetzlichen Grenzwert reduziert werden. Die hierfür benötigte Anzahl an Stufen der Rektifikationskolonne kann bei Kenntnis der Ausgangskonzentration bestimmt werden. Das mit Chlordioxid angereicherte Gas wird anschließend durch einen weiteren Behälter mit zu sterilisierendem Wasser geführt. Das Gas löst sich dort erneut, und wird nach erfolgter Sterilisation wieder mittels Rektifikation zurückgewonnen und kann in einem weiteren Behälter, wahlweise dem ersten, wieder eingesetzt werden.
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Dieses Verfahren kann in kontinuierlicher oder in diskontinuierlicher Verfahrensweise durchgeführt werden.
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Im ersten Behälter wird Sterilwasser vorgelegt, das durch Zuleiten von Chlordioxid sterilisiert wird. Anschließend wird diese Lösung über eine Reaktionskolonne im Gegenstrom mit Sterilluft geführt. Es erfolgt dabei eine Desorption des Chlordioxids in der Sterilluft, sodass der Gehalt an dieser Substanz im sterilen Wasser auf einen erlaubten Grenzwert reduziert wird.
