DE10312150A1

DE10312150A1 - Verfahren zum Erzeugen und schlagartigen Zuführen eines aus Wasserdampf und Wasserstoffperoxiddampf bestehenden Dampfgemisches

Info

Publication number: DE10312150A1
Application number: DE2003112150
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Frost
Original assignee: Haaga Ruediger GmbH
Current assignee: Haaga Ruediger GmbH
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-09-30
Also published as: FR2852514A1; FR2852514B1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Erzeugen und schlagartigen Zuführen eines aus Wasserdampf und Wasserstoffperoxiddampf bestehenden überhitzten Dampfgemisches ohne zusätzlichen Transportgasstrom in eine unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer. Bei diesem Verfahren wird eine wässrige Lösung, welche Wasserstoffperoxid in vorgegebener Konzentration enthält, in einem Verdampfer verdampft, an einen dem Verdampfer nachgeordneten, im Vergleich zum Verdampfer großvolumigen Dampfspeicher weitergeleitet und von dort in periodischen Zeitabständen in die unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer geleitet. Dabei wird eine abgemessene Menge wässriger Lösung vollständig verdampft und die Wasserstoffperoxidkonzentration der wässrigen Lösung im Dampfspeicher im Wesentlichen beibehalten. Bei der zugehörigen Vorrichtung bilden der Verdampfer und der Dampfspeicher vorzugsweise eine kompakte Baueinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen und schlagartigen Zuführen eines aus Wasserdampf und Wasserstoftperoxiddampf bestehenden überhitzten Dampfgemisches ohne zusätzlichen Transportgasstrom in eine unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer, bei welchem eine Wasserstoffperoxid vorgegebener Konzentration enthaltende wässrige Lösung in einem Verdampfer verdampft, an einen dem Verdampfer nachgeordneten, im Vergleich zum Verdampfer großvolumigen Dampfspeicher weitergeleitet und von dort in periodischen Zeitabständen in eine unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer geleitet wird.
Ein Verfahren dieser Art ist durch die DE 101 16 395 A1 Stand der Technik. Bei dem bekannten Verfahren soll das Dampfgemisch auf Grund der Druckdifferenz zwischen dem Dampfspeicher und der Sterilisationskammer schlagartig in die Sterilisationskammer strömen. Dieses schlagartige Einströmen verursacht dann eine schlagartige Expansion mit Unterkühlung, Übersättigung und Bildung eines Kondensatbelags auf allen zu sterilisierenden Oberflächen. Der Kondensatbelag muss deshalb schlagartig gebildet werden, damit die beim Auskondensieren frei werdende Verdampfungsenthalpie nicht durch Wärmeleitung abgeführt wird, sondern zu einer starken Erwärmung des Kondensatbelages führt, was dann wiederum die Aktivierung des Wasserstoffperoxids in Form einer Dissoziation verursacht. Dies führt zu einer sofortigen Abtötung aller Keime. Dabei ist es erforderlich, dass zum richtigen Zeitpunkt eine ausreichende Menge von Wasserstoffperoxid im Dampfgemisch zur schlagartigen Verwendung zur Verfügung gestellt wird. Bei dem bekannten Verfahren, welches die Art des Verdampfers nicht beschreibt, ist dem Verdampfer ein Dampfspeicher nachgeordnet, in welchem die benötigte Menge des Dampfgemisches bereit gehalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das erforderliche Dampfgemisch in der benötigten Konzentration und in ausreichender Menge zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine abgemessene Menge wässriger Lösung vollständig verdampft und dabei die Wasserstoffperoxidkonzentration der wässrigen Lösung im Dampfspeicher im Wesentlichen beibehalten wird.
Nur dadurch, dass eine abgemessene Menge wässriger Lösung vollständig verdampft und dieser Dampf gespeichert wird, kann im Dampfgemisch im Wesentlichen die gleiche Wasserstoffperoxidkonzentration beibehalten werden wie in der Flüssigphase. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich Dampfgemische mit hohen Konzentrationen und gleichzeitig hohen Drücken ohne Explosionsgefahr erzeugen und bereitstellen, beispielsweise mit einem Druck von 2000 mb bei 50 Gewichtsprozent Wasserstoffperoxidanteil im Dampfgemisch.
Das dabei entstehende Dampfgemisch kann auf Grund einer Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Dampfspeicher von selbst in den Dampfspeicher hineinströmen, da der Dampfdruck im Verdampfer aufgrund seiner gegenüber dem Dampfspeicher erhöhten Temperatur größer ist als der Dampfdruck im Dampfspeicher. Der Dampfspeicher muss ein solches Volumen aufweisen, dass bei der gegebenen Speichertemperatur das Dampfgemisch im Dampfspeicher nicht an die Sättigungsgrenze kommt, sondern Heißdampf bleibt, bis die gesamte zur Verfügung zu stellende Dampfmenge in den Dampfspeicher eingebracht wurde. Dort muss sie in einem Zustand gehalten werden, der das Bilden eines schlagartigen Kondensatbelages in der Sterilisationskammer möglich macht.
Um die unvermeidbare Zerfallsrate des Wasserstoffperoxids im Dampfspeicher in Grenzen zu halten, sollte dessen Temperatur nur etwa 120 bis 140 ° C betragen. Eine noch niedrigere Temperatur von etwa 100 bis 120 ° C wäre im Dampfspeicher zwar durchaus möglich und würde der Zerfallsrate noch mehr entgegenwirken, auf der anderen Seite aber zu einem geringeren Fassungsvermögen des Dampfspeichers führen. Zum Erzeugen einer hohen Verdampfungsleistung wäre eine möglichst hohe Verdampfertemperatur erstrebenswert, die aber – aus dem gleichen Grunde – etwa 180 ° C nicht überschreiten sollte. Zudem kann aus dem Verdampfer in den Dampfspeicher eintretendes Dampfgemisch, dessen Temperatur höher ist als diejenige des Dampfspeichers, beim Eintritt in den Dampfspeicher zu lokaler Überhitzung und eventuell zu Kondensationseffekten im Dampfspeicher führen. Aus diesem Grunde sollte die Temperatur des Verdampfers nur in der Größenordnung von etwa 20 ° C über der Temperatur des Dampfspeichrs liegen, folglich bei etwa 140 bis 160 ° C. Es ist in jedem Fall darauf zu achten, dass das Dampfgemisch nach seinem Eintritt in den Dampfspeicher dort im überhitzten Zustand verbleibt.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens spielt es im Prinzip keine Rolle, ob es sich um eine zyklisch arbeitende oder eine kontinuierlich arbeitende Maschinenanlage handelt. Im einen Falle kann vorgesehen sein, dass der Dampfspeicher in vorgegebenen längeren Zeitabständen von beispielsweise 10 Sekunden jeweils weitgehend entleert und anschließend wieder geladen wird, während im anderen Falle der Dampfspeicher in vorgegebenen kurzen Zeitabständen von beispielsweise 0,2 Sekunden angezapft und kontinuierlich geladen wird. Wichtig ist in jedem Fall, dass der Druck im Dampfspeicher sehr viel größer ist als der Druck in der Sterilisationskammer. Nur dadurch kann sichergestellt sein, dass das Dampfgemisch wirklich schlagartig in die Sterilisationskammer strömt.
Wie bereits erwähnt, muss der Gefahr entgegengewirkt werden, dass sich das im Dampfgemisch befindliche Wasserstoffperoxid zersetzt und dadurch die Konzentration verringert. Aus diesem Grunde werden der wässrigen Lösung bereits von deren Hersteller Stabilisatoren zum Verhindern des Zerfalls des Wasserstoffperoxids beigegeben. Diese Stabilisatoren binden Schwermetallionen, welche in freier Form zur katalytischen Dissoziation des Wasserstoffperoxidmoleküls führen würden. Beim Verdampfen der wässrigen Lösung bleiben diese Stabilisatoren allerdings größtenteils im Verdampfer und im Dampfspeicher zurück und bilden dort wärmeisolierende Verkrustungen, die insbesondere im Verdampfer die Verdampfungsleistung beeinträchtigen. Diese Stabilisatoren sind im Prinzip wasserlösliche Substanzen. Die aus ihnen entstandenen Verkrustungen im Verdampfer und Dampfspeicher können daher im Prinzip in Wasser, das zum Reinigen von Zeit zu Zeit flüssig in den Verdampfer und den Dampfspeicher eingebracht wird, wieder gelöst und anschließend im gelösten Zustand mit dem Wasser herausgespült werden. Das hierzu verwendete Wasser muss voll entsalzt, demineralisiert bzw. destilliert sein, um das Einbringen anderer Fremdsubstanzen beim Waschvorgang zu verhindern. Es ist somit in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die aus Stabilisatorrückständen entstandenen Verkrustungen im Verdampfer und Dampfspeicher sowie Zuleitungen und Ventilen durch regelmäßiges Waschen mit Wasser geeigneter Qualität zu entfernen.
Zum Durchführen des Verfahrens kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Verdampfer und der Dampfspeicher eine kompakte Baueinheit bilden. Dadurch werden unnötige Leitungen und Ventile überflüssig, was sich insofern günstig auswirkt, als die nicht vorhandenen Bauteile nicht erwärmt zu werden brauchen. Der Dampfspeicher sollte dabei geometrisch so ausgelegt werden, dass er sich der zugehörigen Maschinenanlage möglichst symmetrisch anpasst. So kann der Dampfspeicher bei längeren Maschinenanlagen als Rohrkörper ausgebildet sein, während er beispielsweise bei einem Rundläufer zweckmäßig als Ringrohr oder als irgendwie gestalteter Kleinspeicher ausgebildet wird.
Wie bereits erwähnt, muss die Überhitzung des Dampfgemisches im Dampfspeicher so lange beibehalten werden, bis das Dampfgemisch in die Sterilisationskammer einströmen kann. Aus diesem Grunde muss der Dampfspeicher homogen, also ohne kalte Bereiche erwärmt werden, damit an keiner Stelle die Gefahr besteht, dass das Dampfgemisch bereits im Dampfspeicher kondensiert. Dabei ist das Kondensieren des Wasserstoffperoxidanteils, wegen seines höheren Siedepunktes, besonders gefährlich, weil dies zu einer Verringerung der Konzentration führen würde. Der Wandung des Rohrkörpers ist daher vorteilhaft eine vorzugsweise als Heizwendel ausgebildete Heizeinrichtung zugeordnet, welche insbesondere eine Kondensation verhindern soll.
Das aus dem Verdampfer kommende Dampfgemisch tritt mit einer Temperatur in den Dampfspeicher ein, die, wie bereits erläutert, vorzugsweise etwa 20 ° C über der Speichertemperatur liegt. Wegen des unvermeidlichen steten thermischen Zerfalls des Wasserstoffperoxids im Dampfspeicher wird zudem ständig Dissoziationsenergie frei, so dass im Betrieb der Dampfspeicher vom Dampf in einem gewissen Maße geheizt wird. Zur Inbetriebnahme des Dampfspeichers muss dieser jedoch über geeignete Heizelemente aufgeheizt werden. Vorteilhaft sind Verdampfer und Dampfspeicher zur Umgebung hin gut wärmeisoliert, um beim Verdampfer Wärmeverlust durch Abstrahlung und Konvektion zu vermeiden und beim Dampfspeicher eine homogene Temperaturverteilung und leichtes Aufheizen zu erreichen. Da aufgrund eines an sich vorteilhaften wärmeisolierten Aufbaus unter Umständen die bei Betrieb im Dampfspeicher entstehende Wärmemenge nicht über Wärmeverluste abgegeben werden kann, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Kühlung des Dampfspeichers, beispielsweise durch eine Kühlwendel, vorgesehen, die eine Überhitzung verhindert und dadurch die Temperatur im Dampfspeicher auf dem Soll-Wert hält. Der Verdampfer selbst bleibt hingegen gegen Überhitzung unempfindlich, da dieser Verdampfungsenthalpie an die zu verdampfende wässrige Lösung abgeben muss und durch die einströmende kalte Lösung ohnehin gekühlt wird. Wie gesagt, dient die Heizwendel im Dampfspeicher lediglich dem Zweck, eine Kondensation zu verhindern, während bei Betrieb infolge der Zerfallswärme im Dampfspeicher eventuell gar keine Heizung, sondern eher eine Kühlung erforderlich ist.
Zum Erzielen einer möglichst homogenen Temperatur der Wandung des Dampfspeichers soll diese über eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit verfügen. Der Dampfspeicher sollte deshalb zweckmäßig aus gut wärmeleitfähigem Material mit großer Wandstärke gefertigt sein, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer Wandstärke von vorzugsweise wenigstens 20 mm.
Die Zersetzung des Wasserstoffperoxids im Dampfspeicher erfolgt jedoch nicht nur rein thermisch, sondern auch durch den Kontakt des Dampfes mit Verunreinigungs- und Legierungsbestandteilen des Materials der Wandung, insbesondere Schwermetallanteilen. Deshalb sind die dampfberührten Oberflächen mit einer möglichst geschlossenen Passivschicht überzogen, beispielsweise mit einer Oxidschicht. Eine solche Oxidschicht verhindert zudem den direkten Kontakt der sich absetzenden Stabilisatoren mit dem Material der Wandung, was zu dessen Veränderung führen und ein Abwaschen der Rückstände unmöglich machen würde.
Auch der Verdampfer besteht, wie der Dampfspeicher, aus gut wärmeleitendem und passiviertem Material, vorzugsweise Aluminium, und ist zweckmäßig als massiver beheizter Zylinder ausgebildet, mit Kanälen für die wässrige Lösung und das Dampfgemisch. Die Kanäle sind dabei so ausgebildet, dass sich ein gefaltetes Röhrensystem ergibt, in welchem die Flüssigkeit beim Hindurchfließen vollständig verdampft. Die Faltung dient nicht nur einer platzsparenden Verlängerung der dem Verdampfen dienenden Kanäle, sondern reduziert auch die Strömungsgeschwindigkeiten, durch gleichzeitige Querschnittsaufweitung. Die erheblichen Strömungswiderstände an den Umkehrstellen der Faltung verhindern weitgehend, dass entstehende Dampfblasen durch ihre Ausdehnung noch nicht verdampfte Flüssigkeit durch die Kanäle hindurch bis in den Dampfspeicher hinein mitreißen könnten. Auch dem Verdampfer ist vorteilhaft eine vorzugsweise als Heizwendel ausgebildete Heizeinrichtung zugeordnet.
Einlaufseitig ist der Verdampfer vorteilhaft mit einem Rückschlagventil versehen. Die wässrige, Wasserstoffperoxid enthaltende Lösung wird über das Rückschlagventil unter Druck in den Verdampfer eingeführt, wobei das Rückschlagventil das Verdampferinnere druckmäßig von der Wasserstoffperoxidzuleitung entkoppelt.
Im Zusammenhang mit den erwähnten Stabilisatoren ist vorgesehen, dass der Baueinheit eine Zuleitung und eine Ableitung für Waschwasser zugeordnet ist. Dadurch können die von den Stabilisatoren herrührenden Rückstände oder Verkrustungen herausgewaschen werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 eine Sektion einer Maschinenanlage mit einem Verdampfer, einem Dampfspeicher und einer Sterilisationskammer,
2 in gegenüber 1 vergrößerter Darstellung einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdampfer,
3 einen Schnitt längs der Schnittfläche III-III der 2,
4 einen Teil eines Axialschnittes durch einen Dampfspeicher,
5 ein Diagramm bezüglich des Ladens und Entleerens eines Dampfspeichers bei einer zyklisch arbeitenden Maschinenanlage,
6 ein Diagramm bezüglich des Ladens und Entleerens bei einer als Rundläufer ausgelegten Maschinenanlage.
Die sehr schematisch dargestellte Maschinenanlage nach 1 enthält einen rohrartigen Verdampfer 1 und einen in Relation dazu großvolumigen, ebenfalls rohrartigen Dampfspeicher 2. Beide Aggregate, nämlich der Verdampfer 1 und der Dampfspeicher 2, sind zu einer kompakten Baueinheit 3 zusammengefasst. Im vorliegenden Fall ist dabei vorgesehen, den Dampfspeicher 2 über einen Flansch 4 mit dem Verdampfer 1 unmittelbar zu verbinden.
Bei der dargestellten Anlage wird ein Dampfgemisch aus Wasserdampf und Wasserstoffperoxiddampf erzeugt. Dem Verdampfer 1 wird mittels einer Pumpe 5 über eine Zuleitung 6 und ein Rückschlagventil 7 aus einem Tank 8 unter Druck eine Wasserstoffperoxid enthaltende wässrige Lösung mit der erwünschten Konzentration in Richtung A zugeführt. Das Dampfgemisch wird im Dampfspeicher 2 gespeichert.
Dem Dampfspeicher 2 ist eine Sterilisationskammer 9 nachgeordnet, in welcher sich nicht dargestellte Gegenstände befinden, deren Oberflächen sterilisiert werden sollen. Es kann sich hierbei um PET-Flaschen handeln.
Zunächst wird die Sterilisationskammer 9 evakuiert, und zwar durch eine geeignete Vakuumpumpe 10 bzw. einen aus mehreren Pumpen bestehenden Pumpstand. Anschließend wird die Sterilisationskammer 9 durch Schließen eines Ventils 11 von der Vakuumpumpe 10 isoliert, so dass über den Unterdruckanschluss 12 nicht mehr in Saugrichtung B gesaugt wird.
Durch Öffnen von Einströmventilen 13 wird nun dafür Sorge getragen, dass das im Dampfspeicher 2 befindliche Dampfgemisch über Zuleitungen 14 in Einströmrichtung C in die Sterilisationskammer 9 gelangt, vorzugsweise durch adiabatische Expansion. Der Druck im Dampfspeicher 2 muss demzufolge deutlich höher sein als der Druck in der Sterilisationskammer 9. Während der Expansion vergrößert sich das vom Dampfgemisch eingenommene Volumen, wodurch das Dampfgemisch deutlich unter den Taupunkt abkühlt und an allen ihm zugänglichen Oberflächen in der Sterilisationskammer 9 schlagartig kondensiert. Dabei steigt der Druck in der Sterilisationskammer 9 wieder an. Nach wenigen Sekunden wird mit Hilfe der Vakuumpumpe 10 der Kondensatbelag abgezogen und die Sterilisationskammer 9 über nicht dargestellte Einrichtungen mit Sterilluft geflutet.
Bei einem derartigen Verfahren wird ein ohne Transportgasstrom eingeführtes Dampfgemisch an den Oberflächen der zu sterilisierenden Gegenstände sowie den Oberflächen der Sterilisationskammer 9 als schlagartig aufgebrachter Kondensatbelag niedergeschlagen, wobei er nach kurzer Einwirkzeit durch weiteres Evakuieren aus der Sterilisationskammer 9 abgesaugt wird, bis ein Druck von unter 10 mb, vorzugsweise von unter 1 mb erreicht ist.
Die wässrige Lösung wird über das Rückschlagventil 7 in den Verdampfer 1 eingeführt, wobei das Innere des Verdampfers 1 druckmäßig von der Zuleitung 6 entkoppelt wird. Der Verdampfer 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel von so genannten Heizwendeln 15 umgeben, während der nachgeordnete Dampfspeicher 2 beispielsweise von vergleichbaren Heizwendeln 16 beheizt wird. Die Heizwendeln 15 und 16 sind so ausgelegt, dass eine homogene Beheizung des Gesamtsystems möglich wird. Die Beheizung erstreckt sich zusätzlich über die vier Zuleitungen 14 sowie die Einströmventile 13, ferner über die Durchführungen der Zuleitungen 14 in die Sterilisationskammer 9 hinein und kann dort gegebenenfalls ausschließlich durch Wärmeleitung erfolgen.
Wie ersichtlich, ist sowohl der Verdampfer 1 als auch der Dampfspeicher 2 jeweils als Rohrkörper 18 ausgebildet, wobei insbesondere der Rohrkörper 18 des Dampfspeichers 2 geometrisch an die Maschinenanlage angepasst ist, also durchaus als Ringrohr ausgeführt sein kann.
Bei dem hier beschriebenen Sterilisationsverfahren geht es darum, eine bestimmte Menge des aus Wasserdampf und Wasserstoffperoxiddampf bestehenden Dampfgemisches in der erforderlichen Zeit und der erforderlichen Konzentration zur schlagartigen Verwendung in der Sterilisationskammer 9 zur Verfügung zu stellen. Der im Verdampfer 1 entstehende Dampf wird zunächst auf Grund der sich im Betrieb ausbildenden Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer 1 und dem Dampfspeicher 2 in den Dampfspeicher 2 von selbst hineinströmen. Der Dampfspeicher 2 muss dabei ein solches Volumen aufweisen, dass das Dampfgemisch nicht an die Sättigungsgrenze kommt, sondern überhitzt bleibt. Die erforderliche Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer 1 und dem Dampfspeicher 2 ist immer dann vorhanden, wenn entweder die Dampftemperatur im Verdampfer 1 über der Dampftemperatur im Dampfspeicher 2 liegt oder wenn bei Temperaturgleichheit der Dampf im Dampfspeicher 2 noch nicht gesättigt ist. Durch die hier beschriebene, aus Verdampfer 1 und Dampfspeicher 2 beschriebene Baueinheit 3 wird ein vollständiges Verdampfen einer abgemessenen Menge wässriger Lösung möglich, so dass die Konzentration an Wasserstoffperoxid im Dampfgemisch im Wesentlichen gleich der Flüssigphasen-Konzentration ist und bleibt. Die Konzentration im Dampfgemisch kann dabei ohne Weiteres 50 bis 60% betragen. Dabei muss natürlich beachtet werden, dass das Dampfgemisch dazu neigt, bei den erforderlichen hohen Temperaturen sich langsam, aber stetig zu zersetzen. Hierzu trägt außer den hohen Temperaturen auch der Kontakt des Dampfgemisches mit den inneren Oberflächen des Dampfspeichers 2 bei. Die dampfberührten Oberflächen müssen deshalb in geeigneter Weise passiviert werden.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Temperatur im Verdampfer 1 in der Größenordnung von etwa 20°C höher gehalten wird als im Dampfspeicher 2.
Wie bereits erläutert, ist in regelmäßigen Abständen eine Reinigung von Verkrustungen erforderlich, welche dadurch entstehen, dass der wässrigen, Wasserstoffperoxid enthaltenden Lösung zur Stabilisierung so genannte Stabilisatoren beigegeben werden, die eine katalytische Dissoziation des Wasserstoffperoxidmoleküls verhindern sollen. Beim Verdampfen der Lösung bleiben diese Stabilisatoren größtenteils im Verdampfer 1 und im Dampfspeicher 2 zurück und bilden dort wärmeisolierende Verkrustungen, welche die Verdampfungsleistung beeinträchtigen.
Es ist somit eine relativ häufige Reinigung erforderlich. Da die Stabilisatoren sich gelöst in der wässrigen Lösung befinden, sie also wasserlöslich sind, können sie wieder in Wasser gelöst und mit Wasser herausgewaschen werden. Aus diesem Grund ist der Baueinheit 3 eine Leitung 19 für Waschwasserzufuhr und eine Leitung 20 für Waschwasserabfuhr entsprechend den dargestellten Pfeilrichtungen zugeordnet.
Wie in 1 noch angedeutet, sind jedem Heizelement der Baueinheit 3 Temperaturfühler 21 und 22 zugeordnet, über welche die Temperaturen der zu heizenden Oberflächen geregelt werden.
Der in den 2 und 3 dargestellte Verdampfer 1 besteht im Wesentlichen aus einem gut wärmeleitenden massiven Zylinder 23, der durch beheizbare Stirnwände 24 und 25 verschlossen ist. Er besitzt eine Reihe von Kanälen 26, die ein gefaltetes Röhrensystem ergeben, in welchem die wässrige Lösung beim Hindurchfließen vollständig verdampft und dabei die Konzentration an Wasserstoffperoxid beibehält. Die Umkehrstellen 27 der Kanäle 26 bilden Strömungswiderstände, die verhindern, dass beim Verdampfen der Lösung entstehende Dampfblasen noch unverdampfte Flüssigkeit durch ihre schnelle Expansion bis in den Dampfspeicher 2 hinein mitzureißen. Wie ersichtlich, vergrößern sich die Querschnitte der Kanäle 26 jeweils an den Umkehrstellen 27, was zu einem Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeiten führt.
Außen ist in den Zylinder 23 eine Wendelnut 28 eingearbeitet, in welcher die bereits erwähnte Heizwendel 15 für ein elektrisches Beheizen eingelegt ist. Ein formschlüssiges Einpressen der Heizwendel 15 in die Wendelnut 28 ergibt einen sehr guten Wärmeübergang an den Zylinder 23.
In der Stirnwand 24 ist für das Zuführen der wässrigen Lösung eine mittige Zuführöffnung 29 vorgesehen, von der aus sich die Kanäle 26 erstrecken. Wie insbesondere aus 3 ersichtlich, ist für das Dampfgemisch, entsprechend der Anzahl der Kanäle 26, eine Vielzahl von Abführöffnungen 30 vorgesehen, durch welche der überhitzte Dampf in Strömungsrichtung D in den nachgeordneten Dampfspeicher 2 strömt.
Der Verdampfer 1 insgesamt ist von einer geeigneten Isolation 31 umschlossen.
Mit der beschriebenen Baueinheit 3 ist es möglich, eine abgemessene Menge wässriger Lösung vollständig zu Verdampfen und dabei die Wasserstoffperoxidkonzentration der wässrigen Lösung im Dampfspeicher 2 im Wesentlichen beizubehalten.
In dem Axialschnitt nach 4 erkennt man einen Rohrkörper 18 für den Dampfspeicher 2 sowie die bereits erläuterte Heizwendel 16. Der Rohrkörper 18 besteht aus Aluminium mit einer erheblichen Wandstärke der Wandung 32, die beispielsweise 25 mm stark sein kann, bei einem Innendurchmesser von beispielsweise 150 mm. Diese große Wandstärke ist erforderlich, damit über Wärmeleitung eine gute Temperaturangleichung in axialer Richtung möglich wird. Die Temperatur des aus dem Verdampfer 1 austretenden Dampfgemisches beträgt etwa 140 bis 160°C, während die Temperatur des Rohrkörpers 18 des Dampfspeichers 2 nur etwa 120 bis 140°C beträgt, also ca. 20°C weniger. Der aus dem Verdampfer 1 austretende Dampf heizt deshalb den vorderen Teil des Rohrkörpers 18 auf, der dadurch überhitzen und erhebliche thermische Zersetzung des Wasserstoffperoxids verursachen könnte. Der große Aluminum-Querschnitt in Axialrichtung des Dampfspeichers 2 sorgt jedoch für rasche Wärmeableitung und homogene Temperaturverhältnisse.
Während die hohe Temperatur im Verdampfer 1 nötig ist, um die Verdampfungsleistung zu erhöhen, reduziert die niedrigere Temperatur im Dampfspeicher 2 die Zerfallsrate des Wasserstoffperoxids und schont auch die zugehörigen Bauteile, insbesondere die Einströmventile 13, die selbstverständlich auch auf Speichertemperatur beheizt sein müssen, damit dort vorzeitige Kondensatbildung vermieden wird.
Die mediumsberührten inneren Oberflächen 33 sowohl des Verdampfers 1 als auch des Dampfspeichers 2 sind passiviert, d.h. mit einer geschlossenen Oxidschicht 34 überzogen, damit es keinen direkten Kontakt des heißen Wasserstoffperoxiddampfgemisches mit Legierungs- und Verunreinigungsatomen des Aluminiums gibt. Dadurch kann eine katalytische Zersetzung und somit ein Konzentrationsverlust in der Dampfphase weitgehend vermieden werden.
In der Wandung 32 des Dampfspeichers 2 sind zwei Wendelnuten 35 und 36 erkennbar, von denen die Wendelnut 35 für die Heizwendel 16 und die Wendelnut 36 für eine Kühlwendel 37 vorgesehen sind. Die Kühlwendel 37 besteht aus einem Rohr mit guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Kupfer, mit einer Kühlflüssigkeit. Die Temperatur des Dampfspeichers 2 muss auf einem Wert im Bereich von 120 bis 140°C gehalten werden, weshalb ein geeignetes Kühlmittel, eventuell unter Druck, in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und die Temperatur über einen Wärmetauscher regelt. Eine Umwälzpumpe und der Wärmetauscher befinden sich zweckmäßig in einem so genannten Kühlgerät, das zusätzlich auch in der Lage sein könnte, das Kühlmittel zu heizen, wobei im letztgenannten Falle eine Heizwendel 16 überflüssig wäre.
Außen ist der Dampfspeicher 2 wieder mit einer geeigneten Isolationsschicht 38 versehen.
Der Speicherraum 39 des Dampfspeichers 2 ist im Vergleich zum Verdampfer 1 großvolumig und kann beispielsweise 45 dm³ aufweisen.
Wie bereits erwähnt, geht es im Kern der Erfindung um das Zurverfügungstellen einer bestimmten Menge eines Wasser und Wasserstoffperoxid enthaltenden Dampfgemisches in einer erwünschten Konzentration, zur schlagartigen Verwendung für eine unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer 9. Je nach der Bauart der Maschinenanlage können sich dabei im Dampfspeicher 2 unterschiedliche Druckverhältnisse ergeben, was jedoch am gemeinsamen Prinzip nichts ändert.
Für zwei Varianten, nämlich eine zyklisch arbeitende Maschinenanlage sowie eine als Rundläufer arbeitende Maschinenanlage sind nachfolgend in den 5 und 6 zwei Diagramme beschrieben, bei denen der im Dampfspeicher 2 vorhandene Druck p auf der Ordinate und die Verfahrenszeit t auf der Abszisse auftragen sind.
Das Diagramm nach 5 betrifft eine zyklisch arbeitende Maschinenanlage, bei welcher der (Dampfspeicher 2 jeweils weitgehend geleert wird und infolge der Dampfentnahme einmal pro Zyklus T₅ der Dampfdruck im Dampfspeicher 2 sehr stark abfällt. Am Beispiel nach 5 ist im Dampfspeicher 2 ein maximaler Druck p_max von beispielsweise 800 mb, als minimaler Druck p_min hingegen 200 mb vorgesehen. Die Zykluszeit T₅ besteht insgesamt aus drei Zeitabständen, nämlich einer Ladephase T₁, in welcher der Dampfspeicher 2 nicht an die Sterilisationskammer 9 angeschlossen ist, aus einer möglichst kurz gehaltenen Wartezeit T₂ und einer überaus kurzen Einströmzeit T₃, in welcher der Dampfspeicher 2 nach Öffnen der Einströmventile 13 mit der Sterilisationskammer 9 verbunden ist.
Das Diagramm nach 6 bezieht sich auf eine als Rundläufer ausgebildete Maschinenanlage, bei welcher der Dampfspeicher 2 als Ringrohr gestaltet sein kann. In diesem Falle können mehrere Stationen, die jeweils eine kleine Sterilisationskammer 9 enthalten, an den Dampfspeicher 2 angeschlossen sein, wobei jeweils immer nur ein relativ kleiner Teil des gespeicherten Dampfes entnommen wird. In diesem Falle könnten auch mehrere Verdampfer 1 an den allen Stationen gemeinsamen Dampfspeicher 2 angeschlossen sein, um diesen kontinuierlich zu laden.
Gemäß 6 stellt sich bei einem derartigen Rundläufer ein nahezu stationärer Zustand im Dampfspeicher 2 ein, da die Dampfentnahme durch die einzelnen Stationen bis zu mehreren Malen pro Sekunde erfolgt, allerdings immer nur mit relativ kleinen Dampfmengen.
Dementsprechend ist im Diagramm nach 6 eine Zykluszeit T6 von nur etwa 0,2 Sekunden vorgesehen, wobei sich zwischen dem Druckmaximum und dem Druckminimum ein relativ hoher mittlerer Druck p_m einstellt.

Claims

Verfahren zum Erzeugen und schlagartigen Zuführen eines aus Wasserdampf und Wasserstoffperoxiddampf bestehenden überhitzten Dampfgemisches ohne zusätzlichen Transportgasstrom in eine unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer, bei welchem eine Wasserstoffperoxid vorgegebener Konzentration enthaltende wässrige Lösung in einem Verdampfer verdampft, an einen dem Verdampfer nachgeordneten, im Vergleich zum Verdampfer großvolumigen Dampfspeicher weitergeleitet und von dort in periodischen Zeitabständen in eine unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine abgemessene Menge wässriger Lösung vollständig verdampft und dabei die Wasserstoffperoxidkonzentration der wässrigen Lösung im Dampfspeicher im Wesentlichen beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Verdampfer in der Größenordnung von 20°C höher gehalten wird als im Dampfspeicher.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher in vorgegebenen längeren Zeitabständen von mehreren Sekunden jeweils weitgehend entleert und anschließend wieder geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher in vorgegebenen kurzen Zeitabständen von wenigen Sekundenbruchteilen angezapft und kontinuierlich geladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Dampfspeicher sehr viel größer ist als der Druck in der Sterilisationskammer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Verkrustungen, welche aus der wässrigen Lösung üblicherweise beigegebenen wasserlöslichen Stabilisatoren zum Verhindern des Zerfalls des Wasserstoffperoxids resultieren, von Zeit zu Zeit in einem Waschvorgang mittels Wasser herausgewaschen werden.
Vorrichtung zum Erzeugen und schlagartigen Zuführen eines aus Wasserdampf und Wasserstoffperoxiddampf bestehenden überhitzten Dampfgemisches ohne zusätzlichen Transportgasstrom in eine unter Unterdruck stehende Sterilisationskammer, mit wenigstens einem Verdampfer zum Verdampfen einer Wasserstoffperoxid enthaltenden wässrigen Lösung, mit einem dem Verdampfer nachgeordneten und im Vergleich zum Verdampfer großvolumigen Dampfspeicher sowie mit einer mit dem Dampfspeicher verbindbaren evakuierbaren Sterilisationskammer, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) und der Dampfspeicher (2) eine kompakte Baueinheit (3) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (2) als Rohrkörper (18) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (18) als Ringrohr ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandung (32) des Rohrkörpers (18) eine vorzugsweise als Heizwendel (16) ausgebildete Heizeinrichtung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandung (32) des Rohrkörpers (18) eine vorzugsweise als Kühlwendel (37) ausgebildete Kühleinrichtung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (32) aus gut wärmeleitendem Material mit einer Wandstärke von wenigstens 20 mm besteht und nach außen mit einer Isolationsschicht (38) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (32) an der inneren Oberfläche (33) durch eine geschlossene Oxidschicht (34) passiviert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) im Wesentlichen eine aus gut wärmeleitendem Material bestehender massiver beheizter Zylinder (23) mit Kanälen (26) für die wässrige Lösung und das Dampfgemisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (26) gefaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zylinder (23) eine vorzugsweise als Heizwendel (15) ausgebildete Heizeinrichtung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) einlaufseitig mit einem Rückschlagventil (7) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Verdampfers (1) an der inneren Oberfläche durch eine geschlossene Oxidschicht passiviert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Baueinheit (3) wenigstens eine Zuleitung (19) und wenigstens eine Ableitung (20) für Waschwasser zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinrichtung ein Kühlmittel zugeordnet ist, welches in einem temperaturgeregelten Kreislauf zirkuliert.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in einem Wärmetauscher beheizbar ist.