DE2727098A1

DE2727098A1 - Verfahren zum abtoeten von mikroorganismen in behaeltern

Info

Publication number: DE2727098A1
Application number: DE19772727098
Authority: DE
Inventors: Lowell George Tensmeyer
Original assignee: Eli Lilly and Co
Current assignee: Eli Lilly and Co
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-06-15
Publication date: 1977-12-29
Also published as: FR2355511B1; CH614122A5; FR2355511A1; GB1580568A; IE45097B1; JPS52156074A; IT1083837B; JPS6020252B2; US4042325A; IE45097L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtöten von Mikroorganismen in einem Behälter durch Behandlung mit einem Plasma, das darin durch Fokussieren eines Laserstrahls von hohem Energieinhalt in einem elektromagnetischen Feld erzeugt wird, und zwar während einer Zeitspanne von einer Millisekunde bis zu einer Sekunde.

Seit Jahrzehnten werden Behälter für unter Umgehung des Verdauungskanals zuzuführende und andere Medikamente, Lebensmittel, Getränke, Molkereiprodukte und dergl. sterilisiert, um die Verbreitung von Krankheiten zu verhindern. Wärme in trockener und nasser Form ist bis jetzt ein bekanntes Mittel zum Abtöten von Mikroorganismen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der pharmazeutischen Industrie. Auch chemische Stoffe wie Formaldehyd, Phenol, Äthanol,

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Äthylenoxid und dergl. haben sich als nützlich zum Abtöten von Mikroorganismen erwiesen. In neuerer Zeit wird mit Bestrahlung in bestimmten Anwendungsformen, z.B. mit Beta-, Gamma-und ultravioletten Strahlen gearbeitet, um Mikroorganismen abzutöten.

In der US-PS 3 383 163 ist ein Verfahren zum Sterilisieren der Oberfläche eines elektrischen Nichtleiters beschrieben, bei dem die Oberfläche mit einem gasförmigen Plasma bei extrem hoher Temperatur in Kontakt gebracht wird. Es wurde eine Koronaentladung angewendet, um innerhalb eines Behälters ein Plasma zu erzeugen, indem man eine geerdete Elektrode in den Behälter einführte, den Behälter mit einer Spule umgab und eine impulsförmige Spannung von 5000 bis zu über 7000 V an die Spule anlegte. Die Oberfläche wurde einem Plasma während einer sehr kurzen Zeitspanne ausgesetzt, normalerweise nicht länger als 1/10 Sekunde.

Seit der US-PS 3 383 163 sind viele Versuche gemacht v/orden, das Plasraa-Sterilisierungsverfahren wegen des damit verbundenen Vorteils des Abtötens der Mikroorganismen in einem Behälter unmittelbar vor dem Füllen zu einem wirtschaftlich durchführbaren Verfahren zu entwickeln. Die Schwierigkeit, eine geerdete Elektrode in einen Behälter einzuführen und ihn gleichzeitig mit einer Hochspannungsspule zu umgeben, hat die Anwendung der Erfindung verhindert. Das Volumen des durch die Koronaentladung erzeugten Plasmas hängt von der Gestaltung und Abschirmung der Elektrodenspitze, der Wicklungsart der Hochspannungsspule und dem Potentialunterschied zwischen der Elektrode und der Spule im Moment der Impulsentladung ab, und diese Erfordernisse führen zu Problemen bezüglich der Anordnung der Elektrode und der Spule, um den Behälter mit Plasma zu füllen. Außerdem wird zum Herbeiführen der Koronaentladung eine erhebliche Spannung benötigt, die besondere elektrische Stromkreise erforderlich macht.

Die US-PS 3 95ü 921 beschreibt ein neuartiges Vorfahren zum Abtöten von Mikroorganismen in einem Behälter durch wieder-

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holtes Zünden eines Laserstrahls von ultrakurzer Impulsdauer in dem Behälter. Jede Zündung erzeugt ein Plasma von ultrakurzer Lebensdauer. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die die Mikroorganismen tötenden Plasmen in dem Behälter erzeugt werden, ohne daß ein Bauteil in diesen eingeführt wird. Außerdem werden die Mikroorganismen in dem Behälter abgetötet, ohne daß die Innenflächen des Behälters von dem Plasma berührt werden. Die Notwendigkeit einer Aufeinanderfolge von unabhängig voneinander erzeugten Plasmen verlängerte jedoch die Zeit, während welcher jeder Behälter eine Lage einnehmen mußte, in der der Laserstrahl in ihn hinein fokussiert wurde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abtöten von Mikroorganismen in einem Behälter mittels eines kontinuierlichen Plasmas zu schaffen, das durch einen einzigen Impuls eines fokussierten Laserstrahls von hohem Energieinhalt erzeugt und in dem Behälter ausgedehnt und während der zum völligen Abtöten aller Mikroorganismen erforderlichen Zeitspanne aufrechterhalten wird. Wegen der kürzeren für die Sterilisierung erforderlichen Zeit ist dieses Verfahren den früheren Plasma-Sterilisierungsverfahren wirtschaftlich überlegen.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Abtöten von Mikroorganismen in einem Behälter geschaffen, bei dem innerhalb des Behälters ein elektromagnetisches Feld aufgebaut und durch einen einzigen Impuls ein fokussierter Laserstrahl von hohem Energieinhalt in diesem Feld erzeugt wird, der ein Plasma erzeugt, das ausgedehnt und durch die elektromagnetische Strahlungsenergie in diesem Feld während einer Sterilisierungszeit aufrechterhalten wird.

Zu dem neuartigen Verfahren nach der Erfindung zum Abtöten von Mikroorganismen in einem Behälter gehören die Schaffung eines elektromagnetischen Feldes in dem Behälter und die Impulsgabe für einen fokussierten Laserstrahl von hohem Energieinhalt in diesem Feld, der ein Plasma erzeugt, welches

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ausgedehnt und durch die in dem elektromagnetischen Feld vorhandene Energie aufrechterhalten wird. Das Plasma wird durch das Fokussieren des Strahls auf einen Konvergenzpunkt (Brennpunkt) innerhalb des Behälters erzeugt, und zwar in einem ausreichenden Abstand von der Innenfläche des Behälters, um einen Kontakt der Innenfläche mit dem Plasma im Augenblick des Impulses zu verhindern.

Das elektromagnetische Feld innerhalb des Behälters wird dadurch erzeugt, daß man den Behälter an einen geeigneten Ort bringt, wo das elektromagnetische Feld konzentriert ist oder zu dem ein solches Feld geführt oder gerichtet wird. Ein Beispiel für einen solchen Ort ist ein Hohlraum am Ende eines Wellenführungstunnels, in dem eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes vorhanden ist, wobei der Hohlraum so abgestimmt ist, daß er die Energie des elektromagnetischen Feldes am Ort des darin angeordneten Behälters konzentriert* Ein anderes Beispiel ist die Anordnung des Behälters zwischen der Quelle der elektromagnetischen Strahlung und einer parabolischen Schale, die so geformt ist, daß sie die elektromagnetische Energie reflektiert und am Ort des Behälters konzentriert. Gestaltung und Dimensionen der zum Konzentrieren und Richten der elektromagnetischen Strahlung verwendeten Leitungen sind eine Funktion der Frequenz der Einrichtung zu ihrer Erzeugung.

Die Frequenzen für die Zwecke der Erfindung fallen allgemein in den Bereich zwischen 10 und 10 Hz. Ss gibt nur eine relativ kleine Anzahl von spezifischen Frequenzbändern im elektromagnetischen Strahlungsspektrum, die von der International Telecommunications Union für industrielle, v.issenschaftliche und medizinische Zwecke zugeteilt worden sind. Hierzu gehören die Bänder von 13,36 bis 14,00 MIIz, 27,23 bis 27,28 MHz, 40,66 bis 40,70 MHz, 0,915 GHz und 22 bis 22,125 GHz. Die genannten Einschränkungen stammen von der International Telecommunications Union und stellen keine aufgrund der Erfindung bestehenden Einschränkungen dar. Weitere praktische Erwägungen betreffen das Vorhandensein von elek-

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-I-

tronischen Systemen, die die Erzeugung von elektromagnetischen Feldern auf eng begrenzte Bänder beschränken. Es wäre unwirtschaftlich, die elektromagnetischen Felder mit einer unbegrenzten Zahl von spezifischen Frequenzen zu erzeugen. Andere für die Zwecke der Erfindung verwendbare elektromagnetische Energiebänder sind 28,2 Terahertz, 282 THz und 431 TIIz. Sollten weitere Bänder für die erfindungsgemäßen Zwecke zugeteilt werden, sind sie in dem Spektrum von 10 bis 10 ebenso gut anwendbar und erfordern nur die Anpassung der Abgabeeinrichtungen auf die zusätzliche Frequenz bzw. Freruenzen.

Das elektromagnetische Strahlungsfeld wird mit genügender Energie versorgt, um das Plasma auszudehnen und aufrechtzuerhalten, nachdem es durch den fokusslerten Laserstrahl erzeugt worden ist. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß eine Ausgangsleistung von etwa 1,2 kV von einer Magnetronröhre erforderlich war, um ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Plasma in Luft in einem elektromagnetischen Strahlungsfeld mit einer Frequenz von 2,45 GHz auszudehnen und aufrechtzuerhalten.

Das Erhalten eines Plasmas in Argon bei Atmosphärendruck mittels elektromagnetischer Energie erfordert eine Mindestfeldstärke. Etwa die folgenden Werte wurden ermittelt:

Frequenz	Feldstärke	Wem²	Leistungsaufnahme	,8	kW
2,45 GHz	100	W/cm²	0	,2	kW
27 MHz	275	W/cm²	2	,5	k*
5,2 HIIz	560	4

Außerdem besteht eine Beziehung zwischen der in dem elektromagnetischen Feld vorhandenen Energie und der Sterilisierungsleistung des Plasmas. Je größer die Energie in dem Feld ist, desto größer ist die Sterilisierungsleistung des Plasmas, und desto kürzer ist die zum Sterilisieren erforderliche Behandlungszeit.'Es wurde z.B. festgestellt, daß bei den Sporen des Bacillus subiiiis in einer gebräuchlichen 10-ml-Ampulle bei

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einer Frequenz von 2,45 GHz etwa 1,2 Sekunden erforderlich waren, ua eine Verminderung auf ein Zehntel bzw. eine Ab- tötung von 90% zu erreichen, wenn die Leistungsaufnahme des Plasmas etwa 0,2 kW betrug. Das gleiche Abtötungsergebnis wurde in 0,3 Sekunden erreicht, wenn die Leistungsaufnahme etwa 0,5 kW betrug. Ähnliche Ampullen wurden in 0,9 Sekunden mit einem O,5-kV/-Plasma sterilisiert. Es wurde berechnet, daß bei einer Energie von 1000 bzw. 2000 \i in dem Plasma die Sterilisierung in 0,1 bzw. 0,02 Sekunden stattfinden würde. Es bestehen jedoch mechanische und wirtschaftliche Grenzen hinsichtlich der Zufuhr hoher Energie zu de« elektromagnetischen Feld. Zu viel Energie in dem Feld führt zu einer Beschädigung des Materials des Behälters durch direkte Absorption von elektromagnetischer Energie. Außerdem liegt kein wirtschaftlicher Nutzen in der Anwendung einer Energie für eine Sterilisierungsgeschwindigkeit, die nicht mit der Notwendigkeit einer schnellen, aber nicht übermäßig schnellen Sterilisierung vereinbar ist.

Es sei auch erwähnt, daß, je niedriger die Frenuenz ist, um so größer die zum Erhalten des Plasmas erforderliche Energie ist. Frequenzen von 13,36 bis 14,00 MHz und 0,912 GHz erfordern eine größere Energieaufnahme zum Erhalten oder Ausdehnen des durch den Laserstrahl erzeugten Plasmas als die Frequenz von L',45 GHz. Gomit benötigt man bei den Frequenzen von 13,36 bis 14,00 liHz usw. und bei 0,915 GHz eine größere Energieaufnahme zum Erhalten und/oder Ausdehnen des durch den Laserstrahl erzeugten Plasmas, während Frequenzen von 22 bis 22,125 GHz eine geringere Energieaufnahme brauchen, um die gleiche Wirkung zu erzielen wie die Frequenz von 2,45 GHz.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein mechanisches System, zu dem ein Wellenführungstunnel mit einer darin angeordneten Einrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, z.B. einer Hagnetronröhre, und mit einem hohlraum an seinem einen Ende zum Aufnehmen des zu sterilisierendem Behälters gehört, aus einem elektrisch leitenden Material

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hergestellt, z,ß. aus Stahlblech der U.S.-Stärke 12, 4as für elektromagnetische Strahlung bei solchen Frequenzen undurchlässig ist, das Feld auf die Dimensionen des Wellenführungstunnels begrenzt und die Strahlungsenergie daran hindert, nach außen zu dringen. Der Hohlraum wird mittels bekannter Einrichtungen auf die Frequenz des elektromagnetischen Feldes abgestimmt. Es hat sich gezeigt, daß mindestens ein bimodaler Hohlraum zur wirksamen Konzentrierung der elektromagnetischen Strahlungsenergie auf den Ort des darin befindlichen Behälters benötigt wird. Mindestens zwei Schwingungsarten sind erforderlich, um die Resonanzänderung beim Zünden und Ausdehnen des Plasmas zu berücksichtigen. Ein n-raodaler Hohlraum erweist sich als noch leistungsfähiger.

Der Wellenführungstunnel ist auch hinsichtlich seines Volumens auf die Frenuenz der elektromagnetischen Strahlung abgestimmt. Je niedriger die Freruenz ist, desto größer ist der erforderliche Querschnitt. Ein solcher Tunnel wird benötigt, um die elektromagnetische Strahlung auf den Ort zu konzentrieren und zu richten, wo der zu sterilisierende Behälter angeordnet ist. Kine im Inneren vorgesehene Wärmeübertragungseinrichtung, z.B. eine dreiteilige Umwälzeinrichtung mit Ballastwasser, wurde in dem './el lenführungs tunnel benötigt, um die Wärme der ungenutzten reflektierten Energie abzuführen.

Da an die Sterilisierung von Behältern in einem weiten Größenbereich von kleinen Phiolen für parenterale Medikamente bis zu Lebensmittelbehältern mit einer Gallone (etwa 4,5 ltr) Fassungsvermögen gedacht ist, reicht ein einziger Satz von Dimensionen für einen Wellenführungstunnel und den Hohlraum nicht aus, denn die physische Größe des Behälters setzt Grenzen für die Dimensionen des Tunnels und des Hohlraums. Es wäre unwirtschaftlich, einen kleinen Behälter in einem Hohlraum großen Volumens zu sterilisieren, da die bei großen Tunnelquerschnitten vorhandenen Strahlungen niedrigerer Freouenz eine größere Energieaufnahme erfordern, um das Plasma während der Cterilisierungszeit zu erhalten. Infolgedessen mu3 die gesamte Anlage unter dem Gesichtspunkt der höchsten

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Strahlungsfrequenz mit dem niedrigsten Energiebedarf in Betracht gezogen werden, die für die Größe des zu sterilisierenden Behälters in Frage kommt.

Viele Materialien für Behälter, z.B. Glas, Kunststoffe im allgemeinen, Keramik und dergl., sind für elektromagnetische Strahlung durchlässig und brauchen nur in ein elektromagnetisches Feld gebracht zu werden. Die elektromagnetische Strahlung füllt den durchlässigen Behälter spontan bei ihrer Erzeugung aus. Andere Behältermaterialien wie Stahl, Aluminium, Kupfer und andere elektrisch leitfähige Metalle und dergl. sind für elektromagnetische Strahlung undurchlässig; in diesem Fall muß der Hohlraum am Ende des V/ellenfUhrungstunnels so ausgebildet sein, daß der Behälter praktisch einen Teil des Hohlraums darstellt, und der Behälter muß eine für elektromagnetische Strahlung durchlässige Öffnung haben, durch die die Strahlung eintreten und den Behälter ausfüllen kann.

Bei dem für das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten elektromagnetischen Feld kann es sich entweder um ein impulsförmiges oder ein ungedämpftes wellenförmiges Feld handeln. Bei Verwendung einer Magnetronröhre mit einer Frequenz von 2,45 GUz in dem Wellenführungstunnel wurde ein Feld mit 120 Impulsen in der Sekunde erzeugt. 3in solches Feld ist zur Erzeugung und Erhaltung eines Plasmas geeignet, wenn ihm genügend Energie zugeführt wird. Da der Impuls des Laserstrahls, der das Plasma erzeugt, in Nanosekunden gemessen wird, wie weiter unten erläutert, ist es wichtig, daß der Laserimpuls gezündet wird, bevor der Impuls des elektromagnetischen Feldes seine Spitzenfeldstärke überschreitet; vorzugsweise wird der Laserimpuls kurz vor dem Erreichen der Spitzenfeldstärke des Impulses des elektromagnetischen Feldes gezündet. Wird der Laserimpuls zu früh während des Energieanstiegs jedes einzelnen Impulses des elektromagnetischen Feldes gezündet, ergibt sich keine wirksame Kopplung der Energie in dem durch den Laserstrahl erzeugten Plasma und dem elektromagnetischen Feld; infolgedessen wird das Plasma nicht

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aufrechterhalten. Eine ähnliche Erscheinung tritt ein, wenn der Laserstrahlimpuls zu spät nach dem Erreichen der Spitzenfeldstärke des elektromagnetischen Impulses gezündet wird. Da die Energie in jedem elektromagnetischen Impuls steigt, vergrößert sich die Zeitspanne, während welcher der Laserstrahlimpuls gegeben werden kann, um eine Kopplung der Energien zum Erhalten des Plasmas zu bewirken.

Ivird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein ungedämpftes elektromagnetisches Wellenfeld verwendet, wird durch die elektrische Schaltung dafür gesorgt, daß der Anstieg eines im geeigneten Zeitpunkt gegebenen Impulses sich mit dem Abstieg des vorhergehenden Impulses schneidet, um eine kontinuierliche Energiewelle zu erzeugen, obwohl ein solches ungedämpftes Wellenfeld einen wellenförmigen Energiepegel aufweist. Wird dem ungedämpften Wellenfeld genügend Energie zugeführt, so daß am Schnittpunkt zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen eine das Plasma erhaltende Energie vorhanden ist, spielt es keine Rolle, wann der Laserstrahlimpuls gegeben wird.

Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen des Plasmas verwendete fokussierte Laserstrahl hohen Energieinhalts wurde durch "Q-switching" oder "mode-locking" eines Laserstrahls mit einer Impulsdauer von etwa 1/10 Nanosekunde bis zu etwa 300 Nanosekunden erzeugt. Die Einrichtungen und Verfahren zum "Q-switching" und "mode-lockung" von Laserstrahlen zur Erzeugung impulsförmiger Strahlen von kurzer Dauer sind nicht neu und bilden nicht einen Gegenstand der Erfindung. Im allgemeinen handelt es sich bei einem Laserstrahl mit hohem Energieinhalt um einen solchen, der Energie in der Größenordnung von mehreren Megawatt enthält.

Die Einrichtungen und Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch Fokussieren eines Laserstrahls mit hohem Energieinhalt in einem Brennpunkt an dem Konvergenzpunkt des Strahlenkegels sind ebenfalls bekannt. Zum Fokussieren eines Laserstrahls hohen Energieinhalts werden der Wellenlänge entsprechende optische Einrichtungen verwendet. Die Brennweite des Kegels

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des Laserstrahls hohen Energieinhalts muß kurz genug sein, um eine Zündung für jeden Impuls zu gewährleisten. Eine solche Brennweite ist eine Funktion der Energie des Strahls; es besteht eine direkte Beziehung zwischen der Strahlenenergie und der maximalen Brennweite, bei der bei jedem Impuls zuverlässig ein Plasma erzeugt wird. Die maximale Brennweite kann durch Steigern der Energie des Strahls vergrößert werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kommt es nicht auf den Eaergieinhalt des Strahls, sondern auf die Erzeugung eines Piasaas am Brennpunkt an. Jeder Laserstrahl hohen Energieinhalts, der an seinem Brennpunkt ein Plasma bildet, wenn dieser Brennpunkt innerhalb eines Behälters liegt, erzeugt ein Plasma in dem Behälter, wenn dieser mit einem elektromagnetischen Feld ausgefüllt ist. Es versteht sich, daß es von dem Aufbau einer Anlage, in der das Innere von Behältern sterilisiert wird, abhängt, wie die optischen Einrichtungen anzuordnen sind, mittels deren der Laserstrahl mit der Strahlenenergie zur Erzeugung eines Plasmas an seinem Brennpunkt innerhalb der Behälter fokussiert wird.

Ein Laserstrahl kann durch ein optisch klares Material hindurch fokussiert werden, das den Konvergenzkegel des Strahls nicht wesentlich verzerrt. Es ist möglich, einen Behälter zu sterilisieren, der keine oder eine zu kleine Öffnung aufweist, um durch sie hindurch einen Laserstrahl zu fokussieren, indem man einen Laserstrahl durch das Material des Behälters hindurch fokussiert, wenn dieses Material auch durchlässig für ein elektromagnetisches Feld ist, so daß sich innerhalb des Behälters ein Feld befindet, wenn der Laserstrahl darin fokussiert wird. Der größere Teil der Behälter, in denen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Mikroorganismen abzutöten sind, erfüllt jedoch nicht diese Bedingungen. Somit ist es vorzuziehen, daß die Behälter, in denen nach diesem Verfahren Mikroorganismen abgetötet werden sollen, eine Öffnung besitzen und daß der Laserstrahl hohen Energieinhalts durch diese Öffnung hindurch fokussiert werden kann.

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Die Größe der Behälteröffnung muß beim Berechnen eines Strahls und seiner Fokussierung berücksichtigt werden, da eine teilweise Verzerrung der konvergierenden Kegelseiten des fokussierten Strahls durch Kontakt mit dem Material des Behälters den Strahl stören und seine Zündung unterbrechen kann.

Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Ausdruck "Plasma" einen hochgradig oder im wesentlichen vollständig ionisierten Gaskörper, der aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen besteht und bei einer extrem hohen Temperatur existiert, die vielleicht der Sonnentemperatur nahekommt. Die Lebensdauer des Plasmas eines fokussierten Laserstrahls mit hohem Energieinhalt ist außerordentlich kurz; sie ist um etwa 5 Nanosekunden bis etwa 5 Mikrosekunden länger als diejenige des Laserimpulses, der das Plasma erzeugt und aufrechterhält.

Zwar ist nicht genau bekannt, auf welche Weise das durch einen fokussierten Laserstrahl hohen Energieinhalts erzeugte und durch elektromagnetische Strahlungsenergie ausgedehnte und aufrechterhaltene Plasma Mikroorganismen in einem Behälter tötet, in dem es erzeugt wird, doch ist es nicht erforderlich, daß die Innenfläche des Behälters mit dem Plasma in Berührung kommt.

Das Plasma, welches das Ergebnis der Ionisierung des Gases innerhalb des Behälters durch einen fokussierten Laserstrahl hohen Energieinhalts ist, kann aus vielen ionisierbaren Gasen gebildet werden. Luft, die aus Stickstoff und Sauerstoff besteht, bildet ein Plasma. Andere ionisierbare zweiatomige Gase, z.B. die Halogene, bilden ebenfalls Plasmen. Bevorzugte Gase zur Plasmabildung sind einatomige Gase wie Argon, Helium, Xenon und Neon. Uhne Rücksicht darauf, welches Gas verwendet wird, erzeugt die Zündung eines fokussierten Laserstrahls hohen Snergieinhalts in dem Gaskörper ein Plasma, das durch die Energie in dem elektromagnetischen Feld ausgedehnt und/oder aufrechterhalten v/ird.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein einatomiges Gas in den zu sterilisierenden Behälter eingeführt, bevor ein Plasma in diesem Behälter erzeugt v/ird. Die einatomigen Gase sind leichter zu ionisieren als Sauerstoff oder Stickstoff; infolgedessen erfordern sie weniger Energie zur Plasmabildung. Argon vird bevorzugt, da es reichlich vorhanden und wirtschaftlich ist, und als Hückstand bleibt nur neutrales Argon.

Plasmen können aus ionisierbaren Gasen gebildet v/erden, wenn in dem Behälter, in dem das Plasma durch den fokussierten Laserstrahl hohen Energieinhalts erzeugt v/ird, entweder ein Unter- oder ein Überdruck herrscht. Ohne Rücksicht auf den Druck des ionisierbaren Gases kann die Impulsgabe für einen fokussierten Laserstrahl hohen Energieinhalts so geregelt werden, daß ein Plasma entsteht, das Mikroorganismen innerhalb eines B_ehälters abtötet, in dem es erzeugt wird. Außerdem bewirkt das elektromagnetische Feld innerhalb des Behälters die Ausdehnung und Aufrechterhaltung des Plasmas ohne Rücksicht auf die Art des Gases oder den in dem Behälter herrschenden Druck, wobei die Energiepegel in Abhängigkeit von diesen Bedingungen variieren. Diese Pegel sind jedem Fachmann geläufig.

Der Kern der Erfindung liegt in der Kombination der Impulszündung eines fokussierten Laserstrahls mit hohem Energieinhalt innerhalb eines Behälters in Gegenwart eines elektromagnetischen Feldes in dem Behälter, das genügend Energie enthält, um das durch die Laserzündung erzeugte Plasma während einer Zeit von einer Millisekunde bis zu einer Sekunde aufrechtzuerhalten, um alle Mikroorganismen in dem Behälter abzutöten. Die erforderliche Gesamtdauer des Plasmas zum Abtöten der Mikroorganismen in einem Behälter, in dem das Pias* ma torfek «inen fokussierten Laserstrahl mit hohem Energieinhalt erzeugt und durch ein elektromagnetisches Feld aufrechterhalten wird, variiert mit der in dem Plasma absorbierten Energie. Die elektrischen Eigenschaften des Behältermaterials spielen eine Rolle nur im Hinblick auf den mecha-

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nischen Aufbau der Vorrichtung, welche die elektromagnetische Strahlungsenergie in dem Behälter richtet und konzentriert, da das Plasma durch Kräfte entsteht, die ausschließlich innerhalb des Behälters zur Wirkung kommen. Vorzugsweise wird die Gesamtzeit der Plasmabehandlung auf einem mit der völligen Abtötung der Mikroorganismen in dem Behälter zu vereinbarenden Mindestmaß gehalten. Da außerdem die Laserzündung in mancher Beziehung mit einem Überschallknall zu vergleichen ist, ist es dringend erforderlich, daß der Brennpunkt des Laserstrahls mit hohem Energieinhalt in einem ausreichenden Abstand von jedem Punkt oder Teil der Innenfläche des Behälters gehalten wird, um einen Kontakt der Innenfläche mit dem durch den Laserstrahlimpuls erzeugten Plasma zu verhindern.

Typische Behälter, in denen vorhandene Mikroorganismen mittels durch das Zünden eines fokussierten Laserstrahls hohen Energieinhalts gebildeter Plasmen und der Aufrechterhaltung dieser Plasmen durch ein elektromagnetisches Feld abgetötet werden können, sind Ampullen und Phiolen für parenterale und andere Medikamente, Getränkeflaschen und -dosen, z.B. für alkoholfreie Getränke, Bier und Ale, Orangen- und Zitronenkonzentrate und dergl., Milchflaschen und -kartons, Gläser und Dosen für Säuglingsnahrung, Konservendosen und dergleichen.

Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Dieser Versach wurde angestellt, um die Auswirkung eines innerhalb eines Behälters durch Zünden eines fokussierten Laserstrahls hohen Energieinhalts in einem elektromagnetischen Feld erzeugten Plasmas auf die Bakterienzahl in diesem Behälter zu ermitteln.

Neun sterile 3 0-ml-Phiolen mit einer Halsöffnung von etwa 12,5 mm Durchmesser wurden mit etwa 125 Sporen des Bacillus subtilis infiziert. Der Bacillus subtilis war in Wasser

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suspendiert. Nach dem Infizieren wurde jede Phiole herumgewirbelt, um die ßazillensuspension an ihrer Innenwand zu verteilen, und anschließend wurden die Phiolen gefriergetrocknet. Die getrockneten infizierten Phiolen v/urden mit sterilen Gummistopfen verschlossen. Vier nicht infizierte sterile Phiolen wurden ebenfalls mit Stopfen verschlossen und als Vergleichsbehälter benutzt.

Eine abgestimmte Abgabeeinrichtung mit einem ilohlmuiii am Ende eines Wellenführungstunnels mit einer darin angeordneten 2,45-GHz-Hagnetronröhre wurde mit einem Behälter zum Aufnehmen der Phiolen versehen, und ein Hochenergie-Laser wurde an einem solchen Ort untergebracht, daß ein von ihm kommender Strahl durch die Öffnung der Phiole hindurch fokussiert wurde und an einem Punkt innerhalb der Phiole konvergierte. Eine elektrische Schaltung wurde aufgebaut, um den Laser etwa 1,1 Millisekunden nach der Abgabe von 120-Hz-Impulsen durch die Hagnetronröhre zu zünden. Sine Einrichtung zum Reinigen der Phiolen mit Argongas vor der Erzeugung des Plasmas wurde vorgesehen.

Die neun mit dem Bacillus subtilis infizierten Phiolen und die vier sterilen Phiolen wurden jeweils wie folgt behandelt:

Zwei der sterilen Phiolen wurden ungeöffnet an dem Versuchsplatz gelassen.

Zwei der sterilen Phiolen wurden geöffnet, in die Abgabeeinrichtung eingeführt, mit Argon gereinigt, wieder verschlossen und am Versuchsplatz gelassen.

Zwei der infizierten Phiolen v/urden ungeöffnet am Versuchsplatz gelassen.

Zwei der infizierten Phiolen v/urden geöffnet, in die Abgabeeinrichtung eingeführt, mit Argon gereinigt, wieder verschlossen und am Versuchsplatz gelassen.

Drei der infizierten Phiolen wurden geöffnet, in die Abgabeeinrichtung eingeführt, mit Argon gereinigt, dem elektro-

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magnetischen Feld und einem ungekoppelten Impuls des Laserstrahls ausgesetzt, der kein beständiges Plasma lieferte, v/ieder verschlossen und am Versuchsplatz gelassen.

Zwei der infizierten Phiolen wurden geöffnet, in die Abgabeeinrichtung eingeführt, mit Argon gereinigt, einem durch einen Impuls von einem fokussierten Laserstrahl mit hohem Energieinhalt erzeugten und während etwa einer Sekunde durch ein elektromagnetisches Feld von 2,45 GHz bei einer Leistungsaufnahme von etwa 0,2 kW aufrechterhaltenen und ausgedehnten Plasma ausgesetzt, wieder verschlossen und am Versuchsplatz gelassen.

Alle IZ Phiolen wurden einer mikrobiologischen Untersuchung unterzogen, deren Ergebnisse in der folgenden Tabelle angegeben sind.

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Ampullen Sterile Vergleichsampullen Infizierte Ampullen Geöffnet, Geöffnet, Geöffnet, Geöffnet,

mit Argon mit Argon mit Argon mit Argon

durchgespült, durchge- durchgespült, durchgespült,

verschlossen spült, ver- mit Mikro- mit Plasma

Behandlung Ungeöffnet Ungeöffnet schlossen welle und behandelt,

Laserstrahl verschlossen behandelt, jedoch ohne Plasma,

^i verschlossen o '—

Q₀ Endzustand

cn Sporen/ Steril Steril 313+3 115 +50 22+5 Steril

ro Ampulle

o — ~—~—~

*· Tatsäch-

⁴⁰ licher

mikrobiologischer Bericht

119	65	20
107	3 65	29
		17

i)er mikrobiologische iiefund "'C" stammt aus dem Gruppenbildungsverfahren, bei dem die Phiole gründlich gewaschen, mit einem Drittel des '.'aschmedium: eine Kultur angelegt und das :esultat mit Γ multipliziert v/irr. Auf diese ..eise erhält eine vollständig sterile Ampulle den Gefund "-Γ;".

iJie in der "abelle gemachten Angaben zeigen die Wirksamkeit eines ΓΊγ.?μπε, das durch einen mittels eines einzigen Impulses gezündeten laserstrahl mit hohem inergieinhrlt erzeugt und durch elektromagnetische strahlungsenergie aufrechterhalten wird, zum Abtöten von riikroorgonismen in einem /ohälter, in dem ein solches Plasma gebildet und aufrechterhalten vird.

Ansprüche:

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Verfahren zum Abtöten von Mikroorganismen in einem
Behälter, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb des Behälters ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird und daß in diesem Feld ein fokussierter Laserstrnhl von hohem Energieinhalt durch einen einzigen Impuls gezündet
wird, der ein Plasma erzeugt, das ausgedehnt und während
einer Sterilisierungsperiode durch die elektromagnetische Strahlungsenergie in dem Feld aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch ι, gekennzeichnet durch die Vervendung einer Strahlungsenergie mit einer Freouenz im
Bereich von 10 bis 10 Hz in dem elektromagnetischen Feld.

3. Verfahren nach Anspruch '., gekennzeichnet durch die Verwendung einer Strahlungsenergie mit einer Frequenz von 13,36 bis 14,00 MHz in dem elektromagnetischen Feld.

4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Strahlungsenergie mit einer Frequenz von 27,23' bis 27,28 MHz in dem elektromagnetischen Feld.

5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Vervrendung einer Strahlungsenergie mit einer Frequenz von 40,66 bis 40,70 KHz in dem elektromagnetischen Feld.

ö. Verfahren nach Anspruch ^, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Strahlungsenergie mit einer Freouenz von 0,915 Gliz in dem elektromagnetischen Feld.

7. Vorfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Strahlungsenergie mit einer Frequenz von '•-•,45 GHz in dem elektromagnetischen Feld.

709852/0991 „„««n ORIGINAL INSPECTED

-ε-

6. Verfahren nach Anspruch ?, gekennzeichnet durch die ^verwendung einer Strahlungsenergie mit einer Freouenz von '■? bis 22,11:5 Gi.z in dem elektromagnetischen Feld.

:>·. Verfnliren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer ltr?hlunr;senergie mit einer ?reruenz von 13,_ Terahertz in dem elektromagnetischen i'eld.

!¹O. Verfahren nach Anspruch T, gekennzeichnet durch die Verwendung einer i> trahlun.^senergie mit einer Frequenz von . B'^: TiIz in den elektromagnetischen Feld.

.¹I. Verfahren nach Anspruch ?, gekennzeichnet durch die Verwendung einer ttrnhluncysenergie mit einer Freouenz von Cc·?. I¹Hz in dem elektromagnetischen Feld.

l'·'. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, da;3 das elektromagnetische Feld in einem "/ellenführungi?tunnel erzeugt wird, der auf die Frequenz der zum Ausdehnen und Aufrechterhalten des durch den Laserstrahl erzeugten Plasmas angewandten strahlungsenergie abgestimmt ist, und daß das elektromagnetische Feld zu dem in einem Hohlraum am TDnde des '/ellenführungstunnels angeordneten zu sterilisierenden Behälter geführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma während einer Sterilisierungszeit von einer Millisekunde bis zu einer Sekunde aufrechterhalten wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter in einem Hohlraum an Ende eines l/ellenführungstunnels zur Zusammenarbeit mit einem riikrovellenfeld angeordnet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein einatomiges Gas in einen Behälter eingeführt wird, der eine uffnung besitzt.

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OR]GlNAL INSPECTED

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 75, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld impulsförmic 120 mal pro Sekunde erzeugt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 .^c, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld ein ungedämpftes Wellenfeld ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter optisch klare /ändc besitzt, die durchlässig für elektromagnetische Strahlungsenergie sind.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierte Laserstrahl hohen Energieinhalts durch eine Öffnung hindurch auf einen Brennpunkt innerhalb eines Behälters gerichtet wird, der eine Öffnung besitzt, wobei der Brennpunkt weit genug von der Innenfläche des Behälters entfernt ist, um einen Kontakt der Innenfläche mit dem Zündfunken zu verhindern, der durch das Konvergieren des Laserstrahls in seinem Brennpunkt entsteht.

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