DE60123645T2

DE60123645T2 - Verfahren und vorrichtung zur sterilisation

Info

Publication number: DE60123645T2
Application number: DE60123645T
Authority: DE
Inventors: Pavel Koulik; Svetlana Krapivina; Anatolii Saitchenko
Original assignee: APIT Corp SA
Current assignee: APIT Corp SA
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: DE60123645D1; ES2273897T3; US20040005242A1; AU2002210808A1; BR0114929A; RU2275826C2; RU2003115619A; WO2002034075A1; CN1219467C; EP1328167A1; ATE341229T1; CN1471366A; EP1328167B1; CA2424385A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Sterilisation einer Flüssigkeit oder eines festen Gegenstandes in Berührung mit einer Flüssigkeit sowie auf eine Vorrichtung zur Umsetzung dieses Verfahrens.
Die Erfahrung betrifft namentlich ein Verfahren zur Sterilisation einer wässrigen Lösung sowie von Oberflächen in Berührung mit dieser Flüssigkeit, die insbesondere mit Hefe- oder Schimmelpilzen verunreinigt sind.
Mehrere Verfahren zur Sterilisation einer Flüssigkeit sowie von Oberflächen in Berührung mit dieser Flüssigkeit sind bekannt. Eines der Verfahren besteht darin, durchdringende Strahlung wie UV-Strahlen, Röntgenstrahlen, γ-Strahlen und β-Strahlen einzusetzen. Die UV-Strahlung ist verhältnismässig langsam und erlaubt keine Behandlung von Bereichen im Schatten. Ausserdem modifiziert sie möglicherweise den Strukturzustand der Moleküle, deren Anregungsenergie unter 2 eV liegt. Die anderen ionisierenden Strahlungsarten sind für das Erzeugnis sehr oft schädlich, da sie dessen physikalische und chemische Eigenschaften modifizieren, bestimmte Moleküle zerstören und angeregte Zustände erzeugen können, die der Gesundheit der Verbraucher abträglich sein können (siehe D. T. Bernard, A. Gravin, V. N. Scott, B. D. Shafer, K. E. Stevenson, I. A Unverferth und D. I. Chandarana, „Validierung von aseptischer Verarbeitung und Verpackung" (auf englisch), Food Technology, 1990, 12, Seiten 119–122).
In weiteren wohlbekannten Verfahren der Sterilisation werden Chemikalien eingesetzt, um die Mikroorganismen zu töten. Der Einsatz von Chemikalien für die Desinfektion oder Sterilisation wird wegen der unheilvollen Auswirkungen bestimmter Produkte auf die Umwelt und auf die Gesundheit der Verbraucher streng kontrolliert. In der Lebensmittelindustrie besteht zum Beispiel eine Tendenz zur Verringerung oder sogar Eliminierung der Konservierungsmittel.
Die thermischen Sterilisationsverfahren wie die Pasteurisierung sind sehr verbreitet, aber haben den Nachteil, die Produkte zu beeinträchtigen, was im Falle von Nahrungsmitteln zu einer Modifizierung ihrer sensorischen und nutritiven Eigenschaften und zu einer Verringerung der Vitamine wie des Vitamins C führen kann.
Die Pasteurisierung erfolgt normalerweise bei Temperaturen oberhalb von 75°C und wird sehr oft während mehr als 60 Sekunden bei oberhalb von 90°C gehalten.
Das in der Veröffentlichung WO 97/19707 beschriebene Sterilisationsverfahren besteht darin, auf elektrochemischem Wege bakterizide Verbindungen, nämlich Natriumhypochlorit, zu erzeugen. Dieses Verfahren verändert ebenfalls die Eigenschaften der zu sterilisierenden Flüssigkeit.
Um die Nachteile der vorgenannten Verfahren zu vermeiden, ist daran gedacht worden, mechanische Verfahren zu entwickeln, die dazu bestimmt sind, die Mikroorganismen zu zerstören, ohne die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeiten zu beeinträchtigen. Diese Verfahren beruhen auf dem Aufbau eines Druckunterschiedes zum Beispiel von Ultraschall, von Schockwellen oder von Wellen sehr hohen Drucks zwischen dem Inneren der Mikroorganismen und ihrer Aussenseite, um ihre äusseren Membranen zum Zerplatzen zu bringen. Diese Verfahren sind sehr kompliziert und teuer.
Es gibt auch Verfahren, die auf dem Aufbau von elektrischen und elektromagnetischen Feldern beruhen. Sie befinden sich noch im Stadium der Entwicklung und werden zum Beispiel in den Dokumenten:

– Y. Le Tinier, „Mikrobiologische Stabilisierung von Nahrungsmitteln durch gepulste elektrische Felder" (auf französisch), Internationaler Lehrgang, Mikrobiologie und die Beherrschung der Sicherheit der Nahrungsmittel, Pasteur-Institut, Lille (4. bis 15. Mai 1998); und
– W. Sitzmann und E. W. Munch, „Elektrische Hochspannungsimpulse zur Abtötung von Mikroorganismen in pumpfähigen Nahrungsmitteln", Die Molkereizeitung, 42. Jahrgang, V 48 (1998)

Unter der Einwirkung von hohen gepulsten elektrischen Feldern (high-density electric fields – HDEF) werden die Mikroorganismen durch irreversible Elektroporation der sie einhüllenden Membran getötet. Diese Verfahren, die hauptsächlich für die Sterilisation von Getränken vorgeschlagen werden, verlangen elektrische Felder in der Grössenordnung von 10⁵ bis 14⁶ V/cm, die während eines oder mehrerer Impulse wirken, deren Dauer in der Grössenordnung von 10^–5 bis 10^–6 s liegt. Das behandelte Flüssigkeitsvolumen ist sehr klein, von der Grössenordnung einiger mm³, da die Flüssigkeit zwischen der Spitze einer ersten Elektrode und der einer zweiten Elektrode hindurchfliessen muss, wobei der Abstand zwischen den Elektroden weniger als einen Millimeter bis einige Millimeter beträgt. Abgesehen davon, dass ein derartiges Verfahren verhältnismässig teuer ist, kann das sehr hohe elektrische Potential die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit durch den Abbau bestimmter Moleküle modifizieren.
Ausser den Verfahren, in denen durchdringende Strahlung verwendet wird, und ausser dem mechanischen Verfahren, bei dem Ultraschall verwendet wird, ist keines der vorgenannten Verfahren wirksam, wenn die Flüssigkeit bereits in einem dicht verschlossenen Behälter verpackt worden ist.
Im Dokument US 4 695 472 wird ein Verfahren zur Sterilisation von flüssigen Nahrungsmitteln durch aufeinanderfolgende elektrische Impulse von mindestens 5 kV/cm bis zu 25 kV/cm beschrieben.
Angesichts der Nachteile der herkömmlichen Verfahren besteht ein Zeil der Erfindung darin, ein Verfahren zur Sterilisation einer Flüssigkeit oder eines festen, in eine Flüssigkeit eintauchenden oder damit in Berührung stehenden Gegenstandes zu realisieren, das die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit oder des festen Stoffes nicht oder nur wenig verändert. Es ist vorteilhaft, ein Verfahren zur Sterilisation zu realisieren, das es ermöglicht, grosse Flüssigkeitsvolumina in wirtschaftlicher Weise zu behandeln.
Es ist sehr vorteilhaft, gleichzeitig die Flüssigkeit sowie einen diese Flüssigkeit enthaltenden, dicht verschlossenen Behälter oder andere, mit dieser Flüssigkeit in Berührung stehende Oberflächen sterilisieren zu können.
Es ist auch von Vorteil, die in einem in der Nahrungsmittelindustrie verwendeten, herkömmlichen Behälter wie einem PET-Behältnis enthaltene Flüssigkeit sterilisieren zu können.
Es ist ausserdem von Vorteil, eine Flüssigkeit ohne Veränderung der nutritiven Eigenschaften und insbesondere der natürlichen Vitamine sterilisieren zu können.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für die Umsetzung eines Sterilisationsverfahrens zu realisieren, das die physikalischen und chemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit oder eines festen Stoffes in Berührung mit einer Flüssigkeit nicht oder nur wenig beeinträchtigt. Es ist ausserdem von Vorteil, eine Vorrichtung zu realisieren, die es ermöglicht, ein grosses Flüssigkeitsvolumen in wirtschaftlicher Weise zu sterilisieren.
Die Ziele der Erfindung werden durch ein Verfahren zur Sterilisation einer Flüssigkeit oder von festen Gegenständen in Berührung mit einer Flüssigkeit nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung zur Umsetzung dieses Verfahrens nach Anspruch 17 realisiert.
In der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Sterilisation einer Flüssigkeit oder von Gegenständen in Berührung mit einer Flüssigkeit den Schritt bzw. die Schritte, die Flüssigkeit zu erhitzen und ein elektrisches Feld in der Grössenordnung von etwa 10² V/cm oder mehr anzulegen.
In einem erfindungsgemässen Verfahren können akustische Schwingungen, vorzugsweise solche im Ultraschall-Frequenzbereich, während der Sterilisationsbehandlung vorteilhaft hinzugefügt werden.
Eines der überraschenden Ergebnisse der Erfindung besteht darin, dass es genügt, ein verhältnismässig schwaches elektrisches Feld anzulegen, um die Mikroorganismen abzutöten, wenn die zu sterilisierende Flüssigkeit auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb einer Schwellentemperatur T_s liegt, wobei die Schwellentemperatur deutlich unterhalb der Temperatur liegt, die für eine Sterilisation allein durch die thermische Wirkung, d.h. für eine Pasteurisierung, erforderlich ist.
Ein weiteres überraschendes Ergebnis der Erfindung besteht darin, dass die Hinzufügung von akustischen Schwingungen während des Sterilisationsbehandlungsverfahrens die zerstörende Wirkung auf die Mikroorganismen verstärkt und eine Verringerung der Temperatur ermöglicht, bei der die Behandlung erfolgt.
Die Erfinder haben gefunden, dass die Schwellentemperatur T_s (ohne ein Anlegen von Schwingungen) für die meisten Mikroorganismen zwischen ungefähr 60 und 75°C liegt. Die Erfinder haben gefunden, dass die Hinzufügung akustischer Schwingungen ein Absenken der Behandlungstemperatur um ungefähr 10 bis 30°C ermöglicht.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Dauer des Verfahrens, die erforderlich ist, um die Mikroorganismen abzutöten, sehr gering ist. In bestimmten Fällen kann die Dauer sogar in der Grössenordnung von einer Sekunde oder weniger liegen.
Die Vorteile eines erfindungsgemässen Verfahrens sind beträchtlich. Erstens kann ein elektrisches Feld der Grössenordnung von 10² bis 10³ V/cm leicht erzeugt und an ein verhältnismässig grosses Flüssigkeitsvolumen angelegt werden, zum Beispiel das Volumen von einem Liter, das in einer in der Nahrungsmittelindustrie verwendeten herkömmlichen zylindrischen Flasche enthalten ist. Zweitens verringert die sehr kurze Sterilisationsdauer die Zeit und daher die Kosten der Erzeugung sterilisierter Flüssigkeiten, insbesondere bei der Behandlung von grossen Volumina, ob sie nun in Behältern vorliegen oder nicht, ohne eine Beeinträchtigung der physikalischen und chemischen Eigenschaften. Drittens kann die Sterilisation im Falle von Flüssigkeiten ausgeführt werden, die in dicht verschlossenen Behältern enthalten sind, selbst Behältern aus Plastikmaterialien wie PET, das Tempe raturen bis etwa 75°C verträgt. Viertens kann die Sterilisation bei Flüssigkeiten von sehr hoher Viskosität oder bei Flüssigkeiten erfolgen, die suspendierte Teilchen oder Proteine enthält, ohne dass eine Gefahr der Koagulation besteht.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht die Sterilisation der Oberflächen von festen Gegenständen, die in eine Flüssigkeit eintauchen oder damit in Berührung stehen, ohne die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser festen Gegenstände zu modifizieren.
Flüssige Nahrungsmittelerzeugnisse wie Getränke können daher nach der Abfüllung auf Flaschen oder einen anderen dicht verschlossenen Behälter sterilisiert werden. Die Behälter und Deckel oder Verschlusskappen brauchen nicht im Voraus sterilisiert zu werden, da das erfindungsgemässe Verfahren auch die Oberflächen in Berührung mit der Flüssigkeit sterilisiert. Dazu wird der Behälter so gedreht, dass die Flüssigkeit während des Sterilisationsverfahrens die gesamte innere Oberfläche des Behälters überstreicht. Im besonderen Fall einer Sterilisation von Flüssigkeit in im Wesentlichen rotationssymmetrischen Flaschen genügt es zum Beispiel, die Flasche um ihre Symmetrieachse zu drehen, indem die Flasche zum Beispiel so angeordnet wird, dass diese Symmetrieachse ungefähr waagerecht liegt.
Das elektrische Feld kann durch eine Gleich-, Wechsel- oder Impulsstromquelle oder durch elektromagnetische Wellen, insbesondere durch Mikrowellen erzeugt werden. Das an die Flüssigkeit angelegte elektrische Feld hat bevorzugt eine Grössenordnung von ungefähr 10³ V/cm, die Temperatur der Flüssigkeit beträgt etwa 62 bis 75°C und wird während einer Zeitdauer von mindestens etwa 0,3 s aufrechterhalten.
Die Flüssigkeit kann vor dem Schritt der Erwärmung auf die Sterilisationstemperatur und des Anlegens des elektrischen Feldes auf eine Temperatur von weniger als 62°C vorerwärmt werden. Nach diesem Schritt der Sterilisation kann die Flüssigkeit zum Beispiel durch eine Wärmeaustauschvorrichtung, die einen Teil der Wärmeenergie wiedergewinnt und sie dafür verwendet, die Flüssigkeit stromauf vorzuerwärmen, rasch abgekühlt werden.
Die Wärmequelle, die dazu verwendet wird, um die Flüssigkeit auf eine Temperatur von 62°C oder mehr zu bringen, kann vorteilhafterweise vom gleichen Typ wie die elektrische Energiequelle sein, mit der das elektrische Feld angelegt wird. Eine Quelle von Mikrowellen kann zum Beispiel einerseits die Flüssigkeit erwärmen, andererseits ein elektrisches Feld aufbauen, das in seiner Wellenlänge und Stärke je nach den Eigenschaften der zu sterilisierenden Flüssigkeit und insbesondere ihrer Leitfähigkeit sowie nach den Abmessungen und der Gestalt des Behältnisses sowie der Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransports im Feld angepasst wird.
Der Aufbau eines elektrischen Feldes und das Erwärmen können auch durch elektromagnetische Induktion erfolgen, wie sie von den Windungen eines Leiters erzeugt wird, der mit einseitig oder wechselseitig gerichteten elektrischen Stromimpulsen versorgt wird. Das elektrische Feld kann auch durch zwei Elektroden angelegt werden, die zu beiden Seiten eines zu sterilisierenden Flüssigkeitsvolumens angeordnet werden. Die Gleich- oder Wechselspannungsdifferenz zwischen den Elektroden erzeugt das elektrische Feld. Die an die Elektroden angelegte Spnnung hängt unter anderem von der Entfernung zwischen den Elektroden und den dielektrischen bzw. leitenden Eigenschaften der zu sterilisierenden Flüssigkeit ab.
Weitere Ziele und vorteilhafte Aspekte der Erfindung werden aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen hierunter sowie aus den beigefügten Zeichnungen hervorgehen, in denen
1 ein vereinfachtes Schema einer Vorrichtung für die Umsetzung eines erfindungsgemässen Verfahrens ist;
2 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer ersten Variante eines Teiles der Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Flüssigkeit und einen Behälter, die zu sterilisieren sind;
3 ist eine Ansicht einer zweiten Variante eines Teiles der Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Flüssigkeit und einen Behälter, die zu sterilisieren sind;
4 ist eine Ansicht einer weiteren Variante eines Teiles der Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Flüssigkeit und einen Behälter, die zu sterilisieren sind;
5 ist eine Ansicht einer weiteren Variante eines Teiles der Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Flüssigkeit und einen Behälter, die zu sterilisieren sind;
6 ist eine weitere Variante eines Teiles der Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an eine zu sterilisierende Flüssigkeit;
7 ist eine graphische Darstellung, die den Bereich der zur Sterilisation verwendeten Temperaturen und Zeiten in der Erfindung und in einem herkömmlichen Pasteurisierungsverfahren zeigt;
8 ist ein schematischer Schnitt durch einen Mischer, um der zu sterilisierenden Flüssigkeit einen Zusatz hinzuzufügen, mit dem die mittlere thermische Trägheit der Flüssigkeit variiert werden kann, wobei dieser Mischer einen Teil einer Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens darstellt;
9 ist ein schematischer Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes, die einen Wärmetauscher umfasst, um die zu sterilisierende Flüssigkeit auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten;
10 ist eine geschnittene perspektivische Ansicht einer weiteren Variante eines Teils der Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an eine zu sterilisierende Flüssigkeit;
11 ist ein vereinfachtes Schema einer Sterilisationsstation einer Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemässen Verfahrens; und
12 ist eine Ansicht des Mikrowellenstrahlers, der in der Vorrichtung der 11 verwendet wird.
Zuerst auf 1 Bezug nehmend, umfasst eine Vorrichtung 1 zur Sterilisation einer in diesem Beispiel in einem dicht verschlossenen Behälter 3 enthaltenen Flüssigkeit 2 ein kinematisches System 4 für die Positionierung und Bewegung des flüssigen Erzeugnisses 2 und des Behälters 3 an den verschiedenen Behandlungsstationen der Vorrichtung, einer Aufheizstation 5, einer Sterilisationsstation 6 und einer Abkühlstation 7, wobei die Stationen dem kinematischen System 4 entlang angeordnet sind.
Die Aufheizstation 5 kann Heizelemente umfassen, um den Behälter 3 durch Konvektion und/oder Infrarotstrahlung auf eine Temperatur von zum Beispiel 20 bis 60°C zu erwärmen. Das Heizelement kann sogar Teil eines Wärmetauschers sein, der die Abkühlstation 7 umfasst, wobei letztere die latente Wärmeenergie der sterilisierten Flüssigkeit 2' stromab von der Sterilisationsstation 6 zurückgewinnt. Die Aufheiz- und die Abkühlstation sind in diesem Falle durch Leitungen 8 verbunden. Da das Prinzip solcher Wärmetauscher gut bekannt ist, ist es unnötig, sie in weiteren Einzelheiten zu beschreiben. Es muss allerdings bemerkt werden, dass ein Wärmetauscher eine Rückgewinnung von bis zu etwa 40 bis 90% der für das Aufheizen eingesetzten Energie ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass durch die Vorerwärmung der Flüssigkeit die für die Sterilisationsstation 6 zur Verfügung zu stellende Leistung und/oder die Sterilisationszeit verringert wird. Die rasche Abkühlung der Flüssigkeit nach der Sterilisation ermöglicht nicht nur Energieeinsparungen, sondern auch eine Verringerung der temperaturbedingten Beeinträchtigung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit. In dieser Beziehung ist es wichtig zu bemerken, dass der Abbau von Vitaminen oder anderen nutritiven Elementen von der Temperatur und der Zeit, während der die Flüssigkeit auf dieser Temperatur gehalten wird, abhängt.
Im Verhältnis zu den thermischen Verfahren wie der Pasteurisierung, die normalerweise für bestimmte, im Wesentlichen wässrige Flüssigkeiten eine Temperatur von mehr als 90°C während ungefähr 60 Sekunden verlangt, ist das erfindungsgemässe Verfahren sehr vorteilhaft, weil die Sterilisation weniger als eine Sekunde bei einer Temperatur von etwa 62 bis 75°C verlangt. Die Auswirkungen der Temperatur hängen nur von der Wirksamkeit der Phasen des Aufheizens und insbesondere des Abkühlens ab.
Die Sterilisationsstation 6 umfasst eine Stromquelle, um ein Element zu speisen, das ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld erzeugt, mit dem ein elektrisches Feld von etwa 10³ V/cm in der die Sterilisationsstation durchlaufenden Flüssigkeit 2 aufgebaut werden kann. Im Beispiel der 1 wird das elektrische Feld durch ein Induktionselement 9 erzeugt, das einerseits die Flüssigkeit erwärmt und andererseits ein elektrisches Feld einer Amplitude in der Grössenordnung von 10³ V/cm anlegt. Die Erwärmung durch Induktion setzt voraus, dass die Flüssigkeit leitend ist, wie Wasser, das Elektrolyte und insbesondere Salze selbst in geringer Menge enthält. Die Erwärmung durch Induktion verlangt ferner eine Wechselstromquelle, bevorzugt eine hochfrequente von zum Beispiel grössenordnungsmässig 10⁶ Hz oder mehr. Die Sterilisationsstation 6 umfasst ausserdem einen Temperaturfühler 10, der mit einem Steuerkreis 11 der Stromquelle 1 verbunden ist, um die elektrische Energiezufuhrund daher die Erwärmung der Flüssigkeit zu regeln.
Um einen Liter Wasser in 0,3 s von 30°C auf 70°C zu erhitzen, bedarf es zum Beispiel einer Leistung von etwa 500 kW.
Um eine homogene Temperaturverteilung in der zu sterilisierenden Flüssigkeit zu gewährleisten, trägt das kinematische System 4 eine Drehvorrichtung für die Behälter 3, die einerseits eine Durchmischung der Flüssigkeit im Inneren des Behälters und andererseits eine Rotation der Flüssigkeit im elektrischen oder elektromagnetischen Feld ermöglicht. Der Behälter 3 quert die Sterilisationsstation 6, während er sich dreht, so dass das elektrische oder elektromagnetische Feld in homogener Weise auf die gesamte Flüssigkeit angewendet wird, die den Feldgenerator 9 quert. Wegen der sehr kurzen Sterilisationszeit kann die Drehung bevorzugt mit ungefähr 1000 U/min erfolgen.
Weitere Bewegungen können dem Behälter 3 auferlegt werden, um den Wärmeübergang durch erzwungene Konvektion im Inneren des Behälters zu verstärken. Das Prinzip der Vorrichtung und des Verfahrens, die oben beschrieben worden sind, kann auch auf eine Flüssigkeit angewendet werden, die sich nicht in einem dicht verschlossenen Behälter be findet, sondern zum Beispiel in einer die Vorrichtung querenden Leitung, wobei die Flüssigkeit kontinuierlich durch diese Leitung fliesst und durch Flügel oder andere mechanische Elemente in der Leitung, die auf den Flüssigkeitsstrom durch diese Leitung wirken, bewegt oder in Drehung versetzt werden kann. Bei einem solchen System können in einem Mischer 11 der zu sterilisierenden Flüssigkeit Zusätze 11 hinzugefügt werden, zum Beispiel Glaskugeln oder ein chemisch neutrales und unlösliches Pulver, was erlaubt, die mittlere thermische Trägheit der Flüssigkeit so zu modifizieren und insbesondere zu verringern, dass die Flüssigkeit schneller erhitzt und abgekühlt werden kann. Dies ist in 8 veranschaulicht, die schematisch die Aufheizstation 5 und die Abkühlstation 7 sowie die Sterilisationsstation 6 zeigt, die entlang einer Leitung 13 angeordnet sind, die die zu sterilisierende Flüssigkeit 2 mit dem Zusatz 11 vermischt heranführt, Stromab von der Abkühlstation 7 gibt es eine Trennstation 14, zum Beispiel ein Filter, das die sterilisierte Flüssigkeit 2' vom Zusatz 11 abtrennt.
An der Stelle eines Induktionselements für das Aufheizen und das Anlegen des elektrischen Feldes kann man auch Mikrowellen zuführen, die von der einen Wellenleiter 15 querenden Flüssigkeit 2 absorbiert werden, wie in 2 gezeigt. Der Behälter 3 quert den Wellenleiter 15 orthogonal durch Löcher, um zu gewährleisten, dass die Energie der Mikrowellen durch die Flüssigkeit absorbiert wird, Der Abstand der Mitte der Flüssigkeit vom Ende 18 des Wellenleiters 15 ist ein ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge (λ/4, 3λ/4, 5λ/4, usw.).
In 3 wird ein Wellenleiter 15 von einer Leitung 13 durchquert, in der eine zu sterilisierende Flüssigkeit 2 oder wechselweise eine leitende Lösung strömt, in der Behälter 3' einer beliebigen Gestalt schwimmen, die die zu sterilisierende Flüssigkeit enthalten. Bevorzugt hat die Flüssigkeit in der Leitung 13 ähnliche Eigenschaften wie die im Behälter 3' enthaltene, zu sterilisierende Flüssigkeit. Dadurch können Behälter einer geringen Grösse und/oder einer beliebigen Gestalt sterilisiert werden, zum Beispiel mit weichen Verpackungsmaterialien, wobei die Flüssigkeit in der Leitung 13 eine genaue Steuerung der Temperatur und des angelegten Feldes in der zu sterilisierenden Flüssigkeit ermöglicht.
Ausser dem Induktionselement 9 oder dem Wellenleiter 15 kann der Generator des elektrischen oder elektromagnetischen Feldes viele verschiedene Formen haben, zum Beispiel zwei koaxiale ringförmige Elektroden 18, 19, die einen bestimmten Abstand voneinander haben, wie in 4 gezeigt, oder ein Paar von Elektroden 18', 19' zu beiden Seiten der zu sterilisierenden Flüssigkeit, wie in 5 gezeigt. Diese Variante eignet sich gut für quaderförmige Behälter wie die Kartons („bricks") für Milch oder Fruchtsaft.
In der Variante der 6 umfasst der Generator des elektrischen oder elektromagnetischen Feldes eine Elektrode in Gestalt eines Drahts oder Stabes, der eine innere Elektrode 18'' darstellt, um die herum koaxial eine äussere Elektrode 19'' platziert wird, wobei der Raum zwischen den Elektroden für den Durchgang der zu sterilisierenden Flüssigkeit durch eine Leitung 13'' dient. In den Varianten der 4 bis 6 kann ein elektrisches Feld angelegt werden, das durch eine Gleichspannung zwischen den Elektroden erzeugt wird, wobei die Flüssigkeit in der Aufheizstation 5 auf die Sterilisationstemperatur gebracht wird, d.h. auf 60 bis 75°C, oder man kann eine hochfrequente Wechselspannung anlegen, die es ermöglicht die Flüssigkeit zu erwärmen und gleichzeitig das elektrische Feld daran anzulegen.
9 zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrichtung, wo das elektrische Feld durch ein System von äusseren Elektroden 18', 19' angelegt wird, die durch eine hochfrequente Stromquelle 6 versorgt werden. Ein Wärmetauscher 20 ermöglicht es, die zu sterilisierende Flüssigkeit 2 während der Zeitdauer der Anwendung des elektrischen Feldes zu kühlen, um eine überflüssige Erwärmung der Flüssigkeit 2 wegen des durch diese Flüssigkeit hindurchgehenden hochfrequenten Stromes zu vermeiden.
10 zeigt einen Teil einer Sterilisationsstation, in der ähnlich wie in der Variante der 3 Mikrowellen verwendet werden, um eine zu sterilisierende Flüssigkeit 2 zu erwärmen und zu sterilisieren. Diese Variante umfasst einen Wellenleiter 15', der von einem Kanal 13' durchquert wird, in dem die zu sterilisierende Flüssigkeit 2 von unten 21 nach oben 22 strömt.
Der Wellenleiter 15' umfasst einen Eingangsabschnitt 24 und einen Kammerabschnitt 25, in dem ein oder mehrere Reflektoren 26 angeordnet oder ausgebildet sind. Diese Reflektoren können direkt in der Wand des metallischen Kammerabschnitts 25 ausgebildet oder als separate Teilstücke im Kammerabschnitt angebracht sein. Die Reflektoren können von allgemein sphärischer Gestalt sein und dienen dazu, die Mikrowellen zum Inneren des Kammerabschnitts 25 hin zu reflektieren, um diese Mikrowellen in verhältnismässig gleichförmiger Weise über das Kammervolumen zu verteilen.
Der Kanal kann einen schlangenförmigen Abschnitt 23 umfassen, der im Kammerabschnitt 25 des Wellenleiters angeordnet ist. Der Kanal 13' kann aus einem Material bestehen, das die Mikrowellenstrahlung schwach absorbiert, zum Beispiel aus Quarz, Teflon oder Polyethylen, so dass die Energie der Mikrowellen hauptsächlich von der zu sterilisierenden Flüssigkeit 2 absorbiert wird. Die zu sterilisierende Flüssigkeit bewegt sich im Kanal 13' von unten nach oben, um die Bildung und den Stau von Gasblasen zu verhindern. Der schlangenförmige Abschnitt 23 ermöglicht es, die Länge des Kanals zu vergrössern und somit die Zeit zu verlängern, die die zu sterilisierende Flüssigkeit braucht, um den Wellenleiter zu queren, so dass die Vorrichtung sehr kompakt wird. Dadurch wird weiter ermöglicht, dass der Kanal 13' einen geringen Durchmesser besitzt, um die zu sterilisierende Flüssigkeit schneller zu erwärmen, insbesondere aber schneller abzukühlen.
11 zeigt eine Sterilisationsstation 6, die einen Mikrowellengenerator 1' umfasst, der Mikrowellen über einen Wellenleiter 27 aussendet, und die weiter ein kinematisches System 28 für Flaschen oder andere Behälter 3' umfasst, die mit der zu sterilisierenden Flüssigkeit 2 gefüllt und dicht verschlossen sind. Das kinematische System 28 umfasst einen Behandlungskanalabschnitt 29, der sich zwischen einem Eintrittskanalabschnitt 30 und einem Austrittskanalabschnitt 31 erstreckt. Die Abschnitte des Kanaleingangs und -ausgangs sind mit Abschirmvorrichtungen gegen Mikrowellen 32 versehen. In dieser Ausführungsform liegen die Abschirmvorrichtungen in Gestalt von Drehkreuzen vor, die eine Drehachse 33 umfassen, auf der Metallschaufeln 34 im Inneren eines im Wesentlichen zylindrischen Kanalabschnitts 35 befestigt sind, dessen Radius bis auf das für die Drehung der Schaufeln 32 notwendige Spiel gleich der Breite der Schaufeln ist. Die Abschnitte des Eintrittskanals 30 und des Austrittskanals 31 münden so in einem im Wesentlichen zylin drischen Kanalabschnitt, dass sie dem Abschnitt des Behandlungskanals 29 nicht gegenüber stehen. Diese Konfiguration ermöglicht es, eine Streuung der Mikrowellen vollständig und zuverlässig zu sperren.
Der Wellenleiter 27 ist auf dem Behandlungskanalabschnitt 29 angebracht und von ihm durch eine mit Schlitzen 37 versehene abstrahlende Wand 36 getrennt. Die Konfiguration der Schlitze ist so optimiert, dass die Mikrowellenstrahlung das gesamte Volumen des Behältnisses im Wesentlichen gleichförmig erwärmt. Die Geschwindigkeit des Durchgangs der Behältnisse durch den Behandlungskanalabschnitt 29 ist ebenfalls so eingestellt, dass das Niveau der Behandlungstemperatur für die zu sterilisierende Flüssigkeit erreicht wird, wobei die Geschwindigkeit des Durchgangs der Behältnisse durch den Kanal sowie die Strahlungsleistung der durch den Generator 1' ausgesendeten Mikrowellen berücksichtigt werden.
Die Behältnisse 3 können im Inneren des Kanals durch ein (nicht gezeigtes) System von Förderbändern bewegt werden. In einer weiteren Variante kann für die Behandlung von im Wesentlichen zylindrischen Flaschen der Behandlungskanalabschnitt 29 in einem Winkel α geneigt sein, der es den Behältnissen ermöglicht, frei durch den Kanal zu rollen. Dieses Rollen erlaubt nicht nur den Wegfall eines Bewegungsantriebs, sondern auch die Durchmischung der behandelten Flüssigkeit durch Konvektion im Inneren des Behältnisses. Dadurch wird die Gleichförmigkeit der Erwärmung und somit auch der Behandlung durch das elektrische Feld verbessert.
Die Erfindung ist besonders wirksam, um Mikroorganismen vom Typ der Schimmelpilze wie Aspergillus niger, Byssochlamys nivea und Byssochlamys fulva sowie Hefepilze wie Saccharomyces cerevisiae abzutöten, und zwar sowohl diejenigen, die in der Masse der Flüssigkeit vorhanden sind, wie auch die schon vorher auf den Wänden des Behältnisses oder auf anderen, in der Flüssigkeiten befindlichen festen Gegenständen vorhandenen. Eine Modifikation der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit kann nicht entdeckt werden. Insbesondere bleibt der Gehalt an Vitaminen wie dem Vitamin C unverändert, und andere physikalische und chemische Eigenschaften, die den Geschmack, den Geruch, die Farbe oder die optischen Eigenschaften der Flüssigkeiten bestimmen, werden durch die erfindungsgemässe Sterilisation nicht beeinflusst.
Es wird angenommen, dass die erfindungsgemässe sterilisierende Wirkung auf den folgenden physikalischen Effekten beruht.
Die Struktur der Lipidmoleküle, die die Membran darstellen, von der die Mikroorganismen umhüllt sind, ist nahe der von Wassermolekülansammlungen, die als „Cluster" bekannt sind und in allen wässrigen Medien vorhanden sind. Die Wechselwirkung der sogenannten „Cluster"-Strukturen mit den Lipidmolekülen wird von Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt. Diese Strukturen können modifiziert werden, indem sie in ein elektrisches Feld gebracht werden. Wenn das Feld stark genug ist, bewirkt es ein Zusammenfallen der Topologien dieser Strukturen, was zu einer lokalen Abschwächung der Bindungen zwischen den Lipidmolekülen führt und ein Zerreissen der Membranen der Mikroorganismen nach sich zieht. Dies ist das Prinzip der Elektroporation. Wenn das elektrische Feld stark genug ist, ist das Zerreissen der Membranen irreversibel, und die Mikroorganismen werden zerstört. Die Amplitude des elektrischen Feldes muss trotzdem zwischen zwei Grenzen bleiben:
der durch das Auftreten von Mikrolichtbögen in der Flüssigkeit definierten Obergrenze, d.h. der Bildung von Plasmazonen, die nicht nur die Mikroorganismen zerstören, sondern auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit modifizieren; und
der Untergrenze, die durch einen Wert des elektrischen Feldes definiert ist, der für ein irreversibles Zerreissen der Membranen der Mikroorganismen ungenügend ist.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die untere Grenze des Feldes von einer Grössenordnung von 10² V/cm sein kann, wenn die Temperatur der Flüssigkeit höher als die Schwellentemperatur T_s mit einer Grössenordnung von 60 bis 75°C in Abwesenheit akustischer Schwingungen ist. Die Erfinder glauben, dass es bei dieser Temperatur einen Resonanzeffekt zwischen den Wasserclustern und den Lipiden der Membranen gibt, so dass die für eine lokale Abschwächung der Bindungen zwischen den Lipidmolekülen erforderliche Energie verhältnismässig schwach sein kann, weil sie von den Molekülen resonant absorbiert wird, statt zerstreut zu werden.
Es ist gefunden worden, dass die Schwellentemperatur T_s, bei der die Sterilisation erfolgt, vom Mikroorganismus abhängt, aber bei elektrischen Feldern von ungefähr 10² bis 10³ V/cm in Abwesenheit von akustischen Schwingungen im Temperaturbereich von 62 bis 75°C liegt, wie durch die folgende Tabelle veranschaulicht.
Es muss vermerkt werden, dass die Zeit, während der das elektrische Feld und die für die Sterilisation notwendige Temperatur angelegt werden, weniger als eine Sekunde betragen kann, was im Verhältnis zu den herkömmlichen Verfahren wie der Pasteurisierung sehr vorteilhaft ist. Man wird auch bemerken, dass eine Korrelation zwischen dem durch die Flüssigkeit erreichten Temperaturniveau, der Zeitdauer des Prozesses und dem vorhandenen elektrischen Feld besteht.
Ebenfalls ist gefunden worden, dass die Sterilisation bei einer Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur T_s bewirkt werden kann, indem akustische Schwingungen und insbesondere Ultraschall während des Behandlungsverfahrens hinzugefügt werden. Im Rahmen der Erfindung gesammelte Erfahrungen haben zeigen können, dass die Einwirkung von Ultraschall den Effekt der Zerstörung der Mikroorganismen verstärkt und erlaubt, die Temperatur, bei der die Behandlung erfolgt, um einen Betrag ΔT_u von etwa 10 bis 30°C herabzusetzen. Die akustischen Schwingungen fügen zur chaotischen Bewegung der Moleküle der Flüssigkeit, die durch die thermische Energie bewirkt wird, eine Wellenbewegung hinzu, so dass die Energie, die erforderlich ist, um lokal die Bindungen zwischen den Lipidmolekülen zu schwächen, verringert wird.
Die Zerstörung eines Mikroorganismus durch das elektrische Feld verlangt bei dem erfindungsgemässen Verfahren einen Energieaufwand Δ. Wenn das erfindungsgemässe Verfahren auf einen flüssigen Produktstrom ΦL angewendet wird, lasst sich die aufzuwendende Leistung N nach der Formel N = Na + NT bestimmen, wo
N_a die Leistung ist, die für die Zerstörung der Mikroorganismen selbst entwickelt wurde, und
N_T die Leistung ist, die entwickelt wurde, um das Produkt von der anfänglichen Temperatur T₀ auf die Schwellentemperatur T_s zu erwärmen.
Für N_a gilt die Beziehung: Na = ΦL·X·Δ,wo
Φ_L der Strom des behandelten Produkts und % die Konzentration der Mikroorganismen je Einheit des Stromes ist.
Für N_T gilt: NT = ΦL + C(Ts – T0),wo
C die mittlere spezifische Wärmekapazität des Produkts ist.
Wenn das erfindungsgemässe Verfahren auf einen Strom von verschlossenen Behältern angewendet wird, die mit dem zu pasteurisierenden Produkt gefüllt sind, gilt: N = Na + NT,wo Na = V·X·Δ·νund NT = CV(Ts – T0)·ν, wo
ν die Frequenz ist, mit der die Behälter die Zone des behandelnden elektrischen Feldes durchqueren,
V das Volumen eines Behälters ist,
C die mittlere spezifische Wärmekapazität des Ganzen (Behälter und Flüssigkeit) ist.
Die Versuche haben gezeigt, dass bei einer Konzentration von Mikroorganismen (Hefepilzen, Schimmelpilzen) von weniger als 10⁵ Mikroorganismen pro m³ der optimale Wert von X·Δ
0,1 ≤ X·Δ ≤ 0,6 (J/cm³)
ist. Da die Wirkung der erfindungsgemässen Verfahren auf das Zusammenfallen der Topografien zweier Strukturen baut, die durch eine Anpassung des angelegten elektrischen Feldes und des Temperaturniveaus erreicht wird, so kann man erwarten, einen selektiven Effekt zu haben, d.h. einen Effekt, der einzig auf die Körper wirkt, deren Strukturen zusammenfallen, nämlich die Mikroorganismen und die Cluster. Es gibt daher keine zerstörende oder modifizierende Wirkung auf andere Eigenschaften der Flüssigkeit oder auf die darin vorliegenden Moleküle. Nach der Behandlung ist der Vitamingehalt (zum Beispiel an Vitamin C) unverändert geblieben; die physikalischen und chemischen Eigenschaffen, die den Geschmack, den Geruch, die Farbe, die optischen und andere Eigenschaften bestimmen, werden durch die Behandlung nicht beeinflusst.
Hingegen ist es unter Einsatz des beanspruchten Prozesses möglich, eine Inaktivierung von Enzymen zu erreichen (die in bestimmten Flüssigkeiten wie zum Beispiel Orangensaft enthalten sind), deren Struktur wiederum der der Wassercluster ähnlich ist.
In diesem Falle zeigt die Praxis, dass zum Beispiel für einen frisch gepressten Orangensaft T_s ≥ 70°C und ψ ≤ 2,5 (J/cm³), wo ψ die für eine Inaktivierung der Enzyme erforderliche Energiedichte ist.
Allgemein haben zum Beispiel die Versuche, die ausgeführt wurden, um verschiedene wässrige Lösungen (Fruchtsäfte, Gemüsesäfte, Limonaden, Milch und Milcherzeugnisse, Sirupe, Bier, Konzentrate, Sportgetränke, Teig, Püree, Saucen und andere) zu desinfizieren, gezeigt, dass eine Behandlung in einem elektrischen Feld von etwa 10³ V/cm zwischen 60 und 75°C während einer Zeitdauer von 0,3 Sekunden eine 10⁹-fache Verringerung der Konzentration von Schimmelpilzen (Aspergillus niger, Byssochlamys nivea, Byssochlamys fulva) und von Hefepilzen (Saccharomyces cerevisiae) ermöglicht, die in der Masse der behandelten Flüssigkeit enthalten oder im Voraus auf die Wände des Behälters und auf feste Gegenstände (Stücke von PET-Material, Fruchtfleisch, Gemüsemark) aufgebracht worden sind. Der Prozess kann in stationären oder dynamischen Flüssen ausgeführt werden.
Eine Sterilisation der Flüssigkeit wurde für Amplituden des angelegten elektrischen Feldes von 10² V/cm bis 10⁴ V/cm bestätigt, gleichviel ob von Gleichstrom, Wechselstrom niedriger oder hoher Frequenz oder Mikrowellen erzeugt.
Die so desinfizierten Muster wurden während einer Zeit von mehr als drei Monaten bei Umgebungstemperatur aufbewahrt. Keine Anzeichen für Reversibilität, d.h. ein Wiedererwachen der Aktivität der zerstörten Mikroorganismen sind beobachtet worden. Daher kann man von einer irreversiblen Zerstörung der Mikroorganismen sprechen.
Die Vorteile dieser Erfindung sind beträchtlich, da sie eine Sterilisation von Flüssigkeiten ermöglichen, die bereits in fest verschlossene Behälter eingefüllt worden sind, und zwar ohne eine vorausgehende sterilisierende Behandlung des Behälters oder der Flüssigkeit. Ausserdem ist die erfindungsgemässe Sterilisation im Vergleich zu herkömmlichen Pasteurisierungsprozessen extrem schnell und ermöglicht es, die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit zu bewahren, also den Zusatz von Vitaminergänzungen, der in der Nahrungsmittelindustrie routinemässig erfolgt, zu vermeiden. Die Vorteile sind ebenso bedeutsam, wenn sich die Flüssigkeit nicht in einem Behälter befindet, sondern zum Beispiel in einem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom, und zwar insbesondere deshalb, weil die Sterilisation bei beträchtlichen Durchsätzen und ohne einen Eingriff in die Flüssigkeit erfolgen kann.
Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass die Sterilisation auf Flüssigkeiten in Behältern wie PET angewendet werden kann, die die erhöhten Temperaturen der Pasteurisierung nicht aushalten.
Beispielhaft sind zwei Methoden der Desinfizierung einer PET-Flasche verglichen worden, die mit einem Liter leicht gezuckerten Wassers bzw. Apfelsafts, die mit Schimmelpilzen Byssochlamys fulva in einem Ausmass von 10⁹ Mikroorganismen pro Liter (pro Flasche) verunreinigt waren, gefüllt war. Die Flasche wurde nach dem Befüllen mit einem Stopfen aus Polypropylen dicht verschlossen. Der Stopfen und die Innenseite der Flasche waren vor dem Befüllen mit 10⁶ Mikroorganismen pro cm² verunreinigt worden. Die Entfernung von Mikroorganismen einer Grössenordnung von 10⁹ pro Liter durch Pasteurisieren verlangte ein Erwärmung auf 98°C während einer Minute. In einem erfindungsgemässen Verfahren wurde die Sterilisation durch eine hochfrequente Erwärmung durch Anlegen eines elektrischen Feldes von etwa 10³ V/cm während 0,3 s bei einer Temperatur der Flüssigkeit von 72°C bewirkt, was zu einer Zerstörung von Mikroorganismen in einer Grössenordnung von 10⁹ pro Liter führte.
Die zur Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens zu entwickelnde Leistung kann berechnet werden, indem die oben erwähnten Formeln verwendet werden, wie es die folgenden Beispiele zeigen.
Beispiel 1

Behandeltes Produkt: Apfelsaft
Anfangstemperatur: T₀ = 20°C
Zu zerstörende Mikroorganismen: Saccharomyces cerevisiae und Aspergillus niger
Schwellentemperatur: T_s = 65°C
Geräteleistung: 1 Liter/s
Strömungsart: kontinuierliche Strömung
Konzentration der Mikroorganismen: 10⁹ Mikroorgansmen (MO) pro Liter
Mittlere Wärmekapazität: 4,2·10⁶ (J/m³·Grad) Namax = 10–3 (m3/s)·0,6·103 (kJ/m3) = 0,6 kW NT = 10–3 (m3/s)·(65 – 20) (Grad)·4,2106 (J/m3·Grad) = 189 kW Nmax = Namax + NT = 159,6 kW

Beispiel 2

Dasselbe wie Beispiel 1, aber mit einer Anfangstemperatur von: T₀ = 60°C NT = 10–3 (m3/s)·(65 – 60) (Grad)·4,2·106 (J/m3·Grad) = 21 kW Namax = 0,6 kW Nmax = 21 + 0,6 = 21,6 kW

Beispiel 3

Behandeltes Produkt: PET-Flaschen (0,3 Liter), Orangensaft mit Fruchtfleisch enthaltend
Anfangstemperatur: T₀ = 20°C
Zu zerstörende Mikroorganismen: Byssochlamys fulva
Schwellentemperatur: T_s = 75°C
Geräteleistung: 3 Flaschen pro Sekunde
Konzentration der Mikroorganismen: 10⁹ MO pro Liter
Mittlere Wärmekapazität: 4,5·10⁶ (J/m³·Grad) Namax = 0,9·10–3 (m3/s)·0,6·103 (kJ/m3·Grad) = 0,54 kW NT = 0,9·10–3 (m3/s)·(75 – 20) (Grad)·4,5·106 (J/m3·Grad) = 222,75 kW Nmax = 223,29 kW

Beispiel 4

Dasselbe wie Beispiel 3, aber mit 95% Wärmerückgewinnung (durch Wärmetauscher) NT = 222,75·(1 – 0,95) = 11,15 kW Nmax = 11,69 kW

Ein erfindungsgemässes Verfahren ist an verschiedenen Arten von Mikroorganismen und bei verschiedenen Temperaturen geprüft worden, um die Schwelle der für eine wirksame Sterilisation erforderlichen Temperatur festzustellen, wobei die Ergebnisse in den folgenden Beispielen dargestellt werden.
Beispiel 5
Desinfektion wässriger Lösungen, die mit verschiedenen Arten von Mikroorganismen verunreinigt sind.

Behälter: PET-Behälter, 0,1 Liter, vorab steril Höhe: 1,5 cm Durchmesser: 10 cm
Stromquelle: HF 13,56 MHz, N_max = 60 kW
Prozessdauer: τ = 0,3 s
Amplitude des elektrischen Feldes: 10³ V/cm
Anfängliches Verunreinigungsniveau: zwischen 710⁸ und 1,2·10⁹ MO/100 ml

Die Zählung der überlebenden Mikroorganismen (MO) ist nach den auf dem Gebiet der Mikrobiologie verwendeten Standardverfahren durchgeführt worden.
Den oben angeführten Ergebnissen zufolge stellt man fest, dass die Sterilisation der Flüssigkeit je nach dem Typ des Mikroorganismus von Temperaturen zwischen 65 und 75°C an vollständig ist (Verringerung der MO um einen logarithmischen Faktor von 9).
Beispiel 6
Desinfektion von Behältern, die mit verschiedenen Arten von Mikroorganismen verunreinigt sind

Behälter: PET-Behälter, 0,1 Liter, dicht verschlossen
Flüssigkeit: schwarzer Johannisbeersaft, vorab steril
Stromquelle: HF 13,56 MHz, N_max = 60 kW
Prozessdauer: τ = 0,3 s
Amplitude des elektrischen Feldes: ~3 kV/cm
Anfängliches Verunreinigungsniveau: 1,2·10⁶ bis 3·10⁶ MO/cm²
Impulszahl: 2 (zwei Positionen des Behälters)

Die hierunter angeführten Werte sind die Summe der Ergebnisse,

a) einer Zählung der überlebenden MO in der Flüssigkeit und
b) einer Zählung der überlebenden MO auf der Oberfläche des Behälters und des Deckels

Man stellt fest, dass von Temperaturen zwischen 65 und 75°C an die Sterilisation der Oberfläche des Behälters vollständig ist (Verringerung um etwa 9 log). Diese Temperatur hängt vom Typ des Mikroorganismus ab.
Beispiel 7
Desinfektion des Fruchtfleischs in einem Orangensaft

Behälter: PET-Behälter, 0,1 Liter
Flüssigkeit: Orangensaft mit Fruchtfleisch
Stromquelle: Mikrowellen, 915 MHz, N_max = 60 kW
Behandlungsdauer: τ = 0,5 s
Amplitude des elektrischen Feldes: ~ =10³ V/cm
Anfängliches Verunreinigungsniveau: 6·10⁷ MO pro 100 ml

Die Werte in der nachfolgenden Tabelle sind das Ergebnis der Zählung der überlebenden Mikroorganismen in Flüssigkeit + Fruchtfleisch
Saccharomyces cerevisiae
Die Sterilisation des Orangensaftes und des Fruchtfleisches ist von einer Temperatur von 65°C an vollständig (Verringerung ~ 8 log).
Beispiel 8
Vergleich des vorgeschlagenen Verfahrens mit der klassischen Pasteurisierung (Byssochlamys fulva)
Bedingungen des vorgeschlagenen Verfahrens:

Behälter: PET-Behälter, 0,1 Liter
Flüssigkeit: Apfelsaft, mit Byssochlamys fulva verunreinigt
Stromquelle: HF, 13,56 MHz, N_max = 60 kW
Behandlungsdauer: τ = 0,3 s
Amplitude des elektrischen Feldes: ~10³ V/cm
Anfängliches Verunreinigungsniveau: 7,5·10⁸ MO/100 ml
Pasteurisierungsbedingungen: Standard
Behandlungsdauer: 60 s
Zählverfahren: Zählung der überlebenden MO in der Flüssigkeit

Die Sterilisation mit dem erfindungsgemässen Verfahren ermöglicht es, im Vergleich zu den Standardverfahren der Pasteurisierung die Temperatur herabzusetzen und die Dauer um mehrere Grössenordnungen zu verringern. Dieses Ergebnis wird in der folgenden Tabelle veranschaulicht.
Beispiel 9
Einfluss der Menge angewandter elektromagnetischer Energie, der Anfangstemperatur und der Endtemperatur auf die Qualität des beanspruchten Prozesses (Fall der MO Saccharomyces cerevisiae)

Medium: Wasser + 0,5 g NaCl pro Liter (Dichte: 1 g/cm³; Wärmekapazität c = 4,18 J/g·°C)
Mikroorganismen: Saccharomyces cerevisiae Anfangskonzentration: (1,4 – 5,1)·10⁸ MO pro 100 ml
Stromquelle: HF 13,56 MHz
Volumen der Behandlungszelle: 100 ml

Ergebnisse der Messungen: Saccharomyces cerevisiae
Die Energie, die von der Flüssigkeit aufgenommen werden muss, damit sie den kritischen Resonanzzustand erreicht, der der Schwelle einer vollkommenen Sterilisation entspricht, wird der Flüssigkeit über zwei Kanäle vermittelt:

1. durch Erwärmen der Flüssigkeit (was eine Erwärmung durch Induktion, durch Konvektion, durch ohmsche Wärme usw. sein kann).
2. durch nichtohmsche Wirkung des elektromagnetischen Feldes, das den Resonanzeffekt erzeugt.

Die Schwellenenergiedichte Es des elektromagnetischen Feldes entspricht der Bedingung von 12,0 < Es < 24,0 J/g im Falle der Mikroorganismen Saccharomyces cerevisiae.
Es ist ersichtlich, dass es eine Schwellentemperatur Ts für die Desinfektion durch ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld gibt, die für Hefepilze Saccharomyces cerevisiae nahe dem Wert von 65°C liegt.
Beispiel 10
Einfluss der Menge der angewandten elektromagnetischen Energie, der Anfangstemperatur und der Endtemperatur auf die Qualität des beanspruchten Prozesses (im Falle von MO Byssochlamys fulva).
Medium: Wasser + 0,5 g NaCl pro Liter
ρ = 1 g/cm³, c = 4,18 J/g·°C
Mikroorganismen: Byssochlamys fulva
Anfangskonzentration: (1,7 – 4,5)·10⁸ MO pro 100 ml
Stromquelle: HF 13,56 MHz
Volumen der Behandlungszelle: 100 ml
Ergebnisse der Messungen: Byssochlamys fulva
Man sieht, dass eine Schwellentemperatur Ts der Desinfektion durch ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld existiert, die für Schimmelpilze Byssochlamys fulva nahe dem Wert von 75°C liegt.
Die Schwellenenergiedichte Es des elektromagnetischen Feldes entspricht im Falle der MO Byssochlamys fulva der Bedingung: Es < 34,3 J/g.
Beispiel 11
Einfluss des Parameters ρc (Dichte ρ der Flüssigkeit, Wärmekapazität c der Flüssigkeit) auf die Qualität des beanspruchten Prozesses (der Parameter ρc kennzeichnet die thermische Trägheit der Flüssigkeit).

Medium: Vergleich: Wasser + 0,5 g NaCl pro Liter (c₀ = 4,19 J/g·°C, ρ₀ = 1 g/cm³)
Medium: 1) thermische Trägheit gegenüber dem Vergleich verringert (ρ_ic_i): verschiedene Lösungen von Orangensaftkonzentrat in Wasser,
2) thermische Trägheit gegenüber dem Vergleich erhöht: verschiedene wässrige Lösungen von Bananenpüree.
Mikroorganismen: Saccharomyces cerevisiae
Anfangskonzentration: (0,1 bis 5)·10^–8 MO pro 100 ml
Stromquelle: HF 13,56 MHz
Volumen der geprüften Zelle: 100 ml

Saccharomyces cerevisiae
Beispiel 12
Sterilisation eines kontinuierlichen Stromes von mit Hefepilzen des Typs Saccharomyces cerevisiae verunreinigtem Apfelsaft unter Anlegen von mechanischen Schwingungen (Ultraschall) während der Behandlung.

Durchsatz der behandelten Flüssigkeit: 1 Liter/minute
Stromquelle: HF 2,45 GHz, Leistung 1,5 kW
Behandlungsdauer: τ = 1 s
Anfangsniveau der Hefepilzkonzentration: 1·10⁶ KBE/cm³
Frequenzen des angelegten Ultraschalls: 22 kHz, Leistung 0,6 kW
Anfangstemperatur: 20°C

Die hierunter aufgeführten Daten sind die Summe der Ergebnisse einer Zählung der überlebenden MO in der Flüssigkeit nach einer Behandlung mit Ultraschall und, zum Vergleich, ohne Ultraschall.
Anzahl der überlebenden Mikroorganismen, MO/ml
Beispiel 13
Sterilisation eines kontinuierlichen Stromes von mit Schimmelpilzen des Typs Byssochlamys nivea verunreinigtem schwarzem Johannisbeersaft unter Anlegen von mechanischen Schwingungen (Ultraschall) während der Behandlung.

Durchsatz der behandelten Flüssigkeit: 2 Liter/Minute
Stromquelle: HF 13.56 MHz, Leistung 1 kW
Behandlungsdauer: τ = 0,7 s
Anfangsniveau der Schimmelpilzkonzentration: 7,5·10⁷ KBE/cm³
Frequenzen des angelegten Ultraschalls: 40 kHz, Leistung 0,4 kW
Anfangstemperatur: 20°C

Die hierunter aufgeführten Daten sind die Summe der Ergebnisse einer Zählung der überlebenden MO in der Flüssigkeit nach einer Behandlung mit Ultraschall und, zum Vergleich, ohne Ultraschall.
Diesen Ergebnissen zufolge stellt man fest, dass

– die kritische Temperatur der Sterilisation durch ein elektrisches Feld sich mit sinkender thermischer Trägheit des Mediums erhöht und umgekehrt mit steigender thermischer Trägheit des Mediums verringert.
– durch Hinzufügen mechanischer Schwingungen während des erfindungsgemässen Sterilisationsbehandlungsverfahrens der Effekt der Zerstörung der Mikroorganis men verstärkt und eine Verringerung der Temperatur ermöglicht wird, bei der die Behandlung erfolgt.
– die ausgeführten Versuche es ermöglichen, ein Verfahren zur Steuerung der Sterilisationstemperatur der durch ein elektromagnetisches Feld behandelten Flüssigkeit sowie die entsprechende Vorrichtung zu realisieren, wo der Flüssigkeit Zusätze beigefügt werden, die es ermöglichen, die kritische Temperatur der Sterilisation durch ein elektromagnetisches Feld entweder zu erhöhen oder zu verringern.
– die thermische Trägheit der behandelten Flüssigkeit insbesondere erhöht oder verringert werden kann, indem ein Wärmetauscher hinzugefügt wird, der die behandelte Flüssigkeit in der Zone der Anwendung des elektromagnetischen Feldes abkühlt.
– es sich empfiehlt, um die Vitamine in der behandelten Flüssigkeit maximal zu erhalten, den Prozess der elektromagnetischen Sterilisation in einem Medium mit dem grösstmöglichen Wert des Koeffizienten der thermischen Trägheit auszuführen. Zum Beispiel verringert sich die kritische Temperatur eines Orangensaftes, wenn diesem Saft Fruchtfleisch hinzugefügt wird. Dieses Fruchtfleisch kann nach der elektromagnetischen Behandlung abfiltriert werden.

Man kann auch Zusätze in Gestalt einer Suspension hoher thermischer Trägheit verwenden (Kügelchen, die eine Flüssigkeit enthalten, die bei der kritischen Temperatur von einer Phase zu einer anderen übergeht).

Claims

Verfahren zur Sterilisation einer Flüssigkeit und/oder eines in die Flüssigkeit eingetauchten festen Gegenstandes mit dem Schritt bzw. den Schritten, eine Flüssigkeit auf eine Behandlungstemperatur zu erwärmen, die unter einer für die Sterilisation durch Pasteurisierung erforderlichen Temperatur liegt, und ein elektrisches Feld von 10² V/cm bis 10⁴ V/cm anzulegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit und/oder der Gegenstand während der Anwendung des elektrischen Feldes akustischen Schwingungen ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Schwingungen Frequenzen im Ultraschallbereich besitzen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungstemperatur gleich oder höher als eine Schwellentemperatur T_s, verringert um eine Temperaturverringerung ΔT_u ist, die von der Anwendung akustischer Schwingungen abhängt, wobei die Schwellentemperatur T_s im Temperaturbereich von 60 bis 75°C liegt.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverringerung ΔT_u im Temperaturbereich von 0 bis 30°C liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das elektrische Feld eingebrachte Energie kleiner als 0,6 J/cm³, aber grösser als 0,1 J/cm³ ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeit auf eine Schwellentemperatur T_s von mehr als etwa 70°C erwärmt und ein elektrisches Feld anlegt, das eine Energiedichte von weniger als 2,5 J/cm³ erzeugt, um eine Inaktivierung von Enzymen zu bewirken.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit im Wesentlichen gleichförmig in weniger als drei Sekunden auf die Behandlungstemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld durch die gleiche Energiequelle erzeugt wird, die die Flüssigkeit erwärmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld und die Aufwärmung durch eine elektromagnetische Strahlung vom Typ der Mikrowellen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Flüssigkeit durch eine Induktionswirkung bei niedriger Frequenz bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld durch ein gleichpoliges elektrisches Feld erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld durch ein elektrisches Gleichfeld erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sterilisationsverfahren auf dicht verschlossene, eine zu sterilisierende Flüssigkeit enthaltende Flaschen angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flasche mit einer Geschwindigkeit von 1000 U/min oder mehr um ihre eigene Achse gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter der Wirkung mehrerer elektrischer Feldimpulse ausgesetzt wird, wobei jeder Impuls einer anderen Position eines im Behälter vorliegenden Gasraumes entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf feste Gegenstände angewendet wird, die in eine Flüssigkeit eingetaucht sind oder mit ihr in Berührung stehen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Trägheit der zu sterilisierenden Flüssigkeit durch den Zusatz von Elementen aus dielektrischen Materialien modifiziert wird, die eine höhere mittlere Wärmekapazität als die zu sterilisierende Flüssigkeit besitzen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Anwendung des elektrischen Feldes die Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher abgekühlt wird, der mit einer Vorerwärmvorrichtung stromauf von der Vorrichtung zur Anwendung des elektrischen Feldes gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer, während der die Flüssigkeit dem elektrischen Feld ausgesetzt wird, weniger als eine Sekunde beträgt.
Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein kinematisches System (4) für die Positionierung und Verschiebung des flüssigen Erzeugnisses (2) sowie eine entlang des kinematischen Systems (4) angeordnete Sterilisationsstation (6) umfasst, wobei die Sterilisationsstation eine elektrische Energiequelle, um in der die Sterilisationsstation durchquerenden Flüssigkeit ein elektrisches Feld von 10² V/cm bis 10⁴ V/cm zu erzeugen, sowie einen Ultraschallgenerator umfasst.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Aufheizstation (5) stromauf von der Sterilisationsstation umfasst.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abkühlstation (7) stromab von der Sterilisationsstation umfasst.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizstation und die Abkühlstation mit einem Wärmetauscher ausgerüstet sind, um die Wärme der Abkühlstation zurückzugewinnen und für die Erwärmung der Flüssigkeit in der Aufheizstation zu verwenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle eine Leistung besitzt, die geeignet ist, die zu sterilisierende Flüssigkeit auf mindestens 60°C zu erwärmen und ein elektrisches Feld von etwa 10³ V/cm in der zu sterilisierenden Flüssigkeit zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle ein Induktionselement ist, das ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle zumindest ein Paar von Elektroden umfasst, die zu beiden Seiten der zu sterilisierenden Flüssigkeit angeordnet und dafür geeignet sind, ein kapazitives Feld zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle ein Mikrowellengenerator ist.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sterilsationsstation einen Wellenleiter umfasst, der an den Mikrowellengenerator angeschlossen ist, wobei der Wellenleiter einen Kammerabschnitt (25) umfasst, in dem ein oder mehrere gekrümmte Wellenreflektoren (26) angeordnet sind, und wobei die Sterilisationsstation ausserdem einen Kanal (13') umfasst, in dem die zu sterilisierende Flüssigkeit (2) von unten nach oben durch den Kammerabschnitt (25) fliesst.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal 13' einen schlangenförmigen Abschnitt umfasst, der im Inneren des Kammerabschnitts des Wellenleiters angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass sie stromauf von der Sterilisationsstation einen Mischer umfasst, der es ermöglicht, Zusätze hinzuzugeben, die die mittlere thermische Trägheit der behandelten Flüssigkeit erhöhen bzw. verringern, sowie stromab eine Trennstation, die es ermöglicht, die behandelte Flüssigkeit vom Zusatz abzutrennen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Sterilisationsstation einen Wärmetauscher umfasst, der es ermöglicht, die Aufheiztemperatur der behandelten Flüssigkeit zu begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Sterilisationsstation einen Behandlungskanalabschnitt (29) umfasst, in dem sich die mit der zu sterilisierenden Flüssigkeit gefüllten Behälter (3) bewegen, wobei der Behandlungskanalabschnitt über eine mit Schlitzen (37) versehene Wand mit einem Wellenleiter (27) des Mikrowellengenerators (1') verbunden ist.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungskanalabschnitt stromauf und stromab mit einer Vorrichtung zur Abschirmung von Mikrowellen versehen ist, die ein mit Schaufeln (32) versehendes Drehkreuz umfasst, das die Mikrowellen abblockt.
Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungskanalabschnitt (29) um einen Winkel α geneigt ist, der es Behältern ermöglicht, sich durch Schwerkraft den Kanalabschnitt entlang zu bewegen.