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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sterilisieren eines
Behälters.
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In
der Lebensmittelindustrie besteht eine große Notwendigkeit, in der Lage
zu sein, Behälter
zu sterilisieren, die als geschlossene Behälter hergestellt werden und
die, wenn sie anschließend
gefüllt werden
sollen, unter sterilen Bedingungen geöffnet, gefüllt und verschlossen werden
können.
Weiterhin besteht ein großes
Interesse des Marktes an einer aseptischen Flasche aus Polyethylenterephtalat (PET).
Die aseptische Behandlung eines Verpackungsmaterials wie beispielsweise
Polyester ist ziemlich ungewöhnlich,
da diese Art von Material meistens für Softdrinks und dergleichen
verwendet wird.
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Elektronenkanonen
sind für
Lebensmittelbehälter
zu dem Zweck verwendet worden, relativ dünne Behälter von der Außenseite
her zu sterilisieren, und mehrere Jahre lang ist das Sterilisierungsverfahren
für die
weitere Verwendung innerhalb der Verpackungsindustrie in Erwägung gezogen
worden. Wenn eine im Handel erhältliche
Kunststofflasche von der Außenseite
her mit einem relativ niederenergetischen und damit preiswerten,
im Handel erhältlichen Elektronenerzeuger
bestrahlt wird, ist es relativ einfach, den Rauminhalt innerhalb
der Flasche wie auch glatte Oberflächen an der Innenseite des
Behälters zu
steri lisieren. Wenn jedoch andere Stellen in der Flasche wie dessen
Nacken- und Bodenteil betroffen sind, ist das Material an diesen
Stellen so dick und die Bestrahlung aufgrund der niedrigen Energie
so niedrig, dass ein ausreichend tödlicher Effekt nicht erreicht
werden kann. Deshalb sind unterschiedliche Systeme entwickelt worden,
um eine effektive Sterilisation innerhalb dieser Art von Behältern zu
erhalten, wobei die Sterilisation über den offenen Teil des Behälters erreicht
wird.
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Der
Sterilisierungseffekt von Elektronen ist schon eine lange Zeit bekannt
gewesen. Elektronenbestrahlung ist ein allgemein bekanntes Sterilisierungsverfahren,
und der Mechanismus hinter dem tödlichen
Effekt ist sorgfältig
studiert worden. Der wesentliche tödliche Mechanismus der Bestrahlung
besteht darin, dass diese Elektronen innerhalb einer Zelle Verbindungen
in einer DNA-Kette sprengen.
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Ein
Problem mit der Elektronenstrahlsterilisierung ist stets gewesen,
dass während
der Bestrahlung des zu sterilisierenden Materials immer Ozon gebildet
wird. Wenn nach diesem Verfahren sterilisiert wird, was hauptsächlich bei
nicht geschlossenen Behältern
in enger Verbindung mit dem Füllvorgang
des Behälters
geschieht, sind große
Mühen erbracht
worden, sich um dieses giftige Gas zu kümmern. Dies kann erreicht werden,
indem der Behälter durch
eine Heizvorrichtung mit steriler Luft geführt wird, wobei das gebildete
Ozon zum größtmöglichen Maß deaktiviert und/oder
abgeführt
wird. Alternativ kann überbleibendes
Ozon mit Stickstoff entfernt werden oder der Sterilisierungsprozeß kann in
einem Vakuum durchgeführt
werden. Diese Prozeduren sind jedoch alle kostenintensiv.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass das gebildete Ozon wiederum
mit dem Verpackungsmaterial reagieren kann und die erhaltenen Reaktionsprodukte
einen Geschmack abgeben können,
wenn sie von dem Material gelöst
werden. Somit geht man davon aus, dass das erzeugte Ozon zu Produktbeschränkungen
dahingehend führt,
dass empfindliche Produkte schwieriger zu verpacken sind.
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Der
Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art anzugeben, welches Verfahren eine effektivere Sterilisation
von geschlossenen Behältern
in einer billigen und einfachen Weise erlaubt, wobei die oben erwähnten Probleme
eliminiert werden.
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Um
diesen Zweck zu erfüllen,
ist das Verfahren gemäß der Erfindung
mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 ausgestattet worden.
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Um
die Erfindung weiter zu erläutern,
wird auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, in welcher
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1 das
Töten von
Mikroorganismen als eine logarythmische Reduktion (LGR) nach der
Elektronenbestrahlung von geschlossenen PET-Flaschen, die Luft (leere
Rechtecke) oder Helium (schraffierte Rechtecke) enthalten, zeigt.
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Während einer
Elektronenbestrahlung in Luft wird der darin enthaltene Sauerstoff
in Ozon umgewandelt. Die unterschiedlichen Effekte, die durch Ozon
verursacht werden, sind nicht so gut untersucht worden wie jene,
die durch Elektronenbestrahlung verursacht werden. Es ist bekannt,
dass Ozon ein starkes Oxidant von organischen Substanzen ist, aber
die Aussicht, Ozon zu verwenden, ist durch das hohe Investment und
die hohen Betriebskosten zu seines Herstellung beschränkt gewesen.
Es wird jedoch beobachtet, dass die Ozonmoleküle – in der Form von aktiviertem
Sauerstoff – mittels
einer Kettenreaktion zu sogenannten freien Radikalen führen, die
dazu führen,
dass Biomoleküle
(DNA, RNA, enzymische und strukturelle Proteine, und gesättigte Fettsäuren etc.)
verändert
und zerstört
werden. Somit können
mehrere, vielleicht sogar alle Enzyme in einer Zelle durch die oxidative
Veränderung
ihrer katalytischen oder allosterischen Zentren beeinflußt werden.
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Die
Luft, die durch die Elektronenbestrahlung aktiviert worden ist,
wird gemäß der Erfindung dahingehend
verwendet, dass der Behälter
verschlossen wird, bevor die Elektronenbestrahlung gestartet wird,
und das gebildete Ozon innerhalb des geschlossenen Behälters zu
dem Zweck gehalten wird, diesen zu sterilisieren. Somit wird eine
ozonreiche Umgebung erzeugt, der es während einer geeigneten und
notwendigen Zeitdauer erlaubt wird, ihre Wirkung auszuüben, so
dass eine zufriedenstellende Sterilisierung erhalten wird.
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Es
ist jedoch herausgefunden worden, dass das gebildete Ozon eine Halbwertzeit
hat, die sehr von seiner Umgebung abhängt, d.h. dem Material in der
Nähe der
O3-Moleküle.
Die Halbwertzeit hängt von
Parametern wie der Feuchtigkeit der Luft sowie der Temperatur ab
und kann von etwa 10 Sekunden bis zu mehreren Tagen variieren. Ein
zu schneller Abbau in einem geschlossenen Behälter würde dazu führen, dass die erforderliche
Sterilisierungsdosis [f (Zeit, Konzentration)] zu niedrig wird.
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Es
wurden daher Versuche mit PET-Flaschen zu dem Zweck ausgeführt, sicherzustellen,
ob das in einem geschlossenen Behälter gebildete Ozon zusammen
mit der das Ozon erzeugenden Elektronenbestrahlung in der Lage sein
würde,
eine effektive Sterilisierung zu produzieren, indem es dem Ozon
erlaubt wird, eine bestimmte Zeitdauer zu haben, um zu wirken.
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Beispiel 1. Bestimmung
der Halbwertzeit für
Ozon.
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Um
den Abau des Ozons, welches erzeugt wird, indem geschlossene PET-Behälter bestrahlt werden,
wurden ein 300 keV Elektronenstrahl und ein Analysegerät Otsomat
MP Ozon (Anseros Deutschland) verwendet wurden. Das Ozon wurde mit
einer Beschleunigungsspannung von 300 keV und einer Dosierung von
20 kGy in 60 PET-Flaschen erzeugt, die einem kleinen Druck oberhalb
der Atmosphäre
zu dem Zweck aus gesetzt wurden, das Eindringen von Luft zu vermeiden.
Die Ozonkonzentration in Flaschen wurden dann 12,5 Stunden lang
verfolgt.
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Mit
dieser Behandlung durch Elektronenbestrahlung wurde eine Halbwertzeit
von 5 Stunden bestimmt. Es wurde geschätzt, das die Halbwertzeit ausreichend
lang ist, um einen Sterilisierungseffekt in Mikroorganismen, die
bereits aufgrund dessen geschädigt
worden waren, dass sie Elektronen ausgesetzt wurden, zu erhalten.
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Beispiel 2. Untersuchung
des Vorhandenseins von irgendeinem Nebengeschmack nach der Ozonbehandlung.
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Um
zu klären,
ob Nebengeschmackprobleme in PET-Flaschen von 300 ml erreicht werden,
in denen Ozon durch Elektronenbestrahlung hergestellt wurde, und
um zu untersuchen, ob eine Ozonaussetzung für eine lange Zeitdauer eine
solche Wirkung hat, wurden eine Reihe von Experimenten ausgeführt, indem
eine Elektronenkanone mit einem Energieniveau von 300 keV verwendet
wurde. In dieser Verbindung erhielten die Flaschen starke Überdosen, dass
heißt
die doppelte Dosis, die für
eine Sterilisierung erforderlich wäre. Die Dosen wurden durch
eine Far West Radiachromic-Lesevorrichtung
(Far West Technologies, CA, USA) bestimmt.
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Flaschen,
die in Luft erzeugtes Ozon enthalten, wurden mit Flaschen verglichen,
die mit Elektronen in einer innerten Atmosphäre bestrahlt wurden. So wurden
verschlossene PET-Flschen von 350 ml durch vier unterschiedliche
Behandlungen getestet:
- 1. Die Flaschen enthielten
Luft und wurden mit einer Überdosis
von 25 kGy bestrahlt;
- 2. Die Flaschen enthielten Luft und wurden mit einer Überdosis
40 kGy bestrahlt;
- 3. Die Flaschen enthielten Stickstoffgas und wurden mit einer Überdosis
von 25 kGY bestrahlt;
- 4. Die Flaschen enthielten Luft und wurden nicht bestrahlt,
aber als ein Referenzbeispiel behandelt.
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Nach
der Bestrahlung wurde es den Flaschen 24 Stunden erlaubt, stehen
zu bleiben, und sie wurden dann geöffnet und mit gefiltertem Wasser
gefüllt.
Nach einer weiteren Inkubationszeit von 9 Tagen bei Raumtemperatur
wurde eine Sensoranalyse durchgeführt, um den Nebengeschmack
zu quantifizieren, welche nach einer Geschmackstesttafel 0 (kein
Nebengeschmack) bis 3 (starker Nebengeschmack) gradiert war.
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Man
sah alle behandelten Flaschen so an, dass sie einen akzeptabel kleinen
Nebengeschmack hatten. Somit konnten keine signifikanten Differenzen
einem Unterschied in dem Dosierungsniveau oder unterschiedlichen
Atmosphären
in der Flasche zugewiesen werden.
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Beispiel 3. Untersuchung
des tödlichen
Effekts nach der Ozonbehandlung.
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In
dieser Reihe von Experimenten wurde der Effekt von Ozon auf mit
Elektronen bestrahlten PET-Flaschen hinsichtlich der getöteten Mikroorganismen
untersucht. Bazillus Pumilus ATCC 27242 und Bazillus Subtilis NCA
7252 wurden als Testorganismen verwendet. Die Fähigkeit, diese Organismen zu
töten,
wurde als die logarithmische Reduzierung bestimmt, welche als die
Anzahl von Organismen in einem Referenzbeispiel abzüglich der
Anzahl von überlebenden
Organismen definiert.
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Einer
der Testorganismen wurde in PET-Flaschen eingeschlossen und einer
Elektronenkanone (10 MeV, Risö National
Laboratories) mit Dosen von 7 beziehungsweise 9 kGy ausgesetzt,
und die Flaschen wurden dann mit 50 ml Kulturbrühe für jeden Organismus gefüllt. Die
Flaschen wurden intkubiert und anschließend analysiert, um zu bestimmen,
ob irgendein Wachstum in einer der Flaschen auftaucht oder nicht.
Die Ergebnisse wurden im Vergleich mit Referenzproben statistisch
in einer herkömmlichen Weise
(basierend auf dem Verfahren mit "Der höchstwahrscheinlichen Anzahl"), welche Fachleuten
gut bekannt ist, ausgewertet.
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Die 1 zeigt
die logarithmische Reduzierung von B. Pumilus und B. Subtilis in
Helium und Luft (30 % relative Luftfeuchtigkeit) mit Bestrahlungsdosen
von 7 beziehungsweise 9 kGy für
die beiden Mikroorganismen.
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Wenn
PET-Flaschen, die eine reaktive oder nicht-reaktive Atmosphäre, das
heißt
Luft beziehungsweise Helium enthalten bestrahlt wurden, wurde ein
signifikanter Unterschied in der logarithmischen Reduzierung nach
der Elektronenbestrahlung erhalten. So war die logarithmische Reduzierung
für Bazillus
Subtilis 25 % höher
und 20 % höher
für Bazillus
Pumilus, wenn die Bestrahlung in Luft ausgeführt wurde im Vergleich mit
einer Atmosphäre
von Helium. In dieser Verbindung konnte festgestellt wurden, dass
das in den Behältern
erzeugte Ozon die Reduzierung der Anzahl von Mikroorganismen drastisch
beeinflußt.
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Durch
die gleichzeitige wie auch sequentielle Verwendung von den beiden
Sterilisierunsverfahren Elektronenbestrahlung mit Ozonbehandlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung von wird nicht nur ein zusätzlicher Effekt sondern auch
ein synergetischer Effekt erhalten, der überraschend ist. Weiterhin
zeigen Experimente, das auch ein zusätzlicher Effekt dahingehend
erhalten wird, dass die bestrahlungsresistenten Organismen nicht
gleichzeitig gegen Ozon resistent sind und umgekehrt.
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Ohne
in irgendeiner Weise an eine bestimmte Theorie oder einen Wirkungsmechanismus
gebunden zu sein, könnten
die Effekte, die durch die Sterilisierung gemäß der Erfindung wie folgt begründet sein.
Wenn mit 25 kJ pro Kg sterilisiert wird, entspricht dies 109 Elektronen, die während des Sterilisierungsprozesses
durch einen Mikroorganismus geführt
werden, und nur ein kleiner Teil von diesen Elektronen wird zu einem
direkt tödlichen
Effekt in der Form einer Zerstörung
von DNA führen.
Alle Elektronen passieren jedoch die Zellmembranen und werden Membranschäden erzeugen,
welche den Organismus schwächen
und zu einer erhöhten
Wahrscheinlichkeit führen,
dass das durch die Elektronenbestrahlung erzeugte Ozon leichter
in der Lage ist, in die Zelle einzudringen. Wenn es einmal in der
Zelle ist, kann das Ozon seine zusätzliche Wirkung ausüben. Ein
zusätzlicher
Effekt kann dadurch erklärt
werden, daß die
beiden Sterilisierungsverfahren in der Lage sind, auf unterschiedliche
Weisen zu wirken. Die Wirkung wird daher synergetisch, indem das Ozon
Enzyme zerstört
und darüber
hinaus die enzymischen DNA-Reparaturmechanismen
eliminiert werden.
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Die
Möglichkeit
der Elektronen, in ein Verpackungsmaterial einzudringen, ist relativ
niedrig, aber hängt
natürlich
von der Bestrahlungsenergie ab. Dank der Erfindung wird das Energieniveau,
das für die
Elektronenbestrahlung erforderlich ist, nicht dadurch beeinflußt, das
der Behälter
lokal eine große Materialdicke
hat wie beispielsweise der Nacken einer Flasche. Auf diese Weise
können Energieniveaus
von weniger als 300 keV verwendet werden, was dazu führt, das
eine im Handel erhältliche
Ausrüstung
verwendet werden kann.
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Ein
wichtiger Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin,
dass der verwendete ungefüllte
Behälter
geschlossen und undurchlässig
hergestellt wird. Somit findet die Erzeugung sowie der Abbau des
giftigen Gases innerhalb eines schon zuvor geschlossenen Behälters statt.
Wenn der Behälter
einer Elektronenbestrahlung unterworfen wird, findet eine bestimmte
Sterilisierung statt und wird gleichzeitig Ozon gebildet. Bevor
der Behälter
gefüllt wird,
wird es dem Ozon erlaubt, für
eine solche lange Zeitdauer zu wirken, dass seine Wirkung zusammen mit
dem Anfangsdefekt der Elektronenbestrahlung zu einer ausreichenden
Sterilisierung des Behälters führt. Da
es viel Zeit benötigt,
um die durch eine Elektronenbestrahlungen erhaltenen Verletzungen
zu reparieren, kann es notwendig sein, eine lange Lagerzeit mit
Ozon in dem Behälter
zu verwenden.
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Während des
Sterilisierungprozesses nach der Behandlung des Behälters mittels
der Elektronenbestrahlung weiter fortschreitet, wird der Behälter zu
der Abfüllstelle
transportiert, wo der Behälter
in einer sterilen Umgebung gefüllt
und wieder verschlossen wird. Wenn die Zeit zwischen der Sterilisierung und
dem Abfüllen
des Behälters
ausreichend lang ist, wird die Ozonkonzentration abnehmen. Entsprechend
wird der Nachteil der Behandlung eines giftigen Gases reduziert,
wenn der Behälter
gefüllt
wird. Es ist auf diese Weise möglich,
den Abbau so lange Fortschreiten zu lassen, dass der Ozongehalt
harmlos ist, wenn der Behälter
in der Abfüllmaschine
geöffnet
wird.
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Der
Ozongehalt kann gemäß der Erfindung jedoch
auch eingestellt werden, indem die Atmosphäre innerhalb des Behälters modifiziert
wird. Beispielsweise kann die in dem Behälter erzeugte Ozonmenge erhöht werden,
indem dem Behälter
mehr Sauerstoff zugeführt
wird, bevor er geschlossen wird. weiterhin kann die Abbaurate des
Ozons verringert werden, indem die Temperatur in dem Behälter abgesenkt
wird. Entsprechend wird eine erhöhte
Abbaurate erreicht, wenn die Temperatur erhöht wird. Verbleibendes Restozon
in einem Behälter
kann auf diese Weise eliminiert werden, indem der Behälter direkt vor
dem Abfüllprozess
erwärmt
wird.
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Die
Abbaurate kann auch erhöht
werden, indem die Feuchtigkeit in dem Behälter erhöht wird. Durch Steuerung der
Feuchtigkeit in dem Behälter wird
auch die Wasseraktivität
gesteuert, was wiederum die Tötungsrate
der Mikroorganismen während des
Sterilisierungsprozesses beeinflußt.