DE69735141T2

DE69735141T2 - Verfahren zur sterilisation von geschlossenen behältern

Info

Publication number: DE69735141T2
Application number: DE69735141T
Authority: DE
Inventors: Anders Kristiansson; Jan Andersson
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1996-10-14
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: WO1998016287A1; ATE316039T1; JP2001502278A; DE69735141D1; US6355216B1; EP1023224B1; ES2252796T3; SE507526C2; CN1087258C; SE9603736D0; AU4640597A; EP1023224A1; CN1233221A; BR9711912A; SE9603736L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sterilisieren eines Behälters.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Um diesen Zweck zu erfüllen, ist das Verfahren gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 ausgestattet worden.
Um die Erfindung weiter zu erläutern, wird auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, in welcher
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.
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.
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.
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.
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.
Beispiel 1. Bestimmung der Halbwertzeit für Ozon.
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.
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.
Beispiel 2. Untersuchung des Vorhandenseins von irgendeinem Nebengeschmack nach der Ozonbehandlung.
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.
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.

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.
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.
Beispiel 3. Untersuchung des tödlichen Effekts nach der Ozonbehandlung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Sterilisieren eines Behälters, gekennzeichnet durch die Schritte, dass der Behälter verschlossen wird, der Behälter einer Elektronenbestrahlung unterworfen wird, wobei Ozon innerhalb des Behälters durch die Umwandlung von atmosphärischem Sauerstoff erzeugt wird, und das erzeugte Ozon für eine ausreichende Zeitdauer in dem geschlossenen Behälter gehalten wird, um den selben zu sterilisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter nach der Elektronenbestrahlung aber vor seinem Befüllen gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Energieniveaus unterhalb von 300 keV für die Elektronenbestrahlung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ozonmenge innerhalb des Behälters eingestellt wird, indem seine Atmosphäre modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre modifiziert wird, indem die Ozonmenge in dem Behälter verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre modifiziert wird, indem die Feuchtigkeit in dem Behälter verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre modifiziert wird, indem die Temperatur in dem Behälter verändert wird.