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STAND DER TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Sterilisationsverfahren und im Besonderen ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Sterilisieren organischer und anorganischer
Stoffe in einer nichtwässerigen
Umgebung und zum Sterilisieren von Luft unter Verwendung einer gleichzeitigen
Kombination aus Wellenenergie von ultraviolettem Licht und Ultraschallwellenenergie.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Die effektive Entfernung lebensfähiger pathogener
bzw. krankheitserregender Mikroorganismen ist unentbehrlich für Personen,
die regelmäßig mit
potenziell infektiösen
Mikroorganismen in Berührung
bzw. in Kontakt gelangen. Medizinisches Personal, Zahnärzte und
Zahnhygieniker sind häufig
Körperflüssigkeiten
ausgesetzt, die infektiöse
Mikroorganismen aufweisen können,
wie zum Beispiel Viren, Bakterien und dergleichen. Instrumente (einschließlich der
menschlichen Hände)
müssen
wirksam sterilisiert werden, um die Übertragung potenziell infektiöser Mikroorganismen
zwischen Patienten und Behandlungspersonal und unter diesen Personengruppen
zu verhindern. Forscher auf dem Gebiet der Mikrobiologie gehen im
Rahmen ihrer regelmäßigen Aufgaben
ständig
mit potenziell infektiösen
Mikroorganismen um und benötigen
eine effektive und regelmäßige Sterilisierung
ihrer Instrumente und Hände,
um sich und ihre Mitarbeiter vor einer derartigen unerwünschten
Exposition zu schützen.
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Für
Menschen, die auf dem Gebiet der Verarbeitung, Verpackung und anderen
Dienstleistungen in Verbindung mit Lebens- bzw. Nahrungsmitteln
tätig sind,
ist es ebenfalls unentbehrlich, potenziell infektiöse Mikroorganismen
wirksam von einer Vielzahl von Lebensmitteloberflächen sowie
den verschiedenen Vorrichtungen zu entfernen, die beim Umgang und
der Verarbeitung von Lebensmitteln verwendet werden. Im Rahmen ihrer
jeweiligen Arbeitsaufgaben muss derartiges Personal mit zahlreichen
Waren umgehen, wie etwa mit rohem Fleisch, Geflügel, Meeresfrüchten, Backwaren
und Gemüse,
und zwar bei der Verarbeitung, Verpackung, Zustellung und dem Verkauf
an die Öffentlichkeit.
In der Gastronomie tätiges
Personal muss häufig
mit Lebensmittelprodukten umgehen und diese vorbereiten, die häufig kurz
danach von Verbrauchern konsumiert werden. Im Besonderen rohes Fleisch,
Geflügel
und Meeresfrüchte
sind ideale Quellen für
die Inkubation und Vermehrung unerwünschter und potenziell infektiöser Mikroorganismen.
Die Ausrüstung
eines Arbeiters und dessen Hände
müssen
regelmäßig wirksam
sterilisiert werden, um es zu verhindern, dass man sich selbst infiziert
oder dass sich Mikroorganismen von einer kontaminierten Quelle auf
den Rest des Vorrats ausbreiten, und wodurch somit die Öffentlichkeit
der Gefahr einer Exposition ausgesetzt wird.
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Ebenso ist es unentbehrlich, potenziell
infektiöse
Mikroorganismen von einer Vielzahl unterschiedlicher medizinischer
und dentaler Instrumente und Vorrichtungen zu entfernen, die durch
andere herkömmliche Methoden
bzw. Einrichtungen nicht wirksam sterilisiert werden können, wie
etwa durch eine Behandlung in Autoklaven, und zwar aufgrund der
internen elektronischen Beschaffenheit. Diese Instrumente und/oder
Vorrichtungen werden häufig
bei Patienten eingesetzt, wo infektiöse Mikroorganismen, die auf
der Oberfläche
der Instrumente und/oder Vorrichtungen vorhanden sind, auf den behandelten
Patienten (oder gar in den behandelten Patienten) übertragen
werden können,
wenn die Instrumente und/oder Vorrichtungen vor dem Einsatz nicht effektiv
sterilisiert worden sind, wobei dies potenziell lebensbedrohliche
Bedingungen bewirken kann.
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Lebensmittel, die für den öffentlichen
Verbrauch verfügbar
bzw. erhältlich
sind, erfordern ebenfalls die effektive Entfernung von potenziell
gefährlichen
Mikroorganismen vor dem Verbrauch durch die Öffentlichkeit. Wie dies bereits
vorstehend im Text erörtert
worden ist, kann die Handhabung von Lebensmitteln durch Arbeiter
mit nicht sterilen Händen
zur Ausbreitung unerwünschter
Mikroorganismen führen,
oder umgekehrt kann der direkte Kontakt von Lebensmitteln mit kontaminierten
Ausrüstungsteilen
für die
Lebensmittelverarbeitung und -verpackung ebenfalls zur Ausbreitung
unerwünschter
Mikroorganismen führen.
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Eine häufig verwendete Methode zum
Sterilisieren der Hände
von Personal auf den Gebieten der Medizin, der Zahnmedizin und der
Lebensmittelbranche ist das wiederholte Waschen und/oder Schrubben
der Hände.
Dieses Verfahren kann zeitaufwändig
sein, da es häufig
bzw. regelmäßig wiederholt
werden muss, nachdem ein Arbeiter mit einer potenziell kontaminierten
Quelle in Kontakt gelangt ist. Diese Methode kann die Hände eines
Arbeiters jedoch nicht wirksam sterilisieren, und zwar aufgrund
von ineffektiven Waschtechniken, der Art der verwendeten Reinigungsmittel
oder gar der Länge
der mit dem tatsächlichen
physischen Reinigen der Hände
verbrachten Zeit. Ferner kann das regelmäßige, wiederholte Hände waschen
die Haut schädigen,
und zwar aufgrund des Einsatzes von Seifen, Reinigungsmitteln und
das tatsächliche
Schrubben, wodurch die natürlichen
Hautfette entfernt werden und eine dehydratisierte und gereizte
Haut verbleibt. Die Nachteile des übermäßigen Zeitverbrauchs, der nicht
sorgfältigen
Sterilisation der Hände
und der Hautreizung können
es bewirken, dass ein Arbeiter seine Hände eben nicht regelmäßig wäscht, wie
dies erforderlich wäre,
um die Ausbreitung potenziell infektiöser Mikroorganismen effektiv
zu verhindern.
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Medizinische und dentale Instrumente
und Vorrichtungen bzw. Geräte
werden für
gewöhnlich
unter Verwendung von Dampfautoklaven und anderen Verfahren sterilisiert,
die den Einsatz von Wärme,
Dampf, Gammastrahlung, Elektronenstrahlen und/oder chemischen Mitteln
zur Entfernung lebensfähiger
pathogener Mikroorganismen umfassen. Die Wirksamkeit bzw. Effektivität dieser
Verfahren ist jedoch schwankend und die Methoden erfordern für gewöhnlich den
Einsatz teurer, hoch entwickelter Ausrüstungen, und ihre Durchführung nimmt
allgemein viel Zeit in Anspruch. Ferner sind bestimmte Instrumente
und Vorrichtungen besonders empfindlich in Bezug auf hohe Temperaturen,
Feuchtigkeit, Gammastrahlung, Elektronenstrahlen und/oder bestimmte
chemische Mittel, so dass sie derartigen Sterilisationsverfahren
nicht standhalten können.
Somit erfordern im Besonderen derartige Instrumente den Einsatz
anderer Sterilisationsverfahren.
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Der Einsatz von ultraviolettem Licht
ist eine weitere Methode für
die Sterilisation von organischen und anorganischen Stoffen. Es
konnte festgestellt werden, dass es sich bei einer wirksamen Methode
zur Zerstörung
von Mikroorganismen um den Einsatz von ultraviolettem Licht bestimmter
Wellenlängen
handelt. Beim Einsatz dieser Sterilisationsmethode platziert der
Anwender bzw. der Benutzer das Objekt oder die Vorrichtung, das
bzw. die zu reinigen ist, in einer Kammer, um das zu reinigende
Objekt bzw. die zu reinigende Vorrichtung einer vorgeschriebenen
Dosierung von ultraviolettem Licht auszusetzen. Das Innere der Reinigungskammer
ist für
gewöhnlich
mit einer reflektierenden Oberfläche überzogen,
die Licht reflektiert, um sicherzustellen, dass alle sterilisierten
Oberflächen
des Objekts mit einer ausreichenden Menge von ultraviolettem Licht bestrahlt
werden. Der erforderliche Zeitaufwand für eine angemessene Dosierung
des ultravioletten Lichts variiert, wobei für gewöhnlich jedoch mindestens zehn
Sekunden erforderlich sind. Auf den Einsatz von ultraviolettem Licht
zur mikrobiologischen Sterilisation organischer und anorganischer,
oberflächlicher
Stoffe wurde in der Vergangenheit zu Gunsten höher entwickelter bzw. modernerer
Methoden verzichtet, bei denen Wärme bzw.
Hitze, Dampf, Gammastrahlung, Elektronenstrahlen und/oder Chemikalien
zum Einsatz kommen. Dabei kann es sich um das Ergebnis des Wunsches
eines Herstellers handeln, an Stelle einer vereinfachten Technologie
teurere Sterilisationsvorrichtungen anzubieten. Für gewöhnlich wird
der Einsatz von ultraviolettem Licht auf die Behandlung von Luft
und/oder Wasser verwiesen, die bzw. das allgemein um die Quelle
des ultravioletten Lichts in einer Kammer oder dergleichen und danach
in die Sterilisationsumgebung zirkuliert wird.
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Andere Sterilisationsmethoden umfassen
den Einsatz von Ultraschallwellen, die durch eine wässerige Lösung in
Resonanz treten, in welche das zu sterilisierende Objekt entweder
teilweise oder ganz eingetaucht ist. Die Ultraschallwellen in der
wässerigen
Lösung
verursachen Zonen der Kompression und der Leere, die physikalisch
auf das in der wässerigen
Lösung
platzierte Objekt wirken, wodurch bewirkt wird, dass sich daran angeordnete
Fremdstoffe lösen
und in der Lösung
auflösen.
Wenn es sich bei dem zu sterilisierenden Objekt zum Beispiel um
eine menschliche Hand handelt, muss die verwendete wässerige
Lösung
für die
menschliche Haut verträglich
sein, wodurch die Arten der verfügbaren
wässerigen
Lösungen,
die verwendet werden können und
effektiv sind, begrenzt sind. Da die Hände ferner unter Verwendung
dieser Sterilisationsmethode in eine wässerige Lösung getaucht werden müssen, werden
die Hände
mit der wässerigen
Lösung
gesättigt
und müssen
danach getrocknet werden. Der Prozess des Trocknens der Hände schließt für gewöhnlich das
Führen
von Luft über
die Hautoberfläche über einen
Zeitraum ein, bis die Hände
ausreichend trocken sind. Dies ist zeitaufwändig und kann die Haut austrocknen.
Wenn es sich bei dem zu sterilisierenden Objekt um einen anderen organischen
Stoff handelt, wie etwa um Fleisch, Geflügel, Meeresfrüchte oder
Gemüse,
so kann das Eintauchen des Objekts in eine wässerige Lösung die Eigenschaften des
Objekts beschädigen
oder gar zerstören, wodurch
das Lebensmittelprodukt nicht mehr verwendet bzw. konsumiert werden
kann. In ähnlicher
Weise werden bestimmte medizinische Instrumente und Vorrichtungen,
die sterilisiert werden müssen,
funktionsuntüchtig,
wenn sie in eine wässerige
Lösung
getaucht werden. Diese Situationen veranschaulichen den Bedarf für ein Sterilisationsverfahren,
das organische Stoffe in einer gasförmigen Umgebung effektiv, regelmäßig bzw. häufig und
schnell sterilisieren kann.
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Es gibt auch Sterilisationsverfahren,
welche den Einsatz sowohl von ultraviolettem Licht als auch von Ultraschallwellen
kombinieren, wobei jedoch alle Verfahren vor der vorliegenden Erfindung
den Schritt des Emittierens von Ultraschallwellen in einer wässerigen
Lösung
durchführen.
Unter Verwendung dieses Verfahrens wird eine ultraviolette Lichtquelle
so positioniert, dass eine Reinigungsflüssigkeit in einem Reinigungsbehälter bestrahlt
wird, in welchen das zu sterilisierende Objekt eingetaucht wird.
Ein piezoelektrischer Messwandler bewegt die Flüssigkeit mittels Ultraschall
hin und her, wobei eine mikroskopische und makroskopische Hin- und
Herbewegung bewirkt wird, welche Fremdstoffe von der Oberfläche des
Objekts löst.
Da der Schritt der ultravioletten Bestrahlung gleichzeitig zu dem
Prozess der Ultraschallbestrahlung ausgeführt wird, werden die von dem
zu sterilisierenden Objekt gelösten
Mikroorganismen ultraviolettem Licht ausgesetzt, wodurch die Mikroorganismen
zerstört
werden. Bei diesen kombinierten Verfahren bestehen weiterhin die
Nachteile, die jedem der vorstehend genannten Schritte zugeordnet
sind.
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Die Fähigkeit, die Umgebungsluft
zu sterilisieren oder Keime, Bakterien und dergleichen aus Luft
zu entfernen, ist ebenfalls unter anderem von Nutzen für Personal
im Gesundheitswesen, an industriellen Standorten sowie in Haushalten.
Die Reduzierung der Übertragung
von Krankheiten, einschließlich
einer erworbenen Immunschwäche,
unter Verwendung von schwebenden Trägern erfolgt unter Verwendung
bekannter Luftreinigungssysteme. Für gewöhnlich erfolgt dies unter Verwendung
von Luftfiltern, die in regelmäßigen Abständen ausgewechselt
werden müssen,
und zwar entweder alleine oder in Verbindung mit keimtötender ultravioletter
Strahlung, wobei zahlreiche Methoden entwickelt wurden, die diesen
Ansatz verwenden. Allgemein werden Filtereinrichtungen oberhalb
bzw. vor Ultraviolettlampen platziert, und wobei Luft nahe den Lampen
vorbeigeführt
wird.
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Benötigt werden somit ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Sterilisieren von organischen und anorganischen
Stoffen in einer nichtwässerigen
Umgebung unter Verwendung einer Kombination aus der Wellenenergie
von ultraviolettem Licht und Ultraschallwellenenergie. Ferner benötigt wird
ein Verfahren mit höherer Wirksamkeit
zum Sterilisieren von Luft ohne die Komplexitäten und Kosten der gegenwärtig eingesetzten
Verfahren. Die vorliegende Erfindung erfüllt unter anderem diese Anforderungen
und beseitigt die Unzulänglichkeiten
dem Stand der Technik entsprechender Technologien.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung umfasst
allgemein ein Verfahren gemäß dem gegenständlichen,
anhängigen
Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem gegenständlichen,
anhängigen
Anspruch 9 zum Sterilisieren von organischen und anorganischen Stoffen
unter Verwendung einer Kombination aus ultravioletter Strahlung und
Ultraschallemissionen. Im Besonderen wird das kombinierte Sterilisationsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer nichtwässerigen
Umgebung durchgeführt.
Ein kennzeichnendes Beispiel ist das Sterilisieren des Stoffes in
Gegenwart eines Gases, wie etwa von Luft. Zusätzlich kann auch die Luft selbst
sterilisiert werden. Das Material bzw. der Stoff kann aber auch
in einem Vakuum sterilisiert werden, wobei der Fachmann weiß, dass
es sich auch dabei um eine nichtwässerige Umgebung handelt. Somit
wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung dahingehend von der
bekannten Verwendung von ultraviolettem Licht und Ultraschall für die Sterilisation
von Stoffen abweicht, dass die Stoffe zur Sterilisation nicht in
einer Flüssigkeit
wie etwa Wasser, einem chemischen Reinigungsmittel oder dergleichen
platziert werden. Dies bedeutet allerdings nicht, dass die Umgebung,
in der die Stoffe sterilisiert werden, für die Ausführung der vorliegenden Erfindung
vollständig
entfeuchtet werden muss. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die zu sterilisierenden Stoffe einfach nicht in
eine Flüssigkeit getaucht.
Die Ultraschallemissionen werden somit in einer nicht-wässerigen Umgebung
vorgesehen, wie etwa in Luft.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ultraviolettes Licht auf die Oberfläche des
zu sterilisierenden Materials mit Wellenlängen emittiert, welche lebensfähige pathogene
Mikroorganismen zerstören.
Das Material wird über
einen veränderlichen
Zeitraum ausgesetzt, der ausreicht, um die vollständige Zerstörung von
dem ultravioletten Licht ausgesetzten Mikroorganismen sicherzustellen.
Während
dieses Zeitraums bewirken Ultraschallwellen eine dreidimensionale
Erregung und Oszillation auf allen exponierten Oberflächen des
Materials, wodurch bewirkt wird, dass an der Oberfläche des
Materials haftende bzw. angebrachte jedoch keine mit der Oberfläche des
Materials molekular verbundenen Mikroorganismen gelöst werden
und vorübergehend
in einen schwebenden Zustand übergehen.
Als Folge des losgelösten
Zustands erfahren die Mikroorganismen eine größere Exposition des Oberflächenbereichs
durch die Energie von ultraviolettem Licht als wie dies der Fall
wäre, wenn
die Mikroorganismen weiter an der Oberfläche des Materials haften würden. Die
Schritte der ultravioletten Bestrahlung und der Erregung durch Ultraschall
treten gleichzeitig auf, so dass der gewünschte Effekt einer höheren Wirksamkeit
der Sterilisation erzeugt wird. Nachdem das Objekt über einen
ausreichenden Zeitraum den kombinierten Energiequellen ausgesetzt
worden ist, wird das Objekt in einem sterilisierten Zustand aus
der Kammer entfernt.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann der kombinierte Einsatz von ultraviolettem
Licht und Ultraschall für
die Massensterilisation von Objekten verwendet werden, die in Fertigungsstraßen hergestellt
werden.
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Da dieses Sterilisationsverfahren
in einer nichtwässerigen
Umgebung durchgeführt
wird und somit kein Tauchen der Materialien in eine Flüssigkeit
erfordert, können
die Quelle für
ultraviolettes Licht und die Ultraschall-Emissionseinheit entlang
eines Förderbands
platziert werden. Wenn danach die massengefertigten Objekte entlang
des Förderbands
transportiert werden, werden sie dem ultravioletten Licht der Quelle
für ultraviolettes
Licht und den Ultraschallwellen der Ultraschall-Emissionseinheit
ausgesetzt. Der Schritt der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht
erfolgt gleichzeitig zu dem Prozess der Emission von Ultraschallwellen,
wodurch nur ein einziges Ereignis der Exposition bzw. des Aussetzens
erforderlich ist, um den gewünschten
Effekt der Sterilisation zu erzeugen. Dies kann sogar durchgeführt werden,
ohne dass das Förderband
angehalten werden muss, und nach der Exposition folgen die Objekte
in einem sterilisierten Zustand weiter dem Pfad bzw. Weg auf dem
Förderband.
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Massengefertigte Lebensmittelerzeugnisse,
wie etwa Fleisch, Geflügel,
Meeresfrüchte
und Gemüse, können unter
Verwendung dieses kombinierten Verfahrens sterilisiert werden, ohne
dabei den Geschmack oder die Textur der behandelten Lebensmittelprodukte
zu beeinflussen. Die Möglichkeit
der Durchführung
einer effektiven Sterilisation durch das kombinierte Sterilisationsverfahren
in einer nichtwässerigen
Umgebung wie etwa Luft macht es nicht mehr erforderlich, das Lebensmittelerzeugnis
einer Flüssigkeit
auszusetzen, welche die Textur und/oder den Geschmack des Lebensmittelprodukts
beeinflussen kann. Und da das ultraviolette Licht nur auf der Oberfläche des
zu sterilisierenden Lebensmittelerzeugnisses auftrifft und aufgrund
dessen schwachen Penetrationseigenschaften nicht unterhalb der Oberfläche, "kocht" bzw. verändert das
Licht nicht das Innere des Lebensmittelerzeugnisses und beeinflusst
dessen Geschmack oder Textur auch nicht auf andere Art und Weise.
Hiermit wird jedoch festgestellt, dass längere Expositionszeiten des
ultravioletten Lichts bei mäßiger Stärke eine
Veränderung
der Oberflächeneigenschaften
des zu sterilisierenden Lebensmittelerzeugnisses bewirken können.
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Somit ist es offensichtlich, dass
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, ein schnelles, effizientes
und zuverlässiges
Verfahren vorzusehen, um potenziell infektiöse Mikroorganismen unter Verwendung
einer gleichzeitigen Kombination von ultraviolettem Licht und Ultraschallwellen
wirksam aus der Umgebungsluft zu entfernen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die weitere Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Verfahren zur Sterilisation
unter Verwendung von ultraviolettem Licht und Ultraschall vorzusehen,
wobei die Sterilisation in einer nichtwässerigen Umgebung wie etwa
in Luft, in einem Gas, in mit einem Gas gemischter Luft oder sogar
in einem Vakuum durchgeführt
wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sterilisation vorzusehen,
das für
den Anwender und Personen in der engeren Umgebung des Anwenders
ungefährlich
und sicher ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sterilisation vorzusehen,
das leicht zur Sterilisation massengefertigter Artikel implementiert
werden kann, die auf einer Fertigungsstraße produziert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sterilisation vorzusehen,
das Lebensmittelerzeugnisse sterilisieren kann, ohne die Textur
und/oder den Geschmack des Lebensmittels zu beeinflussen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sterilisation vorzusehen,
das einfach anwendbar ist und dessen Implementierung keine besondere
Schulung oder besonderen Abläufe
erfordert.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Abschnitten der Patentschrift
deutlich, wobei die genaue Beschreibung der vollständigen Offenbarung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung dient, ohne diese dadurch einzuschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird in
Bezug auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich, wobei die Zeichnungen
ausschließlich
Veranschaulichungszwecken dienen. Es zeigen:
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1 ein
Flussdiagramm eines allgemeinen Verfahrens zum Sterilisieren organischer
und anorganischer Stoffe unter Verwendung der gleichzeitigen Emission
von Ultraschallwellen und der Strahlung von ultraviolettem Licht
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Flussdiagramm eines allgemeinen Verfahrens zum Sterilisieren organischer
und anorganischer Stoffe, die auf einer Fertigungsstraße produziert
werden, unter Verwendung der gleichzeitigen Emission von Ultraschallwellen
und der Strahlung von ultraviolettem Licht gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
funktionales Blockdiagramm eines Sterilisationssystems zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 ein
funktionales Blockdiagramm einer Schaltung für ultraviolettes Licht des
Sterilisationssystems aus 3;
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5 eine
Perspektivansicht einer Sterilisationskammer, die für die Ausführung des
erfindungsgemäßen Oberflächensterilisationsverfahrens
nützlich
ist;
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6 eine
schematische Darstellung eines Fördersystems,
das für
die Ausführung
des erfindungsgemäßen Oberflächensterilisationsverfahrens
nützlich
ist; und
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7 eine
perspektivische Prinzipskizze eines Teils der Sterilisationskammer,
die für
die Ausführung des
erfindungsgemäßen Oberflächensterilisationsverfahrens
in einem unabhängigen
Modus oder in Verbindung mit einem größeren Luftbehandlungssystem
nützlich
ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In näherem Bezug auf die Zeichnungen
ist die vorliegende Erfindung zu Zwecken der Veranschaulichung in
dem Verfahren und in der Vorrichtung ausgeführt, die in den Abbildungen
der 1 bis 7 allgemein dargestellt sind.
Hiermit wird festgestellt, dass das Verfahren in Bezug auf die Einzelheiten
der Schritte und deren Folge veränderlich
ist, und wobei die Vorrichtung in Bezug auf die Einzelheiten ihrer
Bestandteile veränderlich
ist, ohne dabei jeweils von den hierin offenbarten Grundgedanken
abzuweichen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sterilisieren von organischem
und anorganischem Material, indem das Material in einer nichtwässerigen
Umgebung, wie etwa in Luft oder in einem Vakuum, gleichzeitig ultraviolettem
Licht und Ultraschallwellen ausgesetzt wird, wobei das zu sterilisierende
Material nicht in eine Flüssigkeit
getaucht wird. Der Fachmann wird somit erkennen, dass der Begriff "nichtwässerig" als Synonym für "nichtflüssig" steht. Im Gegensatz
zu den herkömmlichen
Verwendungen von Ultraschallwellen für die Sterilisation beruht
die vorliegende Erfindung nicht auf einem Kavitationseffekt in einer
Flüssigkeit,
um die gewünschten
Ergebnisse zu erreichen.
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Die Abbildung aus 1 zeigt ein Beispiel für die Schritte
in dem Sterilisationsverfahren der vorliegenden Erfindung. In dem
Schritt 10 wird ein zu sterilisierendes Objekt oder eine
zu sterilisierende Vorrichtung in einer geschlossenen Sterilisationskammer
platziert, welche den Pfad des ultravioletten Lichts und der Ultraschallwellen
aufweist. In den Schritten 12 und 14 wird die Oberfläche des
Materials gleichzeitig Ultraschallwellen und ultraviolettem Licht
ausgesetzt, und zwar über
einen Zeitraum, der abhängig
von den Oberflächeneigenschaften
des zu sterilisierenden Objekts zwischen ungefähr zwei Sekunden und sechs
Minuten liegt. Indem die Oberfläche
des Materials gleichzeitig Ultraschallwellen ausgesetzt wird, wenn
sie auch dem ultravioletten Licht ausgesetzt wird, wird die Oberfläche des
Materials während
der Bestrahlung durch ultraviolettes Licht physikalisch erregt.
Dies bewirkt eine Agitation und Oszillation von Bakterien und anderen
unerwünschten
Organismen auf der Oberfläche
des Materials, wodurch bewirkt wird, dass ein größerer Teil des Oberflächenbereichs
dem ultravioletten Licht ausgesetzt wird.
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Indem die Oberfläche des Materials in einem
Zustand der physikalischen Erregung gehalten wird, während die
Energie des ultravioletten Lichts zugeführt wird, bestrahlt die Energie
des ultravioletten Lichts alle verfügbaren ausgesetzten Oberflächen des
zu sterilisierenden Materials. Wenn die Sterilisierung abgeschlossen
ist, wird das Material in dem Schritt 16 aus der Sterilisationskammer
entfernt.
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Wie dies somit ersichtlich ist, verwendet
die vorliegende Erfindung Ultraschallwellen zum Hin- und Herbewegen
und Oszillieren von Mikroorganismen auf der zu sterilisierenden
Materialoberfläche,
wodurch der Oberflächenbereich
der Mikroorganismen vergrößert wird,
der dem ultravioletten Licht ausgesetzt ist. Dies unterstützt die
Zerstörung
der Mikroorganismen durch das ultraviolette Licht. In den meisten
Fällen
ist ein Zeitraum der ultravioletten Bestrahlung zwischen zehn Sekunden
und einer Minute ausreichend, und zwar speziell für die bakterielle
Sterilisation. Es ist bekannt, dass verschiedene Energiemengen in
Form von Mikrowatt erforderlich sind, um verschiedene Mikroorganismen
zu sterilisieren, und zwar im Bereich von 3.200 Mikrowatt für herkömmliche
Bakterien bis zu über
400.000 Mikrowatt. Somit kann die Sterilisierung bestimmter Schimmel-
und Pilzarten eine zusätzliche
Expositionszeit voraussetzen. Die Sterilisationszeit kann auch von
der Porosität
der Oberfläche
des zu sterilisierenden Objekts abhängig sein. Allgemein gilt,
je poröser
die Oberfläche ist,
desto größer ist
die erforderliche Sterilisationszeit. Bei Lebensmittelprodukten
können
längere
Expositionszeiten jedoch die Farbe, Textur oder den Geschmack des
Objekts beeinflussen.
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In einem beispielhaften Verfahren
emittiert ein Ultraschallemitter dauerhaft Ultraschallwellen, während das ultraviolette
Licht immer eingeschaltet wird, wenn ein zu sterilisierendes Objekt
in der Sterilisationskammer platziert wird, um die Oberfläche des
zu sterilisierenden Materials zu bestrahlen. Hiermit wird jedoch
festgestellt, dass während
der gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgeführten
Sterilisierung der Schritt 12 des Emittierens von Ultraschallwellen
und der Schritt 14 der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht
gleichzeitig durchgeführt
werden müssen,
so dass die Oberfläche
des zu sterilisierenden Materials in ausreichendem Umfang den Ultraschallwellen
ausgesetzt wird, um eine Agitation von Mikroorganismen zu bewirken.
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Die Abbildung aus 2 zeigt ein Beispiel für eine spezifische
Anwendung des Sterilisationsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
auf massengefertigte Artikel bzw. Objekte unter Verwendung eines Förderbands
oder eines anderen Transportsystems. Da das Sterilisationsverfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer nichtwässerigen
Umgebung wie etwa Luft durchgeführt
wird, können
auf einer Fertigungsstraße
massengefertigte Artikel oder Artikel, die entlang eines Förderbands
oder einer anderen Transportvorrichtung transportiert werden, sterilisiert
werden, indem die Fertigungsstraße, das Förderband oder dergleichen gleichzeitig
ultraviolettem Licht und Ultraschallwellen ausgesetzt werden, so
dass die Oberfläche
der sich entlang des Förderbands
bewegenden Artikel zumindest in einem Mindestmaß dem ultravioletten Licht
und Ultraschallwellen ausgesetzt ist. In dem Schritt 18 werden
Artikel bzw. Objekte zum Beispiel entlang eines Förderbands
oder dergleichen an eine Position bewegt, an der sie in den entsprechenden
Schritten 20 und 22 gleichzeitig den Ultraschallwellen
und ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, und wobei sie daraufhin
in dem Schritt 24 aus dem Pfad der Ultraschallwellen und
des ultravioletten Lichts bewegt werden, wenn die Exposition abgeschlossen
ist. Wie dies bereits vorstehend im Text erörtert worden ist, werden der
Schritt 20 des Emittierens von Ultraschallwellen und der
Schritt 22 der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht gleichzeitig
durchgeführt,
so dass die Oberfläche
des Materials in ausreichendem Maße Ultraschallwellen ausgesetzt
wird, um eine Agitation von Mikroorganismen darauf zu bewirken und/oder
um andere potenziell gewünschte
Effekte auf der Oberfläche
des behandelten Artikels zu erzeugen.
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Die Abbildung aus 3 zeigt ein funktionales Blockdiagramm
einer Sterilisationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei ein Hauptschalter 26 eine Schaltung 28 für ultraviolettes
Licht steuert, um ultraviolettes Licht für die vorstehend beschriebenen
Schritte der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht vorzusehen, und
mit einer Ultraschall-Emitterschaltung 30 zum
Vorsehen von Ultraschallwellen für
die vorstehend beschriebenen Schritte des Emittierens von Ultraschall.
Keramische piezoelektrische Messwandler (in der Abbildung aus 3 nicht dargestellt) werden
vorzugsweise zum Emittieren der Ultraschallwellen verwendet. Die Schaltung 28 für ultraviolettes
Licht wird vorzugsweise über
eine Ballaststromversorgung 32 mit Strom versorgt, die über einen
Wählschalter 34 aktiviert
und deaktiviert werden kann. Eine herkömmliche Stromversorgung 36 versorgt
die Ultraschall-Emitterschaltung 30 mit
Strom.
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Die Abbildung aus 4 zeigt ferner ein funktionales Blockdiagramm
der Schaltung 28 für
ultraviolettes Licht. Die Schaltung 28 für ultraviolettes
Licht ist vorzugsweise eine Hochfrequenz-Schaltquelle, die in dem Bereich
von 20 kHz bis 52 kHz betrieben wird, und sie umfasst vorzugsweise
einen EMB-Filter 38 (Filter
für elektromagnetische
Beeinflussungen), einen Gleichrichter 40, eine Leistungsfaktorsteuereinheit 42,
eine Rückkopplungsballast-Steuerschaltung 44,
eine RCL-Reihen-Parallel-Lampenresonanzausgangsschaltung 46,
eine Fehlererkennungs-/Abschaltschaltkreisanordnung 48 und
einen Rückkopplungs-
und Fehlerbus 50. Bei der Leistungsfaktorsteuereinheit 42 handelt
es sich vorzugsweise um einen Verstärkungsumwandler, der in einem
kritisch ununterbrochenen, ungesteuerten Modus betrieben wird. Die
Ballast-Steuerschaltung 44 sieht eine Frequenzmodulationssteuerung
der Lampenresonanzausgangsschaltung 46 vor. Die Abschaltschaltkreisanordnung 48 verwendet
eine Lampenschaltungserfassungs- und Vergleichslogik für ein sicheres und
ruhiges Abschalten und den automatischen Neustart. Die Rückkopplungssteuerung
und der Lampenfehlerbus 50 sind von dem Ballaststeuerabschnitt 44 durch
optoelektronische Koppelelemente (nicht abgebildet) isoliert. Der
Fachmann wird erkennen, dass jedes der vorstehend aufgeführten Elemente
im Fach allgemein bekannt ist.
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Der Ballaststeuerabschnitt 44 betreibt
vorzugsweise vier einundzwanzig Watt Lampen vom Typ T5 (nicht abgebildet)
zwischen einem Standby-Modus und einem Sterilisationsmodus ("eingeschaltet"). Im Standby-Modus
hält die
Schaltung die Lampen ungefähr
auf einem Leistungswert von 10% bis 20%. Der Standby-Modus mit verhältnismäßig niedriger
Ausgangsleistung verbessert die Lampenlebensdauer und reduziert die
Fadentemperatur zwischen Sterilisationszyklen, wobei er ferner praktische
keine Aufwärmzeit
ermöglicht und
die unverzügliche
Ionisierung der Lampen auf volle Ausgangsleistung, wenn die Schaltung
aus dem Standby-Modus in den Sterilisationsmodus wechselt. Zum Beispiel
unter Verwendung von Niederdruck-Quecksilberdampflampen
wie etwa von Lampen vom Typ T5, die von General Electric oder anderen Leuchtröhrenherstellern
erhältlich
sind, kann von dem Lampen bzw. Leuchten aufgrund des Designs der Schaltung
ein Lebenszyklus von bis zu 120.000 Zyklen erwartet werden, und
zwar im Vergleich zu 1.500 bis 3.000 Zyklen unter Verwendung herkömmlicher
Stromversorgungen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird
das ultraviolette Licht für
gewöhnlich
mit einer Wellenlänge
zwischen ungefähr
180 nm und ungefähr
325 nm emittiert, wobei sich eine Wellenlänge von 254,7 nm für die keimtötende Regelung
als am effektivsten erwiesen hat, sowie mit einer Leistungsdichte,
die mit der Dichte konstant ist, die gemäß empirischer Bestimmung zum
Erreichen einer Sterilisierung ausreichend ist. Kennzeichnende Leistungsdichten
liegen zwischen ungefähr
400.000 Mikrowatt/cm2 pro Sekunde und ungefähr 1.000.000
Mikrowatt pro cm2 pro Sekunde und sind von
dem Typ des zu sterilisierenden Mikroorganismus abhängig. Die Ultraschallwellenenergie
bewegt sich vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von ungefähr 20 kHz
bis ungefähr
52 kHz in einem Sägezahnmuster
mit einer Zyklusdauer von ungefähr
800 Millisekunden je Durchlauf. Eine konstante Messwandlerfrequenz
von 24,7 kHz hat sich als sehr effektiv für die Erregung von Mikroorganismen
auf der menschlichen Haut ebenso erwiesen wie für die Entfernung von der Oberfläche des
zu sterilisierenden Objekts, und zwar aller nicht in der Haut vorgesehenen
Mikroorganismen. Die Ultraschallleistung jedes Messwandlers beträgt gemessen
mit einem Abstand von etwa 0,5 Metern von dem Messwandler vorzugsweise
ungefähr
119 dB, mit einer maximalen Leistungsabgabe von ungefähr 7 Watt
unter Verwendung von zum Beispiel piezoelektrischen Messwandlern,
wie sie etwa von Motorola oder auch von anderen Anbietern von Ultraschall-Messwandlern erhältlich sind.
-
Nach der Aktivierung bleibt die Ultraschallemission
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
dauerhaft eingeschaltet, während
das ultraviolette Licht in einem Standby-Modus gehalten wird und
in einen eingeschalteten Modus zur Sterilisierung unter gleichzeitiger
Verwendung der Kombination aus ultraviolettem Licht und Ultraschallenergiewellen
versetzt wird. Die Ultraschallemission alleine beseitigt die Mikroorganismen
auf dem zu sterilisierenden Artikel nicht; die Ultraschallwellen
bewirken jedoch eine Hin- und Herbewegung der Mikroorganismen sowie
deren Oszillationsbeginn, wodurch ein größerer Oberflächenbereich
der Mikroorganismen ultraviolettem Licht zur Bestrahlung ausgesetzt
wird. Bei der Luftsterilisierung bewirken die Ultraschallwellen
eine Erregung von Staubpartikeln und/oder deren Oszillation, wodurch
wiederum bewirkt wird, dass sich Mikroorganismen auf der Oberfläche der
Staubpartikel lösen
und schwebend werden, so dass ein größerer Oberflächenbereich
der Partikel ultraviolettem Licht zur Bestrahlung ausgesetzt wird.
Darüber
hinaus können
die Ultraschallemissionen ein Aufbrechen der Teilchen bzw. der Partikel
bewirken, wodurch die Teilchen zur effektiveren Sterilisierung in
verschiedene Formen gedreht werden.
-
Die Abbildung aus 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden
Erfindung, das eine Sterilisationskammer 60 mit den folgenden
wahlweisen ungefähren
Abmessungen aufweist:
- (a) 63,5 cm × 63,5 cm × 63,5 cm
(25 Zoll × 25
Zoll × 25
Zoll) mit 4 T5-Birnen an jeder Seitenwand und zwei Messwandlern
an den inneren oberen mittleren der entgegengesetzten Seitenwände; oder
- (b) 38,1 cm × 38,1
cm × 38,1
cm (15 Zoll × 15
Zoll × 15
Zoll) mit 3 T5-Birnen an jeder Seitenwand und zwei Messwandlern
an den inneren oberen mittleren der entgegengesetzten Seitenwände; oder
- (c) 25,4 cm × 38,1
cm × 38,1
cm (10 Zoll × 15
Zoll × 15
Zoll) mit 2 T5-Birnen an jeder Seitenwand und zwei Messwandlern
an den inneren oberen mittleren der entgegengesetzten Seitenwände.
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In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel
ist mindestens eine ultraviolette Röhre 62 wie etwa das
vorstehend genannte Modell T5 an entgegengesetzten Seitenwänden angebracht,
und bei Bedarf kann ein Reflektor 64 hinter den Röhren 62 positioniert
werden, um die darin erzeugte sterilisierende Lichtwellenenergie
in Richtung des zentralen Abschnitts der Kammer 60 zu leiten.
Mindestens eine Quelle für
Ultraschallwellenenergie 66 ist in der Kammer 60 angebracht,
und zwar zum Beispiel im oberen mittleren Bereich einer Seitenwand
der Kammer 60, und wobei diese Quelle so ausgerichtet ist,
dass sie sich hin- und herbewegende Ultraschallwellenenergie in
den zentralen Abschnitt der Kammer 60 vorsieht. In einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind zwei Quellen für
Ultraschallwellenenergie 66 (in gestrichelten Linien abgebildet)
in der Kammer 60 angebracht, und zwar in dem oberen mittleren
Bereich der entgegengesetzten Seitenwände der Kammer 60.
Zu sterilisierende Objekte können
direkt auf dem Boden der Kammer 60 oder sofern gewünscht auf
einem Regal darin platziert werden.
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Die Kammer 60 ist mit einer
standardmäßigen elektrischen
Stromversorgung von 120 Volt mit einer Phase ausgerüstet, weist
auf der Rückseite
(nicht abgebildet) eine Lüftungsöffnung von
15,24 cm bzw. 20,32 cm (6 Zoll oder 8 Zoll) für eingehende Kühlluft auf
und kann Einstufen-Luftfilter
auf der Rückseite
aufweisen. Ein Abluftgebläse 65 kann
an der Oberseite der Kammer 60 angebracht werden, um einen
Kühlluftstrom über Objekten
darin zu erzeugen. Eine herausziehbare vordere Schublade kann eingesetzt
werden, um zu sterilisierende Objekte leicht beschicken zu können, und
wobei ein Ein-Aus-Schalter für
die Stromversorgung zur manuellen Aktivierung der Technologie vorgesehen
ist. Die Tür
bzw. die Klappe und der Leistungsschalter sind zur deutlicheren
Veranschaulichung nicht abgebildet.
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Ein-Aus-Anzeigelampen 68 weisen
ein grünes
Licht auf, wenn die Kammer 60 "ausgeschaltet" ist und sich in dem "Standby"-Modus befindet,
und ein orangefarbenes oder andersfarbiges Licht (wie etwa rot),
wenn die Einheit "eingeschaltet" ist und sich in
dem "Betriebsmodus" befindet. Ein Druckknopf
aktiviert die Kammer 60 für den regelmäßigen oder
wiederholten Einsatz, so dass die Sterilisierung einfach durch Drücken des Knopfes
aktiviert werden kann, wenn sich die Einheit in dem "eingeschalteten" Modus befindet.
Die Lampe 68 "im
Einsatz" schaltet
sich in diesem Fall ein und die Kammer 60 wird mit einer
Kombination aus gleichzeitig über
einen vorbestimmten Zeitraum zugeführte ultraviolette und Ultraschallenergie
gesättigt,
abhängig
von dem zu sterilisierenden Objekt 67 und den jeweils betroffenen
Mikroorganismen. Die Lampe "im
Einsatz" 68 schaltet
sich danach aus, wodurch dem Benutzer angezeigt wird, dass der Zyklus
abgeschlossen ist und dass die Tür
bzw. die Klapper sicher geöffnet
werden kann.
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Ein ausfallsicherer Mechanismus unter
Verwendung eines Kontakt- oder Umgebungsschalters 70 kann
in Verbindung mit den Türfunktionen
als Sicherheitsvorkehrung installiert werden. Strukturschaum wird an
den Innenwänden
bevorzugt und die äußeren Schichten
können
aus verschiedenen Metallen einschließlich Edelstahl gestaltet werden,
abhängig
von dem Kunden und deren Anforderungen/Anwendungsbereichen.
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Die Abbildung aus 6 zeigt ein In-Line-Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, mit einem Förderband 72 und Förderwalzen 74,
die sich dazu eignen, ein zu sterilisierendes Objekt 76 durch
ein Anordnungspaar von ultravioletten Röhren 78 und Reflektoren 80 zu
bewegen. Ein Paar von Ultraschall-Messwandlern 82 wird
in der Nähe
der obersten ultravioletten Röhren 78 getragen,
so dass die dadurch erzeugte Ultraschallwellenenergie in Richtung
des zentralen Abschnitts des Bands 72 geleitet wird. Die
ultravioletten Röhren 78 und
Reflektoren 80 werden in ähnlicher Weise positioniert,
um das Band 72 mit ultraviolettem Licht und Ultraschallenergiewellen
zu bestrahlen. Die Sterilisierung des Objekts 76 wird dadurch
erreicht, dass es gleichzeitig ultraviolettem Licht und Ultraschallwellenenergie
ausgesetzt wird. Wenn die Abmessungen des Bands 72 und
der Anordnung ultravioletter Röhren 78 etwa
63,5 cm auf 63,5 cm (25 Zoll auf 25 Zoll) betragen, kann eine Sterilisierung
unter Verwendung von Ultraschall-Messwandlern 82 und ultravioletten
Röhren 78 ähnlich den
Komponenten aus 5 erreicht
werden, die vorstehend im Text beschrieben worden sind.
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Die Abbildung aus 7 veranschaulicht eine beispielhafte
Luftsterilisationseinheit 84 unter Verwendung von Quellen
für ultraviolette
Wellenenergie 86 und Ultraschallwellenenergie 88 als
Mittel zur Sterilisation eines Körpers
oder eines Luftstroms durch die gleichzeitige Aktivierung der Quellen
für ultraviolette
Wellenenergie 86 und Ultraschallwellenenergie 88 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Luftsterilisationseinheit 84 stellt eine
aufrecht auf dem Boden stehende Einheit dar, mit den kennzeichnenden
Abmessungen für
Kapazitäten
von 70,79 l/s (150 cfm), 117,99 l/s (250 cfm), 212,4 l/s (450 cfm)
und 283,2 l/s (600 cfm), wobei unter Verwendung des gleichen Gesamtkonzepts
der Konstruktion auch größere Einheiten
individuell gestaltet werden können.
Kennzeichnenderweise weisen Einheiten mit 70,79 l/s (150 cfm) und
117,99 l/s (250 cfm) vier Quellen 86 für ultraviolettes Licht vom
Typ T5 und einen Ultraschall-Messwandler 88 auf,
während
die Einheiten mit 212,4 l/s (450 cfm) und 283,2 l/s (600 cfm) bis
zu acht Quellen 86 für
ultraviolettes Licht vom Typ T5 aufweisen und einen oder zwei Ultraschall-Messwandler 88.
Die Reflektoren 87 können
vorgesehen werden, um ultraviolette Strahlung in Richtung des zentralen
Abschnitts der Kammer 84 zu leiten. Die Lichtröhrenquellen
für ultraviolette
Wellenenergie 86 sind zwar an der Seitenwand der Kammer 84 angebracht
dargestellt, wobei hiermit festgestellt wird, dass die Röhren 86 auch
in dem inneren Abschnitt der Kammer 84 mit wirksamer Positionierung
angebracht werden können,
da die Luftströme
dabei über
die Röhren 86 strömen können.
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Die Sterilisationskammer 84 weist
einen handelsüblichen
Luftfilterabschnitt 90 (der zur deutlicheren Veranschaulichung
in gestrichelten Linien dargestellt ist) auf, wobei es sich für gewöhnlich um
Siebfilter, Kohlefilter oder Schwebstofffilter (HEPA-Filter) handelt,
und zwar entweder jeweils alleine oder in Kombination. Ein Lufteinlassanschluss 82 und
ein Auslassanschluss 94 können entweder Gitter oder Rohrleitungsverbindungen aufweisen,
abhängig
von der Platzierung und der Anwendung, und wobei sie für die nachstehenden
Tests bzw. Versuche nützlich
sind. Ein Gebläse 96 ist
entweder in dem Einlassanschluss 92 oder dem Auslassanschluss 94 angeordnet,
um einen zu sterilisierenden Luftstrom durch die Sterilisationskammer 84 zu
befördern.
Eine Schallabsorptionsdecke, Isolierschaum oder andere schalldämpfende
Einrichtungen bzw. Maßnahmen
können
zusätzlich
vorgesehen werden, um die Geräuschemissionen
zu reduzieren.
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Hiermit wird festgestellt, dass die
Sterilisationskammer 84 in Verbindung mit einem herkömmlichen HVAC-Luftbehandlungssystem
in einem Haushalt, in einem Krankenhaus, in einer industriellen
Einrichtung oder dergleichen verwendet werden kann, wobei sich ein
Luftstrom einmal durch die Kammer 84 und danach in den
Anwendungsbereich bewegt. Hiermit wird festgestellt, dass die Sterilisationskammer 84 in
einem unabhängigen
Betrieb eingesetzt werden kann, wie zum Beispiel in einem Haushalt
oder einem Büro
oder einem Notfallzimmer in einem Krankenhaus, wobei die Raumluft
unter Verwendung der Anschlüsse 92 und 94 durch die
Sterilisationskammer 84 rezirkuliert wird.
-
Beispiel 1
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Oberflächensterilisation
-
Zweck der hierin aufgeführten Tests
ist es die Wirksamkeit der Sterilisierung der erfindungsgemäßen gleichzeitigen
Anwendung von Wellenenergie von ultraviolettem Licht und Ultraschall-Wellenenergie an
ausgesuchten Gruppen von Mikroorganismen darzustellen, zu denen
Viren, Bakterien, Pilze, Schimmel und andere unerwünschte biologische
Kontaminationen auf der Oberfläche
und schwebend auf festen Oberflächen sowie
in Luftströmen
zählen.
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(a) Evaluierung der Oberflächensterilisation
unter Verwendung der gleichzeitigen Anwendung von Wellenenergie
von ultraviolettem Licht und von Ultraschallwellenenergie
-
Die Tests wurden über einen Zeitraum von 24 Monaten
durchgeführt,
um eine Vielzahl von Arbeitsbedingungen und Umgebungen vorzusehen,
um eine Beobachtung einer etwaig erhöhten oder reduzierten Wirksamkeit
auf der Basis der Nutzung der erfindungsgemäßen gleichzeitigen Anwendung
von Wellenenergie von ultraviolettem Licht und von Ultraschall-Wellenenergie zu
ermöglichen.
Es wurden Bedingungen ausgewählt, die
einen umfassenden Bereich von Temperaturen, Feuchtigkeit, Luftwirbelungen,
natürlichem
und künstlichem
Licht und anderen feindlichen Arbeitsparametern vorsehen können. Die
ausgesuchten Umgebungen konnten eine Vielzahl bekannter und/oder
erwarteter pathogener Arten auf Oberflächen und schwebend vorsehen,
die beobachtet werden konnten, um die Wirksamkeit der Technologie über den
Verlauf der Studie zu evaluieren.
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(b) Vorbereitung von Testorganismusauswaschungen
von Kolonien bildenden Einheiten
-
Zur Beurteilung der Wirksamkeit der
mikrobiologischen Sterilisierung der erfindungsgemäßen gleichzeitigen
Anwendung von Wellenenergie von ultraviolettem Licht und von Ultraschallwellenenergie
zur Sterilisation wurden verschiedene Produktoberflächen mit
Testorganismusauswaschungen mit verschiedenen Impfstoffen von Kolonien
bildenden Einheiten je Millimeter (CFU/ml) getestet. Die primäre Herausforderung
bei der Sterilisierung betrifft den Einsatz einer besonders hohen
Beschickung eines Impfstoffs (deutlich über der Menge, die normalerweise
auf der Produktoberfläche
zu finden ist) sowie der Verwendung von normalerweise vorzufindenden
Impfstoffmengen zur Beurteilung der Wirksamkeit der Prozeduren bei
diesen Mengen. Das Ergebnis ist es, dass die vorliegende Erfindung
eine bemerkenswerte und unerwartet hohe antimikrobielle Wirksamkeit
bei unterschiedlichen mikrobiellen Mengen.
-
Testorganismen umfassten Salmonella
choleraesuis, ATCC 14028 und Escherichia coli, ATCC 8739, gezüchtet auf
Tryptic Soy Agar (TSA) mit 5% Schafblut und MacConkey (MAC) Agri.
In Vorbereitung auf den Test wurde eine gezüchtete Stammkultur jeder der
spezifizierten Mikroorganismen auf die Oberfläche oberhalb der Agri okuliert.
Die Agri wurden bei 35°C
+/– 2°C in Inkrementen
von 72 Stunden inkubiert. Das folgende Wachstum bzw. die gezüchtete Struktur
wurde in Bezug auf Reinheit und Morphologie der Kolonie beurteilt. Glatte
Kolonietypen wurden unter Verwendung eines sterilen Applikatorstabs
geerntet und in steriler (0,85%) Kochsalzlösung aufgelöst, wobei die Suspension gemäß einem
MacFarland Standard 1.0 angepasst wurde. Dies ergibt näherungsweise
3,0 × 108 Zellen/ml (300.000.000 Zellen/ml).
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Nach der Vorbereitung der Mikroorganismen
wurden zehnfache Verdünnungen
bzw. Auswaschungen unter Verwendung einer Menge von 1 ml der vorstehend
beschriebenen Suspension und einer Menge von 9 ml eines Verdünnungsmittels
(sterile Kochsalzlösung
mit 0,85) vorbereitet. In der Folge wurden zehnfache aufeinanderfolgende
Verdünnungen
auf ähnliche
Weise vorbereitet. Bestimmt wurde die Anzahl der Kolonien bildenden
Einheiten je Millimeter in jeder Suspension. Dieser Wert diente
der Bestimmung der Größe des Impfstoffs
zur Verwendung für
den Test. Die Suspensionen wurden unter Verwendung des Auszählverfahrens
auf Agar-Platten evaluiert, um eine ungefähre Suspensionsdichte der Mikroorganismen
zu erzeugen.
-
Die Suspensionsabstimmung gemäß einem
MacFarland Standard 1 wurde für
die primäre
Sterilisation des Produkts verwendet sowie andere Suspensionen,
die ziemlich genau mit 100–300
CFU/ml und < 100 CFU/ml übereinstimmen,
gemäß Extrapolation
aus früheren
Studien zum Auszählen
auf Agar-Platten. Alle Tests wurden dreifach durchgeführt. Produkttestschablonen
wurden auf der Produktoberfläche
durch Umreißen
des Oberflächenkontaktplattenbereichs
(ungefähr
25 cm2) unter Verwendung eines Wachsbleistifts
vorbereitet. Von jeder Testsuspension wurde ein Volumen von 0,5
ml auf die Produkttestschablonen in einem Format (dreifach) aufgetragen,
das "vorher" und "nachher" darstellt. Der Impfstoff
wurde 10 bis 15 Minuten lang getrocknet. Oberflächenkontaktplatten (SCP) [D/E
Neutralisierungsagar] wurden zum Testen der Produkttestoberfläche verwendet.
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Nach dem Trocknen wurden die SCPs
auf die "vorher" Produktteststellen
aufgetragen, leicht gedrückt, entfernt
und mit dem Deckel abgedeckt. Die SCPs wurden auf die Produkttestoberfläche gedrückt und
nicht gewischt, um eine anomale Verteilung der CFUs auf der Oberfläche zu verhindern.
Die "nachher" Produktteststellen
wurden unter Verwendung der normalen durch die Spectrum-Protokolle
vorgesehenen Micro-Clean-Sterilisationsverfahren
verarbeitet. Nach Durchführung
dieses Verfahrens wurden die SCPs auf die "nachher" Produktteststellen aufgetragen, wie
dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist. Nach dieser
Probenentnahme wurden die SCPs etikettiert bzw. beschriftet, mit
einem Band gesichert, gekühlt
und zur Analyse zum Prüflabor
transportiert.
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Die SCPs wurden bei 35°C +/– 2°C 72 Stunden
lang inkubiert. Die SCPs wurden in Intervallen von 24, 48 und 72
Stunden geprüft
und in Bezug auf CFUs evaluiert, die als tatsächliche CFU (sofern zählbar) oder
als > 100 CFU (steht
für zu
zahlreich, um die CFUs zu zählen)
aufgezeichnet werden. Die CFU-Ergebnisse werden als Mittelwert des
Dreifachtests ausgedrückt.
Schimmel wird als beobachtete CFUs aufgezeichnet. Es wurde keine
Unterscheidung zwischen Bakterien und Hefen versucht und es erfolgte
keine Identifikation einer etwaigen CFU. Hiermit wird festgestellt,
dass es der Zweck dieses Sterilisationstests ist, die Wirksamkeit
der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die antimikrobielle Wirksamkeit
auf der Produktoberfläche
zu beurteilen.
-
(c) Oberflächensterilisationstests
-
Die gleichzeitige Anwendung von Wellenenergie
von ultraviolettem Licht und von Ultraschallwellenenergie als eine
Methode zur Sterilisation gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde in Bezug auf ihre Wirksamkeit als unabhängiges Verfahren,
in Kombination mit dem Einsatz von Standard- und HEPA-Filtern in
Bezug auf die Leistung bei schwebenden Organismen (Bioaerosole)
und in einer Vielzahl von Flüssigkeiten
für mögliche wässerige
Anwendungen beurteilt. Die Tests wurden unter Verwendung einer Mehrzahl
von zeitlichen Expositionen durchgeführt, um die Wirksamkeit der
Erfindung auf unterschiedlichen Oberflächenarten über den Verlauf der Studie
zu bestimmen. Standardmäßige Zeitfolgen
von 5, 10, 15, 30, 45 und 60 Sekunden der Exposition wurden vor
dem Start der Teststudie festgelegt, um etwaige Schwankungen bezüglich der
Wirksamkeit der Technologie auf den ausgewählten und getesteten Oberflächenarten
zu evaluieren und zu vergleichen.
-
Im Verlauf der Teststudie wurden
aus mehr als 100.000 verarbeiteten Objekten unter Verwendung der gleichzeitigen
Anwendung bzw. Zufuhr von Wellenenergie von ultraviolettem Licht
und von Ultraschallwellenenergie über 3.500 Proben zufällig entnommen
und von unabhängigen
Prüf- bzw.
Testorganisationen analysiert. Der geschätzte Wert der im Verlauf der
Studie behandelten und geprüften
Artikel bzw. Proben liegt über 500
Millionen Dollar. Die Validierungs-Testergebnisse zum Einsatz der vorliegenden
Erfindung sind nachstehend zusammengefasst.
-
Zu den für die Tests ausgewählten Oberflächenarten
zählten
eine Vielzahl von Kunststoffen, Glas, Metalle, Holzarten, Papier,
Laminate, Beton und Lebensmittel mit unterschiedlichen Texturen
und Oberflächenzuständen. Unter
den getesteten ausgesuchten Oberflächenarten wurde die Unterscheidung
in Bezug auf die Auswahl an Texturen, Formen, Dichten und Einheitlichkeit
dauerhaft überwacht,
um sicherzustellen, dass im Rahmen der Teststudie insgesamt jeweils
ausreichende Mengen vorgesehen waren. Und schließlich wurden die für die Studie
ausgesuchten Medienoberflächenarten
in Bezug auf deren Fähigkeit
ausgewählt,
die verschiedenen Arten von Mikroorganismen, welche die Validierungskriterien
für die
Tests darstellten, zu absorbieren, zu adsorbieren, zu sammeln, zu
verändern,
zu binden und anderweitig zu beeinflussen.
-
(d) Test unter Verwendung
normaler Mikroorganismuswerte
-
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse mikrobieller
Messungen an einer Vielzahl von Proben, die entnommen wurden unter
Verwendung von: Tryptic Soy Agar (mit Panase); Rose Bengal Agar
(Diodesin); Mannitolsalzagar; MacConkey-Agar und/oder steriler unbenutzter
Kontaktplatten. Alle Proben wurden bei 28–35°C nach Eintreffen in der analytischen
Testeinrichtung inkubiert. Die Proben wurden in Intervallen von
24 und 48 Stunden (sofern keine längeren Inkubationszeiten für spezielle
Agararten erforderlich waren) in Gegenwart von CFUs nach der Entnahme
und der Vorbereitung der Kontaktplatten analysiert. Die Entnahme
und Analyse der Proben wurde von zertifizierten und Mikrobiologen
mit der entsprechenden beruflichen Lizenz durchgeführt.
-
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von
Tests in Bezug auf das Vorhandensein von Mikroorganismen nachdem
die verschiedenen zu reinigenden Testobjekte in der Sterilisationskammer 60 sterilisiert
wurden, und zwar unter Verwendung der erfindungsgemäßen gleichzeitigen
Anwendung von Wellenenergie von ultraviolettem Licht und von Ultraschallwellenenergie
in einer Luftumgebung. Es ist ersichtlich, dass die Sterilisation
innerhalb des Messfehlerbereichs zu nahezu 100% wirksam gewesen
ist
-
(e) Test unter Verwendung
hoher Mikroorganismuswerte
-
Die Oberflächen wurden mit mikrobiologischen
Suspensionen inokuliert, die einen oder mehrere der folgenden Bestandteile
aufwiesen: Kochsalzlösung
mit Penicillium-Schimmelspezies; E. Coli Bakterien (ATCC 25923);
Staphylokokken-Epidermidis-Bakterien
(Staphylococcus epidermidis) (ATCC 12228); und Aspergillus flavis
(Kolbenschimmel). Die Impfstoffvorbereitung und das Auftragen erfolgte
durch geschultes Laborpersonal an Einrichtungen vor Ort, überwacht
durch zertifizierte Mikrobiologen mit einer entsprechenden beruflichen
Lizenz.
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Tabelle 3 zeigt eine Zusammenfassung
der analytischen Testergebnisse aus inokulierten Oberflächenproben
vor der erfindungsgemäßen Sterilisierung.
Die aufgezeichneten Konzentrationen stehen für die Anzahl der CFUs, die
in einer Fläche
von 25 cm2 vorhanden sind. Fünfunddreißig Prozent
der entnommenen Proben stammten inokulierten getrockneten Oberflächen. Die
Oberflächenproben
wurden unter Verwendung von Tryptic Soy Agar (mit Panase), Rose
Bengal Agar, Mannitolsalzagar, MacConkey-Agar und/oder sterilen
unbenutzten Kontaktplatten entnommen. Alle Proben wurden nach dem
Eintreffen in der analytischen Testeinrichtung bei 28–35°C inkubiert.
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Danach wurden Proben in einer Sterilisationskammer 60 unter
Verwendung der erfindungsgemäßen gleichzeitigen
Anwendung von Wellenenergie von ultraviolettem Licht und von Ultraschallwellenenergie
in einer Luftumgebung sterilisiert. Die sterilisierten Testobjekte
wurden danach auf das Vorhandensein von CFUs in Intervallen von
24 und 48 Stunden (sofern für
bestimmte Agararten keine längeren
Inkubationszeiten erforderlich waren) nach der Entnahme und Vorbereitung
bzw. Präparation
der Kontaktplatten analysiert. Zertifizierte und beruflich lizenzierte
Mikrobiologen nahmen die Entnahme und Analyse der Proben vor. Es
ist ersichtlich, dass im Bereich der Messfehler unter extrem "infizierten" Bedingungen die
Sterilisation zu nahezu 100% wirksam gewesen ist. Die Testergebnisse
sind in Tabelle 4 dargestellt.
-
(f) Schlussfolgerungen
zu den Oberflächensterilisationstests
-
Die Ergebnisse der über einen
Zeitraum von vierundzwanzig Monaten durchgeführten Teststudie in Bezug auf
den Einsatz der erfindungsgemäßen gleichzeitigen
Anwendung von Wellenenergie von ultraviolettem Licht und Ultraschallwellenenergie
auf eine Vielzahl von Oberflächenarten
innerhalb eines Bereichs von Bedingungen und Umgebungen belegen,
dass die vorliegende Erfindung ein effektives Mittel zur biologischen Dekontaminierung
für ausgesetzte
Oberflächen
darstellt, und zwar auf der Basis der prozentualen Reduzierung lebensfähiger pathogener
Mikroorganismen insgesamt anhand einer ausreichenden Anzahl zufälliger entnommener
und analysierter Testproben.
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Die vorstehende Studie bestätigte, dass
die der gleichzeitigen Zufuhr von Wellenenergie von ultraviolettem
Licht und von Ultraschallwellenenergie in einer Luftumgebung ausgesetzten
Oberflächen
eine konstante Verminderung quantifizierbarer Mikroorganismen von über 99,99
Prozent aufwiesen, wobei dies mit anderen zur Zeit verfügbaren und
zugelassenen Verfahren für
die Oberflächensterilisation
vergleichbar ist oder diese deutlich übertrifft. Die Ergebnisse aus
mehr als 1.875 Proben von Oberflächen,
die dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausgesetzt wurden, zeigten keine Anzeichen oder Symptome für Beschädigungen,
Ermüdungen oder
Verfärbungen
als Folge der Exposition der Technologie. Zahlreiche getestete Proben
wurden wiederholt dem Sterilisationsverfahren ausgesetzt, um die
Fehlerrate aus einer wiederholten langfristigen Exposition zu bestimmen.
Es wurde keine Probe ermittelt, die sichtbare oder andere erkennbare
Anzeichen für
eine Beschädigung,
Ermüdung
oder Erschöpfung
aufwies.
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Der Fachmann erkennt, dass die vorliegende
Erfindung gemäß der Beschreibung
unter Verwendung herkömmlicher
Schaltkreisanordnungen implementiert werden kann, und wobei die
vorliegende Erfindung in Bezug auf die Konfiguration und die Konstruktion
bzw. das Design variieren kann, einschließlich dem Einsatz analoger
und digitaler Äquivalente
für Schaltungselemente.
Hiermit wird ferner festgestellt, dass die Schaltkreisanordnung
zum Emittieren von Ultraschallwellen und ultraviolettem Licht im
Handel erhältlich
ist, sofern hierin nichts anderes beschrieben ist, und somit wurde
hierin auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet, da die Schaltkreisanordnung
keinen Bestandteil der beanspruchten Erfindung darstellt.
-
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden
Erfindung somit die Sterilisierung von Objekten unter Verwendung
von gleichzeitig zugeführtem
ultraviolettem Licht und Ultraschallwellen in einer nichtwässerigen
Umgebung wie etwa in Luft. Die gleichzeitige Emission von Ultraschall
und ultraviolettem Licht ergänzen
sich und können
wirksam organische oder anorganische Objekte in einer gasförmigen Umgebung
sterilisieren. Die gleichzeitige Kombination aus ultraviolettem
Licht und Ultraschallwellen sorgt für die effektive Sterilisation
von Objekten, ohne dass das Objekt in einer wässerigen oder anderen flüssigen Lösung platziert
werden muss, während
es den Ultraschallwellen ausgesetzt ist. Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ferner die Sterilisation eines Stroms von Luft oder eines
Luftkörpers
unter Verwendung einer Kombination von gleichzeitig angewandtem
ultraviolettem Licht und von Ultraschallwellen. Die vorstehende
Beschreibung weist zwar zahlreiche Spezifikationen auf, wobei diese
den Umfang der vorliegenden Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern
lediglich einige der zurzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung veranschaulichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung
ist durch die anhängigen
Ansprüche
und deren rechtlichen Äquivalente
definiert.
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TABELLE
1
Analytische Testergebnisse zufällig ausgewählter, unbehandelter Oberflächenproben
vor der Sterilisierung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung
-
TABELLE
2
Zusammenfassung der analytischen Testergebnisse von Oberflächenproben
nach der gleichzeitigen Zufuhr von ultravioletter und Ultraschallenergie
-
2+ steht für das vorhandene mikrobielle
Wachstum 72 Stunden nach der vollständigen Durchführung der
Behandlungsanwendung.
-
TABELLE
3
Zusammenfassung der analytischen Testergebnisse aus inokulierten
Oberflächenproben
vor der Sterilisierung gemäß der vorliegenden
Erfindung
-
TABELLE
4
Zusammenfassung der analytischen Testergebnisse aus inokulierten
Oberflächenproben
nach der Sterilisierung gemäß der vorliegenden
Erfindung
-
2+ steht für das vorhandene mikrobielle
Wachstum 72 Stunden nach der vollständigen Durchführung der
Behandlungsanwendung.
